Cảm biến đo mức là gì? Các loại cảm biến đo mức và cách chọn

Cảm biến đo mức là nhóm thiết bị dùng để xác định chiều cao, phần trăm, thể tích hoặc trạng thái đầy – cạn của chất lỏng và vật liệu rời trong bồn, bể, giếng, hồ chứa, silo và phễu. Tùy yêu cầu, hệ thống có thể sử dụng cảm biến đo mức liên tục hoặc thiết bị báo một điểm HIGH/LOW.

Không có một loại cảm biến mức phù hợp cho mọi ứng dụng. Radar, siêu âm, thủy tĩnh, chênh áp, điện dung, radar dẫn sóng, phao và các loại công tắc mức đều có phạm vi sử dụng riêng. Cách chọn đúng là bắt đầu từ môi chất → mục tiêu đo → cấu tạo bồn → khoảng đo → điều kiện quá trình → tín hiệu đầu ra, sau đó mới chọn công nghệ và model.

Cảm biến đo mức là gì?

Cảm biến đo mức hay level sensor là thiết bị dùng để xác định lượng vật liệu đang tồn tại trong bồn, tank, bể, giếng, hồ, silo hoặc phễu chứa. Giá trị đo có thể được biểu diễn dưới dạng chiều cao, phần trăm 0–100%, thể tích hoặc đơn giản là trạng thái đã chạm đến một ngưỡng nhất định.

Khái niệm cảm biến mức không chỉ dành cho nước. Trong công nghiệp, thiết bị đo mức còn được sử dụng cho dầu, nhiên liệu, hóa chất, nước thải, nước RO, bùn, bột, xi măng, ngũ cốc, hạt nhựa, cám và nhiều loại vật liệu rời khác.

Vì tính chất từng môi chất rất khác nhau, cảm biến đo mức không phải một công nghệ duy nhất. Một radar đặt trên nóc bồn, cảm biến áp suất nằm dưới đáy, điện cực điện dung nằm trong bồn và công tắc mức gắn ngang thành đều có thể được gọi chung là thiết bị đo mức, nhưng cách hoạt động và mục tiêu sử dụng hoàn toàn khác nhau.

Nếu chỉ quan tâm riêng đến nước, có thể xem bài các loại cảm biến đo mức nước. Bài hiện tại có phạm vi rộng hơn, bao gồm cả chất lỏng và vật liệu rời.

Cảm biến đo mức liên tục và cảm biến báo mức khác nhau thế nào?

Đây là bước phân loại quan trọng nhất trước khi chọn bất kỳ cảm biến đo mức nào.

Cảm biến đo mức liên tục cho biết mức thay đổi trong toàn bộ phạm vi đo. Đây là lựa chọn khi PLC cần biết bồn đang ở 25%, 50% hay 80%.

Ngược lại, cảm biến báo mức ON/OFF chỉ xác định môi chất đã chạm hoặc rời một vị trí. Nếu mục tiêu chỉ là chống tràn hoặc chống chạy khô bơm thì không nhất thiết phải dùng transmitter đo liên tục.

Các loại cảm biến đo mức phổ biến

Các loại cảm biến đo mức có thể được phân chia theo nguyên lý, vị trí lắp, môi chất hoặc chức năng. Trong thực tế chọn thiết bị, các nhóm dưới đây là những hướng được sử dụng nhiều nhất.

1. Cảm biến đo mức radar

Cảm biến đo mức radar phát sóng điện từ về phía bề mặt môi chất rồi xử lý tín hiệu phản xạ để xác định khoảng cách. Radar không tiếp xúc được lắp trên nóc bồn hoặc silo nên không cần đầu dò ngâm trong vật liệu.

Đây là nhóm cảm biến đo mức nên được khảo sát khi bồn kín, có hơi, bọt, nhiệt độ thay đổi, môi trường khắc nghiệt hoặc silo có nhiều bụi. Radar 80 GHz có chùm sóng tương đối tập trung, thuận lợi hơn trong nhiều ứng dụng có thành bồn, kết cấu và dòng nạp cần tránh.

Radar có thể dùng cho cả chất lỏng và vật liệu rời. Các dòng Flowline LR80, LR81, LR83 và LR85 hiện được hãng phân loại cho liquid và solids với phạm vi sử dụng khác nhau.

Tham khảo hãng: Flowline Level Products.

2. Cảm biến siêu âm đo mức

Cảm biến siêu âm đo mức cũng được lắp phía trên và không tiếp xúc trực tiếp với môi chất. Sensor phát sóng âm, nhận echo phản xạ từ bề mặt rồi tính khoảng cách.

Siêu âm thường phù hợp với bể nước, bồn hở, hố thu, kênh hoặc những ứng dụng có không gian phía trên thông thoáng. Điểm cần chú ý là vùng mù, bọt, hơi, gió, bụi và vật cản có thể ảnh hưởng đến đường truyền sóng âm.

Do đó, không nên chỉ so dải đo danh nghĩa của siêu âm với chiều cao bồn. Khoảng cách gần nhất khi đầy và xa nhất khi cạn đều phải nằm trong vùng đo cho phép.

3. Cảm biến thủy tĩnh

Cảm biến đo mức thủy tĩnh xác định chiều cao chất lỏng dựa vào áp suất do cột chất lỏng tạo ra. Đầu đo thường được thả xuống giếng, hồ, bể hoặc lắp gần đáy.

Thủy tĩnh phù hợp với bể ngầm, giếng khoan, hồ chứa, hố thu và các vị trí khó lắp cảm biến phía trên. Bọt và hơi trên bề mặt thường không phải vấn đề chính của phương pháp này.

Tuy nhiên, cảm biến tiếp xúc trực tiếp với môi chất và kết quả có liên quan tới khối lượng riêng. Với bồn kín có áp suất khí thay đổi phía trên chất lỏng, không nên tự động mặc định dùng transmitter thủy tĩnh thông thường.

4. Cảm biến chênh áp đo mức

Cảm biến chênh áp thường được cân nhắc cho bồn kín có áp suất. Cổng HP được nối về phần đáy chứa chất lỏng, trong khi cổng LP tham chiếu áp suất phần khí phía trên. Khi bố trí đúng, ảnh hưởng của áp suất khí có thể được loại khỏi giá trị chênh lệch để xác định mức chất lỏng.

Đây là lý do hai bồn cùng kín nhưng một bồn chỉ có nắp đậy và một bồn vận hành ở áp suất vài bar không nên được xem là cùng một bài toán.

Ứng dụng chi tiết có thể xem tại đo mức trong bồn kín.

5. Cảm biến đo mức điện dung

Cảm biến đo mức điện dung sử dụng điện cực dạng que, cáp hoặc cấu hình phù hợp để nhận biết sự thay đổi điện dung khi mức môi chất thay đổi.

Công nghệ điện dung có thể dùng cho nước, dầu, hóa chất, bột và hạt nếu chọn đúng kiểu đầu dò. Các yếu tố cần kiểm tra gồm hằng số điện môi, độ dẫn điện, vật liệu bồn, khả năng bám, độ ẩm, nhiệt độ và tải cơ học lên điện cực.

Điện dung không nên bị nhầm với cảm biến điện cực dẫn điện. Cảm biến điện cực dựa trực tiếp vào độ dẫn điện của chất lỏng và chủ yếu được dùng để phát hiện mức điểm.

6. Radar dẫn sóng

Radar dẫn sóng sử dụng que hoặc cáp làm đường dẫn cho xung radar. Đầu dò đi vào trong bồn nên đây không phải phương pháp hoàn toàn không tiếp xúc như radar anten lắp trên nóc.

Ưu điểm của radar dẫn sóng là đường truyền được định hướng dọc đầu dò. Công nghệ này có thể được cân nhắc cho chất lỏng và một số vật liệu rời, nhưng cần kiểm tra bám dính, lực kéo, mài mòn và khả năng chịu tải của cáp khi dùng cho silo.

7. Phao và công tắc mức

Phao, điện cực dẫn điện, công tắc điện dung và nhiều loại level switch khác thường được sử dụng cho chức năng báo đầy – báo cạn. Chúng không nhất thiết cho biết bồn đang ở bao nhiêu phần trăm mà chỉ thay đổi trạng thái tại vị trí cài đặt.

Đối với nước và chất lỏng đơn giản, cảm biến đo mức nước dạng phao vẫn là giải pháp dễ hiểu và chi phí hợp lý khi điều kiện cơ khí phù hợp.

Bảng chọn cảm biến đo mức theo điều kiện thực tế

Cảm biến đo mức chất lỏng nên chọn thế nào?

Đối với chất lỏng, nên xác định trước loại bồn và tính chất môi chất. Nước sạch trong bể hở có thể là bài toán đơn giản cho siêu âm hoặc thủy tĩnh. Nhưng bồn dầu, hóa chất, bồn kín hoặc chất lỏng nhiều hơi cần đánh giá thêm radar, chênh áp, vật liệu tiếp xúc và yêu cầu an toàn.

Nếu chưa biết nên áp dụng phương pháp nào, bài cách đo mức chất lỏng trong bồn phân loại theo cấu trúc bồn và mục tiêu sử dụng thay vì chỉ theo tên công nghệ.

Với bồn nước, xem đo mức nước trong bồn. Với Diesel, FO, DO hoặc dầu thủy lực, xem cảm biến mức dầu. Riêng nước tinh khiết có thể tham khảo cảm biến đo mức nước RO.

Cảm biến đo mức vật liệu rời trong silo

Cảm biến đo mức vật liệu rời dùng cho hạt nhựa, bột, xi măng, cám, ngũ cốc, than, cát và nhiều loại bulk solids khác. Đây là nhóm ứng dụng không nên áp dụng máy móc cách chọn của bồn nước.

Bề mặt vật liệu trong silo thường nghiêng và tạo hình nón. Bụi phát sinh khi nạp, dòng vật liệu va đập, hằng số điện môi thấp và kết cấu giằng bên trong đều có thể ảnh hưởng đến phép đo.

Silo cao và bụi nhiều thường nên khảo sát radar 80 GHz trước. Silo nhỏ ít bụi có thể đánh giá thêm siêu âm. Nếu cho phép đầu dò tiếp xúc thì radar dẫn sóng hoặc điện dung là những hướng khác. Nếu chỉ cần báo đầy/cạn thì dùng công tắc mức.

Để phân tích sâu theo bụi, dòng nạp và vị trí lắp, xem cách đo mức vật liệu rời trong silo.

Cảm biến đo mức không tiếp xúc và tiếp xúc

Một cách phân loại khác là xem đầu dò có tiếp xúc với môi chất hay không.

Cảm biến đo mức không tiếp xúc

Radar và siêu âm là hai nhóm điển hình. Cảm biến được lắp phía trên, thuận lợi khi không muốn có thiết bị ngâm trong chất lỏng hoặc chịu tải cơ học từ vật liệu.

Không tiếp xúc không đồng nghĩa luôn tốt hơn. Sensor vẫn phải có vị trí lắp phù hợp, tránh dòng nạp, vật cản và các vùng phản xạ không mong muốn.

Cảm biến đo mức tiếp xúc

Thủy tĩnh, điện dung, radar dẫn sóng, phao và điện cực đều có phần tử làm việc trực tiếp với môi chất. Ưu điểm là không phụ thuộc vào một số điều kiện trên khoảng không phía trên bề mặt, nhưng phải kiểm tra vật liệu tiếp xúc, bám dính, ăn mòn và vệ sinh.

Cảm biến đo mức 4–20mA dùng để làm gì?

Tín hiệu 4–20mA thường được sử dụng khi cần truyền giá trị mức liên tục về PLC, bộ hiển thị hoặc datalogger. Ví dụ cảm biến được scale 0–10 m thì có thể cài 4mA tương ứng mức thấp và 20mA tương ứng mức cao.

Tuy nhiên, 4–20mA không phải là một nguyên lý đo mức. Radar, siêu âm, thủy tĩnh và điện dung đều có thể có phiên bản 4–20mA.

Ngoài analog, một số cảm biến đo mức hỗ trợ HART hoặc RS485 Modbus RTU. Với công tắc mức, tín hiệu thường là PNP, NPN, NAMUR hoặc relay tùy thiết kế.

Do đó, khi tìm cảm biến đo mức 4–20mA, bước đầu tiên vẫn là chọn công nghệ phù hợp với bồn và môi chất, sau đó mới kiểm tra output.

8 thông tin cần biết trước khi chọn cảm biến đo mức

Để chọn đúng cảm biến đo mức ngay từ đầu, nên cung cấp tối thiểu các thông tin sau:

1. Môi chất: nước, dầu, hóa chất, bùn, bột, hạt hay vật liệu khác.
2. Mục tiêu: đo liên tục 0–100%, báo HIGH/LOW hay khối lượng kg/tấn.
3. Kích thước: chiều cao, đường kính và khoảng đo thực tế.
4. Kiểu bồn: hở, kín, có áp suất, chân không, giếng, hồ hay silo.
5. Điều kiện bên trong: bọt, hơi, bụi, cánh khuấy, dòng nạp và vật cản.
6. Nhiệt độ và áp suất: giá trị bình thường và lớn nhất.
7. Tín hiệu cần dùng: 4–20mA, HART, Modbus, relay, PNP, NPN hoặc NAMUR.
8. Yêu cầu đặc biệt: vật liệu chống ăn mòn, IP, khu vực Ex, kết nối ren/mặt bích và vị trí lắp.

Trong nhiều trường hợp, ảnh chụp tổng thể bồn hoặc silo và bản vẽ kích thước giúp xác định phương án nhanh hơn chỉ gửi một dòng “bồn cao 6 mét”.

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

Chọn theo chiều cao bồn: khoảng đo thực tế phải tính từ mặt cảm biến đến MIN/MAX chứ không chỉ lấy chiều cao ghi trên bản vẽ.

Dùng siêu âm trong môi trường nhiều hơi hoặc bọt mà không khảo sát: điều kiện truyền âm có thể làm echo suy yếu.

Lắp radar ngay trên dòng nạp: vật liệu hoặc chất lỏng đi qua chùm sóng có thể tạo tín hiệu không mong muốn.

Dùng thủy tĩnh cho bồn kín có áp mà không bù áp: áp suất phần khí có thể làm sai kết quả.

Chọn điện dung chỉ theo chiều dài điện cực: hằng số điện môi, độ dẫn, bám và vật liệu bồn đều cần được kiểm tra.

Dùng transmitter liên tục chỉ để báo đầy: trong nhiều trường hợp một công tắc mức đơn giản sẽ đúng chức năng và kinh tế hơn.

Câu hỏi thường gặp về cảm biến đo mức

Cảm biến đo mức nào tốt nhất?

Không có một cảm biến đo mức tốt nhất cho mọi ứng dụng. Radar phù hợp nhiều bồn khó; siêu âm kinh tế cho bể hở ổn định; thủy tĩnh thuận lợi cho giếng và bể sâu; điện dung phù hợp khi cho phép đầu dò tiếp xúc; công tắc mức thích hợp khi chỉ cần HIGH/LOW.

Radar hay siêu âm đo mức tốt hơn?

Siêu âm phù hợp với bể hở, ít hơi, ít bọt và điều kiện truyền âm ổn định. Radar thường được ưu tiên hơn khi bồn kín, có hơi, bọt hoặc điều kiện phức tạp. Quyết định cuối cùng vẫn phải dựa trên khoảng đo và cấu tạo bồn.

Có thể dùng cảm biến đo mức để hiển thị lít không?

Có. Cảm biến đo mức liên tục cung cấp chiều cao hoặc tỷ lệ mức; PLC hoặc bộ hiển thị có thể quy đổi sang lít và m³ nếu biết hình dạng và kích thước bồn. Bồn nằm ngang, bồn cầu hoặc đáy côn thường cần bảng tuyến tính hóa.

Silo bột nhiều bụi nên dùng loại nào?

Radar 80 GHz thường là nhóm nên khảo sát trước. Với silo nhỏ và ít bụi có thể so sánh thêm siêu âm. Nếu chỉ cần báo đầy/cạn thì công tắc mức sẽ đơn giản hơn transmitter liên tục.

Cảm biến đo mức có điều khiển bơm trực tiếp không?

Tùy thiết bị. Transmitter 4–20mA thông thường chỉ gửi giá trị về PLC hoặc bộ điều khiển. Công tắc mức có thể tạo tín hiệu ON/OFF nhưng khả năng đóng tải trực tiếp phụ thuộc thông số đầu ra. Với bơm công suất lớn nên sử dụng relay trung gian, contactor hoặc hệ điều khiển phù hợp.

Kết luận

Cảm biến đo mức là một nhóm thiết bị rộng dùng cho cả chất lỏng và vật liệu rời. Việc chọn đúng không bắt đầu bằng câu hỏi “hãng nào tốt nhất” mà bắt đầu từ việc xác định hệ thống cần đo liên tục hay báo điểm, môi chất là gì, bồn hở hay kín, khoảng đo thực tế, điều kiện hơi – bọt – bụi – áp suất và tín hiệu cần đưa về hệ thống.

Radar, siêu âm, thủy tĩnh, chênh áp, điện dung, radar dẫn sóng, phao và các loại công tắc mức đều có vị trí riêng. Khi xác định đúng bài toán trước, việc chọn công nghệ và model cảm biến đo mức sẽ đơn giản hơn đáng kể và hạn chế tình trạng thiết bị đúng thông số catalogue nhưng không phù hợp điều kiện thực tế.

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