Cảm biến nhiệt độ là gì? Nguyên lý hoạt động

Hiện nay, cảm biến nhiệt độ đã trở thành thiết bị quen thuộc được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm xác định nhiệt độ – yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới mọi mặt trong cuộc sống. Vậy cảm biến nhiệt độ là gì? Chúng có nguyên lý hoạt động và công dụng ra sao? Ta sẽ cùng tìm hiểu về các loại cảm biến nhiệt độ thông qua bài viết dưới đây.

Cảm biến nhiệt độ là gì?

Khái niệm cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị được dùng để đo lường sự thay đổi về nhiệt độ của các đối tượng cần kiểm soát và ổn định về nhiệt. Cảm biến nhiệt có khả năng thực hiện các phép đo nhiệt độ với độ chính xác cao hơn nhiều so các phép đo nhiệt độ thông thường khác. Khi sử dụng, cảm biến sẽ phát hiện sự thay đổi nhiệt độ của đối tượng cần đo để đưa ra tín hiệu, xử lý tín hiệu thông báo nhiệt độ tới người dùng thiết bị.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ

Nguyên lý chung của cảm biến nhiệt độ là dựa vào đặc tính của nguồn nhiệt tác động lên các yếu tố bên ngoài. Khi sử dụng, cảm biến sẽ phát hiện sự thay đổi nhiệt độ của đối tượng cần đo để đưa ra tín hiệu. Từ tín hiệu này sẽ chuyển thành tín hiệu điện truyền tới mạch xử lý, thông qua bộ phận xử lý tín hiệu sẽ quy đổi ra con số nhiệt độ để thông báo tới người dùng qua màn hình.

Cấu tạo của của biến nhiệt độ

Cảm biến đo nhiệt độ thường có cấu tạo chính gồm 2 dây dẫn kim loại khác nhau được gắn vào đầu nóng và đầu lạnh. Bên cạnh đó, nó còn được cấu tạo bởi nhiều bộ phận quan trọng cụ thể như sau.

Bộ phận cảm biến

Đây là bộ phận quan trọng quyết định đến độ chính xác của toàn bộ thiết bị cảm biến. Bộ phận này được đặt bên trong vỏ bảo vệ sau khi đã kết nối với đầu nối.

Dây dẫn kết nối

Các bộ phận của cảm biến có thể được kết nổi bằng 2,3 hoặc 4 dây kết nối. Trong đó, chất liệu dây sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện sử dụng đầu đo.

Vật liệu cách điện gốm

Bộ phận cách điện với nhiệm vụ chủ yếu là làm chất cách điện ngừa đoản mạch và thực hiện cách điện giữa các dây kết nối với vỏ bảo vệ.

Chất làm đầy

Phụ chất làm đầy gồm bột alumina mịn, được sấy khô và rung. Phụ chất này có chức năng chính là lấp đầy tất cả khoảng trống để bảo vệ cảm biến khỏi các rung động.

Lớp vỏ bảo vệ

Bộ phận này được dùng để bảo vệ bộ phận cảm biến và dây kết nối bên trọng. Bộ phận này phải được làm bằng vật liệu chắc chắn, đảm bảo phù hợp với kích thước phù hợp và khi cần thiết có thể bọc thêm vỏ bọc bằng vỏ bổ sung.

Đầu kết nối

Đầu kết nối thường làm bằng vật liệu cách điện như gốm, chứa các bảng mạch, cho phép kết nối của điện trở. Trong đó, bộ chuyển đổi với cường độ dòng từ 4 đến 20mA khi cần thiết có thể được cài đặt thay cho bảng đầu cuối.

Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ

• Với chức năng đo nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, mang lại hiệu quả đo chính xác.
• Các ứng dụng của cảm biến nhiệt độ trong thực tế có thể kể đến như đo mức nhiệt độ trong bồn đun nước, lò nung, lò sấy, kho bảo quản,…
• Cảm biến nhiệt điện trở với chất liệu oxit kim loại được dùng để đo hệ thống nhiệt lạnh.
• Cảm biến nhiệt độ điện tử dùng phổ biến trong ngành nông nghiệp.
• Những loại cảm biến nhiệt PT100, K, R, S, B, T  được dùng phổ biến trong sản xuất các loại hóa chất, gia công vật liệu, gia công cơ khí, …
• Nhiệt kế điện tử dùng trong đo nhiệt độ ở ô tô, xe tải, xe máy…

Phân loại cảm biến nhiệt độ

Hiện nay có khá nhiều cách phân loại cảm biến nhiệt độ, nhưng phổ biến nhất có thể kể tới cách phân loại dựa trên nguyên lý hoạt động để chia thành các cảm biến nhiệt độ sau: cặp nhiệt độ, nhiệt điện trở, cảm biến điện trở oxit kim loại, cảm biến nhiệt bán dẫn, nhiệt kế bức xạ.

Cảm biến nhiệt độ – Cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt độ (Thermocouples) là loại cảm biến được đánh giá cao về độ bền cũng như khả năng đo ở nhiệt độ cao. Cặp nhiệt độ được cấu tạo từ 2 dây dẫn kim loại khác nhau, 1 đầu đo được hàn gọi là đầu nóng, đầu còn lại được gọi là đầu lạnh. Giữa đầu nóng và đầu lạnh sẽ có sự chênh lệch nhiệt độ làm phát sinh một suất điện động.

Tùy thuộc vào chất liệu mà khả năng đo nhiệt độ tại đầu lạnh sẽ bị ảnh hưởng. Do đó các hãng kỹ thuật cung cấp nhiều chủng loại cặp nhiệt độ từ vật liệu khác nhau như: J, E, K, R, S, T. Mỗi loại cặp này có thông số về suất điện động khác nhau.

Cặp nhiệt độ có thể dùng để đo nhiệt độ, độ nhớt trong các loại máy nén, trong các lò nhiệt, với điều kiện môi trường khắc nghiệt cao. Phạm vi đo nhiệt độ của cặp nhiệt điện có thể lên đến 1400 độ C.

Cảm biến nhiệt điện trở

Cảm biến nhiệt điện trở (Resitance temperature detector/ RTD) gồm các dây kim loại được quấn theo đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi, sẽ khiến điện trở giữa 2 đầu dây kim loại thay đổi. Dựa vào bản chất kim loại để đưa ra khoảng giá trị đo được trên thiết bị. Người ta phân loại RTD theo số lượng dây như: RTD 2 dây RTD 3 dây RTD 4 dây.

Cảm biến nhiệt điện trở NTC 10D-7

Trong các loại cảm biến RTD thì loại cảm biến được làm từ chất liệu Platinum phổ biến hơn cả. Do Platinum có tính chất chống oxi hóa tốt, dải nhiệt độ đo rộng, điện trở suất lớn, độ nhạy bén cao. Cảm biến nhiệt điện trở có độ chính xác cao hơn so với cặp nhiệt điện, và tương đối dễ sử dụng. Cảm biến này có thể dùng để đo nhiệt độ trong các ngành công nghiệp môi trường, công nghiệp gia công vật liệu, gia công hóa chất với phạm vi nhiệt từ -200 độ C đến 700 độ C.

Cảm biến điện trở oxit kim loại

Cảm biến điện trở oxit kim loại (Thermistor) được cấu thành từ rất nhiều chất liệu khác nhau như: coban, mangan, niken hay các chất oxit kim loại… Các chất sẽ được trộn theo tỉ lệ nhất định, được nén chặt trong vỏ bọc gốm và vật liệu cách nhiệt. Sau đó hỗn hợp được mang đi nung ở nhiệt độ cao. Khi nhiệt độ thay đổi thì khả năng dẫn điện (hay điện trở) của hỗn hợp này sẽ thay đổi theo, từ đó xác định được giá trị cần đo.

Cảm biến nhiệt điện trở oxit kim loại 

Cảm biến điện trở oxit kim loại chỉ có thể hoạt động trong phạm vi nhiệt độ từ 50 độ đến khoảng 150 độ C, tương đối hẹp so với các loại cảm biến khác. Chúng được ưu tiên dùng để ngắt nhiệt, bảo vệ hệ thống điện trong trường hợp xảy ra quá tải, ngắn mạch,…

Cảm biến nhiệt bán dẫn

Là loại cảm biến cấu tạo từ các vật liệu bán dẫn. Hoạt động dựa trên nguyên lý sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Có ưu điểm là giá thành tương đối rẻ, dễ chế tạo, dễ sử dụng, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.

Tuy nhiên cảm biến nhiệt bán dẫn có khả năng chịu nhiệt không cao với phạm vi đo từ -50 độ C tới 150 độ C. Thường được dùng để đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, ngắt mạch, bảo vệ các mạch điện tử.

Nhiệt kế bức xạ (Hỏa kế)

Nhiệt kế bức xạ là loại cảm biến nhiệt độ sử dụng tính chất bức xạ năng lượng của vật thể mang nhiệt để xác định giá trị. Thiết bị hoạt động tốt cả trong môi trường khắc nghiệt mà không cần tiếp xúc trực tiếp với môi trường đo. Với phạm vi đo nhiệt rộng, từ -54 độ C tới 1000 độ C. Thường dùng đo để đo nhiệt độ trong các thiết bị ở lò nung, hóa chất ăn mòn mạnh,…

Nhiệt kế bức xạ (nhiệt kế hồng ngoại)

Các loại cảm biến nhiệt độ dây

Một hình thức phân loại cảm biến nhiệt độ khác là dựa vào cấu tạo hình dáng, ta có cảm biến nhiệt độ dạng dây và cảm biến nhiệt độ dạng củ hành.

Các cảm biến nhiệt độ dây hiện nay phổ biến là cảm biến nhiệt độ với các dòng sử dụng 2, 3, 4 dây.

Cảm biến nhiệt độ dạng dây

Loại cảm biến nhiệt độ 2 dây

Là thiết bị cảm biến ít chính xác nhất và thường được sử dụng trong trường hợp kết nối độ bền nhiệt được thực hiện với dây điện trở ngắn và điện trở thấp; kiểm tra mạch điện tương đương. Chú ý rằng điện trở đo được là tổng của phần tử cảm biến (phụ thuộc vào nhiệt độ) và điện trở của dây dẫn được sử dụng cho kết nối. Sai số của cảm biến phụ thuộc vào nhiệt độ và các yếu tố môi trường xung quanh.

Loại cảm biến nhiệt độ 3 dây

Mức độ đo chính xác của cảm biến tốt hơn loại hai dây, kỹ thuật ba dây được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực công nghiệp. Với kỹ thuật đo lường này, loại bỏ các lỗi gây ra bởi điện trở của các dây dẫn; ở đầu ra, điện áp phụ thuộc hoàn toàn vào sự biến đổi điện trở của cảm biến nhiệt và có thể điều chỉnh liên tục theo nhiệt độ.

Loại cảm biến nhiệt 4 dây

Thiết bị cho độ chính xác lớn nhất có thể; ít được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp, nó hầu như chỉ được sử dụng trong các ứng dụng khảo sát trong phòng thí nghiệm. Điện áp đo được chỉ phụ thuộc vào điện trở, độ chính xác của phép đo phụ thuộc hoàn toàn vào độ ổn định của dòng đo và sai số do dụng cụ đo.

Cảm biến nhiệt độ đầu củ hành

Là loại cảm biến nhiệt độ có dạng hình que, gồm 1 thanh dài có chứa các cảm biến nối với 1 đầu hình củ hành (head mounted) ở phía trên. Phần củ hành này để chứa các bộ chuyển đổi tín hiệu.

Cảm biến nhiệt độ dạng đầu củ hành

Với cấu tạo đầu dò nhiệt được làm bằng các chất liệu Platinium hoặc Nickel (tương ứng với các loại Pt100 hoặc Ni100), giúp khả năng đo nhiệt độ với độ chính xác lên đến 99,9%.

Loại này thường chia thành 2 loại là cảm biến nhiệt độ pt100 loại đầu củ hành và cảm biến nhiệt độ can nhiệt.

Cảm biến nhiệt độ pt100

Với kiểu dáng đơn giản, dễ sử dụng. Cảm biến nhiệt độ PT100 thường sử dụng trong các ứng dụng đo nhiệt thông thường với nhiệt độ dưới 850 độ C.

Cảm biến can nhiệt

Được cấu tạo chắc chắn hơn với lớp bọc sứ bên ngoài nhằm tăng khả năng bảo vệ cảm biến. Với những ứng dụng đo nhiệt độ cao hơn 850 độ C người ta sẽ dùng loại cảm biến nhiệt độ can nhiệt vì loại này có thể đo được nhiệt độ cao nhất tới 1800 độ C.

So sánh cảm biến nhiệt độ loại dây và củ hành

Đặc điểm
Cảm biến nhiệt độ dây
Cảm biến nhiệt độ củ hành

Dải đo
Phạm vi đo nhiệt độ lớn nhất là 400 độ C
Phạm vi đo nhiệt độ rộng, có thể lên tới hơn 1000 độ C.

Hình thức
Kiểu dáng nhỏ gọn
Kiểu dáng đơn giản, chắc chắn

Khả năng chuyển đổi
Muốn chuyển từ tín hiệu nhiệt sang tín hiệu điện 4-20mA phải dùng thêm bộ chuyển đổi
Có thể gắn bộ chuyển đổi trực tiếp trên đầu cảm biến

Hoạt động
Khả năng đo ổn định nhưng không liên tục
Khả năng đo liên tục, độ chính xác cao

Vị trí lắp đặt
Thích hợp lắp đặt cho những vị trí nhỏ
Có thể gắn ở những khu vực có diện tích lớn

Các thông số của cảm biến nhiệt độ

Thang đo nhiệt độ

Là một trong những thông số quan trọng người dùng cần lưu tâm khi lựa chọn cảm biến nhiệt độ. Các loại cảm biến nhiệt có phạm vi đo từ -100 độ C cho tới 600 độ C hoặc có phạm vi rộng hơn.

Sai số

Các cảm biến hiện nay thường có chuẩn sai số là 0.1 C, 0.15 C, 0.3 C. Phổ biến tại Việt Nam là chuẩn sai số 0.3 C.

Chiều dài cảm biến

Các cảm biến có chiều dài khác nhau, các kích thước phổ biến dao động từ 50mm, 100mm, 200mm, 300mm,… cho tới 1000mm.

Ren kết nối

Cảm biến nhiệt độ thường có một số ren kết nối như sau

– Kiểu kết nối ren ngoài G 1/8 “

– Kết nối ren ngoài G 1/4 “

– Kiểu kết nối ren ngoài G 1/2″

– Kiểu kết nối Clamp thường dùng cho thực phẩm

– Kiểu kết nối dạng mặt bích chịu áp suất cao

– Kiểu kết nối ren trong G1/4″

– Kiểu kết nối ren trong G 1/2″

Đường kính cảm biến

Thông thường các cảm biến có kích thước khá nhỏ gọn. Với đường kính phổ biến nhất là  cỡ 6mm, 8mm và 10mm tùy loại.

Một vài lưu ý cần thiết khi mua và sử dụng cảm biến nhiệt độ

Trước khi chọn mua cảm biến nhiệt độ, người dùng cần xác định rõ tính chất, môi trường của công việc sẽ sử dụng cảm biến để lựa chọn loại thiết bị có thông số kỹ thuật phù hợp nhất.

Cảm biến nhiệt độ thường dùng để đo các giá trị nhiệt độ cao. Trong quá trình sử dụng nên chú ý đến các yếu tố từ môi trường xung quanh để tránh làm ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị này như ánh sáng môi trường, góc độ đo và độ rung tay cầm.

Việc lựa chọn loại cảm biến nhiệt độ công nghiệp nào để sử dụng có thể đáp ứng các nhu cầu, yêu cầu kỹ thuật cũng như giá bán và chất lượng là vấn đề khó khăn của nhiều người nên cần phải tìm một địa chỉ uy tín, chuyên nghiệp.

Địa điểm mua cảm biến nhiệt độ uy tín

Trên thị trường hiện nay, có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ cho người dùng chọn lựa. Tuy nhiên, không phải nơi nào cũng đảm bảo cung cấp những sản phẩm có nguồn gốc rõ ràng và chất lượng như mong muốn.

Vì vậy, nếu bạn có nhu cầu sử dụng cảm biến nhiệt thì hãy cân nhắc và tham khảo những địa chỉ, thương hiệu uy tín trên thị trường để có cho mình được sản phẩm chất lượng tốt với giá thành phù hợp và chế độ bảo hành, đổi trả minh bạch.

Xem thêm: Cảm biến áp suất là gì ?

Lời kết:

Trên đây là những chia sẻ về cách chọn những loại cảm biến nhiệt độ phổ biến hiện nay và những thông tin quan trọng khi chọn mua cũng như sử dụng dòng thiết bị này. Nếu còn đang phân vân về các loại cảm biến và các thiết bị điện, điện tử khác, hãy để lại thông tin liên hệ, Hunonic sẽ mang đến cho bạn những giải pháp hỗ trợ tốt nhất có thể!