Phân biệt các loại cảm biến nhiệt độ | Ưu và nhược điểm của từng loại là gì?

Cảm biến nhiệt độ là loại thiết bị hoặc linh kiện thường dùng để đo nhiệt độ môi trường. Nước, không khí, hơi nước và cùng với một số môi trường không có tính ăn mòn. Vì vậy, đa số các loại cảm biến nhiệt độ này thường có nhiều loại. Trong bài viết này, bạn sẽ được biết thêm về các loại cảm biến nhiệt độ hiện nay.

Sự phân loại về cảm biến nhiệt này nó thường bắt nguồn từ sự cấu tạo nên cảm biến. Tức là, đối với mỗi cảm biến sẽ có thể cấu từ điện trở, linh kiện điện tử bán dẫn như thermistor, IC… Một số loại cảm biến nhiệt có thể phù hợp dùng để đo nhiệt độ trong mạch điện. Còn một số loại cảm biến sẽ dùng để đo nhiệt độ trong môi trường trên 1000 độ C.

Tóm lại, trong bài viết này sẽ phân tích rõ thêm cho các bạn về cấu tạo chung cho mỗi loại cảm biến. Đồng thời cũng như ưu và nhược điểm của mỗi loại.          

Cảm biến cặp điện nhiệt

Cảm biến cặp điện nhiệt là loại cảm biến nhiệt độ chuyên dùng để đo nhiệt độ trên 1000 độ C. Nhìn chung, đây là loại cảm biến sẽ dùng để đo nhiệt trong các lò nung vôi, lò gia nhiệt… Vì đây cũng là loại cảm biến nhiệt độ duy nhất hay dùng để đo nhiệt độ cực kỳ cao.

Cặp điện nhiệt là bộ phận bên trong que dò của loại cảm biến này. Nguyên lý của nó, về cơ bản sẽ dựa vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai thanh kim loại khác nhau hoàn toàn. Lúc đó, nó sẽ sản sinh ra một dòng điện áp mV rất nhỏ.

Vì vậy, đôi khi nó sẽ cần thêm bộ chuyển đổi tín hiệu để kết nối đến PLC. Ngoài ra, loại cảm biến cặp điện nhiệt này thường sẽ có 2, 3 dây hoặc 4 dây. Phổ biến nhất sẽ là dạng 3 dây tín hiệu.

Đặc điểm lớn nhất là đo nhiệt độ cao có độ sai số thấp. Đồng thời, đây cũng là một nhược điểm nhỏ của bộ này. Bởi vì, xét về đặc tính vật lý. Nếu dùng kim loại thì như bạc, đồng, Platinum, kẽm… Khi đến nhiệt độ hơn 1000 độ rất dễ bị nóng chảy.

Do đó, nó sẽ được làm bằng sứ, gốm. Vì đây là những loại vật liệu nung trong nhiệt độ cực cao trên khoảng 1300 độ C. Mà những loại sứ với gốm thì là loại vật liệu dễ vỡ.

Đấy chính là nhược điểm lớn của loại cảm biến nhiệt này. Thế nên, nhiều khi vận chuyển loại cảm biến trên thường phải gói hàng kỹ để tránh trường hợp bị va đập làm gãy que dò.

Bên cạnh những loại cảm biến trên, còn có một số loại cảm biến cặp điện nhiệt dùng để đo nhiệt độ từ 0 đến 800 độ C. Chúng thường là những loại cảm biến sẽ có giá thành rẻ hơn so với nhiệt điện trở.

Cấu tạo của cặp điện nhiệt

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 mV 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 chỗ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó (offset trên bộ điều khiển).

Cảm biến nhiệt độ Thermocouples

Cảm biến nhiệt độ Thermocouples là loại cảm biến được thiết kế kiểu hai dây ra. Nó có cấu tạo gồm hai dây dẫn là hai kim loại khác nhau và được chụm lại với nhau tạo thành cảm biến. Khi nhiệt độ thay đổi thì tín hiệu mV cũng thay đổi theo, từ đó bộ đọc quy ra giá trị nhiệt độ.

Cảm biến cặp nhiệt thông dụng hiện nay là loại K, nhiệt độ đo tối đa là 1200 độ C. Nhưng không phải cứ nghe K là 1200 độ, thông thường là nó được thiết kế với dãy đo là 400 độ, 800 độ và 1200 độ. Tùy thuộc và kích thước cảm biến và vỏ bảo vệ (protect tube).

Đối với cảm biến đo nhiệt độ loại R thì nhiệt độ đo tối đa là 1500 độ C. Và loại S là 1600 độ C, với vỏ bọc bên ngoài là Ceramic – Sứ.Một loại cảm biến nhiệt độ loại K bằng sứ với nhiệt độ đo 1200 độ C.

Thông thường đối với loại cảm biến K gồm 2 dây kim loại âm và dương. Dây dương với thành phần 90%Ni-10%Cr, dây âm với thành phần 95%Ni-2%Mn-2%Al. Cảm biến loại R thì dây dương 87%Platium-13%Rhodium, dây âm 100%Platium.

Ưu và nhược điểm cảm biến cặp điện nhiệt

Về ưu điểm

Đây là loại cảm biến nhiệt độ dùng để đo được nhiệt trên 1000 độ C

Độ chính xác của loại này thường khoảng 0,1% đến 0,3%.

Đối với một số loại đo nhiệt độ từ 0 đến 800 độ. Thì giá thành của loại cặp điện nhiệt dạng dây này sẽ có giá thành rẻ hơn rất nhiều.

Về nhược điểm

Vì que dò của loại cảm biến này thường làm bằng sứ. Nên rất dễ bị gãy hoặc hư hỏng trong quá trình vận chuyển hoặc lắp đặt.

Ít có sẵn trên thị thường.

Cảm biến nhiệt điện trở

Điện trở nhiệt là loại điện trở có nguyên lý khi nhiệt độ thay đổi thì giá trị điện trở cũng sẽ thay đổi theo. Tức là khi nhiệt độ môi trường tăng, thì giá trị điện trở Ohm của điện trỡ cũng sẽ tăng theo. Và ngược lại, khi giảm thì giá trị điện trở cũng giảm.

Chình vì nguyên tắc hoặt động của cảm biến này, mà người ta đã dùng để chế tạo nên loại cảm biến nhiệt điện trở. Với tên tiếng anh là RTD – Resistance Temperature Detector.

Hiện nay, có các loại PT100, PT500 hay PT1000. Chúng dùng để ám chỉ rằng, khi giá trị điện trở 100 Ohm thì là 0 độ C. 500 Ohm hay 1000 Ohm cũng là 0 độ C.

Lý do có nhiều giá trị điện trở ở mốc khác nhau như vậy. Thường dùng cho mục đích liên quan đến về độ chính xác. Hiển thế này, độ chính xác của PT100 là nhỏ nhất và PT1000 là lớn nhất.

Tuy nhiên, hiện nay trong công nghiệp. Nhiều nhà máy vẫn dùng loại PT100 hơn vì nó độ chính xác phù hợp và giá thành rẻ. Bên cạnh đó, cảm biến nhiệt điện trở này thường có thể đo được nhiệt độ từ -200 đến 850 độ C.

Ngoài ra, độ chính xác của cảm biến này sẽ 0,1%; 0,15% hoặc 0,3%. Dựa vào trong tiêu chuẩn công nghiệp, thì sự sai số 0,3% là con số được chấp thuận dùng để đo lường nhiệt độ.

Trong loại cảm biến nhiệt điện trở, chúng sẽ được chia thành hai dạng. Một là loại cảm biến nhiệt độ PT100 dạng củ hành, hai là loại cảm biến nhiệt độ PT100 dạng dây.

Đối với dạng củ hành, đây là loại cảm biến hay dùng để lắp đặt trực tiếp ngoài trời. Hay những khu vực có môi trường đặc thù như bụi bặm nhiều… Còn riêng về dạng dây thì nó dùng để lắp ở những khu vực không gian nhỏ và hẹp…

Cấu tạo nhiệt điện trở

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.

Cảm biến nhiệt RTD

Là loại cảm biến khi nhiệt độ thay đổi thỉ tín hiệu của nó sẻ thay đổi theo tín hiệu điện trở. Vì sao gọi là PT100, là vì khi ở nhiệt độ 0 độ C thì điện trở của nó là 100 ohm. Và từ đây bạn cũng có thể hiểu tại sao là cảm biến PT1000 và PT50.

Và nói tới độ chính xác thì PT1000 là loại cảm biến có độ chính xác cao nhất. Thông thường nhiệt độ của RTD là -200~500 độ C, -50-150 độ C, -200~300 độ C. Đối với các loại cảm biến nhiệt điện trở – RTD thì thường có 3 dây. Trong đó có hai dây chung nối tắt, loại 2 dây và loại 4 dây.

Khi muốn xài cảm biến PT100 2 dây thì lấy loại 3 dây nối 2 dây chung lại. Đối với cảm biến nhiệt độ loại 2 dây thì tuy có giá thành thấp nhưng có sai số cao và ít sử dụng nhất. Do bị ảnh hưởng điện trở trên cả hai dây nên dẫn đến sai số rất cao,

Đối với loại cảm biến đo nhiệt độ loại 3 dây, đây là loại thông dụng nhất hiện nay. Với 2 dây chung triệt tiêu điện trở cho nhau, lúc này cảm biến chỉ bị ảnh hưởng điện trở trên dây A (Ra).

Ưu và nhược điểm cảm biến nhiệt điện trở

Về ưu điểm

• Dùng để đo nhiệt độ từ -200 đến 800 độ C.
• Độ chính xác của loại cảm biến 0,3%.
• Đối với dạng cảm biến củ hành, thì sẽ có một số bộ chuyển đổi tương thích lắp đặt trên trong cảm biến. Vì thế dễ dàng chuyển đổi tín hiệu từ nhiệt độ sang 4-20mA.
• Dùng đồng hồ VOM có thể kiểm tra được cảm biến nhiệt độ còn hoạt động hay không.

Về nhược điểm

• Khống dùng để đo nhiệt độ cho các môi trường có tính ăn mòn.

Cảm biến Thermistor

Các loại cảm biến nhiệt độ Thermistor được cấu tạo từ hỗn hợp các bột ocid kim loại: manga, nickel, cobalt… 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 hỗn 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 tuyến tính trong khoảng nhiệt độ nhất định -55-200 D.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.

Về nguyên lý hoạt động của loại cảm biến Thermistor này cũng giống như cảm biến nhiệt RTD. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi thì giá trị cảm biến bên trong nó cũng thay đổi theo.

Ưu và nhược điểm cảm biến thermistor

Về ưu điểm

• 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.
• Có độ chính xác cao hơn so với RTD hay thermocouple.
• Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây.

Về nhược điểm

• Giải đô nhiệt độ của loại cảm biến NTC này nhỏ.

IC cảm biến nhiệt độ

Các loại cảm biến nhiệt độ 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, rẻ 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 Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hỗ 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

Ưu và nhược điểm cảm biến nhiệt IC

Về ưu điểm

• Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt bán dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao
• Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được sự chính xác

Về nhược điểm

• 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.
• 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.

Mua cảm biến nhiệt độ ở đâu?

Nhìn chung, các loại cảm biến nhiệt độ trên thị trường có tương đối nhiều. Tùy từng nhu cầu sử dụng cũng như môi trường hay vị trí lắp đặt. Nên dẫn đến mới có nhiều sự phân loại đa dạng như vậy.

Tuy nhiên, đối với một số loại cảm biến nhiệt độ thì có một vài lưu ý sau đây. Những lưu ý này thường dùng để việc chọn lựa cảm biến nhiệt độ nhanh hơn. 

• Dải đo nhiệt độ từ khoảng bao nhiêu đến bao nhiêu?
• Bạn muốn dùng dạng cảm biến PT100 củ hành hay dạng dây?
• Đầu ren kết nối là loại G nào? (Phổ biến là 13mm và 21mm)
• Đường kính và đầu dò có kích thước như thế nào?
• Có tài liệu sản phẩm kèm theo hay không?

Tóm lại, đó là một trong những câu hỏi bạn nên xem xét trước khi đi mua hàng. Còn không, bạn có thể liên hệ thông tin bên dưới để mình hỗ trợ cũng tư vấn giải pháp kỹ thuật vè các loại cảm biến nhiệt độ. Đặc biệt là loại cảm biến nhiệt PT100 và can nhiệt độ.

Bài viết tham khảo: Bộ chuyển đổi tín hiệu PT100 gắn tủ điện

Cảm ơn các bạn đã đọc bài viết của mình. Chúc các bạn một ngày tốt lành.

Consulting Solutions Engineer

Nguyễn Thành Đạt
SĐT: 034.296.2396
Email: thanhdat@huphaco.vn
Web: thietbidoluong.info