Các Loại Cảm Biến Nhiệt Độ

Nếu là lần đầu tiên bạn tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ hoặc mua và báo giá cảm biến can nhiệt độ thì bạn sẽ bối rối khi biết rằng có rất nhiều loại cảm biến nhiệt khác nhau. Các cảm biến đầu dò nhiệt độ được sử dụng trong các nhà máy, xí nghiệp, lò nung …với nhiều chủng loại cho từng mục đích khác nhau. Trong bào viết này mình sẽ chia sẻ các loại cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong học tập cũng như trong công nghiệp. Vậy cảm biến nhiệt độ là gì ?

Cảm biến nhiệt độ là gì ?

Cảm biến nhiệt độ hay còn được gọi là can nhiệt được dùng để đo nhiệt độ. Có khá nhiều cảm biến nhiệt độ khác nhau phục vụ cho nghiên cứu – học tập và cảm biến nhiệt độ công nghiệp. Các loại cảm biến nhiệt độ khá quen thuộc và được sử dụng phổ biến nhất là cảm biến nhiệt độ Pt100 – 2 dây, Pt100 – 3 dây, can nhiệt loại K. Ngoài ra chúng ta còn bắt gặp các loại cảm biến nhiệt độ khác như : Pt500, Pt1000, NTC, can nhiệt loại K, can nhiệt J, can nhiệt loại R, can nhiệt loại S … Chúng ta cùng xem các loại cảm biến này khác nhau như thế nào nhé.

Các loại cảm biến nhiệt độ

Mỗi loại cảm biến nhiệt độ sẽ có những đặc điểm và ưu nhược điểm khác nhau. Điểm khác biệt lớn nhất giữa các loại cảm biến nhiệt độ là khả năng chịu nhiệt và tín hiệu ngõ ra của cảm biến nhiệt. Vậy sự khác nhau đó là gì ? Chúng ta cùng tìm hiểu nhé.

Cảm biến nhiệt độ Pt100 2 dây – 3 dây – 4 dây

Khi nhắc tới cảm biến nhiệt độ Pt100 thì người ta thường nói tới Pt100 – 3 dây bởi độ chính xác tương đối cao và giá thành cạnh tranh nhất. PT được viết tắt của Platium – tên của vật liệu đầu dò cảm biến, còn 100 tương ứng với 100 ohm khi đo tại 0 độ C. Nhiệt độ càng tăng thì điện trở tăng theo. Ngoài cảm biến PT100 chúng ta sẽ còn thấy sự xuất hiện của Cu ( đồng ) và Ni ( niken ) như : Cu50, Cu100, Pt500, PT1000, Ni100 …Đặc điểm của cảm biến nhiệt độ Pt100 :

• Độ chính xác cao với sai số 0.15oC – Termotech – Made in Italy
• Thời gian đáp ứng nhanh
• Giá thành rẻ
• Đa dạng chủng loại
• Khả năng chịu nhiệt -200…850oC
• Sử dụng được cho hầu hết các môi trường khác nhau.

Tuy nhiên, cảm biến nhiệt độ Pt100 lại có tới 2 loại khác nhau có cùng tên, cùng chức năng nhưng khác nhau về khả năng chịu nhiệt độ và giá thành.Ngoài cảm biến nhiệt độ PT100 3 dây còn có loại PT100 2 dây và PT100 4 dây nhưng hiếm gặp hơn.

Cảm biến nhiệt độ Pt100 dạng dây hay còn được gọi là đầu dò nhiệt độ PT100 3 dây. Thiết kế đơn giản bao gồm : đầu dò nhiệt và dây tín hiệu ngõ ra 3 dây. Cảm biến Pt100 dạng dây có khả năng chịu nhiệt tương đối thấp so với loại thiết kế Head mouted ( củ hành ).

Khả năng đo nhiệt độ của cảm biến Pt100 dạng dây max 400oC phù hợp cho các ứng dụng có nhiệt độ dưới 300oC. Khi cần đo nhiệt độ cao hơn thì chúng ta phải chọn cảm biến nhiệt độ Pt100 loại Head moute hay còn gọi là đầu dò nhiệt củ hành – củ tỏi theo hình dáng bên ngoài của nó.

 

Cảm biến nhiệt độ Pt100 dạng Head mounted cho khả năng đo nhiệt độ cao nhất là 850oC nhưng phổ biến nhất là loại -80…600oC của Termotech – Italy.

Các dãi đo tiêu chuẩn của Pt100 – TS1 – Termotech là :

• -80…600oC
• -200…850oC
• -80…250oC
• -40…500oC

Các nhà sản xuất chất lượng kém thường có thang nhiệt đo từ -50…400oC trở xuống do bị giới hạn về công nghệ vật liệu. Như Termotech có nhiệt độ từ -80…600oC tiêu chuẩn, cho khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn.

Loại tiêu chuẩn với thang nhiệt -80…600oC được khách hàng yêu thích sử dụng khi cho khả năng chịu nhiệt liên tục lên tới hơn 500oC và đo được nhiệt độ âm tới 80oC.

Cảm biến can nhiệt loại K

Cảm biến can nhiệt loại K hay còn được gọi là Thermocouple type K là một cặp nhiệt điện ( Cr – AL ) hợp kim của Niken. Can nhiệt loại K được sử dụng trong công nghiệp với các ứng dụng đo nhiệt độ lên tới 1200oC. Can nhiệt loại K phù hợp đo nhiệt độ cao trong môi trường oxy hoá mạnh.

Cảm biến nhiệt độ loại K có các đặc điểm nội bật hơn so với PT100 như sau:

• Giá thành tương đối rẻ nhưng lại cho khả năng chịu nhiệt cao
• Khả năng chịu nhiệt Max 1370oC, min -270oC
• Sai số can nhiệt K khá cao ±3oC do thang nhiệt quá cao.
• Tuỳ chọn chính xác cao thông qua bộ chuyển đổi can K
• Can nhiệt K bọc sứ cho khả năng chịu nhiệt cao hơn so với can Inox
• Can K loại dây đo được nhiệt độ như Pt100 nhưng sai số cao hơn
• Rất dể nhầm lẫn với cảm biến nhiệt độ Pt100 2 dây

Can nhiệt loại K phù hợp cho các lò nung, lò nhiệt, lò xấy, hấp không cần độ chính xác cao nhưng cần độ vững chãi khi đo nhiệt độ cao.

Xem chi tiết hơn về can nhiệt loại K tại : cảm biến can nhiệt loại K

Can nhiệt loại J – Thermocouple J

Cảm biến can nhiệt loại J còn gọi là Thermocouple type J được cấu tạo từ hợp chất Fe-Co ( copper- niken alloy ). Cho khả năng chịu nhiệt cao từ -210 – 1200oC tương tự như can nhiệt loại K. Cấu tạo gồm 2 cực : cực dương bằng Sắt ( Fe ) và cực âm làm bằng hợp kim đồng – niken. Được sử dụng để đo nhiệt độ trong môi trường khí quyển và nước. Do đầu dò cảm biến làm bằng Fe nên dể bị oxy hoá khi đo trong không khí. Chính vì thế chúng ta ít thấy cảm biến can nhiệt loại J được sử dụng.

Các đặc điểm của can nhiệt loại J :

• Làm bằng hợp chất Fe- Co
• Nhiệt độ làm việc -210…1200oc
• Sai số ±3oC hoặc 0.75%
• Tuỳ chọn chính xác cao thông qua bộ chuyển đổi can J

Do giới hạn về sự oxy hoá khi sử dụng trong không khí nên cảm biến can nhiệt J hiếm khi được sử dụng. Thay vào đó là can K.

Can nhiệt loại E – Thermocouple type E

Can nhiệt loại E hay con gọi là thermocouple type E là cặp nhiệt điện có công suất cao kết hợp giữa cực Dương của can nhiệt loại K và cực âm của can nhiệt loại J. Đặc biệt được sử dụng trong môi trường oxy hoá. Các đặc điểm của cảm biến can nhiệt loại E :

• Khả năng chịu được nhiệt độ từ -270… 1000oC
• Sai số 1.5 – 3oC
• Sai số thấp hơn khi dùng bộ chuyển đổi can K

Can nhiệt loại E được dùng trong các môi trường có nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, do hạn chế của của các bộ đọc và bộ chuyển đổi nên can nhiệt loại E ít được sử dụng.

Can nhiệt loại R – Thermocouple R

Can nhiệt loại R hay còn gọi là Thermocouple type R được cấu tạo từ các thành phần kim loại quí – mắc tiền : Bạch kim và Rhodium với PT15%Rh-Pt. Can nhiệt loại R cho các phép đo chính xác kể cả trong các điều kiện nhiệt độ cao. Các đặc điểm của cảm biến can nhiệt loại R :

• Làm bằng hợp kim : bạch kim và Ehodium
• Thân bọc sứ – bảo vệ đầu dò
• Khả năng chịu nhiệt cao -50…1760oC
• Không khuyến khích sử dụng nơi chứa hơi kim loại hoặc môi trường chân không
• Sai số +/- 1.5oC hoặc tuỳ chọn 0.1 – 0.6oc
• Tuỳ chọn chính xác cao thông qua bộ chuyển đổi can R
• Giá thành rất cao

Can nhiệt loại R được sử dụng để đo nhiệt độ cao lên tới 1600oC liên tục trong các lò đốt – lò nung công suất lớn.

Can nhiệt loại S – Thermocouple S

Can nhiệt loại S hay còn gọi là Thermocouple type S có chức năng cấu tạo hoàn giống với can nhiệt loại R nhưng có thành phần tỉ lệ phần trăm khác nhau Pt10%Th-PT.

Chức năng của hai loại S và R hoàn toàn giống nhau. Chúng ta cần chọn đúng loại cảm biến sao cho phù hợp với bộ hiển thị nhiệt độ.

Can nhiệt loại B – Thermocouple type B

Can nhiệt loại K hay còn gọi là thermocouple type B có thành phần kim loại quí – mắc tiền Rhodium nhưng với số lượng nhiều hơn can R và S. Đặc điểm cảm biến can nhiệt loại B :

• Khả năng chịu được nhiệt độ cao từ 0-1820oC
• Sai số khá thấp từ 0.5-1oC
• Tuỳ chọn chính xác cao qua bộ chuyển đổi can B
• Giá thành rất mắc so với các loại can nhiệt R và S

Can nhiệt loại S là loại cảm biến nhiệt độ có độ tin cậy cao. Khả năng chịu nhiệt tuyệt vời cũng như độ chính xác cao.

Bộ hiển thị nhiệt độ

Bộ hiển thị nhiệt độ được sử dụng đi kèm với các cảm biến nhiệt độ Pt100, can nhiệt loại K, R, S, B, J, E … Tương ứng với một loại cảm biến nhiệt độ sẽ có một kiểu hiển thị khác nhau. Tuy nhiên, các hãng lớn đều tích hợp khả năng đọc được nhiều loại cảm biến nhiệt độ khác nhau trên cùng một bộ hiển thị. Chúng ta cùng xem bộ hiển thị nhiệt độ nào giá rẻ – tốt nhất cho cảm biến can nhiệt.

Bộ hiển thị nhiệt độ Pt100

Bộ hiển thị nhiệt độ PT100 ATR121 được xem là bộ hiển thị có giá thành rẻ nhất có xuất xứ từ Ý nằm trong nhóm G7. Với 3 LED hiển thị phù hợp cho các cảm biến nhiệt độ PT100 dưới 1000oC, hiển thị nhiệt độ từ 0-850oC hoặc 0-600oC một cách chính xác.

Thông số bộ hiển thị nhiệt độ Pt100 – ATR121 như sau:

• Nguồn cấp : 230Vac
• Số Led hiển thị : 3 LED
• Input đầu vào : PT100 2 dây, 3 dây, 4 dây, cảm biến can nhiệt loại K, R, S, B …
• Output ngõ ra : 2 x Relay
• Kích thước nhỏ gọn – dể lắp đặt
• Cài đặt tín hiệu ngõ ra đơn giản

Như vậy, bộ hiển thị nhiệt độ ATR121 được khá nhiều nhà máy tin dùng do có thiết kế nhỏ gọn và giá thành cạnh tranh so với các hãng khác cùng Châu Âu. ART121 phù hợp cho các tủ điện cần chuẩn cao nhưng có giá thành thấp.

Bộ hiển thị nhiệt độ can nhiệt loại K – R – S – B – J – E

Đối với các can nhiệt loại K – S – R – B – J – E … có tín hiệu ngõ ra milivoltage dể bị sụt áp khi kéo đi xa. Đây chính là nhược điểm của cảm biến can nhiệt loại K, R, S, B… Các bộ hiển thị nhiệt độ can nhiệt chuẩn cao đều có tích hợp tính năng bù nhiệt ngay bên trong bộ hiển thị.

Bộ hiển thị nhiệt độ S311A được tin dùng do hiển thị nhiệt độ chính xác, có bù nhiệt bên trong bộ hiển thị. Cảm biến không cần dùng dây bù nhiệt gây phát sinh thêm chi phí.

Bộ hiển thị S311A không chỉ nhận được các loại cảm biến can nhiệt mà còn nhận được các loại cảm biến nhiệt độ Pt100 2 dây – 3 dây – 4 dây. Thông số bộ hiển thị S311A như sau:

• Nguồn cấp : 23Vac
• Tín hiệu đầu vào : Pt100 2 dây – 3 dây – 4 dây, can nhiệt các loại K, J, R, S, B …
• Tín hiệu ngõ ra 4-20mA / 0-10V / Modbus RTU , relay
• Số Led hiển thị : 4 LED, 6 LED, 8 LED, 11LED
• Kiểu LED siêu sáng ngay cả trong tối
• Kiểu lắp đặt : tủ điện

Như vậy, với giá thành cao hơn so với bộ chuyển đổi ATR121 nhưng S311A lại mang trong mình nhiều chức năng hơn. Led hiển thị sáng hơn, chính xác cao hơn. Các tủ điện tầm trung – cao cấp thì S311A được xem là lựa chọn phù hợp.

Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ

Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ là một thiết bị không thể thiếu khi muốn truyền tín hiệu nhiệt độ đi xa mà không bị sai số. Cảm biến nhiệt độ Pt100 có tín hiệu ngõ ra điện trở phi tuyến khi kéo đi xa sẽ bị cộng dồn với điện trở dây dẩn làm cho nhiệt độ luôn cao hơn so với nhiệt độ đo được tại đầu dò.

Tương tự cảm biến đầu dò can nhiệt thermocouple các loại K, R, S, B … có tín hiệu ngõ ra mili voltage ( mV ) thì ngược lại. Tín hiệu sẽ bị sụt áp khi kéo đi xa, điều này làm cho màn hình hiển thị đo chính xác dù rằng có bù nhiệt.

Giải pháp được sử dụng là dùng bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ cho cảm biến Pt100 và cảm biến can nhiệt thermocouple các loại. Tín hiệu sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu Analog dạng 4-20mA 2 dây. Chúng ta đều biết rằng tín hiệu 4-20mA không bị suy giảm khi kéo đi xa.

Bộ chuyển đổi tín hiệu PT100

Bộ chuyển đổi tín hiệu PT100 được thiết kế chuyên dùng cho Pt100 với giá thành thấp để giảm chi phí đầu tư cho hệ thống. Tín hiệu ngõ ra tương ứng 4-20mA hoặc 0-10V tuỳ loại. Các bộ chuyển đổi T120 lắp trên đầu cảm biến được yêu thích khi lắp ngay trên đầu cảm biến PT100.

Loại bộ chuyển đổi tín hiệu lắp trong tủ điện K109PT giúp chúng ta kiểm soát được các tín hiệu đầu vào – đầu ra ngay tại tủ điện. Bù lại giá thành của bộ chuyển đổi lắp tủ điện sẽ cao hơn do có nhiều sự lựa chọn ngõ ra hơn.

Thông số kỹ thuật bộ chuyển đổi nhiệt độ T120 :

• Kiểu lắp đặt : đầu cảm biến
• Đầu vào : Pt100 2 dây, 3 dây, 4 dây
• Tín hiệu ngõ ra : 4-20mA, 2 dây
• Cài đặt bằng phần mềm

Thông số kỹ thuật bộ chuyển đổi nhiệt độ K109Pt :

• Kiểu lắp đặt : Din rail tủ điện
• Đầu vào : Pt100 2 dây, 3 dây, 4 dây
• Tín hiệu ngõ ra : 4-20mA, 0-10V, 0-5V, 0-20mA …
• Cài đặt bằng Dip Swith ngay trên thiết bị
• Chống nhiễu trên thiết bị

Như vậy chúng ta thấy rằng, mỗi loại đều có ưu nhược điểm riêng. Loại T120 giá rẻ lắp trên đầu cảm biến nhưng cài đặt bằng phần mềm. K109Pt lắp tủ điện giá cao nhưng cài đặt trên thiết bị với nhiều tuỳ chọn ngõ ra. Chúng ta dựa vào các yếu tố kỹ thuật của từng thiết bị để lắp đặt cho phù hợp.

Bộ chuyển đổi tín hiệu can nhiệt loại K – R – S – B – J – E

Bộ chuyển đổi can nhiệt Thermocouple T121 được thiết kế lắp ngay trên đầu cảm biến cho độ chính xác cao nhất tín hiệu truyền về dạng analog 4-20mA. Trong khi đó bộ chuyển đổi K121 được thiết kế dành riêng cho lắp đặt trong tủ điện.

Thông số kỹ thuật bộ chuyển đổi nhiệt độ T121:

• Kiểu lắp đặt : đầu cảm biến
• Đầu vào : Pt100 2 dây, 3 dây, 4 dây, thermocouple K, R, B, S …
• Tín hiệu ngõ ra : 4-20mA, 2 dây
• Cài đặt bằng phần mềm
• Chống nhiễu ngay trên bộ chuyển đổi

Thông số kỹ thuật bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ can nhiệt K121:

• Kiểu lắp đặt : Din rail tủ điện
• Đầu vào : Pt100 2 dây, 3 dây, 4 dây
• Tín hiệu ngõ ra : 4-20mA – 2 dây
• Cài đặt bằng phần mềm
• Chống nhiễu trên thiết bị – chứng chỉ chống cháy nổ

Hai bộ chuyển đổi tín hiệu T121 và K121 đều có chung chức năng tự bù nhiệt cũng như chống nhiễu bên trong. Giá thành cũng ngang nhau, điểm khác biệt duy nhất là vị trí lắp đặt. Dù lắp đặt ở đâu thì tín hiệu truyền về dạng 4-20mA cũng chính xác do thông số được cài đặt thông qua phần mềm.

Bài viết chia sẻ về các loại cảm biến nhiệt độ Pt100, can nhiệt loại K, R, S, B, … với các bộ hiển thị và bộ chuyển đổi tín hiệu cho từng loại cảm biến nhiệt độ. Nếu như bạn chưa biết nên chọn loại cảm biến nào phù hợp. Hãy liên hệ với chúng tôi để được tư vấn về các loại cảm biến nhiệt độ.

Kỹ sư Cơ – Điện Tử

Nguyễn Minh Hoà

Mobi : 0937.27.55.66

Mail : hoa.nguyen@huphaco.vn