Nguyên lý + Cấu tạo và ứng dụng của cảm biến điện dung là gì

Cảm biến điện dung đo mức nước

Trong những phương pháp theo dõi và giảm sát mức chất lỏng thì sensor diện dung được xếp trong tốp những thiết bị có nền tảng vững chắc; đóng vai trò là con cảm biến có que đo tiếp xúc thẳng trực tiếp vào bồn nước để cảm nhận lượng chất lỏng dâng lên; hạ xuống theo từng nhịp bơm bằng dung kháng của nó

Tìm hiểu về cảm biến điện dung đo mức nước có nghĩa là đi sâu vào sự bất biến đa dạng của dòng thiết bị đo vi diêu này. Nó thể hiện được sự đa chức năng trong việc xuất rơle đóng ngắt bơm; van hoặc đóng vai trò như một loại sensor đo mức liên tục với vị thế dòng ra tương ứng là các analog dòng hay điện áp còn phụ thuộc vào phương thức giám sát trên thiết bị lập trình plc của người dùng

Vậy câu hỏi đặt ra:

Cảm biến điện dung là gì ? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến đo mức bằng điện dung ra sao ? Đối với môi trường nước nhiệt độ cao thì nó có ảnh hưởng đến sự phán đoán chính xác; hoặc tuổi thọ của loại thiết bị đo này hay không ?

Cảm biến điện dung là gì

Cảm biến điện dung là một loại sensor đo mức bằng phương pháp cảm nhận lượng chất lỏng như nước; axit, hoá chất, xăng dầu khi chạm vào nó tạo nên sự thay đổi điện dung bằng cách tạo ra một tín hiệu analog liên tục hoặc tín hiệu điều khiển motor trực tiếp thông qua một rơle trung gian bất kỳ

Ngoài ra; cảm biến điện dung còn có tên tiếng anh là Capacitive level meters. Chúng được dùng để đo mức chất lỏng trong những bồn hoặc bể chứa với độ chính xác cực kỳ cao

Ví dụ:

Để đo được mức nước trong một bồn chứa cao 2m thì người ta sẽ lắp đặt cắm trực tiếp que sensor điện dung tiếp xúc trực tiếp trong bồn.

Sau đó; họ cài đặt điểm min và điểm max của bồn nước tương ứng với sự tuyến tính đầu ra 4-20ma mà con dung cảm nhận được

Lúc này sự biến thiên của nước trong bồn sẽ tạo nên sự thay đổi của dung kháng trên cọc dò cảm biến. Và từ đó cho ra được tín hiệu mA tương ứng với mực nước dâng lên hoặc hạ xuống

Ứng dụng của cảm biến điện dung

Có thể anh em chưa biết ! Hiện nay; môi trường đa dạng chất lỏng bảo nhiêu thì sự phổ biến của nhiều loại que thiết bị đo này bấy nhiêu. Do đó; dù là bất cứ bản chất của loại chất lỏng nào nó đều có sự thích nghi chung với sensor trong quá trình vận hành

Quan trọng là chúng ta phải tìm đúng vị trí lắp đặt cho sensor điện dung. Bởi độ chính xác của loại cảm biến này nó còn phụ thuộc rất nhiều vào từng khoảng cách lắp; nhiệt độ dung chất; và phương trình tính toán của nhà sản xuất cho việc gắn các thiết bị đo vào bồn

Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến; mà sensor điện dung mang lại cho các hệ thống sản xuất phổ biến trên toàn diện nhà máy tại Việt Nam hiện nay !

Đo mức nước liên tục 4-20ma

Với yêu cầu chất lỏng mà cần que đo tiếp xúc trực tiếp thì chả loại nào thay thế bằng cảm biến đo mức điện dung. Đây là một phương pháp đo liên tục mức nước dành cho mọi thể loại chất lỏng như nước muối, nước ngọt; xăng dầu, nhớt…..

Việc ứng dụng cảm biến đo mức bằng điện dung thể hiện bằng kết cấu lắp đặt một cọc dò duy nhất hoặc tối đa ba que. Nếu mà đo mức 3 que thì nó nằm trong nhóm xuất tiếp điểm điều khiển bơm; nên sẽ được đề cập ở phần dưới

Ở mục này; chúng ta chỉ cần tìm hiểu sau về việc đo mức nước liên tục được ứng dụng bởi que đo điện dung. Có nghĩa là sự liên tục dâng lên hạ xuống của chất lỏng sẽ có liên đới trực tiếp với dòng analog mà nhà máy yêu cầu

Ví dụ đo mức nước ngọt bằng phương pháp điện dung với yêu cầu đầu ra tuyến tính liên tục 0-10V !

Điều này đồng nghĩa với việc chủ đầu tư yêu cầu loại cảm biến điện dung đo mức nước 0-10V.

Dùng làm công tắc báo đầy báo cạn nước, dầu

Một loại điều khiển mực nước theo bơm hoặc motor thì giải pháp tốt nhất vẫn là phương pháp điều khiển bằng điên dung. Cho nên; loại sensor này góp phần rất quan trọng như một công tắc mực nước tại ra một tiếp điểm hoàn chỉnh với tốc độ nhanh và chính xác

Điểm hay của loại công tắc mực nước này là khoảng cách. Có nghĩa như này !

Chúng ta có thể lắp đặt cảm biến điện dung trong ứng dụng báo mức chất lỏng tại các vị thế nằm ngang; hoặc bổ dọc từ trên xuống

Ví dụ:

Yêu cầu nhà máy cần báo 2 mức trong một bồn chứa muối hột hoặc cát đá chẳng hạn. Khi muối cách đấy bồn 200mm thì cảm biến điều khiển motor bơm lượng muối vào; Khi muối cách đỉnh bồn 100mm thì sensor phải kích tiếp điểm tắt motor ngưng bơm muối

Với trường hợp này; chúng ta sẽ chọn loại công tắc báo mức ngắn tầm 150mm gắn nganh ở 2 vị trì bồn đã ấn định theo yêu cầu hệ thống; sau đó đấu về relay và motor là xong

Ví dụ ứng dụng báo cạn mức dầu bằng điện dung thì lại khác ! Bồn dầu cao 1500mm mà khách họ cần dầu cạn tới 300mm cách đáy là phải báo bơm dầu vào

Do bản chất dầu khách họ sợ rò rỉ ra bên ngoài nên yêu cầu hệ thống cần một cọc dò điện dung gắn dọc !

Yêu cầu trên ta chỉ cần chọn que đo mức dài 1200mm tương ứng 1,2 mét gắn dọc bồn từ trên xuống là được

Chịu nhiệt cao trong lò hơi

Không phải loại cảm biến nào cũng chịu được nhiệt độ cao trong các môi trường đo mức nước. Thế nhưng cảm biến điện dung lại đo đạc rất tốt khi gặp phải những trường hợp này

Một số ứng dụng cần sensor điện dung giám sát trong quá trình đó mức nhiệt độ cao; hoặc nhiệt độ âm như khí nito lỏng; khí LPG lỏng, nước cấp lò hơi; nước nóng cấp cho quá trình gia nhiệt chế tạo thiết bị ….Với nhiệt độ dao động 100oC, 150 oc, 180 oc, 200oC thậm chí là 300-400 oC

Ví dụ trong một lò hơi bồn chứa nước nóng cao khoảng 500mm; nhiệt độ nước tối đa 170 oC. Người ta cần giám sát mức nước nóng trong bồn đó để tránh cạn nước trong lò thì như thế nào ?

Trong danh sách các loại cảm biến thì việc sử dụng cảm biến điện dung đo mức nước lò hơi với options chịu nhiệt độ 170 oC là điều quá dễ dàng. Ta chỉ cần chọn que điện cực đo mức dài tầm 450mm

Cảm biến điện dung chịu nhiệt cao có nghĩa là dù bản chất nước nóng hay nước lạnh cũng không ảnh hưởng đến quá trình giám sát đo mức và tuổi thọ của loại thiết bị này

Mà điểm mấu chốt nữa với nhiệt cao bồn kìn thì chắc chắn100% áp suất chất lỏng trong bồn rất lớn; cho nên chỉ que đo mức điện dung bằng inox mới có khả năng đo tốt trong trường hợp này

Đo mức axit – hoá chất hcl, h2so4

Anh em biết rồi đấy ! Axit hay hoá chất chúng nó đều rất kỵ các loại thép; inox 304, inox316 thế nên chả ai dùng mấy cái loại cảm biến thiết kế inox để đo trực tiếp mức các loại dung dịch ăn mòn này

Bản thân các loại cảm biến đo mức bằng điện dung mặc dù cơ cấu thiết kế đa phần là các thanh điện cực inox316; nhưng bọc những thanh inox đo mức trên là một lớp nhựa chịu nhiệt độ cao; chịu áp suất lớn đặc biệt là khả năng chống chịu tốt trong môi trường có độ ăn mòn khắc nghiệt

Ví dụ bồn chứa axit h2so4 đậm đặc 84% cao 2 mét; đường kính bồn tròn 1200mm. Người ta cần giám sát lượng axit trong bồn còn bao nhiêu lít ?

Lúc này chỉ cần chọn que đo mức điện dung chiều dài tầm 1950mm loại inox316 bọc nhựa trên thanh điện cực để cắm vào đo là ok

Đo chất lỏng không tiếp xúc

Với những chất lỏng mà người dùng cần đo mức nhưng không muốn tiếp xúc trực tiếp với cảm biến điện dung là điều có thể. Thông thường các loại chất lỏng này được chứa trong các bể thuỷ tinh trong; bồn nhựa trong với độ dày từ 3mm đến 8mm

Nhiệm vụ của cảm biến đo mức điện dung nhưng lại không tiếp xúc trực tiếp đấy là lắp phía ngoài thành bồn; bể để cảm nhận lượng chất lỏng gần tràn hoặc gần cạn. Sau đó; xuất luôn tiếp điểm để điều khiển các bơm motor để khống chế mức nước trong bồn

Yêu cầu với dòng điện dung không tiếp xúc là thiết kế bồn chứa chất lỏng phải màu trong; độ dày bồn chỉ tối đa 8mm thì cảm biến điện dung mới đo được độ chính xác cao

Cấu tạo cảm biến đo mức nước điện dung 4-20ma

Bất kỳ một con sensor điện dung đo mức nào nó cũng được hình thành lên từ 6 bộ phận:

• Cọc dò mực nước dạng que inox hoặc que bọc nhựa chịu nhiệt độ cao
• Mạch điện thu phát của cảm biến
• Dây cáp truyền tín hiệu đầu ra
• Phần lớp nhựa cách điện màu trắng
• Khớp nối lắp đặt
• Ốc vặn cờ lê

Trong đó:

Cọc dò mực nước chính là nơi tiếp xúc trực tiếp để đo lượng chất lỏng trong bồn; loại que này có chiều dài tuỳ ý theo yêu cầu của từng hệ thống sản xuất; que điện dung có thể được thiết kế inox hoặc nhựa tuỳ vào từng môi trường đo ăn mòn hay không

Mạch điện thu phát là nơi chứa boar tạo nguồn cấp vào cho thiết bị đo; nơi nhận tín hiệu từ que đo mức truyền về. Sau đó; biến đổi khoảng cách mức nước thành tín hiệu đầu ra analog hoặc tiếp điểm điều khiển.

Phần thu phát cảm biến điện dung được thiết kế một lớp thép không rỉ làm vỏ bọc bảo vệ sự xâm nhập của bụi bẩn; hơi nước và sự va đập do tác động bên ngoài

Dây cáp truyền tín hiệu được thiết kế 4 dây bao gồm dây đấu cấp nguồn; dây tín hiệu analog hoặc pnp, npn. Loại cáp này có bọc một lớp nhựa cách điện bảo vệ với chiều dài tuỳ theo thiết kế lắp đặt của nhà máy

Lớp nhựa gần ren nhằm tạo khoảng cách cọc dò với phần ren để tránh chúng báo mức ảo. Khớp nối cảm biến điện dung có thể thiết kế clamp, ren G1/2, G1, G3/4….. theo chuẩn hệ inch

Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung là gì

Hoàn toàn không giống các phương pháp đo mức chất lỏng khác. Riêng đo mức nước bằng sensor điện dung nó phải hội tụ sự lan toả mức sóng xung quanh que dò từ đó so sánh giữa điện dung que với thành bồn để tính toán chiều cao mực nước tại các thời điểm khác nhau

Vậy câu hỏi đặt ra:

Thế những rường hợp đó dành cho bồn inox. Bồn nhựa bể nước thì như thế nào ?

Đối với bồn nhựa cảm biến điện dung hoàn toàn có thể tự động hoá giám sát; vì bản thân chất lỏng là loại có tính dẫn điện nên chính nó sẽ so sánh trực tiếp với lượng nước dao động để tạo nên một chu kỳ tuần hoàn cho các loại bơm nước

Đấy chính là nguyên lý hoạt động mà các loại cảm biến đo mức nước dạng điện dung hay lắp đặt tại các hệ thống; để điều khiển và thay con người làm nhiệm vụ kiểm tra lượng chất lỏng trong các bồn chứa

Nói đơn giản dễ hiểu hơn nữa về là như thế này:

Với loại cảm biến điện dung đo mức nước liên tục; ta chỉ cần cài điểm min/max khoảng cách cần đo thì khi cọc fod sẽ tự động cảm nhận mực nước di chuyển lên xuống và trả về kết quả nằm trong khoảng 4-20ma tương ứng. Và tín hiệu 4-20ma này sẽ đưa về plc dựa trên sự lập trình phần mềm trước đó để tự động quy đổi ra lượng nước chứa trong bồn. Đây chính là nguyên lý hoạt động cảm biến đo mức điện dung 4-20mA

Riêng loại cảm biến diện dung chống tràn chống cạn bồn nước hoặc bồn dầu thì nguyên lý hoạt động của nó khi chúng ta cấp nguồn; thì nước chạm vào que dò lúc này tín hiệu sẽ xuất ra là on hoặc off để đóng ngắt hoặc bật bơm tuỳ thuộc vào sự cài đặt ban đầu của người sử dụng

Còn theo phương diện sách vở kết hợp catalog thiết bị chúng ta có:

Nguyên lý làm việc của cảm biến đo mức chất lỏng điện dung

Nguyên lý hoạt động cảm biến điện dung sẽ dựa trên sự thay đổi biến thiên giữa 2 hằng số điện môi ε1 và ε2 trong đó:

• ε1 là hằng số điện môi của từng loại chất lỏng
• ε2 là hằng số điện môi của điện dung trên bề mặt chất lỏng
• Nếu que đo mức nước được ví như một thanh điện cực thì thành bồn sẽ là cực thứ 2 cho một tụ điện ảo

Lúc này có sự so sảnh hằng số điện môi di của chất lỏng di chuyển lên xuống trên thanh điện cực đo của cảm biến.

Trường hợp 1: ε1 < ε2 có nghĩa là giá trị hằng số điện môi của chất lỏng giảm tạo nên sự sụt giảm của điện dung trên cảm biến; điều này cho thấy giá trị lượng nước trong bồn đang thấp hướng về đáy

Trường hợp 2: ε1 > ε2 giá trị hằng số điện môi chất lỏng tăng lên; điều này cho thấy lượng nước đang tràn vào bồn và dâng lên át chế khoảng cách dung kháng

Với nguyên lý vận hành trên; thì không phải môi trường chất lỏng nào cảm biến mức điện dung cũng đo với độ chuẩn xác giống nhau. Bởi thiết bị đo còn phụ thuộc vào hằng số điện môi từng loại chất lỏng hay chúng ta thường bảo đó là độ nhay; độ dẫn điện mạnh yếu…..

Ưu nhược điểm của cảm biến mức điện dung

Mỗi cái nhược điểm duy nhất của sensor đo mức dạng điện dung đấy chính là nó phụ thuộc quá nhiều vào hằng số điện môi trong chất lỏng. Cho nên; nhiều trường hợp hằng số điện môi không khớp với dung kháng trong cài đặt thì chúng ta hoàn toàn không ứng dụng được

Vậy nên; khi tìm hiểu mua cảm biến anh em phải gửi các yêu cầu thông số môi chất càng cụ thể thì việc lựa chọn thiết bị đo mới chuẩn xác; và đáp ứng đúng nhu cầu hệ thống sản xuất đang cần

Ưu điểm của cọc dò mức chất lỏng điện dung

Cảm biến điện dung cho dù nó nằm trong trường hợp đo liên tục ra analog 4-20ma 0-10v; hoặc báo đầy cạn ra tiếp điểm điều khiển thì cũng thuộc loại thiết bị báo mức giá rẻ nhất trong số các phương pháp đo mức hiện nay

Sensor Capacitive level còn có khả năng chịu nhiệt độ cao; áp suất cao dễ dàng cài đặt theo theo chỉ dẫn của nhà cung cấp

Thiết kế nhỏ gọn dễ dàng lắp đặt tại mọi vị trí trong hệ thống nhà máy; có màn  hình hiển thị cài đặt và giám sát tại chỗ

Các model cảm biến điện dung được hãng sản xuất nhanh chóng; mặc dù có xuất xứ từ châu âu nhưng thời gian đặt hàng chỉ vọn vẹn mấy tuần thôi

Cho nên; việc đo mức chất lỏng bằng đầu dò điện dung dựa trên các file pdf của từng loại sau khi tham khảo để chọn module là hết sức cần thiết

 

Tư Vấn Giải Pháp Kỹ Thuật

0972 56 05 06 – 0931 429 989 Mr Thành

Mail: thanh.nguyen@huphaco.vn

Đ/C:  Số 12 Đường 310, Rosita Khang Điền, Phường Phú Hữu, TP Thủ Đức, Tp Hồ Chí Minh