Cách lựa chọn cảm biến nhiệt độ RTD và thermocouple

Mặc dù có nhiều loại cảm biến nhiệt độ, các nhiệt điện trở (Resistance Temperature Detector – RTD – Pt100) và cặp nhiệt điện (thermocouple – T/C) là phổ biến nhất các trong ngành công nghiệp quá trình.

Hình 1. Hình ảnh các loại cảm biến nhiệt độ RTD và thermocouple

1. Đặc điểm RTD:

RTD hay Pt100 được thiết kế dưới dạng 2, 3, 4 dây nhưng thông thường được sử dụng ở dạng 3 dây, và khi được sử dụng với bộ chuyển đổi chất lượng thì chiều dài dây dẫn không quan trọng.

Hình ảnh cảm biến nhiệt độ RTDHình 2. Hình ảnh cảm biến nhiệt độ RTD

* Ưu điểm:

– Khả năng lặp lại tốt hơn nhiều so với thermocouple.

– Sai lệch dài hạn có thể dự đoán được trong khi thermocouple sai lệch là thất thường. Điều này mang lại lợi ích khi ít hiệu chỉnh thường xuyên và do đó giảm chi phí bảo trì.

– Độ nhạy tốt hơn nhiều so với thermocouple. Khi được sử dụng với bộ chuyển đổi có độ phân giải cao, có thể thực hiện phép đo chính xác hơn nhiều.

– Tính tuyến tính tuyệt vời (RTD platin). Khi kết hợp với sự tuyến tính hóa được thực hiện trong bộ chuyển đổi chất lượng, độ chính xác tốt hơn nhiều so với một thermocouple và có thể đến khoảng 0.1 °C.

– Có thể được sử dụng với dây dẫn và cáp kết nối đồng chuẩn.

– Có thể được cung cấp các hằng số CVD cho phép kết hợp cảm biến với một bộ chuyển đổi để tạo ra độ chính xác phi thường (lên đến 0.015 °C).

– Trễ không đáng kể.

– Ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu sóng điện từ (EMI) và sóng radio (RFI).

– Nếu yêu cầu độ chính xác là tốt hơn ±2 °F thì RTD tốt hơn.

– Nếu cần ổn định lâu dài thì chọn RTD có lợi hơn.

* Nhược điểm:

– Chi phí ban đầu cao.

– Phạm vi tiềm năng là –200 đến 850 °C, chỉ đo ở nhiệt độ thấp.

2. Đặc điểm thermocouple:

– Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ chính xác của bù điểm lạnh (Cold Junction Compensation - CJC) như được thực hiện bởi bộ chuyển đổi hoặc bộ điều hoà tín hiệu khác.

– Khi sử dụng trong thermowell, một thermocouple có thời gian đáp ứng giống như một RTD. Lắp đặt cảm biến trần thì nhanh hơn nhưng không được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp quá trình do sự an toàn vì khả năng rò rỉ và tiếp xúc của cảm biến với các điều kiện quá trình bất lợi.

– Thermocouple có dung sai cấp chuẩn hoặc dung sai cấp đặc biệt (Class 2 và Class 1) tương ứng với Class 2 có dung sai gấp đôi. Tuy nhiên, theo thời gian và tùy thuộc vào ứng dụng, sự xuống cấp thermocouple có thể làm mất đi đặc tính này.

Hình ảnh cảm biến nhiệt độ thermocoupleHình 3. Hình ảnh cảm biến nhiệt độ thermocouple

* Ưu điểm:

– Phạm vi thực tế phụ thuộc vào loại thermocouple, có thể ở mức thấp nhất là –270 và cao nhất đến 2300 °C.

– Nếu nhiệt độ tối đa cần đo trên 850 °C, một thermocouple là sự lựa chọn duy nhất.

– Cấu trúc dây đo lớn có thể chịu được độ rung cao.

– Chi phí ban đầu thấp.

* Nhược điểm:

– Tính tuyến tính phụ thuộc vào loại thermocouple và có thể cực kỳ phi tuyến tính trên phạm vi rộng. Điều này được bù đắp có mức độ bằng phương pháp tuyến tính hoá được thực hiện bởi một bộ chuyển đổi.

– Tính chính xác thấp hơn RTD.

– Do sự xuống cấp của điểm nối nóng theo thời gian và đặc biệt ở nhiệt độ cao hơn khiến sai lệch không thể đoán trước và thất thường.

– Phải được sử dụng với dây nối dây thermocouple phù hợp và cũng có thể bị xuống cấp.

– Dễ bị ảnh hưởng EMI và RFI. (Sử dụng với bộ chuyển đổi tích hợp có thể giảm được hiệu ứng này)

– Chi phí vận hành cao hơn RTD.

Phạm vi nhiệt độ tiềm năng (°C)Hình 4. Phạm vi nhiệt độ tiềm năng (°C)

Mặc dù một số thermocouple được làm bằng dây kim loại nặng có độ chịu rung cao, nhưng nhìn chung một RTD kết hợp thermowell thì phù hợp với ứng dụng trong môi trường hơi nước hoặc các ứng dụng chất lỏng cao và thậm chí cả các ứng dụng trong công nghiệp hạt nhân.

Đối với các ứng dụng chỉ giám sát xu hướng nhiệt độ và có thể chấp nhận sai số một vài độ, các tổ hợp thermocouple đơn hoặc đa điểm có thể kết nối với bộ chuyển đổi đa kênh hoặc bộ ghép kênh để tiết kiệm chi phí.

Đối với các ứng dụng kiểm soát quá trình cần độ chính xác cao và đặc biệt đối với các ứng dụng SIS, việc lắp đặt một hệ thống RTD rõ ràng là sự lựa chọn tốt hơn cho nhiệt độ dưới 500 °C (900 °F). Ở nhiệt độ cao hơn đến 850 °C, có thể tăng sai lệch làm mất đi lợi thế chính xác.

Thermocouple được cho là ít tốn kém hơn nhưng do chi phí của dây mở rộng, thường xuyên hiệu chỉnh và thay thế, và độ chính xác thấp hơn làm lợi thế này biến mất. Trong thực tế, trong nhiều trường hợp, chi phí vận hành của việc lắp đặt thermocouple dễ dàng vượt quá việc lắp đặt RTD.

Cảm ơn các bạn đã đọc bài chia sẻ. Mong nhận được sự góp ý của các bạn.

Chúc bạn thành công!

Chịu trách nhiệm nội dung

Đoàn Hữu Thắng

Kỹ sư Điện công nghiệp