Nhiều loại cảm biến nhiệt độ này khác nhau, từ các thiết bị ổn nhiệt ON / OFF đơn giản điều khiển hệ thống nóng lạnh trong nhà đến loại bán dẫn độ nhạy cao điều khiển lò quá trình phức tạp.
Chúng tôi nhớ từ các lớp khoa học ở trường của chúng tôi rằng chuyển động của phân tử và nguyên tử tạo ra nhiệt (động năng) và chuyển động càng lớn thì nhiệt tạo ra càng nhiều. Cảm biến nhiệt độ đo lượng nhiệt năng hoặc thậm chí độ lạnh 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 đối với nhiệt độ đó tạo ra đầu ra tương tự hoặc kỹ thuật số.
Nhiều Cảm biến Nhiệt độ khác nhau và tất cả 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:
- Loại cảm biến nhiệt độ tiếp xúc – Các loại cảm biến nhiệt độ này bắt buộc phải tiếp xúc vật lý với đối tượng cảm nhận và sử dụng dẫn truyền để theo dõi những thay đổi về nhiệt độ. Chúng có thể sử dụng để phát hiện chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí trong một phạm vi nhiệt độ rộng.
- 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 sự thay đổi của nhiệt độ. Chúng có thể sử dụng để phát hiện chất lỏng và khí phát ra năng lượng bức xạ khi nhiệt tăng lên và lạnh lắng xuống đáy theo dòng đối lưu hoặc phát hiện năng lượng bức xạ truyền từ một vật thể dưới dạng bức xạ hồng ngoại (mặt trời).
Hai loại cơ bản của cảm biến nhiệt độ tiếp xúc hoặc thậm chí không tiếp xúc cũng chia thành ba nhóm cảm biến sau, Cơ điện , Điện trở và Điện tử và cả ba loại đều thảo luận dưới đây.
Bộ điều nhiệt
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-metallic(thanh lưỡng kim : hay còn gọi là bản lưỡng kim, là thiết bị dùng để chuyển hóa sự thay đổi nhiệt độ thành sự dịch chuyển cơ học. Thanh lưỡng kim bao gồm hai kim loại bản chất khác nhau có độ giãn nở khác nhau khi gia nhiệt, thường là thép và đồng, hoặc trong một số trường hợp là thép và đồng thau) . Tốc độ giãn nở tuyến tính khác nhau của hai kim loại không giống nhau tạo ra chuyển động uốn cơ học khi dải chịu nhiệt.
Dải hai kim loại sử dụng như một công tắc điện hoặc như một cách vận hành cơ học của công tắc điện trong điều khiển nhiệt và sử dụng rộng rãi để điều khiển 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.
Bộ điều nhiệt lưỡng kim
Bộ điều nhiệt bao gồm hai kim loại với nhiệt độ khác nhau dán ngược trở lại với nhau. Khi trời lạnh, tiếp điểm đóng lại và dòng điện chạy qua bộ điều nhiệt. Khi nó nóng lên, một kim loại nở ra nhiều hơn kim loại kia và dải kim loại liên kết uốn cong lên (hoặc xuống) mở tiếp điểm ngăn dòng điện chạy qua.
Bộ điều nhiệt On / Off
Hai loại dải kim loại chính chủ yếu dựa trên chuyển động của chúng khi chịu sự thay đổi nhiệt độ. Có các loại “tác động nhanh” tạo ra tác động loại “BẬT / TẮT” hoặc “TẮT / BẬT” tức thời trên các tiếp điểm điện tại một điểm nhiệt độ đã cài đặt và các loại “Creep Action Thermostats” chậm hơn sẽ thay đổi dần vị trí của chúng khi nhiệt độ thay đổi.
Bộ điều nhiệt kiểu Snap-action(cắt nhanh) thường sử dụng trong nhà để kiểm soát điểm đặt nhiệt độ của lò nướng, bàn là, bể nước nóng ngâm và chúng cũng đôi khi tìm thấy trên tường để điều khiển hệ thống sưởi ấm trong nhà.
Các loại Creep thường bao gồm một cuộn dây hoặc xoắn ốc lưỡng kim, từ từ cuộn lại hoặc cuộn lại khi nhiệt độ thay đổi. Nói chung, các dải kim loại sinh học dạng dây xoắn nhạy cảm hơn với sự thay đổi nhiệt độ so với các loại BẬT / TẮT vì dải dài hơn và mỏng hơn, khiến chúng lý tưởng để sử dụng trong đồng hồ đo nhiệt độ và mặt đồng hồ, v.v.
Mặc dù rất rẻ và sẵn trên một phạm vi hoạt động rộng, nhưng một nhược điểm chính của bộ điều nhiệt loại tác động nhanh tiêu chuẩn khi sử dụng như một cảm biến nhiệt độ, là phạm vi độ trễ lớn từ khi các tiếp điểm điện mở cho đến khi chúng đóng lại. Ví dụ, nó có thể đặt ở 20 o C nhưng có thể không 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. Bộ điều nhiệt hai kim loại bán sẵn trên thị trường có các vít điều chỉnh nhiệt độ cho phép đặt trước điểm đặt nhiệt độ mong muốn và mức độ trễ chính xác hơn.
Nhiệt trở bán dẫn hay điện trở nhiệt
Điện trở nhiệt là một loại cảm biến nhiệt độ. Nhiệt điện trở là một loại điện trở đặc biệt, nó thay đổi điện trở vật lý khi tiếp xúc với sự thay đổi của nhiệt độ.
Thermistor
Nhiệt điện thường 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 snap-action(cắt 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 đều có Hệ số nhiệt độ âm của điện trở (NTC) , đó là giá trị điện trở của chúng sẽ GIẢM khi nhiệt độ tăng lên, và tất nhiên có một số có Hệ số nhiệt độ dương, (PTC) , trong đó giá trị điện trở tăng TĂNG khi nhiệt độ tăng.
Nhiệt điện trở chế tạo từ vật liệu bán dẫn loại gốm sử dụng công nghệ oxit kim loại như mangan, coban và niken, v.v. .
Nhiệt điện trở đánh giá bằng giá trị điện trở của chúng ở nhiệt độ phòng (thường ở 25 o C), hằng số thời gian của chúng (thời gian phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ) và đánh giá 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 của MΩ xuống chỉ vài Ohms, nhưng cho mục đích cảm biến, những loại có giá trị tính bằng kilo-ohms thường sử dụng.
Thermistors là thiết bị điện trở thụ động có nghĩa là chúng ta cần cho dòng điện chạy qua nó để tạo ra đầu ra điện áp có thể đo được. Sau đó, các nhiệt điện trở thường kết nối nối tiếp với một điện trở thích hợp để tạo thành một mạng phân chia điện áp và việc lựa chọn điện trở sẽ cung cấp đầu ra điện áp tại một số điểm hoặc giá trị nhiệt độ xác định trước, ví dụ:
Cảm biến nhiệt độ Ví dụ số 1
Nhiệt điện trở sau đây có giá trị điện trở 10KΩ ở 25 o C và giá trị điện trở 100Ω ở 100 o C. Tính điện áp rơi trên nhiệt điện trở và do đó điện áp đầu ra của nó (Vout) cho cả hai nhiệt độ khi mắc nối tiếp với điện trở 1kΩ qua nguồn điện 12v.
Ở 25 o C
Ở 100 o C
Bằng cách thay đổi giá trị điện trở cố định của R2 (trong ví dụ của chúng tôi là 1kΩ) thành một chiết áp hoặc giá trị đặt trước, có thể thu đầu ra điện áp ở điểm đặt nhiệt độ xác định trước, ví dụ, đầu ra 5v ở 60 o C và bằng cách thay đổi chiết áp một điện áp đầu ra cụ thể có thể đạt được mức trong một phạm vi nhiệt độ rộng hơn.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng RTC là 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, điều này chủ yếu là do 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 sử dụng để tính toán khả năng chống chịu đối với bất kỳ điểm nhiệt độ nhất định.
Tuy nhiên, khi sử dụng với điện trở nối tiếp như trong mạng phân áp hoặc kiểu bố trí Cầu Wheatstone, dòng điện thu được khi phản ứng với điện áp đặt vào mạng phân áp / cầu là tuyến tính với nhiệt độ. Sau đó, điện áp đầu ra trên điện trở tuyến tính với nhiệt độ.
Cảm biết nhiệt độ RTD.
RTD là cảm biến nhiệt độ chính xác được làm từ các kim loại dẫn điện có độ tinh khiết cao như bạch kim, đồng hoặc niken quấn thành cuộn dây và có điện trở thay đổi theo hàm của nhiệt độ, tương tự như của nhiệt điện trở. Cũng có sẵn RTD màng mỏng. Các thiết bị này có một lớp màng mỏng bằng bạch kim được lắng trên một nền gốm trắng.
RTD điện trở
RTD 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 một sự thay đổi đầu ra rất nhỏ, ví dụ, 1Ω / o C.
RTD phổ biến hơn được làm từ bạch kimđược gọi là Nhiệt kế Điện trở Bạch kim hoặc PRT phổ biến nhất là cảm biến Pt100, có giá trị điện trở tiêu chuẩn là 100Ω ở 0 o C. Nhược điểm là Bạch kim đắt tiền một trong những nhược điểm chính của thiết bị này là giá thành của nó.
Giống như nhiệt điện trở, RTD là thiết bị điện trở thụ động và bằng cách cho 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 dải nhiệt độ hoạt động từ -200 đến +600 o C.
Vì RTD là một thiết bị điện trở nên chúng ta cần cho dòng điện chạy qua chúng sau đó theo dõi điện áp thu được. Tuy nhiên, bất kỳ sự thay đổi nào về điện trở do tự tỏa nhiệt của các dây điện trở khi dòng điện chạy qua nó, I 2 R , (Định luật Ohms) đều gây ra sai số trong số đọc. Để tránh điều này, RTD thường được kết nối vào mạng Wheatstone Bridge có các dây kết nối bổ sung để bù sớm hoặc kết nối với nguồn dòng điện không đổi.
Cặp nhiệt điện
Các cặp nhiệt đến nay thường được sử dụng hầu hết tất cả các cảm biến nhiệt độ. Cặp nhiệt điện phổ biến do tính đơn giản, dễ sử dụng có tốc độ phản ứng của chúng với sự thay đổi của nhiệt độ, chủ yếu là do kích thước nhỏ của chúng. Cặp nhiệt điện cũng có dải 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 cảm biến nhiệt điện về cơ bản bao gồm hai điểm nối của các kim loại khác nhau, chẳng hạn như đồng có hợp kim được hàn hoặc uốn với nhau. Một điểm nối được giữ ở nhiệt độ không đổi được gọi là điểm nối tham chiếu (Lạnh), còn điểm nối kia là điểm nối đo (Nóng). Khi hai điểm giao nhau 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.
Cấu tạo cặp nhiệt điện – Cảm biến nhiệt
Nguyên tắc hoạt động của cặp nhiệt điện rất đơn giản, cơ bản. Khi hợp nhất với nhau, đường giao nhau của hai kim loại khác nhau như đồng và hợp kim sẽ tạo ra hiệu ứng “nhiệt điện” tạo ra hiệu điện thế không đổi chỉ vài milivôn (mV) giữa chúng. Sự chênh lệch điện áp giữa hai điểm nối được gọi là “Hiệu ứng Seebeck” khi một gradient nhiệt độ được tạo ra dọc theo các dây dẫn tạo ra một emf. Khi đó, điện áp đầu ra từ cặp nhiệt điện là một hàm của sự thay đổi nhiệt độ.
Nếu cả hai điểm nối có cùng nhiệt độ thì hiệu điện thế trên hai điểm nối bằng 0, nói cách khác, không có đầu ra điện áp nào là V 1 = V 2 . Tuy nhiên, khi các điểm nối được kết nối trong một mạch điện cả hai đều ở nhiệt độ khác nhau, đầu ra điện áp sẽ được phát hiện so với sự khác biệt về 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 đến mức điện áp đỉnh của các điểm nối điều này được xác định bởi các đặc tính của hai kim loại khác nhau được sử dụng.
Cặp nhiệt điện có thể được làm từ nhiều vật liệu khác nhau cho phép đo nhiệt độ khắc nghiệt từ -200 o C đến hơn 2000 o C. Với sự lựa chọn lớn về vật liệu, 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 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
Ba vật liệu cặp nhiệt điện phổ biến nhất được sử dụng ở trên để đo nhiệt độ chung là Sắt-Constantan (J), Đồng-Constantan (T) và Niken-Crom ( K). Điện áp đầu ra từ cặp nhiệt điện rất nhỏ, chỉ vài milivôn (mV) cho sự thay đổi nhiệt độ chênh lệch 10 o C và do điện áp đầu ra nhỏ này nên thường cần một số hình thức khuếch đại.
Khuếch đại cặp nhiệt điện – Cảm biến nhiệt
Kiểu này rời rạc hoặc ở dạng Bộ khuếch đại thuật toán cần được lựa chọn cẩn thận, vì cần có độ ổn định trôi tốt để ngăn cản việc hiệu chỉnh lại cặp nhiệt điện trong khoảng thời gian thường xuyên. Điều này làm cho bộ khuếch đại và thiết bị đo đạc thích hợp cho hầu hết các ứng dụng cảm biến nhiệt độ.
Các cảm biến nhiệt độ khác không được đề cập ở đây bao gồm, Cảm biến mối nối bán dẫn, Cảm biến hồng ngoại và bức xạ nhiệt, Nhiệt kế y tế, Chỉ thị và Mực hoặc Thuốc nhuộm thay đổi màu sắc.
Trong hướng dẫn này về “cảm biến nhiệt độ”, chúng ta đã xem xét một số ví dụ về cảm biến có thể được sử dụng để đo những 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 Điốt quang, Bóng bán dẫn quang, Tế bào quang điện và Điện trở phụ thuộc vào ánh sáng.