Cảm biến radar là gì? Nguyên lý và cách chọn radar đo mức

Cảm biến radar là gì? Đây là thiết bị dùng sóng điện từ để phát hiện vật thể hoặc xác định khoảng cách. Trong đo lường công nghiệp, cảm biến radar được dùng chủ yếu để đo liên tục mức chất lỏng và vật liệu rời trong bồn, bể, phễu hoặc silo.

Radar có thể đo không tiếp xúc bằng anten hoặc đo tiếp xúc bằng que, cáp dẫn sóng. Thiết bị phát tín hiệu, nhận sóng phản xạ từ bề mặt vật liệu rồi tính khoảng cách. Từ khoảng cách này, bộ xử lý xác định mức và chuyển thành tín hiệu như 4–20mA, HART hoặc Modbus để đưa về PLC, DCS hay SCADA.

Khi tìm hiểu cảm biến radar là gì, cần phân biệt radar đo mức với radar đo tốc độ và cảm biến radar phát hiện chuyển động. Các thiết bị này có mục đích và cách xử lý tín hiệu khác nhau. Nội dung dưới đây tập trung vào cảm biến radar đo mức dùng trong nhà máy.

Cảm biến radar là gì và hoạt động như thế nào?

Đầu đo phát sóng điện từ về phía bề mặt vật liệu. Một phần năng lượng phản xạ trở lại anten khi gặp mặt phân cách giữa không khí và chất lỏng hoặc vật liệu rời. Bộ điện tử phân tích tín hiệu phản hồi để xác định khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt.

Với radar xung, khoảng cách có thể được mô tả đơn giản theo công thức:

Khoảng cách = vận tốc truyền sóng × thời gian khứ hồi / 2

Với radar FMCW, thiết bị phát tín hiệu có tần số thay đổi liên tục. Khoảng cách được suy ra từ độ chênh tần số giữa tín hiệu phát và tín hiệu phản hồi. Sau đó, mức vật liệu được tính theo quan hệ:

Mức = chiều cao tham chiếu của bồn – khoảng cách đo

Khả năng phản xạ không chỉ phụ thuộc khoảng cách. Hằng số điện môi của vật liệu, độ nghiêng hoặc dao động của bề mặt, bọt, bụi, hơi ngưng tụ, vật cản và hướng anten đều có thể làm tín hiệu mạnh hoặc yếu hơn. Vì vậy, dải đo lớn trên catalogue không đồng nghĩa thiết bị sẽ đạt cùng dải trong mọi ứng dụng.

Cấu tạo cơ bản của cảm biến radar

Một cảm biến radar đo mức thường có các bộ phận sau:

• Vỏ và bộ điện tử: phát, nhận, xử lý tín hiệu và chuyển đổi kết quả đo.
• Anten hoặc đầu dò: anten dùng cho radar không tiếp xúc; que, cáp hoặc đầu dò đồng trục dùng cho radar dẫn sóng.
• Kết nối quá trình: ren, mặt bích hoặc cơ cấu gá giúp cố định thiết bị trên bồn, bể hay silo.
• Ngõ ra tín hiệu: phổ biến là 4–20mA; một số model hỗ trợ HART, Modbus RS485 hoặc giao thức khác.
• Màn hình và bộ cài đặt: dùng để xem giá trị, đặt dải đo, lọc nhiễu và kiểm tra chất lượng tín hiệu nếu thiết bị hỗ trợ.

Vật liệu anten, đầu dò, gioăng và kết nối quá trình phải phù hợp với nhiệt độ, áp suất, hóa chất và yêu cầu vệ sinh của ứng dụng.

Hai loại cảm biến radar đo mức cần phân biệt

Radar không tiếp xúc ít phải bảo trì phần tiếp xúc và thường là lựa chọn đầu tiên khi đo mức tổng quát. Radar dẫn sóng có thể phù hợp hơn trong một số bồn hẹp hoặc điều kiện phản xạ phức tạp, nhưng đầu dò nằm trực tiếp trong môi chất nên phải đánh giá bám dính và tải cơ học.

Hai nhóm trên đều cho giá trị mức liên tục. Nếu chỉ cần xác nhận đầy hoặc cạn tại một vị trí, nên khảo sát thêm công tắc báo mức điểm thay vì mặc định dùng radar.

Radar 26GHz và radar 80GHz khác nhau thế nào?

Tần số là một tiêu chí quan trọng nhưng không phải tiêu chí duy nhất khi chọn cảm biến radar đo mức. Góc chùm sóng còn phụ thuộc thiết kế và kích thước anten.

Radar 80GHz thường có lợi thế về độ tập trung chùm sóng. Tuy nhiên, một radar 26GHz được thiết kế riêng cho vật liệu rời có thể phù hợp hơn một radar 80GHz chỉ được khuyến nghị cho chất lỏng hoặc môi trường ít bụi.

Cảm biến radar đo được những môi chất nào?

Đo mức chất lỏng

Radar không tiếp xúc được dùng cho nước, nước thải, dầu, dung môi, hóa chất và một số loại bùn. Thiết bị có thể làm việc trong bồn kín hoặc bể hở tùy cấp bảo vệ, kết nối quá trình và chứng nhận.

Ứng dụng có bọt, hơi hoặc bề mặt dao động cần đối chiếu tài liệu của model cụ thể. Radar thường ổn định hơn siêu âm khi nhiệt độ không khí hoặc lớp hơi thay đổi, nhưng bọt dày, ngưng tụ trên anten hay môi chất có hằng số điện môi thấp vẫn có thể làm tín hiệu phản xạ yếu.

Đo mức vật liệu rời

Radar có thể đo hạt nhựa, ngũ cốc, thức ăn chăn nuôi, cát, đá, tro bay hoặc xi măng nếu thiết bị được thiết kế cho chất rắn. Với silo, bề mặt thường tạo đỉnh khi nạp và tạo phễu khi xả. Vì vậy, vị trí đo phải đại diện cho lượng tồn và chùm sóng không được đi xuyên qua dòng nạp, thang hay thanh giằng.

Trường hợp xi măng nạp bằng khí nén cần xem riêng mật độ bụi, bám trên anten, hình dạng bề mặt và tùy chọn thổi khí. Phần này đã được phân tích chi tiết trong bài đo mức xi măng trong silo.

Ưu điểm và giới hạn của cảm biến radar đo mức

Vì các giới hạn trên, không nên mô tả radar là công nghệ “không bị ảnh hưởng bởi môi trường”. Cách diễn đạt chính xác hơn là radar thường ít chịu tác động của môi trường truyền sóng hơn siêu âm, nhưng kết quả vẫn phụ thuộc điều kiện quá trình và cách lắp.

Khi nào nên dùng radar thay vì siêu âm?

Nếu đang cân nhắc giữa hai công nghệ, có thể xem bài radar hay siêu âm đo mức để đối chiếu theo bọt, bụi, hơi, nhiệt độ và kết cấu bồn.

Cách chọn cảm biến radar đo mức

1. Xác định vật liệu và trạng thái bề mặt

Cần nêu rõ chất lỏng hay vật liệu rời, tên môi chất, hằng số điện môi nếu có, mức bọt, bụi, hơi, dao động hoặc bám dính. Không nên chỉ ghi chung là “đo bồn” hoặc “đo silo”.

2. Tính khoảng cách đo thực tế

Khoảng cách đo được tính từ mặt chuẩn của cảm biến đến bề mặt thấp nhất cần đo, không chỉ dựa vào chiều cao ghi trên bản vẽ bồn. Cần trừ vùng mức đầy an toàn, đoạn cổ bồn và vùng gần anten theo hướng dẫn của thiết bị.

3. Kiểm tra hình học và vật cản

Cung cấp đường kính bồn, hình dạng đáy, vị trí ống nạp, cánh khuấy, thang, giằng và các đầu nối bên trong. Những thông tin này quyết định góc chùm sóng, vị trí lắp và nhu cầu dùng cơ cấu chỉnh hướng.

4. Đối chiếu điều kiện quá trình

Nhiệt độ, áp suất, khả năng ăn mòn, môi trường ngoài trời, rung động và yêu cầu vệ sinh ảnh hưởng trực tiếp đến vật liệu đầu dò, cấp bảo vệ và kết nối quá trình. Nếu khu vực được phân loại nguy hiểm, phải chọn đúng chứng nhận cho phiên bản thiết bị. Cấp IP không thay thế chứng nhận phòng nổ.

5. Chọn tín hiệu phù hợp với hệ thống điều khiển

• 4–20mA: phù hợp khi PLC cần một giá trị mức liên tục đơn giản.
• HART: bổ sung cấu hình và chẩn đoán trên cùng vòng dòng nếu hệ thống hỗ trợ.
• Modbus RS485: phù hợp khi cần đọc nhiều biến số hoặc kết nối nhiều thiết bị trên một mạng.

Ngoài giao thức, cần xác nhận nguồn cấp, kiểu đấu dây, cách ly tín hiệu, địa chỉ truyền thông và điện trở kết thúc mạng.

Lắp đặt cảm biến radar như thế nào để hạn chế sai số?

• Không hướng chùm sóng xuyên qua dòng nạp, thang, thanh giằng, cánh khuấy hoặc sát thành bồn.
• Chọn vị trí nhìn được vùng bề mặt đại diện. Với vật liệu rời có bề mặt nghiêng, nên dùng mặt bích hoặc cơ cấu chỉnh hướng khi thiết bị hỗ trợ.
• Tuân thủ khoảng cách tối thiểu đến thành, miệng bồn và mức đầy an toàn theo tài liệu của model.
• Cài chiều cao tham chiếu, điểm 0%, điểm 100% và đơn vị đo đúng với bản vẽ thực tế.
• Thực hiện nhận dạng phản xạ giả hoặc lập bản đồ bồn khi trống nếu thiết bị có chức năng này.
• Kiểm tra tín hiệu ở trạng thái gần cạn, trung gian, gần đầy và trong lúc nạp hoặc xả.
• Nếu bụi hay ngưng tụ bám lên anten, cân nhắc đầu thổi khí, tấm chắn hoặc chu kỳ vệ sinh phù hợp.

Radar đo khoảng cách tại một vùng bề mặt, không trực tiếp cân khối lượng. Muốn hiển thị thể tích phải khai báo hình dạng bồn; muốn quy đổi sang tấn cần thêm khối lượng riêng phù hợp. Với vật liệu rời có khối lượng riêng xốp thay đổi, không nên dùng một hệ số cố định mà không đánh giá sai số.

Các dòng cảm biến radar Flowline và Dinel nên tham khảo

Flowline: radar không tiếp xúc

Dòng EchoBeam của Flowline sử dụng radar FMCW 80GHz. Theo tài liệu hãng, các model được phân theo dải đo, góc chùm sóng, cấp bảo vệ và ngõ ra:

• EchoBeam LR80: ứng dụng tầm ngắn, ngõ ra 4–20mA.
• EchoBeam LR81: có các lựa chọn HART, Modbus hoặc SDI-12 và phiên bản IP68.
• EchoBeam LR83: chùm sóng hẹp hơn LR80/LR81, có màn hình và lựa chọn HART hoặc Modbus.
• EchoBeam LR85: dành cho khoảng đo lớn hơn, chùm sóng 4°, có cấu hình mặt bích gimbal và tùy chọn thổi khí.

Dải tối đa của từng model được công bố theo điều kiện tham chiếu về hằng số điện môi, độ dao động và lượng bụi. Trước khi chọn, nên xem bảng so sánh cảm biến radar Flowline thay vì chỉ dựa vào chiều cao danh nghĩa.

Đối với vật liệu rời, Flowline còn có một số radar 26GHz thuộc dòng EchoPro. Model phải được đối chiếu theo mật độ bụi, anten và dải chất rắn; không nên mặc định 80GHz luôn phù hợp hơn 26GHz.

Dinel: radar dẫn sóng

Dinel GRLM-70 Miranda là radar dẫn sóng dùng que, cáp hoặc đầu dò đồng trục. Thiết bị có thể khảo sát cho chất lỏng và vật liệu rời trong bồn hoặc silo, với lựa chọn HART hoặc Modbus tùy phiên bản.

Do đầu dò tiếp xúc trực tiếp với vật liệu, ứng dụng silo phải kiểm tra lực kéo lên cáp, khả năng va đập, vị trí neo và mức bám. Với chất lỏng, cần đối chiếu vật liệu đầu dò và kết nối với tính ăn mòn, nhiệt độ và áp suất của quá trình.

Có thể xem thêm nhóm cảm biến đo mức để phân biệt thiết bị đo liên tục và công tắc báo mức điểm.

Câu hỏi thường gặp về cảm biến radar

Cảm biến radar là gì, có phải là công tắc báo đầy hoặc báo cạn không?

Không nhất thiết. Radar đo mức thường trả về giá trị liên tục theo khoảng cách, mét, phần trăm hoặc thể tích. Công tắc mức điểm chỉ xác nhận vật liệu đã chạm một ngưỡng. Hai thiết bị có thể được dùng song song khi cần tín hiệu tồn kho và cảnh báo chống tràn độc lập.

Radar 80GHz có luôn tốt hơn radar 26GHz không?

Không. Radar 80GHz thường có chùm sóng hẹp và thuận lợi trong không gian chật, nhưng độ phù hợp còn phụ thuộc thiết kế anten, thuật toán, dải đo, môi chất, bụi, bọt và cách lắp. Nên chọn theo điều kiện ứng dụng và thông số của model cụ thể.

Cảm biến radar có đo được khi có bụi hoặc bọt không?

Có thể, nếu model được thiết kế cho điều kiện đó và lắp đúng. Bụi cực dày, bọt dày, ngưng tụ hoặc bám trên anten vẫn có thể làm tín hiệu suy giảm. Cần kiểm tra trong chu kỳ vận hành thực tế thay vì kết luận chỉ theo tên công nghệ.

Radar có cho biết chính xác số lít hoặc số tấn không?

Radar đo trực tiếp khoảng cách hoặc mức. Muốn hiển thị lít cần bảng quy đổi thể tích theo hình dạng bồn. Muốn tính tấn phải có thể tích và khối lượng riêng phù hợp; nếu yêu cầu cân trực tiếp, cần khảo sát loadcell.

Cảm biến radar kết nối với PLC bằng tín hiệu nào?

Các lựa chọn phổ biến gồm 4–20mA, 4–20mA/HART và Modbus RS485. Phải chọn đúng phiên bản thiết bị, nguồn cấp và ngõ vào của PLC hoặc bộ chuyển đổi trung gian.

Kết luận

Tóm lại, cảm biến radar là gì? Đây là thiết bị dùng sóng điện từ để xác định khoảng cách và đo liên tục mức vật liệu. Radar không tiếp xúc phù hợp khi muốn hạn chế đầu dò chạm môi chất; radar dẫn sóng phù hợp với một số bồn hoặc silo cần dẫn tín hiệu theo que hay cáp. Không nên chọn cảm biến chỉ theo tần số hoặc dải đo lớn nhất trên catalogue.

Để chọn đúng thiết bị, cần đối chiếu môi chất, khoảng cách đo, bọt hoặc bụi, kết cấu bên trong, nhiệt độ, áp suất, vị trí lắp và tín hiệu về hệ thống điều khiển. Thông tin càng đầy đủ thì khả năng chọn đúng ngay từ đầu càng cao.

Người 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

Tài liệu tham khảo

• Flowline – Radar Level Transmitter
• Flowline – EchoBeam LR85 80GHz Radar Level Sensor
• Dinel – GRLM-70 Guided Wave Radar Level Meter

Thông số được đối chiếu ngày 17/08/2026. Khi đặt thiết bị, cần kiểm tra lại datasheet của đúng mã và phiên bản.