Đầu cảm biến nhiệt

📅 Ngày xuất bản: 15/11/2024

Đầu cảm biến nhiệt hay cảm biến nhiệt là thành phần không thể thiếu trong thiết bị, hệ thống giám sát, điều khiển tự động. 

Bài viết này BFF xin giới thiệu các loại “Đầu Cảm Biến Nhiệt” giúp chúng ta hiểu và ứng dụng nó một cách hiệu quả nhất.

1. Đầu cảm biến nhiệt là gì?

Đầu cảm biến nhiệt, hay còn gọi là cảm biến nhiệt độ, là thiết bị dùng để đo lường sự thay đổi nhiệt độ của môi trường hoặc đối tượng cần kiểm tra. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, đầu cảm biến sẽ phát ra tín hiệu và truyền đến các thiết bị đầu cuối, giúp người dùng đọc và đánh giá chính xác nhiệt độ.

Nhờ vào độ chính xác cao, các đầu cảm biến nhiệt ngày càng được ưa chuộng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm thực phẩm, hóa chất, ô tô, và hàng hải. Các loại đầu cảm biến nhiệt phổ biến nhất gồm PT100, can nhiệt J, K, T, E và một số cảm biến đặc biệt cho các ứng dụng nhiệt độ cao.

2. Cấu tạo của đầu cảm biến nhiệt

• Bộ phận cảm biến: Đóng vai trò cực kì quan trọng, được đặt bên trong vỏ bảo vệ sau khi đã kết nối với đầu nối và quyết định hoàn toàn đến độ chính xác của các phép đo.
• Dây kết nối: Bộ phận cảm biến có thể có 2, 3 hoặc 4 dây kết nối và chất liệu của dây sẽ phụ thuộc vào điều kiện sử dụng của đầu đo.

– Loại cảm biến nhiệt độ có 4 dây:

Kết nối có kết quả đo chính xác nhất và được sử dụng nhiều trong phòng thí nghiệm.
– Loại cảm biến nhiệt độ có 3 dây:

Kết nối có kết quả đo chính xác tốt hơn và được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực công nghiệp bởi nó loại bỏ các lỗi gây ra bởi điện trở của các dây dẫn.
– Loại sensor nhiệt độ có 2 dây:

• Vỏ bảo vệ: Được làm bằng vật liệu phù hợp với kích thước phù hợp và khi cần thiết có thể bọc thêm vỏ bọc bằng vỏ bổ sung. Nó sẽ đảm nhận nhiệm vụ bảo vệ dây kết nối và bộ phận cảm biến.
• Phụ chất làm đầy: Được làm từ bột alumina mịn đã sấy khô có nhiệm vụ ấp đầy tất cả khoảng trống để bảo vệ cảm biến khỏi các rung động.
• Chất cách điện: Được làm từ gốm, có khả năng ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch và cách điện giữa dây kết nối với vỏ bảo vệ.
• Đầu kết nối: Được làm từ gốm nhằm cách điện. Trong bộ phận đầu kết nối này có chứa các bảng mạch cho phép kết nối với điện trở. Trong đó, bộ chuyển đổi 4-20mA khi cần thiết có thể được cài đặt thay cho bảng đầu cuối.

3. Nguyên lý hoạt động của đầu cảm biến nhiệt

Nguyên lý của cảm biến nhiệt độ / Thermocouple

Nguyên lý hoạt động của đầu cảm biến nhiệt dựa trên sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ. Cụ thể, khi nhiệt độ tăng, điện trở của các vật liệu kim loại trong cảm biến cũng tăng, và ngược lại khi nhiệt độ giảm.

Khi cảm biến phát hiện sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nóng và lạnh, điện áp sẽ sinh ra tại đầu lạnh. Điện áp này sẽ được tính toán để quy đổi thành giá trị nhiệt độ cụ thể. Mỗi loại cảm biến như PT100, K, J sẽ có chất liệu riêng và phạm vi đo nhiệt độ khác nhau.

4. Phân loại các đầu cảm biến nhiệt

4.1 Cảm biến nhiệt điện trở (RTD – Resistance Temperature Detectors)

RTD là loại cảm biến nhiệt dựa trên điện trở của kim loại như Platinum (Pt100, Pt500, Pt1000), Đồng, hoặc Niken. Điện trở thay đổi theo nhiệt độ tại nơi đo giúp RTD có độ chính xác và độ nhạy cao. Thông thường, RTD Pt100 là loại phổ biến nhất vì dải đo rộng và độ tin cậy cao, được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và y tế.

4.2 Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Thermocouple là loại cảm biến nhiệt dựa trên hiệu ứng nhiệt điện Seebeck. Thiết bị gồm hai dây kim loại khác nhau nối ở hai đầu, khi chênh lệch nhiệt độ xảy ra, một điện áp nhỏ được tạo ra ở đầu lạnh và được đo để xác định nhiệt độ. Các loại thermocouple thông dụng gồm:

• Can nhiệt loại K: Dải đo rộng từ -270°C đến 1200°C, độ bền cao, giá thành hợp lý.
• Can nhiệt loại J: Dải đo từ -210°C đến 760°C, thích hợp dùng trong môi trường khử khí quyển.
• Can nhiệt loại S, R: Đo nhiệt độ cao trên 1500°C, thường dùng trong ngành luyện kim.

• Thermocouple đầu củ hành K có các thông số:

• Loại sợi có dây sẵn K có các thông số:

4.2.1 Thermocouple type K (Can nhiệt K)

Đặc điểm:

• Dãy đo thường trong khoảng nhiệt -270°C~1200°C.
• Sai số thấp nhất có thể tùy chọn: ±1,1°C hoặc 0.4%
• Sai số tiêu chuẩn trong khoảng  ±2,2°C hoặc 0,75%.
• Độ nhạy khoảng 41 μV/ºC.
• Có thể được sử dụng trong không khí liên tục oxy hoá hoặc trung hòa.
• Chu kỳ trên và dưới 1000 °C (1800 °F) không được khuyến nghị do thay đổi đầu ra từ các hiệu ứng trễ.
• Không khuyến nghị sử dụng trong môi trường tiếp xúc với lưu huỳnh.

4.2.2 Thermocouple type J (Can nhiệt J)

Đặc điểm:

• Khoảng nhiệt đo dao động trong khoảng: -210°C~760°C.
• Sai số thấp nhất có thể tùy chọn: ±1,1°C hoặc 0,4%
• Sai số tiêu chuẩn trong khoảng ±-2,2°C hoặc 0,75%.
• Có phạm vi tiềm năng hạn chế hơn loại cặp nhiệt loại K là từ –200°C~1200°C (–328°F~2193°F), nhưng độ nhạy cao hơn khoảng 50 μV/ºC.
• Nhiệt độ tuyến tính trong khoảng 149°C~427°C (300°F~800°F) và trở nên dễ gãy dưới 0°C (32°F).
• Sắt bị oxy hóa ở nhiệt độ cao hơn 538°C (1000°F) gây ảnh hưởng xấu đến độ chính xác. Chỉ dây đo nặng được sử dụng ở những điều kiện này.
• 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).

4.2.3 Thermocouple type N – Cảm biến can nhiệt N:

Đặc điểm: 

• Khoảng đo nhiệt độ dao động từ -270ºC~1300°C
• Có cùng độ chính xác và giới hạn nhiệt độ như cảm biến loại K nhưng giá thành sẽ đắt hơn.
• Sai số tiêu chuẩn trong khoảng ±2,2°C hoặc ±0,75%
• Tùy chọn sai số thấp nhất trong khoảng ±1,1°C hoặc 0,4%
• Đạt được độ ổn định nhiệt điện cao hơn các loại kim loại cơ bản E, J, K và T khi được sản xuất từ hợp kim Nicrosil ( hợp kim niken có 14.4% crom, 1.4% silic, và 0.1% magie) và hợp kim Nisil (hợp kim niken với 4.4% silic).
• Có độ nhạy 39 μV/°C và phạm vi tiềm năng từ –270°C~1300°C (–454°F~2372°F).
• Được sử dụng đáng tin cậy trong thời gian dài ở nhiệt độ tối thiểu 1200°C (2192°F).
• Không khuyến nghị đặt các cặp nhiệt điện type N vào chân không hoặc giảm hoặc xen kẽ không khí giảm/oxy hóa.

4.2.4 Cảm biến đo lường nhiệt độ loại E

Đặc điểm:

• Cặp nhiệt điện loại E có tín hiệu mạnh hơn và độ chính xác cao hơn các loại cảm biến đo lường nhiệt độ loại K hoặc J với dải nhiệt vừa phải (537°C trở xuống).
• Dãy đo nhiệt độ dao động trong khoảng: -270°C~870°C
• Sai số tiêu chuẩn trong khoảng ±1,7°C hoặc ±0,5%
• Tùy chọn sai số thấp nhất là ±1,0°C hoặc 0,4%
• Phạm vi tiềm năng từ –270°C~1000°C (–454°F đến 1832°F).
• 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).
• Có xu hướng lệch nhiều hơn các loại khác.
• Nên sử dụng cho môi trường oxy hóa liên tục hoặc khí trơ.

4.2.5 Cảm biến can nhiệt S – Thermocouple type S:

Đặc điểm:

• Dãy đo nhiệt độ dao động trong khoảng: -50ºC~1600°C
• Sai số tiêu chuẩn là ±1,5°C hoặc ± 0,25%
• Có thể tuỳ chọn sai số thấp nhất: ±0,6°C hoặc 0,1%

4.2.6 Cặp nhiệt điện loại R – Thermocouple type R:

Đặc điểm:

• Dãy đo nhiệt độ trong khoảng từ -50°C~1500°C.
• Sai số tiêu chuẩn trong khoảng ±1,5°C hoặc ± 0,25%.
• Có thể tùy chọn sai số thấp nhất là ±0,6°C hoặc 0,1%.

4.2.7) Can nhiệt B – Thermocouple type B

Đặc điểm:

• Hoạt động trong khoảng nhiệt độ dao động từ 0°C~1700°C
• Sai số tiêu chuẩn là ±0,5%
• Có thể tùy chọn sai số thấp nhất là ±0,25%

Đầu cảm biến nhiệt có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp và lĩnh  ực khác nhau, như:

• Công nghiệp thực phẩm và dược phẩm: Để đảm bảo các sản phẩm được bảo quản và chế biến trong điều kiện nhiệt độ chuẩn xác.
• Ô tô và hàng hải: Giúp giám sát nhiệt độ động cơ và thiết bị, đảm bảo an toàn khi vận hành.
• Ngành hóa chất và luyện kim: Sử dụng cảm biến nhiệt để theo dõi nhiệt độ trong quá trình sản xuất và xử lý nguyên liệu ở nhiệt độ cao.
• Điện tử và sản xuất vật liệu nhựa: Đảm bảo các thiết bị hoạt động trong ngưỡng nhiệt cho phép, bảo vệ linh kiện khỏi hỏng hóc do nhiệt độ vượt mức.

5. Ưu điểm và nhược điểm của các lại cảm biến nhiệt 

6. Ứng dụng của cảm biến đo nhiệt

Cảm biến đo lường nhiệt độ được sử dụng với nhiều chức năng và công dụng khác nhau. Phổ biến nhất là dùng để đo nhiệt độ phòng, trong bồn đun nước, đun dầu, đo nhiệt độ lò nung, lò sấy,…

Đo nhiệt độ phòng

Sử dụng để đo nhiệt không khí trong phòng. Những loại cảm biến này thường đo nhiệt độ thấp tầm 80°C trở lại. Vị trí lắp thường là gắn lên tường, sau đó tín hiệu sẻ truyền về bộ hiển thị hoặc trung tâm.

Đo nhiệt độ trong nước

Ứng dụng cảm biến nhiệt đo nhiệt độ nước trong cuộc sống

Thông thường những loại cảm biến nhiệt đo trong nước là loại que có vỏ bọc nhựa hoặc inox cách ly. Chúng ta thường thấy là đo nhiệt trong nồi nấu phở, đo nhiệt nước trong bồn, đo nhiệt các loại dung dịch, hóa chất.
Cảm biến thường có ren vặn để vặn vào thành bồn để đảm bảo kín nước, hoặc kín hơi.

Ứng dụng trong công nghiệp

• Mỗi loại cảm biến nhiệt sẽ phù hợp với một số lĩnh vực đặc thù, cụ thể như
• Cặp nhiệt điện loại K, T, R, S, B và PT100 được sử dụng trong gia công vật liệu, hoá chất.
• Nhiệt kế điện tử, PT100 được sử dung trong xe hơi.
• Nhiêt kế điện tử, bán dẫn, can nhiệt loại T được sử dụng trong nghiên cứu về nông nghiệp.
• Điện trở oxit kim loại được sử dụng trong nhiệt lạnh.

Ứng dụng trong vận hành lò hơi nước

7. Những điểm cần lưu ý khi chọn mua cảm biến nhiệt độ

Một vài yếu tố chúng ta cần quan tâm trong vấn đề chọn mua cảm biến bao gồm:

Mức nhiệt cần đo

• Thường nếu mức nhiệt dưới 500°C ta sẽ dùng cảm biến nhiệt độ Pt100, mức nhiệt từ 500°C đến 1100°C ta sử dụng cảm biến can nhiệt K và trên nữa tới 1600°C thì ta sử dụng can nhiệt S.
• Nên xác định rõ khoảng nhiệt độ mong muốn mà mình muốn đo lường, không nên chọn khoảng nhiệt quá chênh lệch giữa cảm biến và môi trường đo đạc. Điều này sẽ dẫn đến sai số trong quá trình làm việc của cảm biến.

Giá thành cảm biến

Mỗi nơi cung cấp sẽ có giá thành khác nhau, cũng như mỗi hãng sản xuất cũng đều có giá khác nhau tùy vào chất lượng và khả năng đáp ứng của sản phẩm. Chúng ta cần cân nhắc mức giá làm sao phù hợp nhất với chất lượng sản phẩm.

Mức sai số

Mỗi sản phẩm sản xuất từ mỗi thương hiệu khác nhau sẽ có mức sai số khác nhau, dãy đo khác nhau và đồng thời cũng sẽ có mức sai số khác nhau.

Kích thước cảm biến

Cảm biến can nhiệt sẽ thường có cấu tạo dạng củ hành. Chúng ta có thể tùy chọn chiều dài cảm biến, đường kính cảm biến và vật liệu của cảm biến như INOX hay sứ. Với vật liệu sứ sẽ thường chịu nhiệt cao hơn Inox, thường dùng cho can nhiệt S.

Khoảng cách đo của cảm biến

• Chiều dài cảm biến cần đo là bao nhiêu? Có khá nhiều kích thước cho chúng ta lựa chọn như 20mm, 30mm, 40mm, 100mm, 200mm, 300mm, 400mm, …2000mm
• Ngoài 5 yếu tố kể trên thì một số yếu tố phụ như sự linh hoạt trong tháo lắp, độ tương thích với môi trường, khả năng điều chỉnh riêng lẻ,… cũng là điều mà ta nên để tâm trước khi quyết định mua 1 thiết bị cảm biến đo lường nhiệt độ.
• Cảm biến nhiệt có vai trò rất quang trọng trong kiễm soát, chúng được quyết định bởi chất liệu hình thành. Vậy chất lượng cảm biến cao là do chúng được sử dụng các loại vật liệu cao cấp nên giá thành cao là tất yếu.

Vai trò của “Đầu Cảm Biến Nhiệt” đã rỏ, Nếu muốn có chúng hãy kham khảo tại measure-bff.com của chúng tôi nhé . Chúng tôi cam kết chỉ cung cấp  các loại cảm biến chất lượng cao (bảo hành, COCQ), xuất xứ minh bạch bỡi các nhà sản xuất Châu Âu.

Liên hệ chúng tôi:

• Phones / Zalo: 0971.544.459 Mr.Hải
• Email : hai@Bff-tech.com / honghailyct@gmail.com
• Công Ty TNHH Giải Pháp Đo Lường BFF

Xem thêm:

• Bộ Biến Dòng Analog 4-20mA
• Biến dòng 300A sang 4-20mA
• Cảm biến áp suất 0-600Kpa (0-6Bar)
• Cảm biến tại Youtube: Red Ai giới thiệu nhé.