Các loại cảm biến nhiệt độ

Các loại cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ được thiết kế dựa trên hoạt động giãn nở nhiệt của kim loại. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, kim loại giãn nở với mức độ tương ứng. Kết quả là bộ phận cảm biến phát ra tín hiệu, xác định nhiệt độ của vật thể đang do lường.

Các loại cảm biến nhiệt độ được chia làm các loại sau

Cặp nhiệt điện Thermocouples

Cặp nhiệt điện Thermocouples hay thường được gọi là TC liên kết bao gồm một cặp dây không giống nhau được nối với nhau, tạo nên điểm cảm nhận giao nhau của mối nối. 

Dựa trên các đặc tính vật lý gọi là hiệu ứng nhiệt điện, khi điểm giao nhau này được đặt ở các nhiệt độ khác nhau, các tín hiệu millivolt khác nhau được tạo ra có thể được hiểu là một tín hiệu của nhiệt độ.

Cấu tạo của cảm biến Thermocouples

- Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính một đầu gọi là đầu nóng (hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. 

- Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp.

- Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chỗ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó (offset trên bộ điều khiển).

Lưu ý khi sử dụng cảm biến Thermocouples

- Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này chúng ta lưu ý là không nên nối thêm dây (vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều). Cọng dây của cảm biến nên để thông thoáng (đừng cho cọng dây này dính vào môi trường đo). Cuối cùng là nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị.

- Lưu ý: Vì tín hiệu cho ra là điện áp (có cực âm và dương) do vậy cần chú ý ký hiệu để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng.

Cảm biến nhiệt độ bán dẫn

Cảm biến nhiệt độ bán dẫn của bộ phận điện tử dựa trên nguyên lý là điện áp tiếp giáp trên một tổ hợp chất bán dẫn P-N, như một tiếp giáp diode hoặc tiếp giáp cơ sở phát điện của các bóng bán dẫn thông thường.

Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và công nghệ vi mạch.

Đặc tính tuyến tính, kích thước nhỏ và chi phí thấp là những lợi thế của công nghệ này, nhưng cần lưu ý rằng phạm vi giới hạn trong khoảng -40 ° F đến 248 ° F làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng cụ thể.

Lưu ý khi sử dụng cảm biến nhiệt bán dẫn

- Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt bán dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao. Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến.

- Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác dụng. Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được sự chính xác.

- Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh.

Nhiệt điện trở

- Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum. 

- Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài. Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm tại 0 D.C. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.

- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây.

Lưu ý khi sử dụng nhiệt điện trở RTD

- Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số.

- Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu hơn so với Thermocouple. Chúng ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến này (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 nhiệt Thermistor

Thermistor được cấu tạo từ hỗn hợp các bột ocid. Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn 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; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC.

- Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150D.C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt-mít. Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ.

Lưu ý khi sử dụng Thermistor

- Tùy vào nhiệt độ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC và NTC (gọi nôm na là thường đóng/ thường hở) Có thể test dễ dàng với đồng hồ VOM.

- Nên ép chặt vào bề mặt cần đo.

- Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ.

- Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây.

Nhiệt kế bức xạ

Là thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của những môi trường mà các cảm biến thông thường không thể tiếp xúc được (lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến). 

- Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc. Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng.  

- Năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định. Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo.

Lưu ý khi sử dụng cảm biến hỏa kế

Tùy theo thông số của nhà sản xuất mà hỏa kế có các tầm đo khác nhau, tuy nhiên đa số hỏa kế đo ở khoảng nhiệt độ cao. Vì đặc điểm không tiếp xúc trực tiếp với vật cần đo nên mức độ chính xác của hỏa kế không cao, chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường xung quanh (góc độ đo, rung tay, ánh sáng môi trường).

Các thiết bị đo nhiệt độ khác

Nhiệt kế lưỡng kim hay còn gọi là thermostat

Nhiệt kế lưỡng kim bao gồm hai miếng kim loại có hệ số giãn nở khác nhau. Hai miếng kim loại này ép vào nhau và cuộn thành một thanh có dạng lò xo. Khi nhiệt độ thay đổi, thanh kim loại này sẽ cong lại, hoặc ít hoặc nhiều làm thay đổi vị trí ban đầu của kim chỉ thỉ.

Đồng hồ đo nhiệt độ dạng lưỡng kim hay còn gọi là rơle cảm biến nhiệt độ ( temperature switch )

Khi nhiệt độ tăng, chiều dài của một trong hai thanh kim loại giãn nở, thanh kim loại còn lại vẫn giữ nguyên. Do đó, sự giãn nở tuyến tính của thanh kim loại này làm cho kim chỉ thị dịch chuyển. Kim chỉ thị thay đổi nhanh chóng chuyển hóa thành tín hiệu ở đầu ra có sẵn.

Công tắt nhiệt độ được sử dụng để đo nhiệt độ trực tiếp trên đường ống và xuất một tín hiệu NO/NC ra khi nhiệt độ tới mức giới hạn cài đặt . Từ tín hiệu NO/NC này chúng ta có thể điều khiển hệ thống chạy theo mong muốn.

Cảm biến nhiệt độ của chất lỏng và không khí hay còn gọi là đồng hồ đo nhiệt độ

Khi nhiệt độ thay đổi, chất lỏng và khí cũng sẽ tạo ra sự thay đổi tương ứng về thể tích. Nói rõ hơn, nhiệt độ tăng thể tích của chất lỏng và khí tăng; ngược lại nhiệt độ giảm, thể tích của chất lỏng và khí giảm. 

Chính sự giãn nở do nhiệt độ này làm thay đổi vị trí ban đầu của kim chỉ thị. Cuối cùng đem lại kết quả đo lường về nhiệt độ của vật thể cần được đo lường.

Đồng hồ đo nhiệt độ có nhiệm vụ hiển thị nhiệt độ đo được ngay trên đồng hồ đảm bảo độ chính xác để người vận hành có thể giám sát được nhiệt độ trong hệ thống.