Tổng quan về các loại cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ Omega
Cảm biến nhiệt độ Omega

Trước tiên, cảm biến là gì: Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận,…các đại lượng vật lý không điện thành các tín hiệu điện. Ví dụ: Nhiệt độ là 1 đại lượng không liên quan đến điện chúng ta phải chuyển nó về 1 đại lượng khác ( điện trở, điện áp ) để phù hợp với các cơ cấu điện tử.
Các cảm biến thường dùng trong HVAC: Cảm biến nhiệt, áp suất, độ ẩm, mức nước, lưu lượng gió, lưu lượng khí, đo nồng độ hóa chất trong nước, CO2, khói, ….

Phần I: CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ.

Nhiệt độ từ môi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đó. Như thế một yếu tố hết sức quan trọng đó là “ nhiệt độ môi trường cần đo” và “nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”. Cụ thể điều này là: Các loại cảm biến mà các bạn trông thấy nó đều là cái vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên trong cái vỏ này ( bán dẫn, lưỡng kim….) do đó việc đo có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào đến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu ( 1 trong những yếu tố quyết định giá cảm biến nhiệt ).

– Một nguyên tắc đặt ra là: Tăng cường trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường cần đo.

A.   PHÂN LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT.

– Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ).
– Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ).
– Thermistor.
– Bán dẫn ( Diode, IC ,….).
– Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ). Dùng hồng ngoại hay lazer.

A.1. CẶP NHIỆT ĐIỆN ( Thermocouples ).

– Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
– Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV).
– Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
– Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
– Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
– Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C

Cấu tạo của cảm biến Thermocouples

– Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp.
– Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển ).
Lưu ý khi sử dụng:
– Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này chúng ta lưu ý là không nên nối thêm dây ( vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều ). Cọng dây của cảm biến nên để thông thoáng ( đừng cho cọng dây này dính vào môi trường đo ). Cuối cùng là nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị.
– Lưu ý: Vì tín hiệu cho ra là điện áp ( có cực âm và dương ) do vậy cần chú ý kí hiệu để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng.

Hình cặp nhiệt điện
Hình cặp nhiệt điện

A.1. CẶP NHIỆT ĐIỆN ( Thermocouples ).

– Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
– Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV).
– Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
– Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
– Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
– Tầm đo: -100 D.C

Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD
Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD

– Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài. Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm tại 0 D.C. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.
– RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây.
Lưu ý khi sử dụng:
– Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số.
– Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu hơn so với Thermocouple. Chúng ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến này ( hàn kĩ, chất lượng dây tốt, có chống nhiễu ) và có thể đo test bằng VOM được.
–  Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây.

Cảm biến dạng NTD
Cảm biến dạng NTD

A.3. THERMISTOR

– Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…
– Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
– Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo.
– Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.
– Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử.
– Tầm đo: 50

Cấu tạo Thermistor.
Cấu tạo Thermistor.

– Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid. Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.
– Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC.
– Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150D.C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt-mít. Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ.
Lưu ý khi sử dụng:
– Tùy vào nhiệt độ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC và NTC (gọi nôm na là thường đóng/ thường hở ) Có thể test dễ dàng với đồng hồ VOM.
–  Nên ép chặt vào bề mặt cần đo.
–  Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ.
–  Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây.

Hình Thermistor
Hình Thermistor

A.4. BÁN DẪN

– Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.
– Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
– Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.
– Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
– Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.
– Tầm đo: -50 <150 D.C.

Cấu tạo bán dẫn
Cấu tạo bán dẫn

– Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn. Có các loại như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường. Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,….
–

Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode ( hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi. Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch.

IC Cảm biến nhiệt LM35 và cảm biến nhiệt độ dạng Diode
IC Cảm biến nhiệt LM35 và cảm biến nhiệt độ dạng Diode

Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hướng mới trong “ thế giới cảm biến”.

IC Cảm biến nhiệt độ DS18B20
IC Cảm biến nhiệt độ DS18B20

Lưu ý khi sử dụng:
–          Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao. Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến.
–         Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác dụng. Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được sự chính xác.
–         Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh.

A.5. NHIỆT KẾ BỨC XẠ ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer ).

– Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học.
– Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt.
– Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo.
– Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền.
– Thường dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung.
– Tầm đo: -54 <1000 D.F.

Cấu tạo hỏa kế
Cấu tạo hỏa kế

–         Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế ) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của những môi trường mà các cảm biến thông thường không thể tiếp xúc được ( lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến).
–         Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc. Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng. Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định. Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo.

Lưu ý khi sử dụng:
–  Tùy theo thông số của nhà sản xuất mà hỏa kế có các tầm đo khác nhau, tuy nhiên đa số hỏa kế đo ở khoảng nhiệt độ cao. Và vì đặc điểm không tiếp xúc trực tiếp với vật cần đo nên mức độ chính xác của hỏa kế không cao, chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường xung quanh (góc độ đo, rung tay, ánh sáng môi trường ).