Cảm biến nhiệt độ là gì? Cấu tạo - Nguyên lý - Phân loại - Ứng dụng

1) Cảm biến nhiệt độ là gì?

2) Cấu tạo cảm biến nhiệt độ

• Bộ phận cảm biến: Đóng vai trò cực kì quan trọng, được đặt bên trong vỏ bảo vệ sau khi đã kết nối với đầu nối và quyết định hoàn toàn đến độ chính xác của các phép đo.
• Dây kết nối: Bộ phận cảm biến có thể có 2, 3 hoặc 4 dây kết nối và chất liệu của dây sẽ phụ thuộc vào điều kiện sử dụng của đầu đo.

• Vỏ bảo vệ: Được làm bằng vật liệu phù hợp với kích thước phù hợp và khi cần thiết có thể bọc thêm vỏ bọc bằng vỏ bổ sung. Nó sẽ đảm nhận nhiệm vụ bảo vệ dây kết nối và bộ phận cảm biến. 
• Phụ chất làm đầy: Được làm từ bột alumina mịn đã sấy khô có nhiệm vụ ấp đầy tất cả khoảng trống để bảo vệ cảm biến khỏi các rung động.
• Chất cách điện: Được làm từ gốm, có khả năng ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch và cách điện giữa dây kết nối với vỏ bảo vệ.
• Đầu kết nối: Được làm từ gốm nhằm cách điện. Trong bộ phận đầu kết nối này có chứa các bảng mạch cho phép kết nối với điện trở. Trong đó, bộ chuyển đổi 4-20mA khi cần thiết có thể được cài đặt thay cho bảng đầu cuối.

3) Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt

4) Phân loại cảm biến đo nhiệt độ

4.1) Cảm biến nhiệt điện trở (RTD – Resistance Temperature Detectors)

Cấu tạo và đặc điểm

Phân loại:

• Loại đầu củ hành các thông số:

• Loại sợi có dây sẵn có các thông số:

Lưu ý khi sử dụng:

• Chúng ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến RTD (hàn kĩ, chất lượng dây tốt, có chống nhiễu) và có thể đo test bằng VOM được.
• Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây.
• Cảm biến RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số.

4.2) Cặp nhiệt điện – Thermocouple

Cấu tạo và đặc điểm:

Phân loại:

• Thermocouple đầu củ hành K có các thông số:

• Loại sợi có dây sẵn K có các thông số:

4.2.1) Thermocouple type K - (Can nhiệt K)

Đặc điểm:

• Dãy đo thường trong khoảng nhiệt -270°C~1200°C.
• Sai số thấp nhất có thể tùy chọn: ±1,1°C hoặc 0.4%
• Sai số tiêu chuẩn trong khoảng  ±2,2°C hoặc 0,75%.
• Độ nhạy khoảng 41 μV/ºC.
• Có thể được sử dụng trong không khí liên tục oxy hoá hoặc trung hòa.
• Chu kỳ trên và dưới 1000 °C (1800 °F) không được khuyến nghị do thay đổi đầu ra từ các hiệu ứng trễ.
• Không khuyến nghị sử dụng trong môi trường tiếp xúc với lưu huỳnh.

4.2.2) Thermocouple type J - (Can nhiệt J)

Đặc điểm:

• Khoảng nhiệt đo dao động trong khoảng: -210°C~760°C.
• Sai số thấp nhất có thể tùy chọn: ±1,1°C hoặc 0,4%
• Sai số tiêu chuẩn trong khoảng ±-2,2°C hoặc 0,75%.
• Có phạm vi tiềm năng hạn chế hơn loại cặp nhiệt loại K là từ –200°C~1200°C (–328°F~2193°F), nhưng độ nhạy cao hơn khoảng 50 μV/ºC.
• Nhiệt độ tuyến tính trong khoảng 149°C~427°C (300°F~800°F) và trở nên dễ gãy dưới 0°C (32°F).
• Sắt bị oxy hóa ở nhiệt độ cao hơn 538°C (1000°F) gây ảnh hưởng xấu đến độ chính xác. Chỉ dây đo nặng được sử dụng ở những điều kiện này.
• Phù hợp để sử dụng trong bầu không khí chân không, giảm, hoặc trơ.
• Nó sẽ giảm tuổi thọ nếu sử dụng trong môi trường oxy hóa.
• Các thành phần cảm biến trần không được để ở nơi chứa lưu huỳnh trên 538 °C (1000 °F).

4.2.3) Thermocouple type N - Cảm biến can nhiệt N:

Đặc điểm: 

• Khoảng đo nhiệt độ dao động từ -270ºC~1300°C
• Có cùng độ chính xác và giới hạn nhiệt độ như cảm biến loại K nhưng giá thành sẽ đắt hơn.
• Sai số tiêu chuẩn trong khoảng ±2,2°C hoặc ±0,75%
• Tùy chọn sai số thấp nhất trong khoảng ±1,1°C hoặc 0,4%
• Đạt được độ ổn định nhiệt điện cao hơn các loại kim loại cơ bản E, J, K và T khi được sản xuất từ hợp kim Nicrosil ( hợp kim niken có 14.4% crom, 1.4% silic, và 0.1% magie) và hợp kim Nisil (hợp kim niken với 4.4% silic).
• Có độ nhạy 39 μV/°C và phạm vi tiềm năng từ –270°C~1300°C (–454°F~2372°F).
• Được sử dụng đáng tin cậy trong thời gian dài ở nhiệt độ tối thiểu 1200°C (2192°F).
• Không khuyến nghị đặt các cặp nhiệt điện type N vào chân không hoặc giảm hoặc xen kẽ không khí giảm/oxy hóa.

4.2.4) Cảm biến đo lường nhiệt độ loại E

Đặc điểm:

• Cặp nhiệt điện loại E có tín hiệu mạnh hơn và độ chính xác cao hơn các loại cảm biến đo lường nhiệt độ loại K hoặc J với dải nhiệt vừa phải (537°C trở xuống).
• Dãy đo nhiệt độ dao động trong khoảng: -270°C~870°C
• Sai số tiêu chuẩn trong khoảng ±1,7°C hoặc ±0,5%
• Tùy chọn sai số thấp nhất là ±1,0°C hoặc 0,4%
• Phạm vi tiềm năng từ –270°C~1000°C (–454°F đến 1832°F).
• Không có từ tính và có điện áp đầu ra cao nhất so với thay đổi nhiệt độ của bất kỳ loại tiêu chuẩn nào (68 μV/°C).
• Có xu hướng lệch nhiều hơn các loại khác.
• Nên sử dụng cho môi trường oxy hóa liên tục hoặc khí trơ.

4.2.5) Cảm biến can nhiệt S – Thermocouple type S:

Đặc điểm:

• Dãy đo nhiệt độ dao động trong khoảng: -50ºC~1600°C
• Sai số tiêu chuẩn là ±1,5°C hoặc ± 0,25%
• Có thể tuỳ chọn sai số thấp nhất: ±0,6°C hoặc 0,1%

4.2.6) Cặp nhiệt điện loại R – Thermocouple type R:

Đặc điểm:

• Dãy đo nhiệt độ trong khoảng từ -50°C~1500°C.
• Sai số tiêu chuẩn trong khoảng ±1,5°C hoặc ± 0,25%.
• Có thể tùy chọn sai số thấp nhất là ±0,6°C hoặc 0,1%.

4.2.7) Can nhiệt B - Thermocouple type B

Đặc điểm:

• Hoạt động trong khoảng nhiệt độ dao động từ 0°C~1700°C
• Sai số tiêu chuẩn là ±0,5%
• Có thể tùy chọn sai số thấp nhất là ±0,25%

4.3) Một số loại cảm biến nhiệt độ khác

4.3.1) Điện trở oxit kim loại (Thermistor)

 

• Các bột ocid kim loại cấu tạo nên thermistor được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Mức độ dẫn điện của hỗn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.
• Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC - điện trở tăng theo nhiệt độ và hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Hệ số nhiệt dương HTC được sử dụng phổ biến hơn
• Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50°C-150°C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ và ngắt nhiệt. 

4.3.2) Cảm biến đo nhiệt độ bán dẫn (Cảm biến nhiệt số)

• Dải đo nhiệt độ dao động trong khoản -50°C~150°C
• Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến nhiệt số dưới dạng diode (hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45. 
• Gần đây một loại IC cảm biến nhiệt cao cấp đã được cho ra đời, chúng hỗ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C (DS18B20) mở ra một xu hướng mới trong “thế giới cảm biến”.
• Được ứng dụng để đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo và bảo vệ mạch điện tử.

4.3.3) Cảm biến nhiệt kế bức xạ (Pyrometer – hỏa kế)

4.4) Ưu điểm và nhược điểm của các lại cảm biến nhiệt

5) Ứng dụng của cảm biến đo nhiệt độ

Đo nhiệt độ phòng

Đo nhiệt độ trong nước

Ứng dụng trong công nghiệp

• Mỗi loại cảm biến nhiệt sẽ phù hợp với một số lĩnh vực đặc thù, cụ thể như
• Cặp nhiệt điện loại K, T, R, S, B và PT100 được sử dụng trong gia công vật liệu, hoá chất.
• Nhiệt kế điện tử, PT100 được sử dung trong xe hơi.
• Nhiêt kế điện tử, bán dẫn, can nhiệt loại T được sử dụng trong nghiên cứu về nông nghiệp.
• Điện trở oxit kim loại được sử dụng trong nhiệt lạnh.

6) Những điểm cần lưu ý khi chọn mua cảm biến nhiệt độ

Mức nhiệt cần đo

Giá thành cảm biến

Mức sai số

Kích thước cảm biến

Khoảng cách đo của cảm biến

7) Những điểm cần lưu ý khi sử dụng cảm biến nhiệt độ

Lưu ý trong sử dụng

• Do phần tử cảm biến bị quá nhiệt.
• Do thiết bị cảm biến cách điện kém.
• Do phần tử cảm biến không được nhúng ở độ sâu nhất định.

• Đảm bảo cách điện giữa các dây dẫn và vỏ bọc bên ngoài là đủ lớn, nhất là ở trường hợp nhiệt độ cao.
• Độ sâu ngâm của bộ phận cảm biến phải đủ để bộ phận này không phải chịu độ chênh nhiệt này bởi nếu không đủ sâu, sai số của phép đo có thể lên tới vài độ C. Độ sâu tối thiểu sẽ tùy thuộc vào điều kiện đo cũng như kích thước của độ bền nhiệt.
• Tuyệt đối không để các đầu dây nối của cặp nhiệt diện tiếp xúc với môi trường cần đo, đầu nối cần phải đúng theo chiều âm, dương
• Khi nối thì dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển nên càng ngắn càng tốt.
• Bù lại tổn thất mất mát trên đường dây bằng cách thực hiện việc cài đặt giá trị bù nhiệt. Giá trị bù nhiệt lớn hay nhỏ phụ thuộc vào độ dài, chất liệu dây và môi trường lắp đặt.

Lưu ý trong bảo quản

8) Nơi cung cấp cảm biến đầu dò nhiệt độ nhiệt uy tín, chất lượng