Cảm biến nhiệt độ là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Trong bối cảnh công nghiệp ngày càng phát triển, cảm biến nhiệt độ đã trở thành một phần không thể thiếu, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo quy trình sản xuất và vận hành máy móc diễn ra một cách hiệu quả và an toàn. Hãy cùng RX Tradex tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ là gì? Cấu tạo của nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại trong bài viết dưới đây. 

1. Cảm biến nhiệt độ là gì? 

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị chuyên dụng dùng để đo lường và ghi nhận nhiệt độ của môi trường xung quanh hoặc của một đối tượng cụ thể. Với độ chính xác cao vượt trội so với các phương pháp đo nhiệt độ thông thường, cảm biến nhiệt độ có khả năng phát hiện và phản hồi ngay lập tức khi nhiệt độ của đối tượng thay đổi. Thiết bị này chuyển đổi sự biến đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện hoặc tín hiệu khác, sau đó xử lý và thông báo kết quả nhiệt độ đến người sử dụng một cách nhanh chóng và chính xác.

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 

2.1. Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ có cấu tạo chính gồm hai dây dẫn kim loại khác nhau, mỗi dây được gắn vào đầu nóng và đầu lạnh. Ngoài ra, bên trong của cảm biến nhiệt độ còn được cấu tạo bởi nhiều thành phần phụ khác như:

• Bộ phận cảm biến: Bộ phận này là yếu tố quyết định độ chính xác của toàn bộ thiết bị. Nó được đặt bên trong vỏ bảo vệ sau khi đã kết nối với đầu nối. Đây là nơi diễn ra sự biến đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện.
• Dây dẫn kết nối: Cảm biến có thể được kết nối bằng 2, 3 hoặc 4 dây dẫn. Chất liệu của dây dẫn được lựa chọn dựa trên điều kiện sử dụng của đầu đo, đảm bảo tính bền vững và độ chính xác trong quá trình truyền tín hiệu.
• Vật liệu cách điện gốm: Đóng vai trò cách điện, ngăn ngừa đoản mạch và đảm bảo cách điện giữa các dây kết nối với vỏ bảo vệ. Vật liệu cách điện gốm đảm bảo an toàn và ổn định cho thiết bị.
• Chất làm đầy: Phụ chất làm đầy thường là bột alumina mịn, được sấy khô và rung để lấp đầy mọi khoảng trống trong cảm biến. Chất này giúp bảo vệ cảm biến khỏi rung động và các tác động cơ học.
• Lớp vỏ bảo vệ: Có nhiệm vụ bảo vệ bộ phận cảm biến và dây kết nối bên trong. Nó được làm từ vật liệu chắc chắn, phù hợp với điều kiện sử dụng và kích thước cảm biến. Trong một số trường hợp, vỏ bảo vệ có thể được bọc thêm lớp bổ sung để tăng cường bảo vệ.
• Đầu kết nối: Thường được làm bằng vật liệu cách điện như gốm, chứa các bảng mạch, cho phép kết nối điện trở. Khi cần thiết, bộ chuyển đổi với cường độ dòng từ 4 đến 20mA có thể được cài đặt thay cho bảng đầu cuối, giúp việc truyền tín hiệu trở nên linh hoạt và hiệu quả hơn.

2.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên nguyên lý phụ thuộc vào đặc tính của cảm biến nguồn nhiệt, chịu tác động từ các yếu tố bên ngoài. Khi sử dụng, cảm biến sẽ nhận biết sự biến đổi nhiệt độ của đối tượng cần đo và tạo ra một tín hiệu tương ứng. Tín hiệu này sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện và gửi tới mạch xử lý. Bộ phận xử lý tín hiệu sẽ giải mã tín hiệu thành giá trị nhiệt độ cụ thể và hiển thị kết quả trên màn hình để người dùng có thể dễ dàng theo dõi.

Có hai nguyên tắc chính được sử dụng để đo và ghi nhận sự thay đổi trong nhiệt độ:

• Nguyên tắc biến trở (RTD – Resistance Temperature Detector): Loại cảm biến RTD thường sử dụng vật liệu dẫn điện như platina. Một dây platina được cuộn thành dạng sợi và nối với mạch điện. Khi nhiệt độ biến đổi, trở kháng của dây platina cũng biến đổi theo một cách cụ thể. Điều này gây ra sự thay đổi trong dòng điện đi qua cảm biến, từ đó qua mạch điện, chúng ta có thể tính toán được giá trị nhiệt độ tương ứng.
• Nguyên tắc thermistor: Thermistor là một loại cảm biến sử dụng vật liệu có trở kháng điện biến đổi theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ thay đổi, trở kháng của thermistor biến đổi một cách đáng kể. Cảm biến này thường được tích hợp vào mạch điện, và thông qua sự thay đổi của dòng điện đi qua nó, chúng ta có thể xác định được giá trị nhiệt độ tương ứng.

3. Các loại cảm biến nhiệt độ 

Hiện nay, có đa dạng các loại cảm biến nhiệt độ trên thị trường, được sử dụng nhằm phục vụ cho nhiều mục đích và nhiều lĩnh vực khác nhau. Một số loại cảm biến nhiệt độ phổ biến hiện nay có thể kể đến như:

• Cảm biến nhiệt điện trở (RTD – Resistance Temperature Detectors): Sử dụng nguyên lý thay đổi điện trở của vật liệu để đo nhiệt độ. Thường sử dụng vật liệu như platina (PT100, PT1000) hoặc nickel (Ni100, Ni1000) với độ chính xác và ổn định cao. Phổ biến trong ngành công nghiệp, HVAC, và nghiên cứu khoa học.
• Cặp nhiệt điện (Thermocouple): Đo được các mức nhiệt độ cao với độ bền tốt. Hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck để tạo ra một điện thế khi nhiệt độ thay đổi. Phổ biến trong công nghiệp và nghiên cứu do độ tin cậy và khả năng chịu nhiệt độ rộng.
• Điện trở oxit kim loại (Thermistor): Sử dụng tính chất điện trở của oxit kim loại để đo nhiệt độ. Thay đổi điện trở phi tuyến khi nhiệt độ thay đổi. Được ứng dụng trong hệ thống điều khiển nhiệt độ và điện tử do độ bền cao và giá thành rẻ.
• Cảm biến nhiệt bán dẫn (Diode, IC): Chế tạo từ chất bán dẫn như Diode, Transistor, IC và hoạt động dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường. Có độ chính xác cao và ổn định, được sử dụng trong môi trường không khí và trong các thiết bị đo đạc nhiệt độ.
• Cảm biến nhiệt kế bức xạ – hoả kế (Pyrometer): Đo lượng bức xạ nhiệt phát ra từ vật thể thay vì tiếp xúc trực tiếp. Thích hợp cho việc đo nhiệt độ của kim loại đỏ, lửa, lò nung và môi trường công nghiệp.

Ngoài các loại cảm biến thông dụng trên, một hình thức cảm biến khác cũng được sử dụng phổ biến là cảm biến nhiệt độ dây, đặc biệt là các dòng 2,3 và 4 dây:  

• Cảm biến nhiệt độ 2 dây: Thường được sử dụng trong các tình huống cần kết nối đến các dây điện trở ngắn và điện trở thấp, đặc biệt là khi kiểm tra mạch điện tương đương. Với loại cảm biến này, điện trở đo được sẽ bao gồm cả phần của cảm biến (phụ thuộc vào nhiệt độ) và điện trở của các dây dẫn được sử dụng cho kết nối. Sai số của cảm biến phụ thuộc vào nhiệt độ và các yếu tố môi trường xung quanh.
• Cảm biến nhiệt độ 3 dây: Cung cấp mức độ đo chính xác tốt hơn so với loại hai dây, thường được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp. Kỹ thuật ba dây loại bỏ các sai số do 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 có thể điều chỉnh liên tục theo nhiệt độ.
• Cảm biến nhiệt độ 4 dây: Cung cấp độ chính xác tối đa có thể đạt được, thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng khảo sát trong phòng thí nghiệm. Điện áp đo được chỉ phụ thuộc vào điện trở, và độ chính xác của phép đo hoàn toàn phụ thuộc vào độ ổn định của dòng điện đo và sai số của thiết bị đo.

4. Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ 

Với tính ứng dụng cao và đa dạng, cảm biến nhiệt độ được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm: 

• Ngành công nghiệp: Được sử dụng trong các quy trình sản xuất và vận hành máy móc để đảm bảo nhiệt độ được kiểm soát chính xác. Ví dụ, trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống, cảm biến nhiệt độ được sử dụng để giám sát và điều khiển nhiệt độ trong quá trình chế biến và lưu trữ.
• Hệ thống HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning): Trong các hệ thống HVAC, cảm biến nhiệt độ được sử dụng để đo và điều khiển nhiệt độ trong các không gian sống và làm việc, giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và cải thiện thoải mái của người sử dụng.
• Ô tô: Trong ngành công nghiệp ô tô, cảm biến nhiệt độ được sử dụng để giám sát và điều khiển nhiệt độ của động cơ, hệ thống làm mát, hệ thống phanh, và nhiều hệ thống khác, giúp đảm bảo hiệu suất hoạt động và an toàn của xe.
• Y tế: Trong lĩnh vực y tế, cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong các thiết bị y tế như nhiệt kế để đo nhiệt độ cơ thể của người bệnh. Nó cũng có thể được sử dụng trong các thiết bị y tế khác như thiết bị theo dõi nhiệt độ của môi trường lưu trữ mẫu y tế.
• Công nghệ xử lý nhiệt: Trong các quy trình công nghệ xử lý nhiệt như hàn, rèn, và nung, cảm biến nhiệt độ được sử dụng để đảm bảo rằng nhiệt độ đạt được làm việc và kiểm soát một cách chính xác.
• Nghiên cứu và phát triển: Trong các phòng thí nghiệm và cơ sở nghiên cứu, cảm biến nhiệt độ được sử dụng để thu thập dữ liệu về nhiệt độ trong các thí nghiệm và nghiên cứu khoa học, giúp các nhà khoa học và kỹ sư hiểu rõ hơn về các quá trình nhiệt và phát triển các công nghệ mới.

5. Lưu ý khi sử dụng và bảo quản

Cảm biến nhiệt độ đóng vai trò không thể thiếu trong việc duy trì nhiệt độ ổn định cho nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, doanh nghiệp cần phải kiểm tra kỹ lưỡng những yếu tố dưới đây để đảm bảo việc lựa chọn loại cảm biến phải phù hợp với khu vực đo, vì chúng không chỉ giúp tăng năng suất và hiệu quả hoạt động, mà còn tạo ra nhiều giá trị khác trong công nghiệp sản xuất:

• Xác định rõ mục đích và môi trường sử dụng cảm biến.
• Đảm bảo cách điện giữa dây dẫn và vỏ bọc đủ lớn, đặc biệt ở nhiệt độ cao.
• Kiểm tra độ sâu lắp đặt của cảm biến để tránh sai số do chênh lệch nhiệt độ.
• Tránh tiếp xúc các đầu dây nối của cảm biến với môi trường đo.

6. Tổng kết

Trên đây là những thông tin về cảm biến nhiệt độ là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ? Hy vọng rằng bài biết trên sẽ giúp quý doanh nghiệp hiểu rõ hơn về một số thông tin cần thiết của cảm biến nhiệt độ, từ đó lựa chọn loại cảm biến phù hợp để áp dụng vào quy trình sản xuất của mình. 

Ngoài ra, nếu quý doanh nghiệp đang quan tâm đến các giải pháp sản xuất khác trong lĩnh công nghiệp điện tử, công nghiệp phụ trợ,… Đừng quên đăng ký tham gia các triển lãm hấp dẫn do RX Tradex tổ chức trong năm 2024 như NEPCON Việt Nam, Vietnam Manufacturing Expo, Metalex Việt Nam, Waste & Recycling Vietnam Expo. Đây sẽ là cơ hội tuyệt vời để quý doanh nghiệp tiếp cận với các công nghệ mới nhất từ hàng trăm thương hiệu máy móc nổi tiếng trên thế giới, tìm hiểu những giải pháp sản xuất tối ưu thông qua việc lắng nghe những chia sẻ đến từ các chuyên gia đầu ngành. Đặc biệt hơn, quý doanh nghiệp còn có thể quảng bá thương hiệu và sản phẩm của mình đến nhiều khách hàng và đối tác tiềm năng, mở rộng kinh doanh, nâng cao uy tín và giá trị cho thương hiệu của mình trên thị trường.