Cảm biến phát hiện và đo mức chất lỏng, chất rắn

1. Giới thiệu chung
Cảm biến đo mức, gồm loại đo mức liên tục cung cấp tín hiệu đo lường đầu ra trong phạm vi toàn dải đo và loại phát hiện mức theo từng điểm đo như mức cao/thấp/trung bình, căn cứ trực tiếp vào một trong các đặc điểm vật lý của vật liệu đo. Ví dụ, cảm biến đo mức dạng phao và cảm biến đo mức chênh áp sử dụng tỷ trọng chất lỏng, cảm biến đo mức điện dung sử dụng hằng số điện môi chất lỏng. Ngoài ra, các chất rắn thể hiện một số đặc điểm mà các chất lỏng không có, bao gồm hình dạng, mật độ bề ngoài, góc nghỉ và hàm lượng nước. Chúng được ứng dụng trong các cảm biến đo sử dụng trong điều kiện môi trường thay đổi, có tác động xấu đến hoạt động đo.

Theo ứng dụng, cảm biến đo mức được chia thành hai nhóm, cảm biến đo mức chất lỏng và cảm biến đo mức chất rắn. Dưới đây là các đặc điểm cơ bản của hai nhóm cảm biến này và một số khuyến nghị khi chọn sử dụng cảm biến đo mức dựa vào đặc điểm của từng nhóm.

Hình 1. Các loại cảm biến đo mức chất lỏng của hãng FineTek

2. Cảm biến đo mức chất lỏng

Các loại mức mà cảm biến mức đo được bao gồm: bề mặt giữa không khí và chất lỏng - đây là dạng thông dụng phổ biến nhất; bề mặt giữa hai lớp chất lỏng như nước và dầu; bề mặt giữa chất lỏng và chất rắn giống như đáy bình và chất lỏng, chất lỏng và bùn. Một số loại cảm biến đo mức chất lỏng của hãng FineTek được trình bày như hình 1.

Trong đó: FC/FD, FG, FF, FA/FB là cảm biến đo mức dạng phao; SP, SF, SE là cảm biến phát hiện dòng chảy; SD là cảm biến phát hiện mức kiểu quang học; SA là cảm biến đo mức điện dung; EB, SB là cảm biến đo mức điện dung kết hợp sóng radio; EC là cảm biến đo mức chênh áp; LR là chỉ thị đo; SC là cảm biến kiểu thanh rung; EG là cảm biến đo mức kiểu từ giảo; EF, MEF là cảm biến đo mức trích nhánh; EA là cảm biến đo mức siêu âm; JFR là cảm biến đo mức radar; PB/PM là bộ xử lý hiển thị kết quả đo dạng đồ họa.

Các loại chất lỏng có thể đo được rất đa dạng. Chúng có thể là chất lỏng đơn thành phần hoặc hỗn hợp nhiều thành phần với tỷ trọng, độ nhớt, hằng số điện môi khác nhau. Các trạng thái khác của chất lỏng, gồm độ nhớt cao, độ bám dính, có bọt trên bề mặt, có bùn hay dễ bị kết tủa cũng rất quan trọng trong việc lựa chọn bộ cảm biến đo mức.

Trạng thái hoặc tính chất của chất lỏng trong bồn bể như các phản ứng, áp suất hay nhiệt độ của nó, đều tác động đến độ chính xác kết quả đo và do đó nó là các thông số rất quan trọng. Mối quan hệ giữa vận tốc và sự thay đổi mức do sự điền đầy hoặc kiểu dòng chảy của chất lỏng, tốc độ đáp ứng của cảm biến, hay các hiện tượng bọt trong chất lỏng do quá trình khuấy trộn, sục khí, sủi bọt, dao động cũng cần được xem xét một cách kỹ lưỡng, trong việc chọn cảm biến đo.

Độ chính xác kết quả đo là yếu tố rất quan trọng, nó cũng liên quan chặt chẽ đến vị trí và phương pháp lắp đặt cảm biến, nên cảm biến cần phải được chọn một cách hết sức cẩn thận. Các cảm biến không nên lắp đặt gần dòng chảy vào/ra. Trong một số trường hợp cần bổ sung đường ống dẫn dòng chảy tránh xa khu vực lắp đặt cảm biến đo mức.

Cảm biến đo mức dựa vào trọng lượng riêng Cảm biến đo mức dạng phao và cảm biến đo mức chênh áp xác định thông số đo dựa vào trọng lượng riêng của chất lỏng. Sự thay đổi trọng lượng riêng gây ra sai số phép đo, điều này luôn được kiểm soát trong quá trình đo hoặc trong các ứng dụng điều khiển. Do vậy, trọng lượng riêng hầu như không thay đổi trong các ứng dụng đo, và cảm biến đo mức sẽ làm việc tốt trong hầu hết các điều kiện đo. Tuy nhiên cần lưu ý rằng, sai số đo có thể xảy ra khi thay đổi điều kiện/môi trường hoạt động, như khi khởi động/chạy thử quá trình/dây chuyền sản xuất.

Cảm biến đo mức dựa vào hằng số điện môi: Cảm biến đo mức kiểu điện dung sử dụng hằng số điện môi để tính toán mức chất lỏng cần đo. Hằng số điện môi của chất lỏng nói chung rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ và hằng số điện môi giảm khi nhiệt độ tăng. Ví dụ hằng số điện môi của nước là 88 tại 0oC, 80 tại 20oC và 48 tại 100oC. Do đó, điều kiện nhiệt độ phải được cân nhắc kỹ lưỡng khi sử dụng cảm biến đo mức kiểu điện dụng. Hơn nữa, sự thay đổi nhiệt độ không phải là thách thức duy nhất. Nhiều người sử dụng cảm biến đo mức kiểu điện dung giả định sự thay đổi nhiệt độ là nhỏ, sau khi điều kiện quá trình được xác định và bỏ qua các điều kiện yêu cầu khác. Ngược lại, trong nhiều ứng dụng thực tế, ngay cả khi sự thay đổi nhiệt độ là nhỏ, người sử dụng cần phải có sự lưu tâm đặc biệt khi mà chất lỏng đo có hằng số điện môi nhỏ hoặc có độ bám dính, hoặc đòi hỏi độ chính xác đo lường cao.

3. Cảm biến đo mức chất rắn

Những đặc điểm bề mặt mức chất rắn hoàn toàn khác hẳn với chất lỏng, một số có thể chưa được giải thích thỏa đáng. Có thể nói rằng các cảm biến đo mức chất rắn đã được phát triển dựa theo thực nghiệm cho đến ngày nay. Một số đặc điểm của cảm biến đo mức chất rắn được thể hiện thông qua các thông số đặc trưng sau:

Góc nghỉ (angle repose): Khi vật liệu rắn được đổ lên một bề mặt ngang, một đống hình nón sẽ hình thành. Góc nội bộ giữa bề mặt hình nón và bề mặt ngang được gọi là góc nghỉ. Góc nghỉ thay đổi theo lượng nước, kích thước và hình dạng của các hạt, và có xu hướng tăng khi lượng nước tăng lên và khi đường kính hạt giảm.

Áp lực chất rắn (solid pressure): Trong khi áp lực chất lỏng được tác dụng như nhau theo các hướng, thì áp lực chất rắn chỉ hoạt động mạnh nhất theo hướng lực tác dụng, và giảm mạnh theo các hướng khác, và yếu nhất ở hướng mặt cắt 90o so với hướng ban đầu. Khi áp lực vượt quá một giới hạn nhất định, các hạt bắt đầu trượt. Áp lực tác dụng lên đáy bồn trở nên lớn nhất khi mức chất rắn trong bồn gấp 3-5 lần đường kính bên trong bồn. Tuy nhiên, ở mức thấp hơn, hầu hết trọng lực tác động sang bên thành bồn và các lực đi xuống không tăng.

Cầu nối (bridge): Cầu nối là một trong những đặc điểm của vật liệu rắn mà có thể gây ra trở ngại khi đo mức chất rắn. Các vật liệu rắn thường được trút xuống bởi lực hấp dẫn. Ngay cả những chất rắn có tính lưu động cao có thể tụ hợp tại đáy bồn hình phễu và dừng trút xuống nếu đầu ra nhỏ. Chất rắn dính có xu hướng trút xuống chỉ ở phần đầu ra, và phần còn lại của vật liệu nằm ở trong bồn. Hiện tượng này được gọi là “cầu nối - bridge”. Thường thì chất rắn với đường kính hạt rắn lớn hơn 1 mm không gây ra hiện tượng “cầu nối”, nếu đường kính phễu đầu ra lớn hơn ít nhất 6 lần kích thước hạt chất rắn.

Hình 2 dưới đây trình bày một số loại cảm biến đo mức chất rắn của hãng FineTek.

Trong đó: BAS/BAH/BVP - air hammer; BVK/BVR/BVT - pneumatic vibration.

Hình 3. Ứng dụng chọn dùng cảm biến phát hiện mức chất lỏng, chất rắn

4. Một số khuyến nghị khi chọn dùng cảm biến đo mức

Cảm biến đo mức được sử dụng trong một rất nhiều các ứng dụng dân dụng và công nghiệp. Mục đích của phép đo có thể là phát hiện sự điền đầy hoặc lượng liệu trút khỏi bồn trong các giao dịch kinh doanh, quá trình giám sát, điều khiển, hoặc quản lý hàng tồn kho. Lựa chọn bộ cảm biến phù hợp nhất cho loại vật liệu đo và đáp ứng được mục đích đo là yêu cầu quan trọng.

Khả năng xử lý tín hiệu là một trong những tính năng mà người dùng nên quan tâm để nhận được thông tin cần thiết từ các cảm biến. Các cảm biến có thể:
- Chỉ có màn hình hiển thị tại hiện trường;
- Đi kèm cùng một bộ chuyển đổi/truyền tín hiệu;
- Có khả năng tính toán và xử lý các tín hiệu đầu ra, và chuyển đổi chúng sang dạng tín hiệu thích hợp cho phép ghi/lưu dữ liệu, cảnh báo, điều khiển.

Lựa chọn cảm biến phù hợp nhất với mục đích đo lường là rất quan trọng. Trước khi lựa chọn cảm biến đo, người sử dụng cần phải xem xét vật liệu cần đo, tại sao nó cần được đo, các thông tin cần thiết là gì, và các thông tin thu được sẽ được xử lý và sử dụng như thế nào.

Dưới đây là một số khuyến nghị điển hình trong việc lựa chọn một bộ cảm biến đo mức.
Vật liệu cần đo: Các yếu tố quan trọng liên quan đến vật liệu cần đo bao gồm: loại vật liệu cần đo, đặc điểm của nó dưới điều kiện làm việc như nhiệt độ, áp suất, mật độ, độ nhớt và hằng số điện môi. Đối với chất rắn, tỷ trọng riêng, độ ẩm, kích thước hạt và góc nghỉ nên được xem xét. Ngoài ra, độ ăn mòn, mài mòn, tính dễ cháy và gây nổ và mức độ của nó cũng cần được làm rõ. Các trạng thái của vật liệu đo trong bồn là một yếu tố khác cho việc lựa chọn cảm biến thành công. Các thông tin như mức là bão hòa hay thay đổi chậm, dòng chảy hỗn loạn hoặc chảy xoáy do khuấy trộn hoặc đun sôi cần phải được kiểm tra. Kết cấu và vật liệu chế tạo bồn cũng rất quan trọng. Nếu yêu cầu dịch vụ bảo trì hoặc thay thế cảm biến cho các bồn trong điều kiện vận hành thì việc kiểm tra tính sẵn sàng lắp đặt là rất cần thiết.

Các thông tin cần thu được: Loại cảm biến, các chức năng cần thiết và độ chính xác mức đo là các thông tin cần thu được để chọn cảm biến phù hợp cho các ứng dụng. Có hai loại cảm biến mức, cảm biến mức phát hiện từng điểm và cảm biến đo mức liên tục. Loại cảm biến phát hiện sử dụng để cảnh báo hoặc chuyển mạch điều khiển tại các mức xác định, còn loại đo mức liên tục dùng để đo mức điền đầy bồn, đo lượng thoát ra khỏi bồn, xác định mức hiện tại hoặc trong các ứng dụng điều khiển quá trình. Chi tiết các thông tin cần thu được khi chọn sử dụng cảm biến đo mức dưới đây phải quan tâm đến, đó là:

- Loại ứng dụng như đo mức chất lỏng/rắn, bề mặt đo của chất lỏng hay bề mặt chất lỏng và chất rắn; 
- Dữ liệu đo cần giám sát/theo dõi liên tục sử dụng một bộ điều khiển và một bộ cảm biến, hay là theo chu kỳ hoặc không liên tục sử dụng một bộ điều khiển và nhiều cảm biến;
- Yêu cầu về độ chính xác đo lường như thế nào.

Cách sử dụng các thông tin thu được: Giá trị đo có thể được sử dụng chỉ đơn giản như một giá trị mức (chiều cao), hoặc chuyển đổi thành thể tích, khối lượng hoặc thông tin khác. Nếu chuyển đổi là cần thiết, kiểm tra nó nên được thực hiện như thế nào. Ngoài ra, kiểm tra giá trị đo được hiển thị như thế nào, có nghĩa là, nếu nó phải được ghi lại, hoặc/và hiển thị đồ họa, hay/và được sử dụng cho mục đích điều khiển quá trìn hay điều khiển chuyển mạch, và/hoặc có yêu cầu truyền dữ liệu kỹ thuật số hay tương tự, cũng cần được cân nhắc đến. (hình 3)

Mối quan hệ giữa vật liệu cần đo và cảm biến đo: Vị trí và phương pháp lắp đặt cảm biến là những yếu tố quan trọng tác động đến độ chính xác, lỗi xuất hiện, hỏng hóc và bảo trì cảm biến đo. Các điều kiện của vị trí lắp đặt như nhiệt độ, nếu cảm biến lắp đặt tiếp xúc với ánh sáng mặt trời trực tiếp, độ rung lắc hoặc chất ăn mòn, và số vị trí lắp đặt cũng cần được kiểm tra, xem xét cẩn thận. Đối với các ứng dụng trong ngành thực phẩm và đồ uống, cảm biến phải là loại đảm bảo vệ sinh, dễ làm sạch và không tích tụ bám bẩn vào thiết bị đo.

Sử dụng trong khu vực nguy hiểm: Cảm biến chống cháy hoặc cảm biến an toàn thường được sử dụng trong khu vực nguy hiểm. Khu vực nguy hiểm được phận loại theo tiêu chuẩn “zone”. Trong khu vực “zone” 0, cảm biến chống cháy nổ phải được sử dụng. Trong khu vực “zone” 1 và “zone” 2, cảm biến đảm bảo an toàn hoặc cảm biến chống cháy nổ được yêu cầu sử dụng. Kiểm tra các loại chứng chỉ cấp phép phù hợp theo tiêu chuẩn “zone” là rất cần thiết đối với các ứng dụng này trước khi chọn một bộ cảm biến.

Hình 3, hình 4 trình bày tổng quát các loại/kiểu cảm biến phát hiện và đo liên tục mức chất lỏng/chất rắn, một số ứng dụng trong dân dụng/công nghiệp và cách chọn cảm biến đo mức phù hợp cho ứng dụng dựa trên thiết bị đo mức của hãng NOHKEN Japan.

Hình 4. Ứng dụng chọn dùng cảm biến đo liên tục mức chất lỏng, chất rắn

5. Kết luận

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến đo mức của nhiều hãng khác nhau. Tuy nhiên chúng đều được chế tạo theo nguyên lý, vật liệu xác định và cho mục đích/ứng dụng đo cụ thể. Hiểu và nắm bắt được nguyên tắc chung trong việc chọn lựa cảm biến đo mức không chỉ mang lại hiệu quả kỹ thuật thiết kế thi công dự án mà còn mang đến lợi ích kinh tế to lớn cho doanh nghiệp. Cảm biến đo mức chất lỏng, chất rắn ngày nay thường tích hợp (hoặc tùy chọn) bộ truyền tín hiệu đo, cho phép kết nối với hệ thống giám sát, thu thập số liệu, cũng như hệ thống điều khiển quá trình. Ngoài ra cũng cần lưu ý khảo sát các thông tin tối thiểu cho việc đặt hàng cảm biến đo với nhà sản xuất, gồm: model, housing, connection, range, analog output 1; có thể thêm các tùy chọn là đầu ra 2, vật liệu thanh/que đo, kích thước/vật liệu phao (nếu có).

TRỊNH LƯƠNG MIÊN
Email: mientl@utc.edu.vn | Đại học Giao thông Vận tải

Số 183 (5/2016)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay