Thiết bị đo mức là gì?

Bộ truyền tín hiệu mức là các thiết bị cảm biến được sử dụng để đo và giám sát mức chất lỏng hoặc chất rắn dạng rời trong các bồn chứa, silo, cũng như tại các khu vực sông ngòi và vùng chịu ảnh hưởng của thủy triều (mực nước biển).

Có nhiều loại bộ truyền tín hiệu mức khác nhau; mỗi loại hoạt động dựa trên các nguyên lý đo riêng biệt và sở hữu những đặc tính đặc trưng tùy theo nhà sản xuất.

Việc lựa chọn thiết bị phù hợp đòi hỏi phải cân nhắc kỹ lưỡng các yếu tố quan trọng như tính chất vật lý của vật liệu, môi trường đo, điều kiện lắp đặt và các tác nhân gây nhiễu tiềm ẩn.

Bài viết này sẽ giới thiệu về nguyên lý hoạt động, các đặc tính và hạn chế của từng phương pháp đo.

Các thiết bị đo mức (level transmitter) được sử dụng tại các nhà máy sản xuất quy mô lớn—chẳng hạn như trong ngành công nghiệp vật liệu—để đo lường lượng vật liệu hoặc sản phẩm được lưu trữ trong các silo và bồn chứa.

Tại các nhà máy, việc liên tục cấp nguyên liệu cho công đoạn tiếp theo là rất cần thiết để đảm bảo quy trình sản xuất không bị gián đoạn. Do đó, cần phải bổ sung nguyên liệu trước khi lượng dự trữ trong silo cạn kiệt để duy trì hoạt động sản xuất.

Việc giám sát mức chứa của từng thiết bị lưu trữ một cách thủ công sẽ rất kém hiệu quả; vì vậy, các thiết bị đo mức được sử dụng để giám sát và tự động hóa (điều khiển) mức lưu trữ.

Có hai loại cảm biến chính dùng để đo mức: "Bộ truyền tín hiệu mức" (Level Transmitter) và "Công tắc báo mức" (Level Switch).

Lượng vật chất chứa trong bồn được đo và hiển thị liên tục (ví dụ: ***%, mức ***m, v.v.) và được dùng làm giá trị ước tính về mức lưu trữ.

Giá trị đo được (trong dải từ 0 đến 100%) sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu đo lường dạng 4–20 mA DC hoặc 1–5 V để xuất ra ngoài, phục vụ cho mục đích giám sát và điều khiển.

Đây là loại công tắc được thiết kế để phát hiện trạng thái đầy hoặc cạn bằng cách lắp đặt cảm biến tại một mức xác định bên trong thùng chứa.

Thiết bị thường được sử dụng để điều khiển việc bắt đầu và dừng các quy trình nạp và xả liệu. Khi đạt đến mức đã thiết lập, công tắc sẽ xuất tín hiệu tiếp điểm BẬT/TẮT (ON/OFF).

Các bồn chứa nhỏ thường được kiểm soát chỉ bằng công tắc báo mức, nhưng đối với các bồn chứa cỡ trung bình và lớn, thay vì lắp đặt nhiều công tắc báo mức ở các vị trí trên, giữa và dưới, người ta sử dụng thiết bị đo mức (level transmitter) để đo liên tục và tính toán mức chứa xấp xỉ theo thời gian thực.

Thiết bị này thường được sử dụng kết hợp với chức năng hiển thị thông số.

Trong một số trường hợp, thiết bị đo mức cũng được sử dụng để theo dõi lượng chất chứa ở các mức trung gian song song với việc kiểm soát bằng công tắc báo mức.

Phương pháp này còn có ưu điểm là giúp dễ dàng phát hiện nếu một cảm biến nào đó gặp sự cố.

Nhờ khả năng phát hiện sớm vấn đề, quy trình sản xuất ít bị ảnh hưởng hơn và thiết bị cũng tránh được các tác động gây hại hoặc quá tải.

Có nhiều loại thiết bị đo mức và công tắc báo mức, tùy thuộc vào đối tượng cần đo và môi trường đo.

Vui lòng xem xét đối tượng và môi trường đo để lựa chọn thiết bị phù hợp.

Tuy nhiên, không phải trường hợp nào cũng có sẵn thiết bị tiêu chuẩn đáp ứng được yêu cầu. Trong những trường hợp đó, thường có các tùy chọn với thông số kỹ thuật đặc biệt, vì vậy vui lòng liên hệ với nhà sản xuất để được hỗ trợ.

Vui lòng tham khảo thông tin dưới đây để hỗ trợ việc lựa chọn model phù hợp.

Trên thị trường hiện có nhiều loại thiết bị đo mức khác nhau.

Bạn có thể đã nắm rõ đặc điểm của từng loại, nhưng lại gặp khó khăn khi quyết định chọn mẫu nào cho ứng dụng thực tế.

Để giải quyết vấn đề này, bài viết dưới đây không chỉ trình bày các loại và tính năng của thiết bị đo mức mà còn đề cập đến những hạn chế của chúng.

Các thiết bị đo mức rất đa dạng về nguyên lý đo và các tính năng đặc thù tùy theo nhà sản xuất. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp đòi hỏi phải cân nhắc kỹ lưỡng các yếu tố như tính chất vật liệu, điều kiện quy trình, yêu cầu lắp đặt và các tác động từ môi trường bên ngoài.

Về cơ bản, các phương pháp đo có thể được chia thành hai loại: đo dựa trên khoảng cách và đo mức trực tiếp.

Bài viết này sẽ trình bày nguyên lý, đặc điểm và hạn chế của từng phương pháp, tập trung vào các ứng dụng đo vật liệu dạng bột, dạng hạt và vật liệu rời.

Một quả nặng cảm biến được hạ xuống bằng động cơ cho đến khi chạm vào bề mặt vật liệu. Khoảng cách từ thiết bị đến bề mặt vật liệu (khoảng trống) được tính toán dựa trên thời gian di chuyển đo được và tốc độ hạ xuống. (Khoảng cách = Tốc độ x Thời gian)

• Dễ hiểu, dựa trên nguyên lý đo lường vật lý trực tiếp.
• Không bị ảnh hưởng bởi lượng bụi lớn hay hơi nước sinh ra.
• Phù hợp để phát hiện các chất lắng đọng trong chất lỏng.

• Cần bảo trì định kỳ do các bộ phận tiêu hao như dây cáp.
• Không phù hợp cho các ứng dụng cấm tiếp xúc với vật thể lạ, vì cảm biến tiếp xúc trực tiếp với vật liệu.

Đây là thiết bị đo mức không tiếp xúc, thực hiện đo khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt vật liệu bằng cách phát xung siêu âm về phía bề mặt đó và xác định thời gian cần thiết để tín hiệu phản xạ quay trở lại cảm biến.

• Giải pháp đo mức không tiếp xúc với chi phí hợp lý.
• Độ định hướng cao cho phép đo lường đáng tin cậy trong không gian hẹp.

• Kết quả đo có thể bị ảnh hưởng trong môi trường có bụi hoặc hơi nước.
• Sự chênh lệch nhiệt độ hoặc sự sinh khí có thể làm thay đổi tốc độ âm thanh và làm tăng sai số đo.

Bộ phát mức radar hoạt động bằng cách phát các xung vi sóng về phía bề mặt vật liệu và tính toán khoảng cách trống dựa trên thời gian di chuyển khứ hồi của các tín hiệu phản xạ.

• Không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ hoặc khí.
• Đo lường chính xác ngay cả trong môi trường bụi bẩn hoặc ẩm ướt.

Các vật liệu có hằng số điện môi thấp có thể không phát hiện được do tín hiệu radar phản xạ yếu.

Ví dụ: silica.

Thiết bị đo mức không tiếp xúc sử dụng công nghệ radar FMCW. Các sóng vi ba liên tục được điều chế tần số sẽ được phát ra từ cảm biến, và khoảng cách được xác định thông qua việc phân tích sự chênh lệch tần số giữa tín hiệu phát đi và tín hiệu phản xạ từ bề mặt vật liệu.

• Không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ hay khí.
• Đo lường đáng tin cậy ngay cả trong môi trường nhiều bụi hoặc hơi nước.
• Tính định hướng cao cho phép đo lường trong không gian hẹp.

Các vật liệu có hằng số điện môi thấp có thể không phát hiện được do tín hiệu radar phản xạ yếu.

Ví dụ: silica.

Các xung vi sóng truyền dọc theo dây dẫn sóng được lắp đặt từ nóc bồn chứa. Cảm biến đo thời gian khứ hồi của tín hiệu phản xạ và chuyển đổi giá trị này thành khoảng cách trong không khí đến vật thể cần đo.

• Khác với cảm biến siêu âm và thiết bị đo mức radar không tiếp xúc, phương pháp này hầu như không có góc chùm tia, nhờ đó rất lý tưởng để lắp đặt trong các không gian hẹp.

• Việc vật liệu bám dính nhiều vào đầu dò có thể dẫn đến kết quả đo sai lệch.
• Tình trạng dây bị gập hoặc đứt, cũng như sự tích tụ vật liệu trên đầu dò, có thể tạo ra các tín hiệu phản xạ giả (nhiễu), làm tăng nguy cơ xảy ra sai số khi đo.

Các thiết bị đo mức không tiếp xúc thường sử dụng hai nguyên lý đo: thời gian bay và phát hiện độ lệch pha.

• Phương pháp TOF: Đo thời gian khứ hồi của xung laser phản xạ để tính toán khoảng cách tới mục tiêu.
• Phương pháp chênh lệch pha: Tính toán khoảng cách bằng cách xác định sự chênh lệch pha giữa tín hiệu laser điều chế được phát đi và tín hiệu phản xạ trở lại.

• Độ định hướng cao cho phép đo trong không gian hẹp và ở khoảng cách lên tới vài trăm mét.
• Phương pháp TOF: Sử dụng laser cấp 1 và cho tốc độ phản hồi nhanh.
• Phương pháp chênh lệch pha: Mang lại độ chính xác và độ phân giải cao.

• Trong môi trường có nhiều bụi hoặc hơi nước, chùm tia laser có thể bị tán xạ hoặc suy giảm, gây khó khăn cho việc đo đạc chính xác.
• Do tính định hướng cao, nếu bề mặt mục tiêu nhẵn hoặc giống như gương và bị nghiêng, tín hiệu phản xạ có thể bị yếu và không quay trở lại cảm biến với cường độ đủ mạnh.
• Xin lưu ý rằng phương pháp phát hiện độ lệch pha thường sử dụng loại laser có cấp độ cao hơn, do đó đòi hỏi phải có biện pháp quản lý an toàn laser phù hợp trong nhiều ứng dụng.

Một phao nổi gắn vào thước dây thép không gỉ sẽ theo dõi mức chất lỏng, và chiều dài thước dây được đo liên tục để xác định khoảng cách từ bề mặt chất lỏng đến đỉnh bồn (khoảng trống phía trên). Các loại thiết kế bao gồm kiểu cân lò xo, kiểu ống kín và kiểu đối trọng.

• Với kết cấu đơn giản và chắc chắn, phương pháp này mang lại độ chính xác cao cùng độ bền lâu dài, phù hợp để phát hiện mức chất lỏng trong cả các bồn chứa lớn và nhỏ.

• Dễ bị tích tụ vật liệu.
• Khả năng bảo trì hạn chế tại các vị trí lắp đặt có mật độ thiết bị phòng cháy chữa cháy dày đặc.
• Sự tích tụ chất rắn trên phao có thể dẫn đến sai số đo lường.
• Hiện tượng bám dính bên trong ống ổn định dòng/ống chắn sóng có thể cản trở chuyển động của phao và gây ra sự cố vận hành.

Bộ truyền tín hiệu mức loại phao dịch chuyển (displacer) sử dụng một phao có khối lượng riêng lớn hơn khối lượng riêng của chất lỏng trong quy trình. Sự thay đổi mức chất lỏng làm thay đổi tương ứng lực đẩy nổi tác động lên phao đang được treo; sự thay đổi này được truyền dẫn về mặt cơ học và chuyển đổi thành tín hiệu mức.

• Phù hợp để đo các chất lỏng có tỷ trọng thấp và hiệu quả trong việc đo mức chất lỏng ở môi trường áp suất cao.

• Phạm vi đo hạn chế (khoảng 300–3.000 mm).
• Dễ bị trục trặc nếu bị tắc nghẽn bởi cặn bẩn hoặc bùn.
• Lò xo là bộ phận hao mòn.
• Cần hiệu chuẩn lại khi mật độ chất lỏng thay đổi.

Một tụ điện được hình thành giữa điện cực dạng que treo từ nóc bồn và thành bồn. Khi vật liệu cần đo đi vào khoảng không gian giữa các điện cực, điện dung sẽ thay đổi tỷ lệ thuận với mức vật liệu. Sự thay đổi này được đo lường và chuyển đổi thành giá trị đo mức.

• Phù hợp để đo đạc trong không gian hẹp.

• Là cảm biến loại tiếp xúc, có nguy cơ bị nhiễm bẩn do vật lạ.
• Phải làm rỗng hoặc xả hết chất lỏng trong bể để thực hiện hiệu chỉnh điểm 0.
• Sai số đo có thể xảy ra khi hằng số điện môi tương đối của môi trường đo thay đổi.

Màng ngăn phát hiện những thay đổi về áp suất chất lỏng do sự biến thiên của mực chất lỏng gây ra và chuyển đổi chúng thành kết quả đo mức. Tuy nhiên, phương pháp này phải được sử dụng trong điều kiện áp suất khí quyển bên trong bồn chứa.

• Dễ dàng lắp đặt ngay cả ở những nơi có không gian lắp đặt hạn chế.

• Bọt khí quá nhiều có thể gây ra sự không đồng đều về áp suất chất lỏng, dẫn đến giảm độ chính xác của phép đo.
• Việc chất rắn bám dính hoặc lắng đọng nhiều trên bề mặt cảm biến có thể làm giảm độ chính xác.
• Áp suất chất lỏng thay đổi theo tỷ trọng của chất lỏng, do đó cần phải hiệu chuẩn lại hoặc điều chỉnh.
• Cần xả hết chất lỏng trong bồn chứa khi thực hiện bảo trì.

Thiết bị này bao gồm hai màng ngăn: một màng đo áp suất chất lỏng và một màng đo áp suất bên trong bồn chứa. Mức chất lỏng được tính toán bằng cách lấy áp suất chất lỏng đo được trừ đi áp suất bên trong bồn chứa.

• Có thể thực hiện phép đo mà không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi áp suất bên trong bồn chứa.

• Bọt khí quá nhiều có thể gây ra sự không đồng đều về áp suất chất lỏng, dẫn đến giảm độ chính xác của phép đo.
• Sự bám dính hoặc lắng đọng đáng kể của các chất rắn có thể làm giảm độ chính xác của phép đo.
• Áp suất chất lỏng thay đổi theo tỷ trọng của chất lỏng, đòi hỏi phải thực hiện điều chỉnh hoặc hiệu chuẩn lại.
• Cần xả hết chất lỏng trong bồn khi tiến hành bảo trì.