Cảm biến nhiệt độ là gì? Chi tiết về nguyên lý hoạt động và hướng dẫn cách ứng dụng của từng loại cảm biến nhiệt

Cảm biến nhiệt độ là gì?

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để đo sự biến đổi về nhiệt độ của các đại lượng cần đo.

Thiết bị cảm biến nhiệt được thiết kế đặc biệt cho các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, ô tô, hàng hải và vật liệu nhựa, cũng như tất cả các ngành đòi hỏi độ chính xác, độ tin cậy cao trong các phép đo.

Cảm biến nhiệt được cấu tạo gồm hai dây kim loại khác nhau được gắn vào một đầu gọi là đầu nóng( đầu đo) và đầu lạnh( đầu chuẩn). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu thì sẽ phát sinh một nhiệt điện động tại đầu lạnh. Vì thế cần kiểm soát nhiệt độ đầu lạnh( tùy thuộc vào loại chất liệu).

 Nguyên lý làm việc đối với nhiệt kế điện trở metaI, thường được gọi là cảm biến nhiệt, là cơ sở dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại với sự thay đổi nhiệt độ vượt trội.

Vật liệu: bạch kim và niken, do điện trở suất cao và tính ổn định của chúng.

Các phép đo nhiệt độ được thực hiện với cảm biến nhiệt có độ chính xác và đáng tin cậy hơn nhiều so với các phép đo được thực hiện với các loại cặp nhiệt điện hoặc nhiệt kế khác.

Nhiệt kế kháng niken được tiêu chuẩn hóa theo tiêu chuẩn DIN 43760 của Đức.

ClasseAA=0,1+0,0017*|t|(°C) ClasseA=0,15+0,002*|t|(°C) ClasseB=0,3+0,005*|t|(°C) ClasseC=0,6+0,01*|t|(°C)

2. Độ dung sai:

Có nhiều phương pháp khác nhau để kết nối cảm biến nhiệt với các thiết bị đo, việc lựa chọn một phương pháp về cơ bản phụ thuộc vào độ chính xác cần thiết trong phép đo. Độ chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn chất lượng của từng loại cảm biến. Cao nhất là tiêu chuẩn AA.

3. Các loại dây cảm biến nhiệt:

a. Loại cảm biến nhiệt độ hai dây:

Là ít chính xác nhất và chỉ được sử dụng trong trường hợp kết nối độ bền nhiệt được thực hiện với dây điện trở ngắn và điện trở thấp; kiểm tra mạch điện tương đương, có thể lưu ý rằng điện trở đo được là tổng của phần tử cảm biến ( phụ thuộc vào nhiệt độ) và điện trở của dây dẫn được sử dụng cho kết nối. Lỗi trong phép đo này không liên quan: nó phụ thuộc vào nhiệt độ.

b. Loại cảm biến nhiệt độ 3 dây:

Cho mức độ đo chính xác tốt hơn, kỹ thuật ba dây được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực công nghiệp. Với kỹ thuật đo lường này, loại bỏ các lỗi gây ra bởi điện trở của các dây dẫn; ở đầu ra, điện áp phụ thuộc hoàn toàn vào sự biến đổi điện trở của cảm biến nhiệt và điều chỉnh liên tục theo nhiệt độ.

c. Loại cảm biến nhiệt 4 dây:

Volt-ampe kế cho độ chính xác lớn nhất có thể; ít được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp, nó hầu như chỉ được sử dụng trong các ứng dụng trong phòng thí nghiệm.

Trên một mạch điện tương đương có thể thấy rằng điện áp đo được chỉ phụ thuộc vào điện trở của nhiệt; độ chính xác của phép đo phụ thuộc hoàn toàn vào độ ổn định của dòng đo và độ chính xác của số đọc điện áp trên nhiệt.

Có hai loại nhiệt điện tạo thành: cách nhiệt truyền thống hoặc cách nhiệt khoáng chất MgO.

4. Cấu tạo cảm biến nhiệt:

4.1- Bộ phận cảm biến: bộ phận cảm biến là phần quan trọng nhất của khả năng chịu nhiệt, một bộ phận cảm biến kém chất lượng sẽ gây nguy hiểm cho hoạt động chính xác của toàn bộ thiết bị cảm biến. Sau khi kết nối với đầu nối, nó được đặt bên trong vỏ bảo vệ. Các nguyên tố cảm biến với cuộn dây đôi có sẵn cho mức độ chính xác khác nhau.

4.2 - Dây kết nối. Kết nối của bộ phận cảm biến có thể được thực hiện bằng cách sử dụng 2, 3 hoặc 4 dây; vật liệu dây phụ thuộc vào điều kiện sử dụng đầu dò.

4.3 - Chất cách điện gốm. Chất cách điện bằng gốm ngăn ngừa đoản mạch và cách điện các dây kết nối khỏi vỏ bảo vệ.

4.4 - Phụ Chất làm đầy bao gồm bột alumina cực kỳ mịn, sấy khô và rung, lấp đầy bất kỳ khoảng trống nào để bảo vệ cảm biến khỏi các rung động.

4.5 - Vỏ bảo vệ. Vỏ bảo vệ để bảo vệ các bộ phận cảm biến và các dây kết nối. Vì nó tiếp xúc trực tiếp với quá trình, điều quan trọng là nó được làm bằng vật liệu phù hợp và có kích thước phù hợp. Trong một số điều kiện nhất định, nên bọc thêm vỏ bọc bằng vỏ bổ sung (thermowell).

4.6 - Đầu kết nối .Đầu kết nối chứa bảng mạch được làm bằng vật liệu cách điện (thường là gốm) cho phép kết nối điện của điện trở. Tùy thuộc vào kết cấu sử dụng vỏ chống cháy nổ có thể được sử dụng. Bộ chuyển đổi 4-20 mA có thể được cài đặt thay cho bảng đầu cuối.

5. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt

Đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt khá đơn giản so với việc sử dụng các loại đo nhiệt độ khác, tuy nhiên cần thực hiện một số bước nhất định để khắc phục mọi lỗi phát hiện.

Có ba nguyên nhân chính gây ra lỗi trong các phép đo nhiệt độ với nhiệt độ:

- Lỗi do quá nhiệt của phần tử cảm biến

- Lỗi do cách điện kém của thiết bị cảm biến

- Lỗi do phần tử cảm biến không được nhúng ở độ sâu nhất định.

Bộ phận cảm biến tự nóng lên trong quá trình đo khi nó bị cắt ngang bởi dòng điện quá cao, do hiệu ứng Joule, làm tăng nhiệt độ của phần tử.

Sự tăng nhiệt độ phụ thuộc cả vào loại yếu tố chính được sử dụng và các điều kiện đo. Ở cùng nhiệt độ, cùng độ bền nhiệt sẽ tự nóng lên ít hơn nếu được đặt trong nước chứ không phải không khí; điều này là do thực tế nước có hệ số phân tán cao hơn không khí.

Thông thường tất cả các thiết bị đo sử dụng nhiệt điện trở làm cảm biến đều có dòng đo cực thấp, tuy nhiên không nên vượt quá dòng đo 1 mA (EN 60751).

Để đo chính xác với cảm biến nhiệt, điều rất quan trọng là cách điện giữa các dây dẫn và vỏ bọc bên ngoài là đủ lớn, đặc biệt là ở nhiệt độ cao.

Điện trở cách điện có thể được xem như là một điện trở được đặt song song với các phần tử cảm biến. Do đó, rõ ràng, ở nhiệt độ không đổi, nếu cách điện giảm đi, điện áp đo trên phần tử cảm biến cũng sẽ giảm do đó gây ra lỗi trong phép đo.

Điện trở cách điện có thể giảm khi đầu dò được sử dụng ở nhiệt độ quá cao, khi có rung động mạnh hoặc do ảnh hưởng của các tác nhân vật lý hoặc hóa học.

Độ sâu ngâm của bộ phận cảm biến cũng cực kỳ quan trọng đối với các phép đo chính xác; Không giống như trong cặp nhiệt điện, trong đó, các phép đo có thể được coi là thất bại, nếu độ sâu không đủ, nó có thể gây ra sai số trong phép đo tới vài độ ° C.

Điều này là do thực tế là vỏ bọc, thường là kim loại, với bộ phận cảm biến được bảo vệ sẽ phân tán nhiệt theo tỷ lệ chênh lệch nhiệt độ giữa vùng nóng và lạnh; do đó, cảm biến nhiệt Termotech có một dải nhiệt dọc theo một phần của chiều dài vỏ bọc.

Nên, độ sâu ngâm phải đủ để bộ phận cảm biến bên trong vỏ bọc không phải chịu độ chênh nhiệt này.

Độ sâu tối thiểu sẽ phụ thuộc vào các điều kiện đo vật lý và kích thước của độ bền nhiệt (chiều dài của phần tử, v.v.).

Resistance thermometer type PT100 ohm 0°C EN 60751

6. Tiêu chuẩn đo các loại cảm biến nhiệt

Loại

Dây điện trở cuốn

Dây điện trở mảnh

Giá trị dung sai

AA	-50 ÷ +250	0 ÷ +150	± (0,1 + 0,0017* | t |)
A	-100 ÷ +450	-30 ÷ +300	± (0,15 + 0,002* | t |)
B	-196 ÷ +600	-50 ÷ +500	± (0,3 + 0,005* | t |)
C	-196 ÷ +600	-50 ÷ +600	± (0,6 + 0,01* | t |)

Nhiệt kế điện trở để đo nhiệt độ trung tâm phù hợp cho việc sử dụng bên trong lò nướng thực phẩm. Đầu dò có tay cầm gắn vào sản phẩm; một phần của cáp tiếp xúc với thực phẩm được bọc bằng một lớp vỏ mềm bằng thép không gỉ và một phụ kiện đặc biệt cho phép nối cáp vào lò nướng.

Một bộ cảm biến nhiệt bao gồm một mạch điện được hình thành bởi hai dây dẫn kim loại khác nhau được hàn với nhau ở hai đầu. Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai khớp, do hiệu ứng Seebeck, một vòng dây được tạo ra, một trong hai khớp và một lực điện động (emf) mở ra. Độ phân cực và cường độ của suất điện động chỉ phụ thuộc vào loại kim loại được sử dụng và nhiệt độ mà các khớp phải chịu. Khớp tiếp xúc với nhiệt độ cần đo được gọi là mối nối nóng hoặc mối nối đo, trong khi mối nối nối các dây dẫn cảm biến nhiệt và mạch đo được gọi là mối nối lạnh hoặc đường nối tham chiếu. Để đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt, mối nối tham chiếu phải ở nhiệt độ nhất định (thường là 0 °) để emf được tạo ra chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của mối nối đo.

7. Các loại cảm biến nhiệt

Loại cảm biến nhiệt phụ thuộc vào các vật liệu bao gồm các dây dẫn có thể được tóm tắt như sau:

Cảm biến nhiệt bao gồm các kim loại quý (Bạch kim và Rhodium) cho phép thu được các phép đo rất chính xác. Đặc biệt chịu được ở nhiệt độ cao, nó thường được sử dụng trong khí quyển oxy hóa. Nó không thực sự được khuyến khích trong việc giảm khí quyển hoặc những thứ có chứa hơi kim loại.

Loại can nhiệt	Chất liệu	Dải đo nhiệt	Đặc điểm
S	Pt10%Rh - Pt	-50 / 1760	Cảm biến S bao gồm các kim loại quý (Bạch kim và Rhodium) cho phép thu được các phép đo rất chính xác. Đặc biệt chịu được ở nhiệt độ cao, nó thường được sử dụng trong khí quyển oxy hóa. Nó không thực sự được khuyến khích trong việc giảm khí quyển hoặc những thứ có chứa hơi kim loại.
R	Pt13%Rh - Pt	-50 / 1760	Giống như cảm biến S nhưng với tỷ lệ phần trăm khác nhau của hai kim loại.
B	Pt30%Rh - Pt6%Rh	0 / 1820	Cặp nhiệt điện bao gồm các kim loại quý, do số lượng Rhodium lớn hơn so với các loại cảm biến S và R, có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn và chịu áp lực cơ học.
E	Cr - Co	-270 / 1000	Cảm biến E có công suất nhiệt điện cao kết hợp cực dương của cặp nhiệt điện kiểu K và cực âm của cặp nhiệt điện kiểu J . Đặc biệt chỉ định trong khí quyển oxy hóa.
J	Fe – Co	-210 / 1200	Cặp nhiệt điện bao gồm cực dương sắt và cực âm (hợp kim đồng-niken). Được chỉ định để đo nhiệt độ trung bình trong việc giảm khí quyển và với sự hiện diện của hydro và carbon. Sự hiện diện của sắt gây nguy hiểm cho hoạt động của nó trong quá trình oxy hóa các quả cầu.
K	Cr - Al	-270 / 1370	Cặp nhiệt điện gồm các hợp kim có chứa niken. Nó phù hợp để điều chỉnh nhiệt độ cao trong môi trường oxy hóa. Không được sử dụng trong môi trường khí quyển.
T	Cu - Co	-270 / 400	Cặp nhiệt điện cho phép đo chính xác ở nhiệt độ thấp trong quá trình oxy hóa và giảm khí quyển.
N	Nicrosil - Nisil	-270/400 (1) 0 / 1300 (2)	Cặp nhiệt điện cho nhiệt độ cao tương tự như loại K nhưng có độ phản ứng trễ nhiệt ít hơn.
W3	W3%Re - W25%Re	0 / 2310	Dải nhiệt độ Cảm biến cho nhiệt độ cực cao bao gồm cực dương Vonfram chứa 3% rheni và cực âm Vonfram chiếm 25% rheni. Đặc biệt chống lại việc giảm khí quyển và sự hiện diện của hydro hoặc các khí trơ khác. Không được sử dụng trong không khí hoặc khí quyển oxi hóa.
W5	W5%Re - W26%Re	0 / 2310	Cặp nhiệt điện rất giống với W3 nhưng với tỷ lệ rheni lớn hơn làm tăng sức cản cơ học của nó. Các đặc điểm khác là đặc trưng của cặp nhiệt điện W3.

Các phương pháp để thực hiện các phép đo với cảm biến nhiệt thường có thể được chia thành hai loại. Cái đầu tiên, như trong hình số 1, thường được sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, nơi không cần độ chính xác cao

Trong trường hợp này, cảm biến nhiệt được kết nối trực tiếp (hình 1a) với thiết bị đo bằng cáp bù hoặc cáp mở rộng (hình 1b).

Phần bù của điểm nối được cung cấp trực tiếp bằng thiết bị đo, đo nhiệt độ điểm nối với các loại cảm biến khác, điện tử điều chỉnh tín hiệu cặp nhiệt điện sao cho nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của phép đo đường giao nhau và nhiệt độ cần đo.

Loại thứ hai cho phép thu được các phép đo chính xác cao và vì lý do này hầu như chỉ được sử dụng trong các ứng dụng thí nghiệm.

Trong trường hợp này, nhiệt độ của điểm nối tham chiếu được duy trì ở nhiệt độ nhất định và không đổi (thông thường là điểm nóng chảy của băng 0 ° C) thông qua các quy trình thủ công hoặc tự động để bù cho lực điện động được đo bằng thiết bị đo tương ứng với đường giao nhau.

Để biết them thông tin chi tiết về các loại cảm biến nhiệt. Vui lòng truy cập website để được các kỹ sư và chuyên gia tư vấn thêm : http://adsvn.vn