Hãy thử hình dung điều này: một bơm nước công suất lớn đang vận hành trong hầm kỹ thuật của một tòa nhà văn phòng 20 tầng. Không ai biết bể chứa phía dưới đã cạn từ lúc nào. Bơm tiếp tục chạy trong môi trường không có nước và chỉ vài phút sau, cuộn dây quá nhiệt, vòng bi khô dầu, và toàn bộ tổ máy hỏng. 
Câu chuyện trên không phải giả thuyết mà nó xảy ra thường xuyên hơn người ta nghĩ, và hầu hết đều có thể phòng tránh hoàn toàn bằng một thiết bị tương đối nhỏ: cảm biến đo mức.

CẢM BIẾN ĐO MỨC LÀ GÌ?

Cảm biến đo mức là thiết bị xác định và giám sát độ cao của chất lỏng, chất rắn dạng bột hoặc bùn bên trong bồn chứa, bể kỹ thuật, silo hoặc giếng thu, sau đó chuyển đổi thông tin đó thành tín hiệu điện để phục vụ hiển thị, cảnh báo và điều khiển tự động.

Đây được xem là "giác quan" quan trọng của hệ thống điều khiển trong bất kỳ ứng dụng nào có liên quan đến chất lỏng hoặc vật liệu dạng rời. Không có cảm biến đo mức, PLC và BMS không biết bể đang đầy hay cạn, không thể ra lệnh bơm đúng lúc, không thể cảnh báo trước khi sự cố xảy ra.

Trong thực tế, cảm biến đo mức đảm nhiệm hai vai trò khác nhau tùy theo yêu cầu của hệ thống.

Đo mức liên tục cung cấp giá trị thay đổi theo thời gian thực giúp hệ thống điều khiển phản ứng theo tỷ lệ.
Báo mức điểm chỉ đơn giản phát tín hiệu bật/tắt khi mực chất lỏng đạt đến một ngưỡng định sẵn, như mức cao báo tràn hoặc mức thấp bảo vệ bơm khỏi chạy khô.
Cả hai vai trò đều quan trọng, và nhiều hệ thống sử dụng song song cả hai để vừa theo dõi liên tục vừa có lớp bảo vệ dự phòng.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN ĐO MỨC
Các cảm biến đo mức trên thị trường hiện nay được xây dựng dựa trên bốn nguyên lý vật lý hoàn toàn khác nhau, mỗi nguyên lý có ưu điểm riêng phù hợp với từng điều kiện ứng dụng.

- Nguyên lý thứ nhất: Đo khoảng cách từ trên xuống. Cảm biến được lắp cố định trên đỉnh bồn, phát năng lượng (sóng siêu âm hoặc sóng vi ba) thẳng xuống bề mặt chất lỏng. Thời gian sóng đi và về cho biết khoảng cách từ cảm biến đến mặt thoáng từ đó suy ra mực chất lỏng. Đây là nguyên lý của cảm biến siêu âm và cảm biến radar đo mức.

- Nguyên lý thứ hai: Đo áp suất thủy tĩnh. Vật lý cơ bản cho biết áp suất tại đáy một cột chất lỏng tỷ lệ thuận với chiều cao của cột đó. Nếu biết áp suất tại đáy bể, ta tính ngay được mực nước. Đây là nguyên lý của cảm biến áp suất thủy tĩnh và cảm biến dạng thả chìm.

- Nguyên lý thứ ba: Phát hiện tiếp xúc cơ học. Phao nổi theo mực nước. Khi mực thay đổi, phao dịch chuyển và kích hoạt tiếp điểm từ hoặc truyền vị trí về bộ xử lý. Phương pháp này không cần tính toán phức tạp, hoạt động hoàn toàn cơ học và rất bền trong điều kiện bình thường.

- Nguyên lý thứ tư: Đo điện dung. Khi môi chất (chất lỏng, bột, hạt) tiếp xúc với đầu dò, hằng số điện môi của môi trường xung quanh đầu dò thay đổi và điện dung đo được thay đổi theo. Nguyên lý này hoạt động tốt với cả chất lỏng lẫn vật liệu rắn dạng rời, ngay cả khi vật liệu không dẫn điện.

- Tín hiệu đầu ra của tất cả các loại cảm biến đo mức đều được chuẩn hóa theo các giao thức phổ biến: 4-20 mA và 0-10 V cho tín hiệu analog liên tục, RS485/Modbus RTU cho giao tiếp số, hoặc tín hiệu đóng/ngắt relay cho chức năng báo mức điểm, đảm bảo tích hợp dễ dàng với PLC, BMS và SCADA bất kể nhà sản xuất.

PHÂN LOẠI CẢM BIẾN ĐO MỨC
Toàn bộ danh mục cảm biến đo mức trên thị trường hiện nay được chia thành hai nhóm theo cách thức tiếp xúc với môi chất: đo không tiếp xúc và đo tiếp xúc trực tiếp. Từng loại quyết định trực tiếp đến tuổi thọ thiết bị, chi phí bảo trì và phạm vi ứng dụng phù hợp.

CẢM BIẾN ĐO MỨC KHÔNG TIẾP XÚC
Đây là loại cảm biến đo từ xa, không bao giờ chạm vào môi chất. Ưu điểm cốt lõi của nhóm này là cảm biến không bao giờ tiếp xúc với chất lỏng hay vật liệu cần đo, hạn chế bị ăn mòn, bám cặn hay hỏng do tác động hóa học. Đây là lý do nhóm này được ưu tiên trong các môi trường ăn mòn, nhiệt độ cao, hóa chất độc hại hoặc yêu cầu vệ sinh nghiêm ngặt như trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm.

Cảm biến siêu âm đo mức

Cảm biến siêu âm đo mức là lựa chọn phổ biến và có mức giá hợp lý nhất trong nhóm không tiếp xúc. Thiết bị phát xung âm thanh tần số cao (thường 40-200 kHz) xuống bề mặt chất lỏng và đo thời gian sóng phản hồi. Điểm hạn chế cần lưu ý: tốc độ âm thanh thay đổi theo nhiệt độ và độ ẩm không khí, nên cảm biến siêu âm cần hiệu chỉnh hoặc có bù nhiệt độ nếu lắp trong môi trường biến động lớn. Hơi nước dày đặc hay bọt trên bề mặt chất lỏng cũng có thể gây tán xạ sóng và làm giảm độ chính xác.

Cảm biến radar

Cảm biến radar đo mức sử dụng sóng vi ba thay vì sóng âm. Điều này giải quyết triệt để các hạn chế của siêu âm: sóng vi ba không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, áp suất, hơi nước hay bụi, cho phép đo ổn định ngay trong điều kiện khắc nghiệt nhất. Đây là lý do cảm biến radar đo mức được đánh giá là công nghệ đo không tiếp xúc chính xác và bền vững nhất hiện nay, dù chi phí đầu tư ban đầu cao hơn siêu âm. Với các ứng dụng quan trọng hoặc môi trường phức tạp, khoản chênh lệch chi phí này thường được bù lại hoàn toàn bởi chi phí bảo trì thấp hơn và độ tin cậy vận hành cao hơn.

CẢM BIẾN ĐO MỨC TIẾP XÚC

Khi môi trường đo không có yếu tố ăn mòn mạnh hay yêu cầu vệ sinh đặc biệt, các cảm biến tiếp xúc trực tiếp thường là lựa chọn kinh tế và hiệu quả hơn.

Cảm biến phao từ

Đây là công nghệ lâu đời nhất và vẫn được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay. Phao trượt theo thân cảm biến dạng ống thẳng đứng, di chuyển lên xuống theo mực nước. Từ trường từ nam châm bên trong phao kích hoạt các tiếp điểm reed switch dọc theo thân ống, cho biết chính xác mực nước tại từng điểm. Dòng này đặc biệt phù hợp cho ứng dụng báo mức điểm hoặc đo mức với dải đo lớn trong bể nước sạch, bể nước lạnh và hệ thống cấp nước.

Cảm biến đo mức thủy tĩnh

Cảm biến hoạt động theo một trong những nguyên lý đơn giản và chắc chắn nhất trong kỹ thuật đo lường: áp suất tỷ lệ với chiều cao cột chất lỏng. Cảm biến được lắp tại vị trí cố định trong bể, thường là thành bên hoặc đáy và đo liên tục áp suất tĩnh tại điểm đó. Mực nước thay đổi một centimet sẽ thay đổi áp suất một lượng tương ứng có thể đo được. Đây là công nghệ phù hợp cho bể kín, bể có áp hoặc bất kỳ ứng dụng nào không tiếp cận được từ phía trên.

Cảm biến đo mức dạng thả chìm

Cảm biến đo mức dạng thả chìm là một dạng của cảm biến thủy tĩnh, được thiết kế để thả xuống đáy bể hoặc giếng qua một dây cáp. Đầu cảm biến nằm ở đáy, đo áp suất cột nước phía trên và truyền tín hiệu lên qua cáp. Đây là giải pháp lý tưởng cho các giếng thu, bể ngầm sâu hoặc hố ga nơi không thể lắp cảm biến cố định trên thành bể. Dải đo có thể lên đến hàng chục mét tùy model, và vì không có bộ phận chuyển động nào, độ bền cơ học rất cao.

Cảm biến điện dung đo mức

Thay vì đo áp suất hay khoảng cách, cảm biến đo sự thay đổi điện dung khi môi chất tiếp xúc với đầu dò kim loại. Điểm mạnh đặc trưng của dòng này là khả năng làm việc với cả chất lỏng lẫn vật liệu rắn dạng bột hoặc hạt, ứng dụng mà hầu hết các công nghệ khác đều gặp khó khăn. Cảm biến điện dung cũng không phụ thuộc vào màu sắc, độ đục hay tính dẫn điện của môi chất, mở rộng phạm vi sử dụng đáng kể.

ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA CẢM BIẾN ĐO MỨC

Trong hệ thống HVAC, cảm biến đo mức xuất hiện ở hầu hết các điểm tiếp xúc giữa hệ thống và nước: bể nước lạnh của chiller, bể nước nóng của hệ thống sưởi, bể ngưng tụ trong AHU và FCU, tháp giải nhiệt. 

Trong hệ thống xử lý nước và thoát nước, vai trò của cảm biến đo mức còn quan trọng hơn. Bể lắng, giếng thu, bể điều hòa và các hố ga trong hệ thống thoát nước đô thị đều phụ thuộc vào cảm biến đo mức để kích hoạt bơm đúng thời điểm. Thiếu dữ liệu mức chính xác, hệ thống bơm hoặc chạy lãng phí điện năng, hoặc tệ hơn là bể tràn gây ô nhiễm và hư hỏng hạ tầng xung quanh.

Trong công nghiệp sản xuất, bài toán đo mức phức tạp hơn nhiều vì môi chất đa dạng hơn: dầu thủy lực, hóa chất ăn mòn, bột nhựa, hạt ngũ cốc, dung môi, nhiên liệu. Mỗi loại môi chất lại đặt ra yêu cầu khác nhau về vật liệu đầu dò, công nghệ đo và cấp bảo vệ IP. 

Tất cả dữ liệu đo mức trong công nghiệp đều được đưa về PLC, BMS hoặc SCADA để hiển thị, ghi log, cảnh báo vượt ngưỡng và điều khiển tự động tạo thành vòng lặp điều khiển khép kín giúp hệ thống vận hành liên tục mà không cần can thiệp thủ công thường xuyên.

HƯỚNG DẪN LỰA CHỌN CẢM BIẾN ĐO MỨC

Trước khi quyết định, ba câu hỏi dưới đây thường đủ để thu hẹp lựa chọn xuống còn một hoặc hai công nghệ phù hợp:

• Thứ nhất, môi chất là gì?

Nước sạch, hóa chất ăn mòn, chất lỏng nhớt, bột hay hạt, mỗi loại có yêu cầu riêng về vật liệu tiếp xúc và nguyên lý đo. Chất lỏng ăn mòn mạnh thường dẫn đến nhóm không tiếp xúc; vật liệu rắn dạng rời thường phù hợp với điện dung hoặc radar.

• Thứ hai, điều kiện môi trường như thế nào?

Hơi nước dày đặc, nhiệt độ cao, bụi nhiều hay áp suất thay đổi đều ảnh hưởng đến lựa chọn công nghệ. Đây là điều kiện mà cảm biến radar thể hiện ưu thế rõ rệt nhất so với siêu âm và các loại tiếp xúc.

• Thứ ba, cần đo liên tục hay chỉ cần báo điểm?

Nếu hệ thống chỉ cần biết bể đầy hay cạn để kích bơm, cảm biến phao từ hoặc công tắc mức là đủ và tiết kiệm chi phí hơn nhiều. Nếu cần giá trị mức chính xác theo thời gian thực để điều khiển tỷ lệ, cần cảm biến cho tín hiệu analog liên tục.

GIẢI PHÁP CẢM BIẾN ĐO MỨC Ở SENSOR VIỆT NAM

Sensors Việt Nam cung cấp đầy đủ các dòng cảm biến đo mức đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật cho hệ thống HVAC, BMS và tự động hóa công nghiệp. Sản phẩm chính hãng từ các thương hiệu hàng đầu thế giới, đầy đủ CO/CQ và bảo hành uy tín. Đội ngũ kỹ thuật nhiều kinh nghiệm sẵn sàng hỗ trợ lựa chọn thiết bị phù hợp với điều kiện lắp đặt và yêu cầu cụ thể của từng dự án.
Liên hệ Sensors Việt Nam ngay hôm nay để được tư vấn sớm nhất.