Cảm biến nhiệt độ: RTD Pt100, cặp nhiệt điện, NTC và cách chọn

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị biến nhiệt độ của môi chất hoặc bề mặt thành tín hiệu điện (điện trở, điện áp hoặc dòng điện) để bộ điều khiển đọc được. Trong công nghiệp có bốn nhóm chính: RTD (điển hình là Pt100), cặp nhiệt điện (thermocouple), điện trở nhiệt (thermistor NTC/PTC) và cảm biến hồng ngoại.

Mỗi nhóm cảm biến nhiệt độ khai thác một hiện tượng vật lý khác nhau nên khác nhau về dải đo, độ chính xác, tốc độ phản hồi và giá. Các mục dưới đi từ nguyên lý từng loại đến cách lắp thermowell, chuyển đổi 4–20 mA và bảng chọn theo ứng dụng.

Cảm biến nhiệt độ là gì

Mỗi cảm biến nhiệt độ gồm một phần tử nhạy nhiệt có tính chất điện thay đổi theo nhiệt độ, đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép không gỉ hoặc gốm. Phần tử này không tự hiển thị số; nó chỉ cho ra điện trở hoặc điện áp, và cần mạch đo phía sau để đọc.

Chuỗi đo hoàn chỉnh gồm bốn khâu: phần tử cảm biến, dây dẫn (hoặc dây bù), bộ chuyển đổi tín hiệu (transmitter) và thiết bị nhận như PLC hay bộ hiển thị. Sai số của cả chuỗi là tổng hợp của từng khâu, nên chọn một phần tử chính xác nhưng đi dây sai vẫn cho kết quả sai. Kết quả cuối cùng hiển thị bằng đơn vị °C, K hoặc °F tùy cấu hình; chi tiết về đơn vị đo nhiệt độ và cách quy đổi có trong bài riêng.

Điểm khác biệt chính với đồng hồ nhiệt độ là mục đích: đồng hồ (lưỡng kim, áp suất) chỉ báo trực tiếp tại chỗ bằng cơ cấu cơ khí, không cần nguồn điện, còn cảm biến truyền tín hiệu đi xa để ghi nhận, cảnh báo và điều khiển. Nhiều điểm đo quan trọng lắp cả hai: đồng hồ để công nhân kiểm tra nhanh, cảm biến để đưa về phòng điều khiển.

Cảm biến nhiệt độ điện trở RTD

RTD (Resistance Temperature Detector) dùng dây hoặc màng kim loại tinh khiết, thường là bạch kim, có điện trở tăng gần tuyến tính theo nhiệt độ. Bạch kim bền hóa học, ít bị lão hóa và có quan hệ điện trở – nhiệt độ lặp lại tốt, nên được dùng làm chuẩn công nghiệp. Phương trình Callendar–Van Dusen mô tả quan hệ này có thể xem thêm tại trang tổng quan về nhiệt kế điện trở.

Pt100, Pt1000 và hệ số nhiệt

Cảm biến nhiệt độ Pt100 có điện trở 100 Ω ở 0 °C và khoảng 138,5 Ω ở 100 °C, tương ứng hệ số nhiệt trung bình α = 0,00385 Ω/Ω/°C trong khoảng 0…100 °C (theo IEC 60751), tức khoảng 0,385 Ω cho mỗi °C. Pt1000 có điện trở gấp 10 lần (1 000 Ω ở 0 °C) nên cùng một điện trở dây, sai số do dây nhỏ hơn 10 lần và tín hiệu lớn hơn, nhưng giá thường cao hơn một chút.

Dòng kích thích qua RTD phải nhỏ, thường khoảng 1 mA hoặc thấp hơn, vì dòng làm phần tử tự nóng lên và đọc cao hơn thực tế. Với Pt100 trong không khí tĩnh, hiện tượng tự nóng rõ hơn so với khi nhúng trong nước, nên cần chọn dòng theo hướng dẫn của hãng và môi trường lắp.

Cấp chính xác A và B

Theo IEC 60751, sai số cho phép của Pt100 tính theo nhiệt độ t:

Hai cấp dùng cùng đường đặc tính chuẩn; Pt100 cấp A chính xác hơn vì phần tử được chọn lọc và tinh chỉnh để R0 và độ dốc bám sát đường chuẩn hơn. Đổi lại, IEC 60751:2008 chỉ công nhận cấp A trong dải hẹp hơn: với phần tử dây quấn là −100…450 °C, so với −196…600 °C của cấp B; với phần tử màng mỏng là −30…300 °C (cấp A) và −50…500 °C (cấp B). Ngoài dải đó, phần tử chỉ còn đạt cấp thấp hơn. Cấp B đủ cho phần lớn cảm biến nhiệt độ đo nước, hơi và không khí trong nhà máy.

Đấu 2, 3 và 4 dây

Điện trở của dây nối cộng vào điện trở phần tử và bị mạch đo hiểu nhầm là nhiệt độ tăng. Với Pt100, 1 °C ứng với khoảng 0,385 Ω quanh 0 °C, nên 0,4 Ω điện trở dây đã gây sai số khoảng 1 °C.

• 2 dây: không bù, chỉ dùng khi dây rất ngắn hoặc yêu cầu thấp.
• 3 dây: mạch cầu (hoặc mạch đo) trừ đi điện trở dây, với giả thiết hai dây cùng chiều dài, cùng tiết diện nên điện trở bằng nhau. Đây là kiểu đấu phổ biến nhất với cảm biến nhiệt độ công nghiệp.
• 4 dây: một cặp cấp dòng, một cặp đo điện áp trực tiếp trên phần tử; loại hẳn ảnh hưởng của dây. Dùng cho phòng thí nghiệm và đo chính xác cao.

Cảm biến nhiệt độ RTD phù hợp dải từ khoảng −200 đến 600 °C, ổn định lâu dài tốt, nhưng chậm hơn thermocouple loại bọc nhỏ và chịu rung kém hơn do cấu tạo dây quấn hoặc màng mỏng.

Cảm biến nhiệt độ cặp nhiệt điện (thermocouple)

Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau hàn một đầu (mối nóng). Khi mối nóng và đầu kia (mối lạnh) chênh nhiệt độ, giữa hai dây xuất hiện suất điện động nhờ hiệu ứng Seebeck. Cảm biến nhiệt độ loại này không cần cấp nguồn, và mối hàn có thể rất nhỏ nên phản hồi nhanh.

Tín hiệu rất nhỏ. Loại K cho khoảng 41 µV/°C quanh nhiệt độ phòng, nên ở 400 °C (mối lạnh 0 °C) chỉ ra khoảng 16,4 mV. Điện áp nhiệt điện cỡ mV này đòi hỏi bộ đo có độ nhạy cao và chống nhiễu tốt; nếu cần làm quen với thang đo, xem bài điện áp nhiệt điện cỡ mV và các đơn vị V, mV, µV.

Loại K (can nhiệt K) rẻ, dải rộng nên dùng nhiều nhất, thường gặp ở lò, khuôn ép nhựa và ống khói. Loại J hợp với môi trường khử nhưng dây sắt gỉ trong ẩm. Loại T chính xác ở nhiệt độ thấp và lạnh sâu. Loại N ổn định hơn K ở nhiệt độ cao. Loại S, R, B dùng bạch kim và rhodium nên đắt, dành cho lò thủy tinh, luyện kim và gốm.

Dây bù và bù mối lạnh

Vì suất điện động phụ thuộc hiệu số nhiệt giữa mối nóng và mối lạnh, bộ đo phải biết nhiệt độ đầu nối để cộng bù; đó là bù mối lạnh. Bộ chuyển đổi đo nhiệt độ cực đấu dây bằng một cảm biến phụ (NTC, Pt hoặc IC bán dẫn) để tính phần này.

Từ đầu cảm biến về tủ điện, phải dùng dây bù (compensating cable) hoặc dây nối dài (extension cable) đúng loại. Dùng dây đồng thường sẽ tạo thêm mối nối nhiệt điện ở chỗ nối, khiến số đọc sai. Cặp nhiệt điện cũng bị trôi theo thời gian khi dây bị oxy hóa ở nhiệt độ cao, nên cần hiệu chuẩn định kỳ.

Cảm biến nhiệt độ điện trở nhiệt NTC và PTC

Thermistor là điện trở bán dẫn gốm kim loại có điện trở thay đổi mạnh theo nhiệt độ. NTC (Negative Temperature Coefficient) giảm điện trở khi nóng lên; PTC (Positive Temperature Coefficient) thì tăng. Độ nhạy của NTC cao hơn RTD nhiều lần, nên cảm biến nhiệt độ loại này đo được thay đổi rất nhỏ trong dải hẹp.

Đổi lại, quan hệ điện trở – nhiệt độ của NTC phi tuyến mạnh (theo dạng hàm mũ, mô tả bằng hệ số B hoặc phương trình Steinhart–Hart), và dải làm việc thường chỉ khoảng −50…150 °C (tham khảo). Loại phổ biến có 10 kΩ ở 25 °C.

NTC được dùng trong điều hòa, tủ lạnh, bơm nhiệt và ắc quy, vì chỉ cần đo dải hẹp quanh nhiệt độ phòng với giá thấp. PTC dạng công tắc (điện trở tăng vọt ở một nhiệt độ ngưỡng) được cài trong cuộn dây motor để bảo vệ quá nhiệt: khi cuộn dây nóng quá ngưỡng, điện trở PTC tăng đột ngột và rơ le cắt motor.

Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại và cảm biến kỹ thuật số

Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại đo bức xạ nhiệt phát ra từ bề mặt, nên không cần tiếp xúc. Chúng hợp với vật chuyển động (băng tải, con lăn), vật rất nóng hoặc nơi không thể gắn đầu dò.

Số đọc phụ thuộc hệ số phát xạ ε của bề mặt (từ 0 đến 1). Bề mặt đen mờ có ε cao (khoảng 0,9 trở lên) cho kết quả tin cậy; kim loại bóng có ε thấp, phản xạ ánh sáng xung quanh và dễ đọc thấp hơn thực tế. Phải cài ε đúng, hoặc dán băng mờ lên điểm đo. Ngoài ra bụi, hơi nước và kính chắn giữa cảm biến và bề mặt làm lệch kết quả.

Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số tích hợp phần tử đo và bộ chuyển đổi analog–số ngay trong một IC. Ví dụ DS18B20 cho dữ liệu số qua giao thức 1-Wire, dải đo −55…125 °C, sai số ±0,5 °C trong khoảng −10…85 °C (theo datasheet hãng). Loại này tiện cho mạch điện tử và hệ thống giám sát dân dụng, nhưng vỏ nhựa hoặc IC nhỏ không thay được cảm biến nhiệt độ công nghiệp ở nhiệt độ cao hay môi trường ăn mòn.

Bảng so sánh các loại cảm biến nhiệt độ

Bảng dưới tóm tắt khác biệt chính giữa các loại cảm biến nhiệt độ đã nêu. Các giá trị mang tính tham khảo và thay đổi theo hãng, kiểu đóng gói.

Giếng nhiệt (thermowell) và lắp đặt cảm biến nhiệt độ

Giếng nhiệt là ống kim loại bịt đầu, ghép ren hoặc mặt bích vào đường ống, để đầu dò nằm bên trong thay vì tiếp xúc trực tiếp môi chất. Nhờ vậy có thể tháo cảm biến nhiệt độ ra hiệu chuẩn hoặc thay mà không dừng hệ thống, và bảo vệ đầu dò khỏi áp suất, dòng chảy và ăn mòn.

Giếng chịu áp như phần đường ống, nên cần chọn theo áp suất danh nghĩa PN của giếng nhiệt sao cho không thấp hơn cấp áp của hệ thống, đồng thời vật liệu (inox 304, 316L, hợp kim khác) hợp với môi chất và nhiệt độ.

Chiều dài nhúng và vị trí

Nếu nhúng quá ngắn, đầu dò nhận nhiệt dẫn dọc theo vỏ từ bên ngoài và đọc thấp hơn thực tế (với môi chất nóng). Quy tắc thực hành thường dùng là nhúng sâu tối thiểu khoảng 10 lần đường kính đầu dò (tham khảo; tuân theo hướng dẫn hãng và tiêu chuẩn của dự án). Đầu giếng nên đi qua tâm ống hoặc ít nhất qua khoảng một phần ba đến một nửa đường kính trong; chiều dài nhúng phải chọn theo kích thước ống DN. Với ống rất nhỏ, thường lắp xiên 45° hoặc đặt tại cút để đủ chiều dài nhúng.

Hướng lắp cảm biến nhiệt độ nên ngược chiều dòng chảy hoặc vuông góc, và đặt cách xa van điều khiển, bơm hoặc chỗ trộn hai dòng; nếu không, nhiệt độ tại đầu dò không đại diện cho dòng chính. Khe hở không khí giữa đầu dò và đáy giếng làm chậm đáp ứng; có thể bơm dầu dẫn nhiệt hoặc dùng đầu dò lò xo để tì sát đáy giếng.

Rung do dòng chảy

Dòng chảy qua giếng tạo xoáy tách dòng ở sau giếng (xoáy Kármán) với tần số tăng theo vận tốc. Nếu tần số này gần tần số riêng của giếng, giếng cộng hưởng và có thể gãy vì mỏi. Vì vậy với dòng tốc độ cao (hơi, khí, nước nhanh), cần tính tần số riêng của giếng, thường theo ASME PTC 19.3 TW, hoặc chọn giếng côn có tần số riêng cao hơn giếng thẳng.

Bộ chuyển đổi tín hiệu 4–20 mA cho cảm biến nhiệt độ

Tín hiệu thô từ cảm biến nhiệt độ RTD hay thermocouple (Ω hoặc mV) yếu và dễ nhiễu khi truyền xa. Bộ chuyển đổi (transmitter) đặt ngay trong đầu nối của cảm biến hoặc trên thanh DIN trong tủ, khuếch đại, tuyến tính hóa, bù mối lạnh và chuyển thành dòng 4–20 mA tỉ lệ với dải nhiệt độ cài đặt.

Dòng điện được chọn thay vì điện áp vì dòng không đổi dọc dây dẫn nên không bị sụt áp do điện trở dây, và nhiễu cảm ứng ít ảnh hưởng hơn. Mức 4 mA ứng với đầu thang đo (zero sống), nên 0 mA nghĩa là đứt dây hay mất nguồn chứ không phải nhiệt độ thấp. Khuyến nghị NAMUR NE 43 giữ tín hiệu đo trong khoảng 3,8–20,5 mA và dùng mức ≤ 3,6 mA hoặc ≥ 21 mA để báo lỗi cảm biến. Vòng dòng thường cấp 24 VDC; điện trở shunt 250 Ω đổi 4–20 mA thành 1–5 V cho đầu vào analog.

Ví dụ, transmitter cài dải 0…200 °C: 4 mA ứng 0 °C, 20 mA ứng 200 °C, và 12 mA ứng 100 °C. Cách tính tuyến tính này cũng dùng chung chuẩn tín hiệu với cảm biến áp suất, nên hai loại thiết bị có thể về cùng một tủ PLC với cùng card analog.

Ứng dụng và cách chọn cảm biến nhiệt độ

Việc chọn cảm biến nhiệt độ bắt đầu từ ba điều kiện: dải nhiệt độ làm việc, độ chính xác yêu cầu và môi trường lắp (rung, ăn mòn, áp suất). Sau đó mới đến tốc độ đáp ứng, kiểu ngõ ra và ngân sách.

Trong nồi hơi, cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ hơi hoặc khói, còn công tắc áp suất bảo vệ độc lập theo áp suất. Hai thiết bị cùng cắt đốt khi vượt ngưỡng, vì hơi bão hòa có nhiệt độ gắn với áp suất nên một trong hai hỏng vẫn còn lớp bảo vệ còn lại.

Trong vòng điều khiển, cảm biến gửi tín hiệu về bộ điều khiển nhiệt độ, bộ này so sánh với giá trị đặt rồi điều khiển van hoặc điện trở gia nhiệt. Chọn cảm biến nhiệt độ có đáp ứng quá chậm sẽ làm vòng điều khiển dao động, vì bộ điều khiển phản ứng với nhiệt độ đã cũ.

Nếu bạn cần chọn cảm biến nhiệt độ cho một vị trí cụ thể, Viva có thể hỗ trợ đối chiếu dải đo, kiểu đầu dò, vật liệu giếng và ngõ ra tín hiệu theo thông số vận hành bạn cung cấp. Bạn cũng có thể đến trực tiếp tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội để xem mẫu.

Câu hỏi thường gặp về cảm biến nhiệt độ