Cảm biến nhiệt độ là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tiễn

Tất cả chúng ta đều sử dụng cảm biến nhiệt độ trong cuộc sống hàng ngày, ví dụ như nhiệt kế, máy nước nóng, lò vi sóng hay tủ lạnh. Tuy nhiên, ít ai nhận ra rằng các thiết bị này còn có nhiều ứng dụng chuyên sâu hơn. Vậy cảm biến nhiệt độ là gì, cách nó hoạt động ra sao và chúng được sử dụng ở đâu? Hãy cùng Extech Việt Nam khám phá những thông tin chi tiết và thú vị trong bài viết dưới đây.

Cảm biến nhiệt độ là gì?

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để đo nhiệt độ của môi trường hoặc vật thể, bao gồm cả nhiệt độ nóng và lạnh, sau đó chuyển đổi các số liệu đo được thành tín hiệu điện để xử lý hoặc hiển thị. Loại cảm biến này xuất hiện phổ biến trong nhiều vật dụng hàng ngày như máy nước nóng, nhiệt kế, tủ lạnh, và lò vi sóng, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong quản lý nhiệt độ.

Không chỉ giới hạn ở các thiết bị gia đình, cảm biến nhiệt độ còn có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực chuyên sâu như giám sát địa kỹ thuật, đo nhiệt độ trong lỗ khoan, đất, kết cấu bê tông lớn, hoặc các công trình xây dựng. 

Nhờ khả năng tùy chỉnh và thiết kế đặc biệt cho từng mục đích sử dụng, cảm biến nhiệt độ trở thành công cụ quan trọng trong việc giám sát và kiểm soát nhiệt độ, phục vụ cho cả đời sống hàng ngày lẫn các ngành công nghiệp chuyên nghiệp.

Xem thêm: Ứng dụng cảm biến không dây giám sát nhiệt độ trong chăn nuôi

Cảm biến nhiệt độ hoạt động như thế nào?

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ dựa trên các nguyên lý vật lý và cơ học khác nhau để đo và chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện có thể xử lý được. Một số phương pháp hoạt động phổ biến của cảm biến nhiệt độ bao gồm:

– Dựa trên điện áp của diode: Khi nhiệt độ tăng, điện áp trên các cực của diode cũng tăng theo. Đồng thời, điện áp giữa cực gốc và cực phát của bóng bán dẫn giảm. Đây là nguyên lý cơ bản trong nhiều loại cảm biến nhiệt độ bán dẫn, cho phép phát hiện sự thay đổi nhiệt độ một cách chính xác.

– Dựa trên sự thay đổi ứng suất: Một số cảm biến sử dụng thay đổi ứng suất trong vật liệu do ảnh hưởng của nhiệt độ. Ví dụ, trong các máy đo nhiệt độ dây rung, sự giãn nở khác nhau giữa hai kim loại không giống nhau (như nhôm và thép) tạo ra thay đổi độ căng của dây.

• Cơ chế hoạt động: Dây từ được kéo căng giữa hai kim loại có hệ số giãn nở tuyến tính khác nhau. Nhiệt độ thay đổi làm thay đổi độ căng của dây, ảnh hưởng trực tiếp đến tần số rung tự nhiên của nó. Tín hiệu nhiệt độ được chuyển đổi thành tần số và gửi đến bộ đọc.

– Chuyển đổi tín hiệu thành tần số: Các cảm biến như dây rung không chỉ phát hiện thay đổi nhiệt độ mà còn chuyển đổi chúng thành tín hiệu tần số. Bộ đọc tần số sẽ tiếp nhận tín hiệu này để hiển thị kết quả dưới dạng thông tin nhiệt độ, giúp dễ dàng theo dõi và phân tích.

Phân loại cảm biến nhiệt độ là gì?

Dựa trên các lớp cảm biến thì thiết bị này bao gồm hai loại chính đó là:

– Cảm biến nhiệt độ tiếp xúc: có thể phát hiện nhiệt độ trong chất lỏng, chất rắn hoặc chất khí trên phạm vi rộng.

– Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc: đo nhiệt độ dựa trên bức xạ phát ra từ nguồn nhiệt.

Mỗi loại cảm biến nhiệt độ tiếp xúc và không tiếp xúc được chia thành các loại sau:

• Máy dò nhiệt độ điện trở (RTD) – Nhiệt kế điện trở
• Cảm biến nhiệt điện (Loại E, J, K, N, R, S, T, B, C)
• Cảm biến nhiệt điện trở
• Nhiệt kế cảm biến nhiệt độ (Nhiệt kế thuỷ ngân)
• Nhiệt kế lưỡng kim
• Nhiệt kế chứa khí và chất lỏng
• Nhiệt kế kỹ thuật số
• Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại
• Hình ảnh nhiệt (camera nhiệt)
• Nhiệt điện trở hệ số nhiệt độ âm (NTC)
• Cảm biến dựa trên chất bán dẫn
• Cảm biến nhiệt độ dây rung

Xem thêm: Phân biệt cảm biến nhiệt độ pt100 và can nhiệt K, S, R, E

Ứng dụng và lợi ích của cảm biến nhiệt độ là gì?

Cảm biến nhiệt độ là công cụ không thể thiếu trong việc đo lường nhiệt độ trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến đời sống thường nhật. Một số ứng dụng tiêu biểu bao gồm:

– Ứng dụng công nghiệp: Nhiệt kế hồng ngoại được dùng để:

• Giám sát và kiểm soát nhiệt độ trong nhà máy điện, hệ thống sản xuất.
• Đo nhiệt độ nước trong hồ chứa, lỗ khoan.
• Theo dõi sự giãn nở do nhiệt độ và thay đổi thể tích tại các công trình lớn như đập.

– Ứng dụng khoa học và phòng thí nghiệm: Sử dụng trong các nghiên cứu khoa học và công nghệ sinh học để đảm bảo các điều kiện nhiệt độ tối ưu.

– Ứng dụng y tế: Cảm biến nhiệt độ được tích hợp trong máy đo thân nhiệt để theo dõi nhiệt độ cơ thể bệnh nhân, thiết bị y tế và các quy trình như pha loãng nhiệt, lọc thận.

– Thể thao mô tô: Nhiệt kế sử dụng đo nhiệt độ khí thải, động cơ, dầu và không khí đầu vào để tối ưu hóa hiệu suất.

– Thiết bị gia dụng: Hiện diện trong lò nướng, ấm đun nước, tủ lạnh và nhiều thiết bị nhà bếp khác.

– Vận chuyển: Được tích hợp trong nhiệt kế tự ghi để đảm bảo nhiệt độ lý tưởng khi vận chuyển hàng hóa nhạy cảm với nhiệt độ trong xe tải và kho lạnh.

– Ứng dụng HVAC (Hệ thống điều hòa, sưởi ấm và thông gió): Sử dụng trong máy đo nhiệt độ hệ thống điều hòa không khí dân dụng và thương mại để kiểm soát nhiệt độ môi trường.

Cảm biến nhiệt độ mang lại nhiều lợi ích vượt trội như:

• Độ chính xác cao và đáng tin cậy: Các cảm biến nhiệt độ hiện đại cung cấp số liệu đo lường chính xác và ổn định trong thời gian dài.
• Chi phí thấp và tính linh hoạt: Thích hợp cho cả ứng dụng nhúng và bề mặt, đảm bảo phù hợp với nhiều môi trường và yêu cầu.
• Thời gian phản ứng nhanh: Khối lượng nhiệt thấp giúp cảm biến phản ứng nhanh với những thay đổi nhiệt độ.
• Đọc dữ liệu dễ dàng: Cảm biến có thể được trang bị đèn báo nhiệt độ trực tiếp hoặc kết nối với các thiết bị đọc dữ liệu từ xa.
• Độ trễ thấp và tính tuyến tính tốt: Đầu dò nhiệt độ có khả năng đo nhiệt nhanh và duy trì kết quả đáng tin cậy ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt.
• Công nghệ dây rung ổn định: Cảm biến dây rung đảm bảo độ bền lâu dài và cho phép quét dữ liệu tự động, tối ưu hóa quy trình giám sát.
• Phù hợp cho việc ghi dữ liệu từ xa: Thích hợp cho các hệ thống IoT hoặc các quy trình yêu cầu giám sát liên tục từ khoảng cách xa.

Cách chọn cảm biến nhiệt độ phù hợp

Khi chọn cảm biến nhiệt độ là gì cho một ứng dụng cụ thể, việc hiểu rõ yêu cầu và điều kiện hoạt động là điều cần thiết. Dưới đây là các yếu tố cần cân nhắc để đảm bảo chọn được cảm biến nhiệt độ phù hợp nhất:

Phạm vi nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ được thiết kế để hoạt động tốt nhất trong các phạm vi nhiệt độ nhất định. Hãy đảm bảo rằng phạm vi nhiệt độ của cảm biến phù hợp với yêu cầu của ứng dụng, tránh trường hợp đo không chính xác hoặc gây hỏng hóc. Thông tin về phạm vi nhiệt độ thường được cung cấp trong tài liệu kỹ thuật hoặc bảng dữ liệu của cảm biến.

Độ chính xác và ổn định

Ứng dụng cụ thể có thể yêu cầu mức độ chính xác khác nhau của thiết bị, ví dụ:

• Trong y tế hoặc nghiên cứu khoa học, cần cảm biến có độ chính xác cao.
• Trong môi trường công nghiệp, yêu cầu có thể thấp hơn nhưng cần tính ổn định lâu dài.
• Cặp nhiệt điện (Thermocouple) thường kém ổn định hơn so với nhiệt điện trở (RTD) hoặc cảm biến nhiệt điện trở (Thermistor) trong thời gian dài.

Kích thước 

Không gian lắp đặt có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn cảm biến nhiệt độ là gì:

• Nếu không gian hạn chế, cần chọn cảm biến nhỏ gọn.
• Kích thước của cảm biến cần phù hợp với cách lắp đặt và phương thức đo nhiệt độ trong ứng dụng cụ thể.
• Đảm bảo kiểu dáng của cảm biến tương thích với thiết bị đo hoặc hệ thống mà nó được tích hợp.

Điều kiện môi trường

Môi trường hoạt động của cảm biến nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền:

• Độ ẩm cao, rung động, ăn mòn hoặc bụi bẩn có thể làm giảm độ chính xác hoặc gây hỏng cảm biến.
• Nhiễu điện (EMI) có thể làm sai lệch phép đo, đặc biệt là trong môi trường công nghiệp.
• Đối với môi trường khắc nghiệt, cần chọn cảm biến có vỏ bảo vệ chống mài mòn, chống ăn mòn hoặc chống nước.

Lắp đặt và bảo vệ cảm biến nhiệt độ là gì

Bạn cần đánh giá kỹ cách lắp đặt cảm biến để đảm bảo kết nối nhiệt đáng tin cậy và an toàn. Để bảo vệ cảm biến và dây dẫn khỏi các điều kiện môi trường bất lợi, hãy:

• Sử dụng vỏ kim loại bền hoặc các lớp phủ bảo vệ đặc biệt.
• Chọn cảm biến có cấu hình phù hợp với môi trường hoạt động.

Lưu ý: Vỏ bảo vệ có thể tăng chi phí và làm giảm độ nhạy của cảm biến, vì vậy cần cân nhắc kỹ lưỡng.

Hy vọng qua bài viết này, bạn đã có cái nhìn toàn diện hơn về cảm biến nhiệt độ là gì, nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tiễn của nó. Nếu cần tư vấn về nhiệt kế, hãy liên hệ 028 668 357 66 để được hỗ trợ tận tình nhé!

Nguồn tham khảo: www.iqsdirectory.com