Cảm biến nhiệt độ là gì?

Cảm biến nhiệt độ, còn được gọi là Resistance Thermometer hay RTD (Resistance Temperature Detector), là loại cảm biến được sử dụng để đo nhiệt độ. Phần tử RTD thường gồm một đoạn dây kim loại mảnh quấn quanh lõi gốm hoặc thủy tinh chịu nhiệt, tuy nhiên cũng có các dạng cấu tạo khác. Loại dây được sử dụng là kim loại tinh khiết, phổ biến nhất là Platinum (Pt), Nickel (Ni), hoặc Copper (Cu).

Các vật liệu này có mối quan hệ tuyến tính, chính xác giữa điện trở và nhiệt độ, từ đó cho phép xác định chính xác nhiệt độ môi trường. Do phần tử RTD thường khá mong manh, chúng thường được đặt trong vỏ bảo vệ dạng đầu dò (probe) để tránh hư hại trong quá trình sử dụng.

So với cặp nhiệt điện (thermocouple), RTD có độ chính xác và độ lặp lại cao hơn, do đó chúng đang dần được ứng dụng thay thế thermocouple trong các hệ thống công nghiệp có nhiệt độ dưới 600 °C.

Mối quan hệ điện trở/nhiệt độ của kim loại

Các phần tử cảm biến RTD phổ biến trong ứng dụng y sinh được chế tạo từ platinum (Pt), nickel (Ni) hoặc copper (Cu), có quan hệ điện trở theo nhiệt độ (R so với T) lặp lại ổn định và phạm vi nhiệt độ hoạt động rõ ràng.

Mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở (gọi là R theo T) cho biết cảm biến thay đổi điện trở bao nhiêu khi nhiệt độ tăng hoặc giảm 1 độ.

Mức thay đổi tương đối của điện trở (hệ số nhiệt điện trở) chỉ dao động rất ít trong phạm vi nhiệt độ hoạt động hữu ích của cảm biến.

Platinum được Ngài William Siemens đề xuất sử dụng làm phần tử trong cảm biến nhiệt độ điện trở tại bài giảng Bakerian năm 187. Đây là một kim loại quý có quan hệ điện trở–nhiệt độ ổn định nhất trong phạm vi nhiệt độ rộng nhất.

Nickel (nicken) cũng được sử dụng nhưng chỉ đo được trong khoảng nhiệt độ thấp, vì khi vượt quá 300 °C, độ nhạy của nó sẽ thay đổi và không còn chính xác.

Đồng (copper) thì có độ nhạy rất tuyến tính, nghĩa là khi nhiệt độ thay đổi, điện trở thay đổi đều đặn. Tuy nhiên, đồng dễ bị oxy hóa nên chỉ dùng được ở mức nhiệt thấp, dưới 150 °C.

Điểm quan trọng nhất của các kim loại dùng làm cảm biến nhiệt là khả năng duy trì mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt độ và điện trở trong khoảng 0 – 100 °C. Mối quan hệ này thường được đo bằng một con số gọi là hệ số nhiệt điện trở (ký hiệu là α), đơn vị tính là Ω/(Ω·°C).

Hiệu chuẩn

Hiệu chuẩn điểm cố định (Fixed-point calibration): Được sử dụng cho các phép hiệu chuẩn có độ chính xác cao nhất tại các phòng thí nghiệm đo lường quốc gia. Phương pháp này sử dụng các điểm ba pha, điểm đông đặc hoặc điểm nóng chảy của các chất tinh khiết (chẳng hạn như nước, kẽm và thiếc) và argon để tạo ra một mức nhiệt độ đã biết và có thể tái lập chính xác.

Hiệu chuẩn so sánh (Comparison calibrations): Thường được sử dụng với các cảm biến nhiệt độ điện trở bạch kim tiêu chuẩn thứ cấp (secondary standard platinum resistance thermometers) và các cảm biến RTD công nghiệp. Trong phương pháp này, các nhiệt kế cần hiệu chuẩn sẽ được so sánh với các nhiệt kế đã được hiệu chuẩn, thông qua một bể nhiệt có nhiệt độ được duy trì ổn định và đồng đều.

Khác với hiệu chuẩn điểm cố định, hiệu chuẩn so sánh có thể được thực hiện tại bất kỳ nhiệt độ nào trong khoảng từ −100 °C đến 500 °C (−148 °F đến 932 °F).

Loại phần tử

Phần tử điện trở cacbon: Giá thành rẻ và được sử dụng rộng rãi. Chúng cho kết quả rất chính xác ở nhiệt độ thấp. Chúng đáng tin cậy nhất trong phạm vi nhiệt độ cực rộng. Chúng thường không bị ảnh hưởng đáng kể bởi hiện tượng trễ hoặc hiệu ứng biến dạng.

Phần tử không biến dạng: Sử dụng cuộn dây được hỗ trợ tối thiểu trong vỏ kín chứa khí trơ (như argon). Các cảm biến này hoạt động ở nhiệt độ lên đến 961,78 °C (1.763,20 °F) và được sử dụng trong các SPRT (Nhiệt kế điện trở bạch kim tiêu chuẩn) định nghĩa ITS-90.

Phần tử dạng màng mỏng (Thin-film elements): Loại này có phần tử cảm biến được tạo ra bằng cách phủ một lớp vật liệu điện trở cực mỏng, thường là bạch kim, lên bề mặt nền bằng gốm còn được gọi là quá trình mạ. Lớp màng này thường chỉ dày khoảng 10 đến 100 ångström (tương đương 1 đến 10 nanomet).

Phần tử quấn dây (Wire-wound elements): Loại này có thể đạt độ chính xác cao hơn, đặc biệt khi làm việc trong dải nhiệt độ rộng. Đường kính của cuộn dây là yếu tố cân bằng giữa độ ổn định cơ học và khả năng giãn nở của dây để giảm ứng suất và hiện tượng trôi (drift) theo thời gian.

Phần tử dạng cuộn (Coiled elements): Đây là thiết kế đã thay thế phần tử quấn dây trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp. Thiết kế này gồm một cuộn dây có khả năng giãn nở tự do theo nhiệt độ, được cố định bằng các chi tiết đỡ cơ học giúp duy trì hình dạng ổn định của cuộn dây trong suốt quá trình vận hành

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm của cảm biến nhiệt độ bạch kim bao gồm:

• Độ chính xác cao
• Độ trôi thấp
• Phạm vi hoạt động rộng
• Phù hợp cho các ứng dụng chính xác.

Hạn chế của cảm biến nhiệt độ:

RTD so với cặp nhiệt điện: Hai phương pháp đo nhiệt độ phổ biến nhất cho các ứng dụng công nghiệp là sử dụng đầu dò nhiệt điện trở (RTD) và cặp nhiệt điện. Việc lựa chọn giữa chúng thường được xác định bởi bốn yếu tố.

Nhiệt độ: Nếu nhiệt độ quy trình nằm trong khoảng từ −200 đến 500 °C (−328,0 đến 932,0 °F), RTD công nghiệp là lựa chọn ưu tiên. Cặp nhiệt điện có phạm vi từ −180 đến 2.320 °C (−292,0 đến 4.208,0 °F), vì vậy đối với nhiệt độ trên 500 °C (932 °F), đây là thiết bị đo nhiệt độ tiếp xúc thường thấy trong các phòng thí nghiệm vật lý.

Thời gian phản hồi: Nếu quy trình yêu cầu phản hồi rất nhanh với sự thay đổi nhiệt độ (tính bằng phần giây so với giây), thì cặp nhiệt điện là lựa chọn tốt nhất. Thời gian phản hồi được đo bằng cách nhúng cảm biến vào nước di chuyển với tốc độ 1 m/s (3,3 ft/s) với bước thay đổi 63,2%.

Kích thước: Vỏ RTD tiêu chuẩn có đường kính từ 3,175 đến 6,35 mm (0,1250 đến 0,2500 in); đường kính vỏ của cặp nhiệt điện có thể nhỏ hơn 1,6 mm (0,063 in).

Yêu cầu về độ chính xác và độ ổn định: Nếu chấp nhận được dung sai 2 °C và không yêu cầu độ lặp lại cao nhất, thì cặp nhiệt điện sẽ phù hợp. RTD có khả năng đạt độ chính xác cao hơn và có thể duy trì độ ổn định trong nhiều năm, trong khi cặp nhiệt điện có thể bị trôi chỉ trong vài giờ đầu sử dụng.

Cấu tạo

Dây dẫn cách điện: Các phần tử cảm biến RTD gần như luôn yêu cầu các dây dẫn cách điện được gắn kèm. Ở nhiệt độ dưới khoảng 250 °C, các chất cách điện như PVC, cao su silicone hoặc PTFE thường được sử dụng. Khi nhiệt độ vượt quá mức này, các vật liệu như sợi thủy tinh (glass fibre) hoặc gốm (ceramic) sẽ được dùng thay thế để đảm bảo khả năng chịu nhiệt.

Vỏ bảo vệ: Điểm đo – và thường là hầu hết phần dây dẫn – cần được bảo vệ bằng một lớp vỏ bọc hoặc ống bảo vệ, thường được làm từ hợp kim kim loại có tính trơ về mặt hóa học với môi trường mà cảm biến giám sát. Việc lựa chọn và thiết kế vỏ bảo vệ này có thể cần được xem xét kỹ lưỡng hơn cả phần tử cảm biến, vì nó phải chịu được sự ăn mòn hóa học, va đập vật lý và đồng thời cung cấp các điểm gắn kết thuận tiện.

Tăng cường độ bền: Thiết kế cấu trúc của cảm biến RTD có thể được cải tiến để chịu được rung động và va đập bằng cách nhồi bột oxit magie (MgO) đã được nén vào bên trong ống bảo vệ. MgO giúp cách ly các dây dẫn với lớp vỏ ngoài cũng như cách ly lẫn nhau giữa các dây dẫn. MgO được sử dụng nhờ các đặc tính như: hằng số điện môi cao, cấu trúc hạt tròn, khả năng chịu nhiệt tốt và tính trơ hóa học cao.

Cấu hình nối dây

Cấu hình 2 dây: Đây là cấu hình đơn giản nhất của cảm biến nhiệt điện trở (RTD). Tuy nhiên, nó chỉ nên được sử dụng trong các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao, vì điện trở của dây nối sẽ được cộng thêm vào điện trở của cảm biến, dẫn đến sai số trong phép đo.

Cấu hình 3 dây: Để giảm thiểu ảnh hưởng của điện trở dây dẫn, cấu hình 3 dây được sử dụng phổ biến hơn. Cách đấu dây khuyến nghị là: R1 = R2, và R3 nằm ở khoảng giữa dải đo của RTD. Cấu hình này giúp cải thiện đáng kể độ chính xác so với cấu hình 2 dây.

Cấu hình 4 dây: Đây là cấu hình chính xác nhất để đo điện trở. Cảm biến sử dụng 4 đầu dây (4-wire resistance configuration) giúp loại bỏ ảnh hưởng của sụt áp trên các dây đo, đảm bảo kết quả đo gần như không bị sai số do dây dẫn gây ra.

Phân loại RTD

RTD bạch kim siêu chính xác: Đây là loại cảm biến bạch kim có độ chính xác cao nhất trong tất cả các dòng PRT. Độ chính xác vượt trội này đạt được nhờ vào thiết kế và vật liệu cao cấp, tuy nhiên đi kèm với đó là chi phí cao và độ bền không bằng các dòng khác.

RTD bạch kim tiêu chuẩn: Đây là một phân loại khác thuộc nhóm cảm biến dùng trong phòng thí nghiệm. SPRT có cấu tạo tương tự như UPRT, nhưng sử dụng vật liệu có chi phí hợp lý hơn để giảm giá thành trong khi vẫn duy trì độ chính xác cao.

RTD công nghiệp: Loại cảm biến này được thiết kế để chịu được điều kiện khắc nghiệt trong môi trường công nghiệp. Về độ bền, chúng gần tương đương với cảm biến nhiệt điện (thermocouple). Tùy vào ứng dụng cụ thể, RTD công nghiệp có thể sử dụng phần tử đo dạng màng mỏng (thin-film) hoặc dạng cuộn dây (coil-wound).