Cảm biến đo mức nước dạng phao: Phân loại, cách chọn và lắp đặt

Cảm biến đo mức nước dạng phao là một trong những phương pháp phát hiện mức chất lỏng có cấu tạo dễ hiểu nhất: mặt nước thay đổi thì phao nổi lên hoặc hạ xuống theo. Chuyển động này được sử dụng để đóng/ngắt tiếp điểm hoặc tạo ra tín hiệu tương ứng với vị trí mức.

Trong thực tế, cụm từ cảm biến đo mức nước dạng phao có thể chỉ nhiều thiết bị khác nhau. Có loại chỉ báo một điểm HIGH hoặc LOW, có loại dùng hai điểm để điều khiển bơm giữa MIN/MAX, và cũng có cảm biến phao dùng để theo dõi mức gần như liên tục từ thấp đến cao.

Vì vậy, trước khi chọn phao cần xác định rõ mục tiêu là báo đầy/cạn hay đo mức liên tục. Nếu cần tìm hiểu toàn bộ các công nghệ trước khi quyết định, xem thêm các loại cảm biến đo mức nước.

Phao thuộc nhóm báo mức điểm; xem thêm cách phân loại và chọn cảm biến đo mức.

Cảm biến đo mức nước dạng phao là gì?

Cảm biến đo mức nước dạng phao là thiết bị phát hiện vị trí mặt chất lỏng dựa trên lực nổi. Phao có khối lượng riêng thấp hơn chất lỏng phù hợp nên sẽ thay đổi vị trí khi mức nước tăng hoặc giảm.

Tùy thiết kế, chuyển động của phao có thể tác động trực tiếp lên một công tắc, tác động từ tính lên reed switch bên trong ống dẫn hướng hoặc được chuyển thành tín hiệu vị trí để đo mức liên tục.

Điểm quan trọng là phao phải thực sự dịch chuyển theo mặt chất lỏng. Vì vậy, không gian chuyển động, tỷ trọng chất lỏng, cặn bám, độ nhớt, vật cản và hướng lắp đều ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc của cảm biến.

Phao không phải là một công nghệ chỉ dùng cho bồn nước dân dụng. Các float switch công nghiệp bằng inox, nhựa kỹ thuật hoặc vật liệu chuyên dụng vẫn được sử dụng trong bồn chứa, xử lý nước, máy móc và nhiều hệ thống công nghiệp khi điều kiện ứng dụng phù hợp.

Thông tin tham khảo về nguyên lý và các dòng phao công nghiệp có thể xem tại WIKA – Float switches.

Hai loại chính: phao ON/OFF và phao đo liên tục

Khi chọn cảm biến đo mức nước dạng phao, cách phân loại hữu ích nhất không phải theo hình dạng bên ngoài mà theo nhiệm vụ đo.

Phao ON/OFF

Loại này chỉ cần xác định chất lỏng đã đạt hoặc rời khỏi một vị trí nhất định. Đầu ra thường là trạng thái đóng/mở tiếp điểm để đưa về relay, bộ điều khiển hoặc ngõ vào số phù hợp.

Phao ON/OFF có thể là phao dây treo tự do, phao gắn ngang thành bồn hoặc phao từ chạy dọc theo một ống dẫn hướng. Mỗi cấu tạo có cách lắp và phạm vi ứng dụng khác nhau.

Phao đo liên tục

Với loại liên tục, hệ thống cần biết vị trí của phao trên một đoạn đo thay vì chỉ một điểm. Một phương án phổ biến là phao mang nam châm di chuyển dọc ống dẫn, tác động lên chuỗi điện trở và reed contact bên trong.

Tín hiệu từ phần tử đo sau đó có thể được transmitter xử lý thành tín hiệu phù hợp như 4–20mA tùy thiết kế. Không nên hiểu rằng mọi phao liên tục đều mặc định có đầu ra 4–20mA.

Phao báo đầy/cạn hoạt động thế nào?

Trong ứng dụng báo mức điểm, cảm biến đo mức nước dạng phao thay đổi trạng thái khi phao đi qua vị trí chuyển mạch đã thiết kế.

Ví dụ với bồn cấp nước, một phao có thể được đặt ở mức HIGH. Khi nước dâng đến vị trí này, tiếp điểm thay đổi trạng thái và hệ thống có thể dừng bơm để chống tràn.

Ngược lại, một phao đặt ở LOW có thể được dùng để phát hiện mức thấp. Tín hiệu này thường phục vụ cảnh báo cạn hoặc khóa bơm nhằm giảm nguy cơ chạy khô.

Nếu cần điều khiển bơm giữa hai mức, có thể bố trí hai điểm MIN/MAX hoặc sử dụng một cụm phao có nhiều điểm chuyển mạch. Logic thường là:

• MIN: yêu cầu bơm cấp hoặc cảnh báo mức thấp.
• MAX: dừng bơm cấp hoặc phát cảnh báo đầy.
• Với bơm xả, logic điều khiển có thể đảo lại tùy mục tiêu hệ thống.

Nếu nhu cầu thực tế chỉ là HIGH/LOW, không nhất thiết phải dùng cảm biến đo liên tục. Có thể xem thêm cảm biến báo mức đầy cạn để so sánh phao với các công nghệ báo điểm khác.

Phao đo liên tục hoạt động thế nào?

Phao đo liên tục vẫn dựa trên lực nổi nhưng thay vì chỉ phát hiện một vị trí, thiết bị xác định sự thay đổi vị trí của phao trên toàn bộ đoạn đo.

Ở cảm biến reed-chain, phao mang nam châm chạy dọc ống dẫn hướng. Khi phao di chuyển, từ trường tác động lên chuỗi reed contact và điện trở bên trong. Giá trị điện đo được thay đổi theo vị trí phao và có thể được transmitter chuyển đổi thành tín hiệu tỷ lệ với mức.

Ngoài reed-chain còn có hệ đo phao sử dụng nguyên lý magnetostrictive cho yêu cầu độ phân giải cao hơn. Vì vậy, “phao đo liên tục” là một nhóm thiết bị chứ không phải chỉ có một cấu tạo duy nhất.

Thông tin từ WIKA cho thấy các reed level transmitter có thể được cấu hình transmitter đầu ra 4–20mA, HART và các chuẩn truyền thông khác tùy model. Tham khảo: WIKA FLR reed level transmitter.

Nếu mục tiêu chính là theo dõi mức từ 0–100%, nên so sánh phao với cảm biến đo mức liên tục sử dụng điện dung, thủy tĩnh, siêu âm hoặc radar trước khi quyết định.

Khi nào nên dùng cảm biến dạng phao?

Cảm biến đo mức nước dạng phao phù hợp nhất khi môi chất và kết cấu bồn cho phép phao chuyển động ổn định. Một số trường hợp đáng cân nhắc gồm:

• Bồn nước sạch hoặc chất lỏng ít cặn, ít đóng bám.
• Cần báo đầy, báo cạn hoặc điều khiển bơm theo một vài mức cố định.
• Cần giải pháp nguyên lý đơn giản, dễ kiểm tra trạng thái.
• Môi chất không phù hợp với điện cực dẫn điện nhưng vẫn có thể sử dụng phao.
• Bồn có đủ không gian để phao dịch chuyển mà không va vào thành, ống hoặc thiết bị khác.
• Có thể bố trí vị trí lắp thuận tiện cho kiểm tra và bảo trì khi cần.

Một ưu điểm đáng chú ý là phao không cần dựa vào độ dẫn điện của nước. Do đó, phao có thể làm việc với nhiều chất lỏng mà phương pháp điện cực dẫn điện không phù hợp, miễn là vật liệu và tỷ trọng của phao được chọn đúng.

Khi nào không nên dùng phao?

Dù cấu tạo đơn giản, cảm biến đo mức nước dạng phao không phải lựa chọn tối ưu cho mọi bồn. Điểm hạn chế lớn nhất là phải có một bộ phận cơ khí dịch chuyển theo chất lỏng.

Cần thận trọng hoặc chuyển sang công nghệ khác trong các trường hợp sau:

• Chất lỏng rất nhớt hoặc dạng paste: môi chất có thể bám lên phao và cản trở chuyển động.
• Nhiều bùn, cặn hoặc rác: có nguy cơ chèn hoặc giữ phao tại một vị trí.
• Không gian bồn chật: phao dễ va vào thành, ống, khung hoặc cánh khuấy.
• Dòng chảy mạnh: phao có thể dao động hoặc bị đẩy lệch khỏi vị trí mong muốn.
• Cần đo hoàn toàn không tiếp xúc: phao không đáp ứng yêu cầu này.
• Cần đo từ xa trong bồn sâu hoặc vị trí khó bảo trì: nên so sánh với thủy tĩnh, radar hoặc siêu âm.

Trong bồn có hơi, bọt, khuấy hoặc yêu cầu đo không tiếp xúc, có thể đánh giá thêm cảm biến đo mức radar. Với giếng sâu hoặc bể ngầm khó lắp thiết bị phía trên, cảm biến đo mức nước thủy tĩnh thường là hướng đáng so sánh.

Phao nhựa hay inox?

Một câu hỏi thường gặp khi chọn cảm biến đo mức nước dạng phao là nên dùng phao nhựa hay phao inox. Không có câu trả lời “nhựa luôn dành cho hóa chất” hoặc “inox luôn dành cho nhiệt độ cao”. Vật liệu phải được kiểm tra theo đúng môi chất và điều kiện vận hành.

Ngoài vật liệu phao, cần kiểm tra cả vật liệu ống dẫn, gioăng, ren kết nối và những bộ phận trực tiếp tiếp xúc môi chất. Với hóa chất, tên hóa chất và nồng độ cụ thể thường quan trọng hơn cách gọi chung là “nước hóa chất”.

Cách chọn theo môi chất, nhiệt độ và vị trí lắp

Để chọn đúng cảm biến đo mức nước dạng phao, nên đi lần lượt từ nhu cầu đo đến điều kiện thực tế của bồn thay vì chọn theo kích thước hoặc giá trước.

1. Xác định báo điểm hay đo liên tục

Nếu chỉ cần biết nước đã đầy hoặc đã cạn, phao ON/OFF là phương án cần xem đầu tiên. Nếu cần hiển thị 35%, 60%, 85% hoặc theo dõi toàn bộ quá trình nạp/xả, cần chuyển sang phao liên tục hoặc cảm biến đo mức liên tục khác.

2. Xác định chính xác môi chất

Nước sạch, nước thải, dầu, hóa chất loãng và chất lỏng nhớt có điều kiện rất khác nhau. Đặc biệt cần chú ý cặn, bùn, sợi, dầu mỡ và khả năng kết tinh hoặc đóng bám lên phao.

3. Kiểm tra tỷ trọng chất lỏng

Phao làm việc nhờ lực nổi nên tỷ trọng môi chất là thông số có ý nghĩa thực tế. Với chất lỏng tỷ trọng thấp, độ chìm và vị trí tác động của phao có thể khác so với nước. Datasheet của từng thiết bị cần được kiểm tra trước khi sử dụng.

4. Kiểm tra nhiệt độ và áp suất

Không nên chỉ hỏi “phao inox hay phao nhựa”. Cần cung cấp nhiệt độ vận hành bình thường, nhiệt độ cao nhất và áp suất trong bồn để chọn đúng cấu hình cơ khí và vật liệu.

5. Xác định vị trí lắp

Cảm biến có thể lắp từ trên xuống, lắp ngang thành bồn hoặc treo bằng cáp tùy loại. Vị trí lắp quyết định phao có đủ không gian chuyển động và có bị ảnh hưởng bởi dòng nước vào hay không.

6. Kiểm tra tín hiệu cần đưa về hệ thống

Với phao báo điểm, cần xác định dạng tiếp điểm và tải điều khiển phù hợp. Với phao liên tục, cần kiểm tra tín hiệu gốc và transmitter đi kèm có đáp ứng 4–20mA hoặc chuẩn tín hiệu mà hệ thống đang sử dụng hay không.

Cách lắp cảm biến dạng phao tránh kẹt phao

Nhiều sự cố của cảm biến đo mức nước dạng phao không đến từ phần điện mà đến từ vị trí lắp. Một phao tốt vẫn có thể báo sai nếu bị thành bồn, đường ống hoặc cặn giữ lại.

Tránh ngay dòng nước vào

Không nên đặt phao ngay dưới đường nước cấp. Dòng chảy trực tiếp có thể làm phao dao động liên tục hoặc đẩy phao khỏi vị trí tự nhiên.

Chừa khoảng trống cho phao dịch chuyển

Kiểm tra toàn bộ hành trình từ LOW đến HIGH. Phao không được chạm thành bồn, thang, đường ống, gia nhiệt, khung đỡ hoặc các chi tiết cơ khí khác.

Tránh vùng cặn tập trung

Không đặt phao LOW sát lớp bùn hoặc cặn dưới đáy bể. Khi cặn tích tụ theo thời gian, phao có thể bị giữ lại và không trở về trạng thái bình thường.

Giữ đúng hướng lắp của nhà sản xuất

Một số float switch từ tính được thiết kế cho hướng lắp cụ thể. Việc đảo chiều, xoay phao hoặc lắp sai hướng có thể thay đổi logic tiếp điểm hoặc vị trí đóng/ngắt.

Kiểm tra thực tế sau khi lắp

Sau khi hoàn thiện cơ khí, nên mô phỏng mức tăng và giảm để xác nhận cả hai chiều tác động. Với hệ điều khiển bơm MIN/MAX, cần thử cả trạng thái bơm cấp hoặc bơm xả để tránh đảo logic.

Phao hay điện cực/điện dung?

Phao, điện cực dẫn điện và điện dung đều có thể dùng trong hệ thống đo hoặc báo mức nhưng không nên xem chúng là ba thiết bị thay thế trực tiếp cho nhau trong mọi trường hợp.

Nếu bồn chứa nước dẫn điện và chỉ cần báo đầy/cạn, có thể so sánh phao với cảm biến điện cực dẫn điện. Điện cực không cần một phao cơ khí nổi lên xuống nhưng yêu cầu môi chất có khả năng dẫn điện phù hợp.

Nếu muốn đo mức liên tục hoặc cần giải pháp phù hợp với nước, dầu, hóa chất, bột hoặc hạt tùy cấu hình, có thể xem thêm cảm biến đo mức điện dung.

Nếu cần giải pháp công nghiệp khác

Cảm biến đo mức nước dạng phao nên được lựa chọn khi ưu điểm của phao phù hợp với điều kiện thực tế của bồn. Không nên cố dùng phao nếu môi trường có nhiều cặn, chất bám, không gian chuyển động hạn chế hoặc yêu cầu đo không tiếp xúc.

Có thể định hướng nhanh theo nhu cầu:

• Cần HIGH/LOW, báo đầy/cạn: xem cảm biến báo mức đầy cạn.
• Cần theo dõi mức 0–100%: xem cảm biến đo mức liên tục.
• Nước dẫn điện và chỉ cần báo điểm: xem cảm biến điện cực.
• Cần cảm biến tiếp xúc nhưng không muốn bộ phận phao chuyển động: xem cảm biến đo mức điện dung.
• Cần đo không tiếp xúc trong bồn có hơi, bọt hoặc điều kiện phức tạp: xem cảm biến đo mức radar.
• Chưa xác định công nghệ: xem các loại cảm biến đo mức nước.

Kết luận

Cảm biến đo mức nước dạng phao là giải pháp phù hợp khi cần báo đầy/cạn, điều khiển bơm hoặc theo dõi mức bằng cơ cấu phao nổi trong chất lỏng. Điểm mạnh của phương pháp này là nguyên lý đơn giản, không phụ thuộc độ dẫn điện và có nhiều cấu hình ON/OFF hoặc đo liên tục.

Tuy nhiên, việc chọn phao cần dựa trên môi chất, tỷ trọng, nhiệt độ, áp suất, vật liệu, vị trí lắp và khoảng không cho phao chuyển động. Trong môi trường nhiều cặn, nhớt, bám dính hoặc cần đo không tiếp xúc, nên so sánh với điện cực, điện dung, thủy tĩnh, siêu âm hoặc radar trước khi quyết định.

Khi gửi yêu cầu chọn cảm biến đo mức nước dạng phao, nên cung cấp loại chất lỏng, nhiệt độ, áp suất, kích thước bồn, vị trí HIGH/LOW hoặc dải đo, kiểu lắp và tín hiệu cần đưa về hệ thống. Những thông tin này giúp loại bỏ sớm các phương án không phù hợp.

Chịu trách nhiệm nội dung:

Lê Quân Đạt – Kỹ sư Tự động hóa

Phụ trách biên soạn và kiểm tra nội dung kỹ thuật về cảm biến đo lường, xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu trong công nghiệp.

• Điện thoại: 0886 088 496
• Email: datle.huphaco@gmail.com
• Website: Chuyendoitinhieu.vn