Cặp nhiệt điện là gì? Chi tiết về cấu tạo và nguyên lý làm việc

Cặp nhiệt điện là gì?

Cặp nhiệt điện có tên tiếng anh là thermocouple (thermo là nhiệt độ, couple là cặp, đôi) thường được gọi với tên khác là cặp nhiệt ngẫu. Đây là loại cảm biến nhiệt độ mạch kín với 2 dây dẫn kim loại khác nhau được đấu nối 2 đầu. Cặp nhiệt ngẫu được sử dụng khá phổ biến để đo tại những nơi có nhiệt độ cao và nhiệt độ dao động liên tục. Hiện nay thiết bị điện này được sản xuất vô cùng đa dạng với các phạm vi nhiệt độ hoạt động, tuổi thọ, khả năng chống rung, chống hóa chất,… khác nhau.

Cấu tạo của cặp nhiệt điện

Để hiểu rõ hơn về cặp nhiệt điện, AME Group xin cung cấp cho quý vị các thông tin chi tiết về cấu tạo của thiết bị này. Cặp nhiệt ngẫu được cấu tạo từ 5 bộ phận chính như sau:

• Measuring junction (Điểm giao nhau): Bao gồm 2 thanh kim loại khác nhau được hàn 1 đầu dây với nhau – đây chính là bộ phận quan trọng nhất của cặp nhiệt điện
• Thermocouple wires (Dây cặp nhặt nhiệt điện): Là phần dây kết nối giữa nhiệt độ với bộ điều khiển thiết bị.
• Ceramic insulators (Gốm cách điện): Được làm từ chất liệu sứ có khả năng cách điện, có nhiệm vụ giữa dây cặp nhiệt ngẫu cách điện dọc theo chiều dài của đầu dò.
• Protective sheath (Vỏ bảo vệ): Phần vỏ bên ngoài có chức năng bảo vệ, được làm từ chất liệu inox (chịu được <1200 độ C) hoặc sứ (chịu nhiệt >1200 độ C)
• Connection head (Đầu kết nối): Chứa dây kết nối và bộ chuyển đổi của cặp nhiệt điện.

Cấu tạo của cặp nhiệt điện

Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện

Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt ngẫu dựa trên hiệu ứng nhiệt Seebeck . Cụ thể: khi 2 kim loại khác nhau được hàn dính lại 1 đầu (Measuring junction) sẽ tạo ra 1 điện áp. Mô phỏng nguyên lý này theo sơ đồ sau:

• Điểm nối giữa 2 thanh kim loại (Measuring point) là nơi được tiếp xúc với nhiệt độ cao hơn – (1) đầu nóng
• Hai đầu dây còn lại không được hàn cố định được đánh dấu (-) và (+) – (2) đầu lạnh
• Khi này giữa (1) và (2) có sự chênh lệch nhiệt độ, tạo ra sự dịch chuyển các electron dẫn tới sinh ra 1 hiệu điện thế ở 2 đầu dây.
• Theo đó, 2 thanh kim loại được hàn tại điểm nóng, đây là nơi dùng để đo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tại điểm nóng tăng thì điểm điện áp tại điểm lạnh cũng tăng theo (không theo tuyến tính). Khi đó người ta đo điện áp ở đầu lạnh thì sẽ cho chính xác nhiệt độ ở đầu nóng.

Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện

Các loại cặp nhiệt điện hiện nay

Hiện nay, có nhiều loại căp nhiệt điện được ra đời với các đặc điểm riêng khác nhau, có thể kể đến các loại như K, J, S, B, E, R, N, C…. Tham khảo ngay thông tin chi tiết về từng loại ngay dưới đây!

Cặp nhiệt điện loại K

Cặp nhiệt điện loại K (Thermocouple Type K) làm từ Niken-Crom hoặc Niken-Alumel với các ưu điểm về độ chính xác, chi phí thấp và phạm vị nhiệt hoạt động lớn:

• Phạm vi đo nhiệt: -270 độ C đến 1200 độ C (thường sử dụng 0-1200 độ C)
• Sai số tiêu chuẩn: +/-2.2 C hoặc 0.75%
• Tùy chọn sai số thấp nhất: +/-1.1 C hoặc 0.4%

Cặp nhiệt điện loại K

Cặp nhiệt điện loại J

Loại cặp nhiệt ngẫu này khá phổ biến với Iron / Constantan. Chúng cho độ chính xác tốt, phạm vi nhiệt hoạt động cũng như tuổi thọ thấp hơn so với loại K:

• Dãy đo nhiệt độ: -210 độ C đến 760 độ C
• Sai số: +/-2.2 C hoặc 0.75%.
• Sai số thấp nhất: +/-1.1 C hoặc 0.4%

Cặp nhiệt điện loại J

Cặp nhiệt điện loại T

Thermocouple Type T (Đồng / Constantan) được ứng dụng để đo nhiệt độ cực thấp trong các máy làm lạnh, đông lạnh, có tính ổn định cao tuy nhiên không phổ biến trong các ứng dụng đo nhiệt độ tại Việt Nam:

• Dãy đo nhiệt độ: -270 độ C đến 370 độ C
• Sai số: +/- 1.0C hoặc +/- .75%
• Sai số thấp nhất: +/- 0.5C or 0.4%

Cặp nhiệt điện loại T

Cặp nhiệt điện loại E

Cặp ngẫu nhiệt loại E (Niken-Crom / Constantan) có tín hiệu mạnh và cho độ chính xác ưu việt hơn loại K khi ở dải nhiệt < 530 độ C.

• Dãy đo nhiệt độ: -270 độ C đến 870 độ C
• Sai số: +/- 1.7C hoặc +/- 0.5%
• Sai số thấp nhất: +/- 1.0C hoặc 0.4%

Cặp nhiệt điện loại E

Cặp nhiệt điện loại N

Thermocouple Type N (Nicrosil / Nisil) có chi phí khá cao, cho độ tính xác cao tuy nhiên khoảng nhiệt độ hoạt động không quá rộng như loại K:

• Dãy đo nhiệt độ: -270 độ C đến 392 độ C
• Sai số: +/- 2.2C hoặc +/- 0.75%
• Sai số thấp nhất: +/- 1.1C hoặc 0.4%

Cặp nhiệt điện loại N

Cặp nhiệt điện loại F

Loại cặp nhiệt điện loại F này (Bạch kim Rhodium – 10% / Bạch kim) có vỏ bên ngoài làm bằng sứ, được sử dụng trong các môi trường nhiệt độ cực cao lên đến 1600 độ C. Thiết bị này được ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau như sinh học, các lò đốt, dược phẩm,…

• Dãy đo nhiệt độ: -50 độ C đến 1600 độ C
• Sai số: +/- 1.5C hoặc +/- .25%
• Sai số thấp nhất: +/- 0.6C hoặc 0.1%

Cặp nhiệt điện loại R

Cặp nhiệt điện loại R (Platinum Rhodium -13% / Bạch kim) sử dụng Rhodium với tỉ lệ cao nên ứng dụng đo ở các mức nhiệt độ cao hoặc đo nhiệt độ thấp nhờ tính ổn định và chính xác cao. Tuy nhiên giá thành Thermocouple Type R thường hơn với vỏ bảo vệ làm từ sứ:

• Dãy đo nhiệt độ: -50 độ C đến 1500 độ C
• Sai số: +/- 1.5C hoặc +/- .25%
• Sai số thấp nhất: +/- 0.6C hoặc 0.1%

Cặp nhiệt điện loại R

Cặp nhiệt điện loại B

Cuối cùng là cặp nhiệt ngẫu loại B (Platinum Rhodium – 30% / Platinum Rhodium – 6%) thường sử dụng ở mức nhiệt cực cao, cao nhất trong tất cả các loại kể trên. Thiết bị này nổi bật với độ chính xác và ổn định:

• Dãy đo nhiệt độ: 0 độ C đến 1700 độ C
• Sai số: +/-0.5%
• Sai số thấp nhất: +/-0.25%

Cặp nhiệt điện loại B

Ứng dụng của cặp nhiệt điện trong thực tế

Trong thực tế, can nhiệt độ được ứng dụng trong đời sống rất đa dạng, mang lại các lợi ích khác nhau cho con người. Cụ thể như sau:

• Trong ngành thực phẩm: Được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ của lò nướng, đo nhiệt độ ấm của nước, giúp theo dõi bếp điện hoạt động ở mức nhiệt nhất định,…
• Trong đo nhiệt độ thấp: Sử dụng các cặp nhiệt độ đo ở mức nhiệt độ thấp như loại E, K, T, N (<200 độ C). Ứng dụng đo nhiệt độ trong các môi trường thấp như máy lạnh, tủ đông,…
• Trong máy đùn: Trong quá trình vận hành, máy đùn cần nhiệt độ và áp suất cao. Chúng được lắp thêm Thermocouple kiểm soát nhiệt độ ở mức cao với 1 bộ chuyển đổi ren định vị các đầu cảm biến tại vị trí nhựa nóng chảy và áp suất lớn.
• Trong lò nung: Đo nhiệt nhiệt độ ở trong lò nung gốm, gạch hay lò sấy,…. Tuy nhiên khi lựa chọn cặp nhiệt điện cần quan tâm tới khả năng chịu nhiệt của dây, vỏ bọc bảo vệ cũng như lớp phủ bảo vệ nhằm đram bảo sử dụng lâu dài và an toàn.
• Trong nóng chảy kim loại: Thường sử dụng cặp ngẫu nhiệt loại R, S, K, M hoặc B để thực hiện đo nhiệt độ cao trong quá trình nóng chảy kim loại. Với kim loại cơ bản tì dây can nhiệt là dây rắn, đường kính 8 hoặc 14AWG. Ống bảo vệ cũng như chất cách điện thường được làm bằng sứ. Tuy nhiên không nên sử dụng thiết bị loại K, N vì sẽ dẫn đến suy giảm dây nhanh do thời gian đo chậm hơn.

Ứng dụng của cặp nhiệt điện trong thực tế

Các lỗi thường gặp khi sử dụng thiết bị

Trong quá trình sử dụng thiết bị này, nhiều người thường gặp các lỗi sai cơ bản khiến việc đo kết quả sai, không chính xác, có thể gây hỏng hóc cặp nhiệt điện. Để giúp quý vị khắc phục các tình trạng này, theo dõi phần nội dung chi tiết ngay dưới đây nhé!

• Đấu dây sai cách: Nhiều người thường đấu dây cặp nhiệt điện sai khiến cho không hiển thị được, vì vậy cần chú ý xem kỹ hướng dẫn lắp đặt và sử dụng thiết bị được nhà sản xuất hướng dẫn.
• Chọn sai thang đo nhiệt độ: Đảm bảo mua cặp nhiệt điện có khoảng đo nhiệt phù hợp với mục đích bạn cần sử dụng. Nếu lựa chọn sai thì thiết bị sẽ bị hỏng hóc, gây nổ, mất an toàn cho con người và hệ thống điện.
• Không dùng bộ chuyển đổi: Khi sử dụng cặp nhiệt điện từ đầu lạnh sẽ cho ra dạng điện áp, tín hiệu này dễ bị nhiễu, sụt áp khi ở khoảng cách xa. Vì vậy khi dùng, người ta cần sử dụng thêm bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện ra 4-20mA (nhờ khả năng không bị suy giảm khi bị truyền đi xa).

Cách chọn cặp nhiệt điện

Khách hàng khi mua cặp nhiệt điện cần quan tâm tới các vấn đề quan trọng như sau:

• Dãy đo nhiệt độ: Tìm hiểu rõ về môi trường nhiệt độ thiết bị được sử dụng để lựa chọn Thermocouple có dãy đo nhiệt độ phù hợp giúp hiển thị thông số chính xác, giá trị sử dụng lâu bền, tuổi thọ cao.
• Khoảng cách lắp đặt: lắp đặt cặp nhiệt điện với khoảng cách phù hợp theo hướng dẫn từ nhà nhà sản xuất
• Thông số từng loại: Có nhiều loại cặp nhiệt ngẫu khác nhau như K, J, N, B,… với các thông số cụ thể khác nhau. Vì vậy cần tính toán và xem xét kỹ càng khi chọn mua.
• Kiểu kết nối cảm biến: Lựa chọn 1 trong 2 kiểu phổ biến nhất là kết nối mặt bích hoặc kết nối ren.
• Tín hiệu ngõ ra: Thường là 4 -20 mA hay 0 – 10 V
• Các thông số của thiết bị: Bao gồm chiều dài cảm biến (20mm, 30mm,…2000mm) và đường kính cảm biến (1mm, 2mm,…27mm)
• Lựa chọn hãng sản xuất, đơn vị cung cấp cũng như đảm bảo về chất lượng sản phẩm, có đầy đủ chính sách bảo hành và hỗ trợ đổi trả rõ ràng.

Cách chọn cặp nhiệt điện

Cách phân biệt cặp điện nhiệt và nhiệt điện trở RTD

Cặp nhiệt điện thương bị nhầm lẫn với cảm biến nhiệt độ RTD (nhiệt điện trở PT100, PT1000). Cách phân biệt là thiết bị này cụ thể như sau:

• Thực chất RTD dùng để phát hiện nhiệt độ điện trở, thường được cấu tạo từ các vật liệu tinh khiết là Platinum, Niken hoặc đồng. Sử dụng đồng hồ VOM, vặn chúng sang thang đo điện trở, nếu PT1000 thì tại nhiệt độ thường có giá trị > 100 ôm; PT1000 thì giá trị điện trở >1000 ôm.
• Thực hiện tương tự với cặp nhiệt điện, dùng thang đo mV trên đồng hồ VOM, đầu ra của nhiệt điện cho giá trị dạng mV.

Như vậy, cặp nhiệt điện là thiết bị điện có tính ứng dụng cao trong đời sống để đo nhiệt độ chính xác. Quý vị cần quan tâm tới dải nhiệt độ cũng như các tính năng, đặc điểm của từng loại cặp nhiệt ngẫu để lựa chọn thiết bị loại K, N, B, J,… sao cho phù hợp nhất. Nếu như có bất kỳ thắc mắc nào thì hãy liên hệ ngay cho AME Group qua hotline để được hỗ trợ tốt nhất nhé!