Cảm biến nhiệt độ Rosemount Emerson

Các loại Cảm biến nhiệt độ trong công nghiệp – Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cảm biến nhiệt độ là gì

Cảm biến nhiệt độ (CBNĐ) là một thiết bị điện tử đo nhiệt độ của đối tượng cần đo và chuyển dữ liệu nhiệt độ đầu vào thành dữ liệu điện tử để hiển thị, ghi lại, giám sát hoặc điều khiển.

Các loại cảm biến nhiệt độ

Có nhiều loại CBNĐ khác nhau. Một số CBNĐ yêu cầu tiếp xúc trực tiếp với đối tượng vật lý đang được theo dõi (cảm biến nhiệt độ tiếp xúc), trong khi những cảm biến khác đo gián tiếp nhiệt độ của đối tượng (cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc).

Cảm biến nhiệt độ tiếp xúc

  • Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
  • RTD (Nhiệt điện trở kim loại)
  • Thermistor (Nhiệt điện trở)

Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc

  • Nhiệt kế hồng ngoại
  • Camera nhiệt

Phạm vi bài viết này, Tôi trình bày chi tiết cảm biến nhiệt độ tiếp xúc, Các loại cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc, Tôi xin trình bày trong các bài viết sau,

Sau đây, Mời bạn đi sâu vào chi tiết từng loại

1. Thermocouple (Cặp nhiệt điện)

Cặp nhiệt điện (Viết tắc là T/C) là một thiết bị cảm biến nhiệt độ nhiệt điện mạch kín bao gồm hai dây dẫn bằng kim loại khác nhau được nối ở hai đầu. Dòng điện được tạo ra khi nhiệt độ ở một đầu nối khác với nhiệt độ ở đầu kia. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Seebeck, là cơ sở để đo nhiệt độ của cặp nhiệt điện.

Một đầu được gọi là đầu nối nóng trong khi đầu kia được gọi là đầu nối lạnh. Điểm nối nóng (phần tử đo) được đặt bên trong vỏ bọc cảm biến và tiếp xúc với quá trình (process). Điểm nối lạnh, hoặc điểm nối tham chiếu, là điểm kết thúc bên ngoài quá trình (process) nơi nhiệt độ được biết và nơi điện áp được đo. (ví dụ: trong transmitter, thẻ đầu vào của hệ thống điều khiển hoặc bộ điều hòa tín hiệu khác.)

Cấu tạo thermocouple
Cấu tạo thermocouple

Theo hiệu ứng Seebeck, điện áp đo được tại điểm nối lạnh tỷ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ giữa điểm nối nóng và điểm tiếp giáp lạnh. Điện áp này có thể được gọi là điện áp Seebeck, điện áp nhiệt điện hoặc EMF nhiệt điện. Khi nhiệt độ tăng lên ở điểm nóng, điện áp quan sát được ở điểm lạnh cũng tăng không tuyến tính với nhiệt độ tăng. Mức độ tuyến tính của mối quan hệ nhiệt độ – điện áp phụ thuộc vào sự kết hợp của các kim loại được sử dụng để tạo ra T/C.

Các loại cặp nhiệt điện

Có nhiều loại T / C sử dụng các kết hợp kim loại khác nhau. Các tổ hợp này có các đặc tính đầu ra khác nhau xác định phạm vi nhiệt độ mà nó có thể đo và đầu ra điện áp tương ứng.

Đường cong mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp của thermocouple
Đường cong mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp của thermocouple

Có những loại T / C có thể đo nhiệt độ thấp tới – 270 ° C (-464 ° F) và những loại khác có thể đo lên đến 1768 ° C (3214 ° F).

Các loại cặp nhiệt điện theo tiêu chuẩn ANSI
Các loại cặp nhiệt điện theo tiêu chuẩn ANSI

2. RTD – (Nhiệt điện trở kim loại)

Nhiệt điện trở kim loại (RTD) dựa trên nguyên tắc điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng – một hiện tượng được gọi là điện trở suất nhiệt (Thermal Resistivity). Do đó, phép đo nhiệt độ có thể được suy ra bằng cách đo điện trở của phần tử RTD.

RTD được cấu tạo bằng vật liệu điện trở có gắn các dây dẫn và thường được đặt trong một vỏ bọc bảo vệ. Vật liệu điện trở có thể là bạch kim, đồng hoặc niken, phổ biến nhất là bạch kim vì độ chính xác cao, độ lặp lại tuyệt vời và độ tuyến tính đặc biệt trong một phạm vi rộng và nó thể hiện sự thay đổi điện trở lớn theo mức độ thay đổi nhiệt độ.

Sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ của Đồng, Bạch kim, Niken
Sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ của Đồng, Bạch kim, Niken

Hai kiểu cảm biến RTD phổ biến nhất là loại dây quấn (wire-wound) và màng mỏng (thin film).

RTD dây quấn:

Được sản xuất bằng cách quấn dây điện trở xung quanh trục gài bằng sứ hoặc bằng cách cuộn dây theo hình xoắn ốc được hỗ trợ trong vỏ bọc bằng sứ – do đó có tên là dây quấn. 

Cấu tạo RTD dây quấn
Cấu tạo RTD dây quấn

RTD màng mỏng

Để sản xuất cảm biến RTD dạng màng mỏng, một lớp phủ điện trở mỏng được đặt trên một nền gốm phẳng (thường là hình chữ nhật).

Cấu tạo RTD màng mỏng
Cấu tạo RTD màng mỏng

Đồng và niken thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp ít quan trọng hơn do độ chính xác và độ tuyến tính hạn chế, và phạm vi nhiệt độ tương đối hẹp.

Các phần tử niken (Nickel elements) có một phạm vi nhiệt độ giới hạn vì lượng thay đổi của điện trở trên mỗi mức độ thay đổi của nhiệt độ trở nên rất phi tuyến tính ở nhiệt độ trên 300 ° C. Việc sử dụng RTD bằng niken đã giảm trong những năm qua do các hạn chế về hiệu suất của nó và vì chi phí của RTD Bạch kim hiện là một khoản chênh lệch rất nhỏ.

Đồng có mối quan hệ điện trở rất tuyến tính với nhiệt độ, nhưng vì đồng bị oxy hóa ở nhiệt độ vừa phải, không nên sử dụng đồng quá 150 ° C.

Đồng RTD thường được sử dụng trong các phép đo nhiệt độ cuộn dây của động cơ, máy phát điện và tuabin. RTD đồng 10 Ω đã phổ biến nhất trong những năm qua nhưng hiện đang nhường chỗ cho đến các loại 100 Ω (Pt100) và thậm chí 1000 Ω để có được độ phân giải tốt hơn, do đó cung cấp phép đo chính xác hơn. 

Platinum (Bạch kim) RTD cũng đang ngày càng phổ biến cho các ứng dụng này. Do điều kiện khắc nghiệt trong các cuộn dây này và thực tế là không thể thay thế các cảm biến mà không cần tháo rời động cơ, nhiều nhà cung cấp và người dùng đang chọn RTD phần tử kép và một số đang sử dụng thiết kế RTD màng mỏng do khả năng chịu rung và tuổi thọ dài hơn.

Hình ảnh Pt100 lắp dưới đáy bồn để do nhiệt độ
Hình ảnh Pt100 lắp dưới đáy bồn để do nhiệt độ

3. Thermistor

Thermistor hay Nhiệt điện trở (là chữ ghép nối giữa “Thermal” và “Resistor”) là một điện trở nhạy với nhiệt. Một thay đổi nhỏ của nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi điện trở của thermistor, sự thay đổi này chính xác và có thể dự đoán được. Mức độ thay đổi điện trở phụ thuộc vào thành phần độc đáo của nó.

Các loại nhiệt điện trở
Hình ảnh các loại nhiệt điện trở

Các loại nhiệt điện trở

Có hai loại nhiệt điện trở: Nhiệt điện trở NTC (Hệ số nhiệt độ âm) và nhiệt điện trở PTC (Hệ số nhiệt độ dương).

Sự khác biệt là nhiệt điện trở NTC thể hiện sự GIẢM điện trở khi nhiệt độ tăng lên, trong khi nhiệt điện trở PTC thể hiện sự TĂNG điện trở khi nhiệt độ tăng lên.

Các ứng dụng cho NTC và PTC Thermistors bao gồm:

  • Bù nhiệt độ
  • Đo nhiệt độ
  • Kiểm soát nhiệt độ
  • Giới hạn dòng điện xâm nhập

Lợi ích của NTC và PTC Thermistors

  • NTC Thermistors rất chắc chắn, đáng tin cậy và ổn định, đồng thời chúng được trang bị để xử lý các điều kiện môi trường khắc nghiệt và chống nhiễu tốt hơn các loại cảm biến nhiệt độ khác.
  • Kích thước nhỏ gọn: Các tùy chọn đóng gói cho phép chúng hoạt động trong không gian nhỏ hoặc chật hẹp; do đó chiếm ít diện tích hơn trên bảng mạch in.
  • Thời gian phản hồi nhanh: Kích thước nhỏ cho phép phản ứng nhanh với sự thay đổi nhiệt độ, điều này rất quan trọng khi cần phản hồi ngay lập tức.
  • Tiết kiệm chi phí: Không chỉ nhiệt điện trở ít tốn kém hơn so với các loại cảm biến nhiệt độ khác; nếu nhiệt điện trở đã mua có đường cong RT chính xác, không cần hiệu chuẩn nào khác trong quá trình lắp đặt hoặc trong thời gian hoạt động của nó.
  • Đối sánh điểm: Khả năng đạt được một điện trở cụ thể ở một nhiệt độ cụ thể.
  • Đối sánh đường cong: Các nhiệt điện trở có thể hoán đổi cho nhau với độ chính xác từ + 0,1˚C đến + 0,2˚C.

Các cân nhắc lựa chọn chung

Cho dù lắp đặt một hệ thống mới hay chỉ thay thế một thiết bị trong hệ thống hiện có, bạn nên cân nhắc những điểm chính này trước khi thực hiện lựa chọn của mình để đảm bảo kết quả mong muốn.

  • Điện trở cơ sở: Nếu bạn đang lắp đặt một ứng dụng mới, hãy nhớ chọn điện trở cơ sở phù hợp dựa trên các yêu cầu ứng dụng của bạn. Nếu bạn đang thay thế một nhiệt điện trở, hãy đảm bảo phù hợp với điện trở cơ sở hiện tại.
  • Điện trở so với Đường cong nhiệt độ: Nếu bạn đang lắp đặt một ứng dụng mới, hãy xác định mối quan hệ giữa điện trở và đường cong nhiệt độ chính xác. Nếu bạn đang thay thế một thiết bị, hãy đảm bảo khớp với thông tin từ nhiệt điện trở hiện có.
  • Bao bì nhiệt điện trở: Đảm bảo rằng bao bì đã chọn đáp ứng các yêu cầu ứng dụng của bạn.

Cảm ơn bạn đã đọc bài chia sẻ

Chúc bạn thành công!

Tâm Mr. – Admin

Thermocouple

PRETEM – Nhà phân phối Thermocouple – PT100

Hãng THERMO ELECTRIC – MỸ

Liên hệ báo giá tốt: 0979 822 782

Email: sales@pretem.com

>> XEM SẢN PHẨM <<

Bài viết cùng chuyên mục:

  1. Bộ điều khiển nhiệt độ, Cẩm nang toàn tập
  2. Thermocouple (Cặp nhiệt điện) là gì? Nguyên lý hoạt động, Ứng dụng cặp nhiệt điện
  3. Cách đấu dây PT100 3 dây vào đồng hồ hiển thị nhiệt độ
  4. Hướng dẫn xác định màu dây dẫn cảm biến nhiệt độ Pt100, can nhiệt theo tiêu chuẩn

Thư viện bài viết:

Chia sẻ Bài viết cho Bạn của Bạn!

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *