Cảm biến cặp nhiệt điện, còn được gọi là thermocouple, là một thiết bị quan trọng và phổ biến trong lĩnh vực đo nhiệt độ. Cảm biến cặp nhiệt điện là một loại cảm biến nhiệt độ đặc biệt, được sử dụng để đo và theo dõi nhiệt độ ở trong những môi trường có nhiệt độ cao và dao đông liên tục. Theo điều kiện công nghệ và yêu cầu công nghiệp thay đổi, cảm biến cặp nhiệt điện được sản xuất với nhiều mẫu mã đa dạng với phạm vi nhiệt độ hoạt động, tuổi thọ, khả năng chống rung, chống hóa chất,… khác nhau

Hãy cùng tìm hiểu chi tiết về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến cặp nhiệt điện cũng như các ứng dụng quan trọng của nó.

Cấu tạo của cảm biến cặp nhiệt điện

Cảm biến cặp nhiệt điện bao gồm năm bộ phận chính:

1. Điểm giao nhau (Measuring junction): Đây là bộ phận quan trọng nhất của cảm biến cặp nhiệt điện. Nó bao gồm hai thanh kim loại khác nhau được hàn ở một đầu, nơi mà nhiệt độ cần được đo.

2. Dây cảm biến cặp nhiệt điện (Thermocouple wires): Dây này kết nối từ điểm nóng đến bộ điều khiển của thiết bị.

3. Gốm cách điện (Ceramic insulators): Gốm cách điện được làm từ chất liệu sứ có khả năng cách điện. Nó giữ các dây cảm biến cặp nhiệt điện cách điện theo chiều dài của đầu dò.

4. Vỏ bảo vệ (Protective sheath): Phần vỏ bên ngoài được làm từ chất liệu inox (chịu được nhiệt độ dưới 1200 độ C) hoặc sứ (chịu nhiệt độ trên 1200 độ C). Vỏ bảo vệ này bảo vệ cảm biến cặp nhiệt điện khỏi các yếu tố môi trường bên ngoài như hóa chất, chấn động, và ẩm ướt.

5. Đầu kết nối (Connection head): Đầu này chứa dây kết nối và bộ chuyển đổi của cảm biến cặp nhiệt điện.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến cặp nhiệt điện

Nguyên lý hoạt động của cảm biến cặp nhiệt điện dựa trên hiệu ứng nhiệt Seebeck. Khi hai thanh kim loại khác nhau được hàn lại với nhau tại điểm giao nhau (Measuring junction), sẽ tạo ra một hiệu điện thế (điện áp). Khi nhiệt độ tại điểm giao nhau thay đổi, sự chênh lệch nhiệt độ này tạo ra sự dịch chuyển của các electron, dẫn đến sự tạo ra hiệu điện thế ở hai đầu dây cảm biến cặp nhiệt điện.

Các loại cảm biến cặp nhiệt điện hiện nay:

Cảm biến cặp nhiệt điện được chia thành nhiều loại khác nhau, mỗi loại phù hợp với một phạm vi nhiệt độ và ứng dụng cụ thể. Dưới đây là một số loại cảm biến cặp nhiệt điện phổ biến:

1. Loại K (Type K): Cảm biến cặp nhiệt điện này sử dụng chất liệu Niken-Crom hoặc Niken-Alumel. Phạm vi đo nhiệt độ từ -270 độ C đến 1200 độ C.

2. Loại J (Type J): Cảm biến cặp nhiệt điện này sử dụng Iron / Constantan. Dãy đo nhiệt độ từ -210 độ C đến 760 độ C.

3. Loại T (Type T): Cảm biến cặp nhiệt điện này sử dụng Đồng / Constantan. Phạm vi đo nhiệt độ từ -270 độ C đến 370 độ C.

4. Loại E (Type E): Cảm biến cặp nhiệt điện này sử dụng Niken-Crom / Constantan. Dãy đo nhiệt độ từ -270 độ C đến 870 độ C.

5. Loại N (Type N): Cảm biến cặp nhiệt điện này sử dụng Nicrosil / Nisil. Phạm vi đo nhiệt độ từ -270 độ C đến 392 độ C.

6. Loại F (Type F): Cảm biến cặp nhiệt điện này sử dụng Bạch kim Rhodium – 10% / Bạch kim. Phạm vi đo nhiệt độ từ -50 độ C đến 1600 độ C.

7. Loại R (Type R): Cảm biến cặp nhiệt điện này sử dụng Platinum Rhodium -13% / Bạch kim. Dãy đo nhiệt độ từ -50 độ C đến 1500 độ C.

8. Loại B (Type B): Cảm biến cặp nhiệt điện này sử dụng Platinum Rhodium – 30% / Platinum Rhodium – 6%. Phạm vi đo nhiệt độ từ 0 độ C đến 1700 độ C.

Ứng dụng của cảm biến cặp nhiệt điện trong thực tế

Cảm biến cặp nhiệt điện có nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế, bao gồm:

1. Ngành thực phẩm: Cảm biến cặp nhiệt điện này sử dụng để kiểm soát nhiệt độ của lò nướng, đo nhiệt độ của nước trong quá trình nấu ăn, và giúp theo dõi hoạt động của bếp điện.

2. Đo nhiệt độ thấp: Cảm biến cặp nhiệt điện này sử dụng các loại cảm biến cặp nhiệt điện như loại E, K, T, N để đo nhiệt độ trong máy lạnh, tủ đông và các môi trường có nhiệt độ thấp.

3. Máy đùn: Cảm biến cặp nhiệt điện được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ và áp suất cao trong quá trình vận hành máy đùn.

4. Lò nung: Cảm biến cặp nhiệt điện này sử dụng để đo nhiệt độ trong lò nung gốm, lò sấy, và nhiều ứng dụng sản xuất khác.

5. Nóng chảy kim loại: Cảm biến cặp nhiệt điện này sử dụng để đo nhiệt độ trong quá trình nóng chảy kim loại.

Cảm biến cặp nhiệt điện đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và chính xác trong các quy trình công nghiệp và ứng dụng khoa học. Việc lựa chọn loại cảm biến cặp nhiệt điện phù hợp và thực hiện bảo trì đúng cách là điều rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị.