Cảm biến nhiệt độ là gì?

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để đo độ nóng hoặc lạnh của vật thể, cung cấp phép đo nhiệt độ thông qua tín hiệu điện ở dạng có thể đọc được. Phổ biến hơn là cặp nhiệt điện và đầu dò nhiệt độ điện trở nhiệt.

Cảm biến nhiệt độ nước

Cảm biến nhiệt độ Trung Quốc

Các loại cảm biến nhiệt độ cho trung tâm dữ liệu

Có bốn cảm biến nhiệt độ chính được sử dụng ngày nay trong các thiết bị điện tử hiện đại: Hệ số nhiệt độ âm (NTC) nhiệt điện trở, máy dò nhiệt độ kháng (RTD), cặp nhiệt điện, và tích hợp dựa trên chất bán dẫn (Ic) cảm biến.
Cảm biến nhiệt độ là một thiết bị, tiêu biểu, một cặp nhiệt điện hoặc máy dò nhiệt độ điện trở, cung cấp phép đo nhiệt độ ở dạng có thể đọc được thông qua tín hiệu điện.
Nhiệt kế là dạng cơ bản nhất của máy đo nhiệt độ dùng để đo độ nóng, độ mát.

Máy đo nhiệt độ được sử dụng trong lĩnh vực địa kỹ thuật để giám sát bê tông, cấu trúc, đất, Nước, cầu, vân vân. đối với những thay đổi về cấu trúc do sự thay đổi theo mùa.
Một cặp nhiệt điện (T/C) được làm từ hai kim loại khác nhau tạo ra điện áp tỷ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ. Một RTD (Máy dò nhiệt độ kháng) là một điện trở thay đổi có điện trở thay đổi tỷ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ một cách chính xác, có thể lặp lại, và gần như tuyến tính.

Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, chúng ta nên thường xuyên nhìn thấy nhiệt kế, máy nước nóng, lò vi sóng, tủ lạnh, vân vân. Những điều này sẽ được áp dụng cho một thiết bị quan trọng – cảm biến nhiệt độ. Bài viết này sẽ giới thiệu đến các bạn cảm biến nhiệt độ, nguyên lý cảm biến nhiệt độ, và các loại cảm biến nhiệt độ.

Loại cảm biến nhiệt độ:
Trong các ứng dụng thực tế, có rất nhiều cảm biến nhiệt độ có sẵn, với các đặc điểm khác nhau tùy theo ứng dụng thực tế. Cảm biến nhiệt độ bao gồm hai loại vật lý cơ bản:
1. Loại cảm biến nhiệt độ tiếp xúc
Những loại cảm biến nhiệt độ này yêu cầu tiếp xúc vật lý với vật thể được cảm nhận và sử dụng khả năng dẫn truyền để theo dõi sự thay đổi nhiệt độ.. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí trong một phạm vi nhiệt độ rộng.

2. Loại cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc
Những loại cảm biến nhiệt độ này sử dụng đối lưu và bức xạ để theo dõi sự thay đổi nhiệt độ. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện các chất lỏng và khí phát ra năng lượng bức xạ khi nhiệt tăng lên và hơi lạnh lắng xuống đáy trong dòng đối lưu, hoặc để phát hiện năng lượng bức xạ truyền từ vật thể dưới dạng bức xạ hồng ngoại (mặt trời).
Cảm biến nhiệt độ tiếp xúc và không tiếp xúc được phân loại thành các cảm biến nhiệt độ sau.

Nguyên lý cảm biến nhiệt độ:
1. Máy điều nhiệt
Bộ điều nhiệt là một cảm biến nhiệt độ tiếp xúc bao gồm một dải lưỡng kim được làm từ hai kim loại khác nhau, chẳng hạn như nhôm, đồng, Niken, hoặc vonfram.

Sự khác biệt về hệ số giãn nở tuyến tính của hai kim loại khiến chúng chịu chuyển động uốn cơ học khi nung nóng.

Hình ảnh thực tế của nhiệt kế

2. Nhiệt lưỡng kim
Một bộ điều nhiệt bao gồm hai kim loại có mức nhiệt khác nhau được dán lại với nhau. Khi thời tiết lạnh, các tiếp điểm đóng lại và dòng điện chạy qua bộ điều chỉnh nhiệt. Khi nó nóng lên, một kim loại nở ra nhiều hơn kim loại kia, và các dải lưỡng kim liên kết uốn cong lên trên (hoặc đi xuống), mở các tiếp điểm và ngăn chặn dòng điện.

Hình ảnh vật lý nhiệt lưỡng kim

Có hai loại dải lưỡng kim chính, chủ yếu dựa vào sự chuyển động của chúng khi chịu sự thay đổi nhiệt độ. Có các loại “tác động nhanh” tạo ra tác động loại “bật/tắt” hoặc “tắt/bật” tức thời trên các điểm tiếp xúc điện ở điểm nhiệt độ đã đặt, và các loại “leo” chậm hơn, thay đổi vị trí dần dần khi nhiệt độ thay đổi .
Sơ đồ nguyên lý làm việc của bộ điều nhiệt lưỡng kim

Bộ điều nhiệt tác động nhanh thường được sử dụng trong nhà của chúng ta để kiểm soát điểm đặt nhiệt độ của lò nướng, bàn là, bể nước nóng ngâm, và chúng cũng có thể được tìm thấy trên tường để điều khiển hệ thống sưởi ấm trong nhà.

Các loại bánh xích thường bao gồm các cuộn dây lưỡng kim hoặc xoắn ốc từ từ mở ra hoặc cuộn dây khi nhiệt độ thay đổi. Nói chung, Dải lưỡng kim kiểu bánh xích nhạy cảm hơn với sự thay đổi nhiệt độ so với các loại bật/tắt tiêu chuẩn vì dải dài hơn và mỏng hơn, khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trên nhiệt kế và mặt số, vân vân.

3. Nhiệt kế
Điện trở nhiệt thường được làm bằng vật liệu gốm, chẳng hạn như niken, oxit mangan hoặc coban mạ trong thủy tinh, điều đó làm cho chúng dễ bị hư hỏng. Ưu điểm chính của chúng so với các loại tác động nhanh là chúng phản ứng nhanh như thế nào với bất kỳ thay đổi nào về nhiệt độ., độ chính xác và độ lặp lại.

Hầu hết các điện trở nhiệt có hệ số nhiệt độ âm (NTC), có nghĩa là điện trở của chúng giảm khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, có một số điện trở nhiệt có hệ số nhiệt độ dương (PTC) và điện trở của chúng tăng theo nhiệt độ.

Hình ảnh vật lý nhiệt điện trở

Điện trở nhiệt được đánh giá dựa trên điện trở của chúng ở nhiệt độ phòng (thường xuyên 25 o C), hằng số thời gian của họ (thời gian cần thiết để phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ), và mức công suất của chúng so với dòng điện chạy qua chúng. Giống như điện trở, nhiệt điện có giá trị điện trở ở nhiệt độ phòng dao động từ 10 megohm đến vài ohm, nhưng với mục đích cảm nhận, những loại được đo bằng kiloohms thường được sử dụng.

4. Ví dụ về cảm biến nhiệt độ số 1
Giá trị điện trở của nhiệt điện trở sau ở 25oC là 10KΩ, và giá trị điện trở ở 100oC là 100Ω. Tính độ sụt áp trên nhiệt điện trở khi mắc nối tiếp với điện trở 1kΩ để tính điện áp ra (Vout) trên nguồn cung cấp 12v ở cả hai nhiệt độ.
Sơ đồ ví dụ cảm biến nhiệt độ

Bằng cách thay đổi giá trị điện trở cố định của R2 (1kΩ trong ví dụ của chúng tôi) đến một chiết áp hoặc giá trị đặt trước, một đầu ra điện áp có thể đạt được ở một điểm đặt nhiệt độ xác định trước, ví dụ đầu ra 5v ở 60°C. Và bằng cách thay đổi chiết áp để có được mức điện áp đầu ra cụ thể, nó có thể đạt được trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nhiệt điện trở là thiết bị phi tuyến, và giá trị điện trở tiêu chuẩn của các điện trở nhiệt khác nhau ở nhiệt độ phòng là khác nhau, chủ yếu là vì chúng được làm bằng vật liệu bán dẫn. Điện trở nhiệt thay đổi theo cấp số nhân theo nhiệt độ và do đó có hằng số nhiệt độ Beta (b) có thể được sử dụng để tính toán điện trở tại bất kỳ điểm nhiệt độ nào.

Tuy nhiên, khi sử dụng với điện trở nối tiếp, chẳng hạn như trong mạng phân áp hoặc bố trí kiểu cầu Wheatstone. Dòng điện thu được để đáp ứng với điện áp đặt vào mạng cầu/bộ chia điện áp là tuyến tính với nhiệt độ. Điện áp đầu ra trên điện trở sau đó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ.