Giới thiệu chung
Nhiệt độ là thông số cảm nhận rộng rãi nhất của tất cả các thông số vật lý bởi vì ý nghĩa của nó đối với các vật liệu và các quá trình ở cấp độ phân tử. Nhiệt độ là một mức độ cụ thể của sự nóng bỏng hay lạnh giá như tham chiếu đến một quy mô cụ thể. Nhiệt độ cũng được định nghĩa là lượng năng lượng nhiệt trong một hệ thống hoặc đối tượng. Năng lượng nhiệt trực tiếp liên quan đến năng lượng phân tử: năng lượng phân tử lớn hơn khi năng lượng nhiệt cao.
Cảm biến nhiệt độ theo dõi những thay đổi diễn ra trong các vật liệu hoặc các đối tượng tương ứng như thay đổi nhiệt độ của chúng. Cảm biến nhiệt độ có thể phát hiện một sự thay đổi trong lượng vật lý tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Các đại lượng vật lý có thể được bất cứ điều gì giống như kháng hoặc điện áp. Điện để cảm biến năng lượng dựa nhiệt sử dụng các hiệu ứng nhiệt của một dòng điện qua một dây dẫn. Nhiệt thành năng lượng điện cảm biến dựa trên đòi hỏi phải có một sự khác biệt nhiệt độ để hoạt động.
Các loại cảm biến nhiệt độ:
Cảm biến nhiệt độ có thể được của hai loại: tiếp xúc và không tiếp đối tượng.
Với loại không tiếp xúc, cảm biến cảm nhận nhiệt của đối tượng từ bức xạ nhiệt phát ra. Các năng lượng bức xạ là các dạng năng lượng phát ra trong phần hồng ngoại của quang phổ điện từ. Chất rắn không phản xạ và các chất lỏng có thể được theo dõi bằng kỹ thuật không tiếp xúc.
Hai loại cảm biến nhiệt độ có thể được chia thành ba nhóm: điện, điện trở và điện tử.
Cảm biến điện
1. Bi-metal Thermostats or Bi-metallic Strips: Như tên gọi của nó, một nhiệt lưỡng kim gồm hai kim loại khác nhau gắn chặt với nhau để tạo thành một dải hợp chất. Hai dải kim loại được gắn kết với nhau dưới nhiệt độ và áp suất. Năng lượng nhiệt có thể được chuyển đổi thành chuyển động cơ điện bằng cách sử dụng hệ số giản nở trên hai kim loại. Khi đun nóng, một dải sẽ bẻ cong bởi vì một kim loại có hệ số giãn nở cao hơn loại kia. Ứng dụng của loại này là đóng cắt mạch điện, phổ biến gặp trong các loại thiết bị đóng cắt điện (CB, MCB, MCCB ...). Trong thiết bị điện gia dụng, bạn có thể gặp chúng trong các loại bàn ủi, lò nướng ..v.v.
Bi-metal Thermostats
2. Bulb and Capillary Thermostats: Ứng dụng mao dẫn mở rộng hoặc dùng một chất lỏng để thực hiện đóng cắt điện.
(Xem thêm TS Series Bulb & Capillary Thermostats)
Cảm biến điện trở
1.Thermistors: Thermistors là điện trở nhiệt nhạy cảm. Trong nhiệt trở, điện trở thay đổi theo nhiệt độ của chúng. Chúng được làm bằng một sự kết hợp của hai hoặc ba oxit kim loại với oxit kẽm trong một trong số loại. Sự kết hợp này được đưa vào trong một vỏ bọc gốm và là một chất cách điện. Thermistors có hai loại dựa trên hệ số nhiệt độ: nhiệt trở hệ số nhiệt độ dương (PTC) và nhiệt trở hệ số nhiệt độ âm (NTC). Trong trường hợp thermistors hệ số nhiệt dương, trở kháng tăng lên khi nhiệt độ tăng lên và trong trường hợp của thermistors hệ số nhiệt âm, điện trở giảm khi nhiệt độ tăng lên. Thermistors hệ số nhiệt âm cung cấp một mức độ cao hơn về độ nhạy và có sẵn trong cấu hình nhỏ cho phản ứng nhiệt nhanh chóng.
PTC thermistors có thể được sử dụng như là các thiết bị có bộ hạn chế để bảo vệ mạch, như thay thế cho cầu chì.
PTC thermistors đã được sử dụng như hẹn giờ trong mạch cuộn dây khử từ của hầu hết các màn hình CRT.
PTC thermistors được sử dụng như lò sưởi trong ngành công nghiệp ô tô để cung cấp nhiệt bổ sung bên trong cabin với động cơ diesel hoặc để làm nóng động cơ diesel trong điều kiện khí hậu lạnh.
NTC Thermistors được sử dụng như nhiệt kế điện trở trong các phép đo nhiệt độ thấp của thứ tự của 10 K.
Thermistors cũng thường được sử dụng trong điều nhiệt kỹ thuật số hiện đại. Thermistors thường được sử dụng trong các đầu nóng của máy in 3D; họ theo dõi nhiệt được sản xuất và cho phép mạch điều khiển của máy in để giữ nhiệt độ ổn định cho tan chảy các sợi nhựa.
NTC Thermistors được sử dụng trong xử lý thực phẩm và chế biến công nghiệp, đặc biệt là cho các hệ thống lưu trữ thực phẩm và chuẩn bị thức ăn. Duy trì nhiệt độ chính xác là rất quan trọng để ngăn chặn thực phẩm bệnh gây ra.
NTC Thermistors được sử dụng trong ngành công nghiệp gia dụng tiêu dùng để đo nhiệt độ. Lò nướng bánh, máy pha cà phê, tủ lạnh, tủ đông, máy sấy tóc, vv tất cả dựa vào nhiệt trở để kiểm soát nhiệt độ thích hợp.
2. Thiết bị điện trở nhiệt độ (RTD): Tương tự như Thermistors, điện trở của điện trở nhiệt độ thay đổi các thiết bị đo lường và kiểm soát nhiệt độ. Thiết bị nhiệt điện trở bao gồm phần tử cảm biến, kết nối dây điện và dụng cụ đo. Các dây nối được sử dụng giữa các phần tử cảm biến và thiết bị đo và hỗ trợ sẽ được dùng cho việc định vị các yếu tố trong quá trình này. Các phần tử cảm biến là một điện trở có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Các phần tử cảm biến bao gồm một cuộn dây điện với dây dẫn khắc vào nó. Điều này được đặt trong gốm và được gắn vào với ceramic glass. Một màng dẫn điện (metal film) cũng có thể được sử dụng thay vì một cuộn dây điện.
Hình ảnh thiết bị nhiệt điện trở RTD
Các phần tử cảm biến phải được định vị một cách mà nó có thể đạt đến quá trình nhiệt độ một cách nhanh chóng. Đối với các ứng dụng mà rung động cao và sốc là phổ biến, các thiết bị dây dẫn cần được bảo vệ đầy đủ. Để đo điện trở từ một khoảng cách, dây mở rộng giữa các phần tử cảm biến và các công cụ có thể được sử dụng.
Cảm biến điện tử
1. Thermocouples: (Cặp nhiệt điện hay Can nhiệt) Khi hai dây dẫn của kim loại khác nhau được tham gia vào một kết thúc một mạch, chúng tạo thành một cặp nhiệt điện. Chúng không chứa các thành phần cảm biến như các thiết bị nhiệt điện trở, vì vậy rất ít hạn chế về vật liệu sử dụng. Chúng có thể xử lý nhiệt độ cao hơn nhiều so với các thiết bị nhiệt điện trở. Việc xây dựng của một cặp nhiệt điện gồm dây dẫn và bột gốm sứ cách điện.
Thermocouples
Khi các mối nối phải chịu nhiệt độ khác nhau, phát sinh dòng điện (mA) tỷ lệ thuận với nhiệt độ khác nhau của chúng, sẽ chảy trong dây dẫn.
Một số kết hợp của các hợp kim đã trở nên phổ biến như là tiêu chuẩn công nghiệp (E, J, K, R, S, T…).
Những chú ý khi sử dụng: Lựa chọn Cặp nhiệt điện ngoài việc chọn đúng loại phù hợp dải đo nhiệt, phù hợp môi trường lắp đặt thì cần đặc biệt chú ý đến dân dẫn tín hiệu:
- Dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt (vì tín hiệu truyền đi dưới dạng điện áp mV nên nếu dây dài sẽ dẫn đến sai số nhiều).
- Thực hiện việc cài đặt giá trị bù nhiệt (Offset) để bù lại tổn thất mất mát trên đường dây. Giá trị Offset lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ dài, chất liệu dây và môi trường lắp đặt.
- Không để các đầu dây nối của Cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường cần đo.
- Đấu nối đúng chiều âm, dương cho Cặp nhiệt điện.
Cặp nhiệt điện là một loại được sử dụng rộng rãi của các bộ cảm biến nhiệt độ để đo lường và điều khiển. Trong khoa học và công nghiệp; các ứng dụng bao gồm đo nhiệt độ cho lò nung, xả tuabin khí, động cơ diesel, và các quá trình công nghiệp khác. Cặp nhiệt điện cũng được sử dụng trong nhà, văn phòng, kinh doanh theo các cảm biến nhiệt độ trong nhiệt, và cũng như các cảm biến ngọn lửa trong các thiết bị an toàn cho các thiết bị lớn chạy bằng khí.
2. Silicon Sensors: (Cảm biến bán dẩn): các thuộc tính điện trở của vật liệu bán dẫn được sử dụng trong các cảm biến silicon. Các đặc tính kháng được lấy với số lượng lớn hơn là chỉ các đường giao nhau của các khu vực khác nhau pha tạp. Ở nhiệt độ thấp, cảm biến silicon cung cấp tích cực hệ số nhiệt độ tăng tức là tuyến tính trong việc đề kháng với sự gia tăng nhiệt độ.
Hình ảnh một số IC cảm biến nhiệt
Cảm biến nhiệt độ Silicon Bandgap là hình thức phổ biến của cảm biến nhiệt độ sử dụng trong các thiết bị điện tử. Các nguyên tắc của một cảm biến nhiệt độ bandgap Silicon là sự phụ thuộc nhiệt độ của điện áp chuyển tiếp của Silicon diode. Điện áp chuyển tiếp có thể là Emitter - ngã ba cơ sở của một BJT.
Son Nguyen.
