Chúng ta bắt gặp các loại cảm biến điện dung ở nhiều lĩnh vực khác nhau trong đời sống hàng ngày. Vậy cảm biến điện dung là gì, có cấu tạo và nguyên lý hoạt động ra sao? Hãy cùng tìm hiểu trong bài viết dưới đây nhé.
Cảm biến điện dung là gì?
Cảm biến điện dung (capacitive sensor) còn được gọi là cảm biến điện môi. Đây là thiết bị điện tử sử dụng để đo hằng số điện môi của các môi chất và trong môi trường xung quanh.
Thông thường, cảm biến điện môi được dùng để phát hiện mức chất rắn, chất lỏng, dung dịch chứa trong bồn, tank, silo hoặc có thể trong các hệ thống ống dẫn. Nhờ có cảm biến sẽ phát hiện môi chất và tín hiệu đo được sẽ chuyển các dạng tín hiệu đầu ra thành dạng 0 – 10V hoặc 4 – 20mA hay dưới dạng On/Off.
Cảm biến điện dung được ứng dụng ở trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đối với các môi trường mà những dòng cảm biến khác gặp khó khăn thì cảm biến điện dung vẫn có thể hoạt động tốt như nơi dễ cháy nổ, áp suất và nhiệt độ cao. Bạn hoàn toàn có thể dùng cảm biến điện dung để đo mức nước sạch, mức acid, mức hóa chất,…
Cấu tạo của cảm biến điện dung
Cảm biến điện dung có cấu tạo với 3 bộ phận chính như sau:
Đầu dò cảm biến điện dung
Đầu dò của cảm biến được thiết kế có hình trụ tròn tương tự như đầu đũa. Đầu dò là bộ phận quan trọng nhất của cảm biến điện dung.
Đầu dò đảm nhận chức năng phát hiện môi chất trong môi trường cần đo. Đầu dò sẽ sử dụng vật liệu khác nhau tùy thuộc vào môi trường cần đo. Nếu trong môi trường ăn mòn ít thì sử dụng inox 304. Còn trong môi trường ăn mòn cao thì dùng chất liệu 316 SS.
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu của cảm biến
Đây là bộ phận quan trọng không kém so với đầu dò và sử dụng nhiều công nghệ hiện đại. Tại đây, tín hiệu điện dung thu được sẽ được xử lý và chuyển sang tín hiệu điện 4 – 20mA, Relay On/Off.
Nếu đầu dò đóng vai trò như chân tay thì bộ phận chuyển đổi tín hiệu như não bộ. Tín hiệu chuyển về PLC, bộ điều khiển hoặc bộ hiển thị để phục vụ cho quá trình điều khiển hệ thống.
Lớp vỏ của cảm biến
Vỏ bọc có chức năng bảo vệ đầu dò tránh khỏi những tác động làm ăn mòn dầu que kim loại. Nhờ đó, cảm biến sẽ có tuổi thọ cao hơn và sử dụng lâu dài hơn.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện môi
Trong cảm biến điện dung hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung của tụ điện có trong cảm biến. Khi có một vật xuất hiện trong vùng nhạy của cảm biến thì sẽ làm tăng điện dung của tụ điện. Mức độ thay đổi phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau như kích thước và hằng số điện môi của vật, khoảng cách,… Bên trong có mạch dùng nguồn DC tạo dao động cho cảm biến dòng. Cảm biến dòng này sẽ đưa ra một dòng điện tỉ lệ với khoảng cách giữa 2 tấm cực.
Bạn có thể hiểu rằng, xung quanh cảm biến luôn có một lượng rất nhiều điện cực được mắc nối tiếp với thành bồn chứa. Khi mức môi chất tiếp xúc với các điện cực của cảm biến thì sẽ làm tăng lượng điện cực. Tín hiệu thu được sẽ gửi về các vi xử lý và hiển thị kết quả để xác định được mức của chất đã tiếp xúc với cảm biến.
Thông thường, cảm biến điện dung có khoảng cách đo từ 2mm đến 50mm. Các out thông dụng của chúng là NPN/PNP/NO/NC,… Mỗi một nguyên liệu cần đó lại có một mức độ dẫn điện khác nhau nên sẽ cần sử dụng cảm biến phù hợp.
Ví dụ. Nếu sử dụng cảm biến trong môi trường nước RO hay là nước cất sẽ có độ dẫn điện rất thấp rất ít loại cảm biến điện dung có thể đo được.
Phân loại cảm biến điện dung
Thông thường, cảm biến điện môi được chia với các loại dưới đây.
Cảm biến điện dung đo liên tục chất lỏng
Cảm biến thường được gắn ở trên đỉnh của bể nước, silo. Loại cảm biến này thường có đầu dò khá dài. Đầu dò sẽ tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng. Với đầu thang đo có độ dài từ 0 – 2m thì thiết bị này được ứng dụng khá nhiều trong công nghiệp và dân dụng.
Khi mức chất lỏng dâng lên và tiếp xúc với que dò. Que dò xử lý tín hiệu và đưa về bộ xử lý tín hiệu để chuyển đổi thành tín hiệu điện analog 4 – 20mA, 0-10V…. Nói một cách để hiểu đó là nước dâng tới đâu thì cảm biến sẽ cảm nhận được tới đó và chuyển sang tín hiệu điện để dễ dàng xác định mực chất lỏng.
Lưu ý: Đối với thang đo lớn hơn 2m thì bạn không nên sử dụng cảm biến điện dung mà nên dùng loại cảm biến siêu âm.
Cảm biến điện môi báo mức chất lỏng
Nếu bạn chỉ có nhu cầu báo mức đầy hoặc mức cạn của chất lỏng trong bồn chứa thì loại cảm biến này là lựa chọn phù hợp.
So với loại cảm biến đo liên tục thì dòng cảm biến này có giá thành rẻ hơn khá nhiều. Khi mức chất lỏng dẫn điện chạm vào đầu dò của cảm biến ở các mức nhất định thì cảm biến sẽ báo tín hiệu về bộ xử lý và chuyển đổi thành dòng điện dưới dạng relay On/Off. Chúng ta có thể cài đặt tín hiệu này dưới dạng NO, NC để ứng dụng cho từng trường hợp báo đầy báo cạn bình chứa.
Cảm biến điện dung báo mức chất rắn
Các loại hạt rắn bột như bột cà phê, đá, sỏi, cám, cát….
Để đo lường những chất dưới dạng hạt này thì các dòng cảm biến thông thường dạng cơ hay dạng điện đều không sử dụng được. Khi mức hạt trong bồn chứa dâng lên và hạ xuống liên tục sẽ tạo lực tác động lớn thì rất dễ gây hư hỏng cho cảm biến. Chính vì vậy loại cảm biến điện dung là lựa chọn tốt nhất. Cảm biến cũng đo từng mức chất rắn cho vào trong bồn khi chạm vào đầu dò tương tự như đang đo chất lỏng.
Chia sẻ cách lựa chọn cảm biến điện dung
Để mua các dòng sản phẩm cảm biến điện môi thì bạn nên chú ý về một số yếu tố sau:
Môi chất cần đo là gì?
Xác định chính xác môi trường đo là yếu tố khá quan trọng trong việc lựa chọn cảm biến. Nếu là môi trường nước, chất lỏng dẫn điện…. thì chúng ta khá dễ dàng lựa chọn cảm biến bởi mức ăn mòn thấp.
Nhưng với môi trường có chứa axit, chất tẩy rửa… độ ăn mòn cao thì bạn cần chọn cảm biến vật liệu 316 và có vỏ bọc bên ngoài.
Còn khi đó mức các loại hạt thì bạn nên lựa chọn những đầu dò có đường kính phi lớn, cứng cáp để đầu do không bị hư hỏng.
Áp suất và nhiệt độ môi trường đo
Đối với môi trường có điều kiện nhiệt độ và áp suất thông thường thì các anh em không cần để ý nhiều. Tuy nhiên, với môi trường nhiệt độ cao và áp suất cao như trong lò hơi thì các bạn phải lựa chọn cảm biến có những tiêu chuẩn bảo vệ mạch điện phù hợp, tránh để nhiệt độ và áp suất cao đi thẳng vào phần mạch xử lý chuyển đổi.
Độ dài của thang đo
Thang đo của cảm biến điện dung cũng là yếu tố cần lưu ý. Thang đo càng dài thì giá thành của chúng cũng tăng theo đó. Thông thường, cảm biến điện môi chúng được ứng dụng với thang đo nhỏ hơn 2 mét.
Tín hiệu đầu ra của cảm biến là gì?
Tín hiệu đầu ra sẽ cần đồng bộ kết nối với các bộ điều khiển trung tâm của PLC. Các dạng tính hiệu đầu ra phổ biến đó là 4 – 20mA, 0 – 10V hoặc On/Off.
Nếu bạn mua phải thiết bị có ngõ ra là 4 – 20mA, nhưng PLC của các bạn chỉ có thể đọc được tín hiệu 0 – 10V thì phải làm thế nào? Khi đó, bạn cần dùng thêm 1 bộ chuyển đổi tín hiệu analog 4 – 20mA sang 0-10V.
Cảm biến có chống cháy nổ không?
Như trong môi trường khí Gas, Dầu DO, xăng… thì dễ bị cháy nổ. Bởi vậy, đối với môi trường như thế thì bạn nên lựa chọn những dòng cảm biến có tiêu chuẩn chống cháy nổ phù hợp nhé.
Một số loại cảm biến điện môi
Tại thị trường Việt Nam thì cũng có khá nhiều các hãng cung cấp cảm biến điện dung. Trong đó, phải kể đến đó là những thương hiệu sau.
Cảm biến điện dung autonics
Autonic là một thương hiệu đến từ Hàn Quốc, chuyên sản xuất các thiết bị dùng trong điện công nghiệp và đặc biệt là thiết bị cảm biến. Cảm biến hoạt động rất ổn định và có thể hoạt động song song cùng các thiết bị điện khác mà ít khi hư hỏng, độ bền cao nên thiết bị này được nhiều doanh nghiệp thế giới đánh giá cao.
Cảm biến điện môi Omron
Đây là một thương hiệu đến từ Nhật Bản một đất nước có hệ thống thiết bị tân tiến bậc nhất trên thế giới. Cảm dòng cảm biến Omron có độ bền và độ chính xác rất cao
Nhưng cũng giống như hãng Autonics thì cảm biến omron có phạm vi đo khá hẹp nên chỉ ứng dụng trong những môi trường thông thường.
Cảm biến điện dung Dinel
Thương hiệu của Cộng Hoà Séc – Một trong những đất nước có nền công nghiệp phát triển mạnh. Những thiết bị được sản xuất từ Dinel luôn đảm bảo các yếu tố như độ chính xác cao trên từng thang đo, độ ổn định cực cao, thiết kế nhỏ gọn dễ lắp đặt, làm việc được ở những môi trường khác nhau.
Trên đây là những thông tin về dòng cảm biến điện dung. Mong rằng những thông tin được chia sẻ sẽ giúp bạn có nhiều kiến thức bổ ích.
