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 hiệu ứng Seebeck, điện áp đo tại đầu lạnh tỷ lệ thuận với sự khác biệt về nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh. Điện áp này được gọi là điện áp Seebeck, điện áp nhiệt điện, hoặc sức điện động nhiệt điện.

Hình 1. Hiệu ứng Seebeck là cơ sở để đo nhiệt độ của thermocouple

1. Lịch sử

Hiệu ứng Seebeck được đặt theo tên nhà vật lí người Đức Thomas Johann Seebeck (1770-1831), người năm 1826 đã công bố kết quả của những thí nghiệm mà ông đã thực hiện bốn năm trước đó, qua đó đã mở ra một lĩnh vực nhiệt điện mới. Ông quan sát thấy rằng một dòng điện xuất hiện trong một dãy mạch của hai kim loại khác nhau, với điều kiện các nút giao giữa hai kim loại ở nhiệt độ khác nhau.

Hiệu ứng Peltier, được nhà vật lý người Pháp Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845) trình bày lần đầu tiên vào năm 1834, được xem như là sự ủng hộ cho hiệu ứng Seebeck và mô tả khả năng tạo ra sự thay đổi nhiệt do sự khác biệt điện áp giữa hai kim loại không đồng nhất ở điểm nối. Hiện tượng này trong một ứng dụng đã được áp dụng như là một cơ chế làm mát cho các thiết bị trạng thái rắn.

Những hiệu ứng quan trọng này còn được gọi là hiệu ứng Peltier-Seebeck.

Hình 2. Hình ảnh nhà vật lý Seebeck và Peltier

2. Hiệu ứng Seebeck trong thermocouple

Trong một thermocouple, một đầu được gọi là đầu nóng, còn đầu kia được gọi là đầu lạnh. Chúng ta sử dụng sức điện động tạo ra bởi một điểm nối và qua điểm tham chiếu để suy ra nhiệt độ. Đầu nóng được đặt bên trong một vỏ cảm biến và tiếp xúc với môi trường cần đo nhiệt độ. Đầu lạnh, hoặc đầu tham chiếu, là đầu kết thúc nằm bên ngoài môi trường đó. Đầu lạnh là nơi nhiệt độ được biết trước và là nơi điện áp được đo. (Ví dụ như trong một bộ chuyển đổi, thẻ đầu vào của hệ thống điều khiển hoặc điều hòa tín hiệu khác). Xem hình 3.

Hình 3. Kết nối bộ chuyển đổi – cảm biến nhiệt độ thermocouple

Khi nhiệt độ tăng lên ở đầu nóng, điện áp đo tại đầu lạnh cũng tăng không tuyến tính. Sự tuyến tính của mối quan hệ giữa điện áp và nhiệt độ phụ thuộc vào sự kết hợp của các kim loại được sử dụng để tạo ra thermocouple.

Dây dẫn cặp nhiệt điện bao gồm hai dây riêng biệt (dương và âm), kèm theo cách điện bằng màu. Do hiệu ứng Seebeck, dây dẫn cặp nhiệt điện có cực phân cực nên dây dương và âm phải được nối với các đầu cuối chính xác. Có nhiều tiêu chuẩn đối với màu cách điện dây dẫn để xác định từng loại cặp nhiệt điện. Tham khảo hình 4.

Hình 4. Các tiêu chuẩn màu dây dẫn thermocouple

Để tìm hiểu thêm các tiêu chuẩn màu dây dẫn của cảm biến nhiệt độ, các bạn có thể tham khảo bài viết Xác định màu dây dẫn cảm biến nhiệt độ theo tiêu chuẩn.

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