Tìm hiểu cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ được phân loại thành cảm biến nhiệt tiếp xúc, cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc, IC cảm biến nhiệt độ. Cùng tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng loại.

Cảm biến nhiệt tiếp xúc

Cấu tạo chung gồm các bộ phận sau: 

• Phần tử cảm nhận: bằng vật liệu có đặc tính thay đổi theo nhiệt độ, có tỉ nhiệt thấp, nhiệt dẫn suất cao, nhạy với nhiệt độ.
• Tiếp điểm: dẫn từ phần tử cảm nhận đến mạch điện tử cảm nhận bên ngoài. Các tiếp điểm phải có nhiệt dẫn suất rất nhỏ.
• Vỏ bảo vệ: phân cách cảm biến với môi trường, vỏ bảo vệ phải có nhiệt trở thấp và cách điện tốt, chịu ẩm và các yếu tố ăn mòn.

Cảm biến nhiệt platin và nickel 

Platin: Là vật liệu phổ biến cho cảm biến nhiệt điện trở nhờ tính ổn định hóa học và tinh thể, cùng với độ chính xác cao. Dải đo nhiệt của platin rộng, từ -200°C đến 850°C.

Nickel: Có độ nhạy cao hơn và rẻ hơn so với platin, nhưng hoạt động trong dải nhiệt hẹp từ khoảng 60°C đến 250°C do dễ bị oxi hóa ở nhiệt độ cao. Điện trở của nickel ở 100°C là 1,617 lần so với ở 0°C, trong khi với platin chỉ là 1,385 lần.

Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic

Cảm biến nhiệt độ làm từ silic được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để đo và hiệu chỉnh nhiệt độ từ -50°C đến 300°C. Silic tinh khiết có hệ số điện trở âm, nhưng khi được kích tạp loại n, hệ số nhiệt điện trở trở thành dương ở một dải nhiệt độ nhất định do sự thay đổi của điện tích.

• Dưới 200°C: Silic có hệ số nhiệt dương, do số lượng điện tích tự do giảm.
• Trên 200°C: Hệ số nhiệt trở trở thành âm khi số lượng điện tích tự do tăng lên.

Cảm biến nhiệt silic không được tác động lực vì có thể gây hỏng hóc. Hầu hết các cảm biến silic bị giới hạn ở 150°C do vỏ bọc và chân nối vào chip không ổn định ở nhiệt độ cao. Sau 150°C, sự dẫn điện của tải thuần (Intrinsic Conductivity) bắt đầu xuất hiện, ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến.

Cảm biến cặp nhiệt ngẫu

Cấu tạo: gồm hai loại dây dẫn khác nhau (A và B) nối nhau tại mối hàn. Khi hai mối hàn có nhiệt độ khác nhau (t và to, với to thường là 0°C), hiện tượng khuếch tán điện tử tự do xảy ra, tạo ra sức điện động giữa hai đầu.

Nguyên lý hoạt động: Khi nhiệt độ ở hai mối hàn khác nhau, điện tử tự do từ đầu nóng sẽ khuếch tán sang đầu lạnh. Đầu nóng sẽ mang điện tích dương, còn đầu lạnh mang điện tích âm. Sự chênh lệch này sinh ra dòng điện, và chiều của dòng điện phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn. Nếu nhiệt độ t > t_o, dòng điện sẽ chạy theo chiều ngược lại.

• Mối hàn (2): Tiếp xúc với đối tượng đo nhiệt độ, có thể được cách ly bằng đầu sứ.
• Vỏ bảo vệ (1): Bằng vật liệu không thấm khí như thạch anh hoặc gốm, có đường kính 15-25mm, chiều dài từ 100 đến 3000mm.
• Dây dẫn (7) và điện cực (3): Được nối qua đầu nối và vít (6).
• Vỏ bảo vệ và mối hàn được giữ chắc chắn để đảm bảo tiếp xúc tốt với đối tượng cần đo.

Cặp nhiệt ngẫu thường sử dụng platin nhờ vào tính bền hóa học và khả năng chịu nhiệt tốt.

Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc

Hỏa kế quang học

Hỏa kế quang học là thiết bị đo nhiệt độ phổ biến trong phòng thí nghiệm, có khả năng đo trong dải nhiệt độ từ 800°C đến 6000°C. Nguyên lý hoạt động của hỏa kế quang học dựa trên việc so sánh độ chói của vật đo với độ chói chuẩn bằng mắt thường, sử dụng hiện tượng bức xạ của vật đen tuyệt đối.

Nguyên lý hoạt động:

Độ chói của vật đo được so sánh với độ chói của dây tóc bóng đèn (ở bước sóng 0,65 µm). Người dùng quan sát qua thị kính (7) và điều chỉnh cường độ sáng của dây tóc bằng biến trở Rb.

Một bộ lọc ánh sáng đỏ (6) được sử dụng để chỉ cho phép một phần quang phổ gần với tia đơn sắc đi qua, giúp tăng độ chính xác và giảm giới hạn dưới của hỏa kế.

Quy trình đo:

1. Vật kính (1) được hướng về phía vật cần đo.
2. Người dùng quan sát sợi dây tóc trong thị kính (7) và điều chỉnh sao cho độ chói của dây tóc bằng với độ chói của vật đo.
3. Khi độ sáng của dây tóc và vật đo tương đồng, kim chỉ của mA sẽ hiển thị nhiệt độ tương ứng với vật đo.

Quan sát:

• Khi dây tóc sáng hơn vật đo, phông tối – dây tóc sáng.
• Khi dây tóc tối hơn vật đo, phông sáng – dây tóc tối.

Hỏa kế quang điện

Hỏa kế quang điện là thiết bị đo nhiệt độ tự động, với dải đo từ 800°C đến 2000°C, hoạt động dựa trên sự phụ thuộc của quang phổ độ chói vào nhiệt độ.

Nguyên lý hoạt động:

• Ống kính của hỏa kế quang điện hướng vào vật cần đo, quang thông truyền qua vật kính (2), màng ngăn (3), và bộ lọc màu đỏ (6), sau đó tới tế bào quang điện (7).
• Đồng thời, quang thông từ nguồn sáng (1) cũng được truyền tới tế bào quang điện, tạo ra dòng điện đảo pha nhờ cửa điều tiết (4), giúp so sánh quang thông giữa vật đo và đèn.
• Khi quang thông của vật và đèn bằng nhau, dòng điện một chiều xuất hiện trong tế bào quang điện. Nếu nhiệt độ vật thay đổi, thành phần dòng xoay chiều sẽ xuất hiện và được khuếch đại để điều chỉnh cường độ đèn, tạo cân bằng quang thông.

Cơ chế đo:

• Hệ thống tự động điều chỉnh dòng điện của đèn để cân bằng quang thông, sau đó dùng dòng điện của đèn để xác định nhiệt độ của vật.
• Hệ số khuếch đại lớn giúp hệ thống có sai số nhỏ, cho phép đo chính xác nhiệt độ vật đo.

IC cảm biến nhiệt độ

IC cảm biến nhiệt LM 335

Diode Zener dùng làm cảm biến nhiệt độ có dải đo từ -40°C đến 1000°C. Dòng điện qua cảm biến trong mạch khoảng 0,4-5 mV, với giá trị dòng tối ưu là ≥ 1 mA để duy trì độ chính xác. Điện trở R₁ được chọn để giới hạn dòng, với điều kiện chuẩn là t = 20°C.

Để đảm bảo tính tuyến tính trong đo lường, dòng I1 phải nhỏ hơn nhiều so với I. Cảm biến LM 335 có độ lệch tuyến tính ±1°C. Khi t = 0°C, tín hiệu đầu ra U = 2,73 V.

Sơ đồ cho phép hiệu chỉnh hai điểm đầu và cuối thang đo (R_đ và R_c). Để hiệu chỉnh, trước tiên đặt R_c ở vị trí trung gian, sau đó điều chỉnh R_đ sao cho điện áp đầu ra U = -2,73V tại điểm nhiệt độ thấp nhất. Tiếp theo, đưa cảm biến vào vùng nhiệt độ cao nhất và điều chỉnh R_c để giảm sai số. Quá trình này được lặp lại cho đến khi đạt được độ chính xác mong muốn. Trong mạch, giá trị của R_đ nhỏ hơn nhiều so với R_c.

IC cảm biến nhiệt LM35 (LM34)

Vi mạch cảm biến đo nhiệt độ LM35 sử dụng để đo nhiệt độ thay đổi trong khoảng (50 – 300)°F (45,6°c – 148,9°c). Tín hiệu ra của LM35 tỉ lệ với nhiệt độ thang Farenhait và hoàn toàn tuyến tính với độ nhạy ε = 10mV/1°F. LM35 không đòi hỏi thiết bị hiệu chỉnh bên ngoài.

Đo nhiệt độ bằng diode và transistor

Linh kiện điện tử nhạy cảm với nhiệt độ, do đó có thể sử dụng các linh kiện bán dẫn như diode hoặc transistor để đo nhiệt độ. Khi transistor được nối theo kiểu diode (nối B và C) và phân cực thuận với dòng điện không đổi, điện áp giữa hai cực sẽ thay đổi theo nhiệt độ. Tuy nhiên, dải nhiệt độ làm việc của những linh kiện này bị giới hạn từ -50°C đến 150°C.

Để tăng độ tuyến tính và thay thế dễ dàng, người ta thường mắc theo sơ đồ sử dụng cặp transistor đối nhau, với hai dòng I₁ và I₂ không đổi. Bằng cách đo điện áp giữa cực B và E, ta có thể loại bỏ dòng điện ngược, giúp cải thiện độ chính xác.

*Nguồn tham khảo: Tự động điều khiển các quá trình nhiệt lạnh – Nguyễn Tấn Dũng, Trịnh Văn Dũng