Chương 2 : Cảm biến nhiệt độ
2.5 Thermocouples (Cặp nhiệt ngẫu)
Gồm 2 hay nhiều thanh dẫn điện được hàn với nhau.
Biến đổi nhiệt năng thành điện năng.
Cần có sự chênh nhiệt giữa mối nối có nhiệt độ cần đo t và mối nối có nhiệt độ chuẩn t0.
Dễ dàng sử dụng và đo lường.
2.5.1 Hiệu ứng seebeck
- Khi 2 kim loại khác nhau được nối 2 đầu, một đầu đốt nóng thì có một dịng điện chạy trong mạch.
Hiệu điện áp mạch hở (điện áp Seebeck) là hàm của nhiệt độ và thành phần của 2 kim loại. Khi nhiệt độ thay đổi nhỏ, điện áp Seebeck tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ: DeAB = aDT (a: hệ số Seebeck, hằng số tỉ lệ).
2.5.2 Các loại Thermocouple
2.5.2.1 Loại K (Chromel – Alumel)
Chromel® gồm 90% niken và 10% crom, là dây dương.
Alumel® là hợp kim bao gồm 95% niken, 2% mangan, 2% nhôm và 1% silic, là dây âm.
Phạm vi nhiệt độ: loại 270°C đến 1260°C.Là cặp nhiệt điện phổ biến nhất. Tính chính xác, độ tin cậy cao, giá thành thấp, có phạm vi cảm nhận nhiệt độ khá rộng.
2.5.2.2 Loại J (Sắt – Constantan)
Các cặp nhiệt điện loại J có phạm vi tiềm năng hạn chế hơn loại K từ –200 đến +1200 °C (–328 đến 2193 °F). Loại J cũng khá phổ biến. Có độ tin cậy, tính chính xác và giá thành tương đương với loại K. Nhưng lại có phạm vi nhiệt độ và tuổi thọ thấp hơn loại K.
2.5.2.3 Loại E (Chromel – Constantan)
Chromel là một hợp kim của 90% niken và 10% crom và là dây dương.
Constantan là hợp kim thường gồm 55% đồng và 45% niken.
Loại E là loại có độ cảm nhận nhiệt mạnh hơn & độ chính xác cao hơn loại K, loại J ở dải nhiệt độ từ 537°C trở xuống. Phạm vi nhiệt độ: -270°C đến 870°C.
Đây là cảm biến nhiệt độ thermocouple rất ổn định và thường được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cực thấp như đông lạnh hoặc hệ thống làm lạnh. Phạm vi nhiệt độ: -270°C đến 370°C.
2.5.2.5 Loại N (Nicrosil – Nisil)
Nicrosil là hợp kim niken có chứa 14.4% crom, 1.4% silic, và 0.1% magie và là dây dương. Nisil là hợp kim của hợp kim niken với 4.4% silic.
Có cùng độ chính xác và giới hạn nhiệt độ như loại K nhưng có giá thành sản phẩm đắt hơn một chút. Phạm vi nhiệt độ: -270°C đến 392°C.
2.5.2.6 Loại R (Platinum Rhodium -13% / Bạch kim)
Loại R (Platin – 13% Rhodi / Platin).
Thermocouple loại S được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ rất cao. Dễ dàng thấy cặp nhiệt điện thermocouple loại S trong các ngành công nghiệp như: ngành sinh học, dược phẩm…Phạm vi nhiệt độ: -50°C đến 1480°C.
2.5.2.7 Loại S (Bạch kim Rhodium – 10% / Bạch kim)
Loại S (Platin – 10% Rhodi / Platin).
Cặp nhiệt điện loại R được sử dụng trong các ứng dụng có nhiệt độ rất cao. Do có tỷ lệ Rhodium cao hơn can nhiệt S nên giá thành cũng đắt hơn. Phạm vi nhiệt độ: -50°C đến 1480°C.
2.5.2.8 Loại B (Platinum Rhodium – 30% / Platinum Rhodium – 6%)
Các cặp nhiệt điện loại B (Platin – 30% Rhodi / Platin – 6% Rhodi).
Cặp nhiệt điện loại B có giới hạn nhiệt độ cao nhất trong tất cả các cặp nhiệt điện. Cho nên can nhiệt loại B được dùng trong ứng dụng có nhiệt độ cực cao là do nó duy trì được mức độ chính xác và ổn định cao ở nhiệt độ rất cao. Phạm vi nhiệt độ: 0°C đến 1700°C.
Tổng đại số sức nhiệt điện trong một mạch được cấu tạo từ các chất dẫn điện khác nhau bằng 0 nếu nhiệt độ tại các chỗ tiếp giáp như nhau.
Nếu 2 tiếp giáp tại nhiệt độ T1 và T2 tạo ra điện áp Seebeck V2, tại nhiệt độ T2 và T3 tạo ra điện áp V1 thì tại nhiệt độ T1 và T3 tạo ra điện áp là V3 = V1 + V2.
2.5.4. Đo điện áp thermocoulpes
Khơng thể đo trực tiếp điệp áp Seebeck vì: Phải nối vơn kế vào Thermocouple và chính các dây dẫn vơn kế tạo ra một mạch nhiệt điện khác.
2.5.5 Lớp tiếp giáp tham chiếu
• Mạch tương đương
2.5.7 Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm
Đơn giản.
Khả năng đo nhiệt độ cao.
Giá thành thấp.
Đáp ứng nhanh đối với sự thay đổi nhiệt độ.
Nhược điểm
Độ ổn định kém.
Ít nhạy cảm với sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ.
Dây dẫn nối dài phải dùng cùng loại thermocouple.
Dây dẫn có thể bị nhiễu nếu khơng bọc giáp chống nhiễu.
2.5.8 Ứng dụng
Trên thị trường có nhiều loại cặp nhiệt khác nhau như E,J,K,R,S,T,B,... Đó là bởi vì mỗi cặp nhiệt đó được cấu tạo bởi 1 chất liệu khác nhau -> sức điện động cũng khác nhau -> dải đo cũng khác nhau.