Trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp, việc giám sát nồng độ khí gas là rất cần thiết để đáp ứng quy định an toàn lao động, bảo vệ tài sản và duy trì môi trường vận hành ổn định. Cảm biến khí (Gas Sensor) là thiết bị có vai trò chủ chốt trong việc phát hiện, đo lường và hỗ trợ kiểm soát nồng độ các loại khí công nghiệp phổ biến như CO, CO2, CH4, H2S, NH3...
Tùy theo đặc tính khí và yêu cầu ứng dụng, các loại cảm biến khí công nghiệp được phát triển với nhiều công nghệ đo và chức năng khác nhau (thường thấy là cảm biến khí độc, cảm biến khí dễ cháy nổ). Hãy cùng Sensors Việt Nam tìm hiểu thông tin chi tiết về gas sensors trong bài viết dưới đây để có cơ sở tham khảo và lựa chọn giải pháp đo lường phù hợp với hệ thống của mình nhé!
CẢM BIẾN KHÍ LÀ GÌ?
Cảm biến khí (gas sensor) nói chung là thiết bị chuyên dùng để phát hiện và đo lường nồng độ của một hay nhiều loại khí trong môi trường, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu điện chuẩn (thường là 0-10V, 4-20 mA, RS485 Modbus RTU hoặc HART) để đưa về PLC, bộ điều khiển trung tâm hay tủ báo động.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN KHÍ
Về nguyên lý hoạt động thì mỗi công nghệ cảm biến khí sẽ có phương thức vận hành khác nhau. Trong đó có công nghệ đo nhiệt sinh ra khi khí cháy trên phần tử cảm biến, có loại đo dòng điện sinh ra từ phản ứng hóa học của khí khi tiếp xúc với thiết bị, có loại sẽ xác định nồng độ khí dựa trên mức hấp thụ ánh sáng hồng ngoại ở bước sóng đặc trưng của chính phân tử khí đo.
Sau khi đo được giá trị nồng độ khí, tín hiệu từ phần tử cảm nhận sẽ được gửi về mạch xử lý để lọc nhiễu, bù nhiệt, thực hiện các tính toán cần thiết và chuyển đổi thành tín hiệu điện chuẩn để gửi về hệ thống giám sát - điều khiển trung tâm.
CÁC LOẠI CẢM BIẾN KHÍ CÔNG NGHIỆP PHỔ BIẾN VÀ ỨNG DỤNG THỰC TẾ
Trên thị trường hiện có 5 loại cảm biến khí công nghiệp được sử dụng phổ biến nhất, gồm:
Cảm biến khí xúc tác (Catalytic Bead)
Đây là công nghệ cảm biến khí dễ cháy nổ lâu đời nhất. Công nghệ này sử dụng một bộ phận xúc tác được nung nóng, khi khí dễ cháy tiếp xúc với bộ phận này thì sẽ bị oxy hóa và làm tăng nhiệt, từ đó làm thay đổi điện trở của cầu Wheatstone.
Ưu điểm của cảm biến khí công nghiệp dạng xúc tác là giá hợp lý, thời gian đáp ứng nhanh (T90 thường dưới 15 giây) và đo được nhiều loại khí gốc hydrocarbon. Tuy nhiên, loại cảm biến nồng độ khí này cần có lượng oxy tối thiểu (~10% thể tích) để hoạt động, không phù hợp ứng dụng trong môi trường trơ hoặc bồn kín thiếu oxy.
Nhược điểm lớn nhất của cảm biến khí gas xúc tác là dễ ngộ độc với hợp chất chứa lưu huỳnh, hơi silicone, chì hay halogen.
→ Ứng dụng: Cảm biến khí dễ cháy nổ, phát hiện rò rỉ khí dễ cháy, giám sát khí CH4 và LPG, hệ thống cảnh báo cháy nổ, nhà máy hóa dầu, trạm khí đốt…
Cảm biến khí hồng ngoại không phân tán (NDIR)
Một trong các loại cảm biến khí công nghiệp phổ biến nhất hiện nay là công nghệ hồng ngoại không phân tán (viết tắt là NDIR), nó đo nồng độ khí thông qua khả năng hấp thụ ánh sáng hồng ngoại ở bước sóng đặc trưng của chính loại khí đó.
Ưu điểm là công nghệ đo khí này rất hiện đại, không bị ngộ độc xúc tác, hoạt động được ở hầu hết các điều kiện môi trường, tuổi thọ cao (dao động từ 5 - 10 năm), có cơ chế tự chẩn đoán tốt và không cần bảo trì, hiệu chuẩn quá thường xuyên.
Hạn chế đáng kể nhất của dòng cảm biến khí công nghiệp NDIR là không ứng dụng được với các loại khí không hấp thụ hồng ngoại (điển hình như hydro) và chi phí đầu tư tương đối cao.
→ Ứng dụng: Phù hợp để đo CH4, các hydrocarbon, CO4 và một số môi chất lạnh. Đặc biệt phù hợp với những vị trí khó tiếp cận bảo trì như giàn khoan, trạm biogas, đường ống ngoài trời…
Cảm biến khí điện hóa (Electrochemical)
Cảm biến khí điện hóa (Electrochemical) là dòng cảm biến khí độc, hoạt động theo cơ chế: khí khuếch tán qua màng vào điện cực → phản ứng → tạo ra dòng điện tỉ lệ thuận với nồng độ khí trong môi trường thực tế.
Thiết bị cảm biến khí độc này được tin dùng nhờ độ nhạy cao ở mức nồng độ ppm và có độ chọn lọc tốt. Tuổi thọ của một cảm biến nồng độ khí điện hoá thường dao động khoảng 2 - 3 năm (tùy loại khí đo), chống chịu nhiệt độ, độ ẩm cũng như hiện tượng nhạy chéo ổn.
→ Ứng dụng: Đây là cảm biến khí độc - gần như mặc định cho các loại khí độc hại như CO, H2S, NH3, Cl2, SO2, NO2 và cả O2…
Cảm biến khí bán dẫn oxit kim loại (MOS)
Cảm biến khí gas MOS theo dõi sự thay đổi điện trở bề mặt phản ứng khi phân tử khí hấp phụ lên lớp oxit kim loại được nung nóng.
Dòng cảm biến khí công nghiệp này ở phân khúc giá rẻ, thiết kế nhỏ gọn và dải đo rộng. Nhược điểm của nó là độ chọn lọc thấp, dễ bị trôi tín hiệu theo thời gian và khá nhạy với độ ẩm. Trong các hệ thống công nghiệp, đặc biệt là khu vực yêu cầu an toàn nghiêm ngặt thì cảm biến khí gas MOS thường chỉ được dùng cho mục đích cảnh báo sớm (bổ trợ), nó không nên được xem là lớp bảo vệ chủ lực/duy nhất.
→ Ứng dụng: Thường dùng trong ứng dụng cảnh báo rò rỉ khí gas dân dụng, thiết bị giám sát chất lượng không khí và thiết bị IoT…
Cảm biến ion hóa quang (PID)
Trong các loại cảm biến khí công nghiệp phổ biến hiện nay còn có dòng sản phẩm sử dụng công nghệ PID (dùng đèn UV, phổ biến 10,6 eV) để ion hóa các phân tử khí có năng lượng ion hóa phù hợp, sau đó đo dòng ion và suy ra nồng độ khí trong môi trường.
Công nghệ cảm biến khí công nghiệp PID có ưu điểm là độ nhạy cao, thời gian phản hồi nhanh và phát hiện được nhiều loại hơi dung môi ở nồng độ thấp (đơn vị ppm hoặc ppb).
→ Ứng dụng: Công nghệ cảm biến khí gas này phù hợp để đo hợp chất hữu cơ bay hơi (VOC) ở mức ppb đến ppm - điển hình có thể kể đến như benzen, toluen, xylen, aceton… Ứng dụng phổ biến trong giám sát VOC, phát hiện rò rỉ hơi hóa chất, kiểm tra hơi dung môi và đánh giá chất lượng không khí trong môi trường công nghiệp.
HƯỚNG DẪN CHỌN TÍN HIỆU ĐẦU RA ĐẢM BẢO KHẢ NĂNG TÍCH HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ CỦA CẢM BIẾN KHÍ
Đa số các loại cảm biến khí công nghiệp hiện đại được tích hợp 1 trong 4 kiểu tín hiệu ngõ ra sau đây (một số model hiện đại có thể hỗ trợ 2 - 3 kiểu ngõ ra trên 1 thiết bị):
Tín hiệu 4-20mA
Đây là tín hiệu dòng điện analog được sử dụng phổ biến hàng đầu trong các cảm biến khí công nghiệp. Trong đó 4mA ứng với giá trị đo thấp nhất và 20mA ứng với giá trị đo cao nhất.
Ưu điểm nổi bật của kiểu tín hiệu này là truyền tín hiệu trên đường dây dài mà không lo nhiễu điện từ, có thể kết nối với hầu hết hệ thống điều khiển hiện đại và chi phí đầu tư không quá cao.
Đặc biệt, tín hiệu 4-20mA có điểm “live zero” - quy ước phổ biến là mức dưới khoảng 3,8mA thì thiết bị sẽ báo lỗi cảm biến hoặc đứt dây, giúp người vận hành phân biệt rõ ràng hai trạng thái “giá trị đo bằng 0” và “mất tín hiệu”.
Tín hiệu 0-10V
Tín hiệu này là điện áp analog, được sử dụng trong các hệ thống yêu cầu cảm biến khí gas phải tích hợp với hệ thống điều khiển nhưng không cần truyền tín hiệu đi xa. Nguyên nhân là bởi chuẩn tín hiệu 0-10V tương đối yếu, rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ. Ưu điểm của tín hiệu này là dễ tích hợp hệ thống tự động hoá và chi phí đầu tư rẻ.
Tín hiệu Modbus RTU và HART
Đây là hai giao thức truyền thông công nghiệp hiện đại và phổ biến hàng đầu trong các dòng cảm biến khí độc/cảm biến khí dễ cháy nổ. Modbus RTU và HART thường được cân nhắc khi cần tích hợp nhiều điểm đo trên một bus, truyền tín hiệu đi xa với chất lượng không đổi, số liệu chẩn đoán phong phú và cho phép đọc nhiều thông tin cùng lúc (trạng thái hiệu chuẩn, nhiệt độ cảm biến và cảnh báo tuổi thọ…).
Lưu ý: Với các khu vực nguy hiểm cháy nổ, người dùng cần chọn cảm biến khí với các chứng nhận phù hợp như Ex d (vỏ chịu nổ) hoặc Ex ia (an toàn tia lửa) theo tiêu chuẩn ATEX/IECEx. Đừng quên kiểm tra nhóm khí cần đo, nhiệt độ hoạt động và cấp bảo vệ IP của thiết bị so với môi trường thực tế.
GỢI Ý LỰA CHỌN CẢM BIẾN KHÍ THEO NHU CẦU ỨNG DỤNG THỰC TẾ
Dưới đây là gợi ý chọn cảm biến nồng độ khí theo các nhu cầu ứng dụng thực tế phổ biến mà bạn có thể tham khảo:
Kho lạnh dùng amoniac: Ưu tiên chọn cảm biến điện hóa cho lớp cảnh báo sớm (ppm), kết hợp cảm biến hồng ngoại không phân tán hoặc bán dẫn chuyên dụng (dải nồng độ cao).
Trạm biogas và xử lý nước thải: Ưu tiên kết hợp cảm biến khí gas hồng ngoại không phân tán NDIR cho nhóm khí CH4/CO2, gas sensors kiểu điện hóa cho H2S và O2 (nếu là không gian hạn chế).
Phòng pin lithium và sạc: Ưu tiên chọn cảm biến khí H2 và CO để cảnh báo sớm khi pin bắt đầu xuất hiện tình trạng quá nhiệt.
Nhà máy sơn, in ấn, hóa chất dung môi: Ưu tiên chọn cảm biến khí gas công nghiệp PID (cho VOC), kết hợp cảm biến khí dễ cháy nổ và cảm biến khí độc để giám sát cả độc tính lẫn nguy cơ cháy nổ.
Hầm kín, bồn chứa và không gian hạn chế: Ưu tiên sử dụng thiết bị đo cầm tay cho bốn khí (O2, khí dễ cháy, CO, H2S). Trong khu vực này, bắt buộc phải có thiết bị xác định nhanh - đảm bảo nồng độ khí ở ngưỡng an toàn trước khi cho người vào làm việc.
ĐỊA CHỈ MUA CẢM BIẾN KHÍ CÔNG NGHIỆP - CẢM BIẾN KHÍ ĐỘC - CẢM BIẾN KHÍ DỄ CHÁY NỔ CHẤT LƯỢNG
Nếu bạn đang tìm địa chỉ cung cấp cảm biến khí công nghiệp, cảm biến khí độc hay cảm biến khí dễ cháy nổ chất lượng thì Sensors Việt Nam tự tin là đơn vị đáng để cân nhắc.
Chúng tôi có danh mục sản phẩm cảm biến đo khí đa dạng - phù hợp cho ứng dụng kho lạnh, trạm xử lý nước thải, nhà máy luyện kim, nhà máy hóa chất, phòng pin… với nhiều tùy chọn công nghệ, dải đo, thiết kế, tính năng, tín hiệu ngõ ra, cấp bảo vệ, điều kiện hoạt động và chứng nhận chống cháy nổ. Đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi sẽ tư vấn tận tình để giúp bạn chọn được model cảm biến đo nồng độ khí phù hợp với bài toán thực tế của khách hàng.
Là đối tác chính thức của hơn 50 thương hiệu uy tín toàn cầu, Sensors Việt Nam không chỉ mang đến hệ sinh thái sản phẩm đa dạng, mà còn chính hãng, giá tốt, bảo hành 12-24 tháng, có đầy đủ CO/CQ - chứng nhận, giúp bạn yên tâm khi triển khai ở khu vực thông thường lẫn nguy hiểm cháy nổ.
Liên hệ Sensors Việt Nam qua website https://cambien.com.vn/ | https://www.sensors.vn/ ngay hôm nay để nhận tư vấn và báo giá cảm biến khí công nghiệp phù hợp nhất với nhu cầu ứng dụng của bạn.