Các cảm biến thermocouple (T/C – cặp nhiệt điện – can nhiệt) được chia làm nhiều loại theo từng tiêu chí khác nhau. Mỗi loại có các thuộc tính riêng biệt cho từng ứng dụng và phương pháp lắp đặt.

Các loại cảm biến nhiệt độ thermocouple và ưu nhược điểm

Các cảm biến thermocouple (T/C – cặp nhiệt điện – can nhiệt) được chia làm nhiều loại theo từng tiêu chí khác nhau. Mỗi loại có các thuộc tính riêng biệt cho từng ứng dụng và phương pháp lắp đặt.

Hình 1. Hình ảnh bên ngoài của cảm biến nhiệt độ thermocouple

1. Phân loại theo vật liệu cấu tạo thermocouple

Có rất nhiều loại thermocouple sử dụng sự kết hợp các kim loại khác nhau. Các kết hợp này có các đặc tính đầu ra khác nhau, qua đó xác định phạm vi nhiệt độ thích hợp mà nó có thể đo và điện áp đầu ra tương ứng. Xem hình 2 và hình 3.

Độ lớn điện áp cao hơn, độ phân giải đo lường cao hơn tăng tính lặp lại và chính xác. Có sự cân bằng giữa các giải pháp đo và các phạm vi nhiệt độ phù hợp với từng loại T/C riêng biệt cho các phạm vi và ứng dụng cụ thể.

Hình 2. Đồ thị quan hệ điện áp – nhiệt độ các thermocouple phổ biến

1.1. Loại K (Chromel – Alumel)

• Chromel® gồm 90% niken và 10% crom; Alumel® là hợp kim bao gồm 95% niken, 2% mangan, 2% nhôm và 1% silic.
• Loại K là một trong những cặp nhiệt điện phổ biến nhất với độ nhạy khoảng 41 μV/ºC.
• Chromel® là dây dương, Alumel® là dây âm.
• Không tốn kém, và phạm vi của nó là từ –270 °C đến +1372 °C (–454 °F đến +2501 °F) và tương đối tuyến tính.
• Thành phần niken là từ tính, và như các kim loại từ tính khác, sẽ có độ lệch trong đầu ra khi vật liệu đạt tới điểm Curie, xảy ra ở nhiệt độ 350 °C (662 °F) đối với cặp nhiệt điện loại K. Điểm Curie là nơi vật liệu từ trải qua một sự thay đổi đáng kể trong tính chất từ của nó và gây ra sự sai lệch lớn đến tín hiệu đầu ra.
• Nó có thể được sử dụng trong không khí liên tục oxy hoá hoặc trung hòa.
• Hầu hết sử dụng ở trên 538 °C (1000 °F).
• Tiếp xúc với lưu huỳnh góp phần vào sự hư hỏng sớm.
• Hoạt động ở nồng độ oxy thấp gây ra một sự dị thường gọi là quá trình oxy hóa ưu tiên của crom trong dây dương gây ra tình trạng gọi là 'green rot' tạo ra các sai lệch lớn nghiêm trọng nhất trong khoảng 816 đến 1038 °C (1500 đến 1900 °F). Việc thông gió hoặc bít kín ống bảo vệ có thể ngăn ngừa hoặc giảm nhẹ tình trạng này.
• Chu kỳ trên và dưới 1000 °C (1800 °F) không được khuyến nghị do thay đổi đầu ra từ các hiệu ứng trễ.
• Về mặt lịch sử, loại K được đề nghị sử dụng trừ khi bạn có lý do để không dùng.

1.2. Loại J (Sắt – Constantan)

• Các cặp nhiệt điện loại J có phạm vi tiềm năng hạn chế hơn loại K từ –200 đến +1200 °C (–328 đến 2193 °F), nhưng độ nhạy cao hơn khoảng 50 μV/ºC.
• Nó rất tuyến tính trong khoảng 149 đến 427 °C (300 đến 800 °F) và trở nên dễ gãy dưới 0 °C (32 °F).
• Tại điểm Curie của sắt 770 °C (1418 °F) có sự thay đổi đột ngột và vĩnh viễn về đặc tính đầu ra, xác định giới hạn nhiệt độ trên thực tế.
• Sắt bị oxy hóa ở nhiệt độ cao hơn 538 °C (1000 °F) gây ảnh hưởng xấu đến độ chính xác của nó. Chỉ dây đo nặng được sử dụng ở những điều kiện này.
• Loại J phù hợp để sử dụng trong bầu không khí chân không, giảm, hoặc trơ.
• Nó sẽ giảm tuổi thọ nếu sử dụng trong môi trường oxy hóa.
• Các thành phần cảm biến trần không được để ở nơi chứa lưu huỳnh trên 538 °C (1000 °F).

1.3. Loại E (Chromel – Constantan)

• Chromel là một hợp kim của 90% niken và 10% crom và là dây dương.
• Constantan là hợp kim thường gồm 55% đồng và 45% niken.
• Loại E có phạm vi tiềm năng từ –270 đến 1000 °C (–454 đến 1832 °F).
• Nó không có từ tính và có điện áp đầu ra cao nhất so với thay đổi nhiệt độ của bất kỳ loại tiêu chuẩn nào (68 μV/°C).
• Nó cũng có xu hướng lệch nhiều hơn các loại khác.
• Khuyến cáo sử dụng cho môi trường oxy hóa liên tục hoặc khí trơ.
• Các giới hạn lỗi của nó chưa được thiết lập để sử dụng dưới mức không.

1.4. Loại T (Đồng / Đồng-Niken)

• Kiểu T có độ nhạy 38 μV/°C và có phạm vi tiềm năng từ –270 đến 400 °C (–454 đến 752 °F).
• Chúng có thể được sử dụng trong môi trường oxy hóa, giảm hoặc trơ và trong chân không.
• Chúng có khả năng chống ăn mòn cao.
• Chúng thể hiện được tính tuyến tính tốt và thường được sử dụng từ các phạm vi nhiệt độ rất thấp (nhiệt độ nấm) đến nhiệt độ trung bình.

1.5. Loại N (Nicrosil – Nisil)

• Nicrosil là hợp kim niken có chứa 14.4% crom, 1.4% silic, và 0.1% magie và là dây dương.
• Nisil là hợp kim của hợp kim niken với 4.4% silic.
• Cặp nhiệt điện loại N là thiết kế mới nhất đã được các tiêu chuẩn quốc tế chấp nhận và đang ngày càng được sử dụng rộng khắp trên thế giới.
• Các hợp kim này cho phép loại N đạt được độ ổn định nhiệt điện cao hơn các loại kim loại cơ bản E, J, K và T.
• Các cặp nhiệt điện loại N có độ nhạy 39 μV/°C và phạm vi tiềm năng từ –270 đến 1300 °C (–454 đến 2372 °F).
• Các cặp nhiệt điện loại N đã được sử dụng đáng tin cậy trong thời gian dài ở nhiệt độ tối thiểu 1200 °C (2192 °F).
• Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong không khí oxy hoá, sự ổn định nhiệt điện của cặp nhiệt điện loại N tương tự như cặp nhiệt điện kim loại quý của các thermocouple ANSI loại R và S lên tới 1200 °C (2192 °F).
• Không đặt các cặp nhiệt điện loại N vào chân không hoặc giảm hoặc xen kẽ không khí giảm / oxy hóa.

1.6. Loại R và S

• Loại R (Platin – 13% Rhodi / Platin) và loại S (Platin – 10% Rhodi / Platin) có phạm vi tiềm năng từ –50 đến 1768 °C (–58 đến 3214 °F).
• Cả hai đều có độ nhạy khoảng 10 μV/°C và do đó không thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ thấp, mà các loại khác sẽ là sự lựa chọn tốt hơn.
• Vì chúng được chế tạo từ hợp kim platin nên chúng rất đắt và thường được dành riêng cho các ứng dụng nhiệt độ cực cao mà các loại cặp nhiệt điện khác không hoạt động tốt.
• Do tính ổn định cao, cặp nhiệt điện loại S được sử dụng để xác định Thang đo Nhiệt độ Quốc tế (International Temperature Scale) giữa điểm mà Antimony đóng băng (630.5 °C / 1166.9 °F) và điểm nóng chảy của vàng (1064.43 °C / 1945.4 °F).
• Việc lắp đặt thích hợp yêu cầu các cặp nhiệt điện được bảo vệ bằng ống bảo vệ phi kim loại và các chất cách điện bằng gốm.
• Phơi nhiễm nhiệt độ cao kéo dài gây ra sự gia tăng hạt có thể dẫn đến sự hư hỏng về cơ học và lệch tiêu cực do sự khuếch tán Rhodi đến chân platin tinh khiết cũng như từ sự bay hơi của Rhodi.
• Nói chung loại R được sử dụng trong công nghiệp và loại S chủ yếu được sử dụng trong phòng thí nghiệm.

1.7. Loại B

• Các cặp nhiệt điện loại B (Platin – 30% Rhodi / Platin – 6% Rhodi) có phạm vi tiềm năng trong khoảng từ 0 đến 1820 °C (32 đến 3308 °F).
• Các cặp nhiệt điện loại B thường được đặt trong môi trường không khí sạch / oxy hoá nhưng không nên sử dụng trong không khí giảm.
• Số lượng Rhodi tăng lên trong cặp nhiệt điện loại B giúp giảm vấn đề tăng trưởng hạt, cho phép tăng phạm vi nhiệt độ tăng lên so với các loại R và S.

Hình 3. Thông số chi tiết các thermocouple phổ biến

2. Phân loại theo loại điểm nối

Các dây nối với nhau bằng nhiều cách khác nhau như xoắn, kẹp, hàn chì, hàn thau, và các loại mối hàn khác nhau (ví dụ, hạt và giáp mối). Để có hiệu năng tốt nhất, đầu nóng phải có độ bền cơ học, dẫn điện liên tục, và không bị nhiễm độc bởi các thành phần hoá học của vật liệu hàn. Đối với các loại T/C cao cấp, cần chú ý nhiều hơn đến việc lựa chọn loại dây và kiểm soát quy trình sản xuất. Tham khảo hình 3.

Hình 3. Các cách nối đầu nóng

Đầu nối T/C được sản xuất trong các cấu hình khác nhau với lợi ích cho các ứng dụng cụ thể. Các đầu nối có thể nối đất hoặc không nối đất, và T/C hai phần tử có thể được cách ly hoặc không cách ly. Tham khảo hình 4. 

Hình 4. Cấu hình đầu nóng

Đầu nối nối đất được hình thành khi đầu nối cặp nhiệt điện nối với vỏ bọc cảm biến. Các điểm có nối đất có độ dẫn nhiệt tốt hơn, từ đó tạo ra thời gian đáp ứng nhanh nhất. Tuy nhiên, nối đất cũng làm cho mạch nhiệt điện trở dễ bị nhiễu điện hơn, có thể làm hỏng tín hiệu điện áp T/C trừ khi thiết bị đo lường cung cấp cách ly. (Tất cả các bộ chuyển đổi và thẻ I/O chất lượng cao đều mang tính cách điện như là một tính năng tiêu chuẩn của nó). Đầu nối có nối đất cũng có thể dễ bị nhiễu hơn theo thời gian.

Điểm nối không nối đất tồn tại khi các thành phần T/C không kết nối với vỏ cảm biến nhưng được bao quanh bằng bột cách điện. Các điểm không nối đất có thời gian đáp ứng chậm hơn so với điểm có nối đất, nhưng ít bị nhiễu điện hơn.

Điểm nối lộ ngoài có điểm nóng mở rộng qua đầu kín của vỏ để cung cấp phản hồi nhanh hơn. Niêm phong ngăn ngừa sự xâm nhập của hơi nước hoặc các chất bẩn khác vào vỏ bọc. Chúng thường được áp dụng chỉ với các khí không ăn mòn như trong ống dẫn khí.

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

Chủ đề liên quan:
Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ RTD và thermocouple

RTD và thermocouple là hai cảm biến nhiệt độ được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành công nghiệp. Tuy nhiên mỗi loại sẽ có nguyên lý hoạt động khác nhau.


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.


Hiệu ứng Seebeck trong hoạt động của cảm biến nhiệt độ thermocouple

Hiệu ứng Seebeck là cơ sở để đo nhiệt độ của thermocouple. Theo đó, điện áp đo tại đầu lạnh tỷ lệ thuận với sự khác biệt về nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh.


Có thể bạn quan tâm:
Các loại cảm biến nhiệt độ RTD và ưu nhược điểm

Các cảm biến nhiệt độ RTD (Resistance Temperature Detector – nhiệt điện trở – Pt100) được chia làm nhiều loại theo từng tiêu chí khác nhau. Mỗi loại có các thuộc tính riêng biệt cho từng ứng dụng và phương pháp lắp đặt.


Cách tính toán độ chính xác của toàn bộ hệ thống cảm biến nhiệt độ

Độ chính xác của một hệ thống cảm biến nhiệt độ là mức độ gần của giá trị đo với giá trị thực tế của nhiệt độ đó.


Cách chọn thermowell chính xác cho hệ thống cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ được lắp đặt vào trong một thermowell để bảo vệ tránh khỏi các điều kiện môi trường ảnh hưởng xấu đến thành phần cảm biến.


Các phương pháp nối đất tốt nhất được đề nghị cho hệ thống cảm biến nhiệt độ

Hệ thống cảm biến nhiệt độ cần được nối đất cách ly để ngăn chặn điện áp cao gây hại cho hệ thống và con người.


Hướng Dẫn Xác Định Màu Dây Dẫn Cảm Biến Nhiệt Độ PT100, can nhiệt theo tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn cho RTD công nghiệp IEC 60751-2008 quy định màu dây dẫn cho cảm biến nhiệt độ Pt100, can nhiệt như sau:


Cách lựa chọn bộ chuyển đổi thích hợp cho hệ thống cảm biến nhiệt độ

Bộ chuyển đổi (transmitter) tiếp nhận một loạt các tín hiệu đo lường từ cảm biến nhiệt độ, xử lý chúng, và cung cấp một tín hiệu đầu ra mạnh mẽ.


Đặc điểm của cảm biến nhiệt độ thermocouple loại K (cặp nhiệt điện loại K)

Cảm biến nhiệt độ thermocouple loại K (cặp nhiệt điện loại K) là loại thermocouple được sử dụng phổ biến nhất trong các ngành công nghiệp.


Ảnh hưởng của hiện tượng "green rot" đến cảm biến nhiệt độ thermocouple loại K

“Green rot” còn được gọi là “sự mục xanh”, là một trong những nguyên nhân gây hư hỏng cảm biến nhiệt độ thermocouple loại K.


Khi nào cần thay thế mới đồng hồ áp suất đang sử dụng?

Đồng hồ áp suất đang sử dụng cần được thay thế mà không thể sửa chữa được khi gặp phải các sự cố ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của đồng hồ và hệ thống.