Cảm biến nhiệt độ là gì? Cấu tạo, nguyên lý và phân loại

Có nhiều cách để đo nhiệt độ được lựa chọn nhưng phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp vẫn là phương pháp chính xác cao và mang lại hiệu quả nhất. Trong bài viết này, TKĐ sẽ giới thiệu đến các bạn biết thêm về một số loại cảm biến nhiệt độ, chức năng và những điều lưu ý khi sử dụng.

Cảm biến nhiệt độ là gì?

Cảm biến nhiệt độ là một thiết bị giúp đo và hiển thị kết quả của sự biến đổi nhiệt độ của các đại lượng, vật, môi trường cần đo.

Mỗi công việc, mỗi một môi trường và hệ thống sẽ có đặc điểm, tính chất, đại lượng và yêu cầu riêng nên loại cảm biến nhiệt được sử dụng cũng sẽ không giống nhau.

Cảm biến nhiệt có độ chính xác cao hơn nhiệt kế và các cặp nhiệt thông thường.

Cấu tạo cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ công nghiệp được phân chia thành 2 phần: Chính là 2 dây kim loại để gắn vào đầu lạnh, đầu nóng.

Phần phụ sẽ bao gồm:

Đầu kết nối: Là nơi chứa các bảng mạch dùng để kết nối điện trở. Chất liệu là gốm.

Bộ phận cảm biến: Nó được bảo vệ bởi lớp vỏ sau khi đã kết nối với các đầu nối. Bộ phận này quan trọng nhất. Nó quyết định đến độ chính xác của thiết bị khi làm việc.

Phụ chất làm đầy: Đó chính là bột alumina có độ mịn, được sấy khô. Chức năng của nó là lấp đầy những khoảng trống để giúp hạn chế sự rung động của cảm biến.

Dây kết nối: Tùy theo từng loại mà số lượng dây kết nối có thể là 2, 3, 4. Vật liệu sản xuất dây sẽ dựa vào điều kiện của đầu đo.

Vỏ bảo vệ: Chức năng của nó là bảo vệ dây kết nối và cảm biến. Tùy theo yêu cầu mà lớp vỏ này có thể bổ sung thêm lớp ngoài bằng vỏ bổ sung để tăng khả năng bảo vệ.

Chất cách điện bằng gốm: Chức năng của nó là ngăn cách điện của vỏ và dây kết nối, ngăn ngừa đoản mạch.

Nguyên lý làm việc của cảm biến nhiệt độ

Như chúng ta đã biết, cảm biến nhiệt độ luôn hoạt động theo nguyên lý: Sự thay đổi điện trở kim loại so với sự thay đổi nhiệt.

Dễ hiểu hơn đó là: Khi sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu lạnh và đầu nóng diễn ra thì tại đầu lạnh sẽ phát sinh một sức điện động V. Và vì nhiệt tại đầu lạnh sẽ phụ thuộc vào yếu tố chất liệu để đảm bảo sự ổn định khi đo nên ngày càng xuất hiện nhiều loại cảm biến nhiệt khác nhau. Mỗi loại E, R, J, S, K, T lại cho ra một sức điện động không giống nhau.

Nguyên lý này được hình thành dựa trên sự quan hệ giữa nhiệt và vật liệu kim loại. Khi điện trở là 100 Ω thì nhiệt độ là 0. Khi điện trở trăng thì nhiệt độ tăng, khi điện trở giảm thì nhiệt độ giảm.

Tham khảo thêm: Cảm biến điện dung là gì? Cấu tạo và ứng dụng

Các loại dây cảm biến nhiệt độ

Dựa theo số dây cảm biến mà người ta phân chia thành:

2 dây

Đây chính là loại có độ chính xác kém nhất

Nó chỉ được sử dụng khi muốn kết nối độ bền nhiệt được thực hiện với điện trở thấp và dây điện trở ngắn hoặc để kiểm tra mạch điện tương đương.

Kết quả điện trở đo được là tổng của điện trở dây dẫn đang dùng cho kết nối với phần tử cảm biến.

3 dây

Loại cảm biến 3 dây sẽ chho mức độ đo chính xác tốt hơn so với loại 2 dây nên được sử dụng nhiều trong các hệ thống, máy móc sản xuất công nghiệp.

Thiết bị này khi đo sẽ loại được những lỗi gây ra bởi điện trở các dây dẫn. Tại đầu ra của thiết bị, điện áp sẽ thay đổi dựa trên sự biến đổi điện trở của cảm biến nhiệt và điều chỉnh liên tục theo nhiệt độ.

4 dây

Loại cảm biến nhiệt độ 4 dây chính là Volt-ampe kế. Đặc điểm của nó là có độ chính xác lớn nên được ưu tiên dùng trong phòng thí nghiệm hơn sản xuất công nghiệp.

Có 1 điều khách hàng nên chú ý đó là: Điện áp sau khi đo được chỉ phụ thuộc vào điện trở của nhiệt. Và độ chính chính xác của phép đo bị chi phối bởi độ ổn định của dòng đo cùng với độ chính xác của số đọc điện áp trên nhiệt.

Có hai loại nhiệt điện tạo thành: nhiệt khoáng chất MgO, nhiệt truyền thống.

Xem ngay: Cảm biến tiệm cận là gì? Đặc điểm, phân loại Proximity Sensors

Phân loại cảm biến nhiệt độ

Mặc dù có nhiều loại cảm biến nhiệt độ nhưng chúng tôi chỉ giới thiệu với các bạn 5 loại. Đây cũng chính là 5 cảm biến nhiệt thông dụng, phổ biến nhất trên thị trường.

Nhiệt điện trở – RTD

Cảm biến nhiệt điện trở thường được sử dụng trong các hệ thống sản xuất hóa chất, các nhà máy gia công vật liệu xây dựng… Với dải nhiệt đo rộng từ -200 độ C – 700 độ C, RTD có thể đáp ứng nhu cầu của người dùng đa dạng.

Cấu tạo nhiệt điện trở

Nhiệt điện trở được thiết kế dạng đầu to với các dây kim loại làm từ: Niken, đồng, Patium… quấn lại.

Nó hoạt động theo nguyên lý: Khi nhiệt độ thay đổi sẽ kéo theo điện trở giữa 2 đầu dây thay đổi. Tùy thuộc vào loại RTD đó làm từ chất liệu gì mà độ tuyến tính trong 1 khoảng nhiệt độ nhất định sẽ tương ứng.

Ưu điểm của cảm biến nhiệt điện trở là: Chiều dài dây không bị hạn chế, kết quả có độ chính xác cao, dễ thao tác và sử dụng. Mặc dù dải đo bé hơn nhưng giá cả thiết bị lại cao hơn so với cặp nhiệt khác.

Lưu ý khi sử dụng nhiệt điện trở

Loại cảm biến nhiệt điện trở RTD rất thuận tiện cho việc sử dụng của khách hàng khi có thể kiểm tra bằng đồng hồ VOM hoặc nối thêm dây. RTD được đánh giá là cho kết quả chính xác bởi có đến 4 dây giúp điện trở giảm đi khoảng 50% dẫn đến sai số thấp.

Tìm hiểu ngay: Cảm biến sợi quang là gì? Phân loại và hãng sản xuất

Cặp nhiệt độ Thermocouples (Can nhiệt)

Giống như các thiết bị khác, cặp nhiệt điện cũng có những ưu điểm riêng khá nổi trội như: Rất bền bỉ, ít xảy ra sự cố, có thể dùng với nhiệt độ cao. Tuy nhiên, thiết bị này lại có độ nhạy không cao và kết quả đo bị chi phối bởi nhiều yếu tố.

Can nhiệt thường được dùng cho đo nhiệt nhớt máy nén hay dùng trong các lò hơi vì dải nhiệt đô rộng từ -100 độ C đến 1400 độ C.

Cấu tạo cặp nhiệt độ Thermocouples

Cấu tạo của cặp nhiệt độ này khá đơn giản đó là 2 day kim loại được hàn dính 1 đầu. Chúng sẽ phân thành đầu nóng, đầu lạnh. Thiết bị được chế tạo dựa trên nguyên lý: Sự thay đổi nhiệt độ sẽ kéo theo sự thay đổi sức điện động. Cụ thể là sự chênh lệch nhiệt của đầu nóng và đầu lạnh sẽ phát sinh 1 sức điện động có giá trị xác định tại đầu lạnh.

Chính vì thể và sự ổn định và kết quả đo nhiệt độ tại đầu lạnh rất quan trọng. Vật liệu là một yếu tố quyết định. Mỗi cặp nhiệt độ Thermocouple khác nhau sẽ có sức điện động khác nhau như: J, K, E, S, R, T.

Lưu ý khi sử dụng cặp nhiệt độ Thermocouples

Trước khi sử dụng cặp nhiệt độ Thermocouples thì nên kiểm tra cẩn thận cũng không nên nối thêm dây. Những cộng dây của nó phải nên để thông thoáng.

Bán dẫn

Cảm biến bán dẫn có rất nhiều ưu điểm như: Mạch xử lý đơn giản, giá thành phải chăng, độ nhạy khi đo cao, chống nhiễu tốt, rất dễ trong khâu sản xuất, chế tạo. Song bên cạnh đó, thiết bị này cũng có nhược điểm như: độ bền bỉ không cao, không thích hợp dùng cho nhiệt cao.

Cảm biến bán dẫn được dùng cho các thiết bị đo để bảo vệ mạch điện tử, do nhiệt độ không khí.

Cấu tạo bán dẫn

Cảm biến bán dẫn sẽ được làm từ các chất bán dẫn quen thuộc như: Transistor, Diode, IC. Phạm vi nhiệt từ -50 độ C – 150 độ C. Trên lý thuyết, cảm biến bán dẫn hoạt động dựa trên mức độ sự phân cực của các lớp P-N tuyến tính khi tiếp xúc nhiệt độ môi trường. Hay nói dễ hiểu hơn đó chính là sự phân cực của những chất chất bán dẫn có trong cảm biến bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.

So với trước đây, các cảm biến bán dẫn sự cải tiến công nghệ bán dẫn đã cho ra đời ngày càng nhiều loại cảm biến đa chức năng và hiệu quả cao hơn.

Khách hàng dễ dàng bắt gặp các loại cảm biến này dưới dạng cảm biến Pt100, các loại IC như: LM35, LM335, LM45. Nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi. Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch.

Một số loại cảm biến bán dẫn thường gặp như loại IC LM35, LM335, LM45 hay cảm biến loại Diode DS18B20 Pt100, cảm biến PT 100.

Lưu ý khi sử dụng bán dẫn

Tất cả các cảm biến nhiệt bán dẫn đều có độ bền không cao và không thể chịu được nhiệt độ lớn. Nếu nhiệt độ của môi trường đo ngày càng tăng và vượt ngưỡng làm việc của thiết bị mà hãng sản xuất khuyến cáo thì nó sẽ bị hỏng. Vì thế mà nó không thích hợp cho những môi trường, công việc khắc nghiệt.

Mỗi loại cảm biến bán dẫn sẽ chỉ giới hạn tuyến tính trong 1 phạm vi nhất định nào đó và vượt ngoài phạm vi này thì thiết bị sẽ không còn tác dụng.

Thermistor

Thermistor là thiết bị theo nguyên lý thay đổi điện trở khi nhiệt thay đổi. Thiết bị này có 3 ưu điểm lớn: Giá thành rẻ, độ bền cao, dễ sản xuất và sử dụng. Nhưng ngược lại, nó có 1 phạm vi tuyến tính hẹp.

Cấu tạo của Thermistor

Thermistor được chế tạo từ các vật liệu Niken, mangan, cobalt hay các hỗn hợp oxit kim loại khác. Chúng sẽ được pha theo khối lượng và tỉ lệ nhất định trước khi đem nén và nung ở nhiệt độ cao. Khi nhiệt thay đổi thì mức độ dẫn điện của hỗn hợp này thay đổi.

Hiện nay thì Thermistor có 2 loại đó là:

+ NTC: Hệ số nhiệt âm. Nó có điện trở tăng theo nhiệt độ.

+ PTC: Hệ số nhiệt dương. Nó có điện trở giảm theo nhiệt độ.

Trong 2 loại trên thì NTC thường dùng nhiều hơn. Đặc điểm: Dải thang đo khá bé chỉ khoảng 50 độ C. Do tuyến tính chỉ nằm trong khoảng nhiệt độ giới hạn từ 50 -150d nên thiết bị này ít được sử dụng để đo và hiển thị kết quả nhiệt độ mà nó dùng để ngắt nhiệt và bảo vệ hệ thống. Thiết bị này sẽ được lắp ép vào mạch điện tử hay cuộn dây động cơ để bảo vệ hiệu quả khi nhiệt tăng.

Lưu ý khi sử dụng Thermistor

Việc lựa chọn Thermistor phải được tính toán cẩn thận dựa trên yếu tố nhiệt độ môi trường sao cho chính xác bởi vì nó có 2 loại PTC là thường mở và NTC là thường hở.

Khi lắp cần tránh va chạm làm hỏng lớp vỏ bảo vệ và cần ép chặt vào bề mặt đo. Do đặc điểm của thiết bị chính là biến thiên theo điện trở nên không cần chú trọng vào chiều đấu dây. Các bạn cũng có thể test với đồng hồ đo VOM để kiểm tra.

Nhiệt kế bức xạ (Hỏa kế – Pyrometer)

Hỏa kế là thiết bị được nghiên cứu và chế tạo để đo nhiệt độ của các môi trường đặc biệt như lò sấy, lò nung, lò hơi, nơi khó lắp cảm biến hoặc bể hóa chất… mà cảm biến thông thường không thể lắp đặt.

Ưu điểm của nó chính là khả năng làm việc hiệu quả trong điều kiện không tiếp xúc với vật cần đo và trong những môi trường khắc nghiệt.

Nhược điểm của nó là: Giá thành khá đắt đỏ nên người dùng cần phải cân nhắc để lựa chọn, độ chính xác khi đo ở mức tương đối.

Cấu tạo nhiệt kế bức xạ

Hiện nay, để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng thì có nhiều loại hỏa kế ra đời như: Hỏa kế màu sắc, hỏa kế bức xạ, hỏa kế ánh sáng.

Tất cả các nhiệt kế bức xạ đều hoạt động theo 1 nguyên tắc đó là: Vật nào mang nhiệt cũng sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng. Mỗi bức xạ năng lượng sẽ tạo nên 1 bước sóng nhất định và nhiệm vụ của hỏa kế là thu và phân tích các bước sóng này. Cuối cùng là cho ra con số nhiệt độ của vật cần đo.

Cấu tạo của nhiệt kế bức xạ sẽ gồm các mạch quang học, mạch điện tử và được thiết kế nhỏ gọn để tiện cầm nắm. Thiết bị có thể đo tốt trong phạm vi từ -54 đến 1000 độ C.

Lưu ý khi sử dụng hỏa kế

Khi sử dụng nhiệt kế bức xạ, người dùng nên chú ý đến thông số mà nhà sản xuất đưa ra. Vì mỗi thiết bị sẽ có một tầm đo khác nhau.

Hầu hết các pyrometer đều có thể đo và sử dụng trong môi trường có nhiệt độ cao tuy nhiên đặc điểm không tiếp xúc trực tiếp với vật hay môi chất đo nên độ chính xác không cao như các thiết bị khác.

Kết quả đo được sẽ chịu nhiều yếu tố như: ánh sáng môi trường, người dùng có run tay hay không và các góc độ đo thiết bị.

Tham khảo thêm: Cảm biến quang là gì? Cấu tạo, phân loại và ứng dụng

Cách chọn cảm biến nhiệt độ

Để có thể chọn được cảm biến nhiệt độ trong công nghiệp phù hợp không phải dễ dàng gì khi có hàng trăm loại trên thị trường. Vì thế mà các bạn có thể cân nhắc những lưu ý sau:

+ Đầu tiên là xác định loại cảm biến nhiệt độ cần sử dụng. Loại cảm biến PT 100 hay can nhiệt chính là 2 loại thường gặp. Khách hàng cũng nên xem tín hiệu output, PT 100 thì tín hiệu điện trở (Ω) còn can nhiệt cho tín hiệu điện áp (mV).

+ Bạn lựa chọn loại cảm biến đầu củ hành dùng cho không gian lớn hay là cảm biến dây lắp tại các vị trí nhỏ hẹp.

+ Thông số dải thang đo nhiệt độ là yếu tố quan trọng cần xem xét. Người dùng có thể chọn hỏa kế với thang đo từ 54 đến 1000 độ C hay RTD với 200 độ C – 700 độ C hoặc can nhiệt -100 độ C đến 1400 độ C. Tùy theo đặc điểm của từng môi trường đo mà

+ Chiều dài que dò cảm biến

Khi bạn quan sát que dò sẽ thấy có 1 đoạn tầm 4mm-5mm có màu sắc khác biệt. Đó chính là đoạn platinum. Thông thường các khách hàng của chúng tôi thường chọn cảm biến có que dài 50mm.

+ Đường kính que dò và ren kết nối

Đường kính của que dò sẽ ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến do có lớp vỏ ngoài bằng inox. Cảm biến có que dò nhỏ nhạy hơn so với cảm biến có đường kính lớn.

Ren kết nối của các loại cảm biến thông thường sẽ chỉ cần chọn phù hợp với yêu cầu. Nếu ren quá lớn hoặc quá nhỏ thì người dùng có thể lắp các bộ chuyển đổi ren. Đối với cảm biến bọc sứ đặc biệt không có ren kết nối thì bắt buộc phải đo đường kính.

+ Môi trường đo

Tùy theo đó là môi trường nước, hóa chất, khí nén mà người dùng chọn cảm biến phù hợp. Nếu môi trường có chất ăn mòn thì nhất định phải sử dụng ống termowell.

+ Và yếu tố phụ như có cần chuẩn chống cháy nổ hay bộ chuyển đổi tín hiệu hay không, sai số và không bỏ qua giá thành sản phẩm.

Ứng dụng cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị được sử dụng khá phổ biến với nhiều ứng dụng khác nhau như: Đo nhiệt trong các lò sấy, đo nhiệt độ trong bồn nước, của lò nung hay đo nhiệt của bể chứa hóa chất, các nồi đun dầu.

Để khách hàng có thể dễ dàng hình dung thì chúng tôi sẽ ví dụ một số loại như:

+ Cảm biến điện trở được làm từ oxit kim loại sẽ dùng nhiều trong hệ thống nhiệt lạnh.

+ Các cảm biến nhiệt kế điện tử, cảm biến can nhiệt, cảm biến bán dẫn loại T thường dùng trong các nghiên cứu nông nghiệp.

+ Những cặp nhiệt điện loại PT100, K, R, S, B, T thường được bắt gặp trong các hệ thống gia công, sản xuất hóa chất, vật liệu công nghiệp.

+ Một số loại nhiệt kế điện tử hay cảm biến nhiệt PT100 sẽ sử dụng trong xe hơi, xe máy móc cơ giới.

Một số lưu ý khi sử dụng và bảo quản

Việc bảo quản cảm biến nhiệt độ không phức tạp khi chỉ cần để ở nơi không bị ánh nắng chiếu trực tiếp, không tiếp xúc với trẻ em. Nếu không sử dụng thì các cảm biến nhiệt độ phải được để ở nơi khô ráo và thoáng mát.

Để có thể sử dụng thiết bị hiệu quả hơn thì người dùng cần chú ý:

+ Độ dài của dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt.

+ Đầu nối phải lắp đúng chiều âm dương

+ Tuyệt đối không để những đầu của dây nối cặp nhiệt cặp nhiệt điện tiếp xúc trực tiếp với môi trường đo.

+ Nên cài đặt giá trị bù nhiệt để bù lại những tổn thất, mất mát trên đường dây. Thông số này sẽ phụ thuộc vào môi trường lắp đặt hay chất liệu và chiều dài mà giá trị sẽ nhỏ hoặc lớn.

Đến đây chắc hẳn các bạn ít nhiều đã trang bị cho bản thân một số kiến thức cơ bản về cảm biến nhiệt độ chuyên dùng trong các hệ thống khí nén, thủy lực, hơi… Nếu có bất kỳ thắc mắc nào cần được tư vấn và giải đáp, đừng ngại mà hãy kết nối nhanh với đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi.

5/5 (2 bình chọn)