Cảm biến nhiệt độ là gì?
Cảm biến nhiệt là thiết bị được sử dụng để cảm nhận sự thay đổi của các đại lượng vật lý cần đo không có tính chất điện (ở đây là nhiệt độ) thành các đại lượng mang tính chất điện có thể đo đạt và xử lý được.
Cảm biến nhiệt được cấu tạo gồm hai dây kim loại khác nhau được hàn dính một đầu lại với nhau, với một bên được gọi là đầu nóng (hay đầu dò), đầu còn lại gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu dây thì sẽ phát sinh một nhiệt điện động ở đầu dây lạnh. Vì thế cần phải kiểm soát nhiệt độ ở đầu dây lạnh (tuỳ thuộc vào chất liệu dây lạnh).
Thiết bị cảm biến nhiệt được thiết kế đặc biệt cho các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, ... cũng như các ngành có đòi hỏi độ chính xác cao, độ tin cậy cao trong các phép đo nhiệt độ.
Cấu tạo cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt có hai phần chính là bộ phận cảm biến và dây kết nối cùng với các thành phần phụ như chất cách điện, vỏ bảo vệ, đầu kết nối:

Bộ phận cảm biến: Đây là bộ phận quan trọng nhất của cảm biến với khả năng chịu nhiệt, một bộ phận cảm biến kém chất lượng sẽ gây ảnh hưởng đến độ chính xác cũng như hoạt động của bộ cảm biến. Sau khi được kết nối với đầu nối, nó sẽ được bọc trong vỏ bảo vệ. Các nguyên tố cảm biến với dây dẫn có sẵn sẽ cho độ chính xác khác nhau.
Dây kết nối: Kết nối của bộ phận cảm biến có thể thực hiện bằng cách sử dụng 2, 3 hoặc 4 dây, tuỳ thuộc vào điều kiện sử dụng đầu dò mà vật liệu của dây dẫn sẽ khác nhau.
Chất cách điện: Thường được làm bằng gốm, giúp ngăn ngừa đoản mạch và cách điện các dây kết nối khỏi vỏ bảo vệ.
Vỏ bảo vệ: Dùng để bảo vệ các thành phần của cảm biến và các dây kết nối. Vì nó tiếp xúc trực tiếp với quá trình sử dụng, điều quan trọng là nó được làm bằng vật liệu phù với và có kích thước phù hợp. Trong một số điều kiện nhất định, nên bọc thêm bằng vỏ thermowell để bổ sung.
Đầu kết nối: Đầu kết nối chứa bảng mạch thường làm bằng vật liệu cách điện (thường là gốm) cho phép kết nối với điện trở. Tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng của ứng dụng mà vỏ chống cháy nổ có thể sử dụng. Bộ chuyển đổi tín hiệu 4-20mA có thể được cài đặt như một thiết bị đầu cuối.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ
Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh, sẽ phát sinh một sức điện động V tại đầu lạnh (hiệu ứng Seebeck). Độ phân cực và cường độ của sức điện động chỉ phụ thuộc vào loại kim loại được sử dụng. Vấn đề đặt ra là phải ổn định được nhiệt độ ở đầu lạnh để có thể đo chính xác sức điện động V. Do vậy mới có các loại cặp nhiệt độ khác nhau, mỗi loại cho ra một mức sức điện động khác nhau.

Nguyên lý hoạt động cặp nhiệt điện

Đối với cảm biến nhiệt điện trở. Cảm biến được cấu tạo đa dạng khác nhau, chủ yếu là bằng kim loại Platinum có giá trị điện trở 100 Ohm khi ở nhiệt độ 0 độ C, giá trị điện trở sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Đây là loại cảm biến thụ động nên cần phải cấp nguồn đầu vào ổn định trong quá trình sử dụng. Cảm biến nhiệt điện trở với đầu dò có lớp vỏ bọc bên ngoài làm bằng vật liệu đồng, chất bán dẫn, thép không gỉ hay thuỷ tinh siêu mỏng, ... Vì vậy nguyên lý làm việc của cảm biến nhiệt điện trở dựa trên mối quan hệ giữa vật liệu kim loại đầu dò với nhiệt độ, điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng và ngược lại. Ưu điểm là không bị ăn mòn, rất nhạy với nhiệt độ, hoạt động ổn định.
Các bộ cảm biến nhiệt độ thường được tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu giúp hiệu suất làm việc cao, vận hành dễ dàng và lắp đặt đơn giản hơn.
Các loại dây của cảm biến nhiệt

Loại cảm biến 2 dây: Đây là loại ít chính xác nhất và chỉ được sử dụng trong trường hợp kết nối với dây điện trợ ngắn hay dây điện trở thấp. Khi kết nối mạch điện tương đương, có thể lưu ý điện trở đo được là tổng của điện trở cảm biến (phụ thuộc vào nhiệt độ) và điện trở của dây dẫn được sử dụng cho việc kết nối.
Loại cảm biến 3 dây: Mức độ đo chính xác tốt hơn, kỹ thuật 3 dây được sử dụng nhiều trong môi trường công nghiệp. Với kỹ thuật này, có thể loại bỏ các lỗi gây ra do điện trở của dây dẫn. Ở đầu ra, điện áp phụ thuộc hoàn toàn vào sự biến đổi điện trở của cảm biến và thay đổi liên tục tuỳ theo nhiệt độ.
Loại cảm biến 4 dây: Loại này cho ra độ chính xác lớn nhất có thể. Chúng ít khi được sử dụng trong môi trường công nghiệp, hầu như chỉ được sử dụng trong môi trường thí nghiệm.

Các loại dây cảm biến nhiệt

Phân loại cảm biến nhiệt độ
Cảm biến cặp nhiệt điện (Thermocouple): Được ứng dụng trong quá đo nhiệt độ tại các môi trường như không khí, nước, các loại chất lỏng, ... Đối với các môi trường hoá chất, chúng sẽ được sử dụng vật liệu chống ăn mòn tại ví trí trao đổi nhiệt đo đạt.

Cảm biến cặp nhiệt điện TES-1310

Cảm biến nhiệt điện trở (RTD – Resistance Temperature Detectors).

Cảm biến nhiệt RTD - PT100

Điện trở oxit kim loại (Thermistor): Thermistor là loại cảm biến nhiệt độ có thiết kế mỏng, nhỏ gọn thường được sử dụng trong các bo mạch điện tử hoặc được sử dụng với chức năng bảo vệ động cơ.

Cảm biến NTC 47D-15

Cảm biến nhiệt bán dẫn (Semiconductor): Là loại cảm biến được tạo nên từ các chất bán dẫn dựa trên nguyên lý thay đổi điện áp giữa các lớp PNP hay NPN theo nhiệt độ môi trường.

Cảm biến nhiệt bán dẫn LM-35

Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc: Được làm bằng công nghệ hồng ngoại hoặc sử dụng laser cho các ứng dụng đo nhiệt độ cao liên tục. Cảm biến hoạt động dựa vào bức xạ năng lượng của nhiệt độ môi trường cần đo.

Máy đo nhiệt độ hồng ngoại