Cảm biến điện cực là gì? Nguyên lý và ứng dụng đo mức nước

Cảm biến điện cực là một phương pháp phát hiện mức chất lỏng dựa trên khả năng dẫn điện của môi chất. Khi chất lỏng dẫn điện chạm vào điện cực, một đường dẫn điện được hình thành giữa điện cực đo và điện cực chung hoặc thành bồn dẫn điện. Bộ điều khiển nhận biết sự thay đổi này để tạo trạng thái ON/OFF, đóng relay hoặc phục vụ điều khiển bơm.

Điểm quan trọng cần hiểu là cảm biến điện cực thuộc nhóm đo mức kiểu dẫn điện (conductive level sensing), phù hợp nhất với nước và các dung dịch có độ dẫn điện đủ lớn. Đây không phải là cảm biến điện dung, cũng không phải một que đo liên tục tự tạo tín hiệu 4–20mA theo chiều cao mực chất lỏng. Trong phần lớn ứng dụng công nghiệp, điện cực được dùng để xác định một hoặc nhiều ngưỡng mức như HIGH, LOW, MAX hoặc MIN.

Cảm biến điện cực là gì?

Trong kỹ thuật đo mức, cảm biến điện cực là một hệ thống sử dụng một hoặc nhiều phần tử kim loại tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng để phát hiện trạng thái có hoặc không có môi chất tại vị trí cần giám sát. Điện cực thường được làm từ vật liệu dẫn điện có khả năng làm việc trong môi trường công nghiệp, còn bộ đánh giá trạng thái có nhiệm vụ cấp tín hiệu kiểm tra và xác định khi nào chất lỏng đã tạo được đường dẫn điện giữa các cực.

Điện cực trong hệ đo mức có nhiệm vụ gì?

Điện cực tạo phần tiếp xúc điện với môi chất. Khi chất lỏng dẫn điện chạm đồng thời điện cực đo và điểm tham chiếu, bộ điều khiển nhận biết điện trở giảm hoặc độ dẫn tăng để chuyển trạng thái đầu ra.

Nguyên lý cảm biến điện cực đo mức nước

Nguyên lý của cảm biến điện cực dựa trên độ dẫn điện của chất lỏng. Khi mực nước chạm điện cực đo và điện cực chung, môi chất trở thành một phần của mạch điện. Bộ relay nhận biết trạng thái dẫn điện để xác định nước đã tới cao độ điện cực.

Khi nước chạm điện cực thì điều gì xảy ra?

Bộ đánh giá cấp tín hiệu kiểm tra tới đầu dò. Khi nước dâng đến vị trí điện cực, dòng điện nhỏ có thể đi qua môi chất giữa các cực; bộ điều khiển nhận biết trạng thái này và đóng hoặc mở tiếp điểm relay.

Vì sao độ dẫn điện của môi chất quyết định khả năng phát hiện?

Không phải mọi chất lỏng đều tạo đường dẫn điện giống nhau. Nước có khoáng, nước quy trình hoặc nước thải thường dẫn điện tốt hơn dầu khoáng, xăng hoặc Diesel. Nước khử ion, nước siêu tinh khiết hoặc một số dung dịch có độ dẫn rất thấp cần được kiểm tra riêng theo độ nhạy của bộ đánh giá. Vì vậy khi chọn cảm biến mức dẫn điện, thông tin về môi chất quan trọng hơn việc chỉ nhìn vào chiều dài que.

Cảm biến điện cực chủ yếu dùng để báo mức điểm

Cảm biến điện cực không mặc định là cảm biến đo mức liên tục. Điện cực MAX chỉ xác định mức đã chạm MAX hay chưa; điện cực MIN xác định mức còn trên MIN hay đã xuống dưới MIN. Nhiều điện cực có thể tạo logic bơm nhưng vẫn là các ngưỡng rời rạc.

Nếu cần mức liên tục, thiết bị phải tạo giá trị tỷ lệ với chiều cao hoặc khoảng cách đo và xuất tín hiệu như 4–20mA. Một thanh điện cực dẫn điện thông thường không nên được mô tả như cảm biến 4–20mA liên tục.

Một hệ thống cảm biến điện cực gồm những gì?

1. Điện cực đo mức

Đây là phần tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng tại cao độ cần phát hiện. Điện cực có thể là dạng ngắn lắp ngang ở thành bồn hoặc dạng que lắp từ trên xuống. Khi cần tìm hiểu sâu hơn về cấu tạo, chiều dài và cách chọn đầu dò, xem bài que đo mực nước.

2. Điện cực chung hoặc điểm tham chiếu

Mạch đo cần một đường tham chiếu để dòng điện đi qua môi chất. Trong bồn cách điện thường bố trí riêng điện cực COM. Với một số cấu hình bồn kim loại, thành bồn có thể tham gia làm cực chung nếu thiết kế của nhà sản xuất cho phép và hệ thống có liên kết điện phù hợp.

3. Bộ relay hoặc bộ đánh giá trạng thái

Bộ đánh giá cấp tín hiệu cho điện cực, theo dõi trạng thái dẫn điện và chuyển thành tiếp điểm relay. Đây là phần quyết định độ nhạy, trễ và logic điều khiển. Vì vậy khi một hệ thống báo mức điện cực hoạt động không ổn định, không nên chỉ kiểm tra thanh điện cực mà bỏ qua bộ điều khiển, dây nối, điểm COM và cặn bám.

Một que, hai que và ba que khác nhau như thế nào?

Số lượng que phản ánh cách tạo mạch và số ngưỡng cần giám sát. Một số cấu hình dùng thành bồn kim loại làm tham chiếu; hai điện cực có thể tạo cặp đo, còn hệ ba que thường dùng cho MAX, MIN và COM.

Phần bố trí chiều dài MAX/MIN/COM, cách tạo vùng đóng và ngắt bơm cũng như logic vận hành nên tách riêng để tránh làm bài này lặp intent. Nếu đang thiết kế hệ điều khiển dạng này, xem chi tiết tại cảm biến mực nước 3 que.

Môi chất nào phù hợp với cảm biến điện cực?

Điều kiện cốt lõi của cảm biến điện cực là môi chất phải có độ dẫn điện đủ để bộ đánh giá nhận biết, đồng thời vật liệu điện cực phải tương thích với môi chất.

Ứng dụng phổ biến của cảm biến điện cực

Báo mức cao để chống tràn

Một cảm biến điện cực đặt tại vị trí HIGH/MAX có thể phát hiện khi nước dâng tới ngưỡng giới hạn. Tín hiệu relay được dùng để dừng bơm cấp, đóng van theo logic điều khiển hoặc tạo cảnh báo. Đây là ứng dụng đơn giản, dễ hiểu và phù hợp với bản chất báo mức điểm của công nghệ conductive.

Báo mức thấp và bảo vệ bơm chạy khô

Ở vị trí LOW/MIN, điện cực giúp nhận biết khi mực nước xuống dưới mức an toàn. Hệ thống có thể khóa bơm, phát cảnh báo hoặc chuyển sang chế độ khác. Khi dùng cho bảo vệ bơm, cần đặt ngưỡng MIN theo vị trí hút thực tế chứ không đơn giản đặt sát đáy bồn.

Tự động bơm giữa hai mức MIN và MAX

Khi cần giữ mực nước trong một khoảng, hệ thống dùng các điện cực ở hai cao độ và bộ relay có chức năng điều khiển mức. Tùy logic bơm cấp hay bơm xả, trạng thái MIN/MAX sẽ tạo lệnh bật và tắt khác nhau. Đây cũng là lý do cảm biến báo mức điện cực thường xuất hiện trong bồn nước, hố thu và các hệ thống cấp/xả nước đơn giản.

Ưu điểm và hạn chế của cảm biến điện cực

Ưu điểm

• Nguyên lý đơn giản, dễ hiểu và rất phù hợp cho báo mức nước HIGH/LOW.
• Có thể tạo nhiều ngưỡng bằng nhiều điện cực ở các cao độ khác nhau.
• Không cần cơ cấu phao cơ khí chuyển động trong bồn.
• Dễ kết hợp relay để điều khiển bơm cấp, bơm xả, chống tràn hoặc chống cạn.
• Đầu dò có thể có cấu tạo gọn và tuổi thọ cao khi chọn đúng vật liệu, môi chất và điều kiện lắp.

Hạn chế

• Chỉ hoạt động tốt khi môi chất có độ dẫn điện đủ cho bộ đánh giá nhận biết.
• Không phải giải pháp tự nhiên cho dầu, xăng, Diesel và nhiều chất lỏng không dẫn điện.
• Bám cặn hoặc lớp phủ trên điện cực có thể làm thay đổi đường dẫn điện và gây trạng thái sai.
• Vật liệu điện cực phải phù hợp với tính ăn mòn của môi chất.
• Bản chất là báo mức điểm; không thay thế trực tiếp cảm biến đo mức liên tục 4–20mA.

Cảm biến điện cực khác cảm biến điện dung như thế nào?

Cảm biến điện cực và cảm biến điện dung có thể cùng dùng đầu dò dạng que nhưng dựa trên hai đại lượng khác nhau. Điện cực cần đường dẫn điện qua môi chất; cảm biến điện dung nhận biết sự thay đổi điện dung hoặc hằng số điện môi.

Vì vậy nếu một thiết bị có que inox nhưng nhà sản xuất mô tả nguyên lý capacitive thì không nên gọi nó là cảm biến điện cực dẫn điện. Ngược lại, hệ conductive chỉ phát hiện khi môi chất tạo đường dẫn điện cũng không nên đưa chung vào nhóm điện dung chỉ vì hình dạng đầu dò giống nhau.

Ví dụ thực tế: Dinel CNP-18 kết hợp CDSU-522

Một ví dụ rõ ràng cho hệ cảm biến điện cực là đầu dò dẫn điện Dinel CNP-18 kết hợp bộ relay CDSU-522. Dinel xác định CNP-18 là conductive probe dùng để phát hiện trực tiếp mức của chất lỏng dẫn điện. Đầu dò có các phiên bản điện cực ngắn hoặc điện cực dạng que tháo rời, phù hợp cho cách lắp khác nhau.

CDSU-522 là bộ relay đánh giá trạng thái của đầu dò dẫn điện. Thiết bị có hai kênh và hỗ trợ chức năng điều khiển mức tự động, nhờ đó có thể dùng cho bài toán LOW-HIGH hoặc hai ngưỡng độc lập tùy cấu hình. Đây là cách thể hiện đúng vai trò: CNP-18 thực hiện phần tiếp xúc/phát hiện dẫn điện, còn CDSU-522 thực hiện phần đánh giá và chuyển trạng thái.

Thông tin tham chiếu hãng: Dinel CNP-18 – Conductive probe | Dinel CDSU-522 – Level control relay.

Khi nào nên chọn cảm biến điện cực?

Nên ưu tiên cảm biến điện cực khi môi chất là nước hoặc dung dịch có độ dẫn điện phù hợp, hệ thống chỉ cần một hoặc hai ngưỡng mức và yêu cầu điều khiển đơn giản. Đây là lựa chọn hợp lý cho bồn nước, hố thu, bể chứa hoặc hệ bơm cần chống tràn và chống cạn mà không cần biết chính xác phần trăm mức tại mọi thời điểm.

Từ nguyên lý đến giải pháp báo mức thực tế

Sau khi hiểu nguyên lý điện cực đo mức, bước tiếp theo không phải chọn model ngay mà là xác định hệ thống cần báo một ngưỡng hay hai ngưỡng. Nếu mục tiêu là chống tràn, chống cạn, dừng bơm hoặc điều khiển đầy/cạn, có thể xem Landing cảm biến báo đầy báo cạn để so sánh điện cực với các công nghệ báo mức điểm khác theo môi chất và điều kiện lắp.

Nếu hệ thống hiện hữu đang dùng điện cực thanh, cần thay que hoặc cần xác định loại đầu dò phù hợp với cách lắp, bài que đo mực nước sẽ đi sâu hơn về cấu tạo và phương án đầu dò. Còn nếu hệ thống dùng MAX/MIN/COM để điều khiển bơm, bài cảm biến mực nước 3 que sẽ phù hợp hơn để xem cách bố trí ngưỡng.

Câu hỏi thường gặp về cảm biến điện cực

Cảm biến điện cực có đo được dầu không?

Phần lớn dầu khoáng, Diesel và xăng dẫn điện rất kém nên không phải môi chất điển hình cho cảm biến điện cực dẫn điện. Nếu cần đo mức các môi chất này, nên đánh giá cảm biến điện dung, radar, radar dẫn sóng hoặc công nghệ khác theo bồn và điều kiện thực tế.

Cảm biến điện cực có xuất 4–20mA không?

Một hệ điện cực báo mức dẫn điện điển hình tạo trạng thái ON/OFF thông qua bộ relay hoặc bộ đánh giá. Không nên mặc định đầu dò điện cực sẽ tạo tín hiệu 4–20mA tỷ lệ với chiều cao mực nước. Nếu yêu cầu là 4–20mA liên tục, cần chọn thiết bị được thiết kế cho đo mức liên tục.

Cảm biến điện cực và cảm biến mực nước 3 que có phải một không?

Cảm biến mực nước 3 que là một cấu hình ứng dụng của nguyên lý điện cực dẫn điện, thường dùng ba điện cực để tạo MAX, MIN và COM. Còn khái niệm cảm biến điện cực rộng hơn, bao gồm hệ một điểm, nhiều điểm và nhiều cách bố trí khác nhau miễn là cơ chế phát hiện dựa trên độ dẫn điện của môi chất.

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