15Cảm biến nhiệt độ điện trở hay còn gọi tắt là cảm biến RTD Resistance Temperature Detectors dùng để đo lường nhiệt độ tại những địa điểm đòi hỏi về yêu cầu về nhiệt độ chuẩn xác cao..
Giới thiệu về lí do chọn đề tài
Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong số những đại lượng quan tâm nhiều nhất Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất – làm ảnh hưởng đến sự thay đổi áp suất và thể tích chất khí, làm thay đổi điện trở kim loại, Do đó, ta thấy nhiệt độ ảnh hưởng liên tục cái đại lượng chịu ảnh hưởng của nó.Hiện nay việc xác định nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới mọi mặt trong cuộc sống Vì vậy, việc xác định nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới mọi mặt trong cuộc sống Cảm biến nhiệt độ cũng trở thành thiết bị quen thuộc được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau Tầm quan trọng của cảm biến nhiệt độ là không thể thiếu đối với quá trình nghiên cứu và phát triển của cuộc sống con người.Việc tìm hiểu các kiến thức về cảm biến nhiệt độ là cần thiết với cuộc sống quanh ta.
Mục tiêu nguyên cứu
Tìm hiểu chung về tên gọi, phân loại, và phạm vi ứng dụng của cảm biến đo lường ở nhiệt độ cao Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo, nguyên lý hoạt động và môi trường ứng dụng của mỗi loại cảm biến để từ đó thấy được điểm khác biệt giữa ưu và nhược điểm của mỗi loại, đáp ứng cho việc sử dụng một cách khoa học, hiệu quả và triệt để.
Tên đề tài
Nhóm sẽ tìm hiểu về đề tài : “Tìm hiểu về cảm biến đo lường ở nhiệt độ cao(Lò nung, nấu, nướng)”.
Phương pháp nghiên cứu
- Tìm kiếm, chọn lọc và tổng hợp các nguồn tài liệu tham khảo có sẵn.
- Phân tích cấu tạo, nguyên lí hoạt động, những ưu điểm cũng như mặt hạn chế của đối tượng.
- Phân tích dựa trên những đại lượng vật lí để từ đó đưa ra công thức tính toán hợp lí và khoa học.
TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ
Phân loại
Có 4 nhóm cảm biến được sử dụng phổ biến bao gồm:
- Nhiệt điện trở( Resistance Temperature Detector).
- Ngoài ra còn một số loại cảm biến nhiệt không tiếp xúc(hỏa kế - Pyrometer). Dùng hồng ngoại hay lazer.
Cảm biến đo nhiệt độ cao là thiết bị nhằm theo dõi và ghi lại nhiệt độ tại một vị trí cụ thể Chúng hoạt động dựa trên nhiều nguyên tắc, bao gồm nguyên tắc nhiệt điện, nguyên tắc điện trở, nguyên tắc biến áp, và nhiều công nghệ khác Điều này cho phép chúng hoạt động ở nhiệt độ cao và chịu được môi trường nhiệt độ khắc nghiệt mà các cảm biến thông thường không thể làm.
2.1 Lò nấu “Sự Kỳ Diệu Của Ẩm Thực”
Lĩnh vực Ẩm Thực: Trong ngành ẩm thực, lò nấu là tâm điểm của sự sáng tạo và nấu ăn chất lượng Cảm biến đo nhiệt độ cao đảm bảo rằng thực phẩm nấu chín đều, ngon miệng và an toàn Từ lò nướng pizza nhanh chóng với nhiệt độ lên đến 900°C đến lò nấu bánh mỳ trong lĩnh vực làm bánh, cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nhiệt độ và đảm bảo thực phẩm đạt chất lượng tốt nhất.
Ngành công nghiệp thực phẩm: Trong ngành công nghiệp thực phẩm lớn, lò nấu công nghiệp cung cấp một lượng lớn lương thực hằng ngày Cảm biến đo nhiệt độ cao giúp bảo đảm rằng sản phẩm được nấu chín, đảm bảo an toàn thực phẩm, tiết kiệm năng lượng
2.2 Lò Nướng “Công Nghệ Điện Tử và Thủy Tinh”
Ngành công nghiệp điện tử: Trong ngành công nghiệp điện tử, lò nướng cao tần được sử dụng để làm cứng các linh kiện điện tử Cảm biến nhiệt độ cao theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ trong lò, đảm bảo quá trình nung diễn ra chính xác và đáng tin cậy. Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất các linh kiện nhạy cảm như vi xử lý và mạch điện tử.
Chế biến thủy tinh và gốm sứ: Lò nướng được sử dụng trong sản xuất thủy tinh và gốm sứ Cảm biến nhiệt độ cao đảm bảo rằng nhiệt độ trong lò nướng duy trì ổn định, giúp tạo ra sản phẩm thủy tinh và gốm sứ với độ trong suốt và độ bền cao.
2.3 Lò Nung “Mỹ Thuật và Luyện Kim”
Ngành công nghiệp gốm sứ và thủy tinh: Trong việc sản xuất gốm sứ và thủy tinh, lò nung là bước cuối cùng quyết định chất lượng của sản phẩm cuối cùng Cảm biến nhiệt độ cao giúp kiểm soát nhiệt độ trong lò nung, đảm bảo sản phẩm đạt được sự bền bỉ và độ trong suốt mong muốn.
Luyện kim và sản xuất hợp kim: Lò nung cũng là một phần quan trọng của quá trình luyện kim và sản xuất hợp kim Cảm biến nhiệt độ cao theo dõi và kiểm soát nhiệt độ trong quá trình nung, giúp tạo ra các hợp kim với đặc tính mong muốn.
Kết Luận: Cảm biến đo nhiệt độ cao chơi một vai trò không thể thiếu trong việc kiểm soát nhiệt độ trong lò nấu, nướng và nung trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Chúng giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm, an toàn và hiệu suất quá trình sản xuất. Khám phá sâu hơn về việc sử dụng cảm biến nhiệt độ cao có thể tiết lộ một loạt các ứng dụng và cách chúng cải thiện cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ
Khái niệm
Cặp nhiệt điện là một cảm biến được sử dụng để đo nhiệt độ (nó giống như một nhiệt kế ) Nó bao gồm hai dây được làm từ các kim loại khác nhau Các dây tạo mối nối ở một đầu Nhiệt độ được đo tại đường giao nhau này Một điện áp được tạo ra bất cứ khi nào có sự thay đổi nhiệt độ trong đường giao nhau Để tính toán nhiệt độ, các bảng tham chiếu của cặp nhiệt điện rất hữu ích trong việc giải thích điện áp.
Cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi Nó có nhiều ưu điểm như cấu tạo đơn giản, chế tạo thuận tiện, dải đo rộng, độ chính xác cao, quán tính nhỏ và dễ dàng truyền tan hiệu đầu ra từ xa Ngoài ra, do cặp nhiệt điện là cảm biến thụ động nên việc đo không cần nguồn điện bên ngoài, rất thuận tiện khi sử dụng, nó thường được dùng để đo nhiệt độ của khí hoặc chất lỏng trong lò, đường ống và nhiệt độ bề mặt của chất rắn.
Cặp nhiệt điện có giá thành rẻ, có thể thay thế cho nhau, có đầu nối thông dụng và có thể đo một dải nhiệt độ lớn.
Cấu tạo của cặp nhiệt điện
Cặp nhiệt ngẫu được cấu tạo từ 5 bộ phận chính như sau:
- Measuring junction (Điểm giao nhau): Bao gồm 2 thanh kim loại khác nhau được hàn 1 đầu dây với nhau – đây chính là bộ phận quan trọng nhất của cặp nhiệt điện
- Thermocouple wires (Dây cặp nhặt nhiệt điện): Là phần dây kết nối giữa nhiệt độ với bộ điều khiển thiết bị.
- Ceramic insulators (Gốm cách điện): Được làm từ chất liệu sứ có khả năng cách điện, nhiệm vụ giữa dây cặp nhiệt ngẫu cách điện dọc theo chiều dài của đầu dò.
- Protective sheath (Vỏ bảo vệ): Phần vỏ bên ngoài có chức năng bảo vệ, được làm từ chất liệu inox (chịu được 1200 độ C)
- Connection head (Đầu kết nối): Chứa dây kết nối và bộ chuyển đổi của cặp nhiệt điện.
Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện
Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt ngẫu dựa trên hiệu ứng nhiệt Seebeck Cụ thể: khi
2 kim loại khác nhau được hàn dính lại 1 đầu (Measuring junction) sẽ tạo ra 1 điện áp:
- Điểm nối giữa 2 thanh kim loại (Measuring point) là nơi được tiếp xúc với nhiệt độ cao hơn – (1) đầu nóng
- Hai đầu dây còn lại không được hàn cố định được đánh dấu (-) và (+) – (2) đầu lạnh
- Khi này giữa (1) và (2) có sự chênh lệch nhiệt độ, tạo ra sự dịch chuyển các electron dẫn tới sinh ra 1 hiệu điện thế ở 2 đầu dây.
-Theo đó, 2 thanh kim loại được hàn tại điểm nóng, đây là nơi dùng để đo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tại điểm nóng tăng thì điểm điện áp tại điểm lạnh cũng tăng theo (không theo tuyến tính) Khi đó người ta đo điện áp ở đầu lạnh thì sẽ cho chính xác nhiệt độ ở đầu nóng.
Các loại cặp nhiệt điện
Cặp nhiệt điện loại K (Thermocouple Type K) làm từ Niken-Crom hoặc Niken-Alumel với các ưu điểm về độ chính xác, chi phí thấp và phạm vị nhiệt hoạt động lớn:
Phạm vi đo nhiệt: -270 độ C đến 1200 độ C (thường sử dụng 0-1200 độ C)
Sai số tiêu chuẩn: +/-2.2 C hoặc 0.75%
Tùy chọn sai số thấp nhất: +/-1.1 C hoặc 0.4%
Loại cặp nhiệt ngẫu này khá phổ biến với Iron / Constantan Chúng cho độ chính xác tốt, phạm vi nhiệt hoạt động cũng như tuổi thọ thấp hơn so với loại K:
Dãy đo nhiệt độ: -210 độ C đến 760 độ C
Sai số thấp nhất: +/-1.1 C hoặc 0.4%
Thermocouple Type T (Đồng / Constantan) được ứng dụng để đo nhiệt độ cực thấp trong các máy làm lạnh, đông lạnh, có tính ổn định cao tuy nhiên không phổ biến trong các ứng dụng đo nhiệt độ tại Việt Nam:
Dãy đo nhiệt độ: -270 độ C đến 370 độ C
Sai số thấp nhất: +/- 0.5C or 0.4%
Cặp ngẫu nhiệt loại E (Niken-Crom / Constantan) có tín hiệu mạnh và cho độ chính xác ưu việt hơn loại K khi ở dải nhiệt < 530 độ C.
Dãy đo nhiệt độ: -270 độ C đến 870 độ C
Sai số thấp nhất: +/- 1.0C hoặc 0.4%
Thermocouple Type N (Nicrosil / Nisil) có chi phí khá cao, cho độ tính xác cao tuy nhiên khoảng nhiệt độ hoạt động không quá rộng như loại K:
Dãy đo nhiệt độ: -270 độ C đến 392 độ C
Sai số thấp nhất: +/- 1.1C hoặc 0.4%
Loại cặp nhiệt điện loại F này (Bạch kim Rhodium – 10% / Bạch kim) có vỏ bên ngoài làm bằng sứ, được sử dụng trong các môi trường nhiệt độ cực cao lên đến 1600 độ C Thiết bị này được ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau như sinh học, các lò đốt, dược phẩm,… Dãy đo nhiệt độ: -50 độ C đến 1600 độ C
Sai số thấp nhất: +/- 0.6C hoặc 0.1%
Cặp nhiệt điện loại R (Platinum Rhodium -13% / Bạch kim) sử dụng Rhodium với tỉ lệ cao nên ứng dụng đo ở các mức nhiệt độ cao hoặc đo nhiệt độ thấp nhờ tính ổn định và chính xác cao Tuy nhiên giá thành Thermocouple Type R thường hơn với vỏ bảo vệ làm từ sứ: Dãy đo nhiệt độ: -50 độ C đến 1500 độ C
Sai số thấp nhất: +/- 0.6C hoặc 0.1%
Cuối cùng là cặp nhiệt ngẫu loại B (Platinum Rhodium – 30% / Platinum Rhodium – 6%) thường sử dụng ở mức nhiệt cực cao, cao nhất trong tất cả các loại kể trên Thiết bị này nổi bật với độ chính xác và ổn định:
Dãy đo nhiệt độ: 0 độ C đến 1700 độ C
Tông hợp các loại cặp nhiệt điện:
Ứng dụng
Trong thực tế, can nhiệt độ được ứng dụng trong đời sống rất đa dạng, mang lại các lợi ích khác nhau cho con người Cụ thể như sau:
- Trong ngành thực phẩm: Được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ của lò nướng, đo nhiệt độ ấm của nước, giúp theo dõi bếp điện hoạt động ở mức nhiệt nhất định,
- Trong đo nhiệt độ thấp: Sử dụng các cặp nhiệt độ đo ở mức nhiệt độ thấp như loại E, K, T, N (