Cảm biến nhiệt độ là gì? Ứng dụng vào lĩnh vực nào?

Hầu hết mọi sinh vật, hệ thống hóa học hay vật lý,... đều chịu ảnh hưởng từ nhiệt độ. Do đó, việc đo đạc đại lượng này cũng trở nên thông dụng hơn và phương pháp sử dụng cảm biến nhiệt độ được tin dùng nhiều nhất. Vậy thế nào gọi là cảm biến nhiệt, nguyên lý hoạt động ra sao, cùng tìm hiểu.

1. Khái niệm về cảm biến nhiệt

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị được dùng cho mục đích đo lường sự biến đổi về nhiệt độ của các đại lượng cần đo. Nếu xuất hiện sự thay đổi nhiệt độ phạm vi môi trường thì một tín hiệu sẽ được đưa ra bởi các cảm biến và truyền đến các bộ đọc để quy ước giá trị nhiệt độ thành một con số cụ thể.

Thiết kế cảm biến nhiệt độ nhằm thực hiện các phép đo nhiệt độ, đảm bảo độ chính xác hơn hơn các dụng các đo lường khác như nhiệt kế, cặp nhiệt điện. Vì thế, trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ tin cậy và chính xác cao, chúng được ứng dụng phổ biến trong các phép đo như ngành dược phẩm, thực phẩm, ô tô, hóa chất, hàng hải, vật liệu nhựa,... 

Tên gọi khác của cảm biến nhiệt là cặp nhiệt điện, can nhiệt, nhiệt kế điện trở metal. temperature sensor, nhiệt điện trở,...

Thông thường, những loại cảm biến đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất là can nhiệt J, K , T, E, đầu dò PT100. Bởi vì khoảng nhiệt độ của chúng thường dễ thấy nhất trong các ứng dụng hàng ngày. Can nhiệt loại B, R, S ít gặp hơn vì khoảng nhiệt của chúng chỉ phù hợp với những ứng dụng đòi hỏi nhiệt độ cao.

Hình 1: Khái niệm về cảm biến nhiệt

2. Cảm biến nhiệt được cấu tạo như thế nào?

Cấu tạo cảm biến đo nhiệt độ chính là 2 dây kim loại khác nhau được gắn vào đầu lạnh và đầu nóng. Bên cạnh đó, nó còn được cấu tạo từ nhiều bộ phận khác nhau:

- Bộ phận cảm biến: Bộ phận này được xem là quan trọng nhất, quyết định đến tính chính xác của tất cả thiết bị cảm biến. Sau khi đã kết nối với đầu nối, bộ phận này được đặt bên trong vỏ bảo vệ.

- Dây kết nối: Có thể kết nối các bộ phận cảm biến bằng 2,3 hoặc 4 dây kết nối. Trong đó, điều kiện sử dụng đầu đo sẽ tác động đến vật liệu dây.

- Chất cách điện gốm: Nhiệm vụ của bộ phận này chủ yếu là làm chất cách điện ngừa đoản mạch và thực hiện cách điện giữa vỏ bảo vệ với các dây kết nối.

- Phụ chất làm đầy: Gồm bột alumina mịn được rung và sấy khô. Chức năng của phụ chất này chính là lấp đầy tất cả khoảng trống nhằm mục đích bảo vệ cảm biến khỏi mọi rung động.

Hình 2: Cảm biến nhiệt cấu tạo từ nhiều bộ phận

- Vỏ bảo vệ: Đúng với tên gọi, nhiệm vụ của vỏ bảo vệ là bảo vệ dây cảm biến và bộ phận cảm biến. Vật liệu của bộ phận này phải đảm bảo phù hợp với kích thước tương ứng và có thể bọc thêm vỏ bọc bằng vỏ bổ sung khi cần thiết.

- Đầu kết nối: Gốm là vật liệu cách điện làm nên bộ phận này, chứa các bảng mạch và có chức năng kết nối điện trở. Trong đó, khi cần thiết bộ chuyển đổi 4-20mA có thể được cài đặt thay cho bảng đầu cuối.

3. Cơ chế hoạt động chính của cảm biến nhiệt độ

Hoạt động của cảm biến nhiệt độ dựa theo sự thay đổi điện trở của kim loại so với mức thay đổi nhiệt độ vượt trội. Khi đầu nóng và đầu lạnh xảy ra sự chênh lệch nhiệt độ thì ở phần đầu lạnh sẽ có một sức điện rộng V được phát sinh. Lúc này, mức nhiệt độ đầu lạnh trở nên ổn định và đo được.

Nguyên lý hoạt động này dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ và kim loại là chủ yếu. Theo đó, điện trở sẽ ở mức 100 Ω khi nhiệt độ bằng 0, khi nhiệt độ tăng lên điện trở của kim loại tăng lên và ngược lại. Chính vì nguyên lý hoạt động này nên các loại cặp nhiệt độ được sản xuất hiện này đều có sức diện rộng khác nhau: E, J, K, R, S, T.

Hình 3: Cảm biến nhiệt hoạt động theo nguyên lý nào?

4. Các lĩnh vực ứng dụng cảm biến nhiệt phổ biến

- Lĩnh vực giám sát địa kỹ thuật: Trong các công trình như tòa nhà, cầu đập, nhà máy điện,... các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ bên trong. Các kỹ sư sẽ phân tích về những thay đổi cấu trúc của vật liệu sự thay đổi theo mùa dựa vào các dữ liệu thu được.

- Lĩnh vực y tế: Mục đích dùng để giám sát thân nhiệt và kịp thời phát hiện sự khác thường của nhiệt độ cơ thể con người. 

- Lĩnh vực nhà thông minh: Các nhà khoa học tích hợp cảm biến nhiệt độ vào các bộ điều nhiệt thông minh (Thermostat). Từ đó, để điều chỉnh hệ thống làm mát/ sưởi ấm, thiết bị điều nhiệt có thể phát hiện thay đổi nhiệt độ trong nhà (hoặc phòng), tạo không gian thoải mái cho người dùng.

Hình 4: Cảm biến nhiệt ứng dụng trong đa lĩnh vực

- Lĩnh vực công nghiệp điện tử: Trên các loại thiết bị điện tử khác nhau, cảm biến nhiệt độ xuất hiện phổ biến. Ví dụ như máy tính bảng, điện thoại thông minh, ô tô, điều hòa nhiệt độ,.... Mục đích chung nhằm cải thiện trải nghiệm của người dùng và cung cấp đa dạng các tính năng.

Trên đây là các thông tin tìm hiểu về cảm biến nhiệt. Mong rằng bài viết đã cung cấp đến bạn đọc những kiến thức hữu ích và thú vị. Từ đó, có thể áp dụng vào đời sống một cách dễ dàng.

>> Xem thêm:

Một số vấn đề cần lưu ý khi sử dụng cảm biến nhiệt độ?

Cảm biến pH và nhiệt độ YSI