Đo mức trong bồn kín: Chọn radar, chênh áp hay điện dung?

Đo mức trong bồn kín khó hơn bồn hở vì người vận hành không quan sát trực tiếp được bề mặt, trong khi hơi, áp suất, ngưng tụ, bụi và kết cấu bên trong có thể ảnh hưởng đến phép đo. Tuy nhiên, chữ “kín” chỉ mô tả kết cấu che kín; nó không tự động cho biết bồn có áp suất hay không.

Một bồn inox có nắp nhưng nối với ống thở vẫn có thể làm việc gần áp suất khí quyển. Ngược lại, bình phản ứng, bồn gia nhiệt, bồn nạp khí hoặc thiết bị làm việc dưới chân không có áp suất khoang khí thay đổi theo quá trình. Hai trường hợp này cần cách chọn cảm biến hoàn toàn khác nhau.

Nếu đang tìm cách đo mức vật liệu trong bồn kín, trước khi chọn công nghệ cần xác định môi chất, mục tiêu đo và trạng thái áp suất của bồn.

Bài viết tập trung vào ba công nghệ chính thường được cân nhắc khi đo mức trong bồn kín gồm radar, chênh áp và điện dung. Ngoài ra, siêu âm có thể dùng cho bồn thông khí; công tắc mức phù hợp với yêu cầu báo đầy/cạn; còn loadcell được sử dụng khi cần xác định khối lượng thay vì chiều cao mức.

Bồn kín không đồng nghĩa với bồn có áp suất

Đây là điểm quan trọng nhất khi khảo sát đo mức trong bồn kín. Nếu phân loại sai trạng thái áp suất, một cảm biến vẫn có thể cho tín hiệu 4–20mA nhưng giá trị mức sẽ thay đổi theo áp suất khí thay vì chỉ thay đổi theo lượng vật liệu.

Bồn kín nhưng thông khí

Bồn có nắp, cửa kiểm tra hoặc mái che nhưng vẫn có ống thở, van thở hay đường cân bằng với khí quyển thường được xem là bồn không áp. Áp suất khoang khí chỉ dao động nhỏ khi nạp và xả. Trong trường hợp này có thể cân nhắc radar, siêu âm, điện dung hoặc cảm biến áp suất thủy tĩnh lắp gần đáy, tùy môi chất và yêu cầu vận hành.

Cần kiểm tra ống thở có bị tắc hay không. Khi bơm nạp nhanh, áp suất dương hoặc chân không tạm thời vẫn có thể làm sai phép đo bằng một cảm biến áp suất tương đối ở đáy.

Bồn kín có áp suất khí thay đổi

Bồn phản ứng, bồn gia nhiệt, bồn chứa dung môi bay hơi, bình tách hoặc bồn có khí nén phía trên là nhóm có áp suất thật. Áp suất đo tại đáy gồm hai thành phần: áp suất khoang khí và áp suất do cột chất lỏng tạo ra. Vì vậy, một transmitter áp suất một cổng tại đáy không thể tự tách riêng phần mức khi áp suất khí thay đổi.

Giải pháp thường được đánh giá là radar lắp trên nóc hoặc transmitter chênh áp. Radar xác định khoảng cách đến bề mặt, nhưng cảm biến và kết nối quá trình vẫn phải đáp ứng áp suất, nhiệt độ và tính tương thích hóa học.

Với chênh áp, cổng HP lấy áp ở đáy và cổng LP lấy áp ở khoang khí. Phần áp suất chung được triệt tiêu; chênh áp còn lại tương ứng với cột chất lỏng. Kết quả vẫn phụ thuộc vào khối lượng riêng, vị trí lấy áp, đường ống xung và điều kiện ngưng tụ.

Bồn làm việc dưới chân không

Chân không cũng là một trạng thái áp suất cần khai báo. Siêu âm cần môi trường khí để truyền sóng nên không phải lựa chọn mặc định; radar, chênh áp hoặc loadcell thường đáng xem xét hơn tùy cấu tạo bồn.

Mục tiêu đo mức trong bồn kín: liên tục, báo điểm hay khối lượng?

Cùng một bồn kín nhưng mục tiêu điều khiển khác nhau sẽ dẫn đến thiết bị khác nhau. Không nên dùng cảm biến đo liên tục đắt tiền nếu hệ thống chỉ cần một tiếp điểm chống tràn; cũng không nên dùng một công tắc mức để ước tính lượng tồn kho.

Nếu cần đường cong liên tục để điều khiển bơm, van, phối trộn hoặc quản lý tồn kho theo chiều cao, xem thêm cảm biến đo mức liên tục. Nếu chỉ cần tín hiệu HIGH/LOW, tham khảo nhóm cảm biến báo đầy/cạn.

Bảng chọn phương án đo mức trong bồn kín

Khi nào nên dùng radar?

Radar là một trong ba công nghệ chính khi đo mức trong bồn kín. Cảm biến được lắp trên nóc bồn và không cần tiếp xúc trực tiếp với môi chất. Sóng điện từ đo khoảng cách từ anten đến bề mặt, sau đó bộ xử lý quy đổi khoảng cách thành chiều cao mức.

Trong bồn có áp suất khí thay đổi, radar không mang thêm thành phần áp suất khoang khí như cảm biến áp suất đáy. Radar cũng thường ổn định hơn siêu âm khi xuất hiện hơi hoặc ngưng tụ. Tuy nhiên, bọt dày, môi chất phản xạ kém và anten bám phủ vẫn có thể làm tín hiệu yếu.

Trong silo kín, radar có chùm sóng hẹp giúp hạn chế phản xạ từ thành bồn và các kết cấu bên trong. Không nên chiếu cảm biến thẳng vào dòng nạp. Với bề mặt vật liệu nghiêng, giá trị tại một điểm đo không tự động đại diện cho thể tích trung bình của toàn silo.

Tham khảo tiêu chí chọn cảm biến đo mức radar. Các model có thể đánh giá gồm Dinel ARLM-54 cho chất lỏng hoặc Flowline LR85 cho bồn và silo khoảng đo lớn. Model chỉ được chốt sau khi kiểm tra khoảng đo, anten, áp suất, nhiệt độ và môi chất.

Khi nào nên dùng cảm biến chênh áp?

Đo mức trong bồn kín bằng chênh áp phù hợp với chất lỏng, đặc biệt khi có sẵn hai điểm lấy áp hoặc quá trình làm việc ở áp suất và nhiệt độ cao. Cổng HP thường nối gần đáy bồn, còn cổng LP nối với khoang hơi phía trên.

Áp suất tại cổng HP gồm áp suất khoang khí cộng với áp suất cột chất lỏng. Cổng LP nhận áp suất khoang khí. Khi hai phía được bố trí và hiệu chuẩn đúng, thành phần áp suất chung được triệt tiêu; phần chênh lệch còn lại được dùng để xác định mức.

Chênh áp tỷ lệ với khối lượng riêng và chiều cao mức. Nếu tỷ trọng thay đổi theo nhiệt độ, thành phần hoặc nồng độ, cùng một chiều cao vẫn có thể tạo ra kết quả khác.

Nếu hơi dễ ngưng tụ, đường LP có thể hình thành cột chất lỏng và gây trôi điểm zero. Khi đó cần đánh giá cấu hình wet leg, bình ngưng hoặc remote seal. Đường impulse cũng phải được bố trí để tránh bọt khí, chất lỏng đọng và chênh lệch nhiệt độ ngoài dự kiến.

Khi nào nên dùng cảm biến điện dung?

Đo mức trong bồn kín bằng điện dung phù hợp khi có thể đưa điện cực vào bồn và đặc tính môi chất tương đối ổn định. Cảm biến nhận biết sự thay đổi điện dung giữa điện cực với thành bồn hoặc điện cực tham chiếu.

Điện dung có thể được sử dụng cho hai nhiệm vụ khác nhau:

• Đo mức liên tục từ 0–100% bằng đầu dò que hoặc cáp.
• Phát hiện một điểm mức để báo đầy, báo cạn hoặc chống tràn.

Các thông tin cần kiểm tra gồm hằng số điện môi, độ dẫn điện, lớp phủ điện cực, khả năng bám dính, chiều dài que hoặc cáp và lực kéo lên đầu dò. Với bồn nhựa, có thể cần điện cực tham chiếu thay vì sử dụng thành bồn làm đối cực.

Lớp bám dày có thể bị cảm biến hiểu như mức thật. Thành phần vật liệu thay đổi cũng có thể làm điểm hiệu chuẩn dịch chuyển. Với silo cao chứa bột hoặc hạt, phải kiểm tra tải kéo, mài mòn và khả năng chịu lực của cáp.

Xem cách chọn cảm biến đo mức điện dung. Có thể đánh giá Dinel CLM-70 khi cần tín hiệu mức liên tục hoặc Dinel DLS-27 khi chỉ cần báo điểm. Phiên bản điện cực phải phù hợp với môi chất, nhiệt độ và áp suất thực tế.

Khi nào có thể dùng siêu âm?

Siêu âm là phương án bổ sung, không phải lựa chọn mặc định cho mọi bồn kín. Công nghệ này phù hợp hơn với bồn đóng nắp nhưng vẫn thông khí, nhiệt độ lớp khí tương đối ổn định, ít hơi, ít bọt và không làm việc dưới chân không.

Vì sóng âm phải truyền qua lớp khí bên trong bồn, nhiệt độ, thành phần khí, hơi dày và ngưng tụ có thể ảnh hưởng đến tốc độ truyền hoặc cường độ tín hiệu phản xạ.

Khi khảo sát cần kiểm tra giới hạn áp suất của cảm biến, vùng mù, chiều dài cổ bồn và vị trí các kết cấu bên trong. Cổ bồn dài, hẹp hoặc có mép hàn nhô ra có thể tạo phản xạ giả trước khi sóng chạm tới bề mặt.

Siêu âm có thể dùng cho một số phễu hoặc silo nhỏ, nhưng radar thường đáng ưu tiên hơn khi bụi nhiều, khoảng đo lớn hoặc bề mặt vật liệu biến động mạnh.

Nếu đang phân vân giữa hai công nghệ đo không tiếp xúc, xem bài radar hay siêu âm đo mức để so sánh theo hơi, bọt, bụi, vùng mù và điều kiện lắp đặt.

Khi nào dùng công tắc mức?

Công tắc mức không đo liên tục từ 0–100%. Thiết bị chỉ thay đổi trạng thái khi môi chất đạt tới vị trí được lắp đặt. Vì vậy, đây là phương án dành cho các yêu cầu:

• Báo đầy bồn.
• Báo cạn hoặc thiếu nguyên liệu.
• Chống tràn.
• Chống bơm chạy khô.
• Điều khiển bơm hoặc van tại một ngưỡng cố định.

Tùy môi chất có thể chọn công tắc điện dung, rung, RF admittance, phao hoặc công nghệ báo điểm khác. Vị trí lắp phải đúng ngưỡng bảo vệ và tránh dòng nạp tác động trực tiếp. Với bồn có áp suất, phần tiếp xúc quá trình của công tắc mức phải đáp ứng đúng áp suất và nhiệt độ làm việc.

Khi nào dùng loadcell cân bồn?

Loadcell không trực tiếp đo chiều cao bề mặt. Thiết bị đo tổng tải trọng của bồn; sau khi trừ khối lượng vỏ và kết cấu, hệ thống xác định lượng vật liệu theo kg hoặc tấn.

Phương án này phù hợp khi:

• Cần quản lý lượng vật liệu theo khối lượng.
• Cần cân phối liệu hoặc kiểm soát mẻ.
• Bề mặt vật liệu không ổn định.
• Bồn có nhiều bọt, bụi, hơi hoặc cánh khuấy.
• Không muốn đưa cảm biến vào bên trong bồn.

Đo bằng loadcell ít phụ thuộc vào áp suất, bụi, hơi, bọt hoặc góc nghiêng bề mặt. Tuy nhiên, phần cơ khí phải bảo đảm toàn bộ tải trọng truyền đúng qua loadcell. Đường ống cứng, ống mềm bị căng, rung động và tải lệch đều có thể gây sai số.

Tín hiệu mV/V từ loadcell thường cần bộ cộng và bộ chuyển đổi như Seneca Z-SG trước khi truyền về PLC bằng tín hiệu analog hoặc Modbus.

Chọn theo chất lỏng hay vật liệu rời

Bồn kín chứa chất lỏng

Với nước, dầu, dung môi hoặc hóa chất, cần kiểm tra áp suất và nhiệt độ trước, sau đó mới xét bọt, hơi, ăn mòn, độ nhớt và khả năng bám dính.

• Radar phù hợp khi muốn đo không tiếp xúc.
• Chênh áp phù hợp với bình chịu áp.
• Điện dung phù hợp khi môi chất ổn định và chấp nhận đầu dò tiếp xúc.
• Siêu âm phù hợp khi bồn thông khí và môi trường khí thuận lợi.
• Công tắc mức phù hợp khi chỉ cần báo đầy hoặc báo cạn.
• Loadcell phù hợp khi cần quản lý theo khối lượng.

Bài này chỉ tập trung vào điều kiện riêng của bồn kín. Phần so sánh đầy đủ các phương pháp cho nước, dầu và hóa chất được trình bày tại cách đo mức chất lỏng trong bồn.

Bồn hoặc silo kín chứa bột, hạt

Vật liệu rời thường tạo bề mặt không phẳng, thay đổi góc nghiêng khi nạp và xả, sinh bụi và có thể bám lên thành. Vì vậy, một giá trị khoảng cách tại một điểm chưa chắc đại diện chính xác cho toàn bộ thể tích.

• Radar chùm hẹp thường là hướng chính cho đo liên tục.
• Điện dung hoặc công tắc rung phù hợp cho báo điểm.
• Loadcell phù hợp khi cần quản lý theo kg hoặc tấn.
• Siêu âm chỉ nên chọn sau khi kiểm tra bụi, khoảng đo và vị trí nạp.

Khi cần phân tích sâu ảnh hưởng của bụi, góc nghỉ, dòng nạp và vị trí lắp, xem cách đo mức vật liệu rời trong silo. Nếu đã xác định điều kiện ứng dụng và cần chọn cảm biến hoặc model cụ thể để mua, xem cảm biến đo mức vật liệu rời.

7 lỗi lắp đặt riêng khi đo mức trong bồn kín

1. Lắp cảm biến trong cổ bồn quá dài hoặc quá hẹp

Cổ bồn có thể tạo phản xạ giả cho radar và siêu âm. Anten hoặc mặt phát phải có tầm nhìn phù hợp theo hướng dẫn của model. Không nên mặc định đặt cảm biến vào bất kỳ lỗ chờ nào có sẵn.

2. Không kiểm tra giới hạn áp suất và nhiệt độ

Phải kiểm tra áp suất và nhiệt độ cho cảm biến, ren hoặc mặt bích, gioăng, seal và phụ kiện. Không được suy ra khả năng chịu áp chỉ từ khoảng đo điện tử của thiết bị.

3. Bỏ qua hơi và ngưng tụ

Hơi có thể ngưng trên anten radar, mặt phát siêu âm hoặc trong đường LP của transmitter chênh áp. Cần chọn vị trí, vật liệu và cấu hình đường lấy áp phù hợp với trạng thái ngưng tụ.

4. Chiếu cảm biến vào dòng nạp

Dòng chất lỏng, hạt hoặc bột đi qua vùng đo có thể tạo tín hiệu mạnh và che bề mặt thật. Công tắc mức cũng có thể chịu lực va đập liên tục. Nên bố trí cảm biến lệch khỏi cửa nạp nhưng không quá sát thành.

5. Không khai báo vật cản bên trong

Cánh khuấy, ống gia nhiệt, giằng, thang và mối hàn lớn đều có thể tạo phản xạ. Khi không thể thay đổi vị trí, cần dùng chùm sóng hẹp, hướng anten phù hợp và thực hiện mapping tín hiệu giả theo hướng dẫn của thiết bị.

6. Không tính đến bụi, lớp bám và lực kéo

Bụi bám lên anten có thể làm giảm tín hiệu. Lớp bám trên điện cực làm sai điểm điện dung. Vật liệu rời còn có thể kéo hoặc mài mòn đầu dò cáp. Cần dự kiến phương án vệ sinh và chọn đầu dò đủ bền cơ học.

7. Quy đổi mức sang thể tích theo một đường tuyến tính

Bồn đứng đáy phẳng có thể gần tuyến tính theo chiều cao, nhưng bồn nằm ngang, bồn cầu, đáy côn và silo có phễu thì không. PLC hoặc bộ hiển thị cần bảng dung tích, phương trình hình học hoặc bảng tuyến tính hóa nhiều điểm.

Cách khảo sát cảm biến đo mức bồn kín

Để chọn đúng phương án và model, cần chuẩn bị các thông tin sau:

• Tên môi chất: nước, dầu, hóa chất, dung môi, bột, hạt hay dạng sệt.
• Khối lượng riêng hoặc tỷ trọng rời.
• Hằng số điện môi nếu có.
• Chiều cao, đường kính và hình dạng đáy bồn.
• Bồn thông khí, có áp suất dương hay làm việc dưới chân không.
• Áp suất nhỏ nhất và lớn nhất.
• Nhiệt độ vận hành và nhiệt độ vệ sinh cao nhất.
• Tình trạng bọt, hơi, ngưng tụ, bụi, bám dính và ăn mòn.
• Vị trí cổ bồn, cửa nạp, cánh khuấy, đường ống và giằng bên trong.
• Cần đo liên tục, báo đầy/cạn hay cân khối lượng.
• Tín hiệu cần dùng: 4–20mA, HART, Modbus, relay, PNP hoặc NPN.
• Yêu cầu chống nổ, an toàn chức năng hoặc vệ sinh.

Nên gửi thêm ảnh tổng thể bồn, bản vẽ cơ khí và ảnh nhìn qua cửa kiểm tra. Các thông tin này giúp xác định vị trí lắp, góc nhìn, vật cản và khả năng đưa đầu dò vào bồn.

Câu hỏi thường gặp

Bồn kín có bắt buộc dùng cảm biến chênh áp không?

Không. Chênh áp phù hợp với bồn chứa chất lỏng có áp suất khoang khí cần được bù. Radar có thể là lựa chọn tốt khi muốn đo không tiếp xúc. Bồn chỉ đóng nắp nhưng thông khí còn có thể dùng siêu âm, điện dung hoặc thủy tĩnh tùy điều kiện.

Radar có đo được bồn kín có áp suất không?

Có thể, nếu model radar, anten, kết nối và vật liệu đáp ứng áp suất, nhiệt độ, môi chất và yêu cầu an toàn của ứng dụng. Không nên suy ra khả năng chịu áp từ khoảng đo tối đa.

Bồn kín nhiều hơi nên chọn radar hay siêu âm?

Radar thường được ưu tiên vì không phụ thuộc vào tốc độ truyền âm trong lớp khí. Tuy nhiên, vẫn phải đánh giá ngưng tụ trên anten, bọt, hằng số điện môi và giới hạn áp suất. Siêu âm phù hợp hơn khi bồn thông khí và môi trường khí ổn định.

Đo silo kín chứa bột bằng điện dung được không?

Có thể dùng điện dung để đo liên tục hoặc báo điểm nếu vật liệu và kết cấu phù hợp. Cần kiểm tra lớp bám, hằng số điện môi, chiều dài đầu dò, tải kéo và mài mòn. Với silo cao, nhiều bụi hoặc cần không tiếp xúc, radar thường được ưu tiên.

Khi nào nên dùng loadcell thay cho cảm biến mức?

Loadcell phù hợp khi kết quả cần theo kg hoặc tấn, bề mặt không ổn định, có nhiều bọt hoặc bụi, hoặc không muốn đưa cảm biến vào trong bồn. Đổi lại, bồn và đường ống phải được thiết kế để toàn bộ tải trọng truyền đúng qua loadcell.

Tài liệu tham khảo

• Emerson – Differential Pressure Level Transmitter
• Dinel – Capacitive Level Meter CLM-70
• Dinel – Radar Level Meter GRLM-70
• Flowline – EchoBeam LR85 80GHz Radar

Kết luận

Đo mức trong bồn kín phải bắt đầu từ trạng thái áp suất, không bắt đầu từ tên công nghệ. Bồn kín thông khí khác hoàn toàn bồn chịu áp; chất lỏng khác bột và hạt; tín hiệu mức 0–100% khác báo đầy/cạn hoặc cân khối lượng.

Radar, chênh áp và điện dung là ba công nghệ chính được phân tích cho điều kiện bồn kín. Siêu âm là phương án bổ sung cho bồn thông khí có môi trường khí thuận lợi; công tắc mức dùng khi chỉ cần một ngưỡng; còn loadcell phù hợp khi kết quả cần theo khối lượng.

Phương án cuối cùng phải được đối chiếu với môi chất, áp suất, nhiệt độ, vật liệu kết nối, vị trí lắp và tín hiệu cần đưa về hệ thống điều khiển.

Chịu trách nhiệm nội dung:

Lê Quân Đạt – Kỹ sư Tự động hoá

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