Các loại cảm biến nhiệt độ Thermocouple

Thermocouple (T/C) là một thiết bị cảm biến nhiệt độ nhiệt mạch kín gồm hai dây kim loại không giống nhau được nối ở hai đầu. Một dòng điện được tạo ra khi nhiệt độ ở một đầu hoặc điểm nối khác với nhiệt độ ở đầu kia. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Seebeck, là cơ sở để đo nhiệt độ cặp nhiệt điện.

Một đầu được gọi là ngã ba nóng trong khi đầu kia được gọi là ngã ba lạnh. Phần tử đo mối nối nóng được đặt bên trong vỏ cảm biến và tiếp xúc với quy trình. Ngã ba lạnh, hoặc ngã ba tham chiếu, là điểm kết thúc bên ngoài quá trình nơi nhiệt độ được biết và nơi đo điện áp (ví dụ: trong một máy phát, thẻ đầu vào hệ thống điều khiển hoặc bộ điều chỉnh tín hiệu khác).

Theo hiệu ứng Seebeck, điện áp đo được tại điểm nối lạnh tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ giữa điểm nóng và điểm lạnh. Điện áp này có thể được gọi là điện áp Seebeck, điện áp nhiệt hoặc EMF nhiệt điện. Khi nhiệt độ tăng tại điểm nối nóng, điện áp quan sát được tại điểm nối lạnh cũng tăng phi tuyến tính với nhiệt độ tăng. Độ tuyến tính của mối quan hệ nhiệt độ - điện áp phụ thuộc vào sự kết hợp của các kim loại được sử dụng để tạo ra T/C.

Có nhiều loại T/C sử dụng các kết hợp kim loại khác nhau, các kết hợp này có các đặc tính đầu ra khác nhau xác định phạm vi nhiệt độ áp dụng mà nó có thể đo và đầu ra điện áp tương ứng. Độ lớn của đầu ra điện áp càng cao thì độ phân giải đo càng cao, làm tăng độ lặp lại và độ chính xác. Có sự đánh đổi giữa độ phân giải đo và phạm vi nhiệt độ phù hợp với các loại T/C riêng cho các phạm vi và ứng dụng cụ thể. Tham khảo hình dưới để biết cặp nhiệt điện khác nhau trong một phạm vi nhiệt độ.

PHÂN LOẠI T/C:
1. Phân loại theo vật liệu cấu tạo thermocouple

Có rất nhiều loại thermocouple sử dụng sự kết hợp các kim loại khác nhau. Các kết hợp này có các đặc tính đầu ra khác nhau, qua đó xác định phạm vi nhiệt độ thích hợp mà nó có thể đo và điện áp đầu ra tương ứng.

Độ lớn điện áp cao hơn, độ phân giải đo lường cao hơn tăng tính lặp lại và chính xác. Có sự cân bằng giữa các giải pháp đo và các phạm vi nhiệt độ phù hợp với từng loại T/C riêng biệt cho các phạm vi và ứng dụng cụ thể.

1.1. Loại K (Chromel – Alumel)

• Chromel® gồm 90% niken và 10% crom; Alumel® là hợp kim bao gồm 95% niken, 2% mangan, 2% nhôm và 1% silic.
• Loại K là một trong những cặp nhiệt điện phổ biến nhất với độ nhạy khoảng 41 μV/ºC.
• Chromel® là dây dương, Alumel® là dây âm.
• Không tốn kém, và phạm vi của nó là từ –270 °C đến +1372 °C (–454 °F đến +2501 °F) và tương đối tuyến tính.
• Thành phần niken là từ tính, và như các kim loại từ tính khác, sẽ có độ lệch trong đầu ra khi vật liệu đạt tới điểm Curie, xảy ra ở nhiệt độ 350 °C (662 °F) đối với cặp nhiệt điện loại K. Điểm Curie là nơi vật liệu từ trải qua một sự thay đổi đáng kể trong tính chất từ của nó và gây ra sự sai lệch lớn đến tín hiệu đầu ra.
• Nó có thể được sử dụng trong không khí liên tục oxy hoá hoặc trung hòa.• Hầu hết sử dụng ở trên 538 °C (1000 °F).
• Tiếp xúc với lưu huỳnh góp phần vào sự hư hỏng sớm.
• Hoạt động ở nồng độ oxy thấp gây ra một sự dị thường gọi là quá trình oxy hóa ưu tiên của crom trong dây dương gây ra tình trạng gọi là 'green rot' tạo ra các sai lệch lớn nghiêm trọng nhất trong khoảng 816 đến 1038 °C (1500 đến 1900 °F). Việc thông gió hoặc bít kín ống bảo vệ có thể ngăn ngừa hoặc giảm nhẹ tình trạng này.
• Chu kỳ trên và dưới 1000 °C (1800 °F) không được khuyến nghị do thay đổi đầu ra từ các hiệu ứng trễ.
• Về mặt lịch sử, loại K được đề nghị sử dụng trừ khi bạn có lý do để không dùng.

1.2. Loại J (Sắt – Constantan)

• Các cặp nhiệt điện loại J có phạm vi tiềm năng hạn chế hơn loại K từ –200 đến +1200 °C (–328 đến 2193 °F), nhưng độ nhạy cao hơn khoảng 50 μV/ºC.
• Nó có nhiệt độ tuyến tính trong khoảng 149 đến 427 °C (300 đến 800 °F) và trở nên dễ gãy dưới 0 °C (32 °F).
• Tại điểm Curie của sắt 770 °C (1418 °F) có sự thay đổi đột ngột và vĩnh viễn về đặc tính đầu ra, xác định giới hạn nhiệt độ trên thực tế.
• Sắt bị oxy hóa ở nhiệt độ cao hơn 538 °C (1000 °F) gây ảnh hưởng xấu đến độ chính xác của nó. Chỉ dây đo nặng được sử dụng ở những điều kiện này.
• Loại J phù hợp để sử dụng trong bầu không khí chân không, giảm, hoặc trơ.
• Nó sẽ giảm tuổi thọ nếu sử dụng trong môi trường oxy hóa.
• Các thành phần cảm biến trần không được để ở nơi chứa lưu huỳnh trên 538 °C (1000 °F).

1.3. Loại E (Chromel – Constantan)

• Chromel là một hợp kim của 90% niken và 10% crom và là dây dương.
• Constantan là hợp kim thường gồm 55% đồng và 45% niken.
• Loại E có phạm vi tiềm năng từ –270 đến 1000 °C (–454 đến 1832 °F).
• Nó không có từ tính và có điện áp đầu ra cao nhất so với thay đổi nhiệt độ của bất kỳ loại tiêu chuẩn nào (68 μV/°C).
• Nó cũng có xu hướng lệch nhiều hơn các loại khác.
• Khuyến cáo sử dụng cho môi trường oxy hóa liên tục hoặc khí trơ.
• Các giới hạn lỗi của nó chưa được thiết lập để sử dụng dưới mức không.

1.4. Loại T (Đồng / Đồng-Niken)

• Kiểu T có độ nhạy 38 μV/°C và có phạm vi tiềm năng từ –270 đến 400 °C (–454 đến 752 °F).
• Chúng có thể được sử dụng trong môi trường oxy hóa, giảm hoặc trơ và trong chân không.
• Chúng có khả năng chống ăn mòn cao.
• Chúng thể hiện được tính tuyến tính tốt và thường được sử dụng từ các phạm vi nhiệt độ rất thấp (nhiệt độ nấm) đến nhiệt độ trung bình.

1.5. Loại N (Nicrosil – Nisil)

• Nicrosil là hợp kim niken có chứa 14.4% crom, 1.4% silic, và 0.1% magie và là dây dương.
• Nisil là hợp kim của hợp kim niken với 4.4% silic.
• Cặp nhiệt điện loại N là thiết kế mới nhất đã được các tiêu chuẩn quốc tế chấp nhận và đang ngày càng được sử dụng rộng khắp trên thế giới.
• Các hợp kim này cho phép loại N đạt được độ ổn định nhiệt điện cao hơn các loại kim loại cơ bản E, J, K và T.
 

• Các cặp nhiệt điện loại N có độ nhạy 39 μV/°C và phạm vi tiềm năng từ –270 đến 1300 °C (–454 đến 2372 °F).
• Các cặp nhiệt điện loại N đã được sử dụng đáng tin cậy trong thời gian dài ở nhiệt độ tối thiểu 1200 °C (2192 °F).
• Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong không khí oxy hoá, sự ổn định nhiệt điện của cặp nhiệt điện loại N tương tự như cặp nhiệt điện kim loại quý của các thermocouple ANSI loại R và S lên tới 1200 °C (2192 °F).
• Không đặt các cặp nhiệt điện loại N vào chân không hoặc giảm hoặc xen kẽ không khí giảm / oxy hóa.

1.6. Loại R và S

• Loại R (Platin – 13% Rhodi / Platin) và loại S (Platin – 10% Rhodi / Platin) có phạm vi tiềm năng từ –50 đến 1768 °C (–58 đến 3214 °F).
• Cả hai đều có độ nhạy khoảng 10 μV/°C và do đó không thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ thấp, mà các loại khác sẽ là sự lựa chọn tốt hơn.
• Vì chúng được chế tạo từ hợp kim platin nên chúng rất đắt và thường được dành riêng cho các ứng dụng nhiệt độ cực cao mà các loại cặp nhiệt điện khác không hoạt động tốt.
• Do tính ổn định cao, cặp nhiệt điện loại S được sử dụng để xác định Thang đo Nhiệt độ Quốc tế (International Temperature Scale) giữa điểm mà Antimony đóng băng (630.5 °C / 1166.9 °F) và điểm nóng chảy của vàng (1064.43 °C / 1945.4 °F).
• Việc lắp đặt thích hợp yêu cầu các cặp nhiệt điện được bảo vệ bằng ống bảo vệ phi kim loại và các chất cách điện bằng gốm.
• Phơi nhiễm nhiệt độ cao kéo dài gây ra sự gia tăng hạt có thể dẫn đến sự hư hỏng về cơ học và lệch tiêu cực do sự khuếch tán Rhodi đến chân platin tinh khiết cũng như từ sự bay hơi của Rhodi.
• Nói chung loại R được sử dụng trong công nghiệp và loại S chủ yếu được sử dụng trong phòng thí nghiệm.

1.7. Loại B

• Các cặp nhiệt điện loại B (Platin – 30% Rhodi / Platin – 6% Rhodi) có phạm vi tiềm năng trong khoảng từ 0 đến 1820 °C (32 đến 3308 °F).
• Các cặp nhiệt điện loại B thường được đặt trong môi trường không khí sạch / oxy hoá nhưng không nên sử dụng trong không khí giảm.

• Số lượng Rhodi tăng lên trong cặp nhiệt điện loại B giúp giảm vấn đề tăng trưởng hạt, cho phép tăng phạm vi nhiệt độ tăng lên so với các loại R và S.

2. Phân loại theo loại điểm nối

Các dây nối với nhau bằng nhiều cách khác nhau như xoắn, kẹp, hàn chì, hàn thau, và các loại mối hàn khác nhau (ví dụ, hạt và giáp mối). Để có hiệu năng tốt nhất, đầu nóng phải có độ bền cơ học, dẫn điện liên tục, và không bị nhiễm độc bởi các thành phần hoá học của vật liệu hàn. Đối với các loại T/C cao cấp, cần chú ý nhiều hơn đến việc lựa chọn loại dây và kiểm soát quy trình sản xuất.
 

Đầu nối nối đất được hình thành khi đầu nối cặp nhiệt điện nối với vỏ bọc cảm biến. Các điểm có nối đất có độ dẫn nhiệt tốt hơn, từ đó tạo ra thời gian đáp ứng nhanh nhất. Tuy nhiên, nối đất cũng làm cho mạch nhiệt điện trở dễ bị nhiễu điện hơn, có thể làm hỏng tín hiệu điện áp T/C trừ khi thiết bị đo lường cung cấp cách ly. (Tất cả các bộ chuyển đổi và thẻ I/O chất lượng cao đều mang tính cách điện như là một tính năng tiêu chuẩn của nó). Đầu nối có nối đất cũng có thể dễ bị nhiễu hơn theo thời gian.

Điểm nối không nối đất tồn tại khi các thành phần T/C không kết nối với vỏ cảm biến nhưng được bao quanh bằng bột cách điện. Các điểm không nối đất có thời gian đáp ứng chậm hơn so với điểm có nối đất, nhưng ít bị nhiễu điện hơn.

Điểm nối lộ ngoài có điểm nóng mở rộng qua đầu kín của vỏ để cung cấp phản hồi nhanh hơn. Niêm phong ngăn ngừa sự xâm nhập của hơi nước hoặc các chất bẩn khác vào vỏ bọc. Chúng thường được áp dụng chỉ với các khí không ăn mòn như trong ống dẫn khí.