Cảm biến nhiệt độ (Sensor nhiệt)

I. Cảm biến nhiệt độ là gì?

Là thiết bị có công dụng đo lường sự biến đổi về nhiệt độ của các đại lượng cần đo. Khi nhiệt độ phạm vi môi trường cần đo có sự thay đổi thì các cảm biến sẽ đưa ra một tín hiệu và truyền tìn hiệu về các bộ đọc sẽ đọc để quy giá trị nhiệt độ ra một con số cụ thể.
Cảm biến nhiệt còn có tên gọi khác là can nhiệt, cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, nhiệt kế điện trở metal, temperature sensor, ...
Thông thường can nhiệt J, K , T, E, đầu dò PT100 là những loại cảm biến đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất vì khoảng nhiệt độ của chúng dễ gặp nhất trong các ứng dụng hàng ngày. Can nhiệt loại B, R, S sẽ hiếm được sử dụng hơn vì khoảng nhiệt của chúng thích hợp với những ứng dụng đòi hỏi nhiệt độ cao.

II. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt là dựa mối quan hệ giữa vật liệu kim loại và nhiệt độ, cụ thể trên sự thay đổi điện trở của kim loại so với sự thay đổi nhiệt độ vượt trội. Khi nhiệt độ là 0 thì điện trở ở mức 100Ω, điện trở của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng và ngược lại.
Có nghĩa là khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ có một sức điện động V được phát sinh tại đầu lạnh. Nhiệt độ ở đầu lạnh phải ổn định và đo được và nó phụ thuộc vào chất liệu. Chính vì vậy mà mới có sự xuất hiện của các loại cặp nhiệt độ và mỗi loại cho ra một sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T.
Việc tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu giúp nâng cao hiệu suất làm việc của cảm biến nhiệt và giúp cho việc vận hành, lắp đặt được dễ dàng hơn.

III. Phân loại cảm biến đo nhiệt độ

Tùy vào phạm vi ứng dụng, khoảng nhiệt độ yêu cầu mà cảm biến đo nhiệt độ hiện nay được chia thành các loại như sau:

1. Cặp nhiệt điện – Thermocouple

Cặp nhiệt điện Thermocouple khá bền và có khả năng đo nhiệt độ ở ngưỡng cao. Chúng là loại cảm biến nhiệt điện mạch kín, gồm 2 dây kim loại khác nhau được nối ở hai đầu và khi nhiệt độ ở 2 đầu dây kim loại khác nhau thì dòng điện được tạo ra. 
 

Cấu tạo và đặc điểm:

Cặp nhiệt điện Thermocouple được cấu tạo từ 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu và có khoảng nhiệt -100°C~1800°C. Nguyên lí hoạt động của nó là khi nhiệt độ môi trường có sự thay đổi (tăng hoặc giảm) thì sẽ tác động lên đầu nóng của nó. Nhờ vào hiệu ứng Seebeck, điện áp ở đầu lạnh của cặp nhiệt điện sẽ tăng hoặc giảm theo nhiệt độ môi trường (nhiệt độ tăng thì điện áp tăng và ngược lại). Chỉ cần đo giá trị của điện áp ở đầu lạnh ta sẽ có được giá trị của nhiệt độ.

2. Thermocouple type K - (Can nhiệt K)

Cảm biến cặp nhiệt điện loại K (Niken-Crom/Niken-Alumel) là loại cảm biến nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay vì giá thành khá hợp lý, độ bền cao, khoảng nhiệt độ vừa phải. Loại Thermocouple này gồm các hợp kim có chứa niken và sẽ phù hợp để điều chỉnh nhiệt độ cao trong môi trường oxy hóa nhưng không được sử dụng trong môi trường khí quyển. 
 

3. Thermocouple type J - (Can nhiệt J)

Cảm biến nhiệt độ loại J (Iron/Constantan) là loại cặp nhiệt điện bao gồm cực dương sắt và cực âm Constantan (hợp kim đồng và niken), được chỉ định để đo nhiệt độ trung bình trong việc giảm khí quyển và với sự hiện diện của hydro và carbon. Đây là một trong số ít cặp nhiệt điện có thể được sử dụng an toàn trong việc khử khí quyển.

4. Thermocouple type N - Cảm biến can nhiệt N:

Cảm biến can nhiệt N (Nicrosil / Nisil) là loại cảm biến thuộc họ Thermocouple, được dùng cho khoảng nhiệt độ cao tương tự như loại K, dải đo tiềm năng trong khoảng từ -270ºC – 1300ºC nhưng có độ phản ứng trễ nhiệt ít hơn. Can nhiệt N là thiết kế mới nhất đã được các tiêu chuẩn quốc tế chấp nhận và đang ngày càng được sử dụng rộng khắp trên thế giới.

5. Cảm biến đo lường nhiệt độ loại E

Cảm biến can nhiệt E (Niken-Crom/Constantan) có công suất nhiệt điện cao kết hợp cực dương của cặp nhiệt điện kiểu K và cực âm của cặp nhiệt điện kiểu J. Thermocouple loại này dược khuyến cáo sử dụng cho môi trường oxy hóa liên tục hoặc khí trơ và sai số phép đo không ổn định khi đo nhiệt độ âm.

6. Cảm biến can nhiệt S – Thermocouple type S:

Cảm biến can nhiệt loại S (Bạch kim/Rhodium) cho phép thu được các phép đo rất chính xác. Với lớp vỏ bảo vệ thường bằng sứ, nó có khả năng chịu được ở nhiệt độ cao từ 50ºC – 1768ºC và thường được sử dụng trong khí quyển oxy hóa. Loại Thermocouple này được sử dụng trong thí nghiệm và để xác định ”Thang đo Nhiệt độ theo tiêu chuẩn Quốc tế" (International Temperature Scale).

7. Cặp nhiệt điện loại R – Thermocouple type R:

Cảm biến nhiệt độ dạng cặp nhiệt điện loại R (Platinum Rhodium/Bạch kim) được dùng trong các ứng dụng nhiệt độ rất cao với lớp bảo vệ luôn luôn bằng sứ. Hiệu suất can nhiệt R có hiệu suất tương đồng với can nhiệt S, nhưng vì có tỷ lệ Rhodium cao hơn nên cảm biến can R có giá thành đắt hơn. Đôi khi can nhiệt R vẫn được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ thấp vì độ chính xác và ổn định cao.

8. Can nhiệt B - Thermocouple type B

Cặp nhiệt điện Thermocouple loại B (Platinum Rhodium/Platinum Rhodium) được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi khoảng nhiệt độ rất cao mà vẫn duy trì được mức độ chính xác và ổn định. Can nhiệt B có giới hạn nhiệt độ cao nhất trong tất cả các cặp nhiệt điện được liệt kê phía trên. Ta có thể bắt gặp can nhiệt B trong các ứng dụng lò nấu kim loại, nhiệt luyện kim loại trong các ngành công nghiệp luyện kim, các máy kiểm tra độ bền nhiệt.

9. Điện trở oxit kim loại (Thermistor)

Cảm biến nhiệt độ loại điện trở oxit kim loại hay còn gọi Thermistor được làm từ hỗn hợp các oxit kim loại như mangan, niken, cobalt,… và hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi. Dải đo của cảm biến đo lường nhiệt dạng này là 50°C.

• Các bột ocid kim loại cấu tạo nên thermistor được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Mức độ dẫn điện của hỗn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.
• Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC - điện trở tăng theo nhiệt độ và hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Hệ số nhiệt dương HTC được sử dụng phổ biến hơn
• Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50°C-150°C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ và ngắt nhiệt. 

10. Cảm biến đo nhiệt độ bán dẫn (Cảm biến nhiệt số)

Cảm biến nhiệt độ bán dẫn giống như tên gọi của nó, chính là được chế tạo từ những chất bán dẫn như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường. Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến đo lường nhiệt với:

• Dải đo nhiệt độ dao động trong khoản -50°C~150°C
• Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến nhiệt số dưới dạng diode (hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45. 
• Gần đây một loại IC cảm biến nhiệt cao cấp đã được cho ra đời, chúng hỗ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C (DS18B20) mở ra một xu hướng mới trong “thế giới cảm biến”.
• Được ứng dụng để đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo và bảo vệ mạch điện tử.

IV. Ưu điểm và nhược điểm các loại cảm biến nhiệt

V. Ứng dụng của cảm biến đo nhiệt độ

1. Trong đời sống hằng ngày

• Điều hòa không khí (HVAC): Cảm biến giúp điều chỉnh nhiệt độ phù hợp trong phòng.
• Tủ lạnh và lò nướng: Kiểm soát nhiệt độ để bảo quản thực phẩm hoặc nấu ăn chính xác hơn.
• Thiết bị đeo thông minh: Đồng hồ thông minh, thiết bị theo dõi sức khỏe sử dụng cảm biến nhiệt để đo thân nhiệt.

2. Trong công nghiệp

• Điều khiển quá trình sản xuất: Dùng trong các ngành sản xuất thực phẩm, dược phẩm, hóa chất để duy trì nhiệt độ chính xác.
• Giám sát hệ thống điện: Đo nhiệt độ máy biến áp, động cơ điện để ngăn ngừa quá nhiệt.
• Lò nung, luyện kim: Kiểm soát nhiệt độ trong lò nung để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

3. Trong y tế

• Nhiệt kế điện tử: Đo nhiệt độ cơ thể một cách nhanh chóng và chính xác.
• Thiết bị y tế: Máy MRI, lò hấp tiệt trùng sử dụng cảm biến nhiệt để đảm bảo điều kiện môi trường phù hợp.

4. Trong nông nghiệp

• Nhà kính thông minh: Cảm biến giúp kiểm soát nhiệt độ để tối ưu hóa sự phát triển của cây trồng.
• Chăn nuôi: Kiểm soát nhiệt độ chuồng trại để bảo vệ sức khỏe vật nuôi.

5. Trong ô tô và giao thông

• Động cơ ô tô: Cảm biến nhiệt độ giúp kiểm soát hệ thống làm mát, tránh quá nhiệt động cơ.
• Hệ thống điều hòa xe hơi: Tự động điều chỉnh nhiệt độ trong xe dựa vào môi trường bên ngoài.

6. Trong điện tử và công nghệ

• Máy tính và linh kiện điện tử: Giám sát nhiệt độ CPU, GPU để bảo vệ phần cứng.
• Thiết bị IoT: Các hệ thống giám sát thông minh sử dụng cảm biến nhiệt để theo dõi môi trường.

VI. Những điểm lưu ý khi chọn mua cảm biến nhiệt độ

1. Loại cảm biến nhiệt độ

Mỗi loại cảm biến có ưu nhược điểm khác nhau, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể:

• Nhiệt điện trở (RTD - Resistance Temperature Detector): Chính xác cao, ổn định, thường dùng trong công nghiệp.
• Cặp nhiệt điện (Thermocouple): Chịu nhiệt độ cao (từ -200°C đến 2000°C), phản hồi nhanh, giá thành thấp.
• Cảm biến nhiệt độ bán dẫn (IC Sensor - LM35, DS18B20, TMP36): Phù hợp với ứng dụng điện tử, IoT.
• Cảm biến hồng ngoại (Infrared Sensor - IR): Đo nhiệt độ không tiếp xúc, thích hợp cho môi trường khắc nghiệt.

2. Dải nhiệt độ hoạt động

• Xác định khoảng nhiệt độ cần đo (ví dụ: -50°C đến 150°C cho thực phẩm, -200°C đến 2000°C cho lò nung).
• Chọn cảm biến có dải đo rộng hơn một chút so với yêu cầu thực tế để đảm bảo độ bền.

3. Độ chính xác và sai số

• Độ chính xác của cảm biến thường dao động từ ±0.1°C đến ±2°C.
• RTD (như PT100) có độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện nhưng giá cũng đắt hơn.

4. Tốc độ phản hồi (Response Time)

• Ứng dụng cần đo nhiệt độ nhanh (như kiểm tra sản phẩm công nghiệp) nên chọn cảm biến có tốc độ phản hồi nhanh (<1 giây).
• Nếu chỉ cần đo nhiệt độ môi trường hoặc cơ thể, tốc độ phản hồi vài giây là đủ.

5. Môi trường sử dụng

• Môi trường ẩm ướt → Chọn cảm biến chống nước (IP65, IP67).
• Môi trường hóa chất, dầu mỡ → Cần vỏ bảo vệ bằng inox hoặc vật liệu chịu hóa chất.
• Môi trường rung lắc, nhiệt độ cao → Cặp nhiệt điện với lớp bọc chịu nhiệt.

6. Kiểu dáng và phương thức lắp đặt

• Dạng đầu dò (Probe): Phổ biến trong công nghiệp, y tế, thực phẩm.
• Dạng dây (Wire): Linh hoạt, dễ lắp đặt trong hệ thống điện tử.
• Dạng gắn tường hoặc PCB: Dùng trong IoT, thiết bị gia dụng.
• Cảm biến không tiếp xúc: Phù hợp với đo vật thể di chuyển, lò nung, đo từ xa.

7. Giao tiếp với vi điều khiển / hệ thống điều khiển

• Analog (điện áp hoặc điện trở thay đổi) → Dùng ADC để đọc tín hiệu.
• Digital (I2C, SPI, 1-Wire, RS485, Modbus, CAN bus, BLE, WiFi, Zigbee) → Phù hợp với IoT và hệ thống công nghiệp.

8. Nguồn điện cấp

• Xác định cảm biến dùng điện áp 3.3V, 5V, 12V, 24V hoặc nguồn loop 4-20mA để đảm bảo tương thích với hệ thống.

9. Giá thành và thương hiệu

• Chọn thương hiệu uy tín như Omega, WIKA, Honeywell, Siemens, Texas Instruments, Sensirion để đảm bảo chất lượng.
• So sánh giá với các yêu cầu thực tế để tránh mua cảm biến quá cao cấp không cần thiết.

VII. Những điểm lưu ý khi sử dụng cảm biến nhiệt độ

1. Lắp đặt đúng cách

• Vị trí lắp đặt: Đặt cảm biến ở vị trí đại diện cho môi trường cần đo, tránh nơi có nhiệt độ biến đổi nhanh hoặc bị ảnh hưởng bởi nguồn nhiệt khác.
• Tiếp xúc tốt: Nếu cảm biến cần đo trực tiếp, hãy đảm bảo tiếp xúc chặt với bề mặt để tránh sai số. Có thể dùng keo tản nhiệt hoặc dầu dẫn nhiệt.
• Cách ly nhiễu điện từ (EMI): Cảm biến cần tránh xa nguồn điện cao áp, động cơ, dây nguồn AC để giảm nhiễu.

2. Hiệu chuẩn định kỳ (Calibration)

• Cảm biến nhiệt độ có thể bị trôi sai số theo thời gian, cần được hiệu chuẩn định kỳ (6 tháng – 1 năm/lần) để đảm bảo độ chính xác.
• Nếu sử dụng trong môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, hóa chất, độ ẩm cao), cần hiệu chuẩn thường xuyên hơn.

3. Kiểm tra dải nhiệt độ hoạt động

• Không sử dụng cảm biến vượt quá dải nhiệt độ cho phép, vì điều này có thể gây hỏng hóc hoặc giảm tuổi thọ.
• Ví dụ: Cảm biến RTD (PT100) thường hoạt động tốt từ -200°C đến 850°C, trong khi cảm biến bán dẫn (LM35, DS18B20) chỉ hoạt động từ -55°C đến 150°C.

4. Bảo vệ cảm biến trong môi trường khắc nghiệt

• Môi trường ẩm hoặc hóa chất → Chọn cảm biến có lớp bọc chống ăn mòn (inox 316, Teflon, ceramic).
• Môi trường có rung động mạnh → Dùng cảm biến có lớp bảo vệ hoặc gắn chặt bằng ốc vít.
• Nhiệt độ cực cao (>1000°C) → Sử dụng cặp nhiệt điện loại B, R, S với lớp vỏ bảo vệ bằng sứ hoặc kim loại chịu nhiệt.

5. Tránh tác động cơ học mạnh

• Tránh va đập mạnh vì có thể làm hỏng đầu đo hoặc gãy dây cảm biến.
• Với cảm biến nhiệt độ dây dẫn, cần tránh uốn cong quá mức để không làm đứt lõi dây bên trong.

6. Đảm bảo nguồn điện và tín hiệu đầu ra đúng tiêu chuẩn

• Kiểm tra nguồn điện cấp (3.3V, 5V, 12V, 24V) để tránh hư hỏng cảm biến.
• Đảm bảo định dạng tín hiệu đầu ra (analog, digital, 4-20mA, RS485, Modbus...) tương thích với hệ thống điều khiển.

7. Lọc nhiễu tín hiệu khi kết nối với vi điều khiển hoặc PLC

• Dùng dây shield (bọc chống nhiễu) hoặc kéo dây xa nguồn điện để tránh nhiễu tín hiệu.
• Nếu dùng tín hiệu analog (0-10V, 4-20mA), có thể dùng tụ lọc hoặc bộ cách ly tín hiệu để giảm nhiễu.

8. Kiểm tra độ chính xác trước khi sử dụng

• Khi lắp đặt, kiểm tra nhiệt độ đo được có hợp lý không, có bị chênh lệch lớn so với nhiệt kế chuẩn không.
• Nếu dùng nhiều cảm biến, có thể kiểm tra bằng cách đặt tất cả trong cùng một môi trường và so sánh kết quả.