Cảm biến nhiệt độ là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế

Cảm biến nhiệt độ được lắp đặt trong nhiều thiết bị chúng ta thường thấy – từ những thiết bị gia dụng quen thuộc như tủ lạnh, lò vi sóng, máy nước nóng đến các ứng dụng kỹ thuật chuyên sâu. Một trong những lĩnh vực quan trọng của chúng là giám sát địa kỹ thuật, theo dõi nhiệt độ của các công trình như cầu, đường ray, kết cấu bê tông và địa chất. Bài viết này Senseca VN sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về cảm biến nhiệt độ: bản chất, cơ chế hoạt động, các ứng dụng và các loại khác nhau của chúng.

Cảm biến nhiệt độ là gì?

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để đo và giám sát nhiệt độ trong các môi trường như không khí, chất lỏng, và chất rắn. Cảm biến nhiệt độ cần có mạch điện tử xử lý để chuyển đổi tín hiệu đầu ra (như điện áp, dòng điện) thành giá trị nhiệt độ có thể đọc được. Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế, nông nghiệp, và điện tử.

Nguyên lý hoạt động

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị chuyên dụng để xác định mức độ nhiệt của một vật thể. Nguyên tắc hoạt động của chúng dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ và các đặc tính điện của linh kiện điện tử.

Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở của các linh kiện điện tử cũng biến đổi theo. Cụ thể, khi nhiệt độ tăng, điện trở sẽ tăng và ngược lại. Các mạch điện chuyên dụng sẽ đo lường sự thay đổi này và chuyển đổi thành các giá trị nhiệt độ dễ đọc như Celsius hay Fahrenheit.

Trong lĩnh vực kỹ thuật, những cảm biến này được ứng dụng rộng rãi để giám sát nhiệt độ của các công trình như cầu, đập, nhà máy, giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành.

Các loại cảm biến đo năng lượng nhiệt

Các cảm biến nhiệt độ được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, trong đó phương thức kết nối là một cách phân nhóm quan trọng. Chính vì vậy, người ta thường chia cảm biến nhiệt độ thành hai nhóm chính: cảm biến tiếp xúc trực tiếp và cảm biến không tiếp xúc với vật thể đo. Dưới đây là các loại cảm biến phổ biến cùng nguyên lý hoạt động và ứng dụng của chúng.

Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Các cảm biến nhiệt điện (thermocouple) là thiết bị đo nhiệt độ được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ các ứng dụng công nghiệp nặng cho đến các thiết bị điện tử gia dụng. Ưu điểm nổi bật của loại cảm biến này chính là khả năng hoạt động độc lập mà không cần nguồn điện ngoài, cho phép đo nhiệt độ trong một khoảng cực kỳ rộng từ -200°C đến 1750°C. 

Nguyên lý hoạt động:

Cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck, khi hai đầu của hai kim loại khác nhau được nối với nhau và có sự chênh lệch nhiệt độ, sẽ xuất hiện một suất điện động. Suất điện động này tỉ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độ. 

Cảm biến cặp nhiệt điện cung cấp phạm vi hoạt động rộng và thời gian phản hồi nhanh, khiến chúng trở nên lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên, độ chính xác không cao bằng các loại cảm biến khác và chúng cần được xử lý cẩn thận và có thể dễ bị nhiễu điện. Để khắc phục hạn chế này, các kỹ sư thường phải sử dụng các giải pháp khuếch đại tín hiệu và bù nhiệt độ nối lạnh (CJC) nhằm tăng độ chính xác của phép đo.

Một thách thức kỹ thuật khác là đặc tính phi tuyến của cặp nhiệt điện. Điều này đòi hỏi phải sử dụng các bảng tra cứu chuyển đổi để tính toán chính xác nhiệt độ từ tín hiệu điện.

Mỗi loại cặp nhiệt điện được thiết kế riêng cho những môi trường và điều kiện cụ thể:

Loại E: 

• Sử dụng hợp kim chromel và constantan
• Phạm vi nhiệt độ: -200°C đến 870°C
• Thích hợp cho môi trường trơ và nhiệt độ thấp
• Cần bảo vệ khi tiếp xúc với lưu huỳnh
• Phù hợp với môi trường chân không và các điều kiện oxy hóa nhẹ

Loại J: 

• Cấu tạo từ sắt và constantan
• Ứng dụng trong môi trường chân không và khử
• Có thể sử dụng với hoặc không có ống bảo vệ
• Nhạy cảm với nhiễu điện
• Dành cho không gian hạn chế oxy

Loại K: 

• Làm từ Chromel–Alumel
• Dải nhiệt độ: -200°C đến 1350°C
• Đa dụng trong nhiều môi trường công nghiệp
• Thường được sử dụng trong y tế và chế biến thực phẩm
• Cần lớp bảo vệ bằng kim loại hoặc vật liệu gốm

Loại N: 

• Gồm nicrosil và nisil
• Phạm vi nhiệt độ: 650°C đến 1260°C
• Chống trễ và thối xanh
• Phổ biến trong ngành lọc dầu
• Chống oxy hóa từ lưu huỳnh

Loại T: 

• Sử dụng đồng và constantan
• Phạm vi nhiệt độ: -200°C đến 370°C
• Chống ẩm và phân hủy
• Thích hợp cho ngành thực phẩm và kho lạnh
• Hoạt động tốt trong môi trường oxy hóa và khử

Loại S, R, B: Dành cho nhiệt độ cao, cần ống bảo vệ

Loại R:

• Bằng bạch kim và rhodium
• Đo nhiệt độ tới 1480°C
• Cần bảo vệ bằng ống gốm
• Ứng dụng trong xử lý nhiệt và sản xuất chất bán dẫn

Loại S:

• Độ chính xác cao
• Phạm vi nhiệt độ: 980°C đến 1450°C
• Phù hợp cho ngành BioTech và Dược phẩm

Loại B:

• Bạch kim với rhodium
• Phạm vi nhiệt độ: 1370°C đến 1700°C
• Độ chính xác và ổn định cao
• Dành cho ứng dụng nhiệt độ cực cao

Loại C (vonfram/rheni): 

• Sử dụng vonfram và rheni
• Đo nhiệt độ tới 2315°C
• Phù hợp môi trường hydro và chân không
• Có vỏ bảo vệ từ các kim loại đặc biệt
• Ứng dụng rộng rãi ở nhiệt độ cao, yêu cầu lớp vỏ bảo vệ

Loại A: Biến thể của loại C với phạm vi sử dụng hạn chế

Ứng dụng: Đo nhiệt độ lò, động cơ, chất lỏng, khí…

Nhiệt điện trở (RTD – Resistance Temperature Detector)

Cảm biến nhiệt độ điện trở (RTD) hoạt động bằng cách thay đổi giá trị điện trở của phần tử RTD theo nhiệt độ. RTD thường được chế tạo từ các vật liệu như màng bạch kim, lõi thủy tinh hoặc gốm, với dây quấn để cải thiện độ chính xác. Trong số các loại RTD, cảm biến bạch kim (PRTD) phổ biến nhờ độ chính xác cao, dù có chi phí đắt đỏ hơn. PRTD không chỉ đo nhiệt độ chính xác mà còn cung cấp các phép đo ổn định, có tính lặp lại và hoạt động tốt trong dải nhiệt độ rộng (-200 đến 600 °C).

Cảm biến bạch kim có điện trở tiêu chuẩn là 100 Ω hoặc 1000 Ω ở 0 °C, được gọi tương ứng là PT100 và PT1000. Ngoài bạch kim, RTD làm từ niken hoặc đồng cũng được sử dụng nhờ chi phí thấp hơn, nhưng chúng không có độ ổn định và tính lặp lại cao như PRTD.

So với các cảm biến nhiệt độ khác, RTD thường có khối lượng nhiệt lớn hơn, dẫn đến phản ứng chậm hơn trước các thay đổi nhiệt độ so với cặp nhiệt điện. RTD cũng cần dòng điện kích thích để đo giá trị điện trở.

RTD có ba cấu hình dây phổ biến:

• Hai dây: Thích hợp khi dây dẫn ngắn, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của điện trở dây.
• Ba dây: Có thêm đầu dò để loại bỏ ảnh hưởng của điện trở dây dẫn nhờ sử dụng dòng điện kích thích.
• Bốn dây: Sử dụng các dây dẫn lực và cảm biến riêng biệt để loại bỏ hoàn toàn điện trở dây, mang lại độ chính xác cao nhất.

Cảm biến nhiệt độ bán dẫn (IC nhiệt độ)

Các cảm biến nhiệt độ dựa trên công nghệ chất bán dẫn thường được tích hợp trực tiếp vào các mạch điện tử. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc sử dụng hai linh kiện bán dẫn có đặc tính điện áp thay đổi theo nhiệt độ để ghi nhận những biến động nhiệt.

Mặc dù có ưu điểm về tích hợp và đơn giản, những cảm biến này lại có một số hạn chế đáng kể. Độ chính xác của chúng thường thấp hơn so với các loại cảm biến nhiệt độ khác, và phạm vi đo nhiệt độ khá hẹp, từ -70°C đến 150°C.

Hiện nay, các cảm biến nhiệt độ chất bán dẫn được chia thành hai nhóm chính:

Cảm biến nhiệt độ cục bộ:

• Sử dụng các đặc tính vật lý của linh kiện bán dẫn để đo nhiệt độ
• Có thể cung cấp tín hiệu đầu ra dạng tương tự hoặc số

Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số từ xa:

• Đo nhiệt độ thông qua một linh kiện bán dẫn được đặt ở vị trí cách xa chip chính
• Cho phép giám sát nhiệt độ từ một khoảng cách nhất định

Nhiệt lượng kế – Calorimeter

Calorimeter (Nhiệt lượng kế) là thiết bị dùng để đo lường lượng nhiệt trao đổi trong một quá trình vật lý hoặc hóa học. Thiết bị này được sử dụng để xác định nhiệt dung, nhiệt phản ứng, năng lượng giải phóng hoặc hấp thụ trong các quá trình như cháy, pha trộn, hòa tan, hoặc các phản ứng hóa học khác.

Nguyên lý hoạt động:

Nhiệt lượng kế hoạt động dựa trên nguyên lý bảo toàn năng lượng, trong đó nhiệt lượng được trao đổi giữa hệ đo và môi trường xung quanh được theo dõi. Thường có một môi chất (như nước) trong nhiệt lượng kế để hấp thụ nhiệt lượng từ hệ hoặc cung cấp nhiệt lượng cho nó. Thay đổi nhiệt độ của môi chất này được sử dụng để tính toán năng lượng.

Cảm biến hồng ngoại (Pyrometer)

Cảm biến này hoạt động khác so với các loại trước đây khi có thể đo nhiệt độ mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Chúng hoạt động bằng cách phát hiện bức xạ nhiệt từ vật thể, với cường độ bức xạ tăng dần theo nhiệt độ. Năng lượng nhiệt này được chuyển đổi thành nhiệt lượng thông qua các cảm biến nhiệt điện nhỏ, sau đó thành tín hiệu điện áp có thể đo lường.

Cảm biến hồng ngoại có khả năng đo nhiệt độ trong dải rộng và được thiết kế cho các ứng dụng không tiếp xúc. Tuy nhiên, độ chính xác của phép đo có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ phát xạ của bề mặt hoặc vật cản trên đường ngắm đến mục tiêu.

Ứng dụng và lợi ích của cảm biến nhiệt độ

Ứng dụng trong công nghiệp

Cảm biến nhiệt độ đảm nhiệm vai trò giám sát và điều chỉnh nhiệt độ trong nhiều môi trường công nghiệp. Từ các nhà máy điện, quy trình sản xuất, đến việc đo nhiệt độ nước trong hồ chứa, lỗ khoan, hoặc đánh giá sự giãn nở nhiệt trong đập, chúng góp phần đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của thiết bị.

Lĩnh vực khoa học và phòng thí nghiệm

Trong nghiên cứu khoa học và công nghệ sinh học, cảm biến nhiệt độ là công cụ thiết yếu để theo dõi sự thay đổi nhiệt độ, từ đó hỗ trợ các thí nghiệm chính xác và hiệu quả.

Ứng dụng y tế

Cảm biến nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong ngành y tế, được sử dụng trong các thiết bị như máy theo dõi bệnh nhân, máy tạo ẩm, phân tích khí, và các hệ thống kiểm soát nhiệt độ dịch lọc thận.

Trong thể thao mô tô

Cảm biến được tích hợp để đo nhiệt độ không khí đầu vào, khí thải, động cơ, và dầu, đảm bảo hiệu suất tốt nhất cho các phương tiện trong điều kiện khắc nghiệt.

Thiết bị gia dụng

Trong đời sống hàng ngày, cảm biến nhiệt độ xuất hiện ở nhiều thiết bị như lò nướng, ấm đun nước, điều hòa nhiệt độ và các sản phẩm điện gia dụng khác, giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và đảm bảo an toàn.

Hệ thống HVAC

Cảm biến nhiệt độ là một phần quan trọng của hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC), hỗ trợ điều chỉnh nhiệt độ và duy trì môi trường sống thoải mái, cả trong các ứng dụng dân dụng lẫn thương mại.

Quá trình vận chuyển

Trong vận tải lạnh, cảm biến nhiệt độ được lắp đặt trên xe tải và xe van để giám sát và kiểm soát nhiệt độ, đảm bảo chất lượng hàng hóa trong suốt hành trình.

Tóm lại, cảm biến nhiệt độ giúp đo và kiểm soát nhiệt độ chính xác trong các ứng dụng cụ thể như sản xuất, y tế hay thiết bị gia dụng. Chúng được thiết kế để hoạt động hiệu quả, đảm bảo an toàn và tối ưu hiệu suất trong từng môi trường sử dụng. Hiểu rõ cách hoạt động và các ứng dụng thực tế của cảm biến nhiệt độ sẽ giúp bạn chọn được loại phù hợp, đáp ứng đúng nhu cầu và nâng cao hiệu quả công việc lẫn sinh hoạt.