Cảm biến nhiệt là gì, nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt

Cảm biến nhiệt đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và đời sống, từ sản xuất, y tế đến nông nghiệp và nghiên cứu khoa học. Thiết bị này cho phép chúng ta đo lường, giám sát và kiểm soát nhiệt độ một cách chính xác, góp phần nâng cao hiệu quả và an toàn trong các quy trình sản xuất cũng như cải thiện chất lượng cuộc sống. Bài viết này sẽ giới thiệu chi tiết về cảm biến nhiệt, nguyên lý hoạt động và các loại cảm biến nhiệt phổ biến hiện nay.

Cảm biến nhiệt là gì?

Cảm biến nhiệt, còn được gọi là cảm biến nhiệt độ, là thiết bị có khả năng phát hiện và đo lường nhiệt độ của một hệ thống hoặc môi trường. Chức năng chính của cảm biến nhiệt là chuyển đổi nhiệt độ thành một tín hiệu có thể đo lường được, thường là tín hiệu điện. Tín hiệu này sau đó có thể được xử lý, hiển thị hoặc sử dụng để điều khiển các hệ thống khác.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt

Cảm biến nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng nhiệt thành tín hiệu điện có thể đo lường được. Có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện chuyển đổi này, tùy thuộc vào loại cảm biến nhiệt.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt thường dựa trên một trong các hiện tượng vật lý sau:

• Thay đổi điện trở: Nhiệt độ ảnh hưởng đến điện trở của vật liệu
• Hiệu ứng nhiệt điện: Tạo ra điện áp khi có sự chênh lệch nhiệt độ
• Giãn nở nhiệt: Vật liệu thay đổi kích thước khi nhiệt độ thay đổi
• Bức xạ nhiệt: Đo lường bức xạ hồng ngoại từ vật thể

Các loại cảm biến nhiệt phổ biến

Có nhiều loại cảm biến nhiệt khác nhau, mỗi loại có những ưu điểm và hạn chế riêng. Dưới đây là một số loại cảm biến nhiệt phổ biến nhất.

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

Cảm biến nhiệt điện trở (RTD) là một trong những loại cảm biến nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp do độ chính xác và độ ổn định cao.

Nguyên lý hoạt động

RTD hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở của kim loại khi nhiệt độ thay đổi. Khi nhiệt độ tăng, điện trở của kim loại cũng tăng theo một quan hệ gần như tuyến tính.

Cặp nhiệt điện – Thermocouple

Cặp nhiệt điện là một trong những loại cảm biến nhiệt đơn giản và phổ biến nhất, được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và khoa học.

Nguyên lý hoạt động

Cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck, theo đó một điện áp được tạo ra khi hai kim loại khác nhau được nối với nhau ở hai đầu và có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nối.

Cấu tạo và các loại cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện bao gồm hai dây kim loại khác nhau được hàn hoặc nối với nhau ở một đầu (đầu đo) và tự do ở đầu còn lại (đầu tham chiếu). Có nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau, được phân loại theo các kim loại sử dụng:

• Loại K: Chromel – Alumel
• Loại J: Sắt – Constantan
• Loại T: Đồng – Constantan
• Loại E: Chromel – Constantan
• Loại N: Nicrosil – Nisil

Thermocouple type K – Can nhiệt K

Can nhiệt K là một loại cặp nhiệt điện phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp do phạm vi nhiệt độ rộng và độ bền cao.

Đặc điểm của can nhiệt K

Can nhiệt K có các đặc điểm sau:

• Phạm vi nhiệt độ: -200°C đến +1350°C
• Độ nhạy: Khoảng 41 µV/°C
• Màu sắc tiêu chuẩn: Dây dương màu vàng, dây âm màu đỏ

Cảm biến nhiệt độ PT100 3 dây

Cảm biến nhiệt độ PT100 3 dây là một loại RTD (Resistance Temperature Detector) sử dụng bạch kim (platinum) làm vật liệu cảm biến, với cấu hình 3 dây để cải thiện độ chính xác.

Nguyên lý hoạt động

PT100 3 dây hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở của bạch kim khi nhiệt độ thay đổi. Cấu hình 3 dây giúp bù trừ sự thay đổi điện trở của dây dẫn, cải thiện độ chính xác của phép đo.

Đặc điểm:

• Điện trở 100 ohm ở 0°C
• Hệ số nhiệt độ dương
• Độ chính xác cao

Đầu dò nhiệt độ PT100

Đầu dò nhiệt độ PT100 là một loại cảm biến nhiệt độ sử dụng phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp và hệ thống điều khiển tự động.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đầu dò nhiệt độ PT100 bao gồm một phần tử cảm biến bạch kim PT100 được bảo vệ bởi một vỏ chịu nhiệt. Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở của phần tử cảm biến cũng thay đổi theo một quan hệ tuyến tính.

Điện trở oxit kim loại (Thermistor)

Điện trở oxit kim loại, hay Thermistor, là một loại cảm biến nhiệt dựa trên nguyên tắc thay đổi điện trở của vật liệu semiconductor khi nhiệt độ thay đổi.

Nguyên lý hoạt động

Thermistor hoạt động dựa trên hiệu ứng nghịch điện của vật liệu semiconductor, khi nhiệt độ tăng, điện trở của vật liệu giảm.

Loại Thermistor

Có hai loại chính của Thermistor:

• Thermistor âm: Điện trở giảm khi nhiệt độ tăng
• Thermistor dương: Điện trở tăng khi nhiệt độ tăng

Cảm biến nhiệt kế bức xạ (Pyrometer)

Cảm biến nhiệt kế bức xạ, hay Pyrometer, là một loại cảm biến không tiếp xúc được sử dụng để đo nhiệt độ bề mặt vật liệu thông qua bức xạ nhiệt.

Nguyên lý hoạt động

Pyrometer hoạt động dựa trên việc đo lường bức xạ nhiệt từ bề mặt vật liệu và chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ tương ứng.

Loại Pyrometer

Có hai loại chính của Pyrometer:

• Pyrometer quang phổ: Sử dụng nguyên lý quang phổ để đo nhiệt độ
• Pyrometer hồng ngoại: Sử dụng bức xạ hồng ngoại để đo nhiệt độ

Cảm biến đo nhiệt độ bán dẫn (Cảm biến nhiệt số)

Cảm biến đo nhiệt độ bán dẫn, hay cảm biến nhiệt số, là một loại cảm biến nhiệt dựa trên nguyên lý thay đổi điện áp hoặc dòng điện khi nhiệt độ thay đổi.

Nguyên lý hoạt động

Cảm biến nhiệt số hoạt động dựa trên hiệu ứng nhiệt điện hoặc biến đổi điện trở của vật liệu bán dẫn khi nhiệt độ thay đổi.

Ứng dụng cảm biến nhiệt độ

Kiểm soát lò điện

Cặp nhiệt điện được đặt bên trong lò điện để đo nhiệt độ lò. Giá trị đo được được theo dõi trong bộ điều khiển chương trình (FP93), nhưng vì đầu ra của bộ điều khiển yếu nên bạn không thể điều khiển trực tiếp tải trong trường hợp như thiết bị sưởi ấm cần dòng điện lớn. Vì vậy, tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển có thể được khuếch đại bởi bộ điều chỉnh nguồn (Dòng PAC) để làm nóng lò sưởi điện.

Kiểm soát lò phản ứng

Để đảm bảo nhiệt độ bên trong bình chứa ổn định cao, cần phải kiểm soát sự cân bằng giữa nhiệt độ nước và nhiệt độ bình chứa nước. Điều này được gọi là kiểm soát thác nước. Thông thường, khi thực hiện kiểm soát thác nước, bạn thực hiện các thiết lập phức tạp bằng hai thiết bị, bộ điều khiển chính và bộ điều khiển phụ, nhưng với bộ điều khiển tương thích kiểm soát thác nước (SR23), việc kiểm soát chỉ có thể thực hiện được bằng một bộ điều khiển.

Kiểm soát lò hầm

Bằng cách tạo ra các vùng nhiệt độ khác nhau ở nhiều bộ phận khác nhau của băng tải và thực hiện kiểm soát nhiệt độ độc lập ở từng vùng, quá trình gia nhiệt và nung được thực hiện. Trong loại kiểm soát vùng này, việc kiểm soát ở từng vùng rất quan trọng và ảnh hưởng đáng kể đến độ hoàn thiện của sản phẩm. Hình bên dưới cho thấy việc kiểm soát riêng lẻ bằng bộ điều khiển (SRS14A) sau khi lắp đặt cảm biến nhiệt độ ở từng vùng. Sử dụng chức năng giao tiếp, trạng thái chuyển đổi nhiệt độ ở từng vùng có thể được quản lý tập thể thông qua máy tính.

Kiểm soát trung hòa thoát nước

Hệ thống xử lý trung hòa thoát nước dùng để trung hòa độ pH và xả nước thải có tính kiềm mạnh hoặc axit mạnh phát ra từ các công trường xây dựng, cơ sở nghiên cứu, bệnh viện và nhiều loại nhà máy khác nhau. Quá trình trung hòa nước thô có thể hoạt động theo chế độ kiểm soát tự động để phản ứng với sự dao động độ pH của dòng nước chảy vào. Để độ pH không lệch khỏi giá trị chuẩn, một phạm vi kiểm soát được đặt ở, ví dụ, độ pH6,5–8,0 và báo động sẽ kêu nếu giá trị vượt quá phạm vi kiểm soát. Để kích hoạt báo động, giá trị giới hạn trên và giá trị giới hạn dưới của SR23 được thiết lập theo sự kiện. Có thể tự động ghi lại độ pH của nước thải.

Kiểm soát nhiệt độ của nhà Vinyl

Trong hệ thống này, khi xảy ra tình trạng quá nhiệt, thường là vào ban ngày, bộ điều khiển kỹ thuật số sẽ phát tín hiệu làm mát, kích hoạt quạt tuần hoàn và thiết bị làm mát, đưa nhiệt độ bên trong nhà xuống giá trị mục tiêu. Tương tự như vậy, trong điều kiện siêu lạnh, chẳng hạn như vào mùa đông hoặc ban đêm, bộ điều khiển kỹ thuật số sẽ phát tín hiệu sưởi ấm, kích hoạt thiết bị sưởi ấm, khuấy động không khí ấm bên trong nhà thông qua quạt tuần hoàn. Nhờ đó, nhiệt độ bên trong nhà được duy trì ở một giá trị cố định. Hơn nữa, bằng cách sử dụng đầu ra sự kiện của bộ điều khiển kỹ thuật số, báo động khẩn cấp có thể được vận hành trong điều kiện nhiệt độ cao và thấp, đồng thời cũng có thể thêm chức năng đóng mở cho cửa sổ giếng trời.

Trên đây là một số loại cảm biến nhiệt phổ biến được sử dụng trong công nghiệp và các lĩnh vực khác. Mỗi loại cảm biến có ưu nhược điểm và ứng dụng riêng, phù hợp cho các điều kiện và yêu cầu đo lường khác nhau. Việc lựa chọn loại cảm biến nhiệt phù hợp sẽ giúp đảm bảo độ chính xác và hiệu suất trong quá trình đo lường và kiểm soát nhiệt độ