Cảm biến nhiệt độ là gì?
Cảm biến nhiệt độ là gì? Có những loại nào?
Cảm biến nhiệt độ: loại cảm biến được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Vậy cảm biến nhiệt độ là gì mà thông dụng như vậy? Các loại cảm biến nhiệt độ hiện nay gồm những gì? Mời theo dõi bài viết sau:
Cảm biến nhiệt độ là gì?
Loại cảm biến ( Sensor ) được sử dụng phổ biến nhất của tất cả các cảm biến là các loại cảm biến phát hiện Nhiệt độ hoặc nhiệt.
Các loại cảm biến nhiệt độ này thay đổi từ các thiết bị điều nhiệt ON / OFF đơn giản, điều khiển hệ thống sưởi ấm nước nóng trong nhà với các loại chất bán dẫn nhạy cảm cao có thể điều khiển các nhà máy lò điều khiển quá trình phức tạp.
Chúng ta nhớ từ các lớp học khoa học của chúng ta rằng sự chuyển động của các phân tử và nguyên tử tạo ra nhiệt (động năng) và sự chuyển động càng lớn, nhiệt sinh ra càng nhiều. Cảm biến nhiệt độ đo lượng năng lượng nhiệt hoặc thậm chí lạnh được tạo ra bởi một đối tượng hoặc hệ thống, cho phép chúng tôi “cảm nhận” hoặc phát hiện bất kỳ thay đổi vật lý nào với nhiệt độ đó tạo ra đầu ra tương tự hoặc kỹ thuật số.
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. Cảm biến nhiệt độ bao gồm hai loại vật lý cơ bản:
- Các loại cảm biến nhiệt độ tiếp xúc – Các loại cảm biến nhiệt độ này được yêu cầu phải tiếp xúc vật lý với đối tượng được cảm biến và sử dụng dẫn truyền để theo dõi các thay đổi về nhiệt độ. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện chất rắn, chất lỏng hoặc khí trên một phạm vi nhiệt độ rộng.
- Các loại cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc – Các loại cảm biến nhiệt độ này sử dụng đối lưu và bức xạ để theo dõi các thay đổi về nhiệt độ. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện 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 vật thể dưới dạng bức xạ hồng ngoại (mặt trời).
Hai loại tiếp xúc cơ bản hoặc thậm chí các cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc cũng có thể được chia thành ba nhóm cảm biến sau đây, Điện cơ , Điện trở và Điện tử và cả ba loại được thảo luận dưới đây.
Bộ điều nhiệt
Các bộ điều 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 mở rộng tuyến tính khác nhau của hai kim loại không giống nhau tạo ra một chuyển động uốn cơ học khi dải chịu nhiệt.
Dải bi-kim loại có thể được sử dụng như một công tắc điện hoặc cách vận hành công tắc điện trong điều khiển tĩnh nhiệt và được sử dụng rộng rãi để điều khiển các bộ phận làm nóng nước nóng trong nồi hơi, lò, bể chứa nước nóng cũng như trong hệ thống tản nhiệt làm mát trong xe
Bộ điều khiển nhiệt kim loại
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 ổn nhiệt. Khi nó nóng, một kim loại mở rộng nhiều hơn và một dải kim loại ngoại quan uốn cong lên (hoặc xuống) mở các tiếp điểm ngăn dòng điện chảy ra.
Bật / tắt nhiệt
Có hai loại dải kim loại chính chủ yếu dựa trên chuyển động của chúng khi chịu sự thay đổi nhiệt độ. Có các loại “snap-action” tạo ra một hành động “ON / OFF” tức thời hoặc “OFF / ON” trên các điểm tiếp xúc điện tại một điểm nhiệt độ cài đặt và các loại “hành động leo” chậm dần thay đổi vị trí của chúng khi nhiệt độ thay đổi.
Bộ điều nhiệt kiểu Snap-action thường được sử dụng trong nhà của chúng tôi để kiểm soát nhiệt độ thiết lập của lò, bàn là, bể ngâm nước nóng và chúng cũng có thể được tìm thấy trên tường để điều khiển hệ thống sưởi ấm trong nhà.
Loại Creeper thường bao gồm một cuộn dây kim loại hoặc xoắn ốc mà từ từ thư giãn hoặc cuộn lên khi nhiệt độ thay đổi. Nói chung, dải kim loại loại cây leo nhạy cảm hơn với thay đổi nhiệt độ so với loại BẬT / TẮT tiêu chuẩn vì dải dài hơn và mỏng hơn khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong đồng hồ đo nhiệt độ và mặt đồng hồ, v.v.
Mặc dù rất rẻ và có sẵn trên phạm vi hoạt động rộng, một nhược điểm chính của bộ điều chỉnh nhiệt loại tiêu chuẩn khi được 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 thiết lập để 20 o C nhưng có thể không mở cho đến khi 22 o C hoặc đóng một lần nữa cho đến khi 18 o C.
Vì vậy, phạm vi của điều chỉnh nhiệt độ có thể khá cao. Bộ điều chỉnh nhiệt kim loại có sẵn trên thị trường để sử dụng tại nhà có vít điều chỉnh nhiệt độ cho phép thiết lập nhiệt độ và mức độ trễ mong muốn chính xác hơn.
Thermistor
Các Thermistor là một loại cảm biến nhiệt độ, có tên là một sự kết hợp của các từ THERM- nhạy cảm nhạy cảm ISTOR . Một điện trở nhiệt là một loại điện trở đặc biệt làm thay đổi sức đề kháng vật lý của nó khi tiếp xúc với những thay đổi về nhiệt độ.
Thermistors thường được làm từ vật liệu gốm như oxit niken, mangan hoặc coban tráng thủy tinh mà làm cho chúng dễ dàng bị hư hỏng. Lợi thế chính của chúng so với các loại hành động nhanh là tốc độ phản ứng của chúng với bất kỳ thay đổi nào về nhiệt độ, độ chính xác và độ lặp lại.
Hầu hết các loại điện trở nhiệt có hệ số kháng nhiệt độ hoặc (NTC) , đó là giá trị điện trở của chúng giảm xuống với nhiệt độ tăng, và dĩ nhiên có một số có hệ số nhiệt độ tích cực (PTC) , giá trị điện trở tăng với nhiệt độ tăng.
Thermistors được chế tạo từ vật liệu bán dẫn bằng gốm sử dụng công nghệ oxit kim loại như mangan, coban và niken … Vật liệu bán dẫn thường được tạo thành các đĩa hoặc quả bóng nhỏ được hàn kín để phản ứng nhanh với bất kỳ thay đổi nào về nhiệt độ .
Thermistors được đánh giá bởi giá trị điện trở của chúng ở nhiệt độ phòng (thường là 25 oC), hằng số thời gian của chúng (thời gian phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ) và mức công suất của chúng đối với dòng điện chạy qua chúng.
Giống như điện trở, thermistors có sẵn với các giá trị điện trở ở nhiệt độ phòng từ 10 của MΩ xuống chỉ là một vài Ohms, nhưng cho mục đích cảm biến những loại có giá trị trong kilo-ohms thường được sử dụng.
Thermistors là các thiết bị điện trở thụ động có nghĩa là chúng ta cần truyền một dòng điện qua nó để tạo ra một đầu ra điện áp có thể đo được. Sau đó, thermistors thường được kết nối theo chuỗi với một điện trở biasing phù hợp để tạo thành một mạng chia tiềm năng và lựa chọn điện trở cho một đầu ra điện áp tại một số điểm nhiệt độ xác định trước hoặc giá trị ví dụ:
Cảm biến nhiệt độ
Điện trở nhiệt sau có giá trị điện trở 10KΩ ở 25 o C và giá trị điện trở 100Ω ở 100 o C. Tính toán sụt điện áp trên thermistor và do đó điện áp đầu ra của nó (Vout) cho cả hai nhiệt độ khi kết nối theo chuỗi với điện trở 1kΩ trên một nguồn cung cấp điện 12v.
Tại 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 một chiết áp hoặc cài đặt trước, có thể thu được đầu ra điện áp tại một điểm đặt nhiệt độ định trước, đầu ra 5v ở 60 o C và bằng cách thay thế áp suất mức có thể đạt được trên một phạm vi nhiệt độ rộng hơn.
Tuy nhiên, cần phải lưu ý rằng các điện trở nhiệt là các thiết bị phi tuyến tính và các giá trị điện trở chuẩn ở nhiệt độ phòng khác nhau giữa các điện trở nhiệt khác nhau, chủ yếu là do vật liệu bán dẫn 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 loạt như trong một mạng chia điện áp hoặc sắp xếp kiểu cầu Wheatstone, dòng thu được để đáp ứng với điện áp được áp dụng cho mạng chia / cầu là tuyến tính với nhiệt độ. Sau đó, điện áp đầu ra trên điện trở trở nên tuyến tính với nhiệt độ.
Máy đo nhiệt độ điện trở (RTD).
Một loại điện trở cảm biến nhiệt độ là bộ điện trở đo nhiệt độ hoặc RTD . RTD là cảm biến nhiệt độ chính xác được làm từ kim loại dẫn tinh khiết cao như bạch kim, đồng hoặc niken vết thương thành một cuộn dây và điện trở thay đổi như một chức năng của nhiệt độ, tương tự như của nhiệt điện trở. Cũng có sẵn là RTD của màng mỏng. Những thiết bị này có một lớp màng bạch kim mỏng được lắng đọng vào một chất nền gốm màu trắng.
RTD điện trở
Máy dò nhiệt độ điện trở có hệ số nhiệt độ dương (PTC) nhưng không giống như thermistor, 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 một sự thay đổi đầu ra rất nhỏ ví dụ, 1Ω / o C.
Các loại RTD phổ biến hơn được làm từ bạch kim và được gọi là nhiệt kế bạch kim hoặc PRT với phổ biến nhất có sẵn của họ tất cả các cảm biến Pt100, trong đó có một giá trị điện trở tiêu chuẩn 100Ω tại 0 o C. Nhược điểm là Platinum là tốn kém và một trong những nhược điểm chính của loại thiết bị này là chi phí của nó.
Giống như thermistor, RTD là các thiết bị điện trở thụ động và bằng cách truyền dòng không đổi qua cảm biến nhiệt độ, có thể có được điện áp đầu ra tăng tuyến tính với 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 dải nhiệt độ hoạt động 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 nào về điện trở do tự nhiệt của các dây điện trở khi dòng điện chạy qua nó, I 2 R , (Luật Ohms) gây ra lỗi trong các bài đọc.
Để tránh điều này, RTD thường được kết nối với mạng cầu Wheatstone có thêm các dây kết nối để bù trừ 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 rất phổ biến do tính đơn giản, dễ sử dụng và tốc độ phản ứng của chúng với những thay đổi về nhiệt độ, chủ yếu do kích thước nhỏ của chúng.
Cặp nhiệt điện cũng có phạm vi nhiệt độ rộng nhất của 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 constantan được hàn hoặc uốn với nhau.
Một đường giao nhau được giữ ở nhiệt độ không đổi được gọi là đường giao nhau (Lạnh), trong khi đường giao nhau đo (Nóng) khác. Khi hai nút giao nhau ở các nhiệt độ khác nhau, điện áp được phát triển trên đường giao nhau được sử dụng để đo cảm biến nhiệt độ như hình dưới đây.
Xây dựng cặp nhiệt điện
Điện trở nhiệt sau có giá trị điện trở 10KΩ ở 25 o C và giá trị điện trở 100Ω ở 100 o C. Tính toán sụt điện áp trên thermistor và do đó điện áp đầu ra của nó (Vout) cho cả hai nhiệt độ khi kết nối theo chuỗi với điện trở 1kΩ trên một nguồn cung cấp điện 12v.
Hiệu trưởng hoạt động của cặp nhiệt điện rất đơn giản và cơ bản. Khi hợp nhất với nhau, đường giao nhau của hai kim loại không giống nhau như đồng và constantan tạo ra hiệu ứng “nhiệt điện” cho phép chênh lệch tiềm năng không đổi chỉ bằng vài milivolt (mV) giữa chúng.
Sự khác biệt điện áp giữa hai mối nối được gọi là “hiệu ứng Seebeck” như là một gradient nhiệt độ được tạo ra dọc theo dây dẫn sản xuất một emf. Sau đó điện áp đầu ra từ một cặp nhiệt điện là một chức năng của sự thay đổi nhiệt độ.
Nếu cả hai điểm nối đều ở cùng một nhiệt độ thì chênh lệch điện thế giữa hai điểm nối bằng 0 nói cách khác, không có điện áp đầu ra là V 1 = V 2 . Tuy nhiên, khi các mối nối được kết nối bên trong một mạch và ở cả hai nhiệt độ khác nhau, đầu ra điện áp sẽ được phát hiện liên quan đến sự 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 đỉnh của nút giao và điều này được xác định bởi các đặc tính của hai kim loại không giống nhau được sử dụng.
Các cặp nhiệt điện có thể được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau, cho phép đo nhiệt độ khắc nghiệt từ -200 o C đến trên +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 của cặp nhiệt điện cho phép người dùng lựa chọn cảm biến cặp nhiệt điện chính xác cho một ứng dụng cụ thể. Mã màu Anh cho các cặp nhiệt điện tiêu chuẩn được đưa ra dưới đây.
Mã màu cặp nhiệt điện
| Mã màu mở rộng và đền bù cảm biến cặp nhiệt điện | |||
| Loại mã | Dây dẫn (+/-) | Nhạy cảm | British BS 1843: 1952 |
| E | Nickel Chromium / Constantan | -200 đến 900 o C |  |
| J | Iron / Constantan | 0 đến 750 o C |  |
| K | Niken Chromium / Niken nhôm | -200 đến 1250 o C |  |
| N | Nicrosil / Nisil | 0 đến 1250 o C | |
| T | Đồng / Constantan | -200 đến 350 o C |  |
| U | Đồng / Đồng Nickel Bù đắp cho “S” và “R” | 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 Iron-Constantan (Loại J), Copper-Constantan (Type T) và Nickel-Chromium (Type K).
Điện áp đầu ra từ một cặp nhiệt điện là rất nhỏ, chỉ có một vài mV (mV) cho 10 o thay đổi C trong chênh lệch nhiệt độ và vì sản lượng này điện áp nhỏ một số hình thức khuếch đại nói chung là bắt buộc.
Khuếch đại cặp nhiệt điện
Các loại bộ khuếch đại, hoặc rời rạc hoặc trong các hình thức của một Amplifier hoạt động cần phải được lựa chọn cẩn thận, vì sự ổn định trôi tốt là cần thiết để ngăn chặn hiệu chuẩn lại của cặp nhiệt điện trong khoảng thời gian thường xuyên. Điều này làm cho loại dao 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 bộ cảm biến bán dẫn, cảm biến hồng ngoại và cảm biến bức xạ nhiệt, nhiệt kế loại y tế, chỉ số và mực thay đổi màu hoặc thuốc nhuộm.
Trong hướng dẫn này về “Các loại cảm biến nhiệt độ“, chúng tôi đã xem xét một số ví dụ về các cảm biến có thể được sử dụng để đo lường các thay đổi về 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, Photo transistors, Cell voltaic Cells và Light Dependent Resistor.
Nguồn: Testo Việt Nam – Testostore.vn
Tenmars Việt Nam – Tenmars.vn
