Cảm biến điện dung: Khái niệm, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cảm biến điện dung là một trong những thiết bị được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Vậy cảm biến điện dung là gì? Cấu tạo, phân loại và ứng dụng của nó như thế nào? Hãy cùng RX Tradex khám phá chi tiết qua bài viết này.

1. Cảm biến điện dung là gì?

Cảm biến điện dung (hay còn gọi là cảm biến điện môi) hoạt động dựa trên nguyên lý đo điện dung để xác định hằng số điện môi của môi trường xung quanh. Cảm biến này thường có cấu trúc tương tự đầu dò neutron, với phần ống tiếp cận được làm bằng nhựa PVC và được lắp đặt trong đất. Ngoài ra, các đầu dò có thể được thiết kế dưới dạng mô-đun (giống như lược) và kết nối với bộ ghi.

Cảm biến điện dung được sử dụng để cảm nhận mức độ của các chất lỏng, chất kết dính, hoặc các loại chất rắn có khối lượng nhỏ như bột, hạt nhựa, xi măng, cát,… Ứng dụng phổ biến của các cảm biến này là trong các nhà máy, nơi chúng được dùng để đo và giám sát mức độ của chất lỏng hoặc chất rắn trong các bồn chứa nước, silo hoặc bể chứa.

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cảm biến điện dung có cấu tạo gồm hai điện cực và một lớp chất điện môi nằm giữa chúng, được gọi là phần tử điện dung. Lớp chất điện môi này có thể có dạng tấm phẳng hoặc tấm tròn, với các điện cực đặt ở hai bên.

Điện cực đầu tiên, được gọi là điện cực đầu vào, và điện cực thứ hai, gọi là điện cực đầu ra. Khi khoảng cách giữa hai điện cực thay đổi, điện dung của cảm biến cũng thay đổi theo.

Cảm biến điện dung có thể sử dụng nhiều loại chất điện môi khác nhau, bao gồm polymer, oxide, ceramic và kim loại khác nhau. Các đặc tính điện dung của chất điện môi sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến.

Cảm biến điện dung có khả năng đo lường các thay đổi về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ rung và khoảng cách. Các thông số kỹ thuật của cảm biến điện dung sẽ được điều chỉnh tùy theo ứng dụng cụ thể.

Trong công nghiệp, loại cảm biến điện dung phổ biến được dùng để phát hiện vật thể có cấu tạo như sau:

• Điện cực đầu tiên (điện tích dương) nằm trên bề mặt cảm biến.
• Vật thể phát hiện đóng vai trò là điện cực thứ hai (điện tích âm).
• Môi trường giữa bề mặt cảm biến và vật thể cần phát hiện đóng vai trò là chất điện môi.

Bên cạnh cảm biến điện dung, ngành công nghiệp còn sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng đa dạng.

3. Phân loại cảm biến điện dung

Cảm biến điện dung có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau như nguyên lý hoạt động, kích thước, và ứng dụng. Dưới đây là một số loại cảm biến điện dung phổ biến:

• Cảm biến điện dung đo khoảng cách: Loại cảm biến này được thiết kế để đo khoảng cách giữa hai vật thể. Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng như đo khoảng cách đến vật thể, đo độ dày, và đo chiều dài.
• Cảm biến điện dung đo độ ẩm: Loại cảm biến này chuyên đo độ ẩm của môi trường xung quanh. Nó có thể đo độ ẩm trong đất, không khí, hoặc các vật liệu khác, và thường được ứng dụng trong các thiết bị kiểm soát độ ẩm như máy điều hòa không khí hoặc thiết bị y tế.
• Cảm biến điện dung đo nhiệt độ: Loại cảm biến này dùng để đo nhiệt độ của một vật thể hoặc môi trường xung quanh. Các ứng dụng của nó bao gồm đo nhiệt độ trong các thiết bị điện tử, thiết bị y tế, hoặc trong các hệ thống kiểm soát nhiệt độ.
• Cảm biến điện dung đo áp suất: Loại cảm biến này được sử dụng để đo áp suất của chất lỏng hoặc khí. Ứng dụng phổ biến của nó bao gồm đo áp suất trong các hệ thống điều hòa không khí, thiết bị y tế, và các hệ thống kiểm soát áp suất.
• Cảm biến điện dung đa năng: Đây là loại cảm biến có khả năng đo lường nhiều thông số khác nhau như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, và khoảng cách. Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đo đạc và kiểm soát.

3.1. Cảm biến đo mức nước bằng điện dung

Cảm biến báo mức dạng điện dung được sử dụng để báo mức nước trong các đường ống dẫn nước hhay trong các khu vực chứa nước cần giám sát.

Cảm biến điện dung CLS23 là một loại cảm biến báo mức nước với que điện cực ngắn, có chiều dài từ 30mm đến 1000mm. Đây là dòng cảm biến chuyên dụng để đo dòng chảy dẫn điện (như nước, dung dịch nước) cũng như các loại chất lỏng không dẫn điện (như dầu khoáng, dầu thực vật)

Một ưu điểm nổi bật của cảm biến điện dung CLS-23 là khả năng đo chính xác trong các vị trí hẹp mà không chiếm nhiều diện tích. Đây là loại cảm biến đo mức nước có giá trị thấp nhất trong số các loại cảm biến đo mức nước dùng trong công nghiệp.

3.2. Cảm biến đo mức dầu và chất rắn; chất kết dính

Cảm biến điện dung được sử dụng để đo mức nước, dầu, chất kết dính và các chất rắn có khối lượng nhỏ với áp lực thấp. 

Loại cảm biến này có độ dài que điện cực dài tới 6 mét.

Được ứng dụng rộng rãi để đo mức trong các bồn chứa dầu nhờn, dầu thực vật, dầu diesel, xăng, bột mịn và cát.

Đặc biệt, cảm biến đo mức nước này có thể được lựa chọn dưới dạng sensor đo mức điện dung.

4. Hướng dẫn sử dụng cảm biến điện dung

Cảm biến điện dung dùng để đo mức chất rắn, chất lỏng, hoặc để báo mức nước đầy hoặc cạn. Thiết bị này hoạt động bằng cách gắn cảm biến vào các khu vực chứa nước hoặc chất rắn có khối lượng nhẹ…

5. Nguyên tắc gắn cảm biến điện dung

Nguyên tắc gắn cảm biến điện dung như sau: Đối với các vị trí đo yêu cầu que điện cực có chiều dài khoảng 400-500 mm trở lên, nên lắp dọc cảm biến đo từ trên xuống để đạt hiệu quả tốt nhất. Còn với các que có chiều dài từ 300 mm trở xuống, ta nên lắp ngang cảm biến vào các bồn chứa, silo, hoặc trên các đường ống chứa.

6. Ưu và nhược điểm của cảm biến điện dung

Để hiểu rõ hơn về cảm biến điện dung là gì và có sự lựa chọn phù hợp, hãy cùng xem xét các ưu và nhược điểm của chúng.

Ưu điểm của cảm biến điện dung

• Độ nhạy cao: Cảm biến điện dung có khả năng phát hiện các thay đổi nhỏ trong điện dung của chất điện môi, giúp đo lường chính xác với những biến đổi nhỏ.
• Phản ứng nhanh: Cảm biến điện dung có tốc độ phản ứng nhanh với các thay đổi trong điện dung, cho phép theo dõi và ghi nhận những biến động nhanh chóng.
• Độ tin cậy cao: Loại cảm biến này có độ tin cậy cao, ít bị tác động bởi các yếu tố ngoại vi như rung động cơ học, chấn động hoặc nhiễu điện từ.
• Chi phí thấp: So với nhiều loại cảm biến khác, cảm biến điện dung thường có chi phí thấp hơn.
• Thiết kế đa dạng: Cảm biến điện dung có thể được chế tạo với nhiều kích thước và hình dạng khác nhau, dễ dàng tích hợp vào nhiều ứng dụng cụ thể.

Nhược điểm của cảm biến điện dung

• Ảnh hưởng bởi nhiệt độ: Nhiệt độ có thể tác động đến hiệu suất của cảm biến điện dung, đòi hỏi phải hiệu chỉnh thường xuyên để đảm bảo độ chính xác.
• Độ chính xác thấp: Độ ẩm, áp suất và các yếu tố môi trường khác có thể làm giảm độ chính xác của cảm biến điện dung.
• Độ bền kém: Cảm biến điện dung dễ bị hư hỏng do tác động cơ học hoặc chấn động.
• Giới hạn ứng dụng: Cảm biến điện dung không thích hợp cho các ứng dụng đo đạc trong môi trường có tính ăn mòn cao.
• Khó hoạt động trong môi trường cực đoan: Trong những môi trường cực đoan như chân không, hoặc nơi có nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp, cảm biến điện dung có thể không hoạt động hiệu quả.

7. Một số ứng dụng của cảm biến điện dung

Một ứng dụng cho thiết bị này là đo hàm lượng nước trong đất, nơi mà thể tích nước trong tổng thể tích đất ảnh hưởng lớn nhất đối với độ thẩm thấu điện môi của đất. Điều này là do hằng số điện môi của nước cao hơn nhiều so với các thành phần khác trong đất (đất khoáng: 4, chất hữu cơ: 4, không khí: 1). Khi hàm lượng nước thay đổi, một đầu dò sẽ đo sự thay đổi trong điện dung, do sự biến đổi trong độ thấm điện môi có liên quan trực tiếp đến sự thay đổi hàm lượng nước. Hiện nay, cảm biến điện dung đang được sử dụng phổ biến trong việc lập kế hoạch tưới tiêu trong nông nghiệp trên toàn thế giới.

Giám sát Cure của vật liệu composite: Cảm biến điện môi hoặc điện dung được sử dụng để đo các phản ứng điện của nhựa nhiệt rắn và ma trận composite tại các độ sâu khác nhau trên bề mặt cảm biến. Mô hình chủ yếu được áp dụng với các cảm biến này là mô hình điện trường. Sự tương quan giữa các tính chất điện của vật liệu trong trường và kết quả đo (tức là điện dung) đóng vai trò cơ bản trong việc diễn giải các giá trị đọc được từ cảm biến điện môi.

Đo khoảng cách trong thử nghiệm máy nghiền.

Cảm biến điện dung cũng có thể được sử dụng để đo mức độ của một số vật liệu rắn trong các cấu trúc như phễu hoặc silo.

8. Những hãng sản xuất cảm biến điện dung

• Omron – Nhật Bản
• Autonics – Hàn Quốc
• …

9. Tổng kết

Cảm biến điện dung là một thiết bị quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp hiện nay. Thông qua bài viết này, hy vọng quý doanh nghiệp đã nắm rõ hơn về khái niệm, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung. Ngoài ra, để cập nhật những xu hướng mới nhất trong công nghệ tự động hóa và sản suất điện tử, cũng như khám phá các công nghệ tiên tiến trong ngành, quý doanh nghiệp có thể đăng ký tham gia triển lãm NEPCON Việt Nam, do RX Tradex tổ chức vào tháng 9 năm 2024. Đăng ký tham gia tại đây.