Cảm biến nhiệt độ – Cấu tạo, nguyên lý và các loại cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là cảm biến được sử dụng để đo nhiệt độ, khi nhiệt độ thay đổi thì các cảm biến sẽ đưa ra một dạng tín hiệu mà từ tín hiệu này các bộ đọc sẽ đọc được v à quy ra nhiệt độ. Với mỗi loại cảm biến sẻ có dạng tín hiệu khác nhau. Có loại thì đưa ra tín hiệu điện trở, được gọi là nhiệt điện trở hoặc có tên gọi khác là RTD. Thông thường là cảm biến Pt100, Pt1000, Pt50, CU50. Có loại đưa ra tín hiệu mV được gọi là cặp nhiệt và nó chỉ có hai dây tín hiệu ra. Thông thường là cảm biến K, R, S, B,T,E.

Ngoài ra cảm biến nhiệt độ còn có loại chuyên xài trong phòng hoặc trong đường ống có phạm vi thấp và chính xác cao. Với loại cảm biến này có ngõ ra tín hiệu 4-20mA, 0-10VDC hoặc RS485. Với loại cảm biến này thì tích hợp cảm biến nhiệt độ và cảm biến đo ẩm bên trong với hai ngõ ra riêng biệt.

Cảm biến nhiệt độ là gì?

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để đo sự biến đổi về nhiệt độ của các đại lượng cần đo.

Thiết bị cảm biến nhiệt được thiết kế đặc biệt cho các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, ô tô, hàng hải và vật liệu nhựa, cũng như tất cả các ngành đòi hỏi độ chính xác, độ tin cậy cao trong các phép đo.

Cảm biến nhiệt được cấu tạo gồm hai dây kim loại khác nhau được gắn vào một đầu gọi là đầu nóng( đầu đo) và đầu lạnh (đầu chuẩn). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu thì sẽ phát sinh một nhiệt điện động tại đầu lạnh. Vì thế cần kiểm soát nhiệt độ đầu lạnh( tùy thuộc vào loại chất liệu).

Nguyên lý làm việc đối với nhiệt kế điện trở metaI, thường được gọi là cảm biến nhiệt, là cơ sở dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại với sự thay đổi nhiệt độ vượt trội.

Vật liệu: bạch kim và niken, do điện trở suất cao và tính ổn định của chúng.

Các phép đo nhiệt độ được thực hiện với cảm biến nhiệt có độ chính xác và đáng tin cậy hơn nhiều so với các phép đo được thực hiện với các loại cặp nhiệt điện hoặc nhiệt kế khác.

Cấu tạo cảm biến nhiệt

• Bộ phận cảm biến: bộ phận cảm biến là phần quan trọng nhất của khả năng chịu nhiệt, một bộ phận cảm biến kém chất lượng sẽ gây nguy hiểm cho hoạt động chính xác của toàn bộ thiết bị cảm biến. Sau khi kết nối với đầu nối, nó được đặt bên trong vỏ bảo vệ. Các nguyên tố cảm biến với cuộn dây đôi có sẵn 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 đầu dò.
• Chất cách điện gốm. Chất cách điện bằng gốm ngăn ngừa đoản mạch và cách điện các dây kết nối khỏi vỏ bảo vệ.
• Phụ Chất làm đầy bao gồm bột alumina cực kỳ mịn, sấy khô và rung, lấp đầy bất kỳ khoảng trống nào để bảo vệ cảm biến khỏi các rung động.
• Vỏ bảo vệ. Vỏ bảo vệ để bảo vệ các bộ phận cảm biến và các dây kết nối. Vì nó tiếp xúc trực tiếp với quá trình, điều quan trọng là nó được làm bằng vật liệu phù hợp và có kích thước phù hợp. Trong một số điều kiện nhất định, nên bọc thêm vỏ bọc bằng vỏ bổ sung (thermowell).
• Đầu kết nối .Đầu kết nối chứa bảng mạch được làm bằng vật liệu cách điện (thường là gốm) cho phép kết nối điện của điện trở. Tùy thuộc vào kết cấu sử dụng vỏ chống cháy nổ có thể được sử dụng. Bộ chuyển đổi 4-20 mA có thể được cài đặt thay cho bảng đầu cuối.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt

Đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt khá đơn giản so với việc sử dụng các loại đo nhiệt độ khác, tuy nhiên cần thực hiện một số bước nhất định để khắc phục mọi lỗi phát hiện.

Có ba nguyên nhân chính gây ra lỗi trong các phép đo nhiệt độ với nhiệt độ:

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

Bộ phận cảm biến tự nóng lên trong quá trình đo khi nó bị cắt ngang bởi dòng điện quá cao, do hiệu ứng Joule, làm tăng nhiệt độ của phần tử.

Sự tăng nhiệt độ phụ thuộc cả vào loại yếu tố chính được sử dụng và các điều kiện đo. Ở cùng nhiệt độ, cùng độ bền nhiệt sẽ tự nóng lên ít hơn nếu được đặt trong nước chứ không phải không khí; điều này là do thực tế nước có hệ số phân tán cao hơn không khí.

Thông thường tất cả các thiết bị đo sử dụng nhiệt điện trở làm cảm biến đều có dòng đo cực thấp, tuy nhiên không nên vượt quá dòng đo 1 mA (EN 60751).

Để đo chính xác với cảm biến nhiệt, điều rất quan trọng là cách điện giữa các dây dẫn và vỏ bọc bên ngoài là đủ lớn, đặc biệt là ở nhiệt độ cao.

Điện trở cách điện có thể được xem như là một điện trở được đặt song song với các phần tử cảm biến. Do đó, rõ ràng, ở nhiệt độ không đổi, nếu cách điện giảm đi, điện áp đo trên phần tử cảm biến cũng sẽ giảm do đó gây ra lỗi trong phép đo.

Điện trở cách điện có thể giảm khi đầu dò được sử dụng ở nhiệt độ quá cao, khi có rung động mạnh hoặc do ảnh hưởng của các tác nhân vật lý hoặc hóa học.

Độ sâu ngâm của bộ phận cảm biến cũng cực kỳ quan trọng đối với các phép đo chính xác; Không giống như trong cặp nhiệt điện, trong đó, các phép đo có thể được coi là thất bại, nếu độ sâu không đủ, nó có thể gây ra sai số trong phép đo tới vài độ ° C.

Điều này là do thực tế là vỏ bọc, thường là kim loại, với bộ phận cảm biến được bảo vệ sẽ phân tán nhiệt theo tỷ lệ chênh lệch nhiệt độ giữa vùng nóng và lạnh; do đó, cảm biến nhiệt Termotech có một dải nhiệt dọc theo một phần của chiều dài vỏ bọc.

Nên, độ sâu ngâm phải đủ để bộ phận cảm biến bên trong vỏ bọc không phải chịu độ chênh nhiệt này.

Độ sâu tối thiểu sẽ phụ thuộc vào các điều kiện đo vật lý và kích thước của độ bền nhiệt (chiều dài của phần tử

Các loại dây cảm biến nhiệt

Loại cảm biến nhiệt độ 2 dây:

Là ít chính xác nhất và chỉ được sử dụng trong trường hợp kết nối độ bền nhiệt được thực hiện với dây điện trở ngắn và điện trở thấp; kiểm tra mạch điện tương đương, có thể lưu ý rằng điện trở đo được là tổng của phần tử cảm biến (phụ thuộc vào nhiệt độ) và điện trở của dây dẫn được sử dụng cho kết nối. Lỗi trong phép đo này không liên quan: nó phụ thuộc vào nhiệt độ.

Loại cảm biến nhiệt độ 3 dây:

Cho mức độ đo chính xác tốt hơn, kỹ thuật ba dây được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực công nghiệp. Với kỹ thuật đo lường này, loại bỏ các lỗi gây ra bởi điện trở của các dây dẫn; ở đầu ra, điện áp phụ thuộc hoàn toàn vào sự biến đổi điện trở của cảm biến nhiệt và điều chỉnh liên tục theo nhiệt độ.

Loại cảm biến nhiệt 4 dây:

Volt-ampe kế cho độ chính xác lớn nhất có thể; ít được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp, nó hầu như chỉ được sử dụng trong các ứng dụng trong phòng thí nghiệm.

Trên một mạch điện tương đương có thể thấy rằng điện áp đo được chỉ phụ thuộc vào điện trở của nhiệt; độ chính xác của phép đo phụ thuộc hoàn toàn vào độ ổn định của dòng đo và độ chính xác của số đọc điện áp trên nhiệt.

Có hai loại nhiệt điện tạo thành: cách nhiệt truyền thống hoặc cách nhiệt khoáng chất MgO.

Tiêu chuẩn đo các loại cảm biến nhiệt

Loại

Dây điện trở cuốn

Dây điện trở mảnh

Giá trị dung sai

AA	-50 ÷ +250	0 ÷ +150	± (0,1 + 0,0017* | t |)
A	-100 ÷ +450	-30 ÷ +300	± (0,15 + 0,002* | t |)
B	-196 ÷ +600	-50 ÷ +500	± (0,3 + 0,005* | t |)
C	-196 ÷ +600	-50 ÷ +600	± (0,6 + 0,01* | t |)

Nhiệt kế điện trở để đo nhiệt độ trung tâm phù hợp cho việc sử dụng bên trong lò nướng thực phẩm. Đầu dò có tay cầm gắn vào sản phẩm; một phần của cáp tiếp xúc với thực phẩm được bọc bằng một lớp vỏ mềm bằng thép không gỉ và một phụ kiện đặc biệt cho phép nối cáp vào lò nướng.

Một bộ cảm biến nhiệt bao gồm một mạch điện được hình thành bởi hai dây dẫn kim loại khác nhau được hàn với nhau ở hai đầu. Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai khớp, do hiệu ứng Seebeck, một vòng dây được tạo ra, một trong hai khớp và một lực điện động (emf) mở ra. Độ phân cực và cường độ của suất điện động chỉ phụ thuộc vào loại kim loại được sử dụng và nhiệt độ mà các khớp phải chịu. Khớp tiếp xúc với nhiệt độ cần đo được gọi là mối nối nóng hoặc mối nối đo, trong khi mối nối nối các dây dẫn cảm biến nhiệt và mạch đo được gọi là mối nối lạnh hoặc đường nối tham chiếu. Để đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt, mối nối tham chiếu phải ở nhiệt độ nhất định (thường là 0 °) để emf được tạo ra chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của mối nối đo.

Các loại cảm biến nhiệt độ

Loại cảm biến nhiệt phụ thuộc vào các vật liệu bao gồm các dây dẫn có thể được tóm tắt như sau:

Cảm biến nhiệt bao gồm các kim loại quý (Bạch kim và Rhodium) cho phép thu được các phép đo rất chính xác. Đặc biệt chịu được ở nhiệt độ cao, nó thường được sử dụng trong khí quyển oxy hóa. Nó không thực sự được khuyến khích trong việc giảm khí quyển hoặc những thứ có chứa hơi kim loại.

Loại can nhiệt	Chất liệu	Dải đo nhiệt	Đặc điểm
S	Pt10%Rh – Pt	-50 / 1760	Cảm biến S bao gồm các kim loại quý (Bạch kim và Rhodium) cho phép thu được các phép đo rất chính xác. Đặc biệt chịu được ở nhiệt độ cao, nó thường được sử dụng trong khí quyển oxy hóa. Nó không thực sự được khuyến khích trong việc giảm khí quyển hoặc những thứ có chứa hơi kim loại.
R	Pt13%Rh – Pt	-50 / 1760	Giống như cảm biến S nhưng với tỷ lệ phần trăm khác nhau của hai kim loại.
B	Pt30%Rh – Pt6%Rh	0 / 1820	Cặp nhiệt điện bao gồm các kim loại quý, do số lượng Rhodium lớn hơn so với các loại cảm biến S và R, có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn và chịu áp lực cơ học.
E	Cr – Co	-270 / 1000	Cảm biến E có công suất nhiệt điện cao kết hợp cực dương của cặp nhiệt điện kiểu K và cực âm của cặp nhiệt điện kiểu J . Đặc biệt 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 hiểm cho hoạt động của nó trong quá trình oxy hóa các quả cầu.
K	Cr – Al	-270 / 1370	Cặp nhiệt điện gồm các hợp kim có chứa niken. Nó phù hợp để điều chỉnh nhiệt độ cao trong môi trường oxy hóa. Không được sử dụng trong môi trường khí quyển.
T	Cu – Co	-270 / 400	Cặp nhiệt điện cho phép đo chính xác ở nhiệt độ thấp trong quá trình oxy hóa và giảm khí quyển.
N	Nicrosil – Nisil	-270/400 (1)0 / 1300 (2)	Cặp nhiệt điện cho nhiệt độ cao tương tự như loại K nhưng có độ phản ứng trễ nhiệt ít hơn.
W3	W3%Re – W25%Re	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 biệt chống lại việc giảm khí quyển và sự hiện diện của hydro hoặc các khí trơ khác. Không được sử dụng trong không khí hoặc khí quyển oxi hóa.
W5	W5%Re – W26%Re	0 / 2310	Cặp nhiệt điện rất giống với W3 nhưng với tỷ lệ rheni lớn hơn làm tăng sức cản cơ học của nó. Các đặc điểm khác là đặc trưng của cặp nhiệt điện W3.

Các phương pháp để thực hiện các phép đo với cảm biến nhiệt thường có thể được chia thành hai loại. Cái đầu tiên, như trong hình số 1, thường được sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, nơi không cần độ chính xác cao

Phần bù của điểm nối được cung cấp trực tiếp bằng thiết bị đo, đo nhiệt độ điểm nối với các loại cảm biến khác, điện tử điều chỉnh tín hiệu cặp nhiệt điện sao cho nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của phép đo đường giao nhau và nhiệt độ cần đo.

Loại thứ hai cho phép thu được các phép đo chính xác cao và vì lý do này hầu như 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 nhiệt độ nhất định và không đổi (thông thường là điểm nóng chảy của băng 0 ° C) thông qua các quy trình thủ công hoặc tự động để bù cho lực điện động được đo bằng thiết bị đo tương ứng với đường giao nhau.

Một số sản phẩm nội bật của cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ PT100

Là loại cảm biến khi nhiệt độ thay đổi thỉ tín hiệu của nó sẻ thay đổi theo tín hiệu điện trở. Vì sao gọi là PT100, là vì khi ở nhiệt độ 0 độ C thì điện trở của nó là 100 ohm. Và từ đây bạn cũng có thể hiểu tại sao là cảm biến PT1000 và PT50. Và nói tới độ chính xác thì PT1000 là loại cảm biến có độ chính xác cao nhất. Thông thường nhiệt độ của RTD là -200~500 độ C, -50-150 độ C, -200~300 độ C.

Đối với các loại cảm biến nhiệt điện trở – RTD thì thường có 3 dây. Trong đó có hai dây chung nối tắt, loại 2 dây và loại 4 dây.

 

Đối với cảm biến nhiệt độ loại 2 dây thì tuy có giá thành thấp nhưng  có sai số cao và ít sử dụng nhất. Do bị ảnh hưởng điện trở trên cả hai dây nên dẫn đến sai số rất cao,

Đối  với loại cảm biến đo nhiệt độ loại 3 dây, đây là loại thông dụng nhất hiện nay. Với 2 dây chung triệt tiêu điện trở cho nhau, lúc này cảm biến chỉ bị ảnh hưởng điện trở trên dây A (Ra).

Cảm biến nhiệt độ PT100 – 4 dây

Đối với loại cảm biến loại 4 dây thì các điện trở dây hầu như bị triệt tiêu. Nên kết quả đo rất chính xác, loại này có giá thành khá cao và được sử dụng trong các đo lường chính xác.

Còn việc các điện trở triệt tiêu thế nào thì đó là do cách tính toán và thiết kế của các loại bộ đọc. Thường thì các đồng hồ sẻ đo dòng và đo áp trên cảm biến để cho ra kết quả đọc. Đối với loại 4 dây thì đồng hồ dùng 2 dây đo dòng riêng và hai dây đo áp riêng. Do không có dòng trên 2 dây đo áp nên sẻ không có hiện tượng sụt áp trên dây.

Cùng xem qua bảng thay đổi điện trở theo nhiệt độ của cảm biến RTD.

Đối với những ai đang tìm kiếm cảm biến PT100 hay PT1000 loại 2 dây ra thì hiện tại ít ai có sẵn loại này. Nên chúng ta chỉ cần mua loại 3 dây, sau đó jump 2 chân chung lại là được. Không cần nhất thiết phải mua đúng loại 2 dây mới được.

Thân được phủ một lớp teflon chịu nhiệt, chịu axit và kháng nước tuyệt đối, có thể đo được nhiệt độ của tất cả các loại hóa chất và axit mạnh. Với nhiệt độ 0-300 độ c. Với kích thước phi 4.5mm, dây dài 2m. model: VK100-PT100-4-2M-PTFE.

 

Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ:

Nếu chúng ta không có nhu cầu hiển thị mà chỉ muốn chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ thì có thể sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu các bạn nhé. Việc này sẽ giúp chúng ta tiết kiệm chi phí hơn trong quá trình đầu tư đấy. Thiết bị sẽ có khả năng chuyển đổi các dạng tín hiệu pt100, pt1000 hay các loại cảm biến can nhiệt hiện nay để chuyển về các dạng như 4-20ma, relay on/off.

Mình xin giới thiệu đến các bạn 2 dòng thiết bị chuyển đổi tín hiệu chính đó là bộ chuyển tín hiệu pt100 sang 4-20ma dạng gắn head và bộ chuyển tín hiệu dạng gắn tủ điện. Các bạn tham khảo các thông tin về sản phẩm dưới đây nhé.

Bộ chuyển tín hiệu pt100 sang 4-20ma

Nếu các bạn đang sử dụng cảm biến nhiệt độ pt100 mà muốn chuyển tín hiệu về 4-20ma thì có thể sử dụng thiết bị này nhé. Thiết bị sẽ có thiết kế nhỏ gọn, thường sử dụng gắn head trong các loại cảm biến dạng củ hành. Các bạn tham khảo các thông số kỹ thuật như sau:

• Xuất xứ: được nhập khẩu trực tiếp từ hãng Muesen – Đức.
• Ngõ vào (Input): các dạng tín hiệu của cảm biến Pt100 2 dây, Pt100 3 dây và Pt100 4 dây.
• Ngõ ra (Output): tín hiệu analog 4-20mA
• Nguồn cấp: 7,5÷45VDC
• Kích thước bộ chuyển đổi: 44 x18mm
• Nhiệt độ làm việc : -40÷85°C
• Thời gian phản hồi : <1s
• Sai số: chỉ 0.1%
• Có thể cài đặt dãy đo tuỳ ý: -10÷50°C, 0÷100°C, -30÷200°C, -50÷400°C.
• Bảo hành: 18 tháng 1 đổi 1 nếu có lỗi từ nhà sản xuất
• Đạt các chứng chỉ về thiết bị điện như: IEC 60529,  IEC 61010, IEC 61326, Namur..

Bộ chuyển tín hiệu dạng gắn tủ điện

Với dòng thiết bị này thì chúng ta có thể sử dụng trong nhiều loại cảm biến khác nhau từ pt100, pt500, pt1000, can nhiệt S-K-T-E-J,…Đây là dòng thường sử dụng trong các ứng dụng chuyển đổi sang ngõ ra 4-20ma, 0-20ma, 0-5v, 0-10v,…Relay on/onn, Modbus RTU,…Một vài thông số kỹ thuật cần quan tâm như sau:

• Model: sản phẩm có mã là OMX333UNI
• Xuất xứ: được nhập khẩu trực tiếp từ hãng Orbit Merret – Cộng Hoà Séc
• Ngõ vào (Input): các tín hiệu cảm biến Can nhiệt S, Can nhiệt K, Can nhiệt B, Can nhiệt E, Can nhiệt J,…Ngoài ra, còn có khả năng liên kết với các cảm biến pt100, cảm biến Cu,…
• Ngõ ra (Output): các tín hiệu analog 4-20mA, 0-5vdc, 0-10vdc, 0-20vdc, 1-5vdc,…
• Nguồn cấp: 10÷30VDC
• Hệ số cách ly chống nhiễu: 2500VAC.
• Sai số: chỉ 0,1% trong quá trình chuyển đổi
• Thời gian phản hồi: 2ms khá nhanh chóng
• Kiểu lắp đặt: lắp trên Din rail tủ điện
• Thời gian bảo hành: 18 tháng 1 đổi 1 nếu có lỗi từ nhà sản xuất.

VIDEO Lắp Ráp Mô-Đun Cảm Biến Nhiệt Độ Rơle Tự Động

Trên đây là một số thông tin cơ bản về cảm biến nhiệt độ trên thị trường hiện nay. Hy vọng nó sẽ cần thiết cho những bạn đang cần tìm hiểu. Vì là kiến thức cá nhân nên không thể tránh khỏi sai sót, rất mong được sự đóng góp của các bạn qua comment để khiến cho bài viết được hoàn hảo hơn.