Cảm biến tiệm cận điện dung là gì? Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng

Phát hiện một chi tiết bằng kim loại tương đối đơn giản vì có thể sử dụng cảm biến tiệm cận điện cảm. Tuy nhiên, khi mục tiêu là chai nhựa, tấm kính, giấy, gỗ, nước, dầu, bột hoặc hạt, người thiết kế cần một nguyên lý phát hiện khác. Cảm biến tiệm cận điện dung là một trong những giải pháp thường được sử dụng cho các vật liệu này.

Thiết bị có thể phát hiện cả vật dẫn điện và vật liệu phi kim, đồng thời được ứng dụng để báo mức qua thành một số loại bình không dẫn điện. Tuy nhiên, hiệu quả phát hiện phụ thuộc nhiều vào hằng số điện môi, kích thước mục tiêu, độ ẩm, độ dày thành bình và cách chỉnh độ nhạy. Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ nguyên lý, cách lựa chọn, đấu nối và sử dụng cảm biến điện dung.

Cảm biến tiệm cận điện dung là gì?

Cảm biến tiệm cận điện dung là thiết bị phát hiện vật thể không tiếp xúc bằng cách nhận biết sự thay đổi điện dung trong vùng điện trường trước mặt cảm biến. Thiết bị có thể phát hiện vật dẫn điện và nhiều vật liệu phi kim như nhựa, thủy tinh, giấy, gỗ, chất lỏng, bột hoặc hạt, tùy thuộc đặc tính vật liệu và điều kiện lắp đặt.

Tên tiếng Anh của thiết bị là capacitive proximity sensor. Ngoài tên cảm biến tiệm cận điện dung, sản phẩm còn có thể được gọi là:

• Cảm biến điện dung.
• Công tắc tiệm cận điện dung.
• Cảm biến phát hiện vật liệu phi kim.
• Cảm biến báo mức điện dung.
• Cảm biến mức điện dung dạng điểm.

Omron mô tả cảm biến điện dung là loại cảm biến nhận biết vật dẫn điện và vật liệu điện môi thông qua sự gia tăng điện dung khi mục tiêu tiến đến điện cực. Autonics cũng cho biết dòng CR của hãng có thể phát hiện các vật liệu có đặc tính điện môi khác không khí, bao gồm kim loại, đá, nhựa, nước và hạt.

Cần phân biệt cảm biến tiệm cận điện dung với đầu dò đo mức điện dung liên tục. Cảm biến tiệm cận thông thường chủ yếu tạo tín hiệu ON/OFF tại một vị trí, trong khi hệ thống đo liên tục có thể trả về giá trị mức theo chiều cao hoặc tín hiệu analog.

Cảm biến tiệm cận điện dung dùng để làm gì?

Cảm biến điện dung được dùng để xác định sự có mặt, vị trí hoặc mức giới hạn của vật liệu. Khi giá trị điện dung trong vùng phát hiện vượt qua ngưỡng cài đặt, ngõ ra cảm biến chuyển trạng thái và gửi tín hiệu đến PLC, relay, bộ đếm hoặc bộ điều khiển.

Những nhiệm vụ thường gặp gồm:

• Phát hiện chai, hộp hoặc khay bằng nhựa.
• Phát hiện giấy, bìa carton, gỗ hoặc thủy tinh.
• Kiểm tra có hoặc không có sản phẩm trong bao bì.
• Phát hiện nước, dầu hoặc dung dịch trong bình.
• Báo mức cao hoặc mức thấp trong bồn chứa.
• Phát hiện bột, hạt, viên nén hoặc nguyên liệu dạng rời.
• Kiểm tra vật liệu trong ống hoặc ống mềm không dẫn điện.
• Xác nhận nguyên liệu đã đi đến vị trí cấp liệu.
• Giám sát tình trạng đầy hoặc cạn của phễu chứa.

ifm cho biết cảm biến điện dung được dùng trong các ngành gỗ, giấy, thủy tinh, nhựa, thực phẩm và hóa chất cho nhiệm vụ phát hiện vị trí hoặc mức. Pepperl+Fuchs cũng liệt kê các ứng dụng như phát hiện giấy, gỗ, nhựa, thủy tinh, kiểm soát mức chất lỏng và vật liệu rời.

Cảm biến điện dung phát hiện được những vật liệu nào?

Về nguyên lý, cảm biến điện dung có thể phản ứng với cả vật dẫn điện và vật liệu cách điện. Tuy nhiên, khoảng cách và độ ổn định không giống nhau đối với mọi vật liệu.

Các nhóm mục tiêu thường gặp gồm:

Vật dẫn điện

• Sắt và thép.
• Nhôm.
• Đồng.
• Dung dịch nước.
• Một số hóa chất dẫn điện.
• Cơ thể người.

Vật dẫn điện thường tạo ra thay đổi điện dung rõ rệt. Dù vậy, nếu mục tiêu chỉ là kim loại, cảm biến điện cảm thường được ưu tiên vì ít chịu ảnh hưởng của độ ẩm và vật liệu phi kim xung quanh hơn.

Vật liệu phi kim

• Nhựa.
• Thủy tinh.
• Gốm.
• Gỗ.
• Giấy và carton.
• Cao su.
• Vải.
• Hạt nhựa.
• Bột.
• Ngũ cốc.
• Dầu và các dung dịch khác.

Khả năng phát hiện phụ thuộc lớn vào hằng số điện môi tương đối của vật liệu. ifm cho biết vật liệu có hằng số điện môi càng cao thường càng dễ phát hiện; kích thước và hình dạng mục tiêu cũng làm thay đổi khoảng cách thực tế.

Chất lỏng

Cảm biến điện dung thường phát hiện tốt nước và dung dịch chứa nước vì những môi chất này tạo ra sự thay đổi điện dung rõ rệt. Dầu có hằng số điện môi thấp hơn nên có thể yêu cầu mặt cảm biến gần hơn, độ nhạy cao hơn hoặc dòng cảm biến chuyên dụng.

Không nên kết luận một cảm biến phát hiện được mọi loại chất lỏng chỉ dựa trên việc thử với nước. Omron cảnh báo rằng cảm biến mức điện dung có thể hoạt động không ổn định nếu điện dung riêng hoặc độ dẫn điện của chất lỏng quá thấp.

Phân biệt cảm biến tiệm cận điện dung và điện cảm

Điểm khác biệt quan trọng nhất là cảm biến điện cảm chỉ chuyên phát hiện kim loại, còn cảm biến điện dung phản ứng với sự thay đổi điện dung do cả vật dẫn điện và vật liệu điện môi tạo ra. ifm nêu rõ cảm biến điện dung có thể phát hiện vật liệu phi kim, trái với cảm biến điện cảm chỉ phát hiện vật kim loại.

Cảm biến điện dung không mặc nhiên tốt hơn cảm biến điện cảm. Nếu mục tiêu là một tấm thép trong môi trường nhiều bụi, nước hoặc cặn bám, cảm biến điện cảm thường ổn định hơn. Cảm biến điện dung phù hợp khi mục tiêu là phi kim hoặc khi cần phát hiện mức qua thành bình không dẫn điện.

Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện dung

Thiết kế chi tiết khác nhau giữa các hãng, nhưng một cảm biến điện dung thường gồm các khối cơ bản sau.

Điện cực cảm biến

Điện cực được đặt gần mặt phát hiện và tạo ra vùng điện trường phía trước cảm biến. Trong mô hình đơn giản, điện cực cảm biến đóng vai trò như một bản cực của tụ điện, còn môi trường xung quanh hoặc đất đóng vai trò tham chiếu.

Khi vật thể tiến vào trường điện, tổng điện dung của hệ thống thay đổi. ifm mô tả phần tử cảm biến điện dung như một tụ điện một bản cực sử dụng đất làm tham chiếu; mục tiêu đi vào vùng cảm biến làm thay đổi điện dung và kích hoạt ngõ ra.

Mạch dao động

Mạch dao động tạo tín hiệu điện cần thiết cho điện cực. Sự thay đổi điện dung làm thay đổi điều kiện dao động, chẳng hạn biên độ hoặc trạng thái dao động.

Mạch đánh giá tín hiệu

Mạch này theo dõi tín hiệu từ phần tử cảm biến. Khi mức thay đổi đạt đến ngưỡng đã đặt, mạch xác định rằng mục tiêu đang hiện diện.

Bộ phận điều chỉnh độ nhạy thực chất làm thay đổi ngưỡng mà mạch sử dụng để chuyển trạng thái.

Mạch ngõ ra

Mạch ngõ ra chuyển kết quả phát hiện thành tín hiệu điện phù hợp với thiết bị nhận. Các cấu hình có thể gồm:

• NPN.
• PNP.
• Hai dây AC.
• Hai dây AC/DC.
• Ngõ ra NO.
• Ngõ ra NC.
• Ngõ ra bổ sung NO/NC.
• Ngõ ra lập trình qua IO-Link.

Vỏ, đèn báo và bộ phận điều chỉnh

Cảm biến có thể sử dụng thân ren trụ, dạng hộp, dạng phẳng hoặc đầu dò chuyên dụng. Đèn LED thường hiển thị trạng thái ngõ ra hoặc trạng thái cài đặt.

Độ nhạy có thể được thiết lập bằng:

• Biến trở.
• Vít điều chỉnh nhiều vòng.
• Nút teach.
• Dây teach.
• Phần mềm hoặc IO-Link.

ifm mô tả các thành phần chung của cảm biến gồm vỏ, phần tử cảm biến, mạch điện tử đánh giá và kết nối điện cung cấp nguồn cũng như tín hiệu.

Nguyên lý cảm biến tiệm cận điện dung

Nguyên lý hoạt động có thể được hiểu qua bốn giai đoạn.

Bước 1: Điện cực tạo trường điện

Sau khi cảm biến được cấp nguồn, mạch điện tạo một trường điện tại mặt cảm biến. Khi phía trước cảm biến chỉ có không khí, hệ thống có một mức điện dung nền nhất định.

Bước 2: Mục tiêu tiến vào vùng phát hiện

Khi một vật thể đi vào trường điện, đặc tính điện môi quanh điện cực thay đổi. Nếu mục tiêu dẫn điện, sự ghép điện với đất có thể tăng lên. Nếu mục tiêu là vật liệu cách điện, hằng số điện môi của nó thay thế một phần không khí trong vùng cảm biến.

Bước 3: Điện dung và dao động thay đổi

Sự thay đổi điện dung làm thay đổi trạng thái của mạch dao động. Omron giải thích rằng khi kim loại hoặc vật liệu điện môi tiến gần điện cực, điện dung giữa điện cực chính và đất tăng lên; mạch dao động nhận biết sự gia tăng này qua biên độ dao động.

Bước 4: Ngõ ra chuyển trạng thái

Khi tín hiệu vượt qua mức cài đặt, mạch đánh giá điều khiển ngõ ra chuyển từ OFF sang ON hoặc ngược lại, tùy cảm biến là NO hay NC.

Quá trình không yêu cầu tiếp xúc trực tiếp. Tuy nhiên, “không tiếp xúc” không có nghĩa cảm biến có thể đặt ở bất kỳ khoảng cách nào. Khoảng cách thường chỉ từ vài milimét đến vài chục milimét và thay đổi đáng kể theo vật liệu, kích thước mục tiêu, loại cảm biến và điều kiện lắp. Pepperl+Fuchs công bố phạm vi từ khoảng 1 đến 50 mm cho danh mục sản phẩm của hãng, nhưng đây không phải giá trị áp dụng chung cho mọi cảm biến điện dung.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phát hiện

Hằng số điện môi của vật liệu

Không khí có hằng số điện môi tương đối thấp. Khi vật liệu có hằng số điện môi cao hơn đi vào vùng cảm biến, sự thay đổi điện dung thường rõ rệt hơn.

Nước thường dễ phát hiện hơn dầu, giấy khô hoặc một số loại nhựa. Tuy nhiên, các giá trị hằng số điện môi chỉ nên được dùng để định hướng. Thành phần, nhiệt độ, độ ẩm và tỷ lệ pha trộn có thể làm giá trị thực tế thay đổi.

Kích thước mục tiêu

Vật thể càng che phủ nhiều diện tích mặt cảm biến thì tác động lên điện dung càng lớn. Một tấm nhựa rộng có thể được phát hiện ở khoảng cách xa hơn một hạt nhựa nhỏ làm từ cùng vật liệu.

ifm nhấn mạnh rằng khoảng cách danh định thường được xác định bằng mục tiêu tiêu chuẩn; mục tiêu thực tế có kích thước và hình dạng khác sẽ tạo ra khoảng cách khác.

Hình dạng và hướng tiếp cận

Mặt phẳng lớn đi thẳng vào tâm cảm biến thường dễ tạo tín hiệu ổn định hơn vật thể có cạnh nhỏ, bề mặt cong hoặc đi ngang qua mép vùng phát hiện.

Khi ứng dụng cần độ chính xác cao, nên thử đúng hướng chuyển động và hình dạng mục tiêu thực tế thay vì chỉ thử bằng tay.

Khoảng cách và khe hở

Khoảng cách càng lớn, ảnh hưởng của mục tiêu lên điện dung càng yếu. Trong ứng dụng gắn ngoài thành bình, khe hở không khí giữa cảm biến và thành bình có thể làm giảm độ ổn định.

Một số hãng yêu cầu mặt cảm biến áp sát thành bình. ifm hướng dẫn rằng trong ứng dụng mức qua thành bình, mặt cảm biến nên được đặt trực tiếp lên thành bình và hệ thống phải tuân theo điều kiện nối đất của hãng.

Độ ẩm và cặn bám

Độ ẩm, bụi ướt, màng chất lỏng hoặc cặn bám có thể làm thay đổi điện dung ngay cả khi mức vật liệu thực tế chưa đến vị trí cảm biến. Đây là nguyên nhân phổ biến khiến cảm biến báo sai.

Một số dòng cảm biến mức chuyên dụng có thuật toán hoặc công nghệ bù bọt và cặn bám. Balluff công bố công nghệ Smart Level trên một số dòng của hãng có khả năng bù ảnh hưởng của độ ẩm, bọt và chất bám. Khả năng này không được mặc định cho cảm biến điện dung thông thường.

Nhiệt độ và môi trường

Nhiệt độ có thể làm thay đổi đặc tính vật liệu, mạch cảm biến và vị trí chuyển mạch. Sự ngưng tụ nước trên mặt cảm biến hoặc thành bình cũng có thể tạo tín hiệu không mong muốn.

Vì vậy, cảm biến phải được kiểm tra trong cả trạng thái máy lạnh, máy nóng, bình rỗng, bình đầy và khi môi trường có độ ẩm cao.

Các loại cảm biến tiệm cận điện dung phổ biến

Phân loại theo hình dáng

Cảm biến dạng trụ

Cảm biến dạng trụ có thân ren như M12, M18 hoặc M30, thuận tiện cố định bằng đai ốc. Đây là kiểu phổ biến trong phát hiện vật thể và báo mức tại một vị trí.

Cảm biến dạng phẳng

Dạng phẳng phù hợp khi không gian lắp hạn chế hoặc cần diện tích mặt cảm biến lớn. Omron E2K-F là một ví dụ về dòng cảm biến điện dung dạng phẳng, nhưng từng phiên bản có thể khác nhau về khả năng chỉnh độ nhạy và cấu hình ngõ ra.

Cảm biến dạng hộp

Loại dạng hộp có thể cung cấp khoảng chỉnh lớn, đầu đấu dây hoặc nhiều hướng lắp. Một số sản phẩm có ngõ ra bổ sung hoặc cho phép chọn NO/NC.

Cảm biến mức chuyên dụng

Cảm biến mức điện dung có thể được thiết kế để:

• Gắn ngoài thành bình.
• Kẹp lên ống nhựa.
• Đưa đầu dò trực tiếp vào môi chất.
• Lắp ren hoặc mặt bích.
• Sử dụng trong môi trường hóa chất.

Không nên dùng cảm biến tiệm cận thông thường thay cho cảm biến mức chuyên dụng nếu ứng dụng có áp suất, nhiệt độ, hóa chất hoặc yêu cầu vệ sinh đặc biệt.

Phân loại theo kiểu lắp

Tài liệu sản phẩm có thể ghi:

• Flush hoặc shielded.
• Non-flush hoặc unshielded.
• Lắp chìm.
• Lắp không chìm.

Kiểu flush thường hạn chế trường điện ở các phía và cho phép lắp gần vật liệu xung quanh hơn. Loại non-flush thường có vùng phát hiện rộng hơn nhưng cần khoảng trống quanh đầu cảm biến.

Quy định lắp của cảm biến điện dung không nên được suy ra từ cảm biến điện cảm cùng kích thước. Cần dùng đúng bản vẽ lắp đặt trong datasheet.

Phân loại theo số dây

Cảm biến 2 dây

Hai dây vừa làm nhiệm vụ cấp nguồn vừa tạo đường dòng điện qua tải. Loại này có thể sử dụng nguồn AC, DC hoặc AC/DC tùy sản phẩm.

Khi lựa chọn cần kiểm tra:

• Dòng tải tối thiểu.
• Dòng tải tối đa.
• Dòng rò khi OFF.
• Điện áp dư khi ON.
• Loại tải được phép sử dụng.

Cảm biến 3 dây

Cảm biến DC 3 dây thường gồm:

• Dây nguồn dương.
• Dây 0 V.
• Dây tín hiệu.

Ngõ ra thường là NPN hoặc PNP.

Cảm biến 4 dây

Loại 4 dây có thể cung cấp:

• NO và NC đồng thời.
• Hai ngõ ra độc lập.
• Ngõ ra bổ sung.
• Dây teach hoặc chức năng khác.

Không được mặc định dây thứ tư là NC nếu chưa kiểm tra tài liệu.

Phân loại theo NPN và PNP

Ngõ ra NPN

Khi NPN hoạt động, ngõ ra thường kéo tín hiệu về 0 V. Tải được đặt giữa nguồn dương và đầu ra cảm biến.

Ngõ ra PNP

Khi PNP hoạt động, ngõ ra cấp điện áp dương cho tải hoặc đầu vào. Tải được đặt giữa ngõ ra cảm biến và 0 V.

Omron mô tả NPN là cấu hình tải nối giữa nguồn dương và đầu ra cảm biến, còn PNP là tải nối giữa đầu ra và nguồn âm.

Việc chọn NPN hay PNP phải dựa trên module đầu vào PLC, cách đấu điểm chung và tiêu chuẩn điện của hệ thống.

Phân loại theo NO và NC

• NO – Normally Open: Chưa có mục tiêu thì ngõ ra OFF; phát hiện mục tiêu thì ngõ ra ON.
• NC – Normally Closed: Chưa có mục tiêu thì ngõ ra ON; phát hiện mục tiêu thì ngõ ra OFF.
• NO/NC: Có hai ngõ ra hoặc cho phép lựa chọn bằng cài đặt.

NO và NC là trạng thái logic của đầu ra, không nhất thiết là tiếp điểm relay cơ khí.

Cảm biến chỉnh biến trở và cảm biến teach-in

Điều chỉnh bằng biến trở

Người dùng xoay vít hoặc núm để thay đổi độ nhạy. Autonics CR, một số Turck BC và Pepperl+Fuchs CBB có các phiên bản sử dụng bộ chỉnh độ nhạy dạng biến trở.

Cài đặt teach-in

Cảm biến ghi nhận điều kiện có vật và không có vật rồi tự xác định ngưỡng. Một số sản phẩm hiện đại còn cho phép cấu hình NPN/PNP, NO/NC và các ngõ ra qua IO-Link. Ví dụ, Turck BC8-M18-IOL-H1141 được hãng công bố có nhiều chức năng teach và ngõ ra có thể lập trình; đây chỉ là ví dụ của đúng model này.

Những thông số quan trọng cần kiểm tra

ifm phân biệt khoảng cách danh định, khoảng cách thực và khoảng vận hành có xét ảnh hưởng của sai số, độ ẩm và nhiệt độ. Đây là lý do không nên bố trí mục tiêu đúng tại giới hạn khoảng cách danh định.

Ví dụ, Omron E2K-C có các phiên bản với khoảng điều chỉnh và cấu hình NPN, PNP hoặc hai dây khác nhau. Các số liệu của dòng này không được áp dụng cho Autonics CR, ifm KI, Pepperl+Fuchs CBB hoặc Turck BC.

Cách chỉnh độ nhạy cảm biến điện dung

Quy trình dưới đây là nguyên tắc chung. Chiều tăng hoặc giảm độ nhạy, số vòng quay và chế độ teach phải kiểm tra theo hướng dẫn của đúng sản phẩm.

Bước 1: Lắp cảm biến tại vị trí thực tế

Không nên chỉnh cảm biến trên bàn rồi mới đưa vào máy. Kim loại xung quanh, thành bình, giá đỡ và dây dẫn có thể làm thay đổi điện dung nền.

Hãy hoàn thành gá lắp, đi dây và đưa cảm biến về đúng khoảng cách làm việc trước khi chỉnh.

Bước 2: Chuẩn bị trạng thái không có mục tiêu

Với ứng dụng phát hiện vật thể, đưa sản phẩm ra khỏi vùng cảm biến.

Với ứng dụng báo mức qua thành bình, đặt bình ở trạng thái không có vật liệu tại vị trí cảm biến. Thành bình, cặn nền và các kết cấu cố định vẫn phải giữ nguyên.

Bước 3: Giảm độ nhạy đến khi cảm biến không tác động

Điều chỉnh từ từ đến khi đèn trạng thái và ngõ ra xác nhận không phát hiện.

Nếu cảm biến vẫn ON dù đã giảm độ nhạy, cần kiểm tra:

• Kim loại quá gần.
• Thành bình quá dày.
• Cặn hoặc hơi ẩm.
• Vị trí nối đất.
• Cảm biến đang dùng sai chế độ.
• Đấu dây hoặc tải không đúng.

Bước 4: Đưa mục tiêu vào vị trí cần phát hiện

Sử dụng đúng vật liệu thật, đúng lượng, đúng khoảng cách và đúng hướng tiếp cận.

Với chất lỏng hoặc bột, nên thử ở mức tối thiểu mà hệ thống cần phát hiện, không chỉ thử khi bình đầy hoàn toàn.

Bước 5: Tăng độ nhạy đến điểm chuyển mạch

Tăng từ từ cho đến khi ngõ ra chuyển trạng thái ổn định. Không nên tiếp tục tăng lên mức tối đa nếu không cần thiết, vì độ nhạy quá cao có thể làm cảm biến phản ứng với thành bình, tay người, hơi ẩm hoặc cặn bám.

Bước 6: Tạo khoảng dự phòng

Sau khi tìm được điểm chuyển, điều chỉnh thêm một khoảng nhỏ theo hướng dẫn hãng để tạo dự phòng. Mức dự phòng phải đủ để chịu được sai số vật liệu nhưng không quá lớn đến mức phát hiện nền.

Bước 7: Kiểm tra lặp lại

Thực hiện nhiều chu kỳ:

1. Không có vật.
2. Có vật.
3. Vật đi vào chậm.
4. Vật đi vào nhanh.
5. Bình rỗng.
6. Bình đầy.
7. Máy nguội.
8. Máy đã vận hành nóng.

Kết quả mong đợi là cảm biến chuyển trạng thái rõ ràng, không chập chờn và không giữ ON sau khi mục tiêu đã rời đi.

Bước 8: Kiểm tra các tình huống bất lợi

Cần thử thêm khi:

• Thành bình ẩm.
• Có bọt.
• Có cặn bám.
• Vật liệu thay đổi độ ẩm.
• Nguyên liệu thay đổi nhà cung cấp.
• Nhiệt độ môi chất thay đổi.
• Người vận hành đứng gần cảm biến.

Omron lưu ý cảm biến mức điện dung có thể khó phát hiện khi lượng chất lỏng quá ít, thành ống quá dày, có màng chất lỏng nhớt, nhiều bọt khí hoặc cặn bẩn trên thành trong.

Cách đấu dây cảm biến điện dung

Nguyên tắc an toàn

Trước khi đấu nối:

1. Ngắt nguồn điện.
2. Xác nhận điện áp của cảm biến.
3. Phân biệt nguồn DC, AC và AC/DC.
4. Đọc sơ đồ của đầy đủ mã sản phẩm.
5. Kiểm tra ngõ ra NPN hay PNP.
6. Kiểm tra chế độ NO hay NC.
7. Xác nhận dòng tải.
8. Kiểm tra đầu vào PLC.
9. Không suy đoán màu dây.
10. Đo lại điện áp trước khi cấp nguồn.

Omron cảnh báo rằng cấp điện áp vượt dải hoặc cấp nguồn AC cho cảm biến DC có thể gây cháy hoặc hỏng thiết bị.

Cảm biến DC 3 dây NPN

Nguyên tắc thường gặp:

• Dây nguồn dương nối +V.
• Dây nguồn âm nối 0 V.
• Dây ngõ ra nối đầu vào PLC.
• Điểm chung của đầu vào được bố trí phù hợp với tín hiệu NPN.

Khi cảm biến ON, transistor ngõ ra dẫn và kéo tín hiệu về phía 0 V.

Cảm biến DC 3 dây PNP

Nguyên tắc thường gặp:

• Dây nguồn dương nối +V.
• Dây nguồn âm nối 0 V.
• Dây ngõ ra nối đầu vào PLC.
• Điểm chung của đầu vào được bố trí phù hợp với tín hiệu PNP.

Khi cảm biến ON, đầu ra cung cấp điện áp dương cho đầu vào PLC.

Không nên chỉ nhìn màu dây để phân biệt NPN và PNP. Hai loại có thể dùng cùng quy ước màu nhưng mạch đầu ra hoàn toàn khác nhau.

Cảm biến 2 dây

Cảm biến 2 dây thường mắc nối tiếp với tải. Cần đặc biệt kiểm tra:

• Loại nguồn.
• Cực tính nếu có.
• Dòng tải tối thiểu.
• Dòng rò.
• Điện áp dư.
• Thời gian khởi động.
• Loại tải điện trở hay tải cảm.

Không nối trực tiếp hai dây vào nguồn nếu sơ đồ yêu cầu có tải mắc nối tiếp.

Cảm biến 4 dây hoặc ngõ ra bổ sung

Một cảm biến 4 dây có thể có NO và NC, nhưng cũng có thể sử dụng dây thứ tư cho chức năng teach, chẩn đoán hoặc ngõ ra thứ hai.

Ví dụ, Turck có các model BC dạng 4 dây với ngõ ra bổ sung; chức năng cụ thể phải đọc theo từng mã.

Cảm biến điện dung có phát hiện xuyên qua thành bình không?

Câu trả lời là có thể, nhưng không phải trong mọi trường hợp.

Để phát hiện mức từ bên ngoài, thành bình thường phải là vật liệu không dẫn điện như:

• Nhựa.
• Kính.
• Một số vật liệu composite.
• Ống mềm phi kim.

Nếu thành bình làm bằng kim loại, điện trường của cảm biến thông thường bị che chắn và không thể quan sát môi chất theo cách gắn ngoài. Khi đó cần phương án khác như đầu dò lắp trực tiếp, cảm biến siêu âm, radar, áp suất hoặc công nghệ phù hợp khác.

Pepperl+Fuchs mô tả chức năng phát hiện xuyên thành đối với bình mỏng, không dẫn điện bằng thủy tinh hoặc nhựa. Cảm biến phản ứng với sự thay đổi tổng điện dung do thành bình và môi chất bên trong tạo ra.

Các điều kiện cần xem xét gồm:

Vật liệu thành bình

Thành bình phải không dẫn điện và có đặc tính ổn định. Nhựa có phụ gia dẫn điện hoặc lớp phủ kim loại có thể làm ứng dụng không hoạt động như bình nhựa thông thường.

Độ dày thành bình

Thành càng dày, ảnh hưởng của môi chất đến cảm biến càng yếu. Không có một độ dày tối đa dùng cho mọi cảm biến.

Balluff công bố một số cảm biến Smart Level chuyên dụng có khả năng phát hiện qua thành kính hoặc nhựa dày đến 10 mm. Đây là thông số của những dòng được hãng chỉ định, không phải khả năng chung của tất cả cảm biến điện dung.

Hằng số điện môi của môi chất

Nước và dung dịch dẫn điện thường dễ phân biệt với không khí hơn dầu hoặc vật liệu có hằng số điện môi thấp.

Nếu môi chất có đặc tính gần với thành bình, chênh lệch giữa trạng thái có vật liệu và không có vật liệu có thể không đủ lớn.

Khe hở giữa cảm biến và bình

Nên tránh khe hở không khí không ổn định. Giá đỡ phải giữ cảm biến áp sát và không dịch chuyển khi máy rung.

Cặn bám và bọt

Cặn bám dày có thể khiến cảm biến vẫn ON khi mức đã xuống thấp. Bọt có thể được nhận biết như môi chất tùy độ nhạy và công nghệ cảm biến.

Omron nêu rõ bọt, màng chất lỏng nhớt và cặn bẩn có thể làm phát hiện mức không ổn định ở một số ứng dụng. Một số cảm biến mức chuyên dụng của Balluff hoặc ifm có chức năng xử lý cặn và bọt, nhưng cần xác nhận theo đúng model.

Ứng dụng cảm biến tiệm cận điện dung

Phát hiện mức chất lỏng

Cảm biến có thể được gắn tại mức cao, mức thấp hoặc mức cảnh báo trên bình. Khi chất lỏng đi qua vị trí cảm biến, điện dung thay đổi và ngõ ra chuyển trạng thái.

Ứng dụng gồm:

• Báo đầy bình nước.
• Cảnh báo cạn bồn dầu.
• Xác nhận có dung dịch trong chai.
• Kiểm tra mức trong ống nhựa.
• Kiểm soát cấp liệu vào máy.

Đối với bình chịu áp suất, hóa chất mạnh hoặc nhiệt độ cao, cần dùng cảm biến mức chuyên dụng và vật liệu tiếp xúc phù hợp.

Phát hiện bột và hạt

Cảm biến điện dung có thể giám sát:

• Hạt nhựa.
• Gạo, ngô hoặc ngũ cốc.
• Đường.
• Bột mì.
• Viên nén.
• Thức ăn chăn nuôi.
• Hạt gỗ.
• Nguyên liệu dạng rời.

Pepperl+Fuchs liệt kê ứng dụng kiểm soát mức đối với viên, hạt, granulate và toner; Balluff cũng cung cấp cảm biến mức điện dung cho hạt nhựa, ngũ cốc, thức ăn, viên gỗ và vật liệu rời.

Độ ẩm của bột và hạt có thể thay đổi khả năng phát hiện. Do đó, phải thử với nhiều lô vật liệu thay vì chỉ hiệu chỉnh bằng một mẫu.

Phát hiện nhựa

Cảm biến điện dung thường được dùng để:

• Phát hiện chai nhựa.
• Kiểm tra nắp nhựa.
• Phát hiện tấm nhựa.
• Xác nhận hạt nhựa trong phễu.
• Kiểm tra sản phẩm nhựa trong khuôn hoặc gá.

Nhựa mỏng, nhỏ hoặc có hằng số điện môi thấp có thể cần đặt cảm biến rất gần.

Phát hiện giấy và carton

Thiết bị có thể kiểm tra:

• Có hoặc không có tờ giấy.
• Chồng giấy đạt độ cao giới hạn.
• Hộp carton trên băng tải.
• Cuộn vật liệu đã hết.
• Bao bì giấy tại trạm đóng gói.

Độ ẩm của giấy ảnh hưởng đáng kể đến điện dung. Giấy ẩm thường dễ phát hiện hơn giấy khô nhưng cũng có thể làm điểm chuyển mạch thay đổi.

Phát hiện gỗ

Cảm biến có thể phát hiện tấm gỗ, phôi hoặc viên nén gỗ. Tuy nhiên, hàm lượng nước và mật độ gỗ thay đổi theo loại vật liệu, khiến khoảng cách thực tế không cố định.

Phát hiện thủy tinh

Cảm biến điện dung có thể phát hiện chai hoặc tấm thủy tinh mà không phụ thuộc màu sắc như một số phương pháp quang học. Tuy nhiên, độ dày, hình dạng và vật chất bên trong chai đều ảnh hưởng đến tín hiệu.

Kiểm tra vật liệu trong ống nhựa

Cảm biến gắn ngoài có thể xác định:

• Có chất lỏng trong ống.
• Có bột hoặc hạt đang đi qua.
• Ống đang đầy hay rỗng.
• Dòng cấp liệu có bị gián đoạn hay không.

Pepperl+Fuchs nêu ứng dụng giám sát chất lỏng trong ống và ống mềm bằng nhựa.

Ứng dụng đóng gói và thực phẩm

Cảm biến điện dung được dùng để:

• Kiểm tra sản phẩm trong bao bì.
• Xác nhận chai đã được rót.
• Báo mức nguyên liệu trong phễu.
• Phát hiện hộp carton.
• Giám sát viên nén hoặc hạt.
• Xác định trạng thái đầy của khay chứa.

Nếu cảm biến tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm, cần xác minh vật liệu vỏ, chứng nhận và khả năng vệ sinh của đúng sản phẩm.

Ứng dụng hóa chất

Một số cảm biến có vỏ hoặc mặt phát hiện bằng vật liệu chống hóa chất như fluororesin, PTFE, PEEK hoặc PVDF. Omron E2KQ-X là ví dụ về dòng cảm biến điện dung phủ fluororesin và có bộ chỉnh độ nhạy; tính tương thích hóa chất cụ thể vẫn phải kiểm tra theo tài liệu.

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

• Phát hiện không tiếp xúc.
• Phát hiện cả kim loại và nhiều vật liệu phi kim.
• Có thể phát hiện chất lỏng, bột và hạt.
• Có thể báo mức qua một số thành bình không dẫn điện.
• Không phụ thuộc vào màu sắc theo cách của cảm biến quang.
• Không có tiếp điểm cơ khí bị mài mòn.
• Có nhiều hình dạng và kiểu ngõ ra.
• Độ nhạy có thể điều chỉnh theo vật liệu.
• Có các dòng chuyên dụng bù cặn, bọt hoặc độ ẩm.

Hạn chế

• Khoảng cách phát hiện thường không lớn.
• Rất nhạy với độ ẩm và vật liệu xung quanh.
• Cặn bám có thể gây báo sai.
• Đặc tính của vật liệu thay đổi có thể làm lệch điểm chuyển mạch.
• Cần hiệu chỉnh tại vị trí lắp thực tế.
• Độ nhạy quá cao dễ phát hiện nhầm thành bình hoặc tay người.
• Khó phát hiện ổn định vật liệu nhỏ hoặc có hằng số điện môi thấp.
• Không thể nhìn xuyên thành kim loại theo cách gắn ngoài thông thường.
• Không phải mọi cảm biến đều phù hợp với áp suất, hóa chất hoặc thực phẩm.

Cách chọn cảm biến tiệm cận điện dung phù hợp

Bước 1: Xác định vật liệu

Ghi rõ:

• Tên vật liệu.
• Trạng thái rắn, lỏng, bột hay hạt.
• Có dẫn điện hay không.
• Độ ẩm.
• Nhiệt độ.
• Thành phần có thay đổi hay không.

Không nên chỉ ghi “phát hiện chất lỏng” vì nước, dầu và dung môi có đặc tính điện môi rất khác nhau.

Bước 2: Xác định nhiệm vụ

Cần phân biệt:

• Phát hiện vật thể.
• Báo có hoặc không có vật liệu.
• Báo mức cao.
• Báo mức thấp.
• Phát hiện xuyên thành bình.
• Đầu dò tiếp xúc trực tiếp.
• Đo mức liên tục.

Cảm biến tiệm cận ON/OFF không thay thế được thiết bị đo mức liên tục nếu hệ thống cần giá trị phần trăm hoặc chiều cao.

Bước 3: Đo khoảng cách thực tế

Đo từ mặt cảm biến đến phần gần nhất của mục tiêu, bao gồm:

• Độ dày thành bình.
• Khe hở lắp đặt.
• Sai số cơ khí.
• Độ rung.
• Độ cong của bình.
• Sự thay đổi vị trí vật liệu.

Không chọn khoảng cách đúng bằng giới hạn tối đa trên catalogue.

Bước 4: Chọn hình dáng và kiểu lắp

Xem xét:

• M12, M18, M30.
• Dạng phẳng hoặc hộp.
• Không gian lắp.
• Hướng cáp.
• Đầu nối M8 hoặc M12.
• Khả năng áp sát thành bình.
• Vùng kim loại xung quanh.
• Khả năng bảo vệ khỏi va chạm.

Bước 5: Chọn ngõ ra

Kiểm tra:

• NPN hay PNP.
• NO hay NC.
• Hai dây hay ba dây.
• Điện áp nguồn.
• Dòng tải.
• Đầu vào PLC.
• Nhu cầu IO-Link.

Không thay thế NPN bằng PNP hoặc ngược lại khi chưa kiểm tra lại mạch.

Bước 6: Chọn phương pháp điều chỉnh

Biến trở phù hợp với ứng dụng đơn giản và có thể tiếp cận cảm biến để chỉnh.

Teach-in hoặc IO-Link phù hợp khi:

• Cần cài đặt chính xác.
• Vị trí cảm biến khó tiếp cận.
• Cần lưu tham số.
• Cần giám sát chẩn đoán.
• Có nhiều loại vật liệu.

Bước 7: Kiểm tra môi trường

Xác định:

• Nước.
• Hơi ẩm.
• Bụi.
• Cặn bám.
• Bọt.
• Dầu.
• Hóa chất.
• Nhiệt độ.
• Rung.
• Áp suất.
• Yêu cầu vệ sinh.
• Khu vực nguy hiểm.

Nếu khu vực có nguy cơ cháy nổ, cần sử dụng thiết bị và hệ thống bảo vệ được chứng nhận phù hợp, không dùng cảm biến thông thường.

Bảng chọn nhanh

Lưu ý khi lắp đặt và vận hành

Lắp cố định và chống rung

Vị trí cảm biến thay đổi vài milimét cũng có thể làm điểm chuyển mạch thay đổi. Giá đỡ phải đủ cứng và không bị cong khi máy rung.

Không đặt kim loại quá gần

Kim loại xung quanh có thể làm thay đổi điện dung nền. Tuân thủ vùng trống và kích thước gá lắp trong catalogue.

Giữ khoảng cách giữa các cảm biến

Hai cảm biến đặt quá gần có thể ảnh hưởng lẫn nhau. Khoảng cách tối thiểu phải lấy từ hướng dẫn của đúng dòng sản phẩm.

Tránh chỉnh độ nhạy ở mức tối đa

Mức quá cao làm tăng nguy cơ phát hiện tay người, cáp, cặn, hơi nước hoặc thành bình thay vì mục tiêu.

Kiểm tra nối đất

Một số nguyên lý điện dung sử dụng đất làm tham chiếu. Nối đất kém hoặc chênh lệch điện thế giữa bình và cảm biến có thể làm kết quả thay đổi. ifm yêu cầu cảm biến và bình ở cùng điện thế trong hướng dẫn ứng dụng mức của hãng.

Bảo vệ bộ điều chỉnh

Sau khi hiệu chỉnh, đóng nắp bảo vệ nếu sản phẩm có trang bị. Nước hoặc bụi lọt qua vị trí chỉnh có thể ảnh hưởng đến cấp bảo vệ.

Thử bằng vật liệu thật

Không dùng tay để kết luận cảm biến đã được chỉnh đúng. Cơ thể người thường tạo tín hiệu mạnh hơn nhiều vật liệu thực tế.

Lập kế hoạch vệ sinh

Nếu ứng dụng có bột, dầu hoặc chất lỏng bám, cần quy định chu kỳ vệ sinh và kiểm tra lại điểm chuyển mạch.

Một số dòng cảm biến điện dung phổ biến

Các dòng dưới đây chỉ mang tính định hướng. Không được coi toàn bộ sản phẩm trong cùng một dòng có chung khoảng cách, ngõ ra hoặc sơ đồ dây.

Omron E2K

Danh mục E2K của Omron gồm nhiều loại như:

• E2K-C dạng khoảng cách dài, chỉnh độ nhạy.
• E2K-X dạng trụ có ren.
• E2K-F dạng phẳng.
• E2K-L dành cho phát hiện mức chất lỏng.
• E2KQ-X có lớp phủ chống hóa chất.

Từng dòng có các phiên bản DC 3 dây, AC 2 dây, NPN, PNP, NO hoặc NC khác nhau.

Autonics CR

Autonics CR là dòng cảm biến điện dung dạng trụ, có bộ điều chỉnh độ nhạy và được hãng định hướng cho phát hiện kim loại, đá, nhựa, nước, hạt cũng như kiểm soát mức. Cấu hình điện và khoảng cách phải tra theo mã CR18, CR30 cùng hậu tố đầy đủ.

Pepperl+Fuchs CBB

CBB là một trong các nhóm cảm biến điện dung của Pepperl+Fuchs. Ví dụ, CBB8-18GS75-E0 được hãng mô tả là cảm biến M18 lắp flush với khoảng chuyển mạch có thể chỉnh bằng biến trở. Thông tin này chỉ áp dụng cho đúng mã trên, không đại diện cho toàn bộ dòng CBB.

ifm KI

ifm KI bao gồm nhiều cảm biến điện dung với các kiểu nguồn, ngõ ra và phương pháp điều chỉnh khác nhau. Không thể xác định chính xác chức năng chỉ từ hai ký tự KI; phải tra đầy đủ mã như KI0202, KI0209 hoặc KI5324.

Turck BC

Turck BC có nhiều thiết kế từ M12, M18, M30 đến dạng hộp, bao gồm sản phẩm chỉnh bằng biến trở và sản phẩm IO-Link.

Ví dụ, BC3-M12-AN6X-2-RS4T là cảm biến DC 3 dây, NPN, NO theo dữ liệu hãng. BC8-M18-IOL-H1141 lại có ngõ ra lập trình NPN/PNP và NO/NC. Hai sản phẩm cùng nhóm BC nhưng không thể thay trực tiếp cho nhau nếu chưa so sánh toàn bộ thông số.

Câu hỏi thường gặp

Cảm biến điện dung có phát hiện được nước không?

Có. Nước thường tạo thay đổi điện dung rõ nên tương đối dễ phát hiện. Tuy nhiên, khả năng thực tế vẫn phụ thuộc khoảng cách, thành bình, lượng nước, cặn, bọt và đúng model cảm biến.

Cảm biến điện dung có phát hiện được dầu không?

Có thể, nhưng dầu thường có hằng số điện môi thấp hơn nước. Cảm biến có thể cần đặt gần hơn hoặc chỉnh nhạy hơn. Nên thử với đúng loại dầu và nhiệt độ làm việc.

Cảm biến điện dung có phát hiện được nhựa không?

Có thể. Khả năng phát hiện phụ thuộc loại nhựa, độ dày, kích thước và khoảng cách. Một chi tiết nhựa nhỏ hoặc mỏng có thể khó phát hiện hơn một tấm nhựa lớn.

Cảm biến điện dung có phát hiện xuyên bình nhựa không?

Có thể nếu bình không dẫn điện, thành đủ mỏng đối với đúng cảm biến, cảm biến được lắp đúng cách và môi chất tạo ra chênh lệch điện dung đủ lớn. Không có một độ dày dùng cho mọi sản phẩm.

Tại sao cảm biến luôn sáng dù bình đã hết?

Nguyên nhân có thể gồm:

• Độ nhạy quá cao.
• Thành bình đang bị phát hiện.
• Cặn bám.
• Màng chất lỏng.
• Độ ẩm.
• Kim loại đặt gần.
• Nối đất thay đổi.
• Cảm biến hoặc ngõ ra bị lỗi.

Tại sao cảm biến phát hiện nước nhưng không phát hiện dầu?

Nước thường có hằng số điện môi cao hơn dầu nên tạo tín hiệu mạnh hơn. Cần chỉnh lại độ nhạy hoặc sử dụng cảm biến phù hợp với môi chất có hằng số điện môi thấp.

NPN và PNP loại nào tốt hơn?

Không có loại tốt hơn trong mọi trường hợp. Ngõ ra phải tương thích với đầu vào PLC và cấu trúc mạch điều khiển.

Có thể dùng cảm biến điện dung để đo mức liên tục không?

Cảm biến tiệm cận thông thường chỉ báo mức tại một điểm. Để đo liên tục cần thiết bị đo mức điện dung chuyên dụng hoặc công nghệ đo khác có ngõ ra giá trị.

Kết luận

Cảm biến tiệm cận điện dung là thiết bị phát hiện không tiếp xúc dựa trên sự thay đổi điện dung trong vùng điện trường. Khác với cảm biến điện cảm chủ yếu nhận biết kim loại, cảm biến điện dung có thể phát hiện cả vật dẫn điện và nhiều vật liệu phi kim như nhựa, thủy tinh, giấy, gỗ, nước, dầu, bột và hạt.

Thiết bị đặc biệt hữu ích trong ứng dụng báo mức hoặc phát hiện vật liệu qua thành bình không dẫn điện. Tuy nhiên, hiệu quả phụ thuộc đáng kể vào hằng số điện môi, kích thước mục tiêu, độ dày thành bình, độ ẩm, cặn bám và cách chỉnh độ nhạy.

Để lựa chọn chính xác, cần xác định rõ vật liệu, trạng thái rắn hay lỏng, khoảng cách, độ dày và vật liệu thành bình, điện áp nguồn, NPN hay PNP, NO hay NC, kích thước lắp đặt và điều kiện môi trường.

Hải Phòng Tech cung cấp các nhóm thiết bị điện công nghiệp và tự động hóa như cảm biến tiệm cận điện dung, cảm biến điện cảm, cảm biến quang, cảm biến từ, cảm biến mức, encoder, relay, bộ nguồn, biến tần và thiết bị điều khiển. Khi cần hỗ trợ lựa chọn, người dùng nên cung cấp mẫu vật liệu hoặc video ứng dụng, kích thước mục tiêu, khoảng cách, hình ảnh vị trí lắp, loại PLC, nguồn điện và điều kiện môi trường. Khả năng đáp ứng và mã sản phẩm cần được kiểm tra theo catalogue cũng như tình trạng thực tế tại thời điểm tư vấn.