Cảm biến nhiệt độ là một trong những loại cảm biến được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Cảm biến nhiệt độ là gì và nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt ra sao? Cùng tìm hiểu chi tiết qua bài viết sau.
1. Cảm biến nhiệt độ là gì?
Cảm biến nhiệt độ là một thiết bị quan trọng trong việc đo và giám sát sự biến đổi về nhiệt độ của các vật cần đo. Loại cảm biến phổ biến nhất hiện nay là nhiệt kế, một loại cảm biến RTD (đầu dò điện trở) hoặc cặp nhiệt điện.
Khi nhiệt độ của vật cần đo thay đổi, cảm biến sẽ đưa ra một tín hiệu tương ứng. Thông qua bộ đọc, tín hiệu này sẽ được chuyển đổi thành một con số cụ thể thể hiện nhiệt độ hiện tại của vật.
2. Cấu tạo cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ thường có cấu tạo với các bộ phận sau:
1. Bộ phận cảm biến: Đây là bộ phận quan trọng nhất của cảm biến nhiệt, nơi mà sự thay đổi về nhiệt độ sẽ gây ra sự biến đổi về điện trở của cảm biến. Bộ phận này được đặt bên trong vỏ bảo vệ sau khi đã kết nối với đầu nối.
2. Dây kết nối: Các bộ phận cảm biến có thể được kết nối bằng 2, 3 hoặc 4 dây kết nối. Loại dây sẽ phụ thuộc vào điều kiện sử dụng của cảm biến.
3. Chất cách điện gốm: Bộ phận này có nhiệm vụ chủ yếu là làm chất cách điện để ngăn đoản mạch và cách điện giữa các dây kết nối với vỏ bảo vệ.
4. Phụ chất làm đầy: Phụ chất này thường là bột alumina mịn, được sấy khô và rung để lắp đầy tất cả khoảng trống trong cảm biến, nhằm bảo vệ nó khỏi các rung động và tác động bên ngoài.
5. Vỏ bảo vệ: Bộ phận này dùng để bảo vệ bộ phận cảm biến và dây kết nối. Nó cần được làm bằng vật liệu phù hợp và có kích thước phù hợp với môi trường sử dụng. Đôi khi, cảm biến có thể được bọc thêm vỏ bảo vệ bằng vật liệu bổ sung để tăng tính chịu va đập và kháng bụi bẩn.
6. Đầu kết nối: Bộ phận này được làm bằng vật liệu cách điện (gốm) và chứa các bảng mạch, cho phép kết nối của điện trở. Đầu kết nối này cũng có thể chứa bộ chuyển đổi 4-20mA, cho phép cài đặt thay thế bảng đầu cuối nếu cần thiết.
Cấu tạo này giúp cảm biến nhiệt độ hoạt động chính xác và đáng tin cậy, và nó có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như đã đề cập ở trên.
3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại khi nhiệt độ thay đổi, và điều này mang lại nhiều ưu điểm.
Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh của cảm biến, sức điện động V sẽ được phát sinh tại đầu lạnh. Điều này dựa trên nguyên tắc của hiệu ứng Seebeck, một hiện tượng điện từ xảy ra trong các vật liệu dẫn điện khác nhau khi chịu nhiệt độ khác nhau. Sự thay đổi nhiệt độ làm cho điện trở của kim loại thay đổi, và do đó, sức điện động tạo ra cũng thay đổi. Chất liệu của đầu lạnh phải được chọn sao cho có khả năng ổn định và đo được nhiệt độ một cách chính xác.
Có nhiều loại cặp nhiệt độ được sử dụng trong cảm biến nhiệt, mỗi loại có sức điện động khác nhau. Các loại cặp nhiệt độ phổ biến bao gồm E, J, K, R, S, T.
Nguyên lý hoạt động chính của cảm biến nhiệt độ dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của vật liệu kim loại. Với nhiệt độ ở mức 0 độ C, điện trở của kim loại thường là 100Ω. Khi nhiệt độ tăng, điện trở cũng tăng lên và ngược lại.
Để nâng cao hiệu suất làm việc của cảm biến nhiệt và thuận tiện trong vận hành và lắp đặt, thường tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu. Bộ chuyển đổi này chuyển đổi tín hiệu đo được từ cảm biến thành các tín hiệu dễ đọc và xử lý hơn, ví dụ như tín hiệu 4-20mA. Điều này giúp tối ưu hóa quá trình kiểm soát và giám sát nhiệt độ trong các ứng dụng khác nhau.
4. Phân loại cảm biến nhiệt độ theo chức năng
4.1. Cặp nhiệt điện
Cảm biến cặp nhiệt điện là một loại cảm biến nhiệt được sử dụng rộng rãi với các đặc điểm như độ bền cao, chi phí thấp, tự cấp nguồn và khả năng sử dụng cho khoảng cách xa. Đây là thiết bị được niêm phong bên trong tấm chắn gốm hoặc kim loại. Một số loại cặp nhiệt điện phổ biến bao gồm K, J, T, R, E, S, N và B.
4.2. Đầu dò điện trở
Đầu dò điện trở cũng là một loại cảm biến nhiệt có khả năng đo chính xác nhiệt độ. Cảm biến này được làm từ các kim loại như bạch kim, đồng, niken,… và có phạm vi rộng, có thể đo nhiệt độ từ khoảng 270°C đến + 850°C.
4.3. Nhiệt điện trở
Nhiệt điện trở là một trong những cảm biến nhiệt độ có giá thành rẻ và dễ sử dụng. Sản phẩm này được làm từ mangan, oxit của niken, nên độ bền không cao. Tuy nhiên, loại cảm biến này mang lại độ nhạy cao và kết quả đo khá chính xác.
4.4. Nhiệt kế
Nhiệt kế là một thiết bị được sử dụng để đo nhiệt độ của chất rắn, chất lỏng và chất khí. Loại nhiệt kế này có chứa chất lỏng thủy ngân trong ống thủy tinh. Thể tích của nhiệt kế tăng theo tuyến tính với nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì thể tích nhiệt kế cũng sẽ tăng theo.
4.5. Cảm biến bán dẫn
Cảm biến bán dẫn (IC) là loại cảm biến nhiệt được sử dụng phổ biến nhất. Nó mang lại độ tuyến tính cao và đo nhiệt độ chính xác trong khoảng 55°C đến + 150°C.
5. Phân loại cảm biến nhiệt độ theo loại dây
5.1 Cảm biến nhiệt độ 2 dây
– Loại cảm biến ít chính xác nhất trong các loại cảm biến nhiệt độ.
– Thường chỉ được sử dụng khi kết nối độ bền nhiệt học được thực hiện với dây điện trở ngắn và điện trở thấp.
– Có thể sử dụng để kiểm tra mạch điện tương đương và đo điện trở tổng hợp từ các phần tử cảm biến và dây dẫn kết nối.
5.2 Cảm biến nhiệt độ 3 dây
– Loại cảm biến này có mức độ chính xác cao hơn so với cảm biến 2 dây.
– Được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp.
– Ưu điểm của loại cảm biến này là loại bỏ các lỗi do điện trở của dây dẫn gây ra. Điện áp đầu ra của cảm biến phụ thuộc hoàn toàn vào sự biến đổi điện trở của cảm biến nhiệt và sự điều chỉnh nhiệt độ diễn ra liên tục theo nhiệt độ.
5.2 Cảm biến nhiệt độ 4 dây
– Loại cảm biến được xem là có độ chính xác cao nhất.
– Thường được sử dụng trong các ứng dụng trong phòng thí nghiệm chủ yếu.
– Trong phạm vi mạch điện tương đương, điện áp đo được chỉ phụ thuộc vào điện trở của cảm biến nhiệt. Độ ổn định của dòng đo và độ chính xác của số đọc điện áp trên cảm biến nhiệt sẽ quyết định đến độ chính xác của phép đo.
6. Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:
- Điều khiển môi trường hệ thống HV và AC: Các cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong các hệ thống điều khiển nhiệt độ, đảm bảo rằng môi trường hoạt động ổn định và an toàn.
- Xử lý hóa chất: Trong các quy trình hóa chất, việc giám sát và điều khiển nhiệt độ là cần thiết để đảm bảo chất lượng và hiệu suất.
- Bộ xử lý thực phẩm: Trong ngành công nghiệp thực phẩm, cảm biến nhiệt độ giúp đo và kiểm soát nhiệt độ trong quá trình chế biến thực phẩm.
- Thiết bị y tế: Trong lĩnh vực y tế, cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong các thiết bị đo nhiệt độ cơ thể, như nhiệt kế hồng ngoại.
Các loại cảm biến nhiệt độ có vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển các quy trình liên quan đến nhiệt độ, đảm bảo an toàn và hiệu suất trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau.
7. Lưu ý khi chọn mua cảm biến nhiệt độ
7.1 Mức nhiệt cần đo
– Đối với mức nhiệt dưới 500°C, thường sử dụng cảm biến nhiệt độ Pt100.
– Mức nhiệt từ 500°C đến 1100°C thì sử dụng cảm biến can nhiệt K.
– Mức nhiệt trên 1100°C và tới 1600°C thì sử dụng cảm biến can nhiệt S.
7.2 Khoảng nhiệt độ mong muốn
– Xác định rõ khoảng nhiệt độ cần đo lường để không chọn khoảng nhiệt độ quá chênh lệch giữa cảm biến và môi trường đo đạc, nhằm tránh sai số trong quá trình làm việc của cảm biến.
7.2 Giá thành cảm biến
– Cần cân nhắc mức giá phù hợp nhất với chất lượng sản phẩm, tùy vào nơi cung cấp và hãng sản xuất cũng như khả năng đáp ứng của sản phẩm.
7.3 Mức sai số
– Sản phẩm từ các thương hiệu khác nhau sẽ có mức sai số khác nhau, do đó cần lựa chọn cảm biến nhiệt độ với mức sai số phù hợp với yêu cầu đo lường.
7.4 Kích thước cảm biến
– Cảm biến can nhiệt thường có dạng củ hành và có thể tùy chọn chiều dài, đường kính, và vật liệu của cảm biến (như INOX hay sứ). Vật liệu sứ thường chịu nhiệt cao hơn Inox và thường dùng cho cảm biến S.
7.5 Khoảng cách đo của cảm biến
– Cần xác định chiều dài cảm biến nhiệt cần đo và lựa chọn kích thước phù hợp, có nhiều kích thước cho lựa chọn từ 20mm đến 2000mm.
Ngoài ra, sự linh hoạt trong tháo lắp, độ tương thích với môi trường, khả năng điều chỉnh riêng lẻ,… cũng là những điều cần xem xét trước khi quyết định mua cảm biến đo lường nhiệt độ.
Bài viết liên quan:
