Cảm biến nhiệt là thiết bị đo lường quan trọng trong đời sống hiện nay. Dựa trên nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới thì tất cả các hệ thống vật lí, hóa học đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Người ta đo nhiệt để có con số chính xác về thông số môi trường để có biện pháp điều chỉnh phù hợp. Vậy cảm biến nhiệt là gì? Cảm biến nhiệt có cấu tạo và nguyên lý hoạt động ra sao? Hãy cùng hangchavn tìm hiểu về nó qua bài viết dưới đây nhé !
Nội dung bài viết
1. Cảm biến nhiệt là gì?
Cảm biến nhiệt là thiết bị (có đầu dò điện trở) được dùng để đo sự biến đổi về nhiệt của các vật cần đo. Khi nhiệt độ có sự thay đổi thì cảm biến sẽ đưa ra tín hiệu, các bộ đọc sẽ dựa vào các tín hiệu đó rồi quy thành nhiệt độ qua một con số cụ thể.
Cảm biến nhiệt có khả năng đo nhiệt độ với độ chính xác cao hơn nhiều so với các loại cặp nhiệt điện hoặc nhiệt kế. Cảm biến nhiệt có tên gọi khác là nhiệt kế điện trở
Hiện nay, cảm biến nhiệt được sử dụng để đo nhiệt độ, chất lỏng hoặc chất khí, ứng dụng trong phòng nghiên cứu.
2. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của cảm biến nhiệt
Bên cạnh khái niệm cảm biến nhiệt là gì thì nhiều người cũng thắc mắc cảm biến nhiệt có cấu tạo ra sao và nguyên lí hoạt động của cảm biến nhiệt là gì? Đáp ứng được nhu cầu đó, hangchavn đã tổng hợp một số thông tin về cấu tạo và nguyên lí hoạt động của cảm biến nhiệt qua bài viết dưới đây !
2.1. Cấu tạo của cảm biến nhiệt
Cấu tạo chính của cảm biến nhiệt gồm 2 dây kim loại gắn vào đầu nóng và đầu lạnh. Bên cạnh hai bộ phận chính, cảm biến nhiệt cũng bao gồm các bộ phận khác như:
- Bộ phận cảm biến: Bộ phận này được xem là quan trọng nhất của cảm biến nhiệt, được đặt bên trong vỏ bảo vệ sau khi đã kết nối với đầu nối và nó quyết định đến độ chính xác của toàn cảm biến.
- Đầu kết nối: Được làm bằng vật liệu cách điện, chứa các bảng mạch và cho phép các kết nối của điện trở
- Dây kết nối: Vật liệu của dây kết nối phụ thuộc và điều kiện sử dụng đầu đo. Thông thường một cảm biến có thể được kết nối bằng 2, 3 hoặc là 4 dây kết nối/
- Chất cách điện: Được làm từ gốm, nó có nhiệm vụ làm chất cách điện ngăn ngừa đoản mạch và thực hiện cách điện giữa dây kết nối và vỏ bảo vệ.
- Phụ chất làm đầy: Được làm từ bột alumina mịn đã được sấy khô và rung. Phụ chất này có chức năng lấp đầy các khoảng trống trong cảm biến nhiệt để bảo vệ cảm biến khỏi các rung động.
- Vỏ bảo vệ: Bộ phận có này có nhiệm vụ bảo vệ dây kết nối và bộ phận cảm biến. Nó được làm từ vật liệu phù hợp với kích thước phù hợp và khi cần có thể bổ sung vỏ bọc.
2.2. Nguyên lí hoạt động của cảm biến nhiệt
Nguyên lí hoạt động của cảm biến nhiệt dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại so với sự thay đổi nhiệt độ vượt trội.
Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ có suất điện động V được phát sinh tại đầu lạnh. Nhiệt độ ở đầu lạnh cần sự ổn định và có thể đo được, nó phụ thuộc vào chất liệu. Do đó mà có sự xuất hiện của các loại cặp nhiệt độ và mỗi loại cho ra một suất điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T.
Cảm biến nhiệt hoạt động dựa trên mối quan hệ giữa vật liệu kim loại và nhiệt độ. Khi nhiệt độ là 0 thì điện trở sẽ ở mức 100Ω. Điện trở của kim loại sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng và ngược lại.
Khi tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu sẽ giúp nâng cao hiệu suất làm việc của cảm biến nhiệt và giúp cho việc lắp đặt, vận hành dễ dàng hơn.
3. Phân loại cảm biến nhiệt
Hiện nay cảm biến nhiệt độ được phân thành các loại là:
- Cảm biến nhiệt độ
- Nhiệt điện trở
- Điện trở oxit kim loại
- Cảm biến nhiệt bán dẫn
- Nhiệt kế bức xạ
Trong các loại cảm biến nhiệt thì cảm biến nhiệt độ và nhiệt điện trở là hai loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Dưới đây là sơ lược về một số loại cảm biến nhiệt:
3.1. Cảm biến nhiệt độ
Định nghĩa
- Là một thiết bị cảm biến nhiệt điện trong mạch kín, nó bao gồm 2 dây kim loại được nối ở hai đầu. Đây là cặp nhiệt điện có độ bền và khả năng đo nhiệt độ cao.
Cấu tạo
- Được làm từ 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu
Nguyên lí hoạt động
- Cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên sự thay đổi nhiệt độ của môi trường. Nhờ hiệu ứng Seebeck, điện áp ở phía đầu lạnh của cặp nhiệt điện sẽ tăng hoặc là giảm theo nhiệt độ của môi trường. Ta chỉ cần đo giá trị điện áp ở đầu lạnh
- Ta chỉ cần đo giá trị điện áp ở đầu lạnh thì sẽ có được giá trị của nhiệt độ
- Dải đo: Từ -100 độ C ~ 1800 độ C
Phân loại
Cặp nhiệt điện gồm hai loại chính đó là loại sợi có dây sẵn K và loại đầu củ hành K.
Thông số của loại có dây sẵn K là:
- Độ dài đường kính phi là: 3mm, 4mm, 6mm, 8mm, 10mm, 17mm…
- Chiều dài: 50mm, 70mm, 100mm, 150mm, 200mm, 250mm, 300mm, …
- Ren vặn: 9.6mm, 13mm, 17mm, 21mm… hoặc không có ren
- Nhiệt độ hoạt động: 0 – 400 độ C. Dây 3 ruột dài 2 mét, 3 mét…
Thông số của loại đầu củ hành K là:
- Độ dài đường kính phi là: 4mm, 6mm, 8mm, 10mm, 17mm, 22mm…
- Chiều dài: 50mm, 70mm, 100mm, 150mm, 200mm, 250mm, 300mm, 1m..
- Ren vặn: 9.6mm, 13mm, 17mm, 21mm… hoặc không có ren
- Nhiệt độ hoạt động: 0 – 800 độ C, 0 – 1000 độ C, 0 – 1200 độ C , 0 – 1500 độ C
Ứng dụng
- Cảm biến nhiệt độ được ứng dụng để đo nhiệt độ tại các môi trường như không khí, dầu, nước,…
3.2. Nhiệt điện trở
Định nghĩa
- Nhiệt điện trở hoạt động dựa trên nguyên tắc nhiệt điện trở suất, điện trở kim loại tăng khi nhiệt độ tăng. Khi đo điện trở của nhiệt điện trở thì ta sẽ suy ra được nhiệt độ
- Nhiệt điện trở có độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn và có chiều dài dây không bị hạn chế.
Cấu tạo
- Thành phần cấu tạo chính của nhiệt điện trở là dây kim loại bằng đồng, niken, platinum,… và được quán theo hính dáng của đầu đo.
Nguyên lí hoạt động
- Điện trở của nhiệt điện trở tỉ lệ thuận với nhiệt độ của môi trường, nhiệt độ môi trường tăng thì điện trở sẽ tăng và ngược lại. Giá trị của nhiệt độ sẽ được suy ra từ việc đo giá trị điện trở của nhiệt điện trở.
- Dải đo: -200 độ C ~ 700 độ C
Phân loại
Cặp nhiệt điện trở gồm hai loại chính đó là loại sợi có dây sẵn PT100, PT1000 và loại đầu củ hành PT100, PT1000.
Thông số của loại có dây sẵn PT100, PT1000 là:
- Độ dài đường kính phi là: 3mm, 4mm, 6mm, 8mm, 10mm, 17mm…
- Chiều dài: 50mm, 70mm, 100mm, 150mm, 200mm, 250mm, 300mm, …
- Ren vặn: 9.6mm, 13mm, 17mm, 21mm… hoặc không có ren
- Nhiệt độ hoạt động: -200 độ C ~ 200 độ C, 0 độ C ~ 150 độ C, -50 độ C ~ 300 độ C. Dây 3 ruột dài 2 mét, 3 mét…
Thông số của loại đầu củ hành PT100, PT1000 là:
- Độ dài đường kính phi là: 4mm, 6mm, 8mm, 10mm, 17mm,….
- Chiều dài: 50mm, 70mm, 100mm, 150mm, 200mm, 250mm, 300mm,…
- Ren vặn: 9.6mm, 13mm, 17mm, 21mm, 27mm… hoặc không có ren
- Nhiệt độ hoạt động: -200 độ C ~ 200 độ C, 0 độ C ~ 150 độ C, -50 độ C ~ 300 độ C, -50 độ C ~ 500 độ C
Ứng dụng
- Nhiệt điện trở chế tạo từ platin, đồng hoặc niken được sử dụng phổ biến bởi nó có độ chính xác cao, có thể truyền tín trong phạm vi nhiệt độ rộng, khả năng lặp lại tốt.
- Nhiệt điện trở được chế tạo từ đồng và niken thì thường được sử dụng trong công nghiệp do độ chính xác và khả năng truyền tín còn hạn chế, phạm vi nhiệt độ hẹp.
3.3. Điện trở oxit kim loại
Cấu tạo
- Được làm từ hỗn hợp các oxit kim loại như mangan, niken, cobalt,..
- Ưu điểm của điện trở oxit kim loại là nó có độ bền cao, giá rẻ, dễ chế tạo. Bên cạnh ưu điểm trên thì hạn chế của nó là dãy tuyến tính khá hẹp
Nguyên lí hoạt động
- Hoạt động dựa trên sự thay đổi nhiệt độ của điện trở
- Dải đo: 50 độ C
Ứng dụng
- Được dùng để bảo vệ, được ép vào cuộn dây động cơ và mạch điện tử.
Phân loại
Nó được chia làm hai loại chính là:
- Hệ số nhiệt dương PTC: Điện trở tăng theo nhiệt độ
- Hệ số nhiệt âm NTC: Điện trở giảm theo nhiệt độ (thường dùng)
3.4. Cảm biến nhiệt bán dẫn
Cấu tạo
- Được làm từ các loại chất bán dẫn
- Loại này giá rẻ, dễ chế tạo và có độ nhạy cao, khả năng chống nhiễu tốt và mạch xử lí đơn giản nhưng kém bền và không thể chịu được nhiệt cao
Nguyên lí hoạt động
- Hoạt động dựa trên sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ
- Dải đo: – 50 độ C ~ 150 độ C.
Ứng dụng
- Dùng để đo nhiệt độ không khí
Phân loại
- Các kiểu IC LM35, LM335, LM45.
3.5. Nhiệt kế bức xạ
Cấu tạo
- Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế) được cấu tạo từ mạch điện tử, quang học.
- Nó có thể dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc môi trường đo tuy nhiên độ chính xác của nó không cao và cũng kém bền
Nguyên lí hoạt động
- Nhiệt kế bức xạ hoạt động dựa trên việc đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt
- Dải đo: -97 độ C ~ 1800 độ C
Ứng dụng
- Làm thiết bị đo cho lò nung
Phân loại
- Nhiệt kế bức xa bao gồm: Nhiệt kế bức xạ, Nhiệt kế cường độ sáng và nhiệt kế màu sắc.
4. Ứng dụng của cảm biến nhiệt
Cảm biến nhiệt có nhiều chức năng và được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như: Đo nhiệt độ trong bồ, đo nhiệt độ của lò…
Một số ứng dụng cụ thể và các loại cảm biến được sử dụng là:
- Ngành nông nghiệp: Nhiệt kế điện tử, nhiệt kế bán dẫn loại T được sử dụng trong các nghiên cứu về nông nghiệp
- Xe hơi: Nhiệt kế điện tử PT100 được sử dụng cho xe hơi
- Nhiệt lạnh: Điện trở oxit kim loại được sử dụng trong nhiệt lạnh
- Gia công vật liệu, hóa chất: Cặp nhiệt điện loại K, T, R, S, B và P100
5. Một số lưu ý khi bảo quản và sử dụng cảm biến nhiệt
Để đảm bảo an toàn khi sử dụng cảm biến nhiệt, người dùng cần phải lưu ý một số điểm sau khi sử dụng:
- Sau khi đã sử dụng xong cảm biến nhiệt thì phải bảo quản cảm biến nhiệt ở nơi khô ráo, thoáng mát, tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời và tránh xa tầm tay của trẻ.
- Khi lắp đặt và nối dây cảm biến nhiệt thì dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt
- Không được để dây đầu nối của cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường cần đo
- Các đầu nối phải đúng theo chiều âm, dương.
Qua bài viết trên, hangchavn đã cung cấp các thông tin về cảm biến nhiệt cho bạn.Hy vọng bạn có thể lựa chọn được loại cảm biến phù hợp với mục đích của mình. Nếu bạn vẫn còn thắc mắc về cảm biến nhiệt hay có nhu cầu tìm mua xe nâng điện, xe nâng dầu, xe nâng tay.. thì hãy nhanh chóng liên hệ ngay với hangchavn qua hotline 0975 645 225 để được hỗ trợ hoặc truy cập đường dẫn tại đây.
