Cảm Biến Nhiệt Độ: Khái Niệm, Cấu Tạo, Nguyên Lý, Phân Loại, Ứng Dụng và Thiết bị điều khiển nhiệt độ PID.

1.Khái Niệm Cảm Biến Nhiệt Độ

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để đo lường và ghi nhận sự thay đổi nhiệt độ của môi trường hoặc vật thể cụ thể. Thiết bị này chuyển đổi các biến thiên nhiệt độ thành tín hiệu điện, hỗ trợ giám sát và điều chỉnh nhiệt độ chính xác trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế, ô tô, nhà thông minh và điện tử. Nhờ khả năng phản hồi nhanh và độ chính xác cao, cảm biến nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu suất của các hệ thống.

2.Cấu Tạo Cảm Biến Nhiệt Độ

Một cảm biến nhiệt độ tiêu chuẩn thường bao gồm các thành phần sau:

• Phần tử cảm biến: Thành phần cốt lõi, trực tiếp phát hiện sự thay đổi nhiệt độ, quyết định độ chính xác của phép đo.
• Dây dẫn kết nối: Truyền tín hiệu từ cảm biến đến bộ điều khiển hoặc thiết bị hiển thị, thường có cấu hình 2, 3 hoặc 4 dây để tối ưu hóa độ chính xác.
• Vỏ bảo vệ: Bảo vệ cảm biến khỏi các tác nhân môi trường như độ ẩm, hóa chất hoặc va đập, thường làm từ thép không gỉ hoặc gốm.
• Vật liệu cách điện: Ngăn chặn đoản mạch, cách ly dây dẫn với môi trường xung quanh.
• Chất làm đầy: Giảm tác động của rung động, đảm bảo cảm biến hoạt động ổn định.
• Đầu nối tín hiệu: Đảm bảo kết nối ổn định giữa cảm biến và hệ thống điều khiển.

3.Nguyên Lý Hoạt Động

Cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên các nguyên lý vật lý sau:

1. Thay đổi điện trở (RTD): Điện trở của vật liệu (như platinum trong RTD hoặc oxit kim loại trong thermistor) thay đổi theo nhiệt độ. Hệ thống sử dụng sự thay đổi này để tính toán nhiệt độ thực tế.
2. Hiệu ứng Seebeck (Thermocouple): Khi có chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu của hai kim loại khác nhau, một điện áp nhỏ được tạo ra, tỷ lệ với nhiệt độ.
3. Bức xạ hồng ngoại (Pyrometer): Đo nhiệt độ bằng cách thu nhận năng lượng hồng ngoại phát ra từ vật thể, không cần tiếp xúc trực tiếp.

4.Phân Loại Cảm Biến Nhiệt Độ

Cảm biến nhiệt độ được chia thành nhiều loại dựa trên nguyên lý hoạt động và ứng dụng:

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

• Nguyên lý: Điện trở của kim loại (thường là platinum) tăng tuyến tính theo nhiệt độ.
• Loại phổ biến: Pt100, Pt500, Pt1000.
• Dải đo: -200°C đến 850°C (RTD Range).
• Ưu điểm: Độ chính xác cao, ổn định lâu dài, phù hợp cho phòng thí nghiệm và công nghiệp.
• Nhược điểm: Giá thành cao, phản hồi chậm hơn cặp nhiệt điện, dễ bị ảnh hưởng bởi điện trở dây dẫn.

4.2. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

• Nguyên lý: Hiệu ứng Seebeck tạo ra điện áp từ chênh lệch nhiệt độ giữa hai kim loại.
• Loại phổ biến: K, J, T, E, N, R, S, B.
• Dải đo: -200°C đến 1750°C (Thermocouple Range).
• Ưu điểm: Dải đo rộng, bền, chi phí thấp, phản hồi nhanh.
• Nhược điểm: Độ chính xác thấp hơn RTD, cần bù nhiệt độ điểm nối lạnh, tín hiệu điện áp nhỏ.

 

4.3. Cảm biến điện trở oxi kim loại (Thermistor)

• Nguyên lý: Điện trở của vật liệu oxit kim loại thay đổi mạnh theo nhiệt độ.
• Loại: NTC (điện trở giảm khi nhiệt độ tăng) và PTC (điện trở tăng khi nhiệt độ tăng).
• Dải đo: -50°C đến 250°C (Thermistor Range).
• Ưu điểm: Độ nhạy cao, kích thước nhỏ, chi phí thấp.
• Nhược điểm: Dải đo hẹp, không tuyến tính, dễ bị tự làm nóng.

4.4. Cảm biến nhiệt độ bán dẫn (Semiconductor Temperature Sensor)

• Nguyên lý: Sử dụng đặc tính phụ thuộc nhiệt độ của linh kiện bán dẫn như diode hoặc transistor.
• Dải đo: -50°C đến 150°C (Semiconductor Sensor).
• Ưu điểm: Tích hợp dễ dàng, chi phí thấp, đầu ra tuyến tính.
• Nhược điểm: Độ chính xác thấp (1°C đến 5°C), dải đo hẹp.

4.5. Cảm biến nhiệt kế bức xạ (Pyrometer)

• Nguyên lý: Đo nhiệt độ qua bức xạ hồng ngoại mà không cần tiếp xúc.
• Dải đo: -100°C đến 3600°C (Pyrometer Range).
• Ưu điểm: Đo nhiệt độ cao, không cần tiếp xúc, phù hợp cho vật thể chuyển động hoặc nguy hiểm.
• Nhược điểm: Phụ thuộc vào độ phát xạ của vật thể, chi phí cao.

Loại Cảm Biến	Dải Nhiệt Độ	Độ Chính Xác	Ứng Dụng Chính	Ưu Điểm	Nhược Điểm
RTD	-200°C đến 850°C	Cao (±0.1°C)	Công nghiệp, phòng thí nghiệm	Chính xác, ổn định	Đắt, phản hồi chậm
Thermocouple	-200°C đến 1750°C	Trung bình (±1°C)	Lò nung, luyện kim	Dải đo rộng, bền	Độ chính xác thấp
Thermistor	-50°C đến 250°C	Cao trong dải hẹp	Bảo vệ nhiệt, ô tô	Nhạy, rẻ	Dải đo hẹp
Semiconductor	-50°C đến 150°C	Thấp (±1-5°C)	Điện tử, nhà thông minh	Tích hợp dễ, rẻ	Độ chính xác thấp
Pyrometer	-100°C đến 3600°C	Tùy thuộc vật thể	Lò nung, hóa chất	Không tiếp xúc	Phụ thuộc độ phát xạ

5.Ứng Dụng Của Cảm Biến Nhiệt Độ

Cảm biến nhiệt độ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

• Công nghiệp: Giám sát nhiệt độ trong lò nung, nhà máy điện, dây chuyền sản xuất thực phẩm và dược phẩm (Industrial Applications).
• Y tế: Nhiệt kế điện tử, giám sát nhiệt độ trong thiết bị y tế như máy ủ hoặc máy khử trùng.
• Ô tô: Đo nhiệt độ động cơ, khí thải, hệ thống làm mát, hoặc khoang chứa hàng đông lạnh.
• Nhà thông minh: Điều khiển nhiệt độ phòng qua hệ thống điều hòa hoặc sưởi ấm tự động.
• Điện tử và viễn thông: Quản lý nhiệt trong máy tính, điện thoại, thiết bị điều hòa để tránh quá nhiệt.

6.Ưu Điểm và Nhược Điểm

6.1.Ưu Điểm

• Độ chính xác cao: Một số cảm biến như RTD đạt sai số dưới 0.1°C (RTD Accuracy).
• Dải đo rộng: Từ -200°C đến 3600°C, phù hợp với nhiều ứng dụng.
• Phản hồi nhanh: Cặp nhiệt điện có thời gian phản hồi nhanh, lý tưởng cho các hệ thống động.
• Tích hợp dễ dàng: Dễ kết nối với PLC, vi điều khiển hoặc hệ thống IoT.
• Độ bền cao: Vỏ bảo vệ chống nước, bụi, hóa chất giúp cảm biến hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.
• Đa dạng loại: Nhiều loại cảm biến đáp ứng các nhu cầu khác nhau.

6.2.Nhược Điểm

• Chi phí cao: Cảm biến chính xác như RTD có giá thành cao (RTD Cost).
• Sai số môi trường: Nhiễu từ độ ẩm, rung động hoặc hóa chất có thể ảnh hưởng đến độ chính xác.
• Tuổi thọ giới hạn: Một số cảm biến như cặp nhiệt điện có thể bị mòn do phản ứng hóa học.
• Cần hiệu chuẩn định kỳ: Để duy trì độ chính xác, cảm biến cần được kiểm tra thường xuyên.
• Phản hồi chậm: RTD và thermistor có thể chậm hơn cặp nhiệt điện trong một số trường hợp.

7.Cách Lựa Chọn Cảm Biến Nhiệt Độ Phù Hợp

Khi chọn cảm biến nhiệt độ, cần xem xét các yếu tố sau:

• Dải nhiệt độ đo: Đảm bảo cảm biến phù hợp với phạm vi nhiệt độ cần đo.
• Độ chính xác: Chọn cảm biến có sai số thấp nếu ứng dụng yêu cầu cao.
• Chất liệu: Chọn vật liệu chịu được môi trường như inox hoặc gốm.
• Tín hiệu đầu ra: Analog (4-20mA, 0-10V) hoặc kỹ thuật số (I2C, SPI).
• Môi trường sử dụng: Chọn loại chống ăn mòn, chịu hóa chất nếu cần.

8.Các Loại Dây Cảm Biến Nhiệt Độ

Dưới đây là các loại cảm biến nhiệt độ phổ biến, thường được gọi là “dây cảm biến” trong ngữ cảnh kỹ thuật:

• Cặp nhiệt điện (Thermocouple): Sử dụng hai kim loại khác nhau, tạo điện áp dựa trên chênh lệch nhiệt độ.
• RTD: Dùng dây kim loại (platinum, nickel) với điện trở thay đổi theo nhiệt độ.
• NTC Thermistor: Điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, nhạy trong dải hẹp.
• Thermopile: Tập hợp nhiều cặp nhiệt điện, đo nhiệt lượng hiệu quả.
• Hồng ngoại (IR): Thu nhận bức xạ hồng ngoại để đo nhiệt độ từ xa.
• Vòng dòng điện (Current Loop): Chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ thành dòng điện (4-20mA) để truyền tải.

9.Lưu Ý Khi Sử Dụng Cảm Biến Nhiệt Độ

• Lắp đặt đúng vị trí: Đảm bảo tiếp xúc nhiệt tốt để đo chính xác.
• Hạn chế độ dài dây dẫn: Tránh nhiễu tín hiệu do điện trở dây.
• Tránh quá nhiệt: Ngăn sai số và hư hỏng cảm biến.
• Bảo trì định kỳ: Kiểm tra hiệu suất để duy trì độ chính xác.

10.Kết Luận.

Cảm biến nhiệt độ là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống kỹ thuật điện và tự động hóa, cung cấp dữ liệu quan trọng để kiểm soát quy trình, đảm bảo an toàn và nâng cao hiệu suất. Việc hiểu rõ các loại cảm biến, nguyên lý hoạt động, ứng dụng và cách lựa chọn sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng trong các dự án kỹ thuật.

Ứng dụng điều khiển nhiệt độ, phù hợp với gần như tấc cả các loại cảm biến nhiệt độ nêu trên

⇒ Bộ điều khiển nhiệt độ PID Shimax MAC10.