Tổng quan cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị chuyển đổi nhiệt độ môi trường hoặc vật đo thành tín hiệu điện để bộ điều khiển (PLC, bộ điều nhiệt, datalogger) đọc và xử lý. Mỗi loại có nguyên lý, dải đo và ứng dụng khác nhau — việc chọn đúng loại ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và chi phí hệ thống.
PT100 — RTD (Resistance Temperature Detector)
PT100 là dây điện trở bạch kim (Pt) có điện trở 100 Ω tại 0°C. Nhiệt độ tăng, điện trở tăng tuyến tính theo công thức: R(T) ≈ 100 + 0,385 × T (đơn vị Ω, T tính bằng °C).
- Dải đo: −200°C đến +850°C
- Độ chính xác: Class A ±0,15°C tại 0°C; Class B ±0,30°C tại 0°C (theo IEC 60751)
- Ổn định dài hạn: rất tốt — bạch kim ít bị oxy hóa và già hóa
- Nhược điểm: dòng đo (thường 1 mA) sinh nhiệt Joule gia nhiệt thêm phần tử — cần bù trừ; đắt hơn thermocouple
- Ứng dụng: lò sấy công nghiệp, phòng sạch, hệ thống lạnh công nghiệp, ngành dược phẩm, thực phẩm
Kết nối 2, 3, 4 dây
- 2 dây: đơn giản nhất nhưng điện trở dây dẫn cộng vào kết quả đo → sai số tùy chiều dài dây (thường chấp nhận được nếu dây ngắn <5 m)
- 3 dây: phổ biến nhất trong công nghiệp — bù được điện trở dây nếu 3 dây có điện trở bằng nhau
- 4 dây: chính xác nhất — 2 dây cấp dòng, 2 dây đo điện áp riêng biệt → loại hoàn toàn ảnh hưởng dây dẫn. Dùng trong phòng thí nghiệm và ứng dụng chính xác cao
Thermocouple (cặp nhiệt điện)
Thermocouple hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck: khi 2 kim loại khác nhau hàn nối tại một đầu (đầu nóng) và đầu kia (đầu lạnh) có nhiệt độ khác nhau, sinh ra điện áp EMF tỷ lệ với hiệu nhiệt độ.
| Kiểu | Vật liệu | Dải đo | Độ nhạy | Ứng dụng tiêu biểu |
|---|---|---|---|---|
| K | Chromel / Alumel | −200 đến +1260°C | ~41 µV/°C | Lò nung, lò nhiệt luyện, khói thải |
| J | Sắt / Constantan | −40 đến +750°C | ~52 µV/°C | Máy nhựa, thiết bị dân dụng cũ |
| T | Đồng / Constantan | −200 đến +350°C | ~43 µV/°C | Kho lạnh, thực phẩm đông lạnh |
| S, R, B | Bạch kim / Rhodium | 0 đến +1600/1700°C | ~10 µV/°C | Lò thủy tinh, luyện kim, gốm sứ |
Lưu ý quan trọng: thermocouple đo hiệu nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh (cold junction). Bộ khuếch đại phải bù nhiệt độ đầu lạnh (Cold Junction Compensation — CJC) để cho ra nhiệt độ tuyệt đối chính xác. Module thermocouple của PLC (ví dụ: Mitsubishi FX3U-4AD-TC, Siemens SM 1231) tích hợp sẵn CJC.
NTC Thermistor
NTC (Negative Temperature Coefficient) là điện trở bán dẫn có điện trở giảm mạnh khi nhiệt độ tăng — đặc tuyến phi tuyến mạnh. Dùng phương trình Steinhart-Hart để linearize.
- Dải đo: −50°C đến +150°C (thực dụng)
- Độ nhạy: rất cao — thay đổi vài kΩ mỗi độ C ở nhiệt độ phòng
- Ưu điểm: rẻ, nhỏ, đáp ứng nhanh, không cần khuếch đại phức tạp
- Nhược điểm: phi tuyến, không chính xác bằng PT100 ở nhiệt độ cao
- Ứng dụng: điều hòa nhiệt độ, tủ lạnh, máy in, sạc pin, IoT
So sánh tổng hợp
| Tiêu chí | PT100 | Thermocouple K | NTC Thermistor |
|---|---|---|---|
| Dải đo | −200 ~ +850°C | −200 ~ +1260°C | −50 ~ +150°C |
| Độ chính xác | Cao nhất (±0,1–0,3°C) | Trung bình (±1–2°C) | Trung bình (±0,2–0,5°C trong dải hẹp) |
| Giá | Cao | Thấp–trung bình | Rất thấp |
| Tín hiệu đầu ra | Điện trở (Ω) | Điện áp (mV) | Điện trở (kΩ) |
| Cần khuếch đại? | Không (module RTD) | Có (CJC + khuếch đại) | Không (mạch phân áp đơn giản) |
| Độ bền | Cao | Trung bình (oxy hóa) | Tốt trong dải hẹp |