Cảm biến RTD là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Cảm biến RTD (Resistance Temperature Detector) là một thiết bị điện tử tiên tiến được sử dụng để đo lường nhiệt độ chính xác. Dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở của kim loại khi nhiệt độ biến động, RTD đã trở thành giải pháp đo lường tin cậy trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và khoa học.

Bài viết này Senseca VN sẽ tìm hiểu sâu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và những ứng dụng đa dạng của loại cảm biến này.

Cảm biến RTD là gì?

Cảm biến nhiệt độ RTD là một thiết bị nhỏ gọn, được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng công nghiệp để đo nhiệt độ. Thuật ngữ “RTD” là viết tắt của “Resistance Temperature Detector” (Máy dò nhiệt độ điện trở). So với cặp nhiệt điện và các loại đầu dò nhiệt độ khác, RTD thường có độ chính xác cao hơn và tính ổn định vượt trội khi hoạt động trong phạm vi khuyến nghị. Để hiểu rõ hơn về RTD, chúng ta sẽ tìm hiểu ba loại chính: RTD bạch kim, niken và đồng, cùng những đặc điểm khác biệt giữa chúng.

RTD thường được chế tạo từ các vật liệu như bạch kim, niken hoặc đồng nhờ tính chất đặc trưng của chúng – hệ số nhiệt độ dương. Nói cách khác, khi nhiệt độ tăng, điện trở của vật liệu cũng tăng theo. Chính sự thay đổi điện trở này được sử dụng để phát hiện và đo các biến động về nhiệt độ.

Dựa trên cấu tạo, RTD được phân thành nhiều loại như Pt100, Pt500, Pt1000, Ni100, Ni500. Trong số đó, Pt100 là loại phổ biến nhất, chiếm đến 90% nhu cầu sử dụng trong các ngành công nghiệp. Vì sự phổ biến này, cảm biến RTD thường được gọi bằng tên khác là cảm biến Pt100.

Máy dò nhiệt độ điện trở bạch kim

Cảm biến RTD làm từ bạch kim được ký hiệu bằng tiền tố Pt đi kèm với một con số biểu thị giá trị điện trở danh định tại 0°C, chẳng hạn như Pt100. Đây là loại cảm biến RTD được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp, nhờ các đặc tính nổi bật của bạch kim như khả năng chống ăn mòn vượt trội, độ ổn định lâu dài và khả năng hoạt động trong một dải nhiệt độ rộng (-200 đến +850°C). Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chúng là chi phí cao hơn so với các loại RTD khác.

Máy dò nhiệt độ điện trở niken

RTD làm từ niken được biểu thị bằng tiền tố Ni cùng một con số tương ứng với điện trở danh định tại 0°C, ví dụ như Ni120. So với RTD bạch kim, cảm biến niken có giá thành thấp hơn và khả năng chống ăn mòn khá tốt. Dù vậy, nhược điểm của loại này là niken dễ bị lão hóa, dẫn đến giảm độ chính xác khi hoạt động trong thời gian dài, đặc biệt ở nhiệt độ cao. Phạm vi đo lường của RTD niken cũng bị giới hạn từ -80 đến +260°C.

Máy dò nhiệt độ điện trở đồng

RTD làm từ đồng thường được ký hiệu bằng tiền tố Cu, đi kèm với con số đại diện cho điện trở danh định tại 0°C, chẳng hạn như Cu10. Cảm biến đồng có ưu điểm vượt trội về tuyến tính nhiệt độ so với các loại RTD khác và đồng thời là một vật liệu có chi phí thấp. Tuy nhiên, đồng có hạn chế là dễ bị oxy hóa ở nhiệt độ cao, làm giảm hiệu suất đo lường. Phạm vi hoạt động của cảm biến đồng dao động trong khoảng -200 đến +260°C.

Hiệu quả của các nguyên tố đồng, niken và bạch kim

Các loại phần tử cảm biến RTD hoạt động như thế nào?

Có ba phương pháp để chế tạo Máy dò nhiệt độ điện trở (RTD): RTD dạng dây diều, RTD dạng cuộn và RTD dạng màng mỏng. Chúng ta sẽ cùng xem xét từng phương pháp dưới đây.

RTD dây quấn

Trong công nghệ cảm biến nhiệt độ, RTD dạng dây quấn là loại cảm biến được chế tạo bằng cách quấn dây dẫn quanh lõi cách điện, thường được chế tạo từ vật liệu gốm. Kỹ thuật viên sẽ tiến hành cắt tỉa chiều dài dây dẫn một cách tỉ mỉ để đảm bảo giá trị điện trở chuẩn xác tại nhiệt độ 0°C. Chẳng hạn như đối với cảm biến Pt100, giá trị điện trở chuẩn được thiết lập là 100 Ω.

Sau giai đoạn quấn dây, các kỹ sư thực hiện gắn kết dây dẫn và bọc một lớp vỏ bảo vệ bằng thủy tinh hoặc gốm. Đặc điểm quan trọng của RTD là tính chất vật lý của dây dẫn sẽ thay đổi khi nhiệt độ tăng, cụ thể là chiều dài dây sẽ dãn ra. Việc thiết kế cần đặc biệt chú ý để ngăn ngừa hiện tượng xoắn hoặc biến dạng của dây, bởi những ứng suất cơ học này có thể gây ra sự thay đổi không mong muốn trong đặc tính điện của dây.

Các phòng thí nghiệm chuyên sâu về đo lường đã phát triển một phiên bản RTD với kỹ thuật quấn dây đặc biệt. Bằng cách quấn lỏng dây điện trở xung quanh một khung đỡ không dẫn điện, họ loại bỏ được những sai số có thể xảy ra. Mặc dù loại RTD này đạt độ chính xác cực cao, nhưng lại có nhược điểm là dễ vỡ, do đó chủ yếu được sử dụng trong các môi trường thí nghiệm chứ không phù hợp với điều kiện công nghiệp khắc nghiệt.

RTD dạng cuộn

Một phương pháp chế tạo RTD là sử dụng kỹ thuật cuộn dây điện trở. Trong quá trình này, các sợi dây được cuộn một cách chính xác thành những cuộn nhỏ gọn, được lắp đặt khít vào lõi gốm. Sau đó, khoảng trống giữa các cuộn được lấp đầy bằng bột cách điện.

Ưu điểm của kỹ thuật này nằm ở khả năng giãn nở linh hoạt của dây điện trở. Khi nhiệt độ biến đổi, dây có thể co giãn mà không gây ra các biến dạng cơ học không mong muốn. Đồng thời, lớp bột cách điện đóng vai trò quan trọng trong việc truyền nhiệt, giúp tăng tốc độ phản ứng của cảm biến.

Để tăng độ bền và khả năng ứng dụng, các đầu dò nhiệt độ RTD kiểu này thường được bọc một lớp vỏ kim loại bảo vệ, giúp chúng có thể hoạt động trong nhiều môi trường khác nhau

RTD màng mỏng

RTD màng mỏng được phát triển như một giải pháp sản xuất hàng loạt với chi phí thấp, mang đến nhiều ưu điểm đáng chú ý. Kỹ thuật chế tạo của chúng diễn ra thông qua quá trình lắng đọng một lớp dẫn bạch kim cực mỏng trên nền gốm chuyên dụng.

Quá trình điều chỉnh điện trở ở nhiệt độ 0°C được thực hiện bằng kỹ thuật khắc laser tinh vi. Các kỹ sư sử dụng chùm tia laser để mở các đường nối song song (shunt), với nguyên tắc: số lượng shunt càng nhiều thì giá trị điện trở ở 0°C càng tăng.

Mặc dù có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ gọn và thời gian phản hồi nhanh, RTD màng mỏng vẫn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

• Độ chính xác của giá trị điện trở cơ bản (R0) không được ổn định như các công nghệ RTD truyền thống.
• Sự khác biệt trong hệ số giãn nở giữa lớp phủ gốm và bạch kim gây ra những sai lệch khi hoạt động ở nhiệt độ cao.
• Do kích thước nhỏ, dòng điện kích thích có thể gây hiện tượng tự làm nóng, dẫn đến sai số trong quá trình đo.

Những hạn chế này khiến RTD màng mỏng phù hợp với các ứng dụng yêu cầu tốc độ và chi phí, nhưng chưa thể thay thế hoàn toàn các công nghệ RTD chính xác cao trong những lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối.

Ứng dụng của cảm biến RTD

Cảm biến RTD từ khi ra đời trong cuộc cách mạng công nghiệp đầu tiên, đã trở thành công cụ quan trọng trong quy trình sản xuất nhờ độ chính xác và ổn định cao. Dưới đây là một số ứng dụng của cảm biến RTD

Ngành ô tô

Cảm biến RTD được sử dụng để đo nhiệt độ động cơ, không khí, bên ngoài và các chất lỏng trong xe. Đặc tính không tự sinh nhiệt và sự linh hoạt của chúng khiến chúng trở thành lựa chọn tối ưu cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực này.

Năng lượng tái tạo

• Điện mặt trời: Cảm biến RTD giúp giám sát nhiệt độ trong các tấm pin, đảm bảo phân phối nhiệt đồng đều để tăng hiệu suất tạo điện.
• Tua-bin gió: RTD được sử dụng để theo dõi sự thay đổi nhiệt độ, hỗ trợ vận hành hệ thống ổn định.

Ngành dược phẩm

Trong sản xuất dược phẩm, kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ là điều kiện tiên quyết để duy trì chất lượng sản phẩm. RTD được tích hợp vào quy trình nghiên cứu, thử nghiệm và sản xuất để đảm bảo nhiệt độ luôn nằm trong ngưỡng an toàn.

Ngành hóa chất

Tương tự ngành dược, ngành hóa chất yêu cầu kiểm soát nhiệt độ chính xác để đảm bảo an toàn và tính ổn định của quy trình. RTD là lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống và thiết bị chuyên dụng.

Ngành bán dẫn

Quá trình xử lý wafer trong ngành bán dẫn đòi hỏi độ chính xác nhiệt độ cao. Cảm biến RTD được thiết kế để đáp ứng yêu cầu này với khả năng cung cấp dữ liệu nhiệt độ ổn định và có thể lặp lại.

Chế biến thực phẩm

RTD được sử dụng để theo dõi nhiệt độ ở tất cả các giai đoạn sản xuất thực phẩm, từ chế biến, bảo quản cho đến vận chuyển, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Hệ thống HVAC

Trong hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí, cảm biến RTD hỗ trợ điều chỉnh khí hậu, phát hiện cháy và kiểm soát nhiệt độ hiệu quả.

Hàng không vũ trụ

RTD giúp giám sát nhiệt độ trong động cơ, hệ thống làm mát và các bộ phận quan trọng khác, đảm bảo hiệu suất và an toàn khi vận hành.

Công nghiệp nặng

Các thiết bị công nghiệp như động cơ điện, cuộn dây, lò nướng và máy phát điện đều yêu cầu theo dõi nhiệt độ để ngăn ngừa hư hỏng và duy trì hoạt động ổn định.

Y tế

Trong lĩnh vực y tế, cảm biến RTD được tích hợp vào các thiết bị như lồng ấp trẻ sơ sinh, máy lọc máu và thiết bị hô hấp để đảm bảo kiểm soát nhiệt độ chính xác.

Truyền thông

RTD hỗ trợ quản lý nhiệt trong các hệ thống truyền thông, giúp giảm nhiệt lượng phát sinh từ bộ khuếch đại và máy phát để duy trì hiệu suất tối ưu.

Sản phẩm tiêu dùng

Cảm biến RTD xuất hiện trong nhiều thiết bị gia dụng như máy pha cà phê, điện thoại, máy giặt, và chăn điện, đảm bảo điều chỉnh nhiệt độ an toàn và hiệu quả.

Cảm biến RTD đã chứng minh được vai trò quan trọng của mình trong các lĩnh vực công nghiệp và khoa học nhờ vào độ chính xác, tính ổn định và khả năng thích ứng cao. Với sự đa dạng trong cấu tạo và phương pháp chế tạo, RTD có thể đáp ứng các yêu cầu đo nhiệt độ từ cơ bản đến phức tạp. Tùy vào môi trường và mục đích sử dụng, việc lựa chọn loại RTD phù hợp sẽ mang lại hiệu quả tối ưu cho quy trình sản xuất và vận hành.