Tìm Hiểu Về Cảm Biến Nhiệt Độ Là Gì ?

06/07/2018

Cảm biến nhiệt độ và ứng dụng của nó trong công nghiệp hiện nay. Đây là thiết bị được dùng phổ biến nhất trong các nhà máy và hiện đang được Công ty VINDEC nhập khẩu và phân phối với các dòng sản phẩm như cảm biến nhiệt độ độ ẩm, cảm biến nhiệt độ nước, cảm biến nhiệt độ không khí, đồng hồ đo nhiệt độ ...

Người ta cũng có thể chia theo tên gọi như : 
- Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ). 
- Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ).
-  Thermistor.
 - Bán dẫn ( Diode, IC ,….).
 - Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ). Dùng hồng ngoại hay lazer.

Vậy Cảm Biến Nhiệt Độ Là Gì ? Ứng Dụng Như Thế Nào?
Trước tiên ta cần phải hiểu cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận( đo, đếm,...) các đại lượng vật lý không điện thành tín hiệu điện. ví dụ như nhiệt độ, không khí, nước,...là các đại lượng không điện nhưng ta chuyển nó về những đại lượng như điện trở, điện áp để cho phù hợp với cơ cấu điện tử.

Các loại cảm biến nhiệt độ hay dùng trong nhà máy với độ chính xác cao. Là thiết bị không thể thiếu trong quá trình sản xuất.
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm  nhận các đại lượng vật lý không điện thành các tín hiệu điện.
Ví dụ: nhiệt độ là một tín hiêu không điện, qua cảm biến nó sẽ trở thành 1 dạng tín hiệu khác như điện trở hay điện áp, sau đó các bộ phận trung tâm thu nhận tín hiệu điện trở hay điện áp đó để xử lý.
Thông thường cảm biến nhiệt độ có 2 yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đó là nhiệt độ môi trường và nhiệt độ cảm nhận của cảm biến. Điều này có nghĩa là việc truyền nhiệt độ từ môi trường vào đầu đo của cảm biến tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác.

Có nhiều loại cảm biến khác nhau nhưng thông thường vì nó yêu cầu độ chính xác cao nên phổ biến nhất vẫn là loại cảm biến được đặt trong khung làm bằng thép không gỉ, được nối với một bộ phân định vị, có các đầu nối cảm biến với các thiết bị đo lường.
Một số mẫu cảm biến thường gặp như sau:

1. Cặp Nhiệt Điện - Can Nhiệt ( Thermocouples )
Can nhiệt thường có cấu tạo gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau hàn dính 1 đầu và hoạt động khi nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi. 
Thông thường những loại cảm biến này rất bền, đo được nhiệt độ cao nhưng độ nhạy không cao và hay sai số. Can nhiệt thường được ứng dụng trong các ngành công nghiệp luyện kim, cơ khí, gia công,..

-  Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
   -  Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV).
   -  Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
   -  Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
   -  Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
   -  Tầm đo: -100  - 1400 0C

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau( E, J, K, L, S, B,...) đó là vì mỗi cặp nhiệt điện được cấu tạo bởi một chất liệu khác nhau, từ đó sức điện động tạo ra cũng khác nhau dấn đến thang đo cũng khác nhau. Vì vậy người sử dụng cũng cần phải lựa chọn thiết bị đo cho phù hợp với yêu cầu sử dụng của mình.
*. Những điểm lưu ý khi lắp đặt cặp nhiệt điện( can nhiệt).
- Dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt. vì tín hiệu truyền đi dưới dạng điện áp mV nên nếu dây dài sẽ dẫn đến sai số nhiều.
- Thực hiện việc cài đặt bù giá trị nhiệt độ( offset) để bù lại tổn thất mất mắt trên đường dây, giá trị offset lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ dài, chất liệu dây và nhiệt độ môi trường.
- Không để các đầu dây nối của cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường cần đo.
- Đấu nối đúng đầu âm/dương cho cặp nhiệt điện.

2. Nhiệt Điện Trở ( RTD-resitance temperature detector ).
Nhiệt điện trở thường có cấu tạo gồm dây kim loại làm từ đồng, Nikel, Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Và nó hoạt động khi thay đổi nhiệt độ thì điện trở giữa hai đầu dây cũng thay đổi. Tuy nhiên nhiệt điện trở có độ chính xác cao, dễ sử dụng, chiều dài dây không hạn chế. Và thường được ứng dụng trong các ngành thực phẩm, hóa chất, đồ uống,...

-  Cấu tạo: gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Niken, Patium,…được quấn theo hình dáng của đầu to.
-  Nguyên lý: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa 2 đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong 1 khoảng nhiệt độ nhất định.
-  Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế.
-  Khuyết điểm: Dải đo bé hơn cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn cặp nhiệt điện.
-  Thường dùng: Trong các nghành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất,…
-  Tầm đo: -200 – 7000C
Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD
-  Cấu tạo của 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:
-  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.

3. Điện Trở Oxit Kim Loại (THERMISTOR)
- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…
- Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
- Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo.
- Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp. Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử.
- Dải đo: 50o
- Ứng dụng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử.
- 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.

Cấu tạo Thermistor.
   -  Thermistor được cấu tạo từ hổn 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:
   -  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.

4. Bán Dẫn
   -  Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.
   -  Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
   -  Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.
   -  Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
   -  Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.
   -  Tầm đo: -50 - 150 0C
Cấu tạo bán dẫn
   -  Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn. Có các loại như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường. Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,….
    - Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode ( hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi. Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch.
  -  IC Cảm biến nhiệt LM35 và cảm biến nhiệt độ dạng Diode
   - Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hướng mới trong “ thế giới cảm biến”.
   - IC Cảm biến nhiệt độ DS18B20
Lưu ý khi sử dụng:
   -  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.

5. Nhiệt Kế Bức Xạ ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer ).
   -  Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học.
   -  Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt.
   -  Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo.
   -  Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền.
   -  Thường dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung.
   -  Tầm đo: -54 - 1000 0C
Cấu tạo hỏa kế
   -  Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế ) là loại 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. Và 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:
   -  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. Và 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 ).

Cảm biến nhiệt độ: thông thường thì nhiệt độ bên ngoài môi trường được thiết bị cảm biến đo được và truyền về kết quả cho người sử dụng là một đại lượng điện nào đó và độ chính xác của kết quả phụ thuộc vào loại cảm biến bên trong. Trong các ngành công nghiệp nó thường được ứng dụng để đo nhiệt độ trong không khí, nước, hóa chất, độ ẩm,...tùy vào nhiệt độ môi trường cần đo là như thế nào để lựa chọn chất liệu và loại cảm biến cho phù hợp để đảm bảo được độ chính xác và độ bền sản phẩm khi sử dụng.
Qua nhiều năm phân phối các dòng cảm biến trên thị trường chúng tôi nhận thấy các sản phẩm của wika đang được người tiêu dùng lựa chọn nhiều nhất và đây cũng là dòng sản phẩm hiện nay Công ty VINDEC chúng tôi là đại diện chính thức tại Việt Nam.

Tổng hợp và biên soạn!
Admin: VINDEC

  • Chia sẻ bài viết:

Bình luận của bạn