[Khám Phá] Nguyên lý cảm biến nhiệt độ

Chúng ta, ai cũng đã từng nghe qua hoặc tiếp xúc với một vài loại cảm biến nhiệt độ trong quá trình làm việc hay học tập rồi. Vậy có bao giờ bạn thắc mắc nguyên lý làm việc của cảm biến nhiệt độ là gì không? Và có 2 loại cảm biến nhiệt độ mà chúng ta rất hay nhầm lẫn. Đó là loại nào?

Bài viết này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu nguyên lý cảm biến nhiệt độ của một số loại phổ biến như:

Cảm biến nhiệt độ RTD
Cặp nhiệt điện thermocouple
Cảm biến nhiệt độ thermositor
Cảm biến nhiệt độ IC bán dẫn
Cảm biến nhiệt độ quang kế
Nhiệt hồng ngoại

Nhiệt độ là đại lượng môi trường thường được đo nhất. Điều này có thể đúng, vì hầu hết các hệ thống vật lý, điện tử, hóa học, cơ học và sinh học bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Một số phản ứng hóa học, quá trình sinh học và thậm chí các mạch điện tử hoạt động tốt nhất trong phạm vi nhiệt độ giới hạn. Nhiệt độ là một trong những biến được đo phổ biến nhất và do đó không có gì đáng ngạc nhiên khi có nhiều cách để cảm nhận nó.

Cảm biến nhiệt độ có thể được thực hiện thông qua tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt. Hoặc từ xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp.

Tóm Tắt Nội Dung

Nguyên lý cảm biến nhiệt độ thermocouple

Khi hai kim loại khác nhau được kết nối với nhau, một điện áp nhỏ gọi là điện áp nhiệt được tạo ra tại điểm nối. Đây được gọi là hiệu ứng Peltier.

Nếu nhiệt độ của đường giao nhau thay đổi, nó cũng khiến điện áp thay đổi, có thể được đo bằng các mạch điện tử. Đầu ra là một điện áp tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ giữa điểm nối và đầu tự do. Điều này được gọi là hiệu ứng Thompson.

Cả hai hiệu ứng này có thể được kết hợp để đo nhiệt độ. Bằng cách giữ một điểm nối ở nhiệt độ đã biết (điểm nối tham chiếu) và đo điện áp, nhiệt độ tại điểm nối cảm biến có thể được suy ra. Điện áp được tạo ra tỷ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độ. Hiệu ứng kết hợp được gọi là hiệu ứng nhiệt hoặc hiệu ứng Seebeck.

Điện áp được đo để tính ra nhiệt độ theo tỉ lệ. Nếu thiết bị đo có trở kháng đầu vào rất cao, thì chúng ta có thể đo được điện áp ở mối nối nhiệt chính xác hơn.

Tuy nhiên, vấn đề chính của phép đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện là dây A và B phải kết nối với dây dẫn của vôn kế, thường được làm bằng đồng. Nếu cả dây A và dây B đều không phải là đồng, thì việc kết nối trên sẽ tạo ra hơn hai mối nối nhiệt. Các mối nối nhiệt bổ sung này cũng tạo ra điện áp nhiệt, có thể tạo ra lỗi khi cố gắng đo điện áp từ điểm nối của cảm biến.

Nguyên lý cảm biến nhiệt độ RTD

RTD là một thiết bị cảm biến nhiệt độ có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Thường được chế tạo từ Platium (bạch kim), mặc dù các thiết bị làm từ niken hoặc đồng không phải là hiếm. RTD có thể có nhiều hình dạng cấu tạo đầu dò khác nhau như:
– Dạng dây,
– Dạng màng mỏng.

Và hình dáng kỹ thuật của chúng cũng có nhiều loại: tiêu biểu như loại dây hay loại đầu dò hình của hành.
RTD hoạt động theo nguyên tắc điện trở của kim loại thay đổi theo nhiệt độ. Chúng tuyến tính và lặp lại với những thay đổi trong nhiệt độ. RTD có hệ số nhiệt độ dương (điện trở tăng theo nhiệt độ).
Sở dĩ đa số cảm biến nhiệt độ RTD đều có cấu tạo từ Platium là vì, Platium có độ nhạy nhiệt cao, có độ tuyến tính và bền bỉ. Tuy rằng là kim loại quý và đắt đỏ.

Tín hiệu từ RTD có thể được giải mã với những thiết bị chuyển đổi tín hiệu nhiệt điện trở thành tín hiệu 4-20mA hay 0-10V.

Nguyên lý cảm biến nhiệt độ thermistor

Tương tự như RTD, nhiệt điện trở thermistor là một thiết bị cảm biến nhiệt độ có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Tuy nhiên, được làm từ vật liệu bán dẫn.

Điện trở được xác định theo cách tương tự như RTD, nhưng nhiệt điện trở thermistor thể hiện điện trở phi tuyến cao so với đường cong nhiệt độ. Do đó, trong phạm vi hoạt động của nhiệt điện trở, chúng ta có thể thấy sự thay đổi điện trở lớn đối với sự thay đổi nhiệt độ rất nhỏ. Điều này làm cho thiết bị có độ nhạy cao, lý tưởng cho các ứng dụng đo nhiệt.

Nguyên lý cảm biến nhiệt độ bán dẫn

Chúng được phân loại thành các loại khác nhau như đầu ra điện áp, đầu ra dòng, đầu ra kỹ thuật số, đầu ra điện trở… Cảm biến nhiệt độ bán dẫn hiện đại cung cấp độ chính xác cao và tuyến tính cao trong phạm vi hoạt động khoảng 55°C đến + 150°C.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ bán dẫn chính là dựa trên sự phân cực của lớp bán dẫn theo nhiệt độ. Chúng có độ nhạy tốt, chống nhiễu. Nhưng hạn chế là dải đo nhiệt thấp.
Bộ khuếch đại bên trong có thể mở rộng đầu ra thành các giá trị thuận tiện, chẳng hạn như 10mV/°C. Chúng cũng hữu ích trong các mạch bù tiếp giáp lạnh cho các cặp nhiệt điện phạm vi nhiệt độ rộng.

Nguyên lý cảm biến nhiệt độ quang kế

Cảm biến nhiệt độ quang học có thể đo nhiệt độ rất cao (thậm chí ngọn lửa). Nguyên lý cảm biến nhiệt độ quang kế sử dụng cảm biến nhạy cảm với bức xạ hồng ngoại, ví dụ: một photodiode hoặc một quang điện trở, để so sánh bức xạ từ không xác định với bức xạ từ một nguồn sợi đốt bên trong. Độ chính xác của quang kế cũng khá cao. Lợi thế rõ ràng trong việc sử dụng một pyrometer quang ở nhiệt độ cao là phép đo không tiếp xúc.

Các đặc điểm cơ bản của quang kế như sau:

Nhạy cảm với bức xạ hồng ngoại
Độ chính xác = f (độ phát xạ)
Hữu ích ở nhiệt độ rất cao
Không tiếp xúc
Chi phí đắt
Không thực sự chính xác lắm

Nguyên lý cảm biến nhiệt độ hồng ngoại

Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại còn được gọi là cảm biến nhiệt kế hoặc cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc. Chúng được sử dụng để đo nhiệt độ của vật thể mà không tiếp xúc. Điều này khác với hầu hết các thiết bị đo nhiệt độ, đòi hỏi phải tiếp xúc trực tiếp với môi trường đo.
Các phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc là thuận lợi khi các phương pháp tiếp xúc là không thể hoặc không thực tế, chẳng hạn như khi mục tiêu không thể tiếp cận hoặc nóng đến mức các thiết bị tiếp xúc sẽ không tồn tại được.

Nguyên lý cảm biến nhiệt độ hồng ngoại là bất kỳ vật thể nào cũng phát ra một lượng năng lượng nhiệt độ. Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại xác định nhiệt độ bằng cách đo cường độ năng lượng phát ra từ một vật thể.

Tính toán nhiệt độ của một vật thể được đo từ năng lượng phát ra có vẻ đơn giản. Tuy nhiên, lượng năng lượng phát ra từ một vật thể không chỉ là một hàm của nhiệt độ. Biến khác ngoài nhiệt độ gây ảnh hưởng là sự phát xạ.

Khi nói đến phép đo nhiệt độ không tiếp xúc, điều quan trọng là biết rằng độ phát xạ là hệ số hiệu chỉnh lớn hơn 0 nhưng nhỏ hơn 1, cho phép cảm biến nhiệt độ hồng ngoại tạo ra nhiệt độ bề mặt chính xác.