Trong thời đại công nghiệp hóa – hiện đại hóa như hiện nay, việc giám sát và kiểm soát nhiệt độ trong các quy trình sản xuất, thiết bị điện tử hay hệ thống tự động hóa là điều vô cùng quan trọng. Chính vì vậy, cảm biến nhiệt độ ra đời như một giải pháp tối ưu giúp phát hiện và phản hồi nhanh chóng trước sự thay đổi của môi trường nhiệt. Để hiểu rõ hơn về thiết bị quan trọng này, hãy cùng Điện Châu Á khám phá chi tiết cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các loại cảm biến nhiệt độ phổ biến nhất hiện nay.
Cảm biến nhiệt độ là gì?
Bạn có thể hiểu một cách đơn giản rằng, cảm biến nhiệt độ là thiết bị có khả năng nhận biết sự thay đổi của một số đại lượng vật lý không mang tính chất điện, chẳng hạn như: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,… Những đại lượng này sau đó sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện để có thể xử lý và đo lường. Nói cách khác, cảm biến nhiệt độ là thiết bị giúp phát hiện và phản hồi lại sự thay đổi về nhiệt độ của môi trường hoặc vật thể cần theo dõi.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cấu tạo:
Cảm biến nhiệt độ được cấu tạo từ hai thành phần chính là hai dây kim loại gắn vào đầu nóng và đầu lạnh, cùng với một số bộ phận khác
- Bộ phận cảm biến: Đây là thành phần quan trọng nhất, quyết định độ chính xác của phép đo. Nó được đặt bên trong lớp vỏ bảo vệ, sau khi đã kết nối với đầu nối.
- Dây kết nối: Cảm biến có thể có 2, 3 hoặc 4 dây kết nối. Loại dây và vật liệu sẽ được lựa chọn tùy theo điều kiện làm việc cụ thể.
- Cảm biến 4 dây cho kết quả chính xác nhất, thường dùng trong phòng thí nghiệm.
- Cảm biến 3 dây được sử dụng phổ biến trong công nghiệp vì có khả năng loại bỏ sai số do điện trở dây dẫn, cho độ chính xác cao.
- Cảm biến 2 dây có độ chính xác thấp nhất, chỉ phù hợp với các hệ thống có dây dẫn ngắn, điện trở thấp hoặc các mạch đo đơn giản.
- Vỏ bảo vệ: Là lớp vỏ ngoài được làm từ vật liệu phù hợp với môi trường hoạt động. Khi cần, cảm biến có thể được bọc thêm lớp bảo vệ bổ sung. Lớp vỏ này có nhiệm vụ bảo vệ bộ phận cảm biến và dây kết nối khỏi các yếu tố bên ngoài.
- Phụ chất làm đầy: Là bột alumina mịn đã được sấy khô, dùng để lấp kín các khoảng trống bên trong cảm biến, giúp tăng độ bền và giảm ảnh hưởng từ rung động.
- Chất cách điện: Thường được làm từ gốm, có khả năng ngăn ngừa đoản mạch và cách điện hiệu quả giữa dây kết nối và vỏ ngoài của cảm biến.
- Đầu kết nối: Cũng làm từ gốm để đảm bảo cách điện tốt. Bên trong đầu kết nối có tích hợp bảng mạch, cho phép liên kết với điện trở. Khi cần, có thể cài đặt bộ chuyển đổi tín hiệu 4–20mA thay cho bảng đầu cuối.
Nguyên lý hoạt động:
Khi giữa đầu nóng và đầu lạnh của cảm biến nhiệt độ có sự chênh lệch về nhiệt độ, một suất điện động V sẽ được tạo ra tại đầu lạnh. Từ đó, nhiệm vụ đặt ra là phải tìm cách cân bằng nhiệt độ giữa hai đầu. Sau nhiều quá trình nghiên cứu, người ta đã phát triển ra các loại cặp nhiệt điện như E, J, K, R, S, T… Mỗi loại sẽ tạo ra một giá trị suất điện động khác nhau, phù hợp với các mục đích sử dụng và điều kiện đo cụ thể.
Như đã đề cập trước đó, cấu tạo của cảm biến nhiệt độ thường sử dụng kim loại Platinum (bạch kim), với điện trở tiêu chuẩn R = 100 Ohm tại 0°C. Điều này có nghĩa là khi nhiệt độ môi trường thay đổi, điện trở của cảm biến cũng sẽ thay đổi theo, giúp chúng ta đo lường sự thay đổi nhiệt độ một cách chính xác.
Một điểm đáng lưu ý là cảm biến nhiệt độ thuộc nhóm thiết bị thụ động, vì vậy trong quá trình sử dụng, chúng ta cần cung cấp một nguồn điện ổn định ở đầu vào để đảm bảo cảm biến hoạt động chính xác và liên tục.
Các loại cảm biến nhiệt độ phổ biến
Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
- Cấu tạo: Gồm hai vật liệu kim loại khác nhau ghép lại, tạo thành hai điểm tiếp xúc là đầu nóng và đầu lạnh.
- Ưu điểm: Có độ bền cao, chịu được nhiệt độ rất lớn.
- Nhược điểm: Dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố ngoại vi gây sai số; độ nhạy không cao.
- Ứng dụng: Phù hợp trong lò nhiệt, thiết bị đo nhiệt độ hoặc môi trường khắc nghiệt.
- Khoảng đo: Từ –100°C đến 1400°C.
Nhiệt điện trở – RTD (Resistance Temperature Detector)
- Cấu tạo: Làm từ kim loại như Platinum hoặc Đồng, được quấn thành cuộn tại phần đầu cảm biến.
- Ưu điểm: Độ chính xác cao, dễ sử dụng, không bị giới hạn bởi chiều dài dây.
- Nhược điểm: Dải đo không rộng, giá thành cao hơn so với các loại cảm biến khác.
- Ứng dụng: Được sử dụng nhiều trong các ngành như công nghiệp hóa chất, vật liệu, môi trường…
- Khoảng đo: Từ –200°C đến 700°C.
Thermistor
- Cấu tạo: Là hỗn hợp các oxit kim loại như Mangan, Nickel, Cobalt…
- Ưu điểm: Giá thành rẻ, độ bền cao, chất lượng ổn định.
- Nhược điểm: Dải tuyến tính hẹp, không phù hợp với các ứng dụng đo rộng.
- Ứng dụng: Bảo vệ mạch điện tử, kiểm soát nhiệt độ động cơ…
- Khoảng đo: Khoảng 50°C.
Cảm biến nhiệt bán dẫn (Diode, IC, v.v.)
- Cấu tạo: Làm từ các vật liệu bán dẫn.
- Ưu điểm: Giá rẻ, dễ chế tạo, độ nhạy cao, kháng nhiễu tốt và dễ tích hợp vào mạch điện.
- Nhược điểm: Khả năng đo ở nhiệt độ cao còn hạn chế, độ bền chưa cao.
- Ứng dụng: Đo nhiệt độ không khí, bảo vệ mạch điện trong thiết bị điện tử.
- Tầm đo: Từ –50°C đến 150°C.
Hỏa kế (Nhiệt kế bức xạ – Pyrometer)
- Cấu tạo: Hoạt động dựa trên mạch điện tử kết hợp công nghệ quang học.
- Ưu điểm: Đo không tiếp xúc, thích hợp trong môi trường khắc nghiệt hoặc nhiệt độ cực cao.
- Nhược điểm: Độ sai số cao, chi phí đầu tư lớn.
- Ứng dụng: Dùng phổ biến trong các hệ thống như nồi hơi, lò nung, lò nhiệt luyện…
- Khoảng đo: Từ –54°C đến 1000°C.
Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ
Hiện nay, các loại cảm biến nhiệt độ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, có thể kể đến như:
- Đo nhiệt độ trong các nhà máy sản xuất nước uống.
- Hỗ trợ trong công tác dự báo thời tiết.
- Được sử dụng trong các nhà máy công nghiệp nhằm duy trì sự ổn định về nhiệt độ trong quá trình sản xuất.
- Ứng dụng trong các thiết bị như lò nung, lò sấy để kiểm soát và giám sát nhiệt độ một cách chính xác.
Có thể thấy rằng, cảm biến nhiệt độ không chỉ đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp mà còn có mặt ở hầu hết các thiết bị công nghệ hiện đại ngày nay. Việc lựa chọn đúng loại cảm biến phù hợp với nhu cầu sử dụng sẽ góp phần nâng cao hiệu quả và độ bền cho hệ thống.
Nếu bạn đang tìm kiếm thiết bị cảm biến nhiệt độ chất lượng, uy tín – hãy liên hệ ngay với Điện Châu Á để được tư vấn và hỗ trợ tận tình.
