Sử dụng cảm biến nhiệt độ trong công nghiệp

Mở đầu: Trong cuộc sống hàng ngày và các ngành công nghiệp khác nhau, có rất nhiều trường hợp bắt buộc phải nắm được nhiệt độ của môi trường như nhiệt độ bên trong lò phản ứng hay nhiệt độ cuộn dây trong các thiết bị điện v.v… Để làm được việc này chúng ta cần sử dụng Cảm biến nhiệt độ.

1/ Công nghệ cảm biến nhiệt độ

Trong nhiều năm, con người đã phát minh ra các công nghệ khác nhau để đo nhiệt độ trong các trường hợp cụ thể khác nhau. Nhưng tại sao chúng lại khác nhau?

Lí do là vì các kỹ thuật khác nhau ứng dụng cho từng trường hợp cụ thể sẽ ưu việt hơn và không nên dùng một cách duy nhất trong tất cả các trường hợp.

Chúng ta cũng sẽ bàn luận về các phần tử loại “RTD”, “Thermocouple”, “Thermistor”, “Semiconductor”, v.v.. trong bài viết này.

cảm biến đo nhiệt độ

2/ Bộ truyền tín hiệu nhiệt độ

Trước khi đi vào chi tiết về chủ đề này, hãy cùng xem “Cảm biến nhiệt độ” (Nhiệt độ chuyển đổi) là gì và “Bộ truyền nhiệt độ” có nghĩa là gì. Nói chung, cảm biến hoặc bộ chuyển đổi là một thiết bị vật lý có khả năng biến đổi một dạng biến trong quá trình thành một dạng tín hiệu ưa dùng. Ví dụ, nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, v.v.., là một số biến số của quá trình và trên thực tế, chúng là đặc điểm vật lý của thế giới thực.

Với công nghệ hiện đại và những tiến bộ to lớn trong ngành Kỹ thuật điện trong thế kỷ qua, chúng ta muốn chuyển đổi mọi giá trị quá trình đo lường thành tín hiệu điện và cảm biến nhiệt độ là một thiết bị có thể biến đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện, bất kể lượng tín hiệu này nhỏ thế nào đi nữa.

Cho đến nay, những “Bước đầu tiên”  to lớn trong việc chuyển đổi “Nhiệt độ” thành “Tín hiệu điện” đã được thực hiện. Dựa trên các công nghệ cảm biến khác nhau, tín hiệu này có thể có các dải khác nhau và đối với các lĩnh vực công nghiệp,  tín hiệu cần được giới hạn trong một số “dải tín hiệu” điện được chấp nhận phổ biến.

bộ truyền nhiệt

Một số dải tín hiệu điện được chấp nhận trên toàn cầu là:

  • 4-20 mA
  • 1-5 V
  • 0-10 V

“Bộ truyền tín hiệu nhiệt độ” là một thiết bị biến đổi đầu ra cực nhỏ của “Bộ chuyển đổi nhiệt độ” thành một trong các dải tín hiệu tiêu chuẩn này.

3/ Phân loại cảm biến nhiệt độ

3.1/ Máy dò nhiệt độ điện trở (RTD)

RTD hay “Máy dò nhiệt độ điện trở” là một thiết bị có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Vì đây là một thiết bị “thụ động” nên cần một dòng điện bên ngoài đặt vào nó, sau đó mới có thể đo được điện áp. Điện áp này khá hữu ích trong việc đo nhiệt độ. Khi đề cập đến một thiết bị “thụ động”, có nghĩa là thiết bị đó cần có nguồn dòng điện (hoặc điện áp) bên ngoài.

RTD

Nói một cách rõ ràng hơn, lượng lớn dòng điện bên ngoài có thể gây tiêu tán công suất trong điện trở của RTD và dẫn đến nhiệt dư, vì vậy để tránh loại lỗi này, dòng điện nên được giữ ở mức tối thiểu. Sơ đồ đấu dây đính kèm cho thấy ứng dụng đơn giản nhất của RTD, được gọi là cấu hình “hai dây”. Dữ liệu đọc được sẽ chính xác hơn khi sử dụng các cấu hình 3 dây hoặc 4 dây. 

Trong thực tế, khoảng cách giữa điểm cảm biến nhiệt độ và hệ thống đo yêu cầu đi dây và vì dây thực có điện trở riêng nên một số sai số đo lường sẽ xuất hiện trong trường hợp này! Nhưng, với cấu hình 3 dây và 4 dây, các sai số này sẽ bị loại bỏ. 

phân loại RTD

Một trong những RTD phổ biến nhất là “PT100” bao gồm một màng mỏng Bạch kim trên một màng nhựa và thể hiện điện trở 100Ω ở 32 ° F. Điện trở của nó thay đổi theo nhiệt độ và nó thường có thể đo nhiệt độ từ -330 đến 1560 ° F. Mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của PT100 là tương đối tuyến tính. PT100 chỉ là một cảm biến ví dụ về loại RTD bạch kim và bạn có thể tìm thấy các loại RTD khác nhau phù hợp cho các ứng dụng khác nhau như Đồng, Niken, Niken-Sắt, v.v.

3.1/ Thermistors – Nhiệt điện trở

Nhiệt điện trở là dạng điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ và được sử dụng rộng rãi trong các mục đích công nghiệp, chẳng hạn như:

  1. Bảo vệ quá dòng
  2. Các yếu tố sưởi ấm tự điều chỉnh
  3. Bộ giới hạn dòng xâm nhập

nhiệt điện trở

Lưu ý: Nhiệt điện trở chia làm 2 loại NTC hoặc PTC.

  • Nhiệt điện trở NTC – Negative Temperature Coefficient (Hệ số nhiệt độ âm), điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. NTC thường được sử dụng làm bộ giới hạn dòng khởi động.
  • Với nhiệt điện trở PTC – Positive Temperature Coefficient (Hệ số nhiệt độ dương), điện trở tăng khi nhiệt độ tăng. Các điện trở nhiệt PTC thường được sử dụng làm bảo vệ quá dòng và trong các cầu chì có thể đặt lại.

3.3/ Thermocouples – Cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện hay đơn giản là “TC” bao gồm một vài dây dẫn khác nhau cụ thể được nối với nhau, tạo thành “điểm cảm nhận” hoặc “điểm giao nhau”. Dựa trên các đặc điểm vật lý được gọi là “Hiệu ứng nhiệt điện”, khi mối nối này được đặt ở các nhiệt độ khác nhau, các tín hiệu milivôn khác nhau được tạo ra có thể được hiểu là một dạng tín hiệu của nhiệt độ.

cặp nhiệt điện

So với RTD, Cặp nhiệt điện tự cấp nguồn và không cần nguồn kích thích bên ngoài. Cặp nhiệt điện thường được sử dụng cho lò nung, buồng đốt Tua bin khí, ống xả nhiệt độ cao, v.v. Hạn chế chính của Cặp nhiệt điện là “độ chính xác”, và đây là lí do không làm cho nó trở thành giải pháp tốt nhất cho các ứng dụng chính xác.

Ngoài ra, cặp nhiệt điện cần một điểm đo tham chiếu được gọi là “Điểm nối lạnh”. Mối nối của cặp nhiệt điện thường tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt, trong khi mối nối lạnh thường được gắn gần vị trí thiết bị.

Dựa trên “phạm vi” đo nhiệt độ, “độ nhạy” và một số yếu tố khác trong mỗi ứng dụng, có nhiều loại Cặp nhiệt điện khác nhau có sẵn, ví dụ như E, J, K, M, N, T, v.v. Ví dụ: Loại “J” được tạo thành từ sự kết hợp “Sắt-Constantan” với phạm vi từ −40 ° F đến + 1380 ° F và độ nhạy khoảng 27,8 µV / ° F. Trong khi Loại “K” (Chromel-Alumel) là một trong những cặp nhiệt điện đa năng phổ biến nhất với độ nhạy khoảng 22,8 µV / ° F. Loại K có giá thành rẻ và nhiều loại đầu dò có sẵn trong phạm vi hoạt động từ −330 ° F đến + 2460 ° F.

cặp nhiệt điện

Vì chức năng của cặp nhiệt điện dựa trên Hiệu ứng nhiệt điện trong các loại dây dẫn khác nhau, khi vị trí của cặp nhiệt điện ở xa “dụng cụ đo” (ví dụ: máy phát điện tử), loại dây dẫn thích hợp nên được sử dụng nhằm duy trì tính chính xác và độ dài vẫn đảm bảo. Nếu không, tín hiệu cực nhỏ do cặp nhiệt điện tạo ra sẽ bị thêm một số sai số tại điểm nối dây cặp nhiệt điện với dây nối dài!

3.4/ Cảm biến nhiệt độ bán dẫn

“Cảm biến nhiệt độ bán dẫn” dựa trên nguyên lý là điện áp đường giao nhau trên tổ hợp p-n của các chất bán dẫn, như đường giao nhau đi-ốt hoặc đường giao nhau “gốc-phát” của bóng bán dẫn thông thường, là một hàm của nhiệt độ. Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và công nghệ vi mạch. Đặc tính tuyến tính, kích thước nhỏ và chi phí thấp là những lợi thế của công nghệ này, nhưng cần lưu ý rằng phạm vi giới hạn trong khoảng -40 ° F đến 248 ° F làm cho nó phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Ngoài ra, cùng với việc so sánh kỹ thuật bonus-malus, chi phí là yếu tố quan trọng trong việc chọn thiết bị phù hợp.

4/ So sánh giữa các cảm biến nhiệt độ

Để kết thúc, việc so sánh giữa các loại công nghệ cảm biến nhiệt độ khác nhau là một tác vụ nhiều biến.

Ví dụ: nếu “độ chính xác” được coi là chỉ số hiệu suất chính, thì RTD thường tốt hơn Cặp nhiệt điện; chính xác hơn khoảng 10 lần.

Nếu quan trọng yếu tố “độ nhạy”, trong khi cả RTD và Cặp nhiệt điện đều phản ứng nhanh với sự thay đổi nhiệt độ, với cùng chi phí tương tự, cặp nhiệt điện thường nhanh hơn.

Nếu phải đo nhiệt độ PCB hoặc IC điện tử, các loại cảm biến dựa trên silicon là những lựa chọn tốt nhất.

lựa chọn cảm biến đo nhiệt độ

Bài viết liên quan