Cảm biến thủy tĩnh là gì? Nguyên lý, cấu tạo và ứng dụng

Cảm biến thủy tĩnh là gì? Đây là thiết bị đo mức chất lỏng dựa trên áp suất do cột chất lỏng tạo ra tại vị trí đặt cảm biến. Cảm biến thủy tĩnh (Hydrostatic Level Sensor) thường được thả chìm gần đáy bể, giếng hoặc hồ; từ áp suất đo được, thiết bị xác định chiều cao cột chất lỏng và chuyển thành tín hiệu như 4–20mA để đưa về PLC, bộ hiển thị hoặc hệ thống giám sát.

Khác với radar và siêu âm thường đo từ phía trên bề mặt, cảm biến thủy tĩnh tiếp xúc trực tiếp với môi chất và đo từ bên dưới. Vì vậy công nghệ này đặc biệt phù hợp với giếng, bể ngầm, hồ chứa hoặc những vị trí không thuận tiện để lắp cảm biến phía trên.

Cảm biến thủy tĩnh là gì và hoạt động như thế nào?

Nguyên lý của cảm biến thủy tĩnh dựa trên mối quan hệ giữa áp suất, khối lượng riêng của chất lỏng và chiều cao cột chất lỏng:

P = ρ × g × h

Trong đó:

• P: áp suất thủy tĩnh.
• ρ: khối lượng riêng của chất lỏng.
• g: gia tốc trọng trường.
• h: chiều cao cột chất lỏng phía trên cảm biến.

Khi loại chất lỏng và khối lượng riêng đã biết, áp suất đo được có thể quy đổi thành chiều cao mức.

Ví dụ với nước, khi mực nước tăng thì áp suất tác động lên đầu cảm biến tăng theo. Bộ transmitter chuyển giá trị này thành tín hiệu tuyến tính, thường là 4–20mA.

Với một cảm biến được cài đặt cho dải 0–10 m nước:

• 4mA tương ứng 0 m.
• 12mA tương ứng khoảng 5 m.
• 20mA tương ứng 10 m.

PLC hoặc bộ hiển thị chỉ cần scale tín hiệu 4–20mA về đơn vị mét, centimet hoặc phần trăm mức.

Vì sao áp suất tăng khi mức nước tăng?

Đầu dò nằm bên dưới chất lỏng nên phải chịu trọng lượng của toàn bộ cột chất lỏng phía trên nó. Cột chất lỏng càng cao thì áp suất tại vị trí đầu dò càng lớn.

Vì vậy cảm biến không cần xác định khoảng cách tới mặt nước như radar hay siêu âm.

Cấu tạo cảm biến thủy tĩnh

Một cảm biến đo mức thủy tĩnh dạng thả chìm thường gồm đầu đo áp suất, màng cảm biến, mạch transmitter, cáp tín hiệu và vỏ bảo vệ.

Đầu đo áp suất

Đây là bộ phận tiếp xúc trực tiếp với môi chất. Áp suất tác động lên màng đo và được phần tử cảm biến chuyển thành tín hiệu điện.

Vật liệu màng và thân cảm biến cần được lựa chọn theo môi chất. Với nước sạch có thể sử dụng các vật liệu phổ biến như thép không gỉ hoặc ceramic, trong khi nước thải và hóa chất cần kiểm tra kỹ khả năng tương thích vật liệu.

Mạch transmitter

Mạch điện xử lý tín hiệu từ phần tử đo áp suất, bù sai số và chuyển thành tín hiệu chuẩn.

Trong hệ thống công nghiệp, 4–20mA được sử dụng phổ biến vì thuận tiện khi truyền tín hiệu về PLC hoặc bộ điều khiển ở khoảng cách xa.

Cáp tín hiệu và ống thông hơi

Đây là chi tiết rất quan trọng trên cảm biến thủy tĩnh dạng vented gauge.

Trong cáp thường có một đường thông khí nhỏ giúp phía tham chiếu của cảm biến nhận áp suất khí quyển. Nhờ đó cảm biến đo phần áp suất do cột chất lỏng tạo ra thay vì cộng thêm ảnh hưởng của áp suất khí quyển.

Ví dụ, dòng cảm biến thủy tĩnh HLM-25S của Dinel được thiết kế cho các ứng dụng đo mức liên tục bằng đầu dò thả chìm. Đây cũng là một ví dụ thực tế về kiểu cảm biến sử dụng cáp chuyên dụng cho ứng dụng đo mức nước.

Vỏ bảo vệ

Cảm biến được thả chìm liên tục nên phần đầu dò phải có kết cấu phù hợp với môi trường ngập nước. Ngoài khả năng chống nước, cần quan tâm đến vật liệu thân, cáp, gioăng và khả năng chịu môi chất trong thời gian dài.

Cảm biến thủy tĩnh khác cảm biến áp suất thông thường thế nào?

Về nguyên lý, cảm biến thủy tĩnh hay cảm biến áp suất thủy tĩnh cũng sử dụng phần tử đo áp suất. Điểm khác biệt nằm ở thiết kế và mục đích sử dụng: áp suất đo được được quy đổi thành mức hoặc độ sâu chất lỏng.

Điểm cần nhớ là cảm biến thủy tĩnh đo áp suất để suy ra mức, còn cảm biến áp suất thông thường thường được sử dụng trực tiếp để giám sát áp suất của hệ thống.

Tín hiệu 4–20mA của cảm biến thủy tĩnh

Với cảm biến đo mức thủy tĩnh, tín hiệu 4–20mA là dạng tín hiệu phổ biến để truyền giá trị mức về PLC, bộ hiển thị hoặc hệ thống điều khiển.

Ví dụ cảm biến có dải:

0–20 mH₂O = 4–20mA

Công thức quy đổi cơ bản:

Mức = (I − 4) / 16 × dải đo

Trong đó I là dòng điện đo được tính bằng mA.

Ví dụ tín hiệu là 12mA với cảm biến 0–20 m:

(12 − 4) / 16 × 20 = 10 m

Tín hiệu này có thể đưa trực tiếp vào analog input của PLC hoặc qua bộ hiển thị nếu cần quan sát mức tại tủ điện.

Những yếu tố ảnh hưởng đến phép đo thủy tĩnh

Cảm biến thủy tĩnh có nguyên lý tương đối đơn giản nhưng độ chính xác thực tế vẫn phụ thuộc vào một số yếu tố.

Khối lượng riêng của chất lỏng

Từ công thức P = ρgh, có thể thấy kết quả phụ thuộc trực tiếp vào ρ.

Nếu cảm biến được scale theo nước nhưng sử dụng cho chất lỏng có khối lượng riêng khác đáng kể, chiều cao mức tính toán sẽ sai nếu không hiệu chỉnh.

Đây là điểm rất quan trọng khi đo dầu, dung dịch hoặc hóa chất.

Áp suất phía trên bề mặt chất lỏng

Trong bể hở, áp suất trên bề mặt gần bằng áp suất khí quyển nên cảm biến dạng gauge có thể bù thông qua đường thông hơi.

Trong bồn kín có áp suất, cảm biến đặt dưới đáy sẽ đồng thời nhận:

• áp suất của cột chất lỏng;
• áp suất khí phía trên.

Nếu áp suất khí thay đổi, không thể mặc định toàn bộ áp suất đo được đều do mức tạo ra.

Vị trí đặt đầu dò

Không nên để đầu cảm biến nằm chìm sâu trong lớp bùn hoặc cặn đáy. Với môi trường có dòng chảy mạnh, nên cố định đầu dò để hạn chế va đập và dao động cơ học.

Đường thông hơi

Với cảm biến vented, hơi ẩm hoặc nước lọt vào đường thông hơi có thể làm sai giá trị tham chiếu áp suất.

Vì vậy đầu cáp phía trên cần được bố trí ở vị trí khô ráo và bảo vệ phù hợp.

Vật liệu tiếp xúc môi chất

Nước sạch, nước thải, nước biển và hóa chất không có cùng yêu cầu vật liệu.

Không nên chỉ chọn cảm biến theo dải đo. Cần kiểm tra đồng thời vật liệu thân, màng đo, gioăng và vỏ cáp.

Ưu điểm của cảm biến thủy tĩnh

• Đo mức liên tục.
• Cấu tạo và nguyên lý tương đối đơn giản.
• Không cần khoảng trống phía trên bề mặt để phát sóng.
• Phù hợp với giếng và bể ngầm.
• Có thể đo các cột nước tương đối sâu.
• Tín hiệu 4-20mA thuận tiện kết nối PLC.
• Không bị ảnh hưởng bởi bọt trên bề mặt theo cách của cảm biến đo không tiếp xúc.
• Việc lắp đặt thường chỉ cần thả đầu dò xuống vị trí đo và cố định phù hợp.

Đây là lý do công nghệ thủy tĩnh thường được cân nhắc khi vị trí lắp radar hoặc siêu âm phía trên không thuận tiện.

Nhược điểm và giới hạn của cảm biến thủy tĩnh

• Đầu dò tiếp xúc trực tiếp với môi chất.
• Kết quả phụ thuộc vào khối lượng riêng của chất lỏng.
• Không thể bỏ qua áp suất khí trong bồn kín.
• Bùn, cặn hoặc chất kết dính có thể ảnh hưởng đến đầu đo.
• Cần bảo vệ đường thông hơi với cảm biến vented.
• Vật liệu cảm biến phải tương thích với môi chất.
• Việc bảo trì có thể yêu cầu kéo đầu dò ra khỏi bể hoặc giếng.

Khi nào nên dùng cảm biến thủy tĩnh?

Có thể ưu tiên xem xét cảm biến thủy tĩnh khi:

• Cần đo mức nước liên tục.
• Có thể thả cảm biến trực tiếp xuống môi chất.
• Không thuận tiện lắp thiết bị phía trên.
• Đo giếng hoặc bể ngầm.
• Khoảng đo tương đối sâu.
• Cần tín hiệu 4–20mA về PLC.
• Bề mặt có dao động hoặc bọt khiến giải pháp đo từ phía trên cần đánh giá kỹ hơn.
• Môi chất có khối lượng riêng tương đối ổn định.

Ngược lại, với bồn kín có áp suất thay đổi, môi chất ăn mòn mạnh hoặc không muốn thiết bị tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng, nên xem xét thêm các công nghệ khác.

Cảm biến thủy tĩnh được dùng ở đâu?

Cảm biến thủy tĩnh (Hydrostatic Level Sensor) được sử dụng khá rộng rãi trong các ứng dụng cần đo mức chất lỏng liên tục bằng cách đặt đầu dò trực tiếp trong môi chất. Công nghệ này đặc biệt thực tế ở những vị trí khó lắp cảm biến phía trên hoặc cần đo cột nước tương đối sâu.

Các ứng dụng thường gặp của cảm biến đo mức thủy tĩnh gồm:

• đo mức nước giếng;
• bể nước ngầm;
• hồ chứa;
• sông và kênh;
• nước thải;
• bể xử lý nước;
• hồ thủy điện;
• bồn chứa chất lỏng.

Ở từng ứng dụng, cách chọn cảm biến có thể khác nhau về dải đo, vật liệu, loại cáp, cách cố định và tín hiệu truyền về hệ thống điều khiển.

Nếu mục tiêu cụ thể là đo mức nước, có thể xem tiếp bài cảm biến đo mức nước thủy tĩnh để đi sâu vào cách chọn dải đo, cách lắp và các model phù hợp.

Với hồ chứa hoặc công trình ngoài trời, có thể tham khảo thêm đo mức nước hồ chứa để so sánh thủy tĩnh với radar và siêu âm.

Cảm biến thủy tĩnh, siêu âm hay radar?

Ba công nghệ đều có thể đo mức nước nhưng cách tiếp cận khác nhau:

Không nên chọn chỉ dựa vào công nghệ nào “hiện đại hơn”.

Nếu có thể thả đầu dò, vị trí phía trên khó lắp và môi chất phù hợp thì thủy tĩnh có thể rất thực tế. Nếu cần đo không tiếp xúc, radar hoặc siêu âm sẽ phù hợp hơn tùy điều kiện.

Câu hỏi thường gặp về cảm biến thủy tĩnh

Cảm biến thủy tĩnh có phải cảm biến áp suất không?

Có. Thiết bị thực chất đo áp suất tại vị trí đầu dò rồi dùng mối quan hệ giữa áp suất và chiều cao cột chất lỏng để xác định mức.

Cảm biến thủy tĩnh có đo được dầu không?

Có thể nếu vật liệu cảm biến tương thích với dầu và việc quy đổi được thực hiện theo đúng khối lượng riêng của môi chất. Không nên sử dụng hệ số của nước cho mọi loại chất lỏng.

Cảm biến thủy tĩnh có dùng trong bồn kín được không?

Có thể nhưng phải xem xét áp suất khí phía trên bề mặt chất lỏng. Nếu áp suất này thay đổi, tín hiệu tại đầu dò không chỉ còn phụ thuộc vào chiều cao mức.

Tại sao cáp cảm biến thủy tĩnh có đường thông hơi?

Đường thông hơi đưa áp suất khí quyển tới phía tham chiếu của cảm biến dạng gauge. Nhờ đó cảm biến có thể xác định phần áp suất do cột chất lỏng tạo ra.

Cảm biến thủy tĩnh có kết nối trực tiếp với PLC được không?

Có, nếu PLC có analog input tương thích với tín hiệu đầu ra của cảm biến, phổ biến nhất là 4–20mA. Sau đó PLC scale tín hiệu dòng điện về đơn vị mức thực tế.

Kết luận về cảm biến thủy tĩnh

Nếu cần trả lời ngắn gọn câu hỏi cảm biến thủy tĩnh là gì, đây là thiết bị đo mức chất lỏng bằng cách đo áp suất của cột chất lỏng tại vị trí đầu dò.

Khi lựa chọn không nên chỉ quan tâm đến độ sâu. Cần kiểm tra đồng thời dải đo, khối lượng riêng, áp suất bồn, vật liệu tiếp xúc, đường thông hơi, tín hiệu đầu ra và vị trí lắp đặt.

Nếu ứng dụng đã xác định cụ thể là đo nước, bước tiếp theo nên chuyển sang cách chọn cảm biến đo mức nước thủy tĩnh thay vì tiếp tục đi sâu thêm vào nguyên lý.

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