Cảm biến đo mức chất lỏng: 6 loại phổ biến và cách chọn

Cảm biến đo mức chất lỏng cần được lựa chọn theo loại môi chất, chiều cao bồn, điều kiện lắp đặt và mục đích đo. Một bồn nước thông thường, giếng sâu, bồn hóa chất hoặc bồn có cánh khuấy sẽ cần những công nghệ khác nhau. Chọn sai có thể khiến tín hiệu dao động, kết quả thiếu chính xác hoặc cảm biến nhanh hư hỏng.

Trong bài viết này, tôi sẽ phân loại từng công nghệ theo nguyên lý, phạm vi sử dụng, thông số cần kiểm tra và cách lắp đặt, giúp bạn chọn đúng phương án trước khi tìm model cụ thể.

Cảm biến đo mức chất lỏng là gì?

Cảm biến đo mức chất lỏng là thiết bị xác định chiều cao, phần trăm, thể tích hoặc trạng thái đầy – cạn của chất lỏng trong bồn, bể và giếng. Kết quả có thể hiển thị tại chỗ hoặc truyền về PLC, bộ điều khiển, datalogger và hệ thống giám sát.

Trước khi chọn công nghệ, cần phân biệt hai nhu cầu:

Nếu chỉ cần dừng bơm khi bồn đầy, sử dụng cảm biến đo liên tục có thể không cần thiết. Ngược lại, công tắc mức ON/OFF không thể cho biết trong bồn còn 30% hay 70% chất lỏng.

6 loại cảm biến đo mức chất lỏng phổ biến

Các công nghệ thường được lựa chọn gồm:

• Cảm biến radar: Đo liên tục không tiếp xúc bằng sóng radar, phù hợp bồn kín, hóa chất, hơi nước và điều kiện vận hành phức tạp.
• Cảm biến siêu âm: Đo không tiếp xúc bằng sóng âm, thường dùng cho bồn nước, bể hở và các ứng dụng có điều kiện tương đối ổn định.
• Cảm biến thủy tĩnh: Đo áp suất của cột chất lỏng để quy đổi thành chiều cao mức, phù hợp với giếng, bể sâu, hố thu và bể ngầm.
• Cảm biến điện dung: Nhận biết sự thay đổi điện dung khi chất lỏng tiếp xúc với đầu dò, thường dùng để báo đầy, báo cạn hoặc đo liên tục tùy cấu tạo.
• Cảm biến điện cực: Phát hiện chất lỏng dẫn điện tại một vị trí cố định, phù hợp báo mức nước và chống bơm chạy khô.
• Cảm biến phao: Hoạt động theo chuyển động cơ học của phao, có cấu tạo đơn giản và chi phí thấp, chủ yếu dùng để báo đầy hoặc báo cạn.

1. Cảm biến radar đo mức chất lỏng

Radar được lắp trên nóc bồn, phát sóng điện từ xuống bề mặt và nhận tín hiệu phản xạ để tính khoảng cách. Từ khoảng cách đó, cảm biến quy đổi thành chiều cao mức hoặc thể tích.

• Phù hợp: bồn kín hoặc hở, hóa chất, dầu, nước thải, bồn cao, môi trường có hơi hoặc nhiệt độ thay đổi.
• Cần kiểm tra: dải đo thực tế, góc phát, hằng số điện môi, nhiệt độ, áp suất, vật liệu anten và tín hiệu đầu ra.
• Lắp đặt: anten hướng vuông góc với bề mặt; tránh thành bồn, ống nạp, thang và cánh khuấy.

Radar 80 GHz có góc phát hẹp và được dùng cho nhiều ứng dụng đo không tiếp xúc. Chẳng hạn, Flowline EchoBeam LR80 đo liên tục và xuất tín hiệu 4-20mA; phạm vi cụ thể phụ thuộc từng model (thông tin từ Flowline).

2. Cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng

Siêu âm cũng lắp phía trên bề mặt nhưng sử dụng xung âm. Thiết bị đo thời gian từ lúc phát xung đến khi nhận lại sóng phản xạ để tính khoảng cách.

• Phù hợp: bồn nước, bể hở, trạm bơm và môi trường không có áp suất cao.
• Cần kiểm tra: khoảng cách đo, vùng mù, góc phát, bù nhiệt, vật liệu đầu phát và tín hiệu 4-20 mA hoặc Modbus.
• Lắp đặt: tránh đường nước cấp, cổ bồn quá hẹp và vật cản; giữ mặt phát song song với mặt chất lỏng.

Siêu âm dễ lắp và không tiếp xúc với môi chất, nhưng bọt dày, hơi nước mạnh, gió, dòng nạp hoặc bề mặt dao động có thể làm tín hiệu kém ổn định. Xem thêm bài đo mức nước trong bồn không tiếp xúc.

3. Cảm biến thủy tĩnh dạng thả chìm

Cảm biến được thả xuống gần đáy bể hoặc giếng. Áp suất của cột chất lỏng tác động lên màng đo, sau đó được chuyển thành tín hiệu điện theo công thức P = ρ × g × h. Vì vậy, độ chính xác có thể bị ảnh hưởng nếu khối lượng riêng của môi chất thay đổi.

• Phù hợp: giếng, hồ, hố thu, bể ngầm hoặc những vị trí khó lắp cảm biến ở phía trên.
• Cần kiểm tra: dải đo cột áp, vật liệu màng và cáp, khả năng tương thích với môi chất, ống mao dẫn bù áp và cấp bảo vệ IP68.
• Lắp đặt: không để đầu cảm biến vùi trong bùn hoặc cặn lắng. Đầu ống thông khí cần được giữ khô, sạch và không bị bịt kín để cảm biến bù áp chính xác.

Cảm biến thủy tĩnh không chỉ đo được nước. Một số loại có thể dùng cho dầu hoặc hóa chất nếu vật liệu tương thích và dải đo được tính theo đúng khối lượng riêng. Ví dụ, Dinel HLM-25S được thiết kế cho bồn hở, giếng và hố thu nước (Dinel HLM-25S).

4. Đo mức bằng cảm biến áp suất hoặc chênh áp

Với bồn hở, cảm biến áp suất có thể lắp gần đáy để đo áp suất cột chất lỏng. Với bồn kín có áp suất phía trên bề mặt, cần đo chênh lệch giữa áp suất đáy và áp suất phần khí để loại ảnh hưởng của áp suất trong bồn.

• Phù hợp: bồn kín, bồn áp suất, bồn có cánh khuấy, chất lỏng có bọt dày hoặc vị trí chỉ có thể đo từ đáy.
• Cần kiểm tra: bồn hở hay kín, áp suất tĩnh, dải chênh áp, khối lượng riêng, nhiệt độ, vật liệu màng và kết nối cơ khí.
• Lắp đặt: tránh cặn làm nghẹt cổng áp; với bồn kín phải bố trí đúng phía áp cao và áp thấp.

Phương pháp này vẫn phụ thuộc khối lượng riêng. Nếu mật độ thay đổi nhiều theo nhiệt độ hoặc thành phần, giá trị mức cũng có thể thay đổi dù chiều cao thực tế không đổi.

5. Cảm biến điện dung đo mức liên tục

Cảm biến sử dụng que hoặc cáp đo và thành bồn như một hệ điện cực. Khi chất lỏng bao phủ phần tử đo, điện dung thay đổi do hằng số điện môi của không khí và môi chất khác nhau. Mạch điện tử xử lý sự thay đổi này để tạo tín hiệu mức.

• Phù hợp: bồn nhỏ và trung bình chứa nước, dầu hoặc hóa chất; điều kiện cần đầu dò tiếp xúc.
• Cần kiểm tra: hằng số điện môi, độ dẫn điện, lớp bám, chiều dài que/cáp, vật liệu cách điện, nhiệt độ và áp suất.
• Lắp đặt: Không để đầu dò chạm thành bồn; tránh đường nạp liệu và cánh khuấy; đồng thời đánh giá khả năng bám dính của môi chất.

Nguyên lý điện dung không đồng nghĩa với đo độ dẫn điện. Cảm biến có thể làm việc với chất lỏng dẫn điện hoặc không dẫn điện khi chọn đúng cấu tạo và hiệu chuẩn. Tài liệu Dinel mô tả đầu dò nhận biết sự thay đổi điện dung khi vùng đo được môi chất bao phủ (Dinel CLS).

6. Cảm biến báo đầy, báo cạn

Nhóm này phát hiện chất lỏng tại một điểm cố định, không cho biết giá trị trên toàn dải.

Cảm biến điện cực tạo mạch đo khi chất lỏng dẫn điện chạm các que. Loại này phù hợp với nước và nhiều dung dịch dẫn điện, nhưng có thể không phù hợp với dầu hoặc nước tinh khiết có độ dẫn quá thấp.

Cảm biến điện dung hoặc cao tần nhận biết sự thay đổi tại đầu dò. Một số thiết kế có thể hạn chế ảnh hưởng của bọt và lớp bám, phù hợp với chất lỏng nhớt, kem, siro, chất tẩy rửa hoặc bùn. Dinel RFLS-53 là một ví dụ sử dụng nguyên lý điện dung cao tần và có khả năng bỏ qua cặn bám trên phần đo (Dinel RFLS-53).

• Phù hợp: chống tràn, chống cạn, khóa liên động bơm và phát hiện có/không có chất lỏng.
• Cần kiểm tra: độ dẫn điện, độ nhớt, lớp bám, bọt, nhiệt độ, áp suất và ngõ ra relay, PNP, NPN hoặc NAMUR.
• Lắp đặt: đặt đầu dò đúng cao độ; tránh dòng nạp; chọn trạng thái an toàn khi mất nguồn hoặc đứt dây.

Bảng so sánh các cảm biến đo mức chất lỏng

Chọn nhanh cảm biến đo mức chất lỏng theo điều kiện thực tế

Thông tin cần có trước khi chọn cảm biến

Tôi thường cần tám thông tin sau để loại trừ những phương án không phù hợp:

1. Tên chất lỏng và đặc tính dẫn điện, ăn mòn hoặc bám dính.
2. Chiều cao bồn và khoảng cách từ vị trí lắp đến mức thấp nhất.
3. Bồn hở hay kín; áp suất làm việc và áp suất tối đa.
4. Nhiệt độ môi chất và môi trường.
5. Bề mặt có bọt, hơi, sóng, cánh khuấy hoặc dòng nạp hay không.
6. Vật liệu bồn và kiểu kết nối cơ khí.
7. Cần đo liên tục hay chỉ báo đầy, báo cạn.
8. Thiết bị nhận tín hiệu là PLC, màn hình, datalogger hay relay.

Chỉ ghi “bồn cao 5 m” thường chưa đủ để chọn model. Cảm biến còn phải đáp ứng vị trí lắp, vật liệu tiếp xúc, điều kiện vận hành và tín hiệu của hệ thống.

Tín hiệu đầu ra cần chọn

• 4-20mA: truyền giá trị mức liên tục về PLC hoặc bộ hiển thị; phù hợp với hệ thống công nghiệp và đường dây tương đối dài.
• 0-10V: cũng biểu diễn mức liên tục nhưng thường dùng với khoảng cách dây ngắn và môi trường ít nhiễu hơn.
• HART hoặc Modbus: dùng khi cần cấu hình, đọc trạng thái hoặc nhiều biến đo; thiết bị nhận phải hỗ trợ đúng giao thức.
• Relay, PNP, NPN hoặc NAMUR: thường dùng cho báo mức điểm; phải phù hợp điện áp và kiểu ngõ vào của bộ điều khiển.

4 lỗi thường gặp khi chọn cảm biến đo mức chất lỏng

1. Chỉ chọn theo chiều cao bồn

Dải đo đủ chưa chắc cảm biến làm việc tốt. Vùng mù, cổ bồn, mức cao nhất và vật cản đều phải được tính từ mặt cảm biến.

2. Không phân biệt đo liên tục và báo mức điểm

Hãy xác định PLC cần giá trị analog hay chỉ cần tiếp điểm cảnh báo. Đây là hai yêu cầu khác nhau.

3. Bỏ qua đặc tính môi chất

Khối lượng riêng ảnh hưởng đến thủy tĩnh; hằng số điện môi và lớp bám ảnh hưởng đến điện dung; bọt và hơi có thể ảnh hưởng đến siêu âm.

4. Lắp ngay phía trên dòng nạp

Dòng chất lỏng, bọt và bề mặt dao động có thể tạo tín hiệu sai. Vị trí lắp nên đại diện cho mức chung và tránh kết cấu gây phản xạ.

Câu hỏi thường gặp

Cảm biến nào đo mức chất lỏng chính xác nhất?

Không thể kết luận chỉ bằng tên công nghệ. Radar thường ổn định trong nhiều bồn công nghiệp, nhưng kết quả còn phụ thuộc dải đo, vật cản, môi chất, vị trí lắp và cấu hình. Với giếng sâu, cảm biến thủy tĩnh có thể thực tế hơn.

Chất lỏng có bọt nên dùng radar hay siêu âm?

Nên cân nhắc radar trước vì bọt có thể làm suy giảm sóng siêu âm. Tuy nhiên, bọt rất dày cũng có thể ảnh hưởng đến radar nên vẫn cần kiểm tra điều kiện thực tế.

Cảm biến 4-20 mA có điều khiển bơm trực tiếp được không?

Thông thường không. Tín hiệu phải đưa vào PLC, bộ điều khiển hoặc màn hình có relay; thiết bị trung gian mới đóng/ngắt contactor hoặc relay công suất của bơm.

Muốn báo đầy và báo cạn có cần hai cảm biến không?

Tùy công nghệ. Công tắc mức độc lập thường cần một cảm biến cho mỗi ngưỡng. Nếu dùng cảm biến đo liên tục và PLC, có thể đặt hai ngưỡng trong chương trình điều khiển.

Tư vấn chọn cảm biến đo mức chất lỏng

Nếu bạn chưa xác định nên dùng radar, siêu âm, thủy tĩnh hay cảm biến báo mức, hãy gửi cho tôi tên chất lỏng, chiều cao bồn, nhiệt độ, áp suất, vị trí lắp và tín hiệu cần đưa về PLC. Tôi sẽ giúp kiểm tra phương án phù hợp trước khi chọn model.

Hotline/Zalo: 0886 0884 96
Email: datle.huphaco@gmail.com