Cảm biến đo mức nước là gì? Nguyên lý hoạt động, Phân loại

Trong bể chứa, bồn nước và hệ thống cấp thoát nước, cảm biến đo mức nước giúp theo dõi mực chất lỏng, cảnh báo đầy cạn và truyền tín hiệu về bộ điều khiển. Vậy sản phẩm này có nguyên lý hoạt động ra sao, nên lựa chọn loại nào cho từng ứng dụng thực tế? Hãy cùng Thiết Bị Cảm Biến THP tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây!

Cảm biến đo mức nước là gì?

Cảm biến đo mức nước là thiết bị dùng để xác định chiều cao hoặc mức nước trong bồn chứa, bể, hồ và các hệ thống công nghiệp. Dữ liệu đo được có thể chuyển đổi thành tín hiệu điện để truyền về bộ hiển thị, PLC hoặc hệ thống điều khiển phục vụ giám sát và tự động hóa.

Dựa theo phương pháp đo, thiết bị này thường được chia thành hai nhóm chính:

• Cảm biến tiếp xúc: Bộ phận đo tiếp xúc trực tiếp hoặc được đặt trong nước, phổ biến như cảm biến đo mức nước thủy tĩnh, dạng phao, điện dung.
• Cảm biến không tiếp xúc: Xác định mức nước mà đầu đo không cần tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng, điển hình là cảm biến đo mức nước siêu âm và radar.

Mỗi phương pháp có sự khác nhau về độ chính xác, phạm vi đo, cách lắp đặt, yêu cầu bảo trì và chi phí. Vì vậy, loại cảm biến phù hợp cần được lựa chọn dựa trên bể chứa, điều kiện môi trường và yêu cầu đo thực tế.

Nguyên lý hoạt động của sensor đo mức nước

Cảm biến đo mực nước hoạt động theo nhiều nguyên lý khác nhau tùy vào công nghệ đo. Cụ thể như sau:

Nguyên lý áp suất thủy tĩnh

Cảm biến đo mức thủy tĩnh hoạt động dựa trên nguyên lý áp suất của chất lỏng tăng theo độ sâu. Khi được đặt chìm trong nước, cảm biến đo áp suất của cột nước phía trên và chuyển đổi thành tín hiệu điện để xác định mực nước. Công thức tính:

P = ρ × g × H + P₀

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
• P₀: Áp suất khí quyển phía trên bề mặt chất lỏng

Nguyên lý phản xạ sóng

Cảm biến đo mức nước dạng sóng siêu âm và radar thường được lắp phía trên bề mặt nước. Thiết bị phát tín hiệu xuống bề mặt chất lỏng và thu lại tín hiệu phản xạ.

Cảm biến xác định khoảng cách dựa trên thời gian tín hiệu di chuyển theo công thức:

Khoảng cách = (Vận tốc tín hiệu × Thời gian truyền) / 2

Sau đó, mực nước được tính bằng cách lấy chiều cao đã biết của bể trừ đi khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt nước. Sensor đo mức siêu âm sử dụng sóng âm, trong khi cảm biến radar sử dụng sóng điện từ.

Nguyên lý lực nổi của phao

Cảm biến đo mức nước dạng phao sử dụng một phao nổi trên bề mặt chất lỏng. Khi mực nước tăng hoặc giảm, phao sẽ di chuyển theo và tác động đến công tắc hoặc bộ phận đo mức. Nhờ đó, cảm biến có thể xác định mực nước đang cao hay thấp, hoặc theo dõi mức nước liên tục tùy theo thiết kế.

Các loại cảm biến đo mức nước phổ biến hiện nay

Sensor đo mức nước được chia thành nhiều loại dựa trên phương pháp và công nghệ đo. Phổ biến gồm 7 loại sau:

Cảm biến đo mức nước dạng siêu âm

Loại này hoạt động bằng cách phát sóng âm tần số cao đến bề mặt chất lỏng và nhận lại tín hiệu phản xạ. Dựa trên thời gian truyền và nhận sóng, cảm biến xác định khoảng cách từ đầu dò đến bề mặt chất lỏng, từ đó tính toán mực nước.

• Ứng dụng: Bồn chứa hở, sông, kênh hở, hồ xử lý nước, hố chứa nước thải và các hệ thống không thể để sensor tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng.
• Ưu điểm: Đo không tiếp xúc, phù hợp với nhiều loại môi chất, có thể đo mức chất lỏng và vật liệu rắn.
• Nhược điểm: Độ chính xác có thể giảm khi có nhiều bọt, hơi, bụi hoặc chênh lệch nhiệt độ lớn. Không phù hợp với bồn chứa kín có áp suất.

Cảm biến đo mức nước dạng radar

Cảm biến đo mức radar sử dụng sóng điện từ để xác định mực chất lỏng mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Thiết bị phát sóng đến bề mặt chất lỏng, sau đó thu tín hiệu phản xạ và tính toán khoảng cách dựa trên thời gian truyền sóng. Nhờ đó, cảm biến có thể hoạt động ổn định trong các môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, áp suất cao, hơi nước hoặc hóa chất ăn mòn.

• Ứng dụng: Bồn hóa dầu, bồn chứa hóa chất ăn mòn, bồn nhiệt độ hoặc áp suất cao, chất lỏng nhiều bọt hoặc hơi và kênh hở ngoài trời.
• Ưu điểm: Ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, bụi, hơi nước; độ chính xác cao trong các loại sensor đo mức không tiếp xúc; phù hợp với nhiều ngành công nghiệp.
• Nhược điểm: Có thể xuất hiện tín hiệu phản xạ giả từ các bộ phận bên trong bồn như cánh khuấy, đầu nối hoặc giá đỡ nếu không được cài đặt đúng.

Cảm biến đo mức nước thủy tĩnh

Cảm biến đo mức nước thủy tĩnh xác định mực chất lỏng dựa trên áp suất do chất lỏng tạo ra. Khi mực nước thay đổi, áp suất tác động lên cảm biến cũng thay đổi và được chuyển thành tín hiệu điện, thường là 4–20 mA hoặc 1–5 VDC. Nhờ đó, thiết bị có thể đo và theo dõi liên tục mực chất lỏng trong bồn, giếng hoặc nguồn nước.

• Ứng dụng: Giếng sâu, giếng quan trắc nước ngầm, sông, hồ chứa hở, bồn công nghiệp và hệ thống cấp nước.
• Ưu điểm: Độ chính xác cao, cấu tạo đơn giản, dễ lắp đặt và vận hành; phù hợp với nước sạch hoặc ít tạp .
• Nhược điểm: Kết quả đo có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và sự thay đổi tỷ trọng của chất lỏng. Không phù hợp với chất lỏng nhớt hoặc ăn mòn nếu không có biện pháp bảo vệ phù hợp.

Cảm biến đo mức nước dạng màng

Sensor đo mức nước dạng màng hoạt động dựa trên áp suất không khí. Khi mực chất lỏng dâng lên, áp suất trong ống đo tăng và tác động lên màng, làm công tắc bên trong cảm biến bật. Khi mực chất lỏng giảm, áp suất giảm và công tắc trở về trạng thái tắt.

• Ứng dụng: Cảnh báo mức cao/thấp trong bồn chứa hóa chất, bùn và các bồn chứa trong môi trường dễ cháy nổ, nơi hạn chế sử dụng cảm biến điện.
• Ưu điểm: Không có linh kiện điện tiếp xúc với chất lỏng, phù hợp với môi chất ăn mòn hoặc dễ cháy, không cần cấp điện trong bồn chứa.
• Nhược điểm: Cần nguồn khí sạch, khô và ổn định, màng và công tắc cơ khí cần được kiểm tra, bảo dưỡng và thay thế định kỳ.

Cảm biến đo mức nước dạng từ tính

Đây là loại cảm biến được cấu tạo từ một buồng đo nối với bồn và phao từ bên trong. Khi mực chất lỏng thay đổi, phao di chuyển theo và tác động đến dãy cờ từ bên ngoài thông qua nam châm. Các cờ từ đổi vị trí, tạo thành mức hiển thị trực quan tương ứng với mực chất lỏng trong bồn.

• Ứng dụng: Lò hơi, bồn chứa nước, hóa chất, dầu và các hệ thống cần quan sát mức chất lỏng liên tục.
• Ưu điểm: Hiển thị mức trực quan, hoạt động ổn định, độ tin cậy cao; có thể kết hợp transmitter hoặc công tắc để cảnh báo và điều khiển.
• Nhược điểm: Chi phí đầu tư tương đối cao, đặc biệt khi kết hợp thêm các thiết bị truyền tín hiệu hoặc cảnh báo.

Cảm biến đo mức nước điện dung

Đây là loại cảm biến sử dụng các điện cực kim loại để phát hiện mực chất lỏng. Khi chất lỏng dâng lên và bao phủ nhiều phần của đầu dò hơn, điện dung của cảm biến thay đổi. Dựa vào sự thay đổi này, thiết bị xác định và theo dõi mực chất lỏng trong bồn chứa.

• Ứng dụng: Bồn chứa hóa chất, thực phẩm và đồ uống, dầu và chất bôi trơn, các bồn chứa cần đo liên tục mực chất lỏng.
• Ưu điểm: Không có bộ phận chuyển động, hoạt động ổn định, có loại đo không tiếp xúc qua thành bồn và phù hợp với nhiều loại chất lỏng.
• Nhược điểm: Cặn hoặc chất bám trên điện cực có thể làm sai lệch kết quả đo, cần vệ sinh hoặc hiệu chuẩn định kỳ. Không phù hợp với chất lỏng dễ tạo nhiều cặn.

Cảm biến đo mức nước dạng phao

Cảm biến đo mức nước dạng phao sử dụng một phao rỗng để phát hiện sự thay đổi của mực nước. Khi mực nước dâng hoặc hạ, phao sẽ di chuyển lên xuống và tác động vào công tắc để bật hoặc tắt. Đây là phương pháp đo mức đơn giản, tiết kiệm và hiệu quả, đặc biệt phù hợp để điều khiển máy bơm.

• Ứng dụng: Điều khiển bật/tắt máy bơm, cảnh báo mực nước cao/thấp, kiểm soát nước bổ sung cho tháp giải nhiệt và các hệ thống cần phát hiện mức đơn giản.
• Ưu điểm: Không cần nguồn điện, dùng được với nhiều loại chất lỏng, giá thành thấp, dễ lắp đặt và thay thế.
• Nhược điểm: Bộ phận chuyển động có thể bị mài mòn hoặc kẹt do cặn và chất rắn trong chất lỏng. Kích thước phao không phù hợp với bồn chứa hẹp. Không thích hợp để đo mực chất lỏng liên tục với độ chính xác cao.

Cách lựa chọn cảm biến đo mực nước phù hợp

Khi lựa chọn sản phẩm, khách hàng nên cân nhắc một số tiêu chí sau để thiết bị phù hợp với môi chất, vị trí lắp đặt và yêu cầu đo thực tế:

Dải đo

• 0–5 m (dải ngắn): Phao, quang học (chỉ đo điểm), điện dung.
• 5–50 m (dải trung bình): Cảm biến đo mức thủy tĩnh (loại chìm).
• 50–200m: Sensor đo mức nước bằng sóng siêu âm hoặc radar.
• Độ sâu bất kỳ, yêu cầu đo không tiếp xúc: Siêu âm (môi trường sạch), radar (môi trường khắc nghiệt).

Loại chất lỏng và điều kiện môi trường

• Nước sạch, ít tạp chất: Thủy tĩnh, siêu âm, phao.
• Axit ăn mòn hoặc kiềm mạnh: Radar (đo không tiếp xúc) hoặc cảm biến đo mức nước thủy tĩnh phủ PTFE.
• Chất lỏng nhớt, bùn, hồ: Radar (80 GHz, radar dẫn sóng).
• Bề mặt chất lỏng nhiều bọt hoặc nhiễu loạn: Radar 80 GHz cho hiệu quả tốt hơn siêu âm trong môi trường nhiều bọt.
• Môi chất dễ cháy/nổ: Sensor dạng màng hoặc radar đạt chuẩn an toàn nội tại.

Môi trường lắp đặt

• Kênh, sông ngòi ngoài trời: Radar hoặc siêu âm (đo không tiếp xúc, chịu được thời tiết).
• Bồn kín có áp suất: Radar hoặc cảm biến màng.
• Nhiệt độ cao (>80°C): Radar, cảm biến màng hoặc cảm biến thủy tĩnh chịu nhiệt cao.
• Khu vực nguy hiểm (yêu cầu ATEX/IECEx): Radar hoặc phao đạt chứng nhận an toàn nội tại.
• Bồn hẹp hoặc ống đứng: Cảm biến thủy tĩnh hoặc radar dẫn sóng.

Tín hiệu ngõ ra

• 4–20 mA: Phù hợp với hệ thống công nghiệp, PLC, bộ điều khiển và có khả năng truyền tín hiệu ổn định ở khoảng cách xa.
• 0–10 V: Thích hợp với các hệ thống điều khiển hoặc thiết bị nhận tín hiệu điện áp.
• RS485/Modbus: Phù hợp khi cần kết nối cảm biến với PLC, HMI, SCADA hoặc hệ thống giám sát tập trung.
• Relay/ON-OFF: Lựa chọn khi chỉ cần phát hiện mức cao, mức thấp hoặc điều khiển bơm theo ngưỡng cài đặt.

Như vậy cảm biến đo mức nước giúp theo dõi và kiểm soát mực nước chính xác trong nhiều hệ thống khác nhau. Việc lựa chọn đúng loại cảm biến sẽ giúp thiết bị hoạt động ổn định, bền bỉ và phù hợp với điều kiện thực tế. Nếu cần tư vấn lựa chọn cảm biến đo mức phù hợp, hãy liên hệ ngay với Thiết Bị Cảm Biến THP qua hotline 0967.334.383 để được hỗ trợ nhanh chóng!