Trong bối cảnh cuộc sống hiện đại ngày càng phụ thuộc vào công nghệ, cảm biến nhiệt đã trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Khả năng đo lường chính xác nhiệt độ và điều chỉnh các quy trình liên quan đến nhiệt là điểm mấu chốt giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp, y tế, và tiện ích. Cảm biến nhiệt độ là thiết bị có vai trò vô cùng quan trọng trong hệ thống tự động hóa công nghiệp, từ giám sát, điều khiển quy trình sản xuất đến tối ưu hóa hiệu quả hoạt động & đảm bảo an toàn. Trong môi trường sản xuất hiện đại ngày nay, việc giám sát nhiệt độ chính xác là mộtyêu cầu không thể thiếu, đặc biệt trong các ngành công nghiệp như sản xuất thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, dầu khí,…
Khái niệm
Cảm biến nhiệt độ "Temperature Sensor" là một thiết bị, thông thường là một cặp nhiệt kế hoặc bộ rò nhiệt độ có thuật ngữ Tiếng Anh Resistance Temperature Detector (RTD), cung cấp cho phép đo nhiệt độ thông qua một tín hiệu điện. Một cặp nhiệt kế thermocouple (T / C) được làm từ hai kim loại không giống nhau tạo ra điện áp theo tỷ lệ trực tiếp với sự thay đổi nhiệt độ. Một bộ dò nhiệt RTD (Resistance Temperature Detector) là một điện trở biến đổi sẽ thay đổi điện trở theo tỷ lệ trực tiếp với sự thay đổi nhiệt độ một cách chính xác, lặp lại và gần như tuyến tính.
Cảm biến nhiệt độ có thể sử dụng nhiều nguyên tố để đo lường, như sự thay đổi trong trở kháng điện, áp suất khí, hoặc dựa vào hiện tượng biến dạng vật liệu. Khi nhiệt độ thay đổi, các thay đổi này sẽ ảnh hưởng đến nguyên tố được sử dụng trong cảm biến, từ đó tạo ra tín hiệu điện hoặc tín hiệu khác có thể được ghi nhận và chuyển đổi thành dữ liệu số để phân tích.
Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ được xây dựng dựa trên nguyên tắc hoạt động của các vật liệu có tính chất thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ thường bao gồm các thành phần chính sau:
- Bộ phận cảm biến: Đây là vật liệu có tính chất thay đổi dựa trên nhiệt độ. Thường thì bộ phận này có khả năng thay đổi trở kháng điện, áp suất khí, hoặc kích thước khi nhiệt độ thay đổi. Một số vật liệu phổ biến được sử dụng là bimetal (hợp kim hai lớp có hệ số nở khác nhau), thermistor (vật liệu dẫn điện có trở kháng biến đổi theo nhiệt độ), RTD (điện trở nhiệt độ) làm từ platina, hay cảm biến bằng dòng điện (current loop) với nguyên tắc thay đổi điện áp hoặc dòng điện theo nhiệt độ.
- Thân cảm biến: Thân cảm biến thường làm bằng vật liệu chịu nhiệt và chịu áp lực, giúp bảo vệ vật liệu cảm biến khỏi các yếu tố môi trường bên ngoài. Thân cảm biến thường có hình dáng và kích thước khác nhau tùy theo ứng dụng cụ thể. Thân cảm biến thường được kết nối với đối tượng hoặc môi trường cần đo nhiệt độ.
- Dây dẫn hoặc đầu kết kết nối: Dữ liệu nhiệt độ thu thập từ cảm biến thường được truyền tới thiết bị đo và ghi thông qua dây dẫn hoặc dòng điện. Dây dẫn hoặc đầu kết nối có vai trò truyền tải tín hiệu từ cảm biến đến thiết bị đọc và xử lý dữ liệu.
- Chất cách điện gốm: bộ phận này với nhiệm vụ chủ yếu là làm chất cách điện ngăn ngừa đoản mạch và thực hiện cách điện giữa các dây kết nối với vỏ bảo vệ.
- Phụ chất làm đầy: gồm bột alumina mịn, được sấy khô và rung. Phụ chất này với chức năng chính là lấp đầy tất cả khoảng trống để bảo vệ cảm biến khỏi các rung động
Tùy theo ứng dụng và nguyên tắc hoạt động, cấu tạo cảm biến nhiệt độ có thể có sự biến đổi và tinh chỉnh để đảm bảo tính chính xác và hiệu suất tốt nhất trong việc đo và kiểm soát nhiệt độ
Nguyên lý hoạt động
Một cặp nhiệt kế được làm từ hai dây kim loại không giống nhau. Các dây được nối với nhau ở một đầu để tạo thành một đường nối đo (nóng). Đầu kia, được gọi là đường nối tham chiếu (lạnh), được nối qua một thiết bị đo lường điện tử (bộ điều khiển hoặc chỉ thị số). Một cặp nhiệt kế sẽ tạo ra một tín hiệu đo không đáp ứng được nhiệt độ thực tế, nhưng đáp ứng sự khác biệt về nhiệt độ giữa các điểm nối đo và tham khảo. Một cảm biến nhiệt độ môi trường nhỏ được lắp vào thiết bị đo điện tử ở gần điểm kết nối tham chiếu.
Nhiệt độ môi trường xung quanh sau đó được bổ sung vào nhiệt độ chênh của cặp nhiệt độ bằng thiết bị đo để xác định và hiển thị nhiệt độ đo thực tế. Chỉ có hai dây là cần thiết để kết nối cặp nhiệt kế với mạch điện. Tuynhiên, những dây nối này phải được làm từ kim loại giống như cặp nhiệt kế. Sợi dây bổ sung được làm từ các vật liệu khác (ví dụ như dây đồng thông thường) sẽ tạo các nút nối mới, dẫn đến việc đọc sai.
Phân loại cảm biến nhiệt độ:
Cảm biến nhiệt độ Pt100 – RTD (Resistance Temperature Detector):Sử dụng hiệu ứng nhiệt điện trở của kim loại.Độ chính xác cao, ổn định.
Cảm biếnnhiệt độ PT100 – Thermocouple:Sử dụng hiệu ứng nhiệt điện của cặp kim loại.Phạm vi đo rộng, linh hoạt
Thermistor:Sử dụng hiệu ứng nhiệt điện của bán dẫn.Độ nhạy cao, giá thành thấp
IC cảm biến nhiệt độ:Sử dụng chip tích hợp để đo và xử lý nhiệt độ.Kích thước nhỏ, dễ tích hợp
Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ
Công Nghiệp: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để giám sát và kiểm soát nhiệt độ trong các quá trình sản xuất, bảo quản, lưu trữ hay kiểm tra. Ví dụ: cảm biến nhiệt độ được dùng để theo dõi nhiệt độ của máy móc, thiết bị, nguyên liệu, sản phẩm; để điều chỉnh nhiệt độ của lò nướng, lò hơi, lò phản ứng; để kiểm tra chất lượng của thực phẩm, dược phẩm, hóa chất,…
Khoa học và phòng thí nghiệm: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để thực hiện các phép đo và thí nghiệm liên quan đến nhiệt độ. Ví dụ: cảm biến nhiệt độ được dùng để đo nhiệt độ của các mẫu thử, dung dịch, khí; để xác định các thuộc tính vật lý hoặc hóa học của các chất; để theo dõi các hiện tượng sinh học hoặc hóa học,…
Ô Tô và Vận Tải: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để bảo vệ và tối ưu hóa hiệu suất của các phương tiện vận tải. Ví dụ: cảm biến nhiệt độ được dùng để đo nhiệt độ của động cơ, dầu, không khí; để kiểm tra khí thải, tiêu hao nhiên liệu; để bảo quản hàng hóa trong các xe tải và xe tải lạnh,…
Gia dụng: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để cải thiện chất lượng cuộc sống và tiết kiệm năng lượng trong các thiết bị gia dụng. Ví dụ: cảm biến nhiệt độ được dùng để điều chỉnh nhiệt độ trong các thiết bị nhà bếp như lò vi sóng, ấm siêu tốc, bếp từ; để duy trì nhiệt độ trong các thiết bị hàng trắng như tủ lạnh, máy giặt, máy sấy; để giám sát và điều khiển nhiệt độ trong các thiết bị HVAC như máy điều hòa không khí, máy sưởi,…
Y Tế: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để theo dõi và điều trị sức khỏe của con người và các sinh vật khác. Ví dụ: cảm biến nhiệt độ được dùng để đo nhiệt độ cơ thể, máu, não; để phát hiện bệnh truyền nhiễm, viêm, ung thư; để điều chỉnh nhiệt độ trong các thiết bị y tế như máy làm ẩm, máy thông khí, máy lọc máu,…
Môi Trường: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong các ứng dụng môi trường để theo dõi biến đổi nhiệt độ của không gian tự nhiên, đất, nước và không khí. Điều này giúp trong nghiên cứu khí hậu, quản lý tài nguyên và dự báo thời tiết.
Công Nghiệp Điện Tử: Trong các thiết bị điện tử và viễn thông, cảm biến nhiệt độ giúp kiểm soát và bảo vệ các linh kiện khỏi tình trạng quá nhiệt.
