Cảm biến mức nước 4-20mA được dùng khi hệ thống cần biết chính xác lượng nước đang có trong bồn, bể, giếng hoặc hồ tại mọi thời điểm. Khác với cảm biến báo đầy – báo cạn chỉ phát hiện một vị trí, cảm biến đo mức nước liên tục tạo ra giá trị thay đổi từ 0–100% và truyền về PLC, bộ hiển thị hoặc SCADA.
Cảm biến đo mức 4-20mA là các dạng: Siêu Âm – Radar – Điện Dung – Thủy Tĩnh – Chênh Áp – Áp Suất hoặc vài loại đặc biệt khác. Kết quả có thể hiển thị theo mét, milimét, phần trăm, lít hoặc m³. Tín hiệu 4-20mA là chuẩn tín hiệu analog dòng điện dùng để biểu diễn giá trị mức đo. HART bổ sung dữ liệu số trên cùng vòng dòng, còn Modbus là giao thức truyền thông số.
Công nghệ đo có thể là thủy tĩnh, siêu âm, radar, điện dung hoặc chênh áp. Muốn chọn đúng trong số các loại cảm biến đo mức nước, cần xác định dải đo, bồn hở hay kín, bọt, hơi, nhiệt độ, áp suất, vị trí lắp và loại ngõ vào của PLC.
Xác nhận nhanh các kiểu đo mức nước:
- Bồn hở, nước sạch: siêu âm hoặc radar.
- Giếng sâu, bể ngầm: cảm biến thủy tĩnh.
- Bồn kín có áp suất: radar hoặc chênh áp.
- Bồn có cánh khuấy: radar hoặc ống bypass; đầu dò tiếp xúc phải tránh vùng quét của cánh khuấy.
Cảm biến mức nước 4-20mA là gì?
Cảm biến mức nước 4-20mA đo mức liên tục và chuyển kết quả thành dòng điện 4-20mA. Thông thường, 4mA là mức thấp nhất, 20mA là mức cao nhất và các giá trị giữa dải thay đổi tuyến tính.
PLC hoặc bộ hiển thị quy đổi tín hiệu thành mét, phần trăm hoặc thể tích. Muốn hiển thị lít hay m³, hệ thống cần biết hình dạng và kích thước bồn.
Một vòng đo cơ bản gồm cảm biến, nguồn cấp và thiết bị nhận tín hiệu. PLC, bộ hiển thị, relay, contactor hoặc SCADA được bổ sung tùy chức năng điều khiển và giám sát. Cần phân biệt đầu ra với nguyên lý cảm biến mức nước: nhiều công nghệ vẫn có thể cung cấp cùng ngõ ra 4-20mA.
Đo liên tục khác báo đầy – báo cạn như thế nào?
| Tiêu chí | Đo mức liên tục | Báo đầy – báo cạn |
| Kết quả | Giá trị toàn dải 0–100% | Trạng thái ON/OFF |
| Tín hiệu | 4-20mA, 0-10V, HART, Modbus | Relay, PNP, NPN |
| Chức năng | Hiển thị, lưu dữ liệu, điều khiển nhiều ngưỡng | Chống tràn, chống cạn |
| Thiết bị nhận | PLC, bộ hiển thị, SCADA | Relay, contactor, PLC |
Nếu chỉ cần chạy hoặc dừng bơm tại hai điểm, có thể dùng cảm biến ON/OFF. Hiển thị mức và điều khiển nhiều ngưỡng cần cảm biến liên tục.
Tín hiệu 4-20mA thể hiện mức nước như thế nào?
Trong vòng dòng tiêu chuẩn, 4mA thường là 0% và 20mA là 100%. PLC scale dòng điện về đơn vị kỹ thuật; với dải 0–10m, 12mA tương ứng 5m.
4mA không phải mất tín hiệu. Dải có điểm bắt đầu khác 0 giúp nhận biết một số lỗi như đứt dây hoặc mất nguồn. Ngưỡng chẩn đoán phụ thuộc từng thiết bị.
Radar và siêu âm lắp trên đỉnh đo khoảng cách, vốn giảm khi mức tăng. Vì vậy phải cài đúng chiều 4-20mA hoặc 20–4mA. Xem thêm tín hiệu 4-20mA là gì.
Ví dụ dải đo mức nước 0–10m
| Tín hiệu | Phần trăm | Mức nước |
| 4mA | 0% | 0m |
| 6mA | 12,5% | 1,25m |
| 8mA | 25% | 2,5m |
| 10mA | 37,5% | 3,75m |
| 12mA | 50% | 5m |
| 14mA | 62,5% | 6,25m |
| 16mA | 75% | 7,5m |
| 18mA | 87,5% | 8,75m |
| 20mA | 100% | 10m |
Bảng chỉ đúng khi cảm biến được cài tuyến tính 0–10m tương ứng 4-20mA. Nếu thay đổi dải hoặc đảo chiều tín hiệu, kết quả phải tính lại.
Công thức quy đổi 4-20mA sang mét nước
Giá trị đo = LRV + (I − 4) ÷ 16 × (URV − LRV)
Trong đó:
- I là dòng điện đo được.
- LRV là giá trị tại 4mA.
- URV là giá trị tại 20mA.
Công thức cho dải bắt đầu từ 0:
Mức nước = (Giá trị mA − 4) ÷ 16 × dải đo
Giá trị mA là dòng PLC đọc; 16 là độ rộng vòng dòng; dải đo là mức cao nhất đã cài.
Ví dụ 1: Cảm biến dải 0–10m phát 14,4mA:
(14,4 − 4) ÷ 16 × 10 = 6,5m
Ví dụ 2: Cảm biến dải 0–5m phát 10,4mA:
(10,4 − 4) ÷ 16 × 5 = 2m
Nếu dải không bắt đầu từ 0, phải cộng giá trị thấp nhất. Khi lập trình cần kiểm tra đơn vị và giá trị analog thô. Tham khảo cách quy đổi 4-20mA.
Vì sao cảm biến mức nước thường dùng tín hiệu 4-20mA?
| Ưu điểm | Giới hạn cần kiểm tra |
| Phổ biến trong nhà máy, dễ kết nối analog input | PLC phải có đúng loại ngõ vào |
| Dùng được với transmitter hai dây | Cần đủ điện áp cho toàn vòng dòng |
| Có thể nhận biết một số trạng thái bất thường | Ngưỡng lỗi phụ thuộc thiết bị |
| Tín hiệu ổn định khi thiết kế đúng | Vẫn bị ảnh hưởng bởi tải, cáp và nhiễu |
Cảm biến analog phù hợp khi cần một giá trị liên tục. Khoảng cách truyền phụ thuộc nguồn, điện trở dây, tổng tải và nhiễu; không có một khoảng cách cố định cho mọi hệ thống.
Nên chọn 4-20mA, 0-10V, HART hay Modbus?
| Tín hiệu | Đặc điểm | Khi nên dùng |
| 4-20mA | Một giá trị analog, phổ biến và dễ kiểm tra | Truyền mức về PLC hoặc bộ hiển thị |
| 0-10V | Mạch đơn giản nhưng nhạy hơn với sụt áp, nhiễu | Khoảng cách gần, môi trường ít nhiễu |
| 4-20mA/HART | HART hoạt động cùng vòng dòng, hỗ trợ cấu hình và chẩn đoán | Nhà máy cần quản lý thiết bị đo |
| Modbus RTU | Dữ liệu số theo thanh ghi, đọc được nhiều thông số | PLC, datalogger, SCADA, mạng nhiều cảm biến |
| Relay | Chỉ đóng hoặc mở | Báo điểm, không phải tín hiệu đo liên tục |
Cảm biến HART giữ 4-20mA và bổ sung cấu hình, chẩn đoán. Modbus có nhiều dữ liệu hơn nhưng phải thiết lập địa chỉ, baud rate, parity, thanh ghi và topology.
Trước khi đặt hàng, kiểm tra PLC dùng analog input hay RS485, số thiết bị và khoảng cách truyền.
Các loại cảm biến mức nước có ngõ ra 4-20mA
Các công nghệ sau đều có ngõ ra liên tục nhưng điều kiện sử dụng khác nhau.
Cảm biến thủy tĩnh 4-20mA
Cảm biến đo mức thủy tĩnh thả gần đáy để đo áp suất cột nước, phù hợp giếng, hồ và bể sâu. Bọt không ảnh hưởng trực tiếp nhưng đầu dò tiếp xúc với nước. Cần kiểm tra vật liệu, cặn, dải mH₂O, chiều dài cáp và bảo vệ cáp thông hơi khỏi ẩm.
Cảm biến siêu âm 4-20mA
Đo mức nước bằng cảm biến siêu âm phù hợp bồn hở, nước sạch và bể ít hơi. Cần đủ vùng mù; hơi, bọt, ngưng tụ, nhiệt độ và vật cản có thể ảnh hưởng tín hiệu. Vùng phát sóng phải thông thoáng.
Cảm biến đo mức radar 4-20mA
Cảm biến đo mức radar gồm loại không tiếp xúc và dẫn sóng, phù hợp nơi có hơi hoặc khoảng đo xa. Cần kiểm tra góc phát, cổ bồn, vật cản, dòng nạp và khả năng phản xạ. Radar dẫn sóng còn phải xem xét cặn bám.
Cảm biến điện dung 4-20mA
Cảm biến đo mức nước bằng điện dung dùng đầu dò tiếp xúc cho bồn thấp hoặc không gian nhỏ. Đầu dò phải đúng chiều dài và được hiệu chỉnh. Cặn bám hoặc thay đổi điện môi có thể gây sai lệch.
Cảm biến áp suất và chênh áp 4-20mA
Đo mức nước bằng cảm biến áp suất dùng gauge lắp đáy cho bồn hở và chênh áp cho bồn kín. Không dùng gauge đơn khi áp suất khí thay đổi. Kết quả còn phụ thuộc khối lượng riêng.
Bảng chọn cảm biến mức nước 4-20mA theo ứng dụng
| Ứng dụng | Công nghệ ưu tiên | Tín hiệu đề xuất | Nội dung cần lưu ý |
| Bồn nước sạch hở | Siêu âm hoặc radar | 4-20mA | Vùng mù, chiều cao, vị trí lắp |
| Bể nước thải có bọt | Radar hoặc thủy tĩnh | 4-20mA/HART | Bọt, cặn, ăn mòn, vệ sinh |
| Giếng khoan | Thủy tĩnh | 4-20mA | Dải mH₂O, chiều dài cáp, đường kính đầu dò |
| Hồ, sông, thủy điện | Radar hoặc thủy tĩnh | 4-20mA/Modbus | Dao động, chống sét, khoảng cách truyền |
| Bồn kín có áp suất | Chênh áp hoặc radar phù hợp | 4-20mA/HART | Áp suất phía trên mặt nước |
| Bồn có cánh khuấy | Ưu tiên radar không tiếp xúc nếu đủ không gian. Radar dẫn sóng hoặc điện dung chỉ sử dụng khi đầu dò nằm ngoài vùng hoạt động của cánh khuấy hoặc được lắp trong ống bypass. | 4-20mA | Vật cản, dòng nạp, dao động |
| Bồn thấp dưới 2m | Điện dung, siêu âm hoặc áp suất | 4-20mA | Vùng mù, không gian lắp, độ chính xác |
| Nhiều cảm biến | Modbus hoặc bộ chuyển đổi | RS485 Modbus | Địa chỉ, tốc độ truyền, topology |
Bảng chỉ sàng lọc ban đầu; model phải được xác nhận theo điều kiện thực tế.
Cách chọn dải đo cảm biến mức nước
Xác định mức thấp, mức cao, chiều cao bồn, khoảng cách lắp và vùng mù. Chọn dải gần khoảng sử dụng nhưng có dự phòng phù hợp.
| Chiều cao sử dụng | Dải cảm biến tham khảo | Điều cần kiểm tra |
| Đến 1m | 0–1m hoặc dải gần nhất | Điểm mù, độ chính xác |
| Đến 2m | 0–2m hoặc dải kế tiếp | Khoảng cách lắp trên đỉnh |
| Đến 5m | 0–5m | Mức thấp, mức cao thực tế |
| Đến 10m | 0–10m | Dự phòng và vùng không đo |
Ví dụ chọn dải đo
- Bồn cao 2m nhưng đầu siêu âm cách mức đầy 0,3m: phải tính cả vùng mù, không chỉ chọn theo chiều cao bồn.
- Bể sâu 6m: có thể cần dải kế tiếp lớn hơn 6m, tùy vị trí lắp và dự phòng.
- Giếng sâu 30m nhưng mực nước chỉ biến thiên 12m: chọn cảm biến thủy tĩnh theo cột nước tác động và vị trí thả, không mặc định theo toàn bộ độ sâu giếng.
Tôi từng lắp cảm biến siêu âm cho bể nước sạch 25 m³ có chiều cao bể 2 m. Tuy nhiên, do cổ lắp cảm biến cao 300 mm, khoảng cách thực tế từ mặt cảm biến đến đáy bể là 2,3 m. Vì vậy, phải chọn cảm biến theo toàn bộ khoảng cách từ mặt cảm biến đến đáy. Với trường hợp này, có thể chọn cảm biến có khoảng đo tối đa 6 m và cấu hình dải đo 0–2,3 m tương ứng 4-20mA. Dải đo trên cảm biến, bộ hiển thị và PLC phải được cấu hình đồng nhất.
Cảm biến 4-20mA hai dây, ba dây và bốn dây
| Loại | Cấp nguồn và tín hiệu | Lưu ý |
| Hai dây | Nguồn và tín hiệu dùng chung vòng dòng | Phổ biến với transmitter công nghiệp |
| Ba dây | Dây nguồn dương, nguồn âm và tín hiệu | Phải kiểm tra điểm chung nguồn |
| Bốn dây | Nguồn và tín hiệu tách riêng | Phù hợp thiết bị cần nguồn độc lập |
Cảm biến hai dây vẫn cần nguồn và thiết bị nhận phù hợp. Loại ba hoặc bốn dây phải đấu theo sơ đồ của model, không suy luận theo màu dây.
Kết nối cảm biến mức nước 4-20mA với PLC
Sơ đồ chức năng kết nối cảm biến 4-20mA:
Nguồn 24Vdc => cảm biến => PLC
Trước khi đấu PLC, kiểm tra input active hay passive. Input passive thường cần nguồn 24VDC ngoài. Phải đúng cực tính và đủ điện áp sau sụt áp trên toàn vòng dòng.
Cáp tín hiệu nên tách dây động lực, dùng chống nhiễu và nối đất đúng thiết kế. Đường cáp ngoài trời cần chống sét.
Scale tín hiệu trong PLC
PLC nhận giá trị analog thô rồi đổi về mA và đơn vị kỹ thuật. Với dải 0–10m, 4mA là 0m và 20mA là 10m. Giá trị thô khác nhau theo module nên phải tra tài liệu. Khi sai tỷ lệ, kiểm tra hai điểm scale, đơn vị và chiều đo.
Kết nối cảm biến mức nước 4-20mA với bộ hiển thị mức nước
Bộ hiển thị mức nước scale 4-20mA thành mét, phần trăm hoặc thể tích và có thể tích hợp relay.
Một số bộ hiển thị mực nước như STR551 hay S311A có chức năng tự phát nguồn như một bộ nguồn 24Vdc cho cảm biến. Chức năng cấp nguồn cảm biến tích hợp giúp không cần lắp thêm bộ nguồn 24VDC rời và đơn giản hóa đấu nối.
Tùy phiên bản, STR551 hoặc S311A có thể tích hợp nguồn cấp cảm biến, ngõ ra relay và tín hiệu analog truyền lại. Cần kiểm tra đúng mã hàng và datasheet trước khi đấu nối.
Có thể truyền mức nước về SCADA hoặc Internet không?
Có. PLC, datalogger hoặc bộ chuyển đổi có thể đưa 4-20mA sang Modbus, Ethernet hoặc 4G để SCADA hiển thị, cảnh báo và lưu dữ liệu.
Cảm biến chỉ tạo giá trị mức; truyền Internet phụ thuộc gateway, modem, giao thức và nguồn. Điểm ngoài trời cần chống sét và phương án khi mất kết nối.
Những lỗi thường gặp với tín hiệu 4-20mA
| Hiện tượng | Nguyên nhân có thể | Hướng kiểm tra |
| PLC đọc 0mA | Mất nguồn, đứt dây, đảo cực | Đo nguồn và kiểm tra vòng dòng |
| Luôn đọc 4mA | Mức thấp hoặc chưa cấu hình | Kiểm tra mức và dải cài đặt |
| Vượt 20mA | Vượt dải hoặc báo lỗi | Kiểm tra tài liệu chẩn đoán |
| Giá trị dao động | Nhiễu, mặt nước động, vị trí sai | Tách cáp, kiểm tra đất và vị trí |
| Tín hiệu truyền về bị sai | Dải scale LRV–URV không khớp khoảng đo thực tế | Kiểm tra và cấu hình lại LRV, URV trên cảm biến và chương trình PLC. |
| Sai tỷ lệ | PLC scale sai | Kiểm tra điểm thấp, cao và đơn vị |
| Không đọc được dòng | Sai active/passive | Kiểm tra input và nguồn vòng dòng |
| Giảm khi nối thêm thiết bị | Tải cao hoặc nguồn thiếu | Tính lại toàn bộ tải |
| Hiển thị ngược | Đảo 4-20mA/20-4mA | Kiểm tra cấu hình đầu ra |
Khi có lỗi, kiểm tra nguồn, cực tính, cấu hình, module PLC, tải, cáp và vị trí trước khi thay cảm biến. Một lỗi thường gặp là giá trị hiển thị trên PLC hoặc DCS không khớp với mức nước thực tế. Theo kinh nghiệm lắp đặt, có hai nguyên nhân chính:
- Giá trị hiển thị trực tiếp trên cảm biến đúng, nhưng dải LRV–URV được cài trên PLC hoặc bộ hiển thị không khớp với dải đã cấu hình trên cảm biến.
- Cáp tín hiệu đi gần biến tần, động cơ hoặc dây động lực có thể bị nhiễu. Khi đo ngay tại cảm biến, tín hiệu vẫn đúng nhưng giá trị nhận tại PLC hoặc DCS có thể sai lệch hoặc mất ổn định.
Các model cảm biến mức nước 4-20mA tham khảo
| Model | Công nghệ | Dải đo tổng quát | Ứng dụng chính |
| HLM-25S/HLM-25C | Thủy tĩnh | Chọn theo cột nước và cáp | Giếng, hồ, bể sâu |
| ULM-53N/ULM-70N | Siêu âm | Tùy phiên bản | Bồn hở, bể xử lý |
| LR80/LR81/LR83/LR85 | Radar không tiếp xúc | Bồn nhỏ đến khoảng đo xa | Nước sạch, nước thải, hồ |
| GRLM-70N | Radar dẫn sóng | Theo phiên bản đầu dò | Bồn kín, bồn hẹp |
| CLM-36N/DLM-35N | Điện dung | Theo chiều dài đầu dò | Bồn thấp, không gian nhỏ |
Mỗi model có nhiều phiên bản; cần xác nhận mã hàng bằng datasheet.
Giá cảm biến mức nước 4-20mA phụ thuộc vào yếu tố nào?
Giá phụ thuộc công nghệ, dải đo, độ chính xác, vật liệu, nhiệt độ, áp suất, màn hình, HART/Modbus, IP, chống nổ, chiều dài cáp và phụ kiện.
Yêu cầu báo giá cần kèm thông tin bồn, vị trí lắp và tín hiệu PLC.
Thông tin cần cung cấp khi yêu cầu báo giá
- Loại nước và tình trạng cặn.
- Mức thấp nhất, mức cao nhất, chiều cao bồn hoặc độ sâu giếng.
- Bồn hở hay kín; nhiệt độ và áp suất.
- Tình trạng bọt, hơi, ngưng tụ, cánh khuấy và dòng nạp.
- Vị trí lắp và không gian cơ khí.
- Tín hiệu 4-20mA, HART hoặc Modbus.
- Nguồn cấp, loại PLC và analog input active/passive.
- Chiều dài cáp, vị trí ngoài trời và yêu cầu chống nổ nếu có.
Câu hỏi thường gặp
Cảm biến mức nước 4–20mA có phải cảm biến đo liên tục không?
Có, nếu dòng thay đổi tuyến tính theo toàn dải. Không nhầm với cảm biến relay ON/OFF.
4mA tương ứng mức đầy hay mức cạn?
Thông thường là mức thấp; một số model có thể cấu hình ngược.
Có thể đảo tín hiệu thành 20–4mA không?
Có nếu thiết bị hỗ trợ đầu ra nghịch và logic điều khiển yêu cầu.
Tín hiệu 4–20mA truyền được bao xa?
Khoảng cách phụ thuộc nguồn, tổng tải, điện trở cáp và nhiễu; cần tính cả vòng dòng.
Cảm biến có điều khiển bơm trực tiếp được không?
Không nên. Cần PLC, bộ điều khiển, relay trung gian hoặc contactor.
Một cảm biến có thể kết nối đồng thời PLC và màn hình không?
Có nếu thiết kế vòng dòng phù hợp hoặc dùng bộ chia, cách ly tín hiệu.
Cảm biến siêu âm hay thủy tĩnh tốt hơn?
Phụ thuộc bồn, bọt, cặn, vị trí lắp và khoảng đo; không có lựa chọn tốt nhất cho mọi ứng dụng.
Khi nào nên dùng radar?
Khi cần đo không tiếp xúc trong môi trường có hơi, khoảng đo xa hoặc điều kiện đo phức tạp.
Modbus có tốt hơn 4–20mA không?
Không phải mọi trường hợp. Modbus có nhiều dữ liệu hơn nhưng cấu hình phức tạp hơn.
Có thể hiển thị mức theo lít hoặc m³ không?
Có nếu PLC hoặc bộ hiển thị có dữ liệu hình dạng và kích thước bồn.
Làm sao phát hiện đứt dây cảm biến?
Theo dõi dòng ngoài dải làm việc và chức năng chẩn đoán của cảm biến, PLC hoặc bộ hiển thị.
Nên chọn dải đo lớn hơn chiều cao bồn bao nhiêu?
Chọn theo khoảng thực tế, vị trí lắp, vùng mù và dự phòng; không có một tỷ lệ cố định cho mọi bồn.
Cảm biến mức nước 4-20mA phù hợp với hệ thống cần đo liên tục từ 0–100% và truyền giá trị về PLC, bộ hiển thị hoặc SCADA. Tuy nhiên, 4-20mA chỉ là tín hiệu đầu ra; công nghệ cảm biến phải được chọn theo bồn, khoảng đo, hơi, bọt, nhiệt độ, áp suất và vị trí lắp.
Để chọn đúng cảm biến mức nước 4-20mA, quý khách vui lòng cung cấp chiều cao cần đo, loại bồn, nhiệt độ, áp suất, tình trạng hơi/bọt, vị trí lắp và tín hiệu PLC đang sử dụng. HUPHACO sẽ đối chiếu điều kiện thực tế để lựa chọn công nghệ, dải đo và model phù hợp.
Liên hệ HUPHACO nếu cần cảm biến mức nước 4-20mA, kiểm tra dải đo hoặc tư vấn phương án lắp đặt phù hợp.
Hotline: 0937.27.55.66
Website: www.huphaco.vn
Email: info@huphaco.vn
Chịu trách nhiệm nội dung:
Kỹ sư Cơ – Điện Tử
Nguyễn Minh Hòa
Tôi có hơn 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực đo lường, cảm biến và tự động hóa công nghiệp. Nội dung được biên soạn dựa trên kiến thức kỹ thuật và kinh nghiệm ứng dụng thực tế.
BÀI VIẾT LIÊN QUAN