Cặp nhiệt điện, cảm biến nhiệt độ thermocouple

 

1. Cặp nhiệt điện là gì?

Cảm biến nhiệt độ thermocouple (thermo: nhiệt độ; couple: cặp) hay còn được gọi là cặp nhiệt điện, dùng để đo nhiệt độ được sử dụng phổ biến trong công nghiệp. Hoạt động dựa trên nguyên lý “Hiệu ứng nhiệt điện”.Nguyên lý làm việc làm việc của cặp nhiệt điện dựa trên sự thay đổi điện áp theo nhiệt độ của cặp kim loại. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mối nối giữa hai kim loại khác nhau tạo ra một điện áp nhỏ.

Cảm biến nhiệt độ  thermocouple (cặp nhiệt điện)

2. Nguyên lý làm việc

Một cặp nhiệt điện bình thường gồm hai dây kim loại khác nhau. Mỗi dây được chế tạo từ một kim loại đơn chất hoặc hợp kim. Hai dây này được nối lại với nhau tại một đầu tạo thành điểm đo thông thường được gọi là điểm nóng. Bởi vì phần lớn nhiệt độ được đo cao hơn nhiệt độ môi trường. Hai đầu còn lại của hai dây được nối tới dụng cụ đo để tạo thành mạch kín cho dòng điện chạy qua. Thiết bị đo này sẽ đo mức điện áp được tạo ra tại điểm nối và chuyển đổi nó thành giá trị nhiệt độ tương ứng.

 

Sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt điện

3. Các loại cặp nhiệt điện

Có nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau, mỗi loại có những đặc điểm riêng về phạm vi nhiệt độ, độ bền, khả năng chống rung, kháng hóa chất và khả năng tương thích ứng dụng. Các cặp nhiệt điện loại J, K, T, & E là các cặp nhiệt điện được dùng khá phổ biến. Các cặp nhiệt điện loại R, S và B được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao.

3.1 Cặp nhiệt điện loại K (Niken-Crom / Niken-Alumel)

• Đây là loại cặp nhiệt điện được dụng rất phổ biến. Giá thành thấp, có độ chính xác cao đáng tin cậy, giá thành thấp.
• Phạm vi đo dao động trong khoảng: -270oC – 1200oC
• Sai số trong khoảng: ± 2.2oC hoặc ±0.75% (nhất là: ±1.1oC hoặc ±0.4%)

3.2 Cặp nhiệt điện loại J (Iron / Constantan)

• Đây cũng là loại được dùng khá phổ biến. Có phạm vi  đo nhiệt độ nhỏ hơn và tuổi thọ ngắn hơn ở nhiệt độ ccao so với loại K. Nó tương đương so với loại K về giá thành và độ tin cậy.
• Phạm vi đo dao động trong khoảng: -210oC – 760oC
• Sai số trong khoảng: ±2.2oC hoặc ±0.75% (thấp nhất là: ±1.1oC hoặc ±0.4%)

3.3 Cặp nhiệt điện loại T (Đồng (Cu) / Constantan)

• Loại T là loại cặp nhiệt điện rất ổn định và thường được sử dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ rất thấp như đông lạnh hay máy làm lạnh.
• Phạm vi đo dao động trong khoảng: -270oC ~ 370 oC
• Sai số trong khoảng: ± 1oC hoặc ±0.75% (thấp nhất: ±0.5oC hoặc 0.4%)

3.4 Cặp nhiệt điện loại E (Niken-Crom / Constantan)

• Có tín hiệu mạnh hơn và chính xác hơn loại K và loại J ở phạm vi nhiệt độ vừa phải từ 537oC trở xuống.
• Phạm vi đo nhiệt độ trong khoảng: -270oC ~ 870oC
• Sai số trong khoảng: ±1.7 oC hoặc 0.5% (thấp nhất: ±1.0 oC hoặc 0.4%)

3.5 Cặp nhiệt điện loại N (Nicrosil / Nisil)

• Loại N có cùng độ chính xác như loại như loại K nhưng giá thành cao hơn một chút.
• Phạm vi đo trong khoảng: -270oC ~ 392oC
• Sai số trong khoảng: ± 2.2oC hoặc ±0.75% (nhất là: ±1.1oC hoặc ±0.4%)

3.6 Cặp nhiệt điện loại S (Bạch kim Rhodium-10% / Bạch kim)

• Đây là loại được sử dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ rất cao. Thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp sinh học, dược phẩm và lò đốt. Đôi khi vẫn được sử dụng trong các ứng dụng thấp hơn vì độ ổn định và chính xác cao. Vỏ bảo vệ thường làm bằng sứ.
• Phạm vi đo trong khoảng: -50oC ~ 1600oC
• Sai số trong khoảng: ±1.5oC hoặc ±0.25% (nhất là: ±0.6oC hoặc ±0.1%)

3.7 Cặp nhiệt điện loại R (Platinum Rhodium – 13% / Bạch kim)

• Đây cũng là loại được sử dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ rất cao. Vì có tỉ lệ Rhodium cao hơn loại S nên nó đắt hơn. Loại R rất giống với loại S về hiệu suất. Vỏ bảo vệ luôn luôn được làm bằng sứ.
• Phạm vi đo trong khoảng: -50oC ~ 1500oC
• Sai số trong khoảng: ±1.5oC hoặc ±0.25% (nhất là: ±0.6oC hoặc ±0.1%)

3.8 Cặp nhiệt điện loại B (Platinum Rhodium – 30% / Platinum Rhodium – 6%)

• Được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cực cao. Đây là loại có giới hạn đo cao nhất trong các loại đã liệt kê. Cặp nhiệt điện loại B duy trì mức độ chính xác và ổn định cao ở nhiệt độ rất cao.
• Phạm vi đo trong khoảng: 0oC ~ 1700oC
• Sai số trong khoảng: ±0.5% (thấp nhất: 0.25%)

4. Ứng dụng:

Cặp nhiệt điện có cả hai loại: loại dây và loại củ hành (sứ). Với sự đa dạng và phong phú về cấu tạo, nên loại cặp nhiệt điện (thermocouple) được ứng dụng nhiều trong việc đo nhiệt độ gần như trong tất cả các nghành cần đo nhiệt độ.

Cặp nhiệt điện loại dây

 

Cặp nhiệt điện loại củ hành

 

Trong các loại cặp nhiệt điện (thermocouple) thì loại K là được sử dụng phổ biến nhất tối đa đo được có thể là 1200 oC. Do giá cặp nhiệt điện loại K giá thành rất canh tranh so với các loại khác cùng tính năng. Mặt khác phù hợp với các chuẩn kết nối thông dụng dễ dàng thay thế khi bị hỏng.

Đối với các nồi hơi, lò nhiệt độ có thể lên đến 1600oC - 1700oC ở nhiệt độ này nên dùng loại S hoặc loại B

Một số ứng dụng của cặp nhiệt điện

Nguồn bài viết: https://epcb.vn/blogs/news/cap-nhiet-dien-cam-bien-nhiet-do-thermocouple