Ứng Dụng Cảm biến Siêu Âm

Cảm biến siêu âm không còn quá xa lạ với anh em kỹ thuật bởi nó được sử dụng để đo mức nước, phát hiện vật cản, đo khoảng cách. Bạn có biết cấu tạo của cảm biến siêu âm cũng như nguyên lý cảm biến siêu âm hoạt động như thế nào. Chúng ta cùng tìm hiểu ứng dụng cảm biến siêu âm cùng các chức năng của cảm biến được gọi là siêu âm. Trước tiên chúng ta cùng tìm hiểuc cảm biến siêu âm là gì ?

Cảm biến siêu âm là gì ?

Cảm biến siêu âm là một loại cảm biến hoạt động dựa vào nguyên lý sóng âm. Đây là một loại cảm biến có khả năng phát ra một loại sóng có tần số bằng tần số âm thanh. Chính vì thế loại cảm biến này được gọi là cảm biến siêu âm.

Cấu tạo cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm có cấu tạo hết sức đơn giản bao gồm : một đầu phát song âm và một đầu thu sóng âm. Khi hoạt động cảm biến sẽ phát ra một chùm tia sóng từ đầu của cảm biến. Sau khi sóng gặp vật cản sẽ phản hồi lại. Đầu thu của cảm biến siêu âm sẽ nhận lại sóng phản hồi này. Dựa vào tính toán cảm biến siêu âm sẽ phát hiện được vật thể cản cách cảm biến siêu âm bao nhiêu mét.

Nguyên lý cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm có nguyên lý hoạt động hết sức đơn giản. Tuỳ theo khoảng cách đo mà mỗi loại cảm biến siêu âm sẽ có một tần số phát ra nhất định. Khoảng cách càng xa thì tần số càng nhỏ và ngược lại khoảng cách càng gần thì tần số càng lớn.

Đầu tiên cảm biến siêu âm sẽ phát ra một sóng âm bắn về phía trước. Khi gặp bật cản thì sóng âm sẽ đi ngược lại về cảm biến siêu âm. Khi sóng âm phản hồi về tới cảm biến thì cảm biến sẽ tính toán thời gian từ lúc phát sóng ra cho tới lúc nhận sóng về. Thời gian được quy đổi thành khoảng cách từ cảm biến cho tới cảm biến.

Ứng dụng cảm biến siêu âm công nghiệp

Bạn sẽ rất dể nhầm lẫn giữa các lọi cảm biến siêu âm có trên thị trường khi vào google và gõ “ cảm biến siêu âm “ bởi có có rất nhiều loại cảm biến siêu âm khác với các ứng dụng cảm biến siêu âm khác nhau.

Cảm biến siêu âm arduino hc-sr04

Cảm biến siêu âm giá rẻ là loại mà bạn sẽ thường gặp nhất và cũng là đối tượng của sinh viên tìm hiểu nhiều nhất. Các loại cảm biến siêu âm phổ biến như : HC-SR04, cảm biến siêu âm arduino, HC-SR05, SRF05 … các loại cảm biến siêu âm này cần phải có code để lập trình. Code cảm biến siêu âm khá đơn giản với các cấu trúc có sẵn & chỉ cần nạp vào vi xử lý để đọc.

Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản

Cảm biến siêu âm công nghiệp dùng cho phát hiện vật cản. Đây là một loại được thiết kế khá nhỏ gọn như một con cảm biến tiệm cận. Loại này được sử dụng để phát hiện vật cản do có chùm tia phóng khá lớn. Đường kính chùm tia từ 1-2m phù hợp cho việc phát hiện vật cản nhưng lại là nhược điểm khi dùng để đo mức nước và đo mức chất rắn.

Đối với các bồn chứa chất lỏng có đường kính từ 2m trở xuống sẽ không thể sử dụng loại cảm biến này để đo mức nước. Bởi các tia khi phát ra sẽ bị chạm vào thành bồn chứa. Lúc này kết quả cho về sẽ không chính và gặp hiện tượng kết quả cho giá trị rất lớn hoặc rất nhỏ liên tục thay đổi.

Cảm biến siêu âm đo mức nước

Đo mực nước bằng cảm biến siêu âm là một trong những ứng dụng được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp. Bởi góc phát tia sóng âm của loại cảm biến này rất nhỏ từ 10-12 độ. Khoảng cách càng lớn thì góc phát càng lớn. Cảm biến siêu âm đo mức nước có độ chính xác khá cao từ 1mm cho tới 2.5mm.

Tín hiệu ngõ ra của cảm biến siêu âm đo mức nước là 4-20mA hoặc 0-10V với hai tuỳ chọn có hiển thị và không hiển thị. Giải pháp đo mức nước bằng cảm biến siêu âm có hiển thị mang tới độ chính xác cao và sự tuỳ biến dể dàng khi cần điều chỉnh thang đo thực tế.

Một trong những khó khăn khi sử dụng cảm biến siêu âm là làm sao cài đặt để đo chính xác. Đôi khi chúng ta quá quan tâm tới giá thành của cảm biến mà quên rằng loại càng có giá trị cao thì việc sử dụng lại càng đơn giản.

Cảm biến siêu âm đo khoảng cách

Đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm chúng ta thường dùng cảm biến siêu âm co thiết kế như cảm biến tiệm cận bởi giá thành rẻ. Loại này phù hợp cho những vị trí không quan trọng và cần chi phí thấp.

Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản ULS-53N cho độ chính xác cao & mức độ tuỳ biến cho từng môi trường sử dụng. Cảm biến có thể tuỳ ý cài đặt các khoảng đo trong giới hạn của cảm biến. Chúng ta có thể tuỳ chọn On-Off trong vùng của cảm biến. Tôi ví dụ rằng cảm biến ULM-53N-06 có thể cài đặt 2.7 thì ON và 3.7 thì OFF trên cùng một tiếp điểm Relay ngõ ra.

Tìm hiểu thêm: ” các loại cảm biến siêu âm ” 

Cảm biến siêu âm công nghiệp

Cảm biến siêu âm công nghiệp có thiết kế hoàn toàn khác so với các loại cảm biến tiệm cận siêu âm và cảm biến siêu âm arduino. Tiêu chuẩn IP67 – 68 chống nước nên còn được gọi là cảm biến siêu âm chống nước .

Cảm biến siêu âm công nghiệp giá rẻ ULM-53

Một trong những cảm biến siêu âm đang được ưa chuộng và tin dùng chính là cảm biến siêu âm ULM-53N-02-G-G-G-M và ULM-53N-06-G-I-G-M. Trong đó

Hai sự lựa chọn về tiêu chuẩn sử dụng:

• ULM-53N : dùng cho môi trường bình thường
• ULM-53Xi : dùng cho môi trường chống cháy nổ EX II ½ G Ex ia IIA T5 in zone 0 – 1

Khoảng cách đo có nhiều sự lựa chọn :

• ULM-53_01 : cho khoảng cách đo 0.1-1m
• ULM-53_02 : cho khoảng cách đo 0.2-2m
• ULM-53_06 : cho khoảng cách đo 0.2-6m
• ULM-53_10 : cho khoảng cách đo 0.4-10m
• ULM-53_20 : cho khoảng cách đo 0.5-20m

Tương ứng với code một số 01-02-06-10-20 là thang đo của cảm biến siêu âm ULM-53. Chúng ta lưu ý về góc chiếu của cảm biến ULM-53 như sau:

• ULM-53_01, 02, 10 : là 10 độ
• ULM-53_06 : là 14 độ
• ULM-53_20 : là 12 độ

Chúng ta thấy rằng ULM-53_-10 lại có góc chiếu là 10 độ trong khi 06 là 14 độ. Đây là điểm cần lưu ý để lắp đặt cảm biến siêu âm sao chu phù hợp với bồn chứa.

Sai số là một điểm luôn luôn được quan tâm chúng ta cùng xem ULM-53 có sai số như thế nào nhé.

• ULM-53_01 : có sai số là 0.2%
• ULM-53_02, 06 : có sai số là 0.15%
• ULM-53_10, 20 : có sai số 0.2%

Thực nghiệm cho thấy cảm biến ULM-53 không chỉ đạt sai số cho phép như hãng công bố. Trong một số trường hợp cảm biến siêu âm ULM-53 cho độ chính gần như tuyệt đối – không có sự sai lệch trong thực tế khi lắp đặt đúng tiêu chuẩn.

Do cảm biến siêu âm ULM-53N được thiết kế theo chuẩn công nghiệp nhưng giá rẻ nên toàn thân được làm bằng nhựa PVDF. Đây là một trong những loại nhựa chó khả năng chống mòn và chống sự tác động của môi trường.

Về tín hiệu ngõ ra chúng ta chỉ có ba sự lựa chọn :

• 4-20mA giới hạng 3.9 … 20.5mA
• 0-10V giới hạn 0-10.2Vdc
• Modbus RTU Rs 485 – Protocol

Áp suất và nhiệt độ làm việc khá thấp nên chỉ phù hợp dùng trong các bồn chứa hở Không có nhiệt độ cao :

• Nhiệt độ làm việc từ -30…70oC
• Áp suất chịu được max : 1 bar ( 0.1 Mpa )
• Tiêu chuẩn chống nước IP67 và IP 68 cho option

Cài đặt sẽ tương đối đơn giản đối với ULM-53 khi có 2 cách cài đặt là dùng nút nhấn và cài bằng bút từ đi kèm với cảm biến.

Với các thông số trên cảm biến siêu âm ULM-53N được xem là giải pháp tối ưu cho các yêu cầu về đo mức nước, đo mức đầu, nước thải … với độ chính xác cao, giá thành cạnh tranh. ULM-53N được xem là tiêu chuẩn để so sánh với các hãng khác trên thế giới về chất lượng, sai số & giá thành.

Cảm biến siêu âm công nghiệp chính xác cao ULM-70N

Cảm biến siêu âm ULM-70N được đánh là loại cảm biến siêu âm có độ chính xác cao sử dụng tốt cho ngoài trời với tiêu chuẩn IP67. ULM-70N dể dàng cài đặt độ nhạy của cảm biến để loại bỏ các giao động của bề mặt chất lỏng. Màn hình hiển thị dạng Oled cho hiển thị sắc nét ngay cả trong bóng tối do có độ tương phản cao.

Thang đo của cảm biến có thể tuỳ biến dể dàng trong giới hạn đo của cảm biến. Cảm biến cho phép tuỳ chọn mức Min và Max cho khoảng cách Xa nhất và Gần nhất. Tất nhiên, cảm biến cũng cho phép đảo ngược trạng thái Min – Max thành Max – Min cho phù hợp với từng ứng dụng khác nhau.

Hai sự lựa chọn về tiêu chuẩn sử dụng:

• ULM-70N : dùng cho môi trường bình thường
• ULM-70Xi : dùng cho môi trường chống cháy nổ EX II ½ G Ex ia IIA T5 in zone 0 – 1

Khoảng cách đo có nhiều sự lựa chọn :

• ULM-70_02 : cho khoảng cách đo 0.2-2m
• ULM-70_06 : cho khoảng cách đo 0.2-6m
• ULM-70_10 : cho khoảng cách đo 0.4-10m
• ULM-70_20 : cho khoảng cách đo 0.5-20m

Tương ứng với code một số 02-06-10-20 là thang đo của cảm biến siêu âm ULM-70. Chúng ta lưu ý về góc chiếu của cảm biến ULM-70 như sau:

• ULM-53_ 02, 10 : là 10 độ
• ULM-53_06 : là 14 độ
• ULM-53_20 : là 12 độ

Chúng ta thấy rằng ULM-70_-10 lại có góc chiếu là 10 độ trong khi 06 là 14 độ. Đây là điểm cần lưu ý để lắp đặt cảm biến siêu âm sao chu phù hợp với bồn chứa.

Sai số là một điểm luôn luôn được quan tâm chúng ta cùng xem ULM-70 có sai số như thế nào nhé.

Sai số 0.15% trên toàn dải đo với độ phân giải :

• ULM-70_02, 06 : < 1mm
• ULM-70_10 : < 2mm
• ULM-70_-20 : < 2.5

Sai số của cảm biến siêu âm ULM-70 không tính theo phần trăm ( % ) như cảm biến ULM-53 mà tính bằng Milimet. Với sai số cực nhỏ trên từng thang đo. Độ chính xác được xem ngang với các loại cảm biến Radar của các hãng khác.

Cảm biến siêu âm ULM-70N có tiêu chuẩn cao trong nghiệp với thân làm bằng nhôm nguyên khối được phủ lớp sơn chống rỉ và chống thấm nước.

Về tín hiệu ngõ ra chúng ta chỉ có ba sự lựa chọn :

• 4-20mA giới hạng 3.9 … 20.5mA – HART
• Modbus RTU Rs 485 – Protocol

Áp suất và nhiệt độ làm việc khá thấp nên chỉ phù hợp dùng trong các bồn chứa hở Không có nhiệt độ cao :

• Nhiệt độ làm việc từ -30…70oC
• Áp suất chịu được max : 1 bar ( 0.1 Mpa )
• Tiêu chuẩn chống nước IP67 và không có tuỳ chọn IP68 như cảm biến ULM-53.

Màn hình hiển thị siêu nét với công nghệ Oled maxtric với nguồn cấp từ 18-36Vdc. Bên cạnh đó ULM-70 còn có khả năng tuỳ chọn thời gian lấy mẫu từ 1…4s. Tức là có thể đo với độ chính xác cao 1s và lấy điểm trung bình trong 4s để đưa kết quả về PLC.

Về cài đặt các thông số cho cảm biến ULM-70 thì chúng ta chỉ cần vào các menu trên màn hình và chọn khoảng cách cần đo. Bạn có thể lấy gía trị thực tế hoặc giá trị tính toán trước để nhập vào cảm biến ULM-70. Nó hoạt động giống như một máy tính vậy, chỉ cần cho vào thông số còn lại cảm biến sẽ tự làm việc.

Báo giá cảm biến siêu âm mực nước

Khi cần sử dụng cảm biến siêu âm đo mmức chất lỏng bạn cần tìm đúng loại & cần một báo giá cảm biến siêu âm mực nước. Sẽ vài lựa chọn cho bạn về khoảng cách đo tiêu chuẩn :

• Khoảng cách 0-2m
• Khoảng cách đo 0-6m
• Khoảng cách đo 0-10m
• Khoảng cách đo 0-20m

Từng cảm biến chỉ đo được trong một khoảng nhất định. Nếu bạn chỉ cần đo 2 mét nước trở xuống thì giải pháp tốt nhất là lựa chọn thang đo 0-2m. Tất nhiên bạn cũng có thể lựa chọn 0-6m, 0-10m, 0-20m để đo cho 0-2m mà không lo ảnh hưởng tới sai số. Điều bạn quan tâm chi phí sao cho hợp lý để lựa chọn cảm biến phù hợp nhất.

Công ty Hưng Phát đại diện của hãng Dinel – Czech chuyên về các thiết bị đo mức như siêu âm – radar, điện dung, thuỹ tĩnh đo mức nước – chất rắn. Cần tư vấn về các thiết bị đo lường, hãy liên hệ với chúng tôi để có nhiều sự lựa chọn phù hợp với nhu cầu thực tế.

Kỹ sư Cơ – Điện Tử

Nguyễn Minh Hoà

Mobi : 0937.27.55.66

Mail : hoa.nguyen@huphaco.vn