Cảm biến điện dung là gì? | Cấu tạo – Nguyên lý – Ứng dụng

Cảm biến điện dung là một loại cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung của một hệ điện cực khi vật thể, chất lỏng hoặc vật liệu có hằng số điện môi khác nhau xuất hiện trong vùng điện trường. Nhờ nguyên lý này, cảm biến điện dung có thể được sử dụng để phát hiện vật thể, nhận biết chất lỏng qua thành phi kim hoặc đo mức chất lỏng, bột và vật liệu rời trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

Điểm quan trọng là không nên đồng nhất tất cả thiết bị sử dụng nguyên lý điện dung thành một loại. Cảm biến tiệm cận điện dung thường dùng để phát hiện vật ở khoảng cách ngắn và tạo tín hiệu đóng/ngắt, trong khi cảm biến đo mức điện dung được thiết kế với điện cực và mạch xử lý phù hợp để xác định mức vật liệu trong bồn, bể hoặc silo.

Bài viết này tập trung giải thích cảm biến điện dung là gì, điện dung và hằng số điện môi có vai trò như thế nào, nguyên lý hoạt động, cấu tạo, ưu nhược điểm và sự khác biệt giữa cảm biến điện dung với cảm biến điện cực dẫn điện. Phần lựa chọn kiểu điện cực, khoảng đo, tín hiệu đầu ra và model cụ thể sẽ được tách sang nội dung chuyên về lựa chọn cảm biến đo mức điện dung.

Cảm biến điện dung là gì?

Cảm biến điện dung, tiếng Anh thường gọi là capacitive sensor, là cảm biến phát hiện sự thay đổi điện dung trong vùng điện trường tạo bởi một hoặc nhiều điện cực. Khi vật liệu xuất hiện, khoảng cách hình học thay đổi hoặc môi trường điện môi giữa các điện cực thay đổi, giá trị điện dung cũng thay đổi.

Mạch điện tử bên trong cảm biến theo dõi sự biến đổi này và chuyển nó thành trạng thái phát hiện hoặc một giá trị đo. Chính vì vậy, nguyên lý điện dung có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như cảm biến tiệm cận, báo mức cao thấp hoặc đo mức liên tục.

Khác với cảm biến cảm ứng từ chủ yếu dùng cho kim loại, cảm biến điện dung có khả năng nhận biết nhiều vật liệu không phải kim loại. Nước, dầu, nhựa, thủy tinh, hóa chất, bột hoặc hạt đều có thể làm thay đổi điện trường nếu đặc tính điện môi của chúng khác với môi trường nền.

Tuy nhiên, khả năng sử dụng thực tế còn phụ thuộc vào hằng số điện môi của vật liệu, cấu tạo điện cực, độ bám dính, hình dạng bồn, khoảng cách và cách hiệu chỉnh. Vì vậy không nên hiểu rằng mọi cảm biến điện dung đều có thể sử dụng giống nhau cho mọi loại môi chất.

Điện dung và hằng số điện môi là gì?

Muốn hiểu nguyên lý của cảm biến điện dung, trước tiên cần hiểu điện dung. Điện dung thể hiện khả năng tích trữ điện tích của một hệ gồm các điện cực được phân cách bởi một môi trường điện môi.

Trong đó:

• C: điện dung.
• ε₀: hằng số điện môi của chân không.
• εr: hằng số điện môi tương đối của vật liệu.
• A: diện tích tương tác giữa các điện cực.
• d: khoảng cách giữa các điện cực.

Công thức trên là mô hình đơn giản giúp hình dung nguyên lý. Trong cảm biến thực tế, điện trường có thể có hình dạng phức tạp hơn và không nhất thiết tồn tại dưới dạng hai bản kim loại song song. Tuy nhiên, bản chất vẫn là: khi hình học hoặc vật liệu nằm trong điện trường thay đổi thì điện dung thay đổi.

Hằng số điện môi có ý nghĩa gì?

Hằng số điện môi tương đối cho biết một vật liệu ảnh hưởng đến điện trường như thế nào so với chân không. Không khí có hằng số điện môi tương đối gần 1, trong khi nước có giá trị cao hơn đáng kể. Dầu, nhựa, hóa chất, bột và hạt lại có những giá trị khác nhau.

Khi môi trường xung quanh điện cực chuyển từ không khí sang một vật liệu có hằng số điện môi khác, điện dung của hệ thống thay đổi. Cảm biến điện dung nhận biết chính sự thay đổi này.

Đây cũng là điểm cần phân biệt với độ dẫn điện. Hằng số điện môi và độ dẫn điện không phải cùng một đại lượng. Một chất có độ dẫn điện rất thấp vẫn có thể tạo ra sự thay đổi điện dung đủ để cảm biến nhận biết nếu cấu hình đo phù hợp.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung

Một cảm biến điện dung tạo ra điện trường quanh điện cực cảm biến. Mạch dao động hoặc mạch đo điện dung liên tục theo dõi giá trị điện dung nền. Khi vật thể hoặc vật liệu đi vào vùng điện trường, đặc tính điện môi thay đổi làm điện dung thay đổi theo.

Mạch điện tử so sánh sự thay đổi này với giá trị đã được hiệu chỉnh. Tùy loại cảm biến, kết quả có thể được sử dụng để xác định một vật thể đã xuất hiện hay chưa hoặc để xác định sự thay đổi của mức vật liệu.

Có thể hình dung quá trình theo ba bước đơn giản:

1. Không có vật liệu: điện trường chủ yếu đi qua không khí và cảm biến ghi nhận giá trị điện dung nền.
2. Vật liệu xuất hiện: một phần điện trường đi qua vật liệu có hằng số điện môi khác không khí.
3. Điện dung thay đổi: mạch xử lý nhận biết mức thay đổi và tạo tín hiệu tương ứng.

Trong ứng dụng đo mức, một điện cực thường được bố trí dọc theo vùng đo. Khi mức vật liệu tăng lên, tỷ lệ chiều dài điện cực tiếp xúc hoặc tương tác với môi chất tăng. Sự thay đổi này làm điện dung tổng thay đổi và được mạch điện tử chuyển thành thông tin mức.

Cấu tạo cơ bản của cảm biến điện dung

Cấu tạo cụ thể của cảm biến điện dung thay đổi tùy mục đích sử dụng. Tuy nhiên, về nguyên lý có thể chia thành các thành phần chính gồm điện cực cảm biến, phần tử tham chiếu, lớp cách điện và mạch xử lý tín hiệu.

Điện cực cảm biến

Điện cực là bộ phận tạo ra vùng điện trường cần đo. Với cảm biến tiệm cận điện dung, điện cực thường nằm phía sau mặt cảm biến. Với cảm biến đo mức, điện cực có thể kéo dài vào bồn hoặc silo để điện dung thay đổi theo chiều cao vật liệu.

Điện cực hoặc phần tử tham chiếu

Một hệ đo điện dung cần có cấu trúc tạo nên điện trường. Tùy thiết kế, thành bồn kim loại có thể tham gia làm phần tham chiếu hoặc cảm biến có thể sử dụng một điện cực tham chiếu riêng.

Đây là lý do cấu tạo bồn và vật liệu thành bồn có thể ảnh hưởng đến phương án đo. Không nên chỉ nhìn vào chiều dài điện cực để kết luận một cảm biến có phù hợp với ứng dụng hay không.

Lớp cách điện

Một số cảm biến sử dụng lớp cách điện bao quanh điện cực. Lớp này vừa có thể bảo vệ điện cực khỏi môi chất vừa tham gia tạo cấu trúc điện môi cần thiết cho phép đo.

Cấu tạo điện cực trần hay được bọc cách điện phụ thuộc vào loại môi chất, khả năng dẫn điện, yêu cầu tương thích hóa học và thiết kế của nhà sản xuất.

Mạch xử lý tín hiệu

Mạch điện tử theo dõi những thay đổi điện dung rất nhỏ, bù giá trị nền, khuếch đại và xử lý tín hiệu. Đây là phần biến sự thay đổi vật lý trong vùng điện trường thành một trạng thái hoặc giá trị có thể sử dụng trong hệ thống điều khiển.

Cảm biến tiệm cận điện dung và cảm biến đo mức điện dung khác nhau thế nào?

Đây là một trong những điểm thường bị nhầm khi tìm kiếm thông tin về cảm biến điện dung. Cảm biến tiệm cận điện dung và cảm biến đo mức điện dung dùng chung nền tảng vật lý nhưng thiết kế và mục đích sử dụng rất khác nhau.

Vì vậy, các thông số kiểu “khoảng cách phát hiện vài milimet” hay “output PNP/NPN” không nên được dùng làm định nghĩa chung cho cảm biến điện dung đo mức. Đây chủ yếu là cách mô tả một số loại cảm biến tiệm cận.

Điện dung được ứng dụng trong đo mức như thế nào?

Trong đo mức, cảm biến điện dung khai thác sự khác biệt giữa hằng số điện môi của không khí và hằng số điện môi của vật liệu cần đo. Điện cực được bố trí sao cho sự thay đổi chiều cao vật liệu tạo ra sự thay đổi điện dung có thể nhận biết được.

Khi bồn rỗng, phần lớn vùng điện trường tương tác với không khí. Khi vật liệu tăng lên, ngày càng nhiều vùng điện trường tương tác với chất lỏng hoặc vật liệu rời. Điện dung thay đổi theo và mạch xử lý sử dụng giá trị này để xác định mức.

Không nên hiểu cảm biến điện dung đơn giản là “chờ nước chạm vào que”. Điện cực có thể tiếp xúc trực tiếp với môi chất, nhưng cơ chế đo không phải tạo dòng điện dẫn qua nước như phương pháp điện cực dẫn điện.

Dinel hiện phân nhóm các thiết bị đo mức liên tục, trong đó có công nghệ điện dung, riêng với các cảm biến báo mức điểm. Có thể tham khảo trực tiếp danh mục Continuous level meters của Dinel để xem cách nhà sản xuất phân loại công nghệ đo mức liên tục.

Đo mức liên tục và báo mức điểm bằng điện dung

Nguyên lý điện dung có thể được sử dụng cho cả đo mức liên tục và báo mức điểm. Tuy nhiên, đây là hai nhu cầu khác nhau và không nên gộp thành một.

Đo mức liên tục

Ở chế độ đo liên tục, cảm biến điện dung theo dõi sự thay đổi của mức trong toàn bộ vùng đo. Hệ thống có thể sử dụng giá trị này để hiển thị phần trăm mức, chiều cao hoặc phục vụ điều khiển quá trình.

Nếu cần tìm hiểu sâu hơn về khái niệm đo liên tục và cách tín hiệu được đưa về hệ thống điều khiển, xem bài cảm biến đo mức liên tục 4–20mA.

Báo mức điểm

Với báo mức điểm, cảm biến chỉ cần xác định vật liệu đã đạt đến một vị trí nhất định hay chưa. Các vị trí thường gặp là mức cao, mức thấp, MAX hoặc MIN.

Dinel cũng tách riêng nhóm Limit level sensors của Dinel, trong đó có các cảm biến mức điện dung dành cho phát hiện mức giới hạn.

Nếu mục tiêu thực tế chỉ là chống tràn hoặc bảo vệ bơm chạy khô, có thể xem thêm cảm biến báo mức đầy cạn.

Cảm biến điện dung đo được vật liệu nào?

Một ưu điểm của cảm biến điện dung là có thể làm việc với nhiều nhóm vật liệu. Tuy nhiên, “có thể đo” không đồng nghĩa mọi vật liệu đều sử dụng cùng một kiểu điện cực hoặc cùng một cách hiệu chỉnh.

Cảm biến điện dung có đo được nước RO và nước cất không?

Đây là trường hợp cần sửa rõ so với cách giải thích thường gặp. Nước RO hoặc nước cất có độ dẫn điện thấp không đồng nghĩa cảm biến điện dung không thể phát hiện hoặc đo được chúng.

Độ dẫn điện thấp chủ yếu trở thành vấn đề khi sử dụng nguyên lý điện cực dẫn điện, bởi công nghệ conductive cần môi chất tạo được đường dẫn điện giữa các điện cực.

Trong khi đó, cảm biến điện dung dựa vào sự thay đổi điện dung và hằng số điện môi. Một môi chất không dẫn điện hoặc dẫn điện rất thấp vẫn có thể làm thay đổi điện trường quanh điện cực.

Điều quan trọng là cấu tạo điện cực, cách tạo điện cực tham chiếu, dải hiệu chỉnh và yêu cầu của nhà sản xuất phải phù hợp với môi chất thực tế.

Ưu điểm của cảm biến điện dung

Cảm biến điện dung được ứng dụng rộng nhờ khả năng nhận biết cả vật liệu dẫn điện và không dẫn điện khi cấu tạo cảm biến phù hợp.

• Có thể sử dụng với nhiều loại chất lỏng, bột và vật liệu rời.
• Không yêu cầu vật liệu phải là kim loại.
• Không cần bộ phận cơ khí chuyển động để tạo phép đo.
• Có thể ứng dụng cho cả phát hiện mức điểm và đo mức liên tục.
• Có thể phát hiện một số chất lỏng không dẫn điện như dầu.
• Không phụ thuộc trực tiếp vào màu sắc của vật liệu.
• Không cần truyền sóng qua toàn bộ khoảng không phía trên bề mặt như một số phương pháp đo không tiếp xúc.

Giới hạn của cảm biến điện dung

Bên cạnh ưu điểm, cảm biến điện dung cũng có những giới hạn cần hiểu trước khi áp dụng.

Thay đổi hằng số điện môi

Phép đo phụ thuộc vào đặc tính điện môi. Nếu thành phần, độ ẩm hoặc đặc tính vật liệu thay đổi mạnh thì điện dung có thể thay đổi ngay cả khi mức thực tế không đổi.

Hiện tượng bám trên điện cực

Vật liệu bám trên điện cực có thể tạo thêm một lớp điện môi và làm thay đổi điện dung nền. Đây là điểm cần quan tâm với chất lỏng nhớt, paste, bột ẩm hoặc vật liệu dễ bám.

Ảnh hưởng của hình dạng bồn

Vị trí điện cực, khoảng cách tới thành bồn và vật liệu thành bồn đều có thể tác động đến điện trường. Cấu hình phù hợp với một bồn không nhất thiết cho kết quả giống nhau khi chuyển sang một bồn có hình học khác.

Không phải lúc nào cũng là công nghệ tối ưu

Nếu yêu cầu hoàn toàn không tiếp xúc, môi chất bám dính nghiêm trọng hoặc đặc tính điện môi thay đổi lớn theo quá trình, cần so sánh thêm các công nghệ khác.

Có thể xem thêm cảm biến radar là gì và cảm biến siêu âm là gì để hiểu sự khác biệt về nguyên lý.

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

Đây là ranh giới quan trọng nhất khi tìm hiểu cảm biến điện dung. Cảm biến điện dung và cảm biến điện cực đều có thể có một hoặc nhiều que đặt trong bồn, nhưng nguyên lý vật lý hoàn toàn khác nhau.

Muốn tìm hiểu riêng công nghệ conductive, xem bài cảm biến điện cực.

Với hệ nhiều que HIGH, LOW và COM dùng cho nước dẫn điện, xem thêm bài que đo mực nước.

Không nên lấy các khái niệm như độ dẫn điện, dòng điện qua nước hoặc điện cực COM của hệ conductive để giải thích nguyên lý cảm biến điện dung.

Cảm biến điện dung có bị giới hạn ở 2 mét không?

Không có quy tắc chung rằng cảm biến điện dung chỉ nên sử dụng dưới 2 m. Giới hạn khoảng đo phụ thuộc vào cấu tạo của từng loại cảm biến, dạng điện cực, phương pháp tham chiếu và thiết kế điện tử.

Điện cực của cảm biến đo mức điện dung có thể được thiết kế dạng que, cáp hoặc các cấu trúc khác để phục vụ nhiều chiều cao đo khác nhau. Vì vậy, câu “trên 2 m phải chuyển sang siêu âm” là một kết luận quá đơn giản và không phản ánh đúng khả năng của công nghệ điện dung.

Điều nên làm là đánh giá ứng dụng dựa trên môi chất, chiều cao thực tế, đặc tính bám dính, hằng số điện môi, kết cấu bồn và yêu cầu tín hiệu. Sau đó mới so sánh điện dung với radar, siêu âm hoặc công nghệ khác.

Ứng dụng thực tế của cảm biến điện dung

Cảm biến điện dung không chỉ được sử dụng trong đo mức. Công nghệ này xuất hiện trong nhiều lĩnh vực tự động hóa và điện tử.

Phát hiện vật thể

Cảm biến tiệm cận điện dung có thể phát hiện chai, hộp, nhựa, kính, giấy và nhiều vật liệu không phải kim loại trên máy móc hoặc dây chuyền.

Phát hiện chất lỏng qua thành phi kim

Trong một số ứng dụng, vùng điện trường có thể xuyên qua thành nhựa hoặc thủy tinh để nhận biết sự xuất hiện của chất lỏng mà cảm biến không cần tiếp xúc trực tiếp với môi chất.

Đo mức chất lỏng

Nguyên lý điện dung có thể được dùng để phát hiện hoặc theo dõi mức nước, dầu, dung dịch và nhiều loại chất lỏng công nghiệp khi cấu hình cảm biến phù hợp.

Đo mức bột và hạt

Trong silo và phễu, cảm biến điện dung có thể được ứng dụng với bột, hạt nhựa, ngũ cốc và nhiều vật liệu rời khác. Độ ẩm và bám dính cần được xem xét do chúng có thể làm thay đổi đặc tính điện môi.

Ứng dụng điện tử

Nguyên lý điện dung còn xuất hiện trong màn hình cảm ứng, cảm biến vị trí và nhiều hệ thống điện tử. Điểm chung là mạch điện tử nhận biết một sự thay đổi nhỏ của điện dung và chuyển thành thông tin hữu ích.

Khi nào nên chuyển sang phần chọn cảm biến đo mức điện dung?

Nếu mục tiêu là hiểu cảm biến điện dung là gì, cách hình thành điện dung, vai trò của hằng số điện môi và tại sao cảm biến có thể nhận biết vật liệu thì những kiến thức phía trên là phần cốt lõi.

Nhưng khi câu hỏi chuyển thành “tôi có một bồn hoặc silo và muốn dùng cảm biến điện dung để đo mức”, search intent đã khác. Lúc này cần xác định hàng loạt thông tin thực tế như:

• Môi chất là nước, dầu, hóa chất, bột hay hạt.
• Cần đo liên tục hay chỉ báo mức HIGH/LOW.
• Chiều cao và khoảng đo thực tế.
• Bồn kim loại hay bồn phi kim.
• Môi chất có bám dính hay không.
• Nhiệt độ và áp suất quá trình.
• Cấu tạo điện cực phù hợp.
• Tín hiệu cần đưa về hệ thống.

Những nội dung trên thuộc nhóm lựa chọn giải pháp và sẽ phù hợp hơn với Landing chuyên về cảm biến đo mức điện dung. Supporting này không đi sâu vào bảng model, giá, chiều dài điện cực hoặc lựa chọn output để tránh trùng intent với Landing thương mại.

Câu hỏi thường gặp về cảm biến điện dung

Cảm biến điện dung có đo được nước không?

Có. Nước tạo ra sự thay đổi rõ rệt về đặc tính điện môi so với không khí nên có thể được phát hiện bằng nguyên lý điện dung. Cấu tạo điện cực và cách lắp vẫn phải phù hợp với ứng dụng cụ thể.

Cảm biến điện dung có đo được nước RO hoặc nước cất không?

Có thể. Không nên loại bỏ cảm biến điện dung chỉ vì nước RO hoặc nước cất có độ dẫn điện thấp. Độ dẫn điện là tiêu chí quan trọng hơn với cảm biến điện cực dẫn điện, trong khi cảm biến điện dung dựa trên điện dung và hằng số điện môi.

Cảm biến điện dung có phát hiện được dầu không?

Có thể. Dầu không cần dẫn điện để được phát hiện bằng nguyên lý điện dung. Điều cần xem xét là hằng số điện môi, cấu tạo điện cực và điều kiện lắp đặt.

Cảm biến điện dung có đo được bột và hạt không?

Có. Công nghệ điện dung được sử dụng với nhiều loại bột, hạt và vật liệu rời. Tuy nhiên độ ẩm, bám dính và sự thay đổi thành phần vật liệu có thể ảnh hưởng kết quả đo.

Cảm biến điện dung có phải cảm biến tiệm cận không?

Không hoàn toàn. Cảm biến tiệm cận điện dung chỉ là một nhóm thiết bị sử dụng nguyên lý điện dung. Nguyên lý này còn được sử dụng trong cảm biến báo mức và cảm biến đo mức liên tục.

Cảm biến điện dung và cảm biến điện cực có giống nhau không?

Không. Cảm biến điện dung nhận biết sự thay đổi điện dung và hằng số điện môi. Cảm biến điện cực dẫn điện cần môi chất tạo đường dẫn điện giữa các điện cực.

Cảm biến điện dung có bị giới hạn ở 2 m không?

Không. Không thể dùng 2 m làm giới hạn chung cho công nghệ điện dung. Khoảng đo phụ thuộc vào thiết kế của từng loại điện cực và cảm biến cụ thể.

Điện dung có giống độ dẫn điện không?

Không. Điện dung mô tả khả năng tích điện của một hệ và chịu ảnh hưởng bởi hình học cùng hằng số điện môi. Độ dẫn điện mô tả khả năng cho dòng điện đi qua vật liệu. Đây là hai đại lượng khác nhau.

Tài liệu tham chiếu về cảm biến điện dung

Để kiểm tra thêm cách nhà sản xuất phân loại và ứng dụng công nghệ đo mức, có thể tham khảo trực tiếp nguồn kỹ thuật từ Dinel:

• Dinel – Continuous level meters: nhóm thiết bị đo mức liên tục, bao gồm công nghệ điện dung cùng các công nghệ đo mức khác.
• Dinel – Limit level sensors: nhóm cảm biến phát hiện mức giới hạn HIGH/LOW, trong đó có các cảm biến sử dụng nguyên lý điện dung.

Hai nguồn trên cũng cho thấy cần phân biệt rõ giữa thiết bị đo mức liên tục và cảm biến báo mức điểm, ngay cả khi chúng cùng sử dụng nguyên lý điện dung.

Kết luận

Cảm biến điện dung hoạt động bằng cách nhận biết sự thay đổi điện dung trong một vùng điện trường. Sự thay đổi này có thể xuất phát từ khoảng cách, hình học hoặc đặc biệt là sự thay đổi hằng số điện môi khi vật liệu xuất hiện quanh điện cực.

Nhờ nguyên lý đó, cảm biến điện dung có thể được sử dụng để phát hiện vật thể, báo mức hoặc đo mức nhiều loại chất lỏng, bột và vật liệu rời. Công nghệ này không đồng nghĩa với cảm biến điện cực dẫn điện và cũng không nên bị giới hạn bởi những thông số thường gặp của cảm biến tiệm cận như khoảng phát hiện vài milimet hoặc tín hiệu PNP/NPN.

Khi đã hiểu nguyên lý cảm biến điện dung, bước tiếp theo là xác định yêu cầu ứng dụng. Nếu chỉ cần HIGH/LOW có thể chuyển sang nhóm cảm biến báo mức. Nếu cần đo mức liên tục và lựa chọn kiểu điện cực cho nước, dầu, hóa chất, bột hoặc silo thì nên chuyển sang Landing chuyên về cảm biến đo mức điện dung.

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