So Sánh Cảm Biến Siêu Âm và Radar

Đo mức là một nhiệm vụ quan trọng và không thể thiếu trong nhiều quy trình công nghiệp. Việc theo dõi và kiểm soát chính xác mức chất lỏng hay chất rắn trong bồn chứa, silo hay bể chứa không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất sản xuất mà còn đảm bảo an toàn và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.

Trong số các công nghệ đo mức hiện nay, cảm biến mức siêu âm và cảm biến mức radar là hai lựa chọn phổ biến và được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng đo không tiếp xúc, lắp đặt linh hoạt và độ chính xác cao. Tuy nhiên, mỗi loại cảm biến lại có những đặc điểm riêng, phù hợp với từng điều kiện ứng dụng và môi trường cụ thể. Việc hiểu rõ ưu và nhược điểm của từng loại là điều cần thiết để lựa chọn đúng giải pháp – vừa đảm bảo kỹ thuật, vừa tiết kiệm chi phí.

Cùng tìm hiểu và so sánh chi tiết hai dòng cảm biến mức này để có cái nhìn toàn diện và đưa ra lựa chọn phù hợp nhất cho hệ thống của bạn.

Cảm Biến Mức Siêu Âm

Cảm biến mức siêu âm là thiết bị sử dụng sóng siêu âm để xác định khoảng cách tới bề mặt của chất lỏng hoặc chất rắn, từ đó tính toán mức liệu trong bồn chứa. Nó hoạt động bằng cách phát xung siêu âm và đo thời gian tín hiệu phản xạ quay trở lại.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến mức siêu âm

• Phát sóng siêu âm: Cảm biến phát ra các xung siêu âm ngắn (sóng âm tần số cao) về phía bề mặt vật liệu cần đo.
• Xung truyền đi: Các xung này di chuyển trong môi trường khí (thường là không khí hoặc hơi) phía trên bề mặt vật liệu với tốc độ âm thanh. Khi gặp bề mặt, chúng bị phản xạ ngược lại.
• Nhận tín hiệu phản hồi: Bộ thu trong cảm biến tiếp nhận các xung siêu âm đã phản xạ.
• Tính khoảng cách: Cảm biến đo chính xác khoảng thời gian từ lúc phát xung đến khi nhận được tín hiệu phản xạ (Time-of-Flight). Khoảng cách = (Tốc độ âm thanh * Thời gian bay) / 2.
• Xác định mức liệu: Dựa vào khoảng cách đo được và chiều cao tổng của bồn chứa (đã được cài đặt trước), cảm biến tính toán ra mức vật liệu hiện tại và truyền tín hiệu này đến hệ thống giám sát hoặc điều khiển.

Cảm Biến Mức Radar

Cảm biến mức radar là thiết bị sử dụng sóng điện từ vi sóng (radar) để đo khoảng cách đến bề mặt của chất lỏng hoặc chất rắn. Tương tự siêu âm, nó xác định mức liệu dựa trên thời gian truyền và nhận sóng phản xạ.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến mức radar

• Phát sóng radar: Cảm biến phát ra các xung hoặc sóng radar liên tục (tùy công nghệ, ví dụ: Pulsed Radar, FMCW) thông qua ăng-ten.
• Sóng lan truyền: Sóng radar di chuyển trong không gian phía trên bề mặt vật liệu với tốc độ ánh sáng và bị phản xạ lại khi chạm vào bề mặt.
• Nhận tín hiệu phản xạ: Ăng-ten của cảm biến thu lại sóng radar phản xạ.
• Tính khoảng cách: Dựa trên thời gian từ lúc phát đến khi nhận sóng phản xạ (hoặc sự thay đổi tần số đối với FMCW), cảm biến tính toán khoảng cách từ thiết bị đến bề mặt vật liệu. Khoảng cách = (Tốc độ ánh sáng * Thời gian bay) / 2.
• Xác định mức liệu: Khoảng cách đo được được chuyển đổi thành giá trị mức liệu dựa trên cấu hình của bồn chứa, cung cấp thông tin chính xác cho hệ thống.

Ứng dụng: Cảm biến mức radar nổi bật với độ chính xác và độ tin cậy cao, hoạt động ổn định ngay cả trong môi trường phức tạp (nhiệt độ, áp suất cao, hơi, bụi). Vì vậy, chúng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, xử lý nước, hóa chất, thực phẩm, khai khoáng, và nhiều lĩnh vực khác.

So Sánh Chi Tiết Cảm Biến Mức Siêu Âm và Radar

Đặc trưng	Cảm biến mức siêu âm	Cảm biến mức radar
Nguyên tắc hoạt động	Sử dụng sóng âm thanh (siêu âm) để đo thời gian phản hồi.	Sử dụng sóng điện từ (vi sóng/radar) để đo thời gian phản hồi.
Môi trường truyền sóng	Cần môi trường khí/hơi để truyền sóng. Không hoạt động trong chân không.	Có thể truyền qua chân không, khí, hơi. Ít bị ảnh hưởng bởi thành phần khí/hơi.
Môi trường lưu chất	Phù hợp với hầu hết các chất lỏng, một số chất rắn dạng hạt/bột. Nhạy cảm với bề mặt tạo bọt hoặc không phẳng.	Phù hợp với nhiều loại chất lỏng và chất rắn (kể cả bột mịn, hạt). Ít bị ảnh hưởng bởi bọt nhẹ. Phụ thuộc vào hằng số điện môi của vật liệu.
Độ chính xác	Cao, thường trong khoảng vài mm đến cm, tùy thuộc vào dải đo và điều kiện.	Rất cao, thường trong khoảng vài mm, ổn định hơn trong nhiều điều kiện.
Ảnh hưởng của môi trường	Bị ảnh hưởng nhiều bởi: Nhiệt độ (thay đổi tốc độ âm thanh) Áp suất Thành phần khí/hơi (thay đổi tốc độ âm thanh) Độ ẩm Gió mạnh (trong bể hở) Bụi nặng	Ít bị ảnh hưởng bởi: Nhiệt độ Áp suất Thành phần khí/hơi Độ ẩm Bụi (trừ trường hợp rất dày đặc) Có thể bị ảnh hưởng bởi sự ngưng tụ hơi nước nặng trên ăng-ten.
Vị trí lắp đặt	Thường lắp phía trên bồn, cần không gian trống phía trên bề mặt liệu. Yêu cầu hướng vuông góc với bề mặt.	Linh hoạt hơn, có thể lắp phía trên. Một số loại có thể chịu được góc nghiêng nhỏ. Cần tránh vật cản bên trong bồn.
Ứng dụng tiêu biểu	Đo mức nước, hóa chất thông thường, bể chứa hở, ứng dụng chi phí thấp, điều kiện môi trường ổn định.	Môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ/áp suất cao), hóa chất ăn mòn, bồn chứa có hơi/bụi, đo mức chất rắn, yêu cầu độ chính xác và tin cậy cao.
Chi phí	Thường thấp hơn radar.	Thường cao hơn siêu âm, đặc biệt là các dòng hiệu suất cao.

Hạn Chế Của Từng Loại Cảm Biến

Hạn chế của cảm biến mức siêu âm

• Tác động từ môi trường truyền sóng: Rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ, áp suất, thành phần khí/hơi, độ ẩm làm thay đổi tốc độ âm thanh, gây sai số nếu không có bù trừ chính xác.
• Bề mặt vật liệu: Bề mặt hấp thụ âm (ví dụ: bọt dày), bề mặt quá nghiêng hoặc không phẳng làm tán xạ sóng, tín hiệu phản xạ yếu hoặc mất tín hiệu.
• Bụi và Ngưng tụ: Bụi dày đặc trong không khí hoặc sự ngưng tụ hơi nước trên mặt cảm biến có thể cản trở hoặc hấp thụ sóng siêu âm.
• Chân không: Không thể hoạt động trong môi trường chân không vì sóng âm cần môi trường vật chất để truyền đi.
• Vùng chết (Blanking Distance): Có một khoảng cách tối thiểu gần cảm biến mà không thể đo được.
• Rung lắc hoặc dao động: Rung động mạnh của bồn chứa hoặc cảm biến có thể ảnh hưởng đến độ ổn định của phép đo.

Hạn chế của cảm biến mức radar

• Hằng số điện môi (Dielectric Constant – Dk): Với các vật liệu có Dk quá thấp (như một số loại nhựa, bột nhẹ), tín hiệu phản xạ yếu, đòi hỏi cảm biến có độ nhạy cao hoặc công suất lớn.
• Vật cản bên trong bồn: Các cấu trúc như thang, ống, cánh khuấy có thể tạo ra tín hiệu phản xạ giả nếu nằm trong góc phát sóng của radar. Cần lựa chọn vị trí lắp đặt cẩn thận.
• Ngưng tụ nặng: Lớp ngưng tụ dày trên ăng-ten có thể làm suy giảm hoặc lệch tín hiệu, mặc dù nhiều thiết kế radar hiện đại có khả năng chống chịu tốt hơn.
• Giá thành: Thường có chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với cảm biến siêu âm.
• Lắp đặt gần thành bồn: Lắp đặt quá sát thành bồn có thể gây nhiễu tín hiệu, cần tuân thủ khoảng cách tối thiểu khuyến nghị.

Lựa Chọn Nào Tốt Nhất?

Việc lựa chọn giữa cảm biến mức siêu âm và radar phụ thuộc hoàn toàn vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng:

• Chọn Cảm biến Siêu Âm khi:
  • Ứng dụng đo mức chất lỏng thông thường (nước, một số hóa chất không quá bay hơi).
  • Điều kiện môi trường trong bồn ổn định (nhiệt độ, áp suất không thay đổi đột ngột, ít hơi, bụi).
  • Ngân sách hạn chế.
  • Không yêu cầu độ chính xác cực cao trong mọi điều kiện.
• Chọn Cảm biến Radar khi:
  • Môi trường đo khắc nghiệt (nhiệt độ cao, áp suất cao, chân không, có hơi, bụi, khí).
  • Đo mức chất rắn (bột, hạt).
  • Đo hóa chất ăn mòn, bay hơi mạnh.
  • Yêu cầu độ chính xác và độ tin cậy cao, hoạt động ổn định lâu dài.
  • Bề mặt chất lỏng có thể có bọt hoặc dao động.
  • Ngân sách cho phép đầu tư cao hơn để đảm bảo hiệu suất.