Cảm biến đo mức liên tục 4-20mA – Chọn loại nào phù hợp?

Cảm biến đo mức liên tục được sử dụng khi hệ thống cần biết giá trị mức thực tế của chất lỏng hoặc vật liệu trong bồn, bể, giếng, hồ chứa hoặc silo tại mọi thời điểm. Thay vì chỉ phát hiện một điểm HIGH hoặc LOW, cảm biến gửi giá trị tỷ lệ theo mức thực tế về PLC, bộ hiển thị, datalogger hoặc hệ thống giám sát thông qua tín hiệu 4-20mA, HART, Modbus hoặc chuẩn tín hiệu phù hợp với từng model.

Trong thực tế, không có một công nghệ cảm biến đo mức liên tục duy nhất phù hợp với mọi ứng dụng. Bể nước thông thường có thể dùng siêu âm; bồn có nhiều hơi, bọt hoặc khuấy động thường nên đánh giá radar; giếng và hồ sâu phù hợp với cảm biến thủy tĩnh; trong khi bồn nhỏ hoặc silo có thể dùng điện dung hoặc radar dẫn sóng tùy điều kiện môi chất và cách lắp.

Vì vậy, khi chọn cảm biến đo mức liên tục 4-20mA, câu hỏi quan trọng không phải là “công nghệ nào tốt nhất”, mà là điều kiện đo nào → công nghệ nào → model nào → tín hiệu nào phù hợp.

Cảm biến đo mức liên tục là gì?

Cảm biến đo mức liên tục là thiết bị theo dõi toàn bộ sự thay đổi mức trong phạm vi đã cài đặt. Giá trị đo có thể được quy đổi thành mét, milimet, phần trăm 0–100%, thể tích hoặc một đơn vị kỹ thuật khác tùy hệ thống điều khiển.

Ví dụ một bồn nước cao 5 m có thể được scale:

• 0 m tương ứng 0% mức.
• 2,5 m tương ứng 50% mức.
• 5 m tương ứng 100% mức.

Với cảm biến đo mức 4-20mA, thông thường 4mA được quy đổi về mức thấp và 20mA về mức cao. PLC hoặc bộ hiển thị nhận tín hiệu này và tiếp tục scale thành mức thực tế.

Ví dụ cảm biến được cài dải 0–10 m:

• 4mA = 0 m.
• 12mA ≈ 5 m.
• 20mA = 10 m.

Nhờ cung cấp giá trị thay đổi trên toàn dải, cảm biến đo mức liên tục phù hợp cho các hệ thống cần giám sát tồn lượng, điều khiển bơm theo mức, ghi dữ liệu hoặc hiển thị mức từ xa.

Đo mức liên tục khác báo đầy báo cạn như thế nào?

Nếu hệ thống cần biết bồn đang ở 25%, 60% hay 90%, nên dùng cảm biến đo mức liên tục. Nếu chỉ cần dừng bơm khi đầy hoặc bảo vệ bơm khi cạn thì cảm biến báo mức điểm sẽ đơn giản và phù hợp hơn.

Trường hợp chỉ cần xác định MIN/MAX, có thể xem thêm cảm biến báo mức đầy cạn ON/OFF để phân biệt rõ hai nhóm thiết bị trước khi chọn.

Các công nghệ cảm biến đo mức liên tục phổ biến

Tùy môi chất và điều kiện bồn, cảm biến đo mức liên tục có thể sử dụng radar, siêu âm, thủy tĩnh, điện dung hoặc radar dẫn sóng. Mỗi công nghệ có vùng ứng dụng phù hợp riêng và không nên lựa chọn chỉ dựa vào khoảng đo tối đa.

Cảm biến đo mức radar

Cảm biến đo mức radar là một trong những công nghệ cảm biến đo mức liên tục đáng cân nhắc khi môi trường phía trên bề mặt chất lỏng hoặc vật liệu có nhiều hơi, bọt, khuấy động hoặc điều kiện thay đổi khiến siêu âm khó hoạt động ổn định.

Nếu cần tìm hiểu sâu hơn về công nghệ và cách sóng radar được sử dụng trong công nghiệp, có thể xem bài cảm biến radar là gì. Landing hiện tại chỉ tập trung vào việc chọn radar trong bài toán đo mức liên tục.

Radar không tiếp xúc

Radar không tiếp xúc được lắp trên đỉnh bồn và không cần chạm trực tiếp vào môi chất. Công nghệ này có thể dùng cho bồn nước, hóa chất, silo hạt hoặc vật liệu rời tùy cấu hình thiết bị.

Trong nhóm sản phẩm hiện tại có thể đánh giá các dòng radar cho từng điều kiện khác nhau. Với silo cao hoặc bồn có nhiều kết cấu bên trong, cần đặc biệt chú ý góc phát, vùng đo và vị trí lắp thay vì chỉ chọn theo range.

Radar dẫn sóng

Radar dẫn sóng sử dụng que hoặc cáp đi từ đầu cảm biến xuống môi chất. Đây cũng là một phương pháp cảm biến đo mức liên tục, nhưng khác radar không tiếp xúc ở chỗ xung đo được dẫn dọc theo đầu dò.

Có thể tham khảo Dinel GRLM-70 cho các ứng dụng phù hợp với radar dẫn sóng. Với silo vật liệu rời, không nên đặt cáp hoặc que đo trực tiếp dưới dòng vật liệu nạp.

Cảm biến đo mức siêu âm

Cảm biến đo mức siêu âm là lựa chọn phổ biến khi cần cảm biến đo mức liên tục không tiếp xúc cho bể nước, hố thu, bồn hở hoặc các vị trí có điều kiện đo tương đối ổn định.

Đối với nhu cầu cảm biến siêu âm đo mức nước, ưu điểm là đầu sensor được lắp phía trên và không tiếp xúc trực tiếp với nước. Phương án này phù hợp cho nhiều bể nước sạch, nước thải, bồn chứa và kênh hở.

Tuy nhiên, siêu âm cần được đánh giá kỹ khi bề mặt có nhiều bọt, hơi nóng, gió, khuấy động hoặc vật cản nằm trong vùng phát sóng. Phần nguyên lý chi tiết đã được trình bày riêng tại bài cảm biến siêu âm là gì.

Một số model siêu âm có thể đánh giá

• Dinel ULM-53: phù hợp nhiều bồn và bể thông thường.
• Dinel ULM-54: có thể đánh giá cho vị trí ngoài trời hoặc yêu cầu bảo vệ môi trường cao hơn.
• Dinel ULM-70: phù hợp khi cần dải đo lớn hơn, màn hình tại chỗ và lựa chọn tín hiệu 4-20mA/HART hoặc Modbus tùy phiên bản.

Với bể nước thông thường, siêu âm thường là một trong những phương án cảm biến đo mức liên tục nên được khảo sát đầu tiên trước khi chuyển sang công nghệ có chi phí và yêu cầu lắp đặt cao hơn.

Cảm biến áp suất thủy tĩnh

Cảm biến áp suất thủy tĩnh đo áp suất do cột chất lỏng tạo ra và từ đó quy đổi thành mức. Đây là phương án cảm biến đo mức liên tục thực tế cho giếng, hồ chứa, bể sâu hoặc vị trí khó bố trí cảm biến phía trên.

Với cảm biến đo mức nước thủy tĩnh, đầu dò có thể được thả chìm xuống gần đáy hoặc lắp ren trực tiếp tại thành bồn.

Kiểu thả chìm

Phù hợp với giếng, hồ, hố thu hoặc bể sâu. Một lựa chọn có thể tham khảo là Dinel HLM-25S, sử dụng nguyên lý thủy tĩnh và có phiên bản tín hiệu 4-20mA.

Kiểu lắp ren

Kiểu lắp ren phù hợp với bồn có sẵn vị trí kết nối gần đáy. Đây là hướng lựa chọn khi muốn sử dụng nguyên lý thủy tĩnh nhưng không muốn treo đầu dò bằng cáp.

Khi dùng thủy tĩnh làm cảm biến đo mức liên tục, cần chú ý tỷ trọng môi chất vì tín hiệu áp suất phụ thuộc vào chiều cao và khối lượng riêng của cột chất lỏng. Với bồn kín có áp suất phía trên mặt chất lỏng, cần khảo sát kỹ trước khi chọn.

Cảm biến điện dung đo mức nước và chất lỏng

Cảm biến điện dung đo mức nước và chất lỏng sử dụng điện cực tiếp xúc với môi chất để theo dõi sự thay đổi mức. Một số dòng điện dung có thể được dùng làm cảm biến đo mức liên tục trong bồn nhỏ hoặc ứng dụng cho phép đầu dò nằm trực tiếp trong môi chất.

So với radar hoặc siêu âm, điện dung phụ thuộc nhiều hơn vào hằng số điện môi và tình trạng bám dính trên đầu dò. Vì vậy cần biết rõ môi chất, chiều dài điện cực và điều kiện vận hành trước khi lựa chọn.

Với các ứng dụng dầu, độ nhớt và khả năng bám dính cũng cần được xem xét. Có thể tham khảo thêm bài cảm biến mức dầu nếu ứng dụng liên quan đến dầu diesel, dầu thủy lực, dầu bôi trơn hoặc các loại dầu công nghiệp.

Chọn cảm biến đo mức liên tục theo ứng dụng

Việc chọn cảm biến đo mức liên tục nên bắt đầu từ điều kiện thực tế thay vì chỉ nhìn vào khoảng đo tối đa hoặc giá thiết bị. Hai cảm biến cùng range 10 m có thể phù hợp với hai ứng dụng hoàn toàn khác nhau.

Riêng với silo xi măng hoặc vật liệu có lượng bụi lớn, việc chọn cảm biến đo mức liên tục cần xét thêm mật độ bụi, vị trí ống nạp, bề mặt vật liệu và kết cấu silo. Phần này được phân tích chi tiết tại bài đo mức xi măng trong silo.

Chọn cảm biến mức nước 4-20mA cần kiểm tra những gì?

Đối với cảm biến mức nước 4 20ma, khoảng đo chỉ là một trong nhiều thông số cần xác định. Muốn chọn đúng cảm biến đo mức liên tục, nên thu thập đầy đủ điều kiện ứng dụng trước khi so sánh model.

1. Môi chất cần đo

Cần xác định rõ nước, dầu, hóa chất, bột, hạt hay vật liệu khác. Với chất lỏng cần kiểm tra thêm tính ăn mòn, bám dính, độ nhớt và tỷ trọng nếu sử dụng phương pháp thủy tĩnh.

2. Khoảng cách từ vị trí lắp đến MIN và MAX

Khi chọn cảm biến đo mức liên tục, khoảng cách thực tế từ mặt cảm biến đến mức thấp nhất thường quan trọng hơn chiều cao danh nghĩa của bồn.

Một bồn cao 8 m chưa chắc chỉ cần cảm biến range 8 m. Nếu sensor được lắp trên cổ bồn hoặc phía trên mái bồn, khoảng đo thực tế có thể lớn hơn.

3. Bọt, hơi, bụi và khuấy động

Đây là nhóm điều kiện ảnh hưởng trực tiếp tới lựa chọn giữa radar, siêu âm và các công nghệ tiếp xúc. Bể nước phẳng, ít bọt có thể rất phù hợp với siêu âm; ngược lại bồn nhiều hơi hoặc khuấy mạnh nên đánh giá radar trước.

4. Nhiệt độ và áp suất

Nhiệt độ môi chất, nhiệt độ môi trường và áp suất trong bồn phải nằm trong giới hạn của model được chọn. Bồn kín có áp suất cao cần được xem xét kỹ hơn so với bể hở thông thường.

5. Vị trí lắp và vật cản

Cổ bồn, cánh khuấy, thang, thanh giằng, đường nạp và các kết cấu kim loại có thể ảnh hưởng tới phép đo. Radar và siêu âm không nên được lắp tùy ý chỉ vì còn vị trí trống trên nắp bồn.

6. Tín hiệu cần đưa về hệ thống

Nếu PLC chỉ cần một giá trị mức analog, 4-20mA thường là lựa chọn đơn giản. Nếu cần cấu hình hoặc chẩn đoán thêm, có thể lựa chọn model hỗ trợ HART. Với hệ thống cần kết nối nhiều thiết bị qua mạng truyền thông, Modbus có thể phù hợp hơn.

Tại sao 4-20mA được dùng nhiều cho cảm biến đo mức liên tục?

Cảm biến đo mức liên tục 4-20mA được sử dụng rộng rãi vì tín hiệu dòng phù hợp với môi trường công nghiệp, dễ đưa về analog input của PLC và thuận tiện khi truyền tín hiệu từ hiện trường về tủ điều khiển.

Một vòng đo điển hình có cấu trúc:

Cảm biến đo mức → 4-20mA → PLC / bộ hiển thị / datalogger

Nếu hệ thống hiện tại đã có analog input 4-20mA thì việc bổ sung cảm biến đo mức liên tục thường khá đơn giản. HART hoặc Modbus chỉ nên được chọn khi hệ thống thực sự cần thêm tính năng cấu hình, chẩn đoán hoặc truyền dữ liệu số.

Những lỗi thường gặp khi chọn và lắp cảm biến đo mức

Chỉ nhìn vào khoảng đo tối đa

Range lớn hơn không có nghĩa cảm biến đo mức liên tục phù hợp hơn. Góc phát, vùng chết, điều kiện môi chất, vị trí lắp và kích thước bồn đều ảnh hưởng đến lựa chọn.

Dùng siêu âm trong môi trường nhiều hơi mà không khảo sát

Siêu âm phù hợp với nhiều bể nước, nhưng khi hơi, bọt hoặc luồng khí thay đổi mạnh thì nên đánh giá thêm radar trước khi quyết định.

Lắp radar hoặc siêu âm ngay dưới đường nạp

Dòng chất lỏng hoặc vật liệu nạp trực tiếp vào vùng đo có thể gây nhiễu hoặc làm tín hiệu biến động. Nếu có thể, sensor nên được bố trí tránh vùng dòng nạp.

Không kiểm tra vùng chết

Một số cảm biến có vùng gần đầu sensor không sử dụng để đo chính xác. Nếu mức MAX nằm trong vùng này, toàn bộ chiều cao bồn sẽ không được khai thác đúng như dự kiến.

Nhầm giữa transmitter và cảm biến báo mức

Nếu chỉ cần chống tràn hoặc chống cạn thì không nhất thiết phải dùng transmitter 4-20mA. Ngược lại, nếu cần theo dõi toàn bộ mức từ MIN đến MAX thì phải sử dụng cảm biến đo mức liên tục hoặc một giải pháp đo liên tục tương đương.

Câu hỏi thường gặp về cảm biến đo mức liên tục

Cảm biến mức nước 4-20mA có đấu trực tiếp vào PLC được không?

Có, nếu analog input của PLC tương thích với loại tín hiệu của cảm biến. Cần kiểm tra nguồn cấp, kiểu đấu 2 dây, 3 dây hoặc 4 dây và loại input của module trước khi kết nối.

Radar hay siêu âm đo mức nước tốt hơn?

Không có công nghệ nào tốt hơn trong mọi trường hợp. Siêu âm phù hợp với nhiều bể nước thông thường và có chi phí hợp lý; radar đáng cân nhắc hơn khi có nhiều hơi, bọt, khuấy động hoặc điều kiện môi trường thay đổi.

Giếng sâu nên dùng radar hay thủy tĩnh?

Trong nhiều ứng dụng giếng sâu, cảm biến thủy tĩnh dạng thả chìm là phương án thực tế vì đầu dò được đặt trực tiếp trong nước. Tuy nhiên vẫn cần kiểm tra chiều sâu, chất lượng nước, vị trí treo cáp và yêu cầu bảo trì.

Silo bột nên chọn cảm biến nào?

Radar không tiếp xúc hoặc radar dẫn sóng thường là hai hướng cần đánh giá cho cảm biến đo mức liên tục trong silo. Việc chọn phụ thuộc vào chiều cao silo, bụi, dòng vật liệu nạp, hằng số điện môi và kết cấu bên trong.

Có thể dùng cảm biến đo liên tục để tạo cảnh báo HIGH/LOW không?

Có. PLC có thể sử dụng tín hiệu từ cảm biến đo mức liên tục để đặt các ngưỡng HIGH hoặc LOW. Tuy nhiên, nếu hệ thống cần một lớp bảo vệ chống tràn hoặc chống cạn độc lập thì vẫn có thể cần thêm cảm biến báo mức điểm riêng.

Thông tin tham chiếu từ nhà sản xuất

Khi đã xác định được công nghệ cảm biến đo mức liên tục phù hợp, thông số về khoảng đo, đầu ra, nhiệt độ, áp suất, chuẩn bảo vệ và cấu hình cần được kiểm tra lại theo datasheet hoặc tài liệu chính thức của nhà sản xuất.

• Dinel – Ultrasonic Level Meter ULM-70: tham khảo cấu hình, ứng dụng và các tùy chọn đầu ra của ULM-70.
• Flowline – Radar Level Sensor: tham khảo các dòng radar đo mức của Flowline.

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