Cặp nhiệt điện là gì? Các loại Cặp nhiệt điện

Cảm biến nhiệt độ PT100 Adca Model TRPT1

Cặp nhiệt điện là gì?

Cặp nhiệt điện hay còn được gọi là thermocouple, cặp nhiệt ngẫu là loại cảm biến nhiệt độ mạch kín bao gồm hai dây dẫn bằng kim loại khác nhau được nối ở hai đầu, được sử dụng phổ biến trong công nghiệp đặc biệt là trong ứng dụng cần đo những khu vực có nhiệt độ cao và nhiệt độ dao động liên tục.

Có nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau tương ứng với các ưu điểm khác nhau như: phạm vi nhiệt độ hoạt động, tuổi thọ sử dụng, khả năng chống rung, kháng hóa chất,… Trong đó, thermocouple loại K là loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.

Cấu tạo Thermocouple:

Cặp nhiệt điện có cấu tạo cơ bản gồm 5 bộ phận chính:

Cấu tạo Cặp nhiệt điện

1. Measuring junction: gồm 2 thanh kim loại được làm từ chất liệu khác nhau và được hàn 1 đầu với nhau. Đây được xem là bộ phận quan trọng nhất của cặp nhiệt điện.

2. Thermocouple wires: là bộ phận dây kết nối để nối giữa phần đo nhiệt và bộ điều khiển.

3. Ceramic insulators: là phần sứ cách nhiệt được dùng để giữ dây cặp nhiệt ngẫu cách điện dọc theo chiều dài của đầu dò.

4. Protective sheath: là phần vỏ bảo vệ bên ngoài của thermocouple. Lớp vỏ này thường được làm bằng inox đối với loại 1200ºC trở xuống, còn đối với loại cao hơn 1200ºC thì phần vỏ này được làm bằng sứ.

5. Connection head: là phần chứa dây kết nối cũng như bộ chuyển đổi của cặp nhiệt điện. Khi ta dùng các bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện ra 4-20mA thì sẽ được cho vào đây.

Nguyên lý hoạt động cặp nhiệt điện:

Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện dựa trên một nguyên lý được gọi là hiệu ứng Seebeck. Đây là hiệu ứng được phát hiện vào năm 1821 bởi nhà vật lý học Thomas Johann Seebeck người Đức.

Theo ông, khi điểm kết nối của 2 dây được đặt ở những nơi có nhiệt độ khác nhau thì ở đó sẽ tạo ra sư dịch chuyển của các electron và sẽ tạo ra một điện áp nhỏ tại đầu 2 dây hở. Điện áp này hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ và vật liệu của dây dẫn.

Để hiểu rõ hơn về nguyên lý cặp nhiệt điện, ta hãy cùng xem hình sau:

Nguyên lý hoạt động cặp nhiệt điện

Như hình vẽ mô phỏng, 2 sợi dây của cặp nhiệt điện sẽ được hàn vào nhau tại 1 điểm được gọi là điểm nóng (hot junction) với chức năng để đo nhiệt độ. Phần còn lại là điểm lạnh (cold junction) là nơi mà nhiệt độ đã được xác định và biết trước.

Khi ta đưa điểm nóng vào nơi cần đo nhiệt độ, nhiệt độ tại đây sẽ tăng lên và điện áp tại điểm lạnh cũng sẽ tăng không tuyến tính. Khi ta đo được điện áp tại điểm lạnh, thì ta sẽ tính ra được nhiệt độ tại điểm nóng.

Các loại Cặp nhiệt điện:

Có khá nhiều loại cặp nhiệt điện, tùy theo nhu cầu và nhiệt độ môi trường đo mà sẽ có loại phù hợp. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động về cơ bản các loại cặp nhiệt điện đều giống nhau. Điểm khác nhau duy nhất là vật liệu của 2 que kim loại mà người ta dùng để chế tạo cặp nhiệt ngẫu.

Cặp nhiệt điện loại J:

Loại thermocouple này được gia công từ 2 vật liệu là Fe – Co, thang đo của loại này max 1200º C.

Cặp nhiệt điện loại K:

Đây là loại cặp nhiệt ngẫu được sử dụng phổ biến nhất vì giá thành tương đối rẻ. Đồng thời thang đo của loại này max là 1200ºC. Loại này được chế tạo từ là Cr và Al.

Cặp nhiệt điện loại S:

Loại này có thang đo nhiệt độ khá cao, nhiệt độ tối đa có thể chịu được lên đến là 1600ºC. Loại cặp nhiệt ngẫu này có phần vỏ bảo vệ làm bằng sứ nên có thể chịu được nhiệt độ cao.

Cặp nhiệt điện loại R:

Loại này được làm bằng 2 kim loại quý là Platinium (bạch kim) và Rhodium với thang đo max là 1760ºC.

Cặp nhiệt điện loại B:

Giống như thermocouple loại S và R, cặp nhiệt ngẫu loại B cũng được chế tạo từ bạch kim và Rhodium. Vì tỷ lệ thành phần của 2 kim loại này cao hơn nên loại này có thể đo được max 1820ºC.

Cặp nhiệt điện loại W5:

Là loại thermocouple có thể đo chịu được nhiệt độ cao nhất trong các loại cặp nhiệt điện. Loại W5 này có thang đo max là 2310ºC. Cặp nhiệt ngẫu này bao gồm một vonfram cực dương chứa 3% rheni và cực âm vonfram chứa 25% rheni.

Xem thêm: Cảm biến nhiệt độ

Ứng dụng của cặp nhiệt điện:

Cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi trong nhà máy được dùng để đo ở những vị trí có nhiệt độ cao như: lò hơi, lò nung…

nung:

Đối với ứng dụng này, nhiệt độ sẽ từ 1300ºC – 1600ºC. Vì vậy ta phải sử dụng cặp nhiệt điện loại S.

Hình ảnh thực tế lắp đặt Cảm biến đo nhiệt độ

Lò hơi:

Nhiệt độ tại lò hơi chỉ vào khoảng 1200 độ C trở lại. Chính vì vậy mà loại cặp nhiệt điện loại K được sử dụng phổ biến nhất.

Các lưu ý khi chọn Thermocouple

Theo kinh nghiệm của chúng tôi khi lựa chọn thermocouple thì cần phải lựa theo các điều sau đây:

– Dãy đo nhiệt độ. Nhiệt độ của môi trường, môi chất là bao nhiêu? Hãy chọn loại có dãy đo luôn cao hơn so với nhiệt độ sử dụng thực tế để đảm bảo độ bền của thiết bị.

– Khoảng cách lắp đặt cụ thể là bao nhiêu milimet.

– Phải tham khảo thật kỹ thông số của các loại cặp nhiệt điện để chọn loại phù hợp nhất.

– Kiểu kết nối của cảm biến: nối mặt bích hoặc ren.

– Cũng cần xem xét khả năng ăn mòn.

– Tín hiệu của ngõ ra là 4 -20 mA hay 0 – 10 V.

– Chiều dài que đo.

– Đường kính đầu dò.

Các lỗi thường gặp của cặp nhiệt ngẫu

Đấu dây sai cách

Lúc đấu dây từ cặp nhiệt điện vào biến tần hay các PLC thì cần chú ý để tránh đấu dây sai làm dẫn đến cặp nhiệt ngẫu không hiển thị.

Chọn sai thang đo nhiệt độ

Việc nắm rõ về thông số của thermocouple sẽ dẫn đến việc chọn nhầm. Nếu chọn sai thang đo thì khi lắp vào cảm biến sẽ bị hư hỏng nhanh chóng và không hoạt động được. Đặc biệt đối với các loại cặp nhiệt ngẫu được làm bằng sứ thì nó có thể gây nổ, rất nguy hiểm.

Không sử dụng bộ chuyển đổi

Do cặp nhiệt điện có tín hiệu ngõ ra là dạng điện áp mV nên khi truyền đi xa chắc chắn sẽ bị nhiễu và sụt áp. Đây là một lỗi rất thường gặp nhưng ta sẽ có giải pháp để xử lý 1 cách dễ dàng.

Để khắc phục lỗi này thì ta phải sử dụng thêm bộ chuyển đổi tín hiệu để cho ra tính hiệu là 4-20mA, vì tính hiệu này hầu như không bị nhiễu và không bị suy giảm khi truyền đi xa.

Có thể bạn sẽ quan tâm:

Can nhiệt K

Cảm biến nhiệt độ RTD

Chat Zalo
Gọi 0903 608 602