Danh mục: Cảm Biến Nhiệt Độ

Cảm biến nhiêt độ được sử dụng trong cuộc sống hằng ngày cũng như trong các ngành công nghiệp. Các ứng dụng cần phải đo nhiệt độ như lò hơi, nhà máy điện, nước làm mát hệ thống chiller, nhiệt độ nước, nhiệt độ phòng, v.v. Sử dụng cho chúng ta biết được nhiệt độ chính xác tại nơi cần đo.
Cảm biến nhiệt độ được chia ra làm nhiều loại :

Resistance temperature detector viết tắt là RTD
Thermocouple được gọi là can nhiệt hay cặp nhiệt điện
Thermistor
Chất bán dẩn như Diode, IC, mesemiconductor .v.v.
Ngoài ra còn một số loại đo nhiệt độ khác dạng không tiếp xúc bằng hồng ngoại hoặc lazer.

Mỗi loại cảm biến nhiệt độ sẽ phục vụ cho một ứng dụng khác nhau. Tuỳ theo điều kiện đo mà chúng ta chọn cảm biến nhiệt cho phù hợp. Chúng ta cùng tìm hiểu nhé.

Cảm Biến Nhiệt Độ RTD

Resistance temperature detector được viết tắt là RTD còn được gọi là nhiệt điện trở. Bởi nguyên lý hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại khi nhiệt độ thay đổi .v.v.
Cấu tạo: đầu dò nhiệt độ làm bằng : đồng, niken, platinum .v.v. Tương ứng với từng loại vật liệu sẽ có một loại đầu dò khác nhau.
Ưu điểm: độ chính xác cao nhất so với các loại cảm biến khác. Chiều dài dây không hạn chế, dể sử dụng hơn so với các loại cảm biến nhiệt khác.
Nhược điểm: dải đo nhiệt độ thấp chỉ từ 600°C cho loại tiêu chuẩn và 850°C cho loại chịu nhiệt độ cao.
Ứng dụng: đo nhiệt trong các ngành công nghiệp như nước, không khí, lò hơi, hoá chất, thực phẩm, bia, rượu .v.v.
Nhiệt độ đo được có nhiều thang đo: -40 … 500°C, -80…250°C, -80 … 600°C, -200…850°C

Các loại RTD

Trong các loại RTD thì cảm biến nhiệt độ PT100 được sử dùng nhiều nhất nên cảm biến RTD còn được gọi là cảm biến nhiệt độ PT100.
Cảm Biến Nhiệt Độ Pt100
Cu100, Cu500
Ni100
Pt100, Pt500, Pt1000

Ký hiệu cảm biến nhiệt độ RTD gồm chữ và số như : Pt100

Pt là chữ viết tắt của Platinum
Còn 100 là giá trị điện trở 100 ohm tại KHÔNG độ C (0°C)

Trong tất cả các loại RTD thì cảm biến nhiệt độ Pt100 được sử dụng phổ biến nhất với loại 3 dây. Đầu dò Pt100 có 3 loại : 2 dây, 3 dây, 4 dây. Trong đó, loại 4 dây là đo chính xác nhất nhưng lại có giá cao nhất so với hai loại còn lại.

Nhiệt điện trở RTD là một thiết bị đo thụ động nên cần phải cung cấp dòng điện bên ngoài cho nó hoạt động. Các bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ và bộ hiển thị nhiệt độ sẽ quy đổi giá trị điện trở của đầu dò Pt100 sau đó chuyển đổi thành giá trị điện.
Thiết bị được gọi là thụ động khi nó cần cấp thêm một nguồn áp bên ngoài để hoạt động.
Cảm biến nhiệt độ Pt100 2 dây được xem là loại cơ bản nhất & đơn giản nhất
Cảm biến nhiệt độ PT100 loại 3 dây và 4 dây cho độ chính xác cao hơn khi truyền dẩn tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ đi xa.

Cấu Tạo cảm biến nhiệt độ PT100

Cảm biến nhiệt độ Pt100 được cấu tạo gồm 4 phần chính:
Đầu kết nối điện
Ren kết nối cơ khí
Vỏ inox bảo vệ lõi cảm biến
Lõi cảm biến

Đầu dò nhiệt độ Pt100 không chỉ đóng vai trò quan trọng trong việc đo chính xác mà còn ảnh hưởng tới độ nhạy, độ bền của cảm biến. Chính vì thế mà cảm biến nhiệt độ Pt100 đôi khi còn được gọi là đầu dò nhiệt độ Pt100.
Khi nhiệt độ thay đổi điện trở của bên trong của cảm biến sẽ thay đổi theo đặc tính của đầu dò Pt100. Mức thay đổi này là tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định nhưng phí tuyến trên toàn thang đo.

Mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của PT100

Theo biểu đồ thì nhiệt độ thay đổi sẽ tuyến tính theo một đường thẳng và giá trị của điện trở sẽ tương ứng thay đổi theo.
Nhưng thực tế giá trị thay đổi này phi tuyến, tức chỉ tuyến tính trong một khoảng rất nhỏ.

Ta thấy rằng:
Tại 0 độ C thì điện trở là 100 ohm
Tại 100°C thì điện trở là 175.86 ohm
Và tại 200°C thì điện trở là 175.86 ohm

Các bộ hiển thị nhiệt độ cần phải được thiết kế theo đặc tính của cảm biến nhiệt độ Pt100 để đọc được giá trị chính xác.

Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ PT100

Bạn đang tự hỏi bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ là gì, tại sao phải dùng bộ chuyển đổi tín hiệu ? Từ từ xem tiếp nhé.
Bản chất của cảm biến nhiệt độ PT100 là thay đổi giá trị điện trở khi nhiệt độ tăng. Điều đó đồng nghĩa với việc khi kéo đi càng xa thì nhiệt độ càng sai lệch vì điện trở của dây.
Giải pháp được sử dụng là dùng bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ Pt100 sang 4-20mA hoặc 0-10V với các ưu điểm:
Sai số rất thấp dù kéo đi xa
Thời gian đáp ứng nhanh hơn gấp 10 lần so với truyền về trực tiếp
Không bị nhiễu bởi ảnh hưởng đường dây
Tín hiệu nhuyễn hơn, độ phân giải cao hơn khi chuyển sang Analog 4-20mA

Việc sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ PT100 giải quyết các vấn đề khó khăn khi truyền dẩn tín hiệu nhiệt độ về bộ hiển thị hoặc PLC.
Có hai loại bộ chuyển đổi tín hiệu chúng ta cần biết:

Bộ chuyển đổi tín hiệu loại tròn gắn trên đầu cảm biến được sử dụng phổ biến bởi giá thành rẻ.
Bộ chuyển đổi tín hiệu lắp tủ điện có thiết kế phù hợp cho thanh gài. Khi dùng loại lắp tủ điện chúng ta nên chọn loại có thể cài đặt ngay trên thiết bị cho thuận tiện cài đặt.
Dùng bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ PT100 sang 4-20mA sẽ làm tăng giá thành thiết kế. Tuy nhiên giá trị của nó mang lại nhiều hơn rất nhiều so với chi phí bỏ ra.

Thermocouple (can nhiệt hay cặp nhiệt điện)

Cảm biến nhiệt độ 2 dây sử dụng phổ biến là Thermocouple loại K. Thermocouple được gọi là can nhiệt hay cặp nhiệt điện, can nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng nhiệt điện gồm hai thanh kim loại khác nhau được hàn lại thành một đầu thành đầu dò nhiệt độ. Một đầu được xem là đầu Dương (+), đầu còn lại gọi là đầu (-).
Khi nhiệt độ thay đổi thì xuất hiện sự chênh lệch điện áp giữa hai đầu Dương và Âm. Sự chênh lệch điện áp rất nhỏ được tính bằng millivoltage (mV) chính vì thế Thermocouple hạn chế kéo đi xa.

Cấu tạo: gồm hai thanh kim loại khác nhau được hàn dính lại với nhau
Nguyên lý: nhiệt độ thay đổi làm thay đổi điện áp giữa hai thanh kim loại
Ưu điểm: đo được nhiệt độ cao, bền
Nhược điểm: sai số lớn, độ nhạy không cao và giá thành mắc hơn so với RTD
Ứng dụng: lò nhiệt, lò đốt rác, lò hơi, nhiệt điện
Thang đo nhiệt: từ 0-1200°C với loại K , 0-1700°C với loại B

Các loại Cảm Biến Nhiệt Độ Thermocouple

Can nhiệt loại K được sử dụng phổ biến với thang nhiệt từ 0-1200°C
Can nhiệt loại S, R sử dụng cho thang nhiệt từ 0-1400°C đến 0-1600°C
Thermocouple loại J cho thang nhiệt thấp hơn dưới 100°C
Can nhiệt loại cho khả năng chịu nhiệt độ lên tới 1800°C

Cấu tạo can nhiệt Thermocouple

Tương tự đầu dò nhiệt độ Pt100 thì Thermocouple có cấu tạo tương tự gồm:

Đầu kết nối điện
Kết nối cơ khí
Vỏ bảo vệ bằng inox
Lớp xứ bảo vệ đầu dò nhiệt Thermocouple
Đầu dò được hàn bởi hai thanh kim loại
Điểm khác biệt là có một lớp sứ bảo vệ hai thanh kim loại bên trong so với cảm biến RTD thì không có lớp sứ này.

Mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ngõ ra

Tương ứng với một loại cảm biến Thermocouple sẽ có một đường đặc tính khác nhau.
Các loại can nhiệt Thermocouple phổ biến : can J, can K, can M, can N, can T, can S, can R, can B …
Can nhiệt B làm bằng vật liệu PtRh30% và PtRh6% có nhiệt độ từ 0-1820°C tương ứng 0-13.820 mV
Can nhiệt E làm từ vật liệu Cr-CO có thang nhiệt từ -200 … 1000°C tương ứng -8.825 … 76.373 mV.
Can nhiệt J làm từ Fe-Co có thang nhiệt từ -200 … 1200°C tương ứng -7.890 … 69.553mV.
Còn loại can K thì làm từ vật liệu Cr-AL có thang nhiệt từ -200…1360°C tương ứng với -5.891 … 54.819 mV.
Do tín hiệu ngõ ra của Thermocouple rất nhỏ điều đó đồng nghĩa với việc sai lệch rất lớn nếu chúng ta kéo dây dẩn đi xa. Giải pháp để hạn chế sự sai số này chính là sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ.

Bộ chuyển đổi tín hiệu Thermocouple

Một tín hiệu dạng milivotage rất dể bị suy giảm khi truyền đi xa bởi dây dẫn. Việc sử dụng bộ chuyển đổi nhiệt độ gần như là điều bắt buộc đối với Thermocouple.
T121: lăp trên đầu cảm biến can nhiệt loại K
K121: được lắp trong tủ điện với chức năng CJC bù nhiệt ngay bên bên trong bộ chuyển đổi khi kéo dây đi xa.
Z109REG-1: bộ chuyển đổi đa chức năng cho mọi tín hiệu nhiệt độ

Khi có bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ việc scales giá trị nhiệt độ trở nên dể dàng hơn rất nhiều với nhiều loại tín hiệu phổ biến:

4-20mA được dùng phổ biến nhất
0-10V trước đây được sử dụng trên các dây chuyền cũ
Modbus RTU một dạng tín hiệu tương tự giải quyết vấn đề nhiễu, truyền đi xa tới 1200m.
Tuỳ vào tín hiệu ngõ vào của thiêt bị đọc nhiệt độ mà chúng ta lựa chọn bộ chuyển đổi nhiệt độ cho phù hợp.
Hoặc,
Bạn nên nhờ sự tư vấn của chuyên gia cung cấp các thiết bị chuyển đổi tín hiệu.

Cảm Biến Nhiệt Độ Thermistors

Thermitor là một loại cảm biến nhiệt độ có thiết kế mỏng, nhỏ gọn được sử dụng trong các bo mạch điện tử hoặc được sử dụng làm chức năng bảo vệ các động cơ. Cảm biến nhiệt độ Thermistor hoạt động dựa vào sự thay đổi trở kháng có hệ số K.
Cấu tạo: từ hỗn hợp oxid kim loại mangan, nikenl, cobalt .v.v.
Nguyên lý: nhiệt độ thay đổi làm thay đổi điện trở
Ưu điểm: rẻ tiền, bền, dể chế tạo
Nhược điểm: dãi tuyến tính hẹp cũng như thang nhiệt thấp
Ứng dụng: bảo vệ quá dòng, điều chỉnh nhiệt độ, giới hạn dòng điện
Thang nhiệt: thấp từ 50-150°C

Các loại Thermistor

Thermistors có hai loại với nhiều hình dáng khác nhau nhưng phân chia thành hai loại :
Negative Temperature Coefficient (NTC): nhiệt độ tăng thì trở kháng giảm
Positive Temperature Coefficient (PTC): nhiệt độ tăng trở kháng tăng
Trong hai loại NTC và PTC thì cảm biến nhiệt độ NTC được sử dụng phổ biến hơn.
Do cảm biến nhiệt độ NTC và PTC có khoảng tuyến tính nhỏ từ 50-150°C nên ít được dùng để đo nhiệt độ.
Mục đích sử dụng chính của Thermistor là dùng để bảo vệ, ngắt nhiệt, các máy lạnh cũng có một vài bộ gắn vào cuộn dây động cơ, tủ lạnh .v.v.

Lưu ý khi sử dụng Thermistor

Tuỳ vào thực tế sử dụng mà chọn PTC hay NTC cho phù hợp. Đồng hồ VOM có thể dễ dàng test dạng thường đóng / thường mở.
Vỏ bảo vệ khá mỏng nên cần bảo vệ trong lúc sử dụng
Khi lắp đặt nên ép dính vào bề mặt cần đo
Hai cực đều như nhau nên không phân biệt âm / dương

Cảm biến nhiệt độ bán dẫn (Semiconductor)

Cảm biến nhiệt độ bán dẫn là cảm biến được tạo nên từ các chất bán dẫn dựa trên nguyên lý thay đổi điện áp giữa các lớp bán dẫn PNP, NPN thay đổi theo nhiệt độ môi trường. Công nghệ bán dẫn cho ra đời nhiều loại cảm biến nhiệt có nhiều ưu điểm : Độ chính xác cao, Chống nhiễu tốt, Hoạt động ổn định, Kết nối đơn giản, Giá thành rẻ .v.v.
Cấu tạo: làm từ các chất bán dẫn PNP/ NPN / diode
Nguyên lý: khi nhiệt độ thay đổi sự phân cực giữa các lớp bán dẫn làm thay đổi điện áp.
Ưu điểm: giá thành siêu rẻ, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt
Nhược điểm: chịu nhiệt độ thấp, khả năng hư hỏng cao khi sử dụng
Ứng dụng: đo nhiệt độ trên các bo mạch điện tử, đo nhiệt độ không khí .v.v.
Thang nhiệt: -50 … 150°C

Sự xuất hiện của công nghệ bán dẫn đưa đến các giải pháp đo nhiệt độ trong học tập, nghiên cứu với giá thành rất thấp. Để sử dụng hiệu quả chúng ta cần biết đặc tính của từng loại IC bán dẫn.

Các loại cảm biến nhiệt độ bán dẫn phổ biến như IC LM35, LM335, LM45. Chúng hoạt động dựa vào nguyên tắc nhiệt độ thay đổi thì cho ra điên áp thay đổi.
Một số cảm biến nhiệt độ bán dẫn LM35 có thiết kế dạng Diode hoạt động tương tự như PNP/NPN.
Công nghệ cảm biến nhiệt độ bán dẫn phục vụ cho nghiên cứu, học tập và trong sản xuất các bo mạch.
Kích thước nhỏ – gọn, chi phí thấp và tuyến tính là một trong những lợi thế lớn của công nghệ này.
Được thiết kế nhỏ gọn bởi các thành phần bán dẫn nên kém bền & không chịu được nhiệt độ cao. Khi vượt ngưỡng rất dễ hỏng cảm biến.
Cảm biến nhiệt độ bán dẫn chỉ tuyến tính trong một giới hạn nhiệt độ nào đó, ngoài dải đo của cảm biến sẽ phi tuyến. Chúng ta cần quan tâm tới giới hạn của cảm biến để sử dụng hiệu quả.
Không sử dụng trong các môi trường độ ẩm cao, có tính ăn mòn & rung lắc mạnh.

Cảm Biến Nhiệt Độ Không Tiếp Xúc

Công nghệ phát triển đòi hỏi các phương pháp đo hiện đại hơn cho môi trường nhiệt độ cao hơn các loại Thermocouple đo được.
Cảm biến nhiệt độ can B chỉ đo được 1700°C trong khi các lò đốt rác nhiệt độ từ 1700-2000°C. Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc được xem là giải pháp duy nhất có thể đo chính xác mà không bị cháy cảm biến.

Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc được làm bằng công nghệ hồng ngoại hoặc laser sử dụng cho các ứng dụng đo nhiệt độ cao liên tục. Cảm biến hoạt động dựa vào bức xạ năng lượng của môi trường nhiệt cần đo.
Cấu tạo: làm từ các bo mạch điện tử, quang học
Nguyên lý: đo bức xạ năng lượng của môi trường cần đo
Ưu điểm: không tiếp xúc với môi trường đo, dùng cho môi trường khắc nghiệt chịu nhiệt độ cao
Nhược điểm: khá đắt tiền nhưng có độ chính xác không cao
Ứng dụng: đo cầm tay hoặc đo trong các nò đốt, lò nhung, vùng nhiệt di chuyển liên tục.
Nhiệt độ: 450 – 1600°C

Trong công nghiệp nhu cầu đo nhiệt độ cao dạng không tiếp xúc phù hợp cho cán thép, thổi thuỷ tinh, sản xuất kính .v.v. đòi hỏi cảm biến phải đo được khoảng cách xa nhưng có độ chính xác cao.
Tín hiệu ngõ ra của cảm biến nhiệt độ không tiếp rất đa dạng :

Analog 4-20mA, 0-10V
Modbus RTU
RS232
Can-bus
Profibus DP
Với nhiều chuẩn kết nối đa dạng việc vừa hiển thị vừa truyền tín hiệu về trung tậm khá đơn giản và dể dàng đối với cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc.

Cảm Biến Nhiệt Độ LaserCảm biến nhiệt độ laser cho kết quả chính xác ở nhiệt độ cao Công nghệ laser cho phép đo được nhiệt độ cao nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác. Trong công nghiệp cảm biến nhiệt độ laser được sử dụng cho các ngành cán thép, lò nung, lò đốt rác … với nhiệt độ từ 2000-3000°C.
Công nghệ laser cho phép phát triển nhiều loại cảm biến phù hợp cho nhiều thang đo nhiệt độ khác nhau. Thời gian đáp ứng chỉ 1ms -10 ms được xem là nhanh nhất trong tẩt cả các công nghệ đo nhiệt độ.
Các loại tín hiệu ngõ ra : 4-20mA, 0-20mA, Modbus RTu, RS232 cũng được tích hợp sẵn ngay trên bộ điều khiển của cảm biến. Vấn đề cuối cùng là giá thành đắc đỏ chính là bài toán khó nhất của công nghệ này.
Chúc các bạn thành công !

Kỹ Sư Cơ – Điện Tử
Nguyễn Minh Hoà
Mobi : 0937.27.55.66
Mail : hoa.nguyen@huphaco.vn