Cảm biến nước tên viết bằng tiếng anh là “water sensor” hay nói cách khác là cảm biến đo chất lỏng, cảm biến đo mực nước, cảm biến đo mức nước,… Nước hay chất lỏng mà cảm biến ở đây có thể đo được như: nước tinh khiết, nước thải, dầu, xăng…
Bộ cảm biến nước giúp bạn có thể phát hiện được tình trạng mực nước, mức nước đang ở một không gian nào đó chẳng hạn như bể xử lý nước thải, kênh, rạch, sông, ao, hồ, bồn chứa nước, bể chứa nước hay bất kì phạm vi mà bạn cần giám sát, điều chỉnh, đo đạc, phân tích kỹ thuật phù hợp theo từng nhu cầu và mục đích sử dụng của bạn.
Vậy, có bao nhiêu loại cảm biến nước? Đặc điểm và tính năng của chúng như thế nào? Giá thành có phải chăng mà chất lượng có vượt trội không? Nơi cung cấp cảm biến đo mực nước uy tín chỗ nào? Bài viết dưới đây tôi tin chắc bạn sẽ tìm được câu trả lời và chọn được sản phẩm phù hợp cho nhu cầu của bạn. Hãy cùng theo dõi nhé!
1. Phân loại cảm biến đo mức nước
Cảm biến đo mức nước có thể phân thành 2 nhóm chính bao gồm: cảm biến đo mực nước liên tục (continuous level measurement sensor) và cảm biến đo mực nước tại một điểm (water level sensor at one point). Trước hết chúng ta cùng tìm hiểu về cảm biến đo mức liên tục.
1.1 Cảm biến đo mức nước liên tục
Cảm biến đo mức liên tục (continuous level measurement sensor): còn gọi là thiết bị hay sensor đo mức liên tục chúng được ứng dụng trong các bồn, bể chứa nước, chất lỏng, ao, hồ, sông, kênh,… giúp người dùng có thể đo lường và theo dõi mực nước, chất lỏng một cách liên tục. Từ đó có thể đưa ra những nhận định phân tích kỹ thuật và hướng xử lý phù hợp với từng mục đích sử dụng. Với tín hiệu ngõ ra là 4-20mA, các bạn có thể đưa tín hiệu về PLC/bộ hiển thị để xử lý, điều khiển theo mục đích sử dụng.
Trong bài này tôi sẽ giới thiệu ba loại cảm biến nước liên tục thông dụng nhất hiện nay là: cảm biến mức siêu âm (ultrasonic level sensor), cảm biến radar. (radar sensor), cảm biến thuỷ tĩnh (Hydrostatic Level Sensor).
♦ Cảm biến siêu âm (Ultrasonic level sensor)
Cảm biến mức siêu âm (ultrasonic level sensor): hoạt động bằng cách phát sóng siêu âm (sóng âm thanh) từ đầu của thiết bị cảm biến đo và nhận lại phản xạ của sóng siêu âm khi sóng siêu âm chạm mặt nước, chất lỏng và thời gian để sóng siêu âm phản xạ trở lại là cách đo khoảng cách của mực nước hoặc chất lỏng mà bạn muốn đo.
Nếu vật ở càng xa thì thời gian sóng siêu âm phản xạ lại càng lâu. Ngược lại nếu vật ở càng gần thì thời gian sóng siêu âm phản xạ lại kết quả nhanh hơn. Môi trường có không khí rất lý tưởng để cảm biến siêu âm này hoạt động chúng cần có không khí để truyền âm thanh đi.
Vì vậy, trong các môi trường như bồn chân không thì cảm biến siêu âm không thể đo được và đặc biệt cảm biến siêu âm này âm thanh dễ bị hấp thụ bởi những chất hấp thụ âm thanh như chất lỏng có nhiều bọt thì cảm biến siêu âm sẽ hoạt động không chính xác hoặc có thể không đo lường được. Đối với các bồn có nhiều bụi, chất lỏng ngưng tụ bám lên thành cảm biến làm cho cảm biến này không đo được.
Ví dụ: Đối với ứng dụng ở bồn nước thì ngoài sóng âm phản xạ từ mặt chất lỏng thì trong bồn nó còn có những sóng âm phản xạ từ thành bồn hoặc từ các bộ phận khác hoặc là từ các nguồn âm thanh bên ngoài thì nó có thể gây nhiễu.
Cảm biến siêu âm mã LULT hiệu Desta – Xuất xứ EU
Dựa trên nguyên lý hoạt động của cảm biến mức siêu âm thì hãng Bass Instruments đã ra mắt sản phẩm đáp ứng đúng yêu cầu kỹ thuật và những dãy thuật toán lọc được những cái tác nhân gây nhiễu do các yếu tố khác tác động. Chúng có thể nhận biết được âm thanh nào hay sóng siêu âm nào là chất cần đo, phản xạ nào là phản xạ nhiễu.
Tín hiệu âm thanh sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ, nếu nhiệt độ thay đổi sẽ làm cho vận tốc âm thanh thay đổi. Vì vậy con cảm biến này được lắp thêm 1 cảm biến nhiệt độ để bù nhiệt độ. Do đó bạn có thể tham khảo cảm biến của hãng Bass Instrument với số lượng bán ra khủng và có mặt khắp hầu hết ở các công ty doanh nghiệp tại Việt Nam như:….
THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA CẢM BIẾN DESTA
- Thang đo: 0-6m, 0-10m, 0-30m…
- Ngõ ra: 4-20mA HART
- Giao tiếp Modbus RTU
- Có hỗ trợ ngõ ra relay
- Sai số: <0.2%
- Nguồn cấp: 24Vdc, 220Vac
- Kết nối ren hoặc mặt bích
- Có màn hình hiển thị tại chỗ
- Chứng chỉ phòng nổ: II 1/2G Ex IA IIC T4 Gb(Ga), Ex IA II C T6 Ga, Ex d II C T6 Gb
- Nhiệt độ làm việc: -40ºC…+1000ºC
- Áp suất làm việc: -1…+100Bar
- Cấp bảo vệ: IP68
- Bảo hành: 12 tháng
- Xuất xứ: Turkey – EU
Ưu nhược điểm của cảm biến siêu âm mã LULT hiệu Desta
Ưu điểm: Xuất xứ Châu Âu với thời gian bảo hành 1 đổi 1 trong 12 tháng, hàng chuẩn Châu Âu nhưng giá bình dân, rẻ và cạnh tranh hơn so với các loại cảm biến khác trên thị trường Việt Nam. Thiết kế phù hợp với hầu hết các ứng dụng nhỏ gọn tinh tế đẹp mắt. Với đặc tính đo không tiếp xúc hoặc không xâm lấn là giải pháp tối ưu và tinh tế nhất trong lựa chọn của nhiều doanh nghiệp.
Thêm một ưu điểm nổi trội số liệu cực kỳ chính xác với sai số cực thấp đáng để tin cậy. Chúng không bị ảnh hưởng bởi các đặc tính của vật liệu mà chúng cảm nhận được, có thể tự làm sạch do các rung động mà nó tạo ra. Ngoài ra thiết bị này đo được những chất có hằng số điện môi thấp không phụ thuộc vào hằng số điện môi Với loại cảm biến này không có bộ phận chuyển động, nhỏ gọn, số liệu đáng tin cậy, cảm biến này không có bộ phận chuyển động, không tiếp xúc hoặc không xâm lấn.
Nhược điểm: chịu tác động ảnh hưởng của môi trường, các chất lỏng bay hơi ngưng tụ bám trên thành bồn, bể, dễ dẫn đến sai số kết quả
Ứng dụng của cảm biến nước đo bằng siêu âm mã LULT hiệu Desta
Ứng dụng: hoạt động rất tốt trong nhà máy nước, nhà máy xử lý chất thải, hoặc trong các bồn hoá chất sạch loại hoá chất không bị ngưng tụ hay bốc hơi. Trong các phép đo lưu lượng kênh hở thì đây cũng là ứng dụng được sử dụng nhiều nhất. Ngoài ra các bồn chứa nhựa đường nóng trong nhà máy sản xuất ván lợp. Cảm biến siêu âm sẽ được đặt ở trên cùng của bể cách xa lớp nhựa đường nóng, được sử dụng để cảm nhận mức và gửi tín hiệu yêu cầu đổ đầy bể,….
♦ Cảm biến radar (Radar level sensor)
Cảm biến radar (sensor radar) loại cảm biến này dùng sóng điện từ truyền sóng viba bằng một ăngten (antenna) radar và được cảm biến phản xạ các vi sóng trở lại ăngten. Thời gian từ khi phát cho đến khi nhận được tín hiệu tỷ lệ với mức của chất cần đo. Cảm biến radar được phân thành 2 loại chính là: radar sóng (loại không tiếp xúc) và radar dây (tiếp xúc trực tiếp).
- Cảm biến radar không tiếp xúc được lắp từ phía trên thành bồn và rọi xuống để truyền sóng. Chúng được ưu tiên sử dụng để đo giao diện hoặc là trong những ứng dụng mà người dùng không biết được ở đó có sự pha trộn giữa 2 chất với nhau. Chúng có 2 kiểu đo:
- Kiểu thứ 1: sử dụng xung còn gọi là radar xung từng lần, khi đo chất rắn hoặc chất lỏng trong silo thì tín hiệu xung này được gửi đi và phản hồi trở lại. Thời gian xung đi và phản hồi trở lại để tính được mức chất lỏng.
- Kiểu thứ 2:Với công nghệ mới điều chế xung liên tục thì công nghệ này sẽ truyền xung liên tục và nhận xung liên tục với độ nhạy và độ chính xác hơn rất là nhiều so với công nghệ cũ
– Cảm biến radar tiếp xúc có dẫn hướng: ống dẫn hướng tiếp xúc trực tiếp với lưu chất. Do đó lưu chất ăn mòn sẽ gây ăn mòn ống dẫn hướng.
Ưu nhược điểm của cảm biến radar mã LPRS hiệu Desta
Ưu điểm: đo được giao diện chất lỏng, dầu, nước hoặc 2 chất lỏng có hằng số điện môi khác nhau , không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, môi trường, bụi. Đo được chất lỏng, rắn, bột nhão. Độ chính xác cao, không cần phải hiệu chuẩn, không xâm lấn vì nó không phải chạm vào vật tiếp xúc, không bị ăn mòn, không có bộ phận chuyển động, không cần phải bảo trì.
Nhược điểm: chi phí cao hơn so với cảm biến siêu âm, phạm vi phát hiện hạn chế. Radar đi xuyên qua các vật liệu không dẫn điện như nhựa, sợi tổng hợp, thuỷ tinh,… đối với các chất này thì sóng radar đi xuyên qua và không có phản hồi trở lại và phép đo radar không đo được. Tuy nhiên, đó cũng chính là ưu điểm của cảm biến radar đối với những bồn có lắp kính quan sát thì cảm biến radar lắp và đo xuyên qua cái kính mà không cần tháo lắp kính để gắn cảm biến radar vào.
Để khắc phục được những nhược điểm của đa số các loại cảm biến radar thì hãng Desta đã cho ra mắt sản phẩm với thông số kỹ thuật:
Ứng dụng của cảm biến radar mã LPRS hiệu Desta
Ứng dụng: cảm biến radar được sử dụng lý tưởng cho các bể chứa chất lỏng nóng, hoá chất, dầu khí, công nghệ thực phẩm.
Tần số radar ảnh hưởng tới phép đo: có 3 tần số radar chính: 10GHz (tần số thấp), 24GHz (tần số trung bình), 80Ghz (tần số cao). Tần số sẽ ảnh hưởng chính đến kết quả phép đo của radar. Đối với loại tần số càng thấp thì tín hiệu trả về càng mạnh, tần số càng cao thì tín hiệu trả về càng yếu dễ bị hấp thu bởi môi trường xung quanh. Tần số càng cao thì độ rộng chùm tia phóng xạ càng hẹp rất kho chạm vào các vật cản xung quanh như cánh khuấy. Vì vậy, có nhiều tần số để người dùng có nhiều sự lựa chọn phù hợp với mục đích sử dụng.
So sánh cảm biến siêu âm và cảm biến radar:
Giống nhau: Cảm biến mức siêu âm và cảm biến radar cơ bản về nguyên lý hoạt động gần giống nhau. Đều lắp trên đỉnh bồn và phóng 1 cái tia xuống để đo thời gian phản hồi và tính được mức chất lỏng, kết cấu thiết kế sản phẩm thì gần giống nhau. Đối với chất lỏng có bọt thì cảm biến siêu âm hầu như không đo được. Bọt hấp thu sóng siêu âm và luôn cả radar.
Vì thế các hãng thường khuyến cáo sử dụng thêm 1 công cụ là giếng tĩnh, nó sẽ làm cho nước đi vào bên trong ống đó và ngăn những bọt ở lại không vào được trong ống. Radar sẽ đo được mức chất lỏng và sẽ không bị ảnh hưởng bởi bọt. Đối với công nghệ được cải tiến thì những con cảm biến có tần số 80ghz thì chúng là cải tiến để loại bỏ những chất lỏng có bọt nhẹ mà không cần ống giếng tĩnh.
Khác nhau:
| Cảm biến sóng siêu âm | Cảm biến radar | |
| Sóng truyền | Sóng siêu âm | Sóng điện từ |
| Môi trường chân không | Hầu như không đo được | Đo được |
| ảnh hưởng gió | Gió sẽ làm sóng siêu âm bay hoặc mất đi, tín hiệu giảm | Không ảnh hưởng vì sóng radar di chuyển với tốc độ như nhau bất kể không gian. |
| Chất ngưng tụ | ảnh hưởng | Ít bị ảnh hưởng |
| Âm thanh, tiếng ồn | ảnh hưởng | Không bị ảnh hưởng |
♦ Cảm biến thuỷ tĩnh (Hydrostatic Level Sensor)
Công thức liên quan giữa độ chênh áp và mức chất lỏng
LEVEL (H)= DP/SG
Trong đó:
H: chiều cao của cột chất lỏng
DP: độ chênh áp
SG: tỉ trọng của chất lỏng
Đối với bồn hở chỉ cần dùng cảm biến áp suất thông thường hoặc những đồng hồ áp suất có thể đo được chiều cao của chất lỏng. Vì cảm biến áp suất thật ra là cảm biến đo chênh áp so sánh áp suất của điểm cần đo và áp suất của khí quyển. Áp suất của khí quyển được làm áp suất tham chiếu. Vì vậy những bồn hở hoặc nơi cần đo mà ở đó không khí không bị nén lại chúng phải thông với khí trời vì thế chỉ cần đo áp suất đầu dưới thì đã
có thể tính được chiều cao của mực nước.
Để đo được mức chất lỏng dựa vào nguyên lí thuỷ tĩnh thì cảm biến áp suất được lắp ở vị trí thấp nhất của bồn (0m). Khi mực nước cao 2m thì tương ứng là 200mbar, 3m tương ứng với 300mbar. Dựa vào áp suất thì ta tính được chiều cao của mực nước (H).
Rule of thumb: 1 m water column= 100mbar.
1 loại khác để đo mực nước dựa vào cảm biến áp suất dạng thả chìm: loại này sẽ được thả chìm xuống nước để đo áp suất mực nước và tính được chiều cao của mực
nước. Loại này được áp dụng trong trường hợp không lắp được cảm biến áp suất.
Ứng dụng: khi ta đo mức của hồ, sông thì loại cảm biến này được thả chìm xuống đáy hồ đáy sông để đo áp suất và tính được chiều cao của mực nước
Nguyên lý hoạt động: tương tự như cảm biến áp suất chỉ cần thả cảm biến áp suất dạng chìm này xuống đáy. Điểm thấp nhất tương ứng 0m, 2m thì tương ứng 200mbar. Khi đo áp suất thuỷ tĩnh để tính ra chiều cao mực nước cần lưu ý chỉ sử dụng được cho bồn hở, hoặc ao sông giếng,…
Đối với bồn kín thì cần dùng cảm biến đo chênh áp hoặc là đồng hồ đo chênh áp tức là đo áp suất đầu trên và áp suất đầu dưới để tính ra được chiều cao mực nước. Vì khoảng không trên mực nước của bồn kín là không khí có thể tạo thành áp suất. Khi bơm nước vào thì nó sẽ nén không khí và trên khoảng không này cũng có áp suất ( áp suất không khí) phần dưới đáy sẽ có áp suất thuỷ tĩnh. Áp suất không khí sẽ tác động vào mực nước làm tăng áp lực thuỷ tĩnh làm cho phép đo đo sai, dẫn đến phải cần có 1 đầu để đo áp suất bên trên.
Họ sẽ có 1 đầu để đo áp suất dưới và 1 đầu để đo áp suất trên để so sánh và phần giảm áp suất trên thông thường đối với các bồn cao thì ống mao dẫn được thiết kế nhỏ và dài để dẫn tín hiệu từ áp suất đầu trên về đầu dưới để con cảm biến chênh áp tính toán. Nhiệt độ môi trường sẽ ảnh hưởng tới ống mao dẫn, nếu môi trường thay đổi sẽ dẫn tới áp lực tỉ trọng của chất lỏng bên trong ống mao dẫn sai số do ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
1.2 Cảm biến đo mực nước tại một điểm (Đo On/Off)
Đây là loại cảm biến sẽ phát hiện mức khi tiếp cận đo đạt đến một điểm nhất định. Cảm biến sử dụng cho loại này bao gồm điện dung (capacitance level sensor), quang (optical), độ dẫn (conductivity), âm thoa (tuning fork), công tắc phao (float switch).
– Cảm biến đo mức bằng điện dung (capacitance level sensor) là cảm biến không tiếp xúc, cảm biến tiệm cận tạo ra điện trường và phát hiện một mức nước hay chất lỏng bằng cách tác động lên điện trường của nó.
Ưu điểm: Chúng có kích thướt nhỏ gọn, giá thành lại rẻ hơn các loại cảm biến khác, không cần có bộ phận chuyển động.
Nhược điểm: loại cảm biến này cần tiệm cận với chất cần đo, chúng cần được hiệu chuẩn và chỉ có thể phát hiện được một số loại chất lỏng nhất định mà thôi.
Ứng dụng: cảm biến đo mực nước bằng điện dung có thể sử dụng trong các nhà máy xử lí nước có bể chứa chất lỏng là môi trường ứng dụng lý tưởng để sử dụng loại cảm biến này
– Cảm biến mức quang học (optical): sẽ hoạt động bằng cách chuyển đổi chúng sang thành tín hiệu điện đo lường đại lượng vật lý của ánh sáng. Sau đó chuyển đổi các thông số cần thiết.
Ưu điểm: không có bộ phận chuyển động, không bị ảnh hưởng bởi áp suất nhiệt độ cao, có kích thướt nhỏ gọn. Có thể sử dụng cho nhiều loại chất lỏng khác nhau
Nhược điểm: nếu cảm biến quang bị dơ bị bẩn thấu kính của thiết bị cần được làm sạch
Ứng dụng: có thể làm thiết bị báo hiệu chất lỏng ở mức thấp để ngăn tình trạng vận hành khô khi sử dụng dầu, chất làm mát hoặc thuỷ lực.
– Cảm biến mức sử dụng độ dẫn điện (conductivity): sẽ sử dụng đầu dò để đo độ dẫn điện. Đầu dò có một cặp điện cực sử dụng dòng điện xoay chiều. Khi chất lỏng chảy qua đầu dò, điện cực của đầu dò sẽ tạo thành một phần của mạch điện. Nhờ đó mà dòng điện có thể chảy qua và tạo ra tín hiệu đo mực chất lỏng.
Ưu điểm: không có bộ phận chuyển động, giá thành rẻ, dễ sử dụng.
Nhược điểm: thiết bị cần chạm vào chất lỏng cần đo, chỉ đo được chất lỏng dẫn điện mà thôi, đầu dò sẽ bị gỉ hao mòn theo thời gian.
Ứng dụng: Lọai cảm biến này được sử dụng để lấy tín hiệu từ mức chất lỏng cao hay thấp
– Cảm biến mức chất lỏng bằng âm thoa (tuning fork): cảm biến được sử dụng có dạng hình nĩa với hai mũi nhọn, cái nĩa dao động ở tần số cộng hưởng tự nhiên của nó. Khi mức thay đổi thì tần số của nĩa thay đổi phát hiện mức.
Ưu điểm: cảm biến này với chi phí thấp, giá thành rẻ, thiết kế nhỏ gọn, dễ lắp đặt, ít cần bảo trì
Nhược điểm: chúng cần phải đặt vào sản phẩm có nghĩa là chúng phải chạm vào vật liệu để cảm nhận mức
Ứng dụng: chúng có thể sử dụng không giới hạn dựa trên chất liệu mà chúng có thể cảm nhận được như các ngành công nghiệp khai thác thực phẩm, đồ uống, chế biến hoá chất,..sử dụng các cảm biến này cho các ứng dụng của họ.
– Công tắc phao (float switch): sử dụng phao nổi một thiết bị nâng lên hoặc hạ xuống, khi thiết bị nâng lên hoặc hạ xuống thiết bị này sẽ mở hoặc đóng một mạch khi mức tăng hoặc giảm khi di chuyển phao.
Ưu điểm: thiết bị không cần cấp nguồn, giá thành và chi phí thấp,
Nhược điểm: xâm lấn vào sản phẩm tức có nghĩa là nó phải chạm vào sản phẩm, có bộ phận chuyển động, kích thướt tương đối lớn, chúng chỉ có thể cho biết mức cao hoặc thấp, chúng không thể đo mức thay đổi.
Ứng dụng: trong các bể chứa chất lỏng chỉ báo mức cao hoặc mức thấp,
