Cảm biến nhiệt độ là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các loại cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là gì? Cảm biến nhiệt độ có cấu tạo như thế nào? Nguyên lý hoạt động, ứng dụng của cảm biến nhiệt độ là gì trong đời sống, sản xuất. Hãy cùng Dubai Electric tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ và các thông tin liên quan cảm biến nhiệt độ nhé!

Cảm biến nhiệt độ là gì?

Cảm biến nhiệt độ là một loại cảm biến được sử dụng để đo và điều chỉnh nhiệt độ, cung cấp dấu hiệu cho các bộ đọc để chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ chính xác. Có nhiều loại cảm biến nhiệt độ với các dạng dấu hiệu khác nhau. Một số loại đưa ra dấu hiệu điện trở, được gọi là cảm biến nhiệt điện trở (RTD), như cảm biến Pt100, Pt1000, Pt50, CU50. Có cảm biến khác đưa ra dấu hiệu mV, được gọi là cặp nhiệt và thường chỉ có hai dây dấu hiệu, như cảm biến K, R, S, B, T, E.

Cảm biến nhiệt độ là một thiết bị được sử dụng để đo sự thay đổi nhiệt độ của các đại lượng cần đo. Thiết bị này được thiết kế đặc biệt cho các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, ô tô, hàng hải, nguyên liệu nhựa và đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy cao trong các phép đo.

Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ bao gồm hai dây kim loại không giống nhau được gắn vào một đầu được gọi là đầu nóng (đầu đo) và một đầu lạnh (đầu chuẩn). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu, sẽ tạo ra một hiện tượng điện thế nhiệt ở đầu lạnh. Do đó, cần kiểm soát nhiệt độ đầu lạnh (tùy thuộc vào chất liệu sử dụng).

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến nhiệt độ dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại khi nhiệt độ thay đổi. Đặc biệt, cảm biến nhiệt điện trở kim loại, hay được gọi là cảm biến nhiệt, sử dụng bạch kim và niken làm nguyên liệu vì chúng có điện trở suất cao và tính ổn định.

Phép đo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt độ có độ chính xác và tin cậy cao hơn nhiều so với các loại cặp nhiệt điện hoặc cảm biến nhiệt khác.

Cấu tạo của cảm biến nhiệt

• Bộ phận cảm biến: Bộ phận cảm biến là thành phần quan trọng nhất của cảm biến nhiệt, và một bộ phận cảm biến kém chất lượng có thể gây trở ngại cho hoạt động chính xác của toàn bộ thiết bị. Sau khi được kết nối với đầu nối, bộ phận cảm biến được đặt bên trong một vỏ bảo vệ. Có sẵn các nguyên tố cảm biến với cuộn dây đôi cho mức độ chính xác khác nhau.
• Dây kết nối: Kết nối của bộ phận cảm biến có thể được thực hiện bằng cách sử dụng 2, 3 hoặc 4 dây; vật liệu dây phụ thuộc vào điều kiện sử dụng của đầu dò.
• Chất cách điện gốm: Chất cách điện bằng gốm ngăn ngừa ngắn mạch và cách điện các dây kết nối khỏi vỏ bảo vệ.
• Chất lỏng đệm: Chất lỏng đệm bao gồm bột alumina cực kỳ mịn, được sấy khô và rung để lấp đầy bất kỳ khoảng trống nào, nhằm bảo vệ cảm biến khỏi rung động.
• Vỏ bảo vệ: Vỏ bảo vệ được sử dụng để bảo vệ các bộ phận cảm biến và dây kết nối. Được tiếp xúc trực tiếp với môi trường, quan trọng là vỏ bảo vệ được làm từ vật liệu phù hợp và có kích thước phù hợp. Trong một số trường hợp đặc biệt, cần sử dụng vỏ bọc bổ sung (thermowell).
• Đầu kết nối: Đầu kết nối chứa mạch được làm từ vật liệu cách điện (thường là gốm) để cho phép kết nối điện của cảm biến. Tùy thuộc vào cấu trúc, có thể sử dụng vỏ chống cháy nổ. Bảng đầu cuối cũng có thể được sử dụng để thay thế bằng một bộ chuyển đổi 4-20 mA.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt

Đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt đơn giản hơn so với việc sử dụng các phương pháp đo nhiệt độ khác, nhưng vẫn cần thực hiện một số bước quan trọng để khắc phục các lỗi có thể xảy ra.

Có ba nguyên nhân chính gây ra lỗi trong việc đo nhiệt độ bằng cảm biến:

1. Lỗi do quá nhiệt của phần tử cảm biến: Phần tử cảm biến có thể tự nung nóng trong quá trình đo khi nó bị cắt ngang bởi dòng điện quá cao, gây ra tăng nhiệt độ của phần tử do hiệu ứng Joule.
2. Lỗi do cách điện kém của thiết bị cảm biến: Để đo nhiệt độ chính xác, cách điện giữa các dây dẫn và vỏ bọc bên ngoài cần đủ lớn, đặc biệt là ở nhiệt độ cao.
3. Lỗi do độ sâu không đủ của phần tử cảm biến: Độ sâu ngâm của phần tử cảm biến cũng rất quan trọng để có các phép đo chính xác. Nếu độ sâu không đủ, nó có thể gây sai số trong phép đo lên đến vài độ Celsius.

Ngoài ra, một số yếu tố khác cũng có thể gây lỗi, chẳng hạn như giảm điện trở cách điện do nhiệt độ cao, rung động mạnh hoặc tác động của các tác nhân vật lý hoặc hóa học.

Để đảm bảo độ chính xác của cảm biến nhiệt, cần đặc biệt chú ý đến độ sâu ngâm và cách điện. Vỏ bọc của cảm biến, thường là kim loại, sẽ phân tán nhiệt theo tỉ lệ chênh lệch nhiệt độ giữa vùng nóng và lạnh. Do đó, độ sâu ngâm phải đủ để phần tử cảm biến bên trong vỏ bọc không chịu sự chênh lệch nhiệt này.

Độ sâu ngâm tối thiểu sẽ phụ thuộc vào điều kiện đo và kích thước của phần tử cảm biến, và cần được xác định cho từng trường hợp cụ thể.

Các loại dây cảm biến nhiệt

Có ba loại chính của cảm biến nhiệt độ:

Loại cảm biến nhiệt độ 2 dây:

Đây là loại ít chính xác nhất và chỉ được sử dụng trong trường hợp kết nối ngắn và điện trở thấp. Điện trở đo được tính toán bằng tổng của phần tử cảm biến (phụ thuộc vào nhiệt độ) và điện trở của dây dẫn kết nối. Lỗi trong phép đo này phụ thuộc vào nhiệt độ.

Loại cảm biến nhiệt độ 3 dây:

Loại này cung cấp độ chính xác đo tốt hơn và được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Kỹ thuật 3 dây loại bỏ lỗi do điện trở của các dây dẫn. Điện áp đầu ra phụ thuộc hoàn toàn vào sự thay đổi điện trở của cảm biến nhiệt và điều chỉnh theo nhiệt độ.

Loại cảm biến nhiệt độ 4 dây:

Loại này mang lại độ chính xác cao nhất có thể. Tuy nhiên, nó ít được sử dụng trong công nghiệp và thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng phòng thí nghiệm. Trên mạch tương đương, điện áp đo được chỉ phụ thuộc vào điện trở nhiệt. Độ chính xác của phép đo hoàn toàn phụ thuộc vào độ ổn định của dòng đo và độ chính xác của giá trị điện áp đọc trên nhiệt.

Có hai loại vật liệu cách nhiệt được sử dụng: cách nhiệt truyền thống hoặc khoáng vật MgO.

Tiêu chuẩn đo các loại cảm biến nhiệt

Loại	Dây điện trở cuốn	Dây điện trở mảnh	Trị giá dung sai
AA	-0.2	0 ÷ +150	± (0,1 + 0,0017* | t |)
A	-0.22222	-0.1	± (0,15 + 0,002* | t |)
B	-0.32667	-0.1	± (0,3 + 0,005* | t |)
C	-0.32667	-0.08333	± (0,6 + 0,01* | t |)

Nhiệt biểu điện trở được sử dụng để đo nhiệt độ trung tâm trong lò nướng thực phẩm. Đầu dò được gắn vào sản phẩm và có tay cầm. Một phần của dây dẫn tiếp xúc với thực phẩm được bọc bởi một lớp vỏ mềm bằng thép không gỉ, và có một phụ kiện đặc biệt để kết nối dây dẫn vào lò nướng.

Một bộ cảm biến nhiệt bao gồm một mạch điện được tạo thành từ hai dây dẫn kim loại không giống nhau được hàn với nhau ở hai đầu. Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm nối, hiệu ứng Seebeck sẽ tạo ra một vòng dây và tạo ra một lực điện động (emf). Độ phân cực và cường độ của emf chỉ phụ thuộc vào loại kim loại sử dụng và nhiệt độ mà các điểm nối phải chịu. Điểm nối tiếp xúc với nhiệt độ cần được đo được gọi là điểm nóng hoặc điểm đo, trong khi điểm nối liên kết các dây dẫn cảm biến nhiệt và mạch đo được gọi là điểm lạnh hoặc điểm tham chiếu. Để đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt, điểm tham chiếu phải ở nhiệt độ thấp nhất (thường là 0 °C) để èm chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của điểm đo.

Các loại cảm biến nhiệt độ

Có một số loại cảm biến nhiệt độ dựa trên nguyên liệu sử dụng cho dây dẫn, và chúng có thể được mô tả như sau:

1. Cảm biến nhiệt dựa trên kim loại quý (Bạch kim và Rhodium): Loại này cho phép đo nhiệt độ với độ chính xác cao. Với khả năng chịu nhiệt độ cao, chúng thường được sử dụng trong môi trường oxi hóa. Tuy nhiên, không nên sử dụng chúng trong môi trường khí khử hoặc chứa hơi kim loại.
2. Cảm biến nhiệt dựa trên thép không gỉ: Loại cảm biến này sử dụng dây dẫn làm bằng thép không gỉ, có khả năng chịu ăn mòn và oxi hóa tốt. Chúng thường được sử dụng trong ứng dụng thực phẩm, trong đó yêu cầu chống ăn mòn và an toàn vệ sinh cao.
3. Cảm biến nhiệt dựa trên chất điện phân: Loại này sử dụng chất điện phân như oxide kim loại hoặc chất điện phân bán dẫn để đo nhiệt độ. Chúng có độ chính xác tương đối và khả năng chịu nhiệt độ cao.

Có nhiều loại cảm biến nhiệt độ khác nhau, và lựa chọn loại cảm biến phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể và môi trường hoạt động.

Loại can nhiệt	Chất liệu	Dải đo nhiệt	Đặc điểm
S	Pt10phần trămRh – Pt	-50 / 1760	Cảm biến S bao gồm các kim khí quý (Bạch kim và Rhodium) cho phép nhận được các phép đo rất chuẩn xác. Đặc thù chịu được ở nhiệt độ cao, nó thường được sử dụng trong khí quyển oxy hóa. Nó ko thực thụ được khuyến khích trong việc giảm khí quyển hoặc những thứ có chứa hơi kim khí.
R	Pt13phần trămRh – Pt	-50 / 1760	Giống như cảm biến S mà với tỉ lệ % không giống nhau của 2 kim khí.
B	Pt30phần trămRh – Pt6phần trămRh	0 / 1820	Cặp nhiệt điện bao gồm các kim khí quý, do số lượng Rhodium to hơn so với các loại cảm biến S và R, có bản lĩnh chịu nhiệt độ cao hơn và chịu sức ép cơ học.
E	Cr – Co	-270 / 1000	Cảm biến E có công suất nhiệt điện cao liên kết cực dương của cặp nhiệt điện kiểu K và cực âm của cặp nhiệt điện kiểu J . Đặc thù chỉ định trong khí quyển oxy hóa.
J	Fe – Co	-210 / 1200	Cặp nhiệt điện bao gồm cực dương sắt và cực âm (hợp kim đồng-niken). Được chỉ định để đo nhiệt độ trung bình trong việc giảm khí quyển và với sự hiện diện của hydro và carbon. Sự hiện diện của sắt gây nguy khốn cho hoạt động của nó trong giai đoạn oxy hóa các quả cầu.
K	Cr – Al	-270 / 1370	Cặp nhiệt điện gồm các hợp kim có chứa niken. Nó thích hợp để điều chỉnh nhiệt độ cao trong môi trường oxy hóa. Ko được sử dụng trong môi trường khí quyển.
T	Cu – Co	-270 / 400	Cặp nhiệt điện cho phép đo chuẩn xác ở nhiệt độ thấp trong giai đoạn oxy hóa và giảm khí quyển.
N	Nicrosil – Nisil	-270/400 (1) 0 / 1300 (2)	Cặp nhiệt điện cho nhiệt độ cao gần giống như loại K mà có độ phản ứng trễ nhiệt ít hơn.
W3	W3phần trămRe – W25phần trămRe	0 / 2310	Dải nhiệt độ Cảm biến cho nhiệt độ cực cao bao gồm cực dương Vonfram chứa 3% rheni và cực âm Vonfram chiếm 25% rheni. Đặc thù chống lại việc giảm khí quyển và sự hiện diện của hydro hoặc các khí hiếm khác. Ko được sử dụng trong ko khí hoặc khí quyển oxi hóa.
W5	W5phần trămRe – W26phần trămRe	0 / 2310	Cặp nhiệt điện rất giống với W3 mà với tỉ lệ rheni to hơn làm tăng sức cản cơ học của nó. Các đặc điểm khác là đặc thù của cặp nhiệt điện W3.

Có hai phương pháp chính để thực hiện các phép đo bằng cảm biến nhiệt, và chúng có thể được chia thành hai loại. Đầu tiên, như trong hình số 1, thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp không đòi hỏi độ chính xác cao.

Phần cân bằng của điểm nối được thực hiện trực tiếp bằng thiết bị đo, đo nhiệt độ của điểm nối với các loại cảm biến khác, và điều chỉnh tín hiệu điện tử của cặp nhiệt điện để chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của điểm nối đo và nhiệt độ cần đo.

Loại thứ hai cho phép đo với độ chính xác cao, và vì lý do này, nó thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng thí nghiệm.

Trong trường hợp này, nhiệt độ của điểm nối tham chiếu được duy trì ở mức nhiệt độ cố định và không thay đổi (thông thường là nhiệt độ nóng chảy của một chất băng 0 ° C) bằng cách sử dụng các quy trình cân chỉnh thủ công hoặc tự động để bù cho lực điện động được đo bằng thiết bị đo tương ứng với điểm nối đo.