Cặp nhiệt điện là gì? Cấu tạo của cặp nhiệt điện ra sao? Ứng dụng của cặp nhiệt điện trong công nghiệp? Có bao nhiêu loại cặp nhiệt điện? Đó là những thông tin mà mình sẽ đề cập trong bài viết sau. Hãy cùng mình tìm hiểu về loại thiết bị đo nhiệt độ thú vị này nha.
Cặp nhiệt điện là gì?
Có tên tiếng Anh là thermocouple, với thermo nghĩa là nhiệt độ, couple là cặp, cặp nhiệt điện là một loại thiết bị đo nhiệt độ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là trong trường hợp cần đo những khu vực có nhiệt độ cao và nhiệt độ dao động liên tục. Ngoài cái tên cặp nhiệt điện, nó còn có các tên gọi khác như cảm biến nhiệt độ can nhiệt, cặp nhiệt ngẫu.
Nguyên lý cặp nhiệt điện:
Cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên một nguyên lý được gọi là hiệu ứng Seebeck. Hiệu ứng Seebeck được phát hiện bởi nhà vật lý học người Đức Thomas Johann Seebeck vào năm 1821. Theo ông, khi điểm kết nối của 2 dây được đặt vào nơi có các nhiệt độ khác nhau, ở đó sẽ tạo ra sư dịch chuyển của các electron do đó sẽ tạo ra một điện áp nhỏ tại đầu 2 dây hở. Điện áp này phụ thuộc vào nhiệt độ và vật liệu của dây dẫn được sử dụng. Để hiểu rõ hơn về nguyên lý cặp nhiệt điện, ta hãy cùng xem hình sau:
Theo hình trên, 2 dây của cặp nhiệt điện sẽ được hàn vào nhau tại 1 điểm là điểm nóng (hot junction) tức là nơi dùng để đo nhiệt độ. Phần tiếp theo chính là điểm lạnh (cold junction) là nơi mà nhiệt độ đã được biết trước. Khi người ta đưa điểm nóng vào nơi cần đo nhiệt độ, người ta thấy rằng khi nhiệt độ tại đây tăng lên thì điện áp tại điểm lạnh cũng sẽ tăng không tuyến tính. Khi người ta đo được điện áp tại điểm lạnh, ta sẽ tính ra được nhiệt độ tại điểm nóng.
Cấu tạo cặp nhiệt điện:
Một cặp nhiệt điện sẽ có 5 bộ phận chính:
1- Measuring junction: đây là bộ phận quan trọng nhất của cặp nhiệt điện. Phần này sẽ bao gồm 2 thanh kim loại có cấu tạo vật liệu khác nhau được hàn 1 đầu với nhau. 2-Thermocouple wires: phần dây kết nối để nối giữa phần đo nhiệt độ và bộ điều khiển. 3- Ceramic insulators: đây là phần sứ cách nhiệt được sử dụng để giữ dây cặp nhiệt điện cách điện dọc theo toàn bộ chiều dài của đầu dò. 4- Protective sheath: đây là phần vỏ bảo vệ bên ngoài của cặp nhiệt điện. Thông thường lớp vỏ này được làm bằng inox đối với nhiệt độ 1200 độ C trở xuống. Còn đối với các loại cặp nhiệt điện có thang đo cao hơn 1200 độ C thì lớp vỏ này được làm bằng sứ. 5- Connection head: phần này sẽ chứa dây kết nối của cặp nhiệt điện. Khi ta dùng các bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện ra 4-20mA thì sẽ được cho vào đây.
Ứng dụng của cặp nhiệt điện:
Để trả lời cho câu hỏi cặp nhiệt điện dùng để làm gì, ta sẽ tìm hiểu những ứng dụng của cặp nhiệt điện. Trong nhà máy, ta thường bắt gặp khá nhiều các loại cặp nhiệt điện. Là một thiết bị đo nhiệt độ dĩ nhiên ứng dụng của cặp nhiệt điện là để đo nhiệt độ. Tuy nhiên cặp nhiệt điện được dùng đặc biệt cho những vị trí có nhiệt độ cao. Đó có thể là lò nung, lò hơi, lò luyện thép… những nơi này có nhiệt độ rất cao nên nếu dùng cảm biến nhiệt điện trở Pt100 sẽ rất dễ bị hư hỏng vì thang đo nhiệt độ của pt100 chỉ từ 850 độ C trở lại.
Sau khi đo nhiệt độ, tín hiệu đầu ra dạng điện áp (mV) của cặp nhiệt điện sẽ được đưa về bộ điều khiển hoặc PLC để xử lý.
Đo nhiệt độ trong lò nung:
Đối với môi trường đo này, nhiệt độ luôn ở vào mức 1300 độ C đến 1600 độ C. Vì thế bắt buộc người ta phải dùng đến cặp nhiệt điện. Và lựa chọn thường là cặp nhiệt điện loại S hay còn được gọi là can nhiệt sứ hoặc can sứ.
Đo nhiệt độ trong lò hơi:
Lò hơi là một môi trường khá …lành so với cặp nhiệt điện khi nhiệt độ chỉ vào khoảng 1200 độ C trở lại. Chính vì thế mà loại cặp nhiệt điện loại K hay còn được gọi là can nhiệt K hoặc can K được dùng nhiều nhất.
Vì sao cặp nhiệt điện bị lỗi?
Khi sử dụng cặp nhiệt điện, nếu ta không chú ý sẽ dễ dẫn đến việc cặp nhiệt điện bị lỗi hoặc bị hư hỏng sau 1 thời gian sử dụng. Sau đây là một số nguyên nhân có thể dẫn đến việc lỗi hoặc hư hỏng cặp nhiệt điện:
Đấu dây sai cách:
Khi kết nối dây từ cặp nhiệt điện vào PLC hoặc biến tần, nếu ta đấu dây sai, cặp nhiệt điện sẽ không hiển thị được. Ta cần chú ý thêm rằng các loại cặp nhiệt điện chỉ có 2 dây kết nối, khác với loại cảm biến nhiệt độ pt100 2 dây.
Chọn không đúng thang đo nhiệt độ:
Thang đo nhiệt độ là một yếu tố cực kỳ quan trọng khi mua cặp nhiệt điện. Nếu ta chọn sai thang đo nhiệt độ thì khi lắp vào; cảm biến nhiệt độ can nhiệt sẽ bị hư hỏng lập tức. Hoặc tệ hơn là sẽ bị nổ đối với cặp nhiệt độ loại sứ.
Không dùng bộ chuyển đổi:
Như ta đã tìm hiểu phía trên, tín hiệu ngõ ra của cặp nhiệt điện là dạng điện áp (mV). Loại tín hiệu này có đặc điểm là rất dễ bị nhiễu và bị sụt áp khi truyền đi xa. Vì thế, khi sử dụng các loại cặp nhiệt điện, người ta gần như bắt buộc phải dùng bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện ra 4-20mA. Lý do là vì tín hiệu 4-20mA không bị suy giảm khi truyền đi xa và ít khi bị nhiễu. Nếu bạn chưa có bộ chuyển đổi này, có thể tham khảo thêm tại địa chỉ:
Bộ chuyển đổi tín hiệu can nhiệt ra 4-20mA
Các loại cặp nhiệt điện:
Có khá nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau tùy theo nhiệt độ môi trường đo. Về nguyên lý hoạt động, các loại cặp nhiệt điện đều giống nhau. Điều khác nhau duy nhất là vật liệu của 2 que kim loại mà người ta dùng để chế tạo cặp nhiệt điện. Xét về hình dạng, ta sẽ có 2 loại cặp nhiệt điện khác nhau: cặp nhiệt điện loại dây và cặp nhiệt điện loại đầu dò. Còn nếu xét về thang đo nhiệt độ, ta sẽ có một số loại cặp nhiệt điện thường gặp:
Cặp nhiệt điện loại J:
Loại cặp nhiệt điện này được gia công từ 2 vật liệu là Fe – Co, thang đo của loại này max 1200 độ C.
Cặp nhiệt điện loại K:
Đây là loại cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi vì giá thành tương đối rẻ. Đồng thời thang đo của loại này max là 1200 độ C. Kim loại dùng chế tạo loại này là Cr và Al .
Cặp nhiệt điện loại S:
Với thang đo nhiệt độ khá cao, nhiệt độ tối đa mà loại này chịu được là 1600 độ C. Loại cặp nhiệt điện này có phần vỏ bảo vệ làm bằng sứ nên có thể chịu được nhiệt độ cao.
Cặp nhiệt điện loại R:
Được làm bằng 2 kim loại quý là Platinium (bạch kim) và Rhodium. Loại cặp nhiệt điện này có thang đo max là 1760.
Cặp nhiệt điện loại B:
Giống như cặp nhiệt điện loại S và loại R; cặp nhiệt điện loại B cũng được làm bằng bạch kim và Rhodium. Tuy nhiên, tỷ lệ thành phần của 2 kim loại này cao hơn. Nên loại cặp nhiệt điện này có thể đo được max 1820 độ C.
Cặp nhiệt điện loại W5:
Là loại cặp nhiệt điện có thể đo được nhiệt độ cao nhất trong các loại cặp nhiệt điện. Loại W5 có thể đo được nhiệt độ tối đa 2310 độ C. Cặp nhiệt điện này bao gồm một vonfram cực dương chứa 3% rheni và cực âm vonfram chứa 25% rheni. Trên đây là những chia sẻ của mình về cặp nhiệt điện. Hy vọng bài viết có thể cung cấp cho bạn những thông tin bổ ích. Cần thêm thông tin gì, có thể liên hệ với mình nha.
