Ngày nay trên thị
trường có tới trên
20 loại cảm biến đo
mức khác nhau; tìm
được một loại cảm biến…
phù hợp với điều kiện và yêu cầu là một điều không dễ dàng. Chúng tôi sẽ giúp độc giả hiểu thêm về
hai loại thông thường nhất được dùng để đo mức dựa trên công nghệ sóng siêu âm và rada dẫn sóng
(GWR).
Hình 1. Sóng siêu âm cũng rất đa dạng về chủng loại và mẫu mã
Cảm biến mức dùng sóng âm đã có mặt trên thị trường nhiều năm nay và được coi như một công nghệ
đáng tin cậy dùng để đo mức thông qua những thử thách khắc nghiệt trong công nghiệp. Cảm biến siêu
âm đo mức là dạng đầu đo không tiếp xúc và giá cả phải chăng dùng cho phần lớn các loại bình chứa
nước dạng thẳng đứng. Cho tới nay chưa thấy một thiết bị đo mức nào xuất hiện để đe dọa thị phần của
loại cảm biến sóng âm. Gần đây, công nghệ sóng rada tạm được coi là có thể so sánh với công nghệ sóng
âm về giá và có vẻ là một lựa chọn đáng để tâm đối với những điều kiện cảm nhận, đo lường khó khăn.
Rada dẫn sóng phù hợp với cả ứng dụng là chất lỏng và chất rắn và hoạt động độc lập với những điều
kiện vận hành khác.
Hình 2. Cảm biến đo mức dùng rada dẫn sóng –
kẻ đe dọa công nghệ siêu âm Công nghệ siêu âm
Bộ truyền siêu âm hoạt động dựa trên việc gửi một sóng âm, được phát ra từ bộ biến năng áp điện, đến
bề mặt của một vật liệu cần đo. Bộ truyền âm đo thời gian từ lúc gửi tín hiệu cho tới khi nhận được tín
hiệu phản hồi. Thành công của phép đo phụ thuộc vào sóng, độ phản xạ từ vật cần đo. Những yếu tố
như bụi, hơi nước (chất lỏng) dày đặc; độ cản trở bình chứa, nhiễu loạn gây bởi bề mặt; những chất tạo
bọt và thậm chí là độ gồ ghề hoặc góc tạo bởi chùm sóng với bề mặt cần đo đều góp phần tạo những
thông tin không mong muốn ở tín hiệu phản hồi. Điều cần thiết là người sử dụng cần phải cân nhắc điều
kiện hoạt động sẽ ảnh hưởng thế nào tới sóng âm khi phát ra.
Những yếu tố quan trọng khác cần chú ý khi dùng bộ truyền âm gồm:
* Sóng âm-điều kiện tiên quyết của phép đo là sóng âm phải đi qua chất cần đo. Thông thường là
không khí, nếu môi trường là chân không lại không phù hợp do trong chân không, không có đủ số phân
tử khí làm giảm khả năng truyền sóng.
*Điều kiện bề mặt-bọt và những hạt bụi bẩn bám trên bề mặt của chất lỏng có thể hấp thụ sóng âm và
làm cản trở sóng phản hồi về đầu phát;
* Góc tới và góc phản xạ-sóng âm cần được phát và nhận theo đường thẳng, mặt phản xạ cần là mặt
phẳng;
* Nhiệt độ hoạt động-những phần mà siêu âm được gửi đến để đo thường làm bằng nhựa với nhiệt độ
cao nhất cỡ 60°C. Dĩ nhiên, việc thay đổi nhiệt độ sẽ làm phép đo mức kém chính xác;
* Áp suất làm việc-các thiết bị siêu âm thường không tiếp xúc với áp suất quá cao; giá trị lớn nhất loại
cảm biến này có thể chịu được là 30 psi (~2 bar);
* Điều kiện môi trường-hơi nước (chất lỏng), môi trường đọng nước, và tạp chất có thể làm thay đổi tốc
độ của sóng âm qua môi trường không khí và ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của tín hiệu hồi đáp.
Để tránh sai số do môi trường gây ra cần gắn cảm biến vào những vị trí và môi trường có thể dự đoán
trước.
Lợi ích lớn nhất của công nghệ đo mức thông qua môi trường khí như siêu âm, rada và laze là những
thiết bị đo không tiếp xúc với vật cần đo (hình 3). Chỉ có một vài điểm tín hiệu cần tiếp xúc với bề mặt
chất cần đo nhằm tạo ra những tín hiệu phản hồi về cảm biến. Điều này giải thích tại sao chất lượng
không khí giữa bề mặt chất lỏng với cảm biến luôn là vấn đề và tại sao chất lượng của bề mặt chất lỏng
(hoặc bình chứa) cần luôn được tính đến khi sản xuất và lắp đặt cảm biến vì mọi nhiễu loạn về tín hiệu
sẽ góp phần vào sai số của phép đo.
Như vậy, cảm biến đo mức dùng siêu âm là một giải pháp phù hợp cho những đối tượng với những yêu
cầu về hình dạng, môi trường ổn định và có thể biết trước. Khi lắp đặt chúng ta không được quên rằng
bộ phát siêu âm chỉ có hiệu quả khi cảm biến đón nhận được tín hiệu phản hồi.
RaDa dẫn sóng (GWR)
Rada dẫn sóng là phép đo tiếp xúc sử dụng đầu dò để dẫn sóng điện từ cao tần từ bộ biến âm đến vật
cần đo (hình 4). GWR hoạt động dựa trên nguyên lý bộ phản xạ miền thời gian (TDR). Với TDR, một
xung sóng điện từ năng lượng thấp được dẫn dọc đầu dò. Khi xung này tiếp xúc với bề mặt cần đo,
năng lượng xung sẽ được phản xạ về đầu dò và mạch đo sau đó phần xử lý tín hiện sẽ xử lý và tính
toán mức chất lỏng hoặc dòng dựa trên sự sai khác về xung gửi đi và xung nhận về. Cảm biến có thể
xuất tín hiệu ra là mức chất lỏng đã được phân tích thông qua hiển hiện tương tự; hoặc số.
Không giống như công nghệ truyền thống, GWR cho khả năng đọc phép đo độc lập với những tính chất
lý hóa của môi trường đo mà nó tiếp xúc. Thêm vào đó, GWR hoạt động tốt trong cả môi trường lỏng
và môi trường rắn. GWR phù hợp với nhiều ứng dụng đo mức khác nhau như:
* Các điều kiện không ổn định-có sự thay đổi về độ nhớt, mật độ hoặc độ axit không làm ảnh hưởng tới
độ chính xác;
* Bề mặt bị thay đổi-bề mặt ở nhiệt độ sôi, bụi, chất tạo bọt, và hơi nước không làm ảnh hưởng đến tính
năng của thiết bị. GWR cũng có thể được dùng với dòng hoàn lưu, bộ khuấy trộn, và các bình nạp khí;
* Nhiệt độ và áp suất cao-GWR hoạt động tốt trong khoảng nhiệt độ đến 315°C và có thể chịu được áp
suất đến 580 psig;
* Bột mịn và dòng có độ nhớt cao-GWR hoạt động trong bình chân không chứa dầu ăn đã dùng cũng
như các loại bình chứa sơn, latex, mỡ động vật, dầu đậu tương, mạt cưa, các bon đen, tetra-clo titan,
muối và các loại hạt.
Một trong những quan niệm sai lầm thông thường nhất về GWR là những vật liệu bám trên đầu dò có
thể làm ảnh hưởng tới phép đo mức. Người ta có thể cho rằng nếu có một khối lượng vật liệu nhất định
bám trên đầu dò thì tín hiệu sẽ có thể bị sai lệch so với bề mặt chất lỏng thật sự. Tín hiệu GWR có
khoảng phát hiện rất lớn đến 360° và cách xa đầu dò đến cả mét. Khi xung điện từ tiếp xúc với vật liệu
bám trên đầu dò, tín hiệu sẽ quay trở lại và được phân tích xem đó có thật là tín hiệu phản hồi trên bề
mặt chất lỏng, hình 5.
Hình 5. Tín hiệu phản hồi khác nhau ở bề mặt chất lỏng và vật liệu bám bẩn
Do mức chất lỏng thực tế luôn có tín hiệu phản hồi lớn hơn từ vật liệu bám trên đầu dò, nên cảm biến
và bộ phận xử lý tín hiệu có thể dễ dàng nhận biết được điều đó.
Nói tóm lại, sau hàng chục năm thống trị của cảm biến đo mức dùng siêu âm thì kỹ thuật rada cho
chúng ta một lựa chọn mới mẻ hơn, kinh tế hơn, áp dụng linh hoạt hơn. Dĩ nhiên, với những bề mặt giản
đơn, môi trường ổn định thì chúng ta sẽ có nhiều hơn một lựa chọn. Lúc đó, giá cả và hậu mãi sẽ là
những yếu tố tiếp theo để chúng ta quyết định mặt hàng sẽ sử dụng.