Trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0 và tự động hóa, việc kiểm soát các thông số môi trường là yếu tố sống còn đối với hiệu suất của máy móc và chất lượng sản phẩm. Trong đó, nhiệt độ là đại lượng vật lý được đo lường thường xuyên nhất. Từ chiếc tủ lạnh trong gia đình, hệ thống điều hòa không khí cho đến các lò nung thép nghìn độ, tất cả đều cần đến một thiết bị nhỏ bé nhưng vô cùng quan trọng đó Cảm biến nhiệt độ.
Cảm biến nhiệt độ là gì?
Cảm biến nhiệt độ (tên tiếng Anh là Temperature Sensor) là một thiết bị điện tử hoặc cơ điện được thiết kế để đo lường mức độ nóng hay lạnh của một đối tượng, môi trường hoặc vật chất cụ thể. Về mặt kỹ thuật, thiết bị này thực hiện chức năng “cảm nhận” sự thay đổi về nhiệt năng và chuyển đổi thông tin đó thành tín hiệu điện (như điện áp, dòng điện hoặc điện trở) để các bộ điều khiển có thể đọc và xử lý.
Tín hiệu đầu ra từ cảm biến nhiệt độ sau đó sẽ được truyền tới các thiết bị hiển thị, bộ ghi dữ liệu (datalogger) hoặc hệ thống điều khiển (như PLC, DCS) để thực hiện các tác vụ tự động hóa như: điều chỉnh nhiệt độ lò nung, ngắt điện khi quá nhiệt, hoặc đơn giản là hiển thị con số nhiệt độ lên màn hình cho người vận hành,.
Trong thực tế, bạn có thể bắt gặp thuật ngữ “đầu dò nhiệt độ” (Temperature Probe). Đây thường là một cụm thiết bị hoàn chỉnh bao gồm phần tử cảm biến bên trong được bảo vệ bởi vỏ bọc kim loại (thường là Inox) để có thể tiếp xúc trực tiếp với môi trường đo khắc nghiệt mà không bị hư hại.
Các thông số cảm biến nhiệt độ
Khi lựa chọn các loại cảm biến nhiệt độ, kỹ sư không chỉ quan tâm đến loại cảm biến mà còn phải xem xét kỹ lưỡng các thông số kỹ thuật để đảm bảo độ bền và độ chính xác. Dưới đây là các thông số quan trọng nhất:
Dải đo (Thang đo nhiệt độ): Đây là yếu tố tiên quyết. Tùy thuộc vào vật liệu cấu tạo, mỗi loại cảm biến có khả năng chịu đựng nhiệt độ khác nhau. Ví dụ, một số loại chỉ đo được từ -50°C đến 250°C, trong khi các loại cặp nhiệt điện chuyên dụng có thể đo lên tới 1800°C,.
Sai số (Độ chính xác): Trong các ngành y tế hay thực phẩm, sai số cho phép rất nhỏ (khoảng 0.1°C đến 0.15°C). Tuy nhiên, trong công nghiệp nặng, sai số tiêu chuẩn thường là 0.3°C hoặc tính theo phần trăm của dải đo.
Kích thước (Chiều dài và đường kính): Cảm biến cần có kích thước phù hợp với vị trí lắp đặt. Chiều dài que đo phổ biến dao động từ 50mm, 100mm đến 1000mm. Đường kính thường gặp là 6mm, 8mm hoặc 10mm.
Kiểu kết nối (Ren): Để gắn chặt cảm biến vào đường ống hoặc bồn chứa, cần chọn đúng chuẩn ren kết nối như G 1/2″, G 1/4″ hoặc các loại kết nối mặt bích, kẹp Clamp (dùng cho thực phẩm).
Tín hiệu ngõ ra: Cảm biến thô thường xuất ra tín hiệu điện trở (Ohm) hoặc điện áp (mV). Tuy nhiên, trong công nghiệp hiện đại, người ta thường tích hợp bộ chuyển đổi để đưa về tín hiệu chuẩn 4-20mA hoặc 0-10V để truyền đi xa mà không bị nhiễu.
Các loại cảm biến nhiệt độ phổ biến
Thị trường hiện nay cung cấp đa dạng các loại cảm biến nhiệt độ để phục vụ cho các môi trường khác nhau. Dựa trên nguyên lý hoạt động và cấu tạo, chúng ta có thể phân loại chúng thành các nhóm chính sau đây: Cặp nhiệt điện, Nhiệt điện trở, Bán dẫn, Hồng ngoại và Điện trở nhiệt.
Việc hiểu rõ từng loại sẽ giúp bạn tối ưu hóa chi phí và hiệu quả vận hành.
Cặp nhiệt điện
Cặp nhiệt điện, hay còn gọi là Thermocouple hoặc Can nhiệt, là dòng cảm biến nhiệt độ được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp nặng nhờ độ bền cao và dải đo nhiệt độ cực rộng.
Bao gồm hai dây kim loại làm từ vật liệu khác nhau được hàn dính lại ở một đầu gọi là đầu nóng (hot junction) – đây là điểm đo. Đầu còn lại gọi là đầu lạnh (cold junction) được nối với thiết bị đo.
Hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck. Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh, một sức điện động (điện áp mức milivolt) sẽ được sinh ra giữa hai đầu dây. Điện áp này tỷ lệ thuận với nhiệt độ cần đo.
Tùy vào cặp kim loại được sử dụng mà ta có các loại Thermocouple khác nhau như K, J, R, S, T, E, B, N.
Loại K: Phổ biến nhất, giá thành hợp lý, đo được nhiệt độ lên đến khoảng 1200°C.
Loại R, S, B: Được làm từ kim loại quý (Bạch kim/Rhodium), có khả năng đo nhiệt độ rất cao (lên tới 1600°C – 1700°C), thường dùng trong lò nung, luyện kim.
Bền bỉ, chịu được va đập, đo nhiệt độ cao tốt. Tuy nhiên, độ chính xác thường thấp hơn so với cảm biến nhiệt điện trở.
Cảm biến nhiệt điện trở
Cảm biến nhiệt điện trở, thường được gọi tắt là RTD (Resistance Temperature Detector), là giải pháp hàng đầu cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và tính ổn định lâu dài. Phần tử cảm biến là một dây kim loại mảnh hoặc màng mỏng, thường được làm từ Bạch kim (Platinum – ký hiệu Pt) hoặc Niken. Loại phổ biến nhất là Pt100.
Dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện trở của dây kim loại cũng tăng theo một tỷ lệ tuyến tính và có thể dự đoán được.
RTD có các loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Trong đó, loại 3 dây được dùng nhiều nhất trong công nghiệp vì nó loại bỏ được sai số do điện trở dây dẫn gây ra.
Cảm biến nhiệt bán dẫn
Với sự phát triển của công nghệ vi mạch, cảm biến nhiệt độ bán dẫn (Semiconductor Temperature Sensor) ngày càng trở nên phổ biến trong các thiết bị điện tử dân dụng. Được chế tạo từ các chất bán dẫn như Diodes, Transistor hoặc các IC tích hợp (như LM35),.
Dựa trên sự thay đổi tính chất dẫn điện của lớp tiếp giáp P-N trong chất bán dẫn khi nhiệt độ thay đổi. Sự thay đổi nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến điện áp hoặc dòng điện đi qua linh kiện này.
Loại cảm biến này rất nhỏ gọn, giá thành rẻ, dễ dàng tích hợp trực tiếp vào các mạch điện tử, bo mạch máy tính, điện thoại.
Dải đo nhiệt độ hẹp (thường từ -50°C đến 150°C) và độ chính xác không cao bằng RTD, nên ít được dùng trong đo lường công nghiệp khắc nghiệt.
Cảm biến nhiệt hồng ngoại
Khi cần đo nhiệt độ ở những nơi nguy hiểm, nhiệt độ cực cao, hoặc vật thể đang chuyển động mà không thể chạm vào, cảm biến nhiệt độ hồng ngoại (Infrared Sensor hay Pyrometer) là lựa chọn duy nhất.
Đây là loại cảm biến không tiếp xúc. Mọi vật thể có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối đều phát ra bức xạ hồng ngoại. Cảm biến sẽ thu nhận năng lượng bức xạ này qua hệ thống thấu kính và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện để tính toán ra nhiệt độ bề mặt của vật thể.
Đo nhiệt độ kim loại nóng chảy, đo nhiệt độ trong lò nung, kiểm tra thiết bị điện từ xa, hoặc dùng trong các súng đo nhiệt độ cầm tay mà chúng ta thường thấy.
Phản ứng rất nhanh, an toàn vì không tiếp xúc. Tuy nhiên, kết quả đo có thể bị ảnh hưởng bởi bề mặt vật liệu, bụi bẩn và môi trường truyền dẫn.
Điện trở nhiệt
Điện trở nhiệt, hay còn gọi là Thermistor, là một dạng đặc biệt của biến trở nhiệt, thường được làm từ hỗn hợp các oxit kim loại (như mangan, niken, coban) nén và nung kết,.
Có hai loại chính:
NTC (Negative Temperature Coefficient): Điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Đây là loại phổ biến nhất dùng để đo nhiệt độ.
PTC (Positive Temperature Coefficient): Điện trở tăng khi nhiệt độ tăng, thường dùng để bảo vệ quá dòng.
Thermistor có độ nhạy cực cao (điện trở thay đổi rất lớn dù nhiệt độ thay đổi nhỏ), phản ứng nhanh và giá thành rẻ.
Tính tuyến tính kém (quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ là đường cong phức tạp), dải đo hẹp (thường dưới 150°C – 250°C),. Do đó, chúng thường được dùng trong các mạch bảo vệ, thiết bị gia dụng (điều hòa, tủ lạnh) hơn là đo lường chính xác trong công nghiệp.
Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ
Có thể nói, cảm biến nhiệt độ hiện diện trong mọi ngóc ngách của đời sống và sản xuất. Dưới đây là những ứng dụng tiêu biểu nhất:
Sản xuất công nghiệp: Đây là lĩnh vực tiêu thụ cảm biến lớn nhất. Chúng được dùng để giám sát nhiệt độ lò hơi, lò nung, bồn chứa hóa chất, đường ống dẫn dầu khí. Kiểm soát nhiệt độ giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm (như trong ngành thực phẩm, nhựa, luyện kim) và an toàn cháy nổ cho nhà máy.
Hệ thống HVAC (Sưởi, Thông gió và Điều hòa không khí): Trong các tòa nhà thương mại và dân dụng, cảm biến nhiệt độ giúp duy trì môi trường thoải mái và tiết kiệm năng lượng bằng cách điều khiển máy lạnh, máy sưởi hoạt động đúng mức cần thiết.
Y tế và Chăm sóc sức khỏe: Cảm biến nhiệt độ là trái tim của các thiết bị như nhiệt kế điện tử, lồng ấp trẻ sơ sinh, máy theo dõi bệnh nhân và các tủ bảo quản vắc-xin, thuốc men, đảm bảo nhiệt độ luôn ở mức an toàn tuyệt đối.
Công nghiệp ô tô và Giao thông vận tải: Trên xe hơi, cảm biến đo nhiệt độ dầu, nước làm mát, khí nạp để tối ưu hóa hiệu suất động cơ và kiểm soát khí thải. Ngoài ra, chúng còn giám sát nhiệt độ của hệ thống phanh và pin xe điện.
Thiết bị gia dụng: Từ lò vi sóng, bếp từ, máy pha cà phê đến tủ lạnh, máy giặt… tất cả đều sử dụng cảm biến (thường là Thermistor hoặc Rơ le nhiệt) để kiểm soát quy trình hoạt động và ngắt điện khi quá nhiệt.
Nông nghiệp công nghệ cao: Giám sát nhiệt độ đất, nhiệt độ nhà kính để tạo điều kiện sinh trưởng tối ưu cho cây trồng, vật nuôi.
Hiểu rõ cảm biến nhiệt độ là gì cùng các nguyên lý hoạt động của từng loại như Thermocouple, RTD hay Thermistor sẽ giúp bạn đưa ra quyết định chính xác trong việc thiết kế hệ thống và mua sắm thiết bị. Dù là ứng dụng đo nhiệt độ cao trong lò nung hay chỉ đơn giản là kiểm soát nhiệt độ phòng, luôn có một loại cảm biến phù hợp dành cho bạn. Việc lựa chọn đúng không chỉ đảm bảo độ chính xác của phép đo mà còn tiết kiệm chi phí bảo trì và nâng cao tuổi thọ cho toàn bộ hệ thống.
