Cảm biến nhiệt độ: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo

Cảm biến nhiệt độ là một thiết bị quan trọng và quen thuộc trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Không chỉ đảm bảo sự an toàn hàng hóa, mà chúng còn giúp duy trì chất lượng và giá trị sản phẩm trong cả quá trình vận chuyển. Vậy cảm biến nhiệt độ hoạt động như thế nào và cấu tạo của chúng ra sao? Trong bài viết này, hãy cùng RX Tradex khám phá nguyên lý hoạt động và cấu tạo của các loại cảm biến nhiệt độ phổ biến, qua đó hiểu rõ hơn về vai trò thiết yếu của chúng trong cuộc sống và sản xuất hiện đại.

1. Cảm biến nhiệt độ là gì?

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị có thể đo lường và ghi nhận mọi thông tin về nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc một đối tượng cụ thể. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp, y tế, môi trường đến vận tải. Cảm biến nhiệt độ có nguyên lý hoạt động dựa trên sự thay đổi của các thuộc tính vật lý hoặc hóa học khi có sự biến đổi nhiệt độ.

Cảm biến nhiệt độ thường sử dụng nhiều nguyên tố để đo lường, như sự thay đổi trong trở kháng điện, áp suất khí, hoặc hiện tượng biến dạng của vật liệu. Khi nhiệt độ thay đổi, những thay đổi này sẽ ảnh hưởng đến thành phần bên trong cảm biến, từ đó tạo ra tín hiệu điện hoặc tín hiệu khác, được ghi nhận và chuyển đổi thành dữ liệu số để phân tích.

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi đặc tính của nguồn nhiệt khi tác động lên các yếu tố bên ngoài. Khi sử dụng, cảm biến sẽ phát hiện sự thay đổi nhiệt độ của đối tượng cần đo và tạo ra tín hiệu tương ứng. Tín hiệu này sau đó được chuyển thành tín hiệu điện và truyền đến mạch xử lý. Tại đây, thông qua bộ phận xử lý tín hiệu, tín hiệu điện sẽ được quy đổi thành số liệu nhiệt độ và hiển thị lên màn hình tới người dùng.

Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ thường bao gồm hai dây dẫn kim loại khác nhau, được kết nối vào đầu nóng và đầu lạnh. Ngoài ra, cấu tạo của cảm biến nhiệt độ còn bao gồm một số bộ phận quan trọng khác như sau:

Bộ phận cảm biến: Đây là thành phần cốt lõi quyết định độ chính xác của cảm biến. Bộ phận này được đặt trong vỏ bảo vệ sau khi kết nối với đầu nối.

Dây dẫn kết nối: Cảm biến có thể sử dụng 2, 3 hoặc 4 dây kết nối giữa các bộ phận. Chất liệu của dây dẫn phụ thuộc vào điều kiện sử dụng của đầu đo.

Vật liệu cách điện gốm: Bộ phận này đóng vai trò cách điện, ngăn ngừa đoản mạch và cách điện giữa các dây kết nối với vỏ bảo vệ.

Chất làm đầy: Phụ chất làm đầy, thường là bột alumina mịn, được sấy khô và rung để lấp đầy các khoảng trống, bảo vệ cảm biến khỏi rung động.

Lớp vỏ bảo vệ: Lớp vỏ bảo vệ này bảo vệ các bộ phận cảm biến và dây kết nối bên trong. Bộ phận này cần được làm từ vật liệu bền bỉ, phù hợp với kích thước của cảm biến, và khi cần có thể được bọc thêm lớp bảo vệ bổ sung.

Đầu kết nối: Đầu kết nối thường được làm từ vật liệu cách điện như gốm, chứa các bảng mạch cho phép kết nối điện trở. Bộ chuyển đổi dòng điện từ 4 đến 20mA có thể được lắp đặt thay cho bảng đầu cuối nếu cần thiết.

3. Các loại cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ có nhiều loại khác nhau, được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu và điều kiện sử dụng khác nhau. Dưới đây là một số loại cảm biến nhiệt độ phổ biến:

• Cảm biến NTC (Negative Temperature Coefficient): Loại cảm biến này sử dụng thermistor, một vật liệu có trở kháng giảm khi nhiệt độ tăng. Cảm biến NTC nổi bật với độ nhạy cao và phản ứng nhanh, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu đo lường chính xác trong khoảng nhiệt độ hẹp.
• Cảm biến PT100 và PT1000: Đây là các cảm biến dựa trên nguyên tắc RTD (Resistance Temperature Detector) với dây platina. Cảm biến PT100 có trở kháng 100 ohm ở 0°C, trong khi PT1000 có trở kháng 1000 ohm. Chúng được biết đến với độ chính xác và ổn định cao trong dải nhiệt độ rộng.
• Cảm biến K-Type và J-Type: Các cảm biến thermocouple này hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo ra điện thế từ sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu cảm biến. Cảm biến K-Type và J-Type phổ biến và có khả năng đo trong dải nhiệt độ rộng, thường được sử dụng trong công nghiệp và khoa học.
• Cảm biến Infrared (IR): Loại cảm biến này đo nhiệt độ dựa trên bức xạ hồng ngoại phát ra từ đối tượng. Cảm biến IR thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu đo nhiệt độ từ xa, chẳng hạn như trong ngành thực phẩm và y tế.
• Cảm biến LM35: Cảm biến LM35 sử dụng nguyên tắc biến trở để cung cấp tín hiệu điện áp tương ứng với nhiệt độ. Nó dễ sử dụng và thường được ứng dụng trong các dự án và thí nghiệm.
• Cảm biến Thermopile: Cảm biến này bao gồm một mảng các thermocouple, đo lượng nhiệt đổ vào và tạo ra tín hiệu điện áp tương ứng.
• Các loại cảm biến nhiệt độ này cung cấp sự linh hoạt và đa dạng trong việc đáp ứng các yêu cầu đo lường khác nhau, từ ứng dụng công nghiệp đến các nhu cầu y tế và tiện ích hàng ngày.

4. Các loại dây cảm biến nhiệt độ

Có nhiều loại dây cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau, tùy thuộc vào nguyên lý hoạt động và môi trường ứng dụng. Dưới đây là một số loại phổ biến:

• Dây cảm biến Thermocouple: Dựa trên nguyên lý tạo ra điện thế khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu dây. Các loại thermocouple như K-Type, J-Type, T-Type… có khả năng đo nhiệt độ trong phạm vi rộng, phù hợp với các ứng dụng trong công nghiệp.
• Dây cảm biến RTD (Resistance Temperature Detector): Sử dụng dây platina, trong đó trở kháng thay đổi theo nhiệt độ. Dây cảm biến RTD được biết đến với độ chính xác và ổn định cao, thích hợp cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp và y tế.
• Dây cảm biến NTC (Negative Temperature Coefficient): Loại dây này sử dụng thermistor, với trở kháng giảm khi nhiệt độ tăng. Dây cảm biến NTC thường có độ nhạy cao và phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu đo lường chính xác trong phạm vi nhiệt độ hẹp.
• Dây cảm biến Thermopile: Bao gồm một mảng các thermocouple, dây này có khả năng thu thập nhiệt lượng và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện áp tương ứng.
• Dây cảm biến Infrared (IR): Hoạt động dựa trên việc đo bức xạ hồng ngoại phát ra từ đối tượng để xác định nhiệt độ, dây cảm biến IR thường được sử dụng để đo nhiệt độ từ xa.
• Dây cảm biến qua dòng điện (Current Loop): Dựa trên nguyên lý dòng điện biến đổi theo nhiệt độ, loại dây này truyền dữ liệu nhiệt độ qua dòng điện và được đọc bởi thiết bị chuyên dụng.

Các loại dây cảm biến nhiệt độ này mang lại sự đa dạng và khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp, y tế đến môi trường và vận tải.

5. Thông số của cảm biến nhiệt độ

Thang đo nhiệt độ: Đây là một trong những thông số quan trọng mà người dùng cần chú ý khi lựa chọn bộ cảm biến nhiệt độ. Các loại cảm biến thường có phạm vi đo từ -100°C đến 600°C, hoặc thậm chí có thể rộng hơn.

Sai số: Các cảm biến nhiệt độ hiện nay thường có chuẩn sai số như 0.1 C, 0.15 C, và 0.3 C. Trong đó, sai số 0.3 C là phổ biến nhất tại Việt Nam.

Chiều dài cảm biến: Cảm biến nhiệt độ có chiều dài đa dạng, với các kích thước phổ biến như 50mm, 100mm, 200mm, 300mm, và có thể lên đến 1000mm tùy vào nhu cầu sử dụng.

Ren kết nối: Cảm biến nhiệt độ thường có các kiểu ren kết nối phổ biến bao gồm:

•   Kết nối ren ngoài G 1/8
•   Kết nối ren ngoài G 1/4
•   Kết nối ren ngoài G 1/2
•   Kết nối Clamp, thường dùng trong ngành thực phẩm
•   Kết nối dạng mặt bích chịu áp suất cao
•   Kết nối ren trong G 1/4
•   Kết nối ren trong G 1/2

Đường kính cảm biến: Các cảm biến nhiệt độ thường có kích thước nhỏ gọn, với đường kính phổ biến là 6mm, 8mm, và 10mm tùy loại.

6. Ứng dụng của cảm biến nhiệt

Cảm biến nhiệt độ có chức năng đo nhiệt độ, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, tăng hiệu quả đo chính xác.

Đo nhiệt độ trong các thiết bị như trong bồn đun nước, lò nung, lò sấy, kho bảo quản,…

Cảm biến nhiệt điện trở với chất liệu oxit kim loại thường được sử dụng để đo trong hệ thống nhiệt lạnh.

Trong nông nghiệp, cảm biến nhiệt độ điện tử được dùng khá phổ biến.

Các loại cảm biến nhiệt như PT100, K, R, S, B, T được dùng phổ biến trong sản xuất hóa chất, gia công vật liệu, gia công cơ khí,…

Nhiệt kế điện tử dùng để đo nhiệt độ bên trong ô tô, xe tải, xe máy…

7. Một số lưu ý khi sử dụng và bảo quản

Trước khi chọn mua cảm biến nhiệt độ, người dùng cần phải xem xét tính chất công việc và môi trường sử dụng để chọn loại cảm biến có thông số kỹ thuật phù hợp.

Cảm biến nhiệt độ thường được sử dụng để đo các giá trị nhiệt độ cao. Trong quá trình sử dụng, cần chú ý đến các yếu tố môi trường xung quanh như ánh sáng, góc đo, và độ rung của tay cầm, vì chúng có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị.

Việc chọn loại cảm biến nhiệt độ công nghiệp phù hợp để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, chất lượng và giá cả có thể là một thách thức đối với nhiều người. Vì vậy, nên tìm kiếm một nhà cung cấp uy tín và chuyên nghiệp.

8. Tổng kết

Trên đây là những thông tin hữu ích các loại cảm biến nhiệt độ, cùng với những yếu tố cần cân nhắc khi mua và sử dụng thiết bị này. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động, cấu tạo và các thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ sẽ giúp lựa chọn được sản phẩm phù hợp với nhu cầu, đảm bảo hiệu quả đo lường và an toàn trong ứng dụng thực tế. Ngoài ra, nếu quý doanh nghiệp mong muốn cập nhật những công nghệ tiên tiến và xu hướng thị trường mới nhất, hãy tham gia NEPCON 2024 – Triển lãm hàng đầu tại Việt Nam về SMT, công nghệ kiểm tra, thiết bị, và công nghiệp hỗ trợ sản xuất điện tử do RX Tradex Vietnam tổ chức. Đăng ký để trở thành nhà trưng bày hoặc tham quan triển lãm.