Bạn đã bao giờ tự hỏi làm thế nào để các thiết bị như lò nướng, tủ lạnh, hay máy điều hòa có thể duy trì nhiệt độ chính xác? Bí mật nằm ở một thiết bị nhỏ bé nhưng vô cùng quan trọng: cảm biến nhiệt độ. Trong bài viết này, hãy cùng tìm hiểu cảm biến nhiệt độ là gì, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại, cũng như các ứng dụng đa dạng của chúng trong cuộc sống. Cùng theo dõi nhé!
1. Cảm biến nhiệt độ là gì?
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị điện tử có khả năng đo lường sự thay đổi về nhiệt độ của môi trường xung quanh hoặc của một đối tượng cụ thể. Chúng hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi của một thuộc tính vật lý hoặc hóa học của vật liệu cảm biến khi nhiệt độ thay đổi. Cảm biến nhiệt độ sẽ chuyển đổi sự thay đổi nhiệt độ này thành tín hiệu điện (như điện áp, dòng điện, điện trở) hoặc các dạng tín hiệu khác (như tín hiệu số) để các thiết bị khác có thể đọc và xử lý thông tin về nhiệt độ.
Cảm biến nhiệt độ còn được biết đến với nhiều tên gọi khác như: can nhiệt, cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, nhiệt kế điện trở metal,… Trong tiếng Anh, cảm biến nhiệt độ là temperature sensor.
2. Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ
Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ có thể khác nhau tùy thuộc vào loại cảm biến và nguyên lý hoạt động cụ thể. Tuy nhiên, nhìn chung, một cảm biến nhiệt độ thường bao gồm các bộ phận chính sau:
2.1. Bộ phận cảm biến (Sensing Element)
Đây là bộ phận quan trọng, quyết định phần lớn đến độ chính xác, độ nhạy và dải đo của cảm biến. Bộ phận cảm biến được làm từ vật liệu đặc biệt nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ, có đặc tính vật lý hoặc hóa học thay đổi theo nhiệt độ.. Tùy thuộc vào loại cảm biến, vật liệu này có thể là kim loại (như bạch kim, niken, đồng), oxit kim loại, hoặc chất bán dẫn.
Một số vật liệu phổ biến được sử dụng làm bộ phận cảm biến bao gồm:
- Kim loại: Platinum (Pt), Nickel (Ni), Copper (Cu) trong các cảm biến RTD. Các kim loại này có điện trở thay đổi tuyến tính với nhiệt độ.
- Hợp kim: Hai kim loại khác nhau được hàn dính ở một đầu trong các cặp nhiệt điện (thermocouple). Sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu tạo ra điện áp.
- Oxit kim loại: Coban, Mangan, Niken trong các cảm biến thermistor. Các oxit kim loại này có điện trở thay đổi theo nhiệt độ.
- Chất bán dẫn: Diode, transistor, IC trong các cảm biến nhiệt độ bán dẫn.
- Vật liệu đặc biệt sử dụng cho các nhiệt kế bức xạ hoặc hỏa kế.
2.2. Thân cảm biến (Sensor Body/Housing)
Thân cảm biến có chức năng bảo vệ bộ phận cảm biến khỏi các tác động cơ học, hóa học và các yếu tố môi trường như độ ẩm, bụi bẩn, hóa chất ăn mòn. Bộ phận này thường được làm từ vật liệu bền, chịu nhiệt, chịu áp suất và chống ăn mòn như thép không gỉ, nhựa chịu nhiệt, gốm, sứ.
Hình dạng và kích thước của thân cảm biến rất đa dạng, phụ thuộc vào loại cảm biến và ứng dụng cụ thể. Ví dụ: dạng que, dạng củ hành, dạng dây, dạng đầu dò,…
2.3. Dây dẫn hoặc đầu kết nối (Lead Wires/Connector)
Dùng để truyền tín hiệu điện (điện áp, dòng điện, điện trở) từ bộ phận cảm biến đến thiết bị đọc và xử lý dữ liệu. Vật liệu làm dây dẫn được lựa chọn cẩn thận dựa trên điều kiện môi trường sử dụng, thường là đồng, niken hoặc các hợp kim chịu nhiệt, được bọc cách điện.
Tùy thuộc vào loại cảm biến và yêu cầu về độ chính xác, cảm biến có thể có 2, 3 hoặc 4 dây kết nối. Đầu kết nối có thể là dạng chân cắm, ốc vít, hoặc các kiểu kết nối chuyên dụng khác.
2.4. Chất cách điện (Insulating material)
Chất cách điện bao bọc xung quanh dây kết nối, giúp ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch và cách điện giữa các dây kết nối với vỏ bảo vệ. Bộ phận này thường được làm từ vật liệu cách điện tốt, chịu nhiệt cao như gốm, sứ, bột alumina mịn, đảm bảo tín hiệu đo được chính xác và ổn định.
2.5. Phụ chất làm đầy (Filling material)
Thường là bột alumina mịn, được sấy khô và rung để lấp đầy các khoảng trống bên trong cảm biến. Chất làm đầy này giúp bảo vệ cảm biến khỏi các tác động rung động từ bên ngoài, tăng cường độ bền và ổn định.
2.6. Đầu kết nối (Connection head)
Bộ phận này thường thấy ở các cảm biến nhiệt độ dạng củ hành, được làm bằng vật liệu cách điện (thường là gốm), chứa các bảng mạch cho phép kết nối với điện trở. Một số cảm biến nhiệt độ còn tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu (ví dụ: 4-20mA) ngay tại đầu kết nối để truyền tín hiệu đi xa hơn và chống nhiễu tốt hơn.
2.7. Vỏ bảo vệ (Protective cover)
Là lớp vỏ bên ngoài, thường được làm từ kim loại hoặc vật liệu chịu nhiệt, chịu áp lực tốt, bảo vệ các bộ phận bên trong cảm biến khỏi các tác động cơ học, hóa học và môi trường.
3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ
Về cơ bản, các loại cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên nguyên lý chung: sự thay đổi của một đại lượng vật lý (thường là điện trở) của vật liệu cảm biến theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, đại lượng này cũng thay đổi theo và sự thay đổi này được chuyển đổi thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện này sau đó được khuếch đại, xử lý và hiển thị thành giá trị nhiệt độ tương ứng.
Cụ thể hơn, các nguyên lý hoạt động phổ biến bao gồm:
- Nguyên lý cặp nhiệt điện (Thermocouple): Dựa trên hiệu ứng Seebeck, khi hai kim loại khác nhau được nối với nhau tại hai điểm có nhiệt độ khác nhau, sẽ xuất hiện một sức điện động (điện áp) giữa hai điểm đó. Sức điện động này tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm.
- Nguyên lý nhiệt điện trở (RTD): Dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện trở của kim loại cũng tăng theo một tỷ lệ nhất định. Bạch kim (Pt) là kim loại thường được sử dụng nhất trong các cảm biến RTD do có độ tuyến tính cao và ổn định trong dải nhiệt độ rộng.
- Nguyên lý Thermistor: Tương tự như RTD, Thermistor cũng dựa trên sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ. Tuy nhiên, Thermistor thường được làm từ các oxit kim loại và có hệ số nhiệt điện trở lớn hơn nhiều so với RTD, nghĩa là sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ lớn hơn, dẫn đến độ nhạy cao hơn.
- Nguyên lý cảm biến nhiệt bán dẫn: Dựa trên sự thay đổi điện áp phân cực thuận của các lớp tiếp giáp P-N trong linh kiện bán dẫn (như diode, transistor) theo nhiệt độ.
4. Phân loại cảm biến nhiệt độ
Dựa trên nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng, cảm biến nhiệt độ được phân thành nhiều loại khác nhau. Dưới đây là các loại cảm biến nhiệt độ phổ biến:
4.1. Cảm biến nhiệt độ (Cặp nhiệt điện – Thermocouple)
Cặp nhiệt điện (Thermocouple) gồm hai dây kim loại khác nhau (ví dụ: Niken-Crom và Niken-Alumel cho loại K) được hàn dính ở một đầu (đầu nóng) và để hở ở đầu còn lại (đầu lạnh). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh, một sức điện động (điện áp) được tạo ra tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ này (hiệu ứng Seebeck).
Ưu điểm:
- Dải đo nhiệt độ rộng (tùy thuộc vào loại cặp nhiệt).
- Độ bền cao, chịu được nhiệt độ cao và môi trường khắc nghiệt.
- Giá thành tương đối thấp.
Nhược điểm:
- Độ chính xác thấp hơn so với RTD.
- Độ nhạy thay đổi theo nhiệt độ.
Có nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau, được ký hiệu bằng các chữ cái (ví dụ: K, J, T, E, R, S, B, N), mỗi loại có dải đo và đặc tính riêng. Phổ biến nhất là loại K. Thermocouple thường được sử dụng để đo nhiệt độ cao trong các lò nung, lò luyện kim, động cơ, và các ứng dụng công nghiệp khác.
4.2. Nhiệt điện trở (RTD – Resistance Temperature Detectors)
Nhiệt điện trở (RTD) có cấu tạo gồm một dây kim loại (thường là bạch kim) được quấn cẩn thận trên một lõi gốm hoặc thủy tinh, thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, ví dụ như trong phòng thí nghiệm, thiết bị y tế, và các quy trình công nghiệp chính xác.
Nguyên lý hoạt động của RTD là điện trở của kim loại thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện trở cũng tăng theo.
Ưu điểm:
- Độ chính xác cao.
- Độ ổn định tốt.
- Ít bị trôi theo thời gian.
Nhược điểm:
- Dải đo nhiệt độ hẹp hơn so với cặp nhiệt điện.
- Giá thành cao hơn.
- Dễ bị hỏng do sốc nhiệt hoặc rung động.
Phân loại:
- Theo vật liệu: Phổ biến nhất là RTD bạch kim (Pt100, Pt1000), ngoài ra còn có RTD niken (Ni120) và RTD đồng (Cu100).
- Theo hình dáng: Loại đầu củ hành (phần cảm biến được bảo vệ trong một đầu kim loại có hình dạng giống củ hành) và loại sợi có dây sẵn (phần cảm biến có dạng dây).
4.3. Điện trở Oxit kim loại (Thermistor)
Được làm từ hỗn hợp các oxit kim loại (như mangan, niken, cobalt) được nén và thiêu kết ở nhiệt độ cao. Điện trở của thermistor thay đổi phi tuyến theo nhiệt độ.
Có hai loại thermistor:
- NTC (Negative Temperature Coefficient): Điện trở giảm khi nhiệt độ tăng.
- PTC (Positive Temperature Coefficient): Điện trở tăng khi nhiệt độ tăng.
Thermistor có độ nhạy cao (thay đổi điện trở lớn khi nhiệt độ thay đổi nhỏ), giá thành thấp cùng kích thước nhỏ gọn. Tuy nhiên có hạn chế là dải đo nhiệt độ hẹp, độ tuyến tính kém và dễ bị tự đốt nóng.
Điện trở Oxit kim loại thường được sử dụng trong các ứng dụng cần độ nhạy cao, dải đo hẹp, ví dụ như trong các mạch bảo vệ quá nhiệt, mạch bù nhiệt, và các thiết bị điện tử gia dụng.
4.4. Cảm biến nhiệt bán dẫn (Diode, IC)
Cảm biến nhiệt bán dẫn sử dụng các linh kiện bán dẫn như diode, transistor hoặc các mạch tích hợp (IC) chuyên dụng, thường được sử dụng để đo nhiệt độ không khí, nhiệt độ trong các thiết bị điện tử, và trong các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao. Loại cảm biến nhiệt này hoạt động dựa trên sự thay đổi điện áp phân cực thuận của các lớp tiếp giáp P-N trong linh kiện bán dẫn theo nhiệt độ.
Cảm biến nhiệt bán dẫn có ưu điểm là giá thành thấp, độ nhạy tương đối cao, dễ tích hợp vào các mạch điện tử. Tuy nhiên chúng có dải đo nhiệt độ hẹp, độ chính xác chỉ ở mức tương đối.
4.5. Nhiệt kế bức xạ (Pyrometer)
Pyrometer có cấu tạo gồm hệ thống quang học để thu nhận bức xạ nhiệt và mạch điện tử để xử lý tín hiệu, thường được sử dụng để đo nhiệt độ trong các lò nung, lò luyện kim, và các ứng dụng công nghiệp khác có nhiệt độ cao hoặc khó tiếp cận. Thiết bị này đo nhiệt độ dựa trên bức xạ nhiệt phát ra từ vật thể. Mọi vật thể có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối đều phát ra bức xạ nhiệt, và cường độ bức xạ nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của vật thể.
Nhiệt kế bức xạ có thể đo nhiệt độ từ xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp với vật thể, có khả năng đo mức nhiệt rất cao, thời gian đáp ứng nhanh. Tuy nhiên độ chính xác của nhiệt kế bức xạ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như độ phát xạ của vật thể, khoảng cách đo, và môi trường xung quanh.
4.6. Khác
Cảm biến nhiệt độ còn có thể được phân loại theo số lượng dây kết nối (2 dây, 3 dây, 4 dây).
- 2 dây: Loại này ít chính xác nhất và thường được sử dụng khi kết nối với dây có điện trở thấp và ngắn.
- 3 dây: Phổ biến trong công nghiệp, cho độ chính xác cao hơn và loại bỏ được sai số do điện trở của dây dẫn.
- 4 dây: Loại này cho độ chính xác cao nhất, thường được dùng trong các ứng dụng thí nghiệm và nghiên cứu.
Ngoài ra, cảm biến nhiệt độ cũng có thể được phân loại theo hình dáng (dạng dây, dạng củ hành).
5. Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ
Với khả năng đo lường nhiệt độ chính xác và đa dạng về chủng loại, cảm biến nhiệt độ được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống, từ công nghiệp, nông nghiệp, y tế, đến các thiết bị gia dụng.
5.1. Trong công nghiệp
- Giám sát và điều khiển nhiệt độ trong các lò nung, lò luyện kim, lò hơi, đảm bảo quá trình sản xuất diễn ra ổn định và hiệu quả.
- Kiểm soát nhiệt độ trong các hệ thống làm mát, hệ thống sấy, đảm bảo chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng.
- Theo dõi nhiệt độ của máy móc, thiết bị, phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng do quá nhiệt.
- Đo nhiệt độ trong bồn đun nước, bồn hóa chất, hầm chứa.
- Giám sát nhiệt độ trong kho lạnh, kho bảo quản thực phẩm, dược phẩm.
5.2. Trong khoa học và phòng thí nghiệm
- Thực hiện các thí nghiệm nghiên cứu về nhiệt độ, các phản ứng hóa học, sinh học.
- Kiểm tra và hiệu chuẩn các thiết bị đo lường khác.
5.3. Trong ngành ô tô và vận tải
- Theo dõi nhiệt độ động cơ, dầu nhớt, nước làm mát, đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và an toàn.
- Kiểm soát nhiệt độ trong cabin xe, mang lại sự thoải mái cho người lái và hành khách.
- Giám sát nhiệt độ trong các xe tải đông lạnh, đảm bảo chất lượng hàng hóa trong quá trình vận chuyển (ví dụ: cảm biến nhiệt độ xe tải đông lạnh AD – X3 của Adsun).
5.4. Trong thiết bị gia dụng
- Điều khiển nhiệt độ trong các thiết bị như tủ lạnh, máy điều hòa, lò nướng, lò vi sóng, máy giặt, máy sấy, ấm siêu tốc, bếp từ.
- Đảm bảo an toàn cho người sử dụng và tiết kiệm năng lượng.
5.5. Trong y tế
- Theo dõi thân nhiệt bệnh nhân.
- Kiểm soát nhiệt độ trong các thiết bị y tế như tủ ấm, máy ủ, máy tiệt trùng.
- Giám sát nhiệt độ trong quá trình bảo quản máu, vắc xin và các chế phẩm sinh học.
5.6. Trong môi trường
Cảm biến nhiệt độ theo dõi nhiệt độ không khí, nước, đất, phục vụ cho công tác dự báo thời tiết, nghiên cứu biến đổi khí hậu.
5.7. Trong công nghiệp điện tử
- Kiểm soát nhiệt độ của các linh kiện điện tử, đảm bảo chúng hoạt động ổn định và bền bỉ.
- Bảo vệ các mạch điện tử khỏi bị quá nhiệt.
5.8. Trong nông nghiệp
- Theo dõi nhiệt độ trong nhà kính, chuồng trại, đảm bảo điều kiện sinh trưởng tối ưu cho cây trồng và vật nuôi.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến cây trồng và vật nuôi.
6. Lưu ý khi sử dụng và bảo quản cảm biến nhiệt độ
Để đảm bảo cảm biến nhiệt độ hoạt động chính xác và bền bỉ, bạn cần lưu ý một số điểm sau:
- Lựa chọn cảm biến phù hợp: Đây là yếu tố quan trọng nhất. Hãy xác định rõ nhu cầu sử dụng của bạn về dải đo nhiệt độ, độ chính xác, môi trường làm việc, thời gian đáp ứng, và ngân sách để chọn được loại cảm biến phù hợp nhất.
- Lắp đặt đúng cách: Đảm bảo cảm biến tiếp xúc tốt với vật thể hoặc môi trường cần đo để có kết quả chính xác nhất. Cần sử dụng các phụ kiện lắp đặt phù hợp để bảo vệ cảm biến khỏi các tác động cơ học và hóa học. Đối với cặp nhiệt điện, chú ý không để các đầu dây nối tiếp xúc với môi trường cần đo và kết nối đúng chiều âm dương.
- Kết nối chính xác: Kết nối cảm biến với thiết bị đọc và hiển thị theo đúng sơ đồ hướng dẫn của nhà sản xuất. Sử dụng dây kết nối có chất lượng tốt và phù hợp với loại cảm biến.
- Kiểm tra và hiệu chuẩn định kỳ: Theo thời gian, cảm biến có thể bị sai lệch do lão hóa hoặc các tác động từ môi trường. Do đó, cần kiểm tra và hiệu chuẩn cảm biến định kỳ để đảm bảo độ chính xác.
- Bảo quản cẩn thận: Khi không sử dụng, hãy bảo quản cảm biến ở nơi khô ráo, thoáng mát, tránh ánh nắng trực tiếp, nhiệt độ cao, và các hóa chất ăn mòn. Tránh để cảm biến bị va đập mạnh hoặc rung động quá mức.
- Cài đặt giá trị bù nhiệt: Đối với một số loại cảm biến, đặc biệt là cặp nhiệt điện, cần phải cài đặt giá trị bù nhiệt để bù lại tổn thất mất mát trên đường dây. Giá trị bù nhiệt phụ thuộc vào độ dài, chất liệu dây và môi trường lắp đặt.
7. Nơi cung cấp cảm biến uy tín, chất lượng
Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều đơn vị cung cấp cảm biến với đa dạng các chủng loại, thương hiệu và giá thành khác nhau. Tuy nhiên, không phải đơn vị nào cũng đảm bảo cung cấp sản phẩm chính hãng, chất lượng tốt và dịch vụ hậu mãi chu đáo.
Công ty TNHH Đầu tư Thương mại Dịch vụ Xuất nhập khẩu Thanh Thiên Phú tự hào là đơn vị chuyên cung cấp các loại cảm biến chính hãng, uy tín, chất lượng với giá cả cạnh tranh. Chúng tôi cam kết:
- Cung cấp sản phẩm chính hãng, đầy đủ giấy tờ chứng nhận nguồn gốc xuất xứ (CO, CQ).
- Đa dạng các loại cảm biến, đáp ứng mọi nhu cầu sử dụng của khách hàng.
- Giá cả cạnh tranh, chính sách chiết khấu hấp dẫn cho các đơn hàng số lượng lớn.
- Đội ngũ nhân viên tư vấn nhiệt tình, giàu kinh nghiệm, sẵn sàng hỗ trợ khách hàng lựa chọn được sản phẩm phù hợp nhất.
- Chế độ bảo hành uy tín, dịch vụ hậu mãi chu đáo.
Hãy liên hệ ngay với Thanh Thiên Phú để được tư vấn và báo giá chi tiết các loại cảm biến:
- Hotline: 0812.77.88.99
- Website: https://thanhthienphu.vn/
- Email: info@thanhthienphu.vn
Hy vọng rằng, với những kiến thức được chia sẻ trong bài viết này, bạn đã có thể hiểu rõ hơn về cảm biến nhiệt độ và có thể lựa chọn cho mình loại cảm biến phù hợp nhất với nhu cầu sử dụng. Nếu bạn còn bất kỳ thắc mắc nào, đừng ngần ngại liên hệ với Thanh Thiên Phú để được tư vấn và hỗ trợ tốt nhất.
Xem thêm:
Trang chủ