Cảm biến nhiệt độ là gì? Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt như thế nào? Đây là hai câu hỏi mà chúng tôi nhận được nhiều nhất trong những ngày vừa qua. Theo nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, hầu hết tất cả sự sống, hệ thống vật lý, hóa học đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Việc sử dụng cảm biến nhiệt sẽ giúp con người đo chính xác thông số này để điều chỉnh về mức phù hợp.

Hãy cùng IPEVN đi tìm hiểu chi tiết về cảm biến nhiệt, ứng dụng và nguyên lý hoạt động như thế nào trong bài viết dưới đây.

1. Cảm biến nhiệt độ là gì?

Cảm biến nhiệt độ là một thiết bị RTD (đầu dò điện trở) hoặc là cặp nhiệt điện giúp đo sự biến đổi về nhiệt độ của vật cần đo. Khi nhiệt độ có sự thay đổi lớn thì các cảm biến sẽ đưa ra một tín hiệu, từ đó các bộ đọc sẽ đọc và quy ra thành một con số cụ thể. Thiết bị cảm biến nhiệt được sử dụng trong việc điều khiển môi trường hệ thống  HVand AC, xử lý hóa chất, bộ xử lý thực phẩm, thiết bị y tế,… thông qua hệ thống giám sát của mui xe.

Hiện nay, loại cảm biến được sử dụng phổ biến nhất là nhiệt kế, được sử dụng để đo nhiệt độ, chất lỏng và chất khí, ứng dụng trong các phòng nghiên cứu khoa học.

2. Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ

Thiết bị đo cảm biến nhiệt độ thường được cấu chính từ 2 dây kim loại được gắn vào đầu nóng và đầu nạnh. Ngoài ra chúng còn được cấu tạo bởi các bộ phận như sau:

• Cảm biến: Bộ phận quan trọng nhất cho biết độ chính xác của toàn bộ thiết bị cảm biến. Bộ sản phẩm này được đặt bên trong vỏ bảo vệ sau khi đã kết nối với đầu nối.
• Dây kết nối: Bộ phận này được kết nối bằng 2, 3 hoặc 4 dây, phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện sử dụng đầu đo.
• Chất cách điện: Đây là bộ phận đóng vai trò làm chất cách điện ngừa đoản mạch và thực hiện cách điện giữa các dây nối với phần vỏ bảo vệ.
• Chất làm đầy: Là bột alumina được làm mịn, sấy khô và rung với chức năng là lắp đầy các khoảng trống để bảo vệ khỏi các tác động từ bên ngoài.
• Lớp vỏ: Bộ phận này được dùng làm bảo vệ bộ phận cảm biến, dây kết nối.
• Đầu kết nối: Thường được làm từ vật liệu cách điện, chứa cá bảng mạch cho phép kết nối với các điện trở.

3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt

Cảm biến nhiệt độ được hoạt động dựa vào sự thay đổi điện trở của kim loại so với sự thay đổi nhiệt độ vượt trội. Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh sẽ có một sức điện rộng V được phát sinh ở phần đầu lạnh. Lúc này, nhiệt độ ở đầu lạnh sẽ luôn được ổn định và đo được, phụ thuộc và chất liệu.

Nguyên lý hoạt động này chủ yếu dựa trên mối quan hệ giữa kim loại và nhiệt độ, khi nhiệt độ bằng 0 thì điện trở sẽ ở mức 100 Ω, điện trở của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng lên và ngược lại.

Chính vì nguyên lý hoạt động này mà hiện nay các loại cặp nhiệt độ được sản xuất với các sức diện rộng khác nhau: E, J, K, R, S, T.

4. Các loại cảm biến nhiệt độ

Hiện nay có nhiều cảm biến nhiệt độ được sản xuất và có 4 loại được sử dụng phổ biến có thể kế đến như sau:

4.1. Cặp nhiệt điện

Cảm biến cặp nhiệt điện là sản phẩm được sử dụng nhiều nhất với đặc điểm chắc chắn, chi phí thấp, tự cấp nguồn và có thể sử dụng cho khoảng cách xa.

Thiết bị này được sử dụng niêm phong bên trong tấm chắn gốm hoặc kim loại. Một số loại cặp nhiệt được sử dụng phổ biến như: K, J, T, R, E, S, N và B

4.2. Đầu dò điện trở

Đầu dò điện trở cũng là một cảm biến nhiệt cho kết quả đo chính xác. Cảm biến này được làm từ bạch kim, đồng, niken,… có phạm vi rộng, khả năng đo nhiệt độ tốt trong khoảng 270oC đến + 850oC.

4.3. Nhiệt điện trở

Đây là một trong những cảm biến nhiệt độ tương đổi rẻ tiền và dễ sử dụng. Sản phẩm được làm từ Mangan, oxit của niken nên độ bền không được tốt. Tuy nhiên, loại thiết bị này đem đến độ nhạy cao, kết quá khá chính xác.

4.4. Nhiệt kế

Một thiết bị được sử dụng để đo chất rắn, chất lỏng, chất khí đó là nhiệt kế. Loại này có chứa chất lỏng thủy ngân trong ống thủy tinh. Thể tích của nhiệt kế tỷ lệ với tuyến tính với nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thể tích cũng sẽ tăng theo.

4.5. Cảm biến bán dẫn

Cảm biến bán dẫn (IC) là sản phẩm được sử dụng nhiều nhất, đem đến độ tuyến tính cao, kết quả nhiệt độ chính xác trong phạm vi 55°C đến + 150°C.

Hiện nay còn có thêm một số các loại cảm biến nhiệt hồng ngoại, tiếp xúc từ xa nhưng vẫn cho nhiệt độ chính xác cao.

5. Cảm biến nhiệt độ có mấy loại dây?

• Cảm biến nhiệt 2 dây: Độ chính xác thấp, chỉ sử dụng khi kết nối độ bền nhiệt học được thực hiện với dây điện trở thấp và dây điện trở ngắn.
• Cảm biến nhiệt 3 dây: Có độ chính xác nhỉnh hơn 2 dây, được sử dụng nhiều trong công nghiệp, loại bỏ được các lỗi gây ra bởi điện trở của các dây dẫn.
• Cảm biến nhiệt 4 dây: Đem đến độ chính xác cao nhất, được ứng dụng trong phòng thí nghiệm.

6. Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ trong đời sống hàng ngày

Cảm biến nhiệt độ hiện nay được ứng dụng nhiều dùng để đo nhiệt độ trong các lĩnh vực của cuộc sống, chi tiết như sau:

• Những loại nhiệt kế điện tử, bán dẫn, can nhiệt được sử dụng trong công nông nghiệp.
• Nhiệt kế điện tử sử dụng phổ biến đo nhiệt độ trong xe hơi, nước, sữa, chất lỏng khác.
• Cảm biến nhiệt điện trở kim loại sử dụng phổ biến trong công nghiệp nhiệt lạnh
• Cặp nhiệt điện loại K, T, R, S, B sử dụng phổ biến trong gia công vật liệu và hóa chất.
• Nhiệt kế được sử dụng đo nhiệt độ cơ thể.

7. Các loại máy đo nhiệt độ thông dụng hiện nay

Máy đo nhiệt độ là sản phẩm được trang bị cảm biến nhiệt độ cho kết quả đo chính xác, ứng dụng được ở hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống, sản xuất công nghiệp. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại máy đo nhiệt độ chất lượng, cho kết quả đo của nhiều thông số cùng một lúc như: Nhiệt độ, pH, độ ẩm, độ cứng,…