Nguyên lý làm việc của cảm biến nhiệt độ

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ:

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị phát hiện nhiệt độ và chuyển đổi nó thành tín hiệu có thể đo được. Nguyên lý hoạt động dựa trên nhiều hiệu ứng vật lý, bao gồm nhiệt điện, điện trở, nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện, sự giãn nở nhiệt, chất bán dẫn và hiệu ứng hấp thụ hồng ngoại. Sau đây là giải thích chi tiết về các nguyên tắc này:

1. Hiệu ứng nhiệt điện

Hiệu ứng nhiệt điện là cơ sở của cảm biến nhiệt độ cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện bằng hai vật liệu khác nhau của dây dẫn gồm một vòng kín, khi tồn tại hai đầu gradient nhiệt độ sẽ xuất hiện một dòng điện chạy qua vòng dây, lúc này giữa hai đầu tồn tại một điện thế - suất điện động nhiệt.Hiện tượng điện thế do chênh lệch nhiệt độ này được gọi là hiệu ứng Seebeck. Bằng cách đo lực điện động này, có thể đạt được phép đo nhiệt độ. Cặp nhiệt điện có ưu điểm là phạm vi đo rộng và độ chính xác cao, được sử dụng rộng rãi trong các tình huống đo nhiệt độ khác nhau.

- Cặp nhiệt điện là một cảm biến được hình thành bằng cách hàn hai dây dẫn kim loại khác nhau lại với nhau.

- Khi các mối hàn của cảm biến ở nhiệt độ khác nhau sẽ hình thành sự chênh lệch nhiệt độ, tạo ra một điện thế nhỏ (tín hiệu điện áp).

- Độ lớn của suất điện động này liên quan đến chênh lệch nhiệt độ và nhiệt độ có thể được đo bằng đường cong điện áp-nhiệt độ đã hiệu chỉnh.

2.Hiệu ứng điện trở và nhiệt điện trở

Hiệu ứng điện trở và hiệu ứng nhiệt điện trở là nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ nhiệt điện trở. Nhiệt điện trở là một phần tử có giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Theo quy luật giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ, nhiệt điện trở có thể được chia thành hai loại: hệ số nhiệt độ dương (PTC) và hệ số nhiệt độ âm (NTC). Giá trị điện trở của vật liệu có hệ số nhiệt độ dương tăng khi nhiệt độ tăng và giá trị điện trở của vật liệu có hệ số nhiệt độ âm giảm khi nhiệt độ tăng. Việc đo nhiệt độ có thể đạt được bằng cách đo giá trị điện trở của nhiệt điện trở. Cảm biến nhiệt điện trở có thể đạt được độ chính xác cao trong phạm vi nhiệt độ giới hạn (ví dụ: -90°C đến 130°C).

2.1 Hiệu ứng nhiệt điện trở:

- Điện trở nhiệt là điện trở có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Chúng thường được chia thành hai loại: hệ số nhiệt độ âm (NTC) và hệ số nhiệt độ dương (PTC).

- Giá trị điện trở của thermistor NTC giảm khi nhiệt độ tăng, còn PTC tăng khi nhiệt độ tăng.

- Bằng cách đo sự thay đổi giá trị điện trở, có thể suy ra sự thay đổi nhiệt độ. Thường có một mối quan hệ phi tuyến tính cụ thể giữa giá trị điện trở và nhiệt độ cần phải hiệu chuẩn và mạch điện cụ thể để chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ.

2.2 Tác dụng kháng cự:

- RTD là cảm biến sử dụng dây hoặc màng kim loại nguyên chất (thường là bạch kim) làm phần tử cảm biến.

- Khi nhiệt độ thay đổi thì giá trị điện trở của điện trở kim loại thay đổi và sự thay đổi này có quan hệ tuyến tính với nhiệt độ.

- Bằng cách đo sự thay đổi giá trị điện trở, có thể tính được giá trị nhiệt độ.

3. Hiệu ứng hấp thụ hồng ngoại

Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại dựa trên nguyên tắc chuyển động nhiệt bên trong của vật thể sẽ phát ra sóng điện từ (chứa tia hồng ngoại có bước sóng 0,75 đến 100 μm) theo mọi hướng. Các cảm biếndonày không yêu cầu tiếp xúc trực tiếp với vật cần đo mà gián tiếp đo nhiệt độ bằng cách đo năng lượng hồng ngoại do vật thể tỏa ra.Do đó, nó đặc biệt thích hợp để đo nhiệt độ bề mặt của vật thể chuyển động, vật thể nhỏ và vật thể có nhiệt dung nhỏ hoặc thay đổi nhiệt độ nhanh (tạm thời).

- Cảm biến hồng ngoại đo nhiệt độ bề mặt của vật thể bằng cách nhận bức xạ hồng ngoại mà nó phát ra.

- Bức xạ nhiệt của vật thể tỷ lệ thuận với nhiệt độ bề mặt của nó và cảm biến có thể xác định nhiệt độ của vật thể bằng cách đo cường độ bức xạ nhận được.

4. Hiệu ứng giãn nở nhiệt:

Cảm biến giãn nở nhiệt là việc sử dụng một số vật liệu nhất định có đặc tính thay đổi nhiệt độ và giãn nở thể tích để đo nhiệt độ. Khi nhiệt độ thay đổi, chiều dài của vật liệu trong cảm biến sẽ thay đổi và có thể thu được thông tin nhiệt độ bằng cách đo sự thay đổi chiều dài.

5. Hiệu ứng bán dẫn:

Vật liệu bán dẫn có tốc độ thay đổi điện trở theo nhiệt độ cao hơn kim loại nên có thể chế tạo thành cảm biến nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện trở của chất bán dẫn sẽ giảm nhanh và nhiệt độ có thể được đo chính xác bằng cách sử dụng đặc tính này.

Trong các ứng dụng thực tế, nên chọn cảm biến nhiệt độ thích hợp theo phạm vi đo cụ thể, yêu cầu về độ chính xác, điều kiện môi trường và các yếu tố khác.

1. Cặp nhiệt điện: Cặp nhiệt điện thường có phạm vi đo cao và độ chính xác khá, nhưng độ tuyến tính và độ ổn định của chúng có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và loại vật liệu. Ở nhiệt độ khắc nghiệt, hiệu suất của cặp nhiệt điện có thể suy giảm, do đó ảnh hưởng đến độ chính xác.

2.Hệ số cảm biến giãn nở nhiệt (Đồng hồ đo giãn nở): Đồng hồ đo giãn nở kém chính xác hơn và thường được sử dụng để đo nhiệt độ tương đối thô. Chúng thích hợp để đo sự thay đổi nhiệt độ hơn là giá trị nhiệt độ chính xác.

3. Máy dò nhiệt độ điện trở (RTD): RTD mang lại độ chính xác và ổn định tốt, đặc biệt là ở nhiệt độ không đổi. Chúng có phạm vi đo rộng nhưng có thời gian phản hồi chậm và không phù hợp để theo dõi nhiệt độ thay đổi nhanh chóng.

4. Thermistors (cảm biến nhiệt độ bán dẫn): Thermistors có độ nhạy cao và có thể phản ứng rất nhanh với sự thay đổi nhiệt độ. Tuy nhiên, độ ổn định lâu dài của chúng có thể không tốt bằng RTD và sự suy giảm hiệu suất có thể xảy ra ở nhiệt độ khắc nghiệt.

Để tóm tắt

Cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên nhiều nguyên tắc khác nhau, dựa trên các hiệu ứng vật lý khác nhau để đạt được phép đo nhiệt độ. Cảm biến cặp nhiệt điện sử dụng hiệu ứng nhiệt điện; cảm biến nhiệt điện trở sử dụng hiệu ứng điện trở và nhiệt điện trở; và cảm biến hồng ngoại sử dụng hiệu ứng hấp thụ hồng ngoại. Những cảm biến này có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các trường hợp và nhu cầu đo lường khác nhau. Ví dụ, trong các yêu cầu có độ chính xác cao hơn, cặp nhiệt điện hoặc RTD thường được sử dụng; trong các yêu cầu của thời gian đáp ứng nhanh, các cảm biến hiệu ứng nhiệt điện hoặc hiệu ứng bán dẫn thường được sử dụng; trong các yêu cầu chi phí thấp, các cảm biến thường được sử dụng về hiệu ứng giãn nở nhiệt.

Nhìn chung, không có cảm biến nhiệt độ nào là chính xác nhất trong mọi điều kiện. Việc lựa chọn cảm biến phụ thuộc vào các yêu cầu ứng dụng cụ thể, bao gồm phạm vi đo mong muốn, độ chính xác, thời gian đáp ứng, chi phí và điều kiện môi trường. Khi chọn cảm biến nhiệt độ, thường phải đánh đổi dựa trên các yếu tố này.