Cảm Biến Nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là loại cảm biến được sử dụng phổ biến nhất trong tất cả các cảm biến hiện nay. Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để phát hiện nhiệt độ và đo nhiệt độ. Chúng thường được tích hợp trong các loại máy đo nhiệt độ hoặc đầu dò nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là gì

Các loại cảm biến nhiệt độ này khác nhau từ các thiết bị ổn nhiệt ON / OFF đơn giản điều khiển hệ thống sưởi ấm nước nóng trong nước đến các loại chất bán dẫn có độ nhạy cao có thể điều khiển các nhà máy lò điều khiển quá trình phức tạp.

Chúng tôi nhớ từ các lớp khoa học của trường chúng tôi rằng sự chuyển động của các phân tử và nguyên tử tạo ra nhiệt (động năng) và chuyển động càng lớn thì càng tạo ra nhiều nhiệt. Cảm biến nhiệt độ đo lượng năng lượng nhiệt hoặc thậm chí độ lạnh được tạo ra bởi một vật thể hoặc hệ thống, cho phép chúng ta cảm nhận được cảm giác hay phát hiện bất kỳ thay đổi vật lý nào đối với nhiệt độ đó tạo ra đầu ra tương tự hoặc kỹ thuật số.

Xem thêm:

Cảm biến hồng ngoại là gì

Cảm biến chuyển động

Có nhiều loại cảm biến nhiệt độ khác nhau có sẵn và tất cả đều có các đặc điểm khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng thực tế của chúng. Một cảm biến nhiệt độ bao gồm hai loại vật lý cơ bản:

Các loại cảm biến nhiệt độ tiếp xúc – Những loại cảm biến nhiệt độ này được yêu cầu phải tiếp xúc vật lý với đối tượng được cảm nhận và sử dụng dẫn để theo dõi sự thay đổi nhiệt độ. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí trong một phạm vi nhiệt độ rộng.
Các loại cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc – Những loại cảm biến nhiệt độ này sử dụng đối lưu và bức xạ để theo dõi sự thay đổi nhiệt độ. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện các chất lỏng và khí phát ra năng lượng bức xạ khi nhiệt tăng và lạnh lắng xuống đáy trong dòng đối lưu hoặc phát hiện năng lượng bức xạ được truyền từ một vật thể dưới dạng bức xạ hồng ngoại (mặt trời).

Hai loại cảm biến nhiệt độ tiếp xúc cơ bản hoặc thậm chí không tiếp xúc cũng có thể được chia thành ba nhóm cảm biến sau, Cơ điện , Điện trở và Điện tử và cả ba loại được thảo luận dưới đây.

Công tắc nhiệt độ

Công tắc nhiệt độ hay công tắc nhiệt là một loại cảm biến tiếp xúc cơ điện nhiệt độ hoặc chuyển đổi, mà về cơ bản bao gồm hai kim loại khác nhau như niken, đồng, vonfram hoặc nhôm vv, được liên kết với nhau để tạo thành một dải Bi-kim . Tốc độ giãn nở tuyến tính khác nhau của hai kim loại khác nhau tạo ra chuyển động uốn cơ học khi dải chịu nhiệt.

Dải kim loại có thể được sử dụng như một công tắc điện hoặc như một cách cơ học để vận hành một công tắc điện trong điều khiển nhiệt và được sử dụng rộng rãi để kiểm soát các bộ phận làm nóng nước nóng trong nồi hơi, lò nung, bể chứa nước nóng cũng như trong xe hệ thống làm mát tản nhiệt.

Bình giữ nhiệt Bi-metallic

Bộ điều nhiệt bao gồm hai kim loại nhiệt khác nhau được dán lại với nhau. Khi trời lạnh, các tiếp điểm được đóng lại và dòng điện đi qua bộ điều chỉnh nhiệt. Khi trời nóng, một kim loại sẽ nở ra nhiều hơn kim loại kia và dải kim loại liên kết uốn cong lên (hoặc xuống) mở các tiếp điểm ngăn dòng điện chạy qua.

Bật / tắt nhiệt

Có hai loại dải kim loại chính dựa chủ yếu vào chuyển động của chúng khi chịu sự thay đổi nhiệt độ. Có các kiểu hành động snap snap hành động, tạo ra một hành động tức thời ON / OFF trực tiếp hoặc loại TẮT / BẬT trên các tiếp điểm điện ở một điểm nhiệt độ đã đặt và các loại hành động creep hành động chậm chạp chậm thay đổi vị trí của chúng khi nhiệt độ thay đổi.

Bình giữ nhiệt kiểu Snap-action thường được sử dụng trong nhà của chúng tôi để kiểm soát điểm đặt nhiệt độ của lò nướng, bàn là, bể nước nóng ngâm và chúng cũng có thể được tìm thấy trên tường để điều khiển hệ thống sưởi ấm trong nước.

Các loại dây leo thường bao gồm một cuộn dây kim loại hoặc xoắn ốc, từ từ giãn ra hoặc cuộn lại khi nhiệt độ thay đổi. Nói chung, các dải bi-metallic loại dây leo nhạy cảm hơn với sự thay đổi nhiệt độ so với các loại BẬT / TẮT tiêu chuẩn vì dải này dài hơn và mỏng hơn khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong đồng hồ đo nhiệt độ và mặt số, v.v.

Mặc dù rất rẻ và có sẵn trong phạm vi hoạt động rộng, một nhược điểm chính của bộ điều nhiệt loại hành động nhanh khi sử dụng làm cảm biến nhiệt độ, là chúng có phạm vi trễ lớn từ khi tiếp điểm điện mở cho đến khi chúng đóng lại. Ví dụ: nó có thể được đặt thành 20 ^o C nhưng không thể mở cho đến 22 ^o C hoặc đóng lại cho đến 18 ^o C.

Vì vậy, phạm vi dao động nhiệt độ có thể khá cao. Các bộ điều nhiệt bi-kim loại có bán trên thị trường để sử dụng tại nhà có các vít điều chỉnh nhiệt độ cho phép đặt điểm đặt nhiệt độ và độ trễ mong muốn chính xác hơn.

Nhiệt điện trở

Các Thermistor là một loại cảm biến nhiệt độ, có tên là sự kết hợp của các từ Therm res- -ally nhạy cảm ISTOR . Nhiệt điện trở là một loại điện trở đặc biệt làm thay đổi điện trở vật lý của nó khi tiếp xúc với những thay đổi về nhiệt độ.

Nhiệt điện trở

Nhiệt điện thường được làm từ vật liệu gốm như oxit niken, mangan hoặc coban phủ trong thủy tinh khiến chúng dễ bị hỏng. Ưu điểm chính của chúng so với các loại hành động nhanh là tốc độ phản ứng với mọi thay đổi về nhiệt độ, độ chính xác và độ lặp lại.

Hầu hết các loại nhiệt điện trở đều có Hệ số nhiệt độ âm hoặc (NTC) , đó là giá trị điện trở của chúng giảm xuống khi nhiệt độ tăng, và dĩ nhiên có một số loại có Hệ số nhiệt độ dương, (PTC) , trong đó giá trị điện trở tăng lên với sự gia tăng nhiệt độ.

Nhiệt điện được chế tạo từ vật liệu bán dẫn loại gốm sử dụng công nghệ oxit kim loại như mangan, coban và niken, v.v … Vật liệu bán dẫn này thường được tạo thành các đĩa hoặc quả bóng nhỏ được hàn kín để phản ứng tương đối nhanh với mọi thay đổi nhiệt độ .

Nhiệt điện trở được đánh giá bằng giá trị điện trở của chúng ở nhiệt độ phòng (thường là 25 ^o C), hằng số thời gian của chúng (thời gian phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ) và xếp hạng công suất của chúng đối với dòng điện chạy qua chúng. Giống như điện trở, nhiệt điện trở có sẵn với các giá trị điện trở ở nhiệt độ phòng từ 10 M xuống chỉ vài Ohms, nhưng để cảm nhận các mục đích đó, các loại có giá trị tính bằng kilo-ohms thường được sử dụng.

Nhiệt điện trở là thiết bị điện trở thụ động, có nghĩa là chúng ta cần truyền một dòng điện qua nó để tạo ra một điện áp có thể đo được. Sau đó, nhiệt điện thường được kết nối nối tiếp với điện trở phân cực phù hợp để tạo thành mạng phân chia tiềm năng và việc lựa chọn điện trở cho đầu ra điện áp ở một số điểm hoặc giá trị nhiệt độ được xác định trước, ví dụ:

Nhiệt điện trở sau có giá trị điện trở là 10KΩ ở 25 ^o C và giá trị điện trở là 100Ω ở 100 ^o C. Tính điện áp rơi trên điện trở nhiệt và do đó điện áp đầu ra của nó (Vout) cho cả hai nhiệt độ khi được mắc nối tiếp với điện trở 1kΩ trên một nguồn cung cấp điện 12 v.

Ở 25 ^o C

Ở 100 ^o C

Bằng cách thay đổi giá trị điện trở cố định của R2 (trong ví dụ 1kΩ của chúng tôi) thành chiết áp hoặc đặt trước, có thể đạt được đầu ra điện áp tại điểm đặt nhiệt độ định trước, ví dụ, đầu ra 5v ở 60 ^o C và bằng cách thay đổi điện áp đầu ra cụ thể mức có thể đạt được trong một phạm vi nhiệt độ rộng hơn.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nhiệt điện trở là các thiết bị phi tuyến tính và giá trị điện trở tiêu chuẩn của chúng ở nhiệt độ phòng là khác nhau giữa các nhiệt điện trở khác nhau, chủ yếu là do các vật liệu bán dẫn mà chúng được tạo ra. Các Thermistor , có một sự thay đổi theo cấp số nhân với nhiệt độ và do đó có một hằng số nhiệt độ Beta ( β ) mà có thể được sử dụng để tính toán khả năng chống chịu đối với bất kỳ điểm nhiệt độ nhất định.

Tuy nhiên, khi được sử dụng với một điện trở nối tiếp như trong mạng phân chia điện áp hoặc bố trí loại cầu Wheatstone, dòng điện thu được để đáp ứng với điện áp đặt vào mạng lưới phân chia / cầu là tuyến tính với nhiệt độ. Sau đó, điện áp đầu ra trên điện trở trở thành tuyến tính với nhiệt độ.

Đầu báo nhiệt độ điện trở (RTD).

Một loại cảm biến nhiệt độ điện trở khác là Đầu dò nhiệt độ điện trở hoặc RTD . RTD là các cảm biến nhiệt độ chính xác được chế tạo từ các kim loại dẫn điện có độ tinh khiết cao như bạch kim, đồng hoặc niken vào cuộn dây và có điện trở thay đổi theo chức năng của nhiệt độ, tương tự như nhiệt điện trở. Cũng có sẵn là RTD màng mỏng. Các thiết bị này có một màng mỏng bạch kim được dán trên đế gốm trắng.

Một RTD điện trở

Đầu báo nhiệt độ điện trở có hệ số nhiệt độ dương (PTC) nhưng không giống như nhiệt điện trở, đầu ra của chúng cực kỳ tuyến tính tạo ra các phép đo nhiệt độ rất chính xác.

Tuy nhiên, chúng có độ nhạy nhiệt rất kém, đó là sự thay đổi nhiệt độ chỉ tạo ra sự thay đổi đầu ra rất nhỏ, ví dụ 1 / ^o C.

Các loại RTD phổ biến hơn được làm từ bạch kim và được gọi là Nhiệt kế điện trở bạch kim hoặc PRT với loại phổ biến nhất có sẵn trong tất cả các cảm biến Pt100, có giá trị điện trở tiêu chuẩn là 100Ω tại 0 ^o C. Nhược điểm là Bạch kim đắt tiền và một trong những nhược điểm chính của loại thiết bị này là giá thành của nó.

Giống như nhiệt điện trở, RTD là thiết bị điện trở thụ động và bằng cách truyền một dòng điện không đổi qua cảm biến nhiệt độ, có thể thu được điện áp đầu ra tăng tuyến tính theo nhiệt độ. Một RTD điển hình có điện trở cơ bản khoảng 100Ω ở 0 ^o C, tăng lên khoảng 140Ω ở 100 ^o C với phạm vi nhiệt độ hoạt động trong khoảng từ -200 đến +600 ^o C.

Bởi vì RTD là một thiết bị điện trở, chúng ta cần truyền một dòng điện qua chúng và theo dõi điện áp kết quả. Tuy nhiên, bất kỳ sự thay đổi điện trở nào do nhiệt tự của dây điện trở khi dòng điện chạy qua nó, I ² R , (Định luật Ohms) đều gây ra lỗi trong bài đọc. Để tránh điều này, RTD thường được kết nối vào mạng Cầu Wheatstone có thêm dây kết nối để bù chì và / hoặc kết nối với nguồn dòng không đổi.

Cặp nhiệt điện

Các cặp nhiệt đến nay là loại thường được sử dụng hầu hết tất cả các loại cảm biến nhiệt độ. Cặp nhiệt điện phổ biến do tính đơn giản, dễ sử dụng và tốc độ phản ứng của chúng với sự thay đổi nhiệt độ, chủ yếu là do kích thước nhỏ của chúng. Cặp nhiệt điện cũng có phạm vi nhiệt độ rộng nhất trong tất cả các cảm biến nhiệt độ từ dưới -200 ^o C đến hơn 2000 ^o C.

Cặp nhiệt điện là các cảm biến nhiệt điện về cơ bản bao gồm hai điểm nối của các kim loại khác nhau, chẳng hạn như đồng và hằng số được hàn hoặc uốn với nhau. Một điểm nối được giữ ở nhiệt độ không đổi được gọi là điểm nối tham chiếu (Lạnh), trong khi điểm còn lại là điểm nối (Nóng). Khi hai điểm nối ở nhiệt độ khác nhau, một điện áp được phát triển trên đường giao nhau được sử dụng để đo cảm biến nhiệt độ như hình dưới đây.

Thiết kế cảm biến nhiệt độ

Hiệu trưởng hoạt động của một cặp nhiệt điện rất đơn giản và cơ bản. Khi hợp nhất với nhau, điểm nối của hai kim loại khác nhau như đồng và hằng số tạo ra hiệu ứng nhiệt điện điện tử, tạo ra sự khác biệt tiềm năng không đổi chỉ có một vài milivol (mV) giữa chúng. Chênh lệch điện áp giữa hai điểm nối được gọi là hiệu ứng Se Seeckeck do một gradient nhiệt độ được tạo ra dọc theo các dây dẫn tạo ra một emf. Sau đó, điện áp đầu ra từ một cặp nhiệt điện là một hàm của sự thay đổi nhiệt độ.

Nếu cả hai mối nối đều ở cùng nhiệt độ thì sự khác biệt tiềm năng giữa hai mối nối là 0, nói cách khác, không có đầu ra điện áp như V ₁ = V ₂ . Tuy nhiên, khi các mối nối được kết nối trong một mạch và ở cả hai nhiệt độ khác nhau, đầu ra điện áp sẽ được phát hiện liên quan đến chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm nối, V ₁ – V ₂ . Sự khác biệt về điện áp này sẽ tăng theo nhiệt độ cho đến khi đạt được mức điện áp cực đại tiếp giáp và điều này được xác định bởi các đặc tính của hai kim loại khác nhau được sử dụng. Mời xem thêm cảm biến hồng ngoại là gì để hiểu thêm về loại cảm biến này.

Cặp nhiệt điện có thể được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau cho phép đo nhiệt độ cực cao từ -200 ^o C đến hơn 2000 ^o C. Với sự lựa chọn lớn về vật liệu và phạm vi nhiệt độ, các tiêu chuẩn được quốc tế công nhận đã được phát triển hoàn chỉnh với mã màu cặp nhiệt điện để cho phép người dùng chọn cảm biến cặp nhiệt điện chính xác cho một ứng dụng cụ thể. Mã màu của Anh cho cặp nhiệt điện tiêu chuẩn được đưa ra dưới đây.

Mã màu cặp nhiệt điện

Cảm biến cặp nhiệt điện Mã màu mở rộng và dẫn bù
Loại mã	Chất dẫn điện (+/-)	Nhạy cảm	Anh BS 1843: 1952
E	Niken Crom / Constantan	-200 đến 900 ^o C
J	Sắt / Constantan	0 đến 750 ^o C
K	Niken Crom / Nhôm Niken	-200 đến 1250 ^o C
N	Nicrosil / Nisil	0 đến 1250 ^o C
T	Đồng / Constantan	-200 đến 350 ^o C
U	Đồng / Niken bù cho đồng Siết và	0 đến 1450 ^o C

Ba vật liệu cặp nhiệt điện phổ biến nhất được sử dụng ở trên để đo nhiệt độ chung là Sắt-Constantan (Loại J), Đồng-Constantan (Loại T) và Niken-Crom (Loại K). Điện áp đầu ra từ một cặp nhiệt điện rất nhỏ, chỉ một vài millivol (mV) cho sự thay đổi nhiệt độ 10 ^o C và do đầu ra điện áp nhỏ này thường cần một dạng khuếch đại.

Khuếch đại cặp nhiệt điện

Loại bộ khuếch đại, rời rạc hoặc ở dạng Bộ khuếch đại hoạt động cần phải được lựa chọn cẩn thận, bởi vì độ ổn định trôi tốt là cần thiết để ngăn chặn hiệu chuẩn của cặp nhiệt điện trong khoảng thời gian thường xuyên. Điều này làm cho bộ khuếch đại và loại thiết bị khuếch đại thích hợp hơn cho hầu hết các ứng dụng cảm biến nhiệt độ.

Các loại cảm biến nhiệt độ khác không được đề cập ở đây bao gồm, Cảm biến nối bán dẫn, Cảm biến bức xạ hồng ngoại và nhiệt, Nhiệt kế loại y tế, Chỉ báo và Mực hoặc Thuốc nhuộm màu.

Trong hướng dẫn này về các loại cảm biến nhiệt độ của chế độ cảm ứng, chúng tôi đã xem xét một số ví dụ về các cảm biến có thể được sử dụng để đo lường sự thay đổi nhiệt độ. Trong hướng dẫn tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét các cảm biến được sử dụng để đo lượng ánh sáng, chẳng hạn như Photodiodes, Phototransistors, Tế bào quang điện và Điện trở phụ thuộc ánh sáng.

Bài sau ta cùng tìm hiểu cách phân biệt cảm biến nhiệt độ pt100 và các đầu dò nhiệt độ khác.