Cảm biến siêu âm đo mức nước: Nguyên lý, cách chọn và lắp đặt

Cảm biến siêu âm đo mức nước (ultrasonic level sensor) là thiết bị đo liên tục, không tiếp xúc, được lắp phía trên bồn, bể hoặc kênh hở. Ultrasonic level sensor phát sóng xuống mặt nước, nhận tín hiệu phản xạ rồi quy đổi khoảng cách thành chiều cao mức (level). Kết quả có thể truyền về PLC hoặc bộ hiển thị bằng 4-20mA, 0-10V, HART hay RS-485 Modbus tùy phiên bản.

Giải pháp này phù hợp với bể nước sạch, nước thải, hố thu, hồ chứa và các vị trí không muốn đầu dò tiếp xúc với chất lỏng. Khi chọn cảm biến siêu âm đo mức nước (ultrasonic water level sensor), cần kiểm tra khoảng đo, blind zone (vùng mù) và điều kiện lắp vì bọt, hơi, gió hoặc vật cản có thể làm echo suy yếu.

Siêu âm là một trong các phương án đo mức chất lỏng. Nếu chưa chốt công nghệ và cần so sánh thêm radar, thủy tĩnh, điện dung hoặc báo mức điểm, xem cảm biến đo mức chất lỏng. Nếu mục tiêu là theo dõi mức 0–100% và truyền tín hiệu 4–20mA về PLC, xem cảm biến đo mức liên tục.

Điểm cần nhớ khi chọn ultrasonic level sensor: Không chọn thiết bị chỉ theo chiều cao danh nghĩa của bồn. Measuring range thực tế phải tính từ mặt phát sóng đến mực nước thấp nhất, đồng thời mực nước cao nhất phải nằm ngoài blind zone. Vùng phát sóng cũng cần tránh dòng nạp, thành bồn, đường ống và cánh khuấy. Cuối cùng, phải chọn đúng output phù hợp với PLC hoặc bộ hiển thị đang sử dụng.

Cảm biến siêu âm đo mức nước là gì?

Cảm biến siêu âm đo mức nước – còn gọi là ultrasonic level sensor, ultrasonic water level sensor hoặc non-contact level sensor – là thiết bị đo liên tục, theo dõi mức thay đổi trong toàn bộ phạm vi cài đặt thay vì chỉ báo đầy hoặc báo cạn tại một điểm.

Bên trong thiết bị thường có transducer (đầu dò phát – nhận sóng), mạch đo thời gian, bộ xử lý echo, temperature compensation và ngõ ra tín hiệu. Non-contact level sensor nằm phía trên mặt nước nên thuận lợi khi vệ sinh, nhưng sóng âm vẫn có thể bị ảnh hưởng bởi hơi, bọt và gió trên đường truyền.

Ultrasonic Level Sensor hoạt động như thế nào?

Cảm biến siêu âm đo mức nước (ultrasonic level sensor) phát xung siêu âm xuống mặt nước rồi đo thời gian tín hiệu phản xạ trở lại transducer.

Khoảng cách = (Vận tốc truyền âm × Thời gian sóng đi và về) ÷ 2

Kết quả phải chia hai vì sensor đo cả hành trình đi từ đầu dò đến mặt nước và phản xạ trở lại. Khi biết khoảng cách từ sensor đến đáy bể, level được tính như sau:

Mức nước = Khoảng cách từ cảm biến đến đáy bể − Khoảng cách từ cảm biến đến mặt nước

Ví dụ, cảm biến cách đáy bể 5,5 m và khoảng cách đo được đến mặt nước là 2 m:

Mức nước = 5,5 − 2 = 3,5 m

Ví dụ: Sensor cách đáy bể 5,5 m và khoảng cách đo được đến mặt nước là 2 m → Level = 5,5 − 2 = 3,5 m. Thiết bị sau đó chuyển giá trị level thành tín hiệu analog hoặc dữ liệu truyền thông cho PLC và bộ hiển thị.

Có thể xem thêm phần giải thích chuyên sâu tại bài nguyên lý cảm biến siêu âm.

Blind Zone (Vùng mù) của cảm biến siêu âm đo mức nước

Blind zone (vùng mù) là khoảng cách ngay bên dưới transducer mà ultrasonic level sensor chưa thể đo tin cậy. Nếu mặt nước quá gần, tín hiệu có thể phản xạ về trước khi đầu dò chuyển từ trạng thái phát sang nhận echo.

Khi chọn cảm biến siêu âm đo mức nước, cần kiểm tra hai khoảng cách:

• Maximum measuring distance (khoảng cách lớn nhất) từ sensor đến mực nước thấp nhất.
• Minimum measuring distance (khoảng cách nhơ nhất) từ sensor đến mực nước cao nhất.

Mực nước cao nhất không được đi vào blind zone. Nếu bồn cần chứa gần đầy, phải nâng sensor bằng giá đỡ hoặc mounting bracket phù hợp. Cách quy đổi 4 mA và 20 mA phụ thuộc vào cấu hình của từng model.

Khi nào nên dùng cảm biến siêu âm đo mực nước?

Cảm biến siêu âm đo mức nước phù hợp khi cần đo liên tục và có thể lắp đầu dò phía trên bề mặt, chẳng hạn:

• Đo mức nước sạch trong bồn chứa bằng ultrasonic water level sensor.
• Theo dõi nước thải bằng cảm biến siêu âm đo mức nước thải (ultrasonic wastewater level sensor).
• Đo nước mưa, hồ chứa, sông và kênh hở.
• Theo dõi bùn hoặc dung dịch có cặn khi bề mặt vẫn phản xạ được sóng.

Phương pháp non-contact level measurement này hợp với mặt nước tương đối ổn định, áp suất gần áp suất khí quyển và vùng truyền sóng không có vật cản. Khi đo hóa chất, vẫn phải kiểm tra vật liệu transducer và khả năng chịu hơi ăn mòn.

Những điều kiện có thể làm Ultrasonic Level Sensor đo sai

Những yếu tố thường làm cảm biến siêu âm đo mức nước thiếu ổn định gồm:

• Foam (bọt): Bọt dày có thể hấp thụ và phân tán sóng âm.
• Vapor & condensation (hơi và ngưng tụ): Làm tín hiệu suy yếu.
• Turbulence (mặt nước dao động): Dòng nạp và máy khuấy khiến echo phản xạ theo nhiều hướng.
• Obstacles (vật cản): Thang, đường ống, thanh giằng và cánh khuấy tạo false echo.
• Wind (gió): Ảnh hưởng rõ hơn ở vị trí ngoài trời và khoảng đo lớn.
• Temperature & pressure: Ultrasonic sensor không hoạt động trong chân không và thường không phù hợp với bồn áp suất cao.

Bảng so sánh Ultrasonic Level Sensor vs Radar Level Sensor

Nếu bồn có bọt dày, hơi mạnh hoặc khuấy liên tục, nên ưu tiên radar hay siêu âm đo mức trước khi quyết định.

Các dòng Ultrasonic Level Sensor Dinel

Dinel có các dòng ULM-53, ULM-54 và ULM-70. Khi chọn cảm biến siêu âm đo mức nước Dinel, cần so sánh khoảng đo, vùng mù, ngõ ra, cấp bảo vệ và màn hình.

Thông số điển hình: độ chính xác khoảng ±0,15–0,3 %, góc phát 10–14°, nhiệt độ làm việc thường từ –30 đến +70 °C và áp suất không quá 0,1 MPa. Giá trị cụ thể phụ thuộc từng biến thể.

Dinel ULM-53 Ultrasonic Level Sensor

Dinel ULM-53 là dòng cảm biến siêu âm đo mức nước phù hợp với bồn, bể, hố thu và kênh hở thông thường.

Các biến thể hiện hành:

• ULM-53-01: 0,1–1 m.
• ULM-53-02: 0,2–2 m.
• ULM-53-06: 0,2–6 m.
• ULM-53-10: 0,4–10 m.

Tùy phiên bản, thiết bị hỗ trợ 4–20 mA, 0–10 V hoặc RS-485 Modbus RTU. Việc cài đặt có thể thực hiện bằng nút nhấn hoặc bút từ.

Xem thêm thông tin tại trang ULM-53 của Dinel.

Dinel ULM-54 Ultrasonic Level Transmitter

Dinel ULM-54 được thiết kế cho các ứng dụng ngoài trời như sông, kênh, hố thu và bể hở. Thiết bị có cấp bảo vệ IP68, ngõ ra 4–20 mA kết hợp HART và hỗ trợ cài đặt từ xa.

Các biến thể gồm:

• ULM-54-02: 0,15–2 m.
• ULM-54-06: 0,25–6 m.
• ULM-54-10: 0,4–10 m.

ULM-54 là lựa chọn nên đánh giá khi cảm biến siêu âm đo mức nước phải lắp ngoài trời hoặc tại vị trí có độ ẩm cao.

Tham khảo thêm tại trang ULM-54 của Dinel.

Dinel ULM-70 Ultrasonic Level Sensor

Dinel ULM-70 phù hợp khi cần màn hình tại chỗ, khoảng đo dài hoặc khả năng cài đặt nâng cao.

Các biến thể gồm:

• ULM-70-02: 0,15–2 m.
• ULM-70-06: 0,25–6 m.
• ULM-70-10: 0,4–10 m.
• ULM-70-20: 0,5–20 m.

Thiết bị hỗ trợ 4–20 mA kết hợp HART hoặc RS-485 Modbus RTU. Phiên bản có màn hình giúp kiểm tra giá trị và cài đặt trực tiếp tại hiện trường.

ULM-70 còn có chức năng loại bỏ echo giả, phù hợp với một số bồn có kết cấu bên trong nếu khảo sát và cài đặt đúng.

Xem thêm tại trang ULM-70 của Dinel.

Cách chọn cảm biến siêu âm đo mức nước

Xác định measuring range thực tế

Khoảng đo lớn nhất tính từ mặt phát sóng đến mực nước thấp nhất. Bồn cao 6 m nhưng cảm biến đặt cao hơn nắp 0,5 m có thể cần đo đến 6,5 m → không nên chọn phiên bản tối đa 6 m hoặc chọn sát giới hạn công bố.

Kiểm tra môi chất và điều kiện bề mặt

Trước khi chọn cảm biến siêu âm đo mức nước, cần xác định:

• Nước sạch, nước thải hay dung dịch hóa chất.
• Có foam, vapor, cặn hoặc khuấy liên tục không.
• Temperature, pressure và vị trí lắp (indoor / outdoor).

Chọn tín hiệu đầu ra và màn hình

• 4–20 mA: phổ biến, ổn định và dễ truyền xa.
• 0–10 V: Dùng với ngõ vào điện áp phù hợp.
• HART: truyền giá trị analog kết hợp cấu hình và diagnostics (chẩn đoán).
• RS-485 Modbus RTU: phù hợp khi cần digital data (dữ liệu số) hoặc kết nối mạng thiết bị.

Cần đối chiếu ngõ vào PLC trước khi chọn. Màn hình chỉ cần thiết khi muốn kiểm tra hoặc cài đặt trực tiếp tại hiện trường.

Cách lắp cảm biến siêu âm đo mức nước

Khi lắp đặt cảm biến siêu âm đo mức nước (ultrasonic level sensor installation), cần lưu ý:

• Đặt transducer vuông góc với mặt nước.
• Không lắp ngay phía trên dòng nạp (inlet flow).
• Không để obstacles nằm trong beam angle.
• Giữ khoảng cách an toàn với thành bồn.
• Không lắp trong nozzle quá nhỏ hoặc quá dài.
• Bảo đảm mực nước cao nhất nằm ngoài blind zone.
• Ngoài trời: hạn chế nắng chiếu trực tiếp và siết kín cable gland.

Đối với kênh hở hoặc hồ chứa, nên dùng giá đỡ chắc chắn, hạn chế rung và chọn vị trí ít chịu ảnh hưởng của gió hoặc dòng chảy rối.

Kết nối cảm biến siêu âm với PLC

Phần lớn cảm biến siêu âm đo mức nước công nghiệp sử dụng nguồn DC và truyền giá trị bằng 4-20mA hoặc RS-485 Modbus RTU.

• Với tín hiệu 4–20 mA, cần kiểm tra polarity (cực tính nguồn), ngõ vào active hoặc passive, load resistance (điện trở tải),
  dải nguồn và shielded cable (cáp chống nhiễu).
• Với RS-485 Modbus, cần đấu đúng dây A, B, shield và điện trở kết thúc nếu hệ thống yêu cầu. Nên dùng twisted pair cable (cáp xoắn đôi có chống nhiễu).

Không nên áp dụng một sơ đồ chung cho mọi model. Cần đấu theo đúng mã ngõ ra và tài liệu của thiết bị đang sử dụng.

Giá cảm biến siêu âm đo mức nước

Giá cảm biến siêu âm đo mức nước (ultrasonic level sensor price) phụ thuộc vào measuring range, output, display, IP rating và phụ kiện. Giá Dinel ultrasonic level sensor thường dao động từ vài triệu đến hơn mười triệu đồng tùy cấu hình.

Để chọn model và báo giá sát ứng dụng, nên cung cấp:

1. Môi chất và khoảng cách từ cảm biến đến đáy.
2. Mực nước thấp nhất, cao nhất (low level và high level).
3. Tình trạng bọt, hơi, cặn và dao động.
4. Nhiệt độ, áp suất và vị trí lắp.
5. Tín hiệu, màn hình hoặc yêu cầu phòng nổ (explosion-proof).

Câu hỏi thường gặp về cảm biến siêu âm đo mức nước

Ultrasonic level sensor có đo được bồn kín không?

Có, nếu temperature, pressure và vapor nằm trong giới hạn của thiết bị.

Cảm biến siêu âm đo mức nước thải (ultrasonic wastewater level sensor) được không?

Được, nhưng cần kiểm tra foam, aeration và độ dao động bề mặt.

Ultrasonic level sensor đo tối đa bao nhiêu mét?

ULM-53/54 đến 10 m, ULM-70 đến 20 m.

Bồn có foam nên dùng ultrasonic hay radar?

Foam dày → ưu tiên radar level sensor.

Tư vấn chọn cảm biến siêu âm đo mức nước

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