Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Giới thiệu về cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Trong lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu, việc kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm của môi trường là vô cùng quan trọng để đảm bảo sự ổn định và đáng tin cậy của quy trình thử nghiệm. Để thực hiện điều này, các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm trở thành những công cụ không thể thiếu.
Cảm biến nhiệt độ là gì? Cảm biến nhiệt độ là những thiết bị được sử dụng để đo lường nhiệt độ của môi trường xung quanh. Chúng thường được tích hợp vào các thiết bị đo lường hoặc được đặt ở các vị trí chiến lược trong môi trường cần kiểm soát. Thông qua việc liên tục cung cấp dữ liệu về nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ giúp hệ thống điều khiển điều chỉnh các thông số liên quan để duy trì điều kiện môi trường ổn định. Đối với cảm biến độ ẩm, chúng chịu trách nhiệm đo lường độ ẩm của không khí xung quanh. Cũng giống như cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm cũng cung cấp thông tin liên tục về độ ẩm, từ đó giúp điều chỉnh hệ thống để duy trì môi trường với độ ẩm mong muốn.
Trong tủ thử nghiệm môi trường, các cảm biến này thường được sử dụng ở các vị trí chiến lược như trong khoang nóng, khoang lạnh và khoang thử nghiệm. Dữ liệu từ các cảm biến được gửi đến bộ điều khiển, nơi mà thông qua các thuật toán kiểm soát, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh các thông số như nhiệt độ và độ ẩm để đảm bảo rằng quy trình thử nghiệm diễn ra trong điều kiện ổn định và đáng tin cậy.
Việc chọn lựa loại cảm biến phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng là rất quan trọng. Cảm biến nhiệt độ thường có dải đo từ -200 độ C đến 750 độ C, trong khi độ chính xác có thể dao động từ ±1.5 độ C đến ±0.06%. Đối với cảm biến độ ẩm, phạm vi đo thường từ 0% đến 100% RH (độ ẩm tương đối), và độ chính xác có thể lên đến ±1.5%.
Sự hiểu biết và sử dụng hiệu quả các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm là một phần quan trọng của việc đảm bảo sự ổn định và đáng tin cậy của quy trình thử nghiệm trong các môi trường công nghiệp và nghiên cứu.
Cấu tạo và nguyên lý của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Cảm biến nhiệt độ
Dựa theo nguyên lý hoạt động, 5 loại cảm biến nhiệt độ phổ biến ứng dụng trong công nghiệp là:
Cặp nhiệt điện
Thermocouples, hay còn được biết đến là cặp nhiệt điện, là loại cảm biến hoạt động dựa trên một hiện tượng vật lý được gọi là hiệu ứng Seebeck. Nguyên lý này xuất phát từ sự thay đổi của năng lượng điện tự do khi hai kim loại khác nhau nằm ở nhiệt độ khác nhau. Thermocouples kết hợp hai kim loại này bằng cách nối chúng với nhau tại ít nhất hai điểm khác nhau: một là điểm tham chiếu và hai là điểm đo. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm này tạo ra một hiện tượng điệnmạnh (sức điện động), tỉ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ. Điều này có nghĩa là các cặp kim loại khác nhau sẽ tạo ra các giá trị nhiệt độ và sức điện động khác nhau tương ứng.
Mặc dù cặp nhiệt điện không có độ chính xác cao như một số loại cảm biến nhiệt độ khác, nhưng ưu điểm của chúng nằm ở việc có thể đo được ở những mức nhiệt độ rất cao, có thể lên đến trên 2000 độ C. Do đó, chúng được ứng dụng phổ biến trong việc đo lường nhiệt độ của các đối tượng có nhiệt độ cực cao, chẳng hạn như miệng núi lửa đang hoạt động. Điều này làm cho thermocouples trở thành một công cụ quan trọng trong các ứng dụng đo lường nhiệt độ đặc biệt đòi hỏi độ chịu nhiệt và độ bền cao.
Cảm biến nhiệt độ RTD
Cảm biến nhiệt độ RTD, hay còn gọi là Resistance Temperature Detector, là một loại cảm biến được thiết kế để đo nhiệt độ bằng cách sử dụng vật liệu kim loại nguyên chất. Các loại vật liệu này có điện trở thay đổi theo nhiệt độ, và thông thường khi nhiệt độ tăng lên, điện trở của chúng cũng tăng theo. Để đảm bảo hiệu suất ổn định và độ chính xác cao, kim loại sử dụng để tạo ra cảm biến RTD cần có các đặc tính quan trọng như chống ăn mòn, nhiệt độ sôi cao và đặc tính điện có khả năng tái tạo cao. Trong số các kim loại thông dụng được sử dụng làm vật liệu cho RTD, có thể kể đến như bạch kim, đồng và niken.
So với cặp nhiệt điện, cảm biến RTD thường có độ chính xác cao hơn. Ngoài ra, chúng cũng dễ sử dụng hơn và không bị hạn chế về chiều dài dây kết nối. Do đó, RTD thường được ưa chuộng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và sự ổn định trong việc đo nhiệt độ, như trong ngành công nghiệp và các ứng dụng khoa học.
Nhiệt điện trở
Nhiệt điện trở, hay còn gọi là Thermistors, là một loại cảm biến điện trở có độ nhạy đối với nhiệt độ. Nguyên tắc hoạt động của Thermistors là đo lường sự biến đổi của điện trở của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi. Các vật liệu được sử dụng để chế tạo nhiệt điện trở thường là các loại gốm hoặc polyme. Đặc điểm của chúng là điện trở giảm đi khi nhiệt độ tăng lên. Phản ứng nhiệt độ của các vật liệu sử dụng trong nhiệt điện trở thường khác biệt và cũng khác với cảm biến RTD (Resistance Temperature Detector). Mặc dù cả hai loại cảm biến này đều dựa trên nguyên tắc sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ, nhưng cách thức và phạm vi phản ứng của chúng có thể khác nhau.
Thermistors thường có độ chính xác cao trong một phạm vi nhiệt độ cụ thể, thường từ -90 độ C đến 130 độ C. Điều này làm cho chúng trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng đo nhiệt độ trong môi trường có nhiệt độ ổn định và trong phạm vi nhiệt độ cụ thể.
Cảm biến bán dẫn
Cảm biến bán dẫn, hay Semiconductor sensors, là loại cảm biến được sản xuất từ các loại chất bán dẫn. Nguyên tắc hoạt động của chúng dựa trên sự thay đổi trong phân cực của các chất bán dẫn khi chúng được tác động bởi nhiệt độ. Các cảm biến bán dẫn có nhiều ưu điểm, bao gồm giá thành rẻ, dễ dàng chế tạo, độ nhạy cao và khả năng chống nhiễu tốt. Hơn nữa, chúng cũng thường có mạch xử lý đơn giản, dễ dàng tích hợp vào các hệ thống điều khiển và đo lường.
Tuy nhiên, một nhược điểm của các cảm biến bán dẫn là chúng thường không chịu được nhiệt độ cao và có khả năng kém bền khi hoạt động ở môi trường có điều kiện khắc nghiệt. Điều này giới hạn khả năng sử dụng của chúng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và độ ổn định ở nhiệt độ cao.
Đo nhiệt không tiếp xúc (bức xạ)
Đo nhiệt không tiếp xúc, còn được gọi là phương pháp đo bức xạ, là một kỹ thuật đo nhiệt độ mà không yêu cầu tiếp xúc trực tiếp với vật thể cần đo. Thay vì điều này, cảm biến nhiệt không tiếp xúc sử dụng nguyên lý phân tích quang học của bức xạ hồng ngoại mà vật thể phát ra. Thiết bị đo nhiệt không tiếp xúc thường đi kèm với các thấu kính và cảm biến, chuyển đổi tín hiệu bức xạ thành tín hiệu điện. Tín hiệu này sau đó được xử lý để xác định nhiệt độ của vật thể mục tiêu.
Ưu điểm của phương pháp này là có thể đo nhiệt độ của các vật thể đang chuyển động, hoặc khó tiếp cận, hoặc có nhiệt độ cao. Ngoài ra, thời gian đo rất ngắn và không gây ảnh hưởng đến vật thể đo, không làm hỏng hay làm giảm tuổi thọ của nó. Phương pháp này cũng không gây ảnh hưởng đến sự hao mòn của vật thể đo, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như y tế, công nghiệp, và nghiên cứu khoa học.
Loại cảm biến nhiệt độ được sử dụng phổ biến trong các tủ thử nghiệm môi trường là cặp nhiệt điện (ví dụ loại J hoặc loại T) và cảm biến RTD (ví dụ 100 OHM Platinum)
Cảm biến độ ẩm
Dựa theo nguyên lý đo độ ẩm, có 3 loại cảm biến độ ẩm như sau:
Cảm biến độ ẩm điện dung
Cảm biến độ ẩm điện dung, còn được gọi là Capacitive humidity sensors, thường bao gồm một vật liệu điện môi có khả năng hút ẩm được đặt giữa một cặp điện cực để tạo thành một tụ điện nhỏ. Thông thường, các cảm biến độ ẩm điện dung sử dụng nhựa hoặc polyme làm vật liệu điện môi. Giá trị của điện dung của vật liệu điện môi thường tương ứng với độ ẩm có trong không khí xung quanh. Điều này có nghĩa là khi độ ẩm tăng lên, giá trị điện dung của cảm biến cũng tăng. Ngoài ra, nhiệt độ và áp suất của hơi nước cũng có thể ảnh hưởng đến sự biến đổi của điện dung trong cảm biến.
Mặc dù cảm biến độ ẩm điện dung có độ nhạy cao và thường được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đo lường độ ẩm, nhưng cần lưu ý rằng chúng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ và áp suất. Tuy nhiên, với việc hiểu rõ các yếu tố này, cảm biến độ ẩm điện dung vẫn là một công cụ quan trọng và hiệu quả trong việc theo dõi và đo lường độ ẩm trong môi trường khác nhau.
Cảm biến độ ẩm điện trở
Cảm biến độ ẩm điện trở, hay Resistive humidity sensors, là loại cảm biến được sử dụng để đo sự thay đổi trong trở kháng của một môi trường khi nó hút ẩm (ví dụ như polyme dẫn điện, muối hoặc chất nền đã được xử lý). Khi môi trường hút ẩm, trở kháng của nó thường tăng lên, và mối quan hệ này thường là nghịch với độ ẩm của môi trường. Bằng cách đo sự thay đổi trong trở kháng, cảm biến này có thể phản ánh mức độ độ ẩm của môi trường xung quanh. Các ưu điểm của loại cảm biến này bao gồm kích thước nhỏ, chi phí thấp, dễ dàng thay thế và độ ổn định lâu dài. Do đó, chúng rất phù hợp với các ứng dụng trong công nghiệp, thương mại và dân dụng.
Cảm biến độ ẩm bằng cách đo độ dẫn nhiệt
Cảm biến độ ẩm sử dụng phương pháp đo độ dẫn nhiệt, hay còn gọi là Thermal conductivity humidity sensors, thường được ứng dụng trong môi trường có nhiệt độ cao. Cảm biến này được cấu tạo từ hai đầu đo nhiệt điện trở, dựa trên sự chênh lệch về độ dẫn nhiệt giữa không khí khô và không khí ẩm. Thay vì sử dụng sự thay đổi của điện trở như các loại cảm biến khác, cảm biến độ ẩm này đo lường sự chênh lệch trong khả năng dẫn nhiệt giữa không khí khô và không khí ẩm để xác định độ ẩm của môi trường. Do đó, chúng thường được ưa chuộng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và ổn định ở nhiệt độ cao, như trong ngành công nghiệp và nghiên cứu.
Hy vọng thông tin trong bài viết đã giúp bạn biết được sâu hơn về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm. Nếu bạn quan tâm đến sản phẩm của chúng tôi, xin vui lòng truy cập vào trang website COMIT và Fanpage của chúng tôi.
