Thermocouple là một trong những thiết bị quan trọng không thể thiếu trong lĩnh vực đo nhiệt độ, đặc biệt là các ứng dụng công nghiệp. Với những người thường xuyên tiếp xúc với các dạng cảm biến nhiệt độ có lẽ không còn quá xa lạ với thiết bị này. Để hiểu rõ hơn về Thermocouple là gì, nguyên lý hoạt động và những ứng dụng của nó. Mời bạn đọc cùng tìm hiểu những thông tin chi tiết về vật dụng này trong bài viết dưới đây!
Thermocouple là gì?
Thermocouple còn được gọi là cặp nhiệt điện hay nhiệt ngẫu là loại cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt độ. Nó hoạt động dựa trên hiện tượng Seebeck hay hiệu ứng nhiệt điện được phát hiện bởi nhà nghiên cứu Thomas Seebeck ở thế kỷ 19. Hiệu ứng này xảy ra khi hai kim loại khác nhau được nối với nhau, một đầu sẽ sinh ra một dòng điện rất nhỏ tính bằng milivon (mV). Khi nhiệt độ tại điểm nối đó thay đổi sẽ khiến dòng điện bên trong thay đổi. Điện thế này có thể đo được và chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ.
Cặp nhiệt điện (thermocouple) là gì (Ảnh: Internet)
Cấu tạo của cảm biến Thermocouple
Để hiểu rõ hơn về thermocouple là gì, sau đây chúng ta cũng tìm hiểu về cấu tạo của nó.Thermocouple có cấu tạo từ sự kết hợp của hai kim loại khác nhau. Bất kỳ hai kim loại khác nhau nào khi được nối với nhau cũng sinh ra một dòng điện bên trong. Tuy nhiên, để đo được nhiệt độ chính xác và đảm bảo độ bền khi hoạt động hiện nay đã có các loại can nhiệt có cấu tạo từ các cặp nhiệt điện khác nhau như K, R, S, B, J, W5.
Cặp nhiệt điện gồm có hai kim loại khác nhau, các kim loại này được hàn với nhau tại điểm nối. Điểm giao nhau này gọi là điểm đo, điển giao nhau sẽ được phân thành ba loại.
Mối nối không bao quanh
Trong mối nối không bao quanh thì các dây dẫn sẽ được cách ly hoàn toàn khỏi vỏ bảo vệ. Nó được dùng trong các ứng dụng áp suất cao. Ưu điểm của việc sử dụng mối nối không bao quanh là làm giảm ảnh hưởng của từ trường lạc.
Nối đất
Ở phần nối đất, các kim loại và vỏ bảo vệ sẽ được hàn với nhau. Điểm nối đất được dùng để đo nhiệt độ môi trường ăn mòn mạnh như axit, bazơ. Nối đất cung cấp khả năng có thể chống lại tiếng ồn.
Phần tiếp xúc
Được sử dụng ở những nơi yêu cầu về phản hồi nhanh. Điểm nối tiếp xúc được dùng để đo nhiệt độ của khí.
Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ Thermocouple (Ảnh: Internet)
Nguyên lý hoạt động của Thermocouple là gì?
Nguyên lý hoạt động của Thermocouple phụ thuộc vào các yếu tố sau:
Hiệu ứng Seebeck
Hiệu ứng Seebeck – Hiệu ứng nhiệt điện xảy ra giữa hai kim loại khác nhau. Khi nhiệt lượng cung cấp cho một kim loại bất kỳ thì các electron sẽ bắt đầu chuyển từ kim loại nóng sang kim loại lạnh. Do đó, sẽ tồn tại dòng điện một chiều cảm ứng trong mạch.
Có thể hiểu đơn giản, đây là hiện tượng trong đó có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai kim loại khác nhau gây ra hiệu điện thế giữa chúng. Hiệu ứng nhiệt điện tạo ra điện áp nhỏ cho mỗi Kelvin nhiệt độ.
Hiệu ứng Peltier
Hiệu ứng Peltier là nghịch đảo của hiệu ứng nhiệt điện. Hiệu ứng này định nghĩa rằng sự chênh lệch nhiệt độ có thể được tạo ra giữa hai dây dẫn khác nhau bất kỳ bằng cách áp dụng hiệu điện thế giữa chúng.
Hiệu ứng Thomson
Hiệu ứng này chỉ ra rằng khi hai kim loại khác nhau liên kết với nhau, nếu chúng tạo ra hai điểm nối thì điện áp gây ra toàn bộ chiều dài của dây dẫn vì gradien nhiệt độ. Gradient nhiệt độ là một thuật ngữ vật lý cho biết tốc độ và hướng của nhiệt độ tại một vị trí cụ thể.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ Thermocouple là gì (Ảnh: Internet)
Các loại Thermocouple phổ biến
Trên thực tế, thermocouple đều được chế tạo với một lớp vỏ bọc bên ngoài nhằm tránh các tác động của môi trường như ăn mòn để nâng cao vòng đời và tuổi thọ cho thiết bị. Một số loại cặp nhiệt độ phổ biến được dùng trong công nghiệp như:
- Cặp nhiệt điện loại K (Niken-Crom/Niken-Alumel): Đây là loại phổ biến nhất với tính chính xác và độ tin cậy cao, phạm vi cảm nhận nhiệt độ khá rộng từ 270ºC – 1260ºC.
- Cặp điện loại J (Sắt/Constantan): Khá phổ biến nhưng có phạm vi nhiệt độ và tuổi thọ thấp hơn loại K, từ -210ºC – 760ºC.
- Cặp nhiệt điện loại T (Đồng/Constantan): Loại này rất ổn định, thường được dùng trong các ứng dụng nhiệt độ cực thấp như hệ thống làm lạnh hoặc đông lạnh từ -210ºC – 370ºC.
- Cảm biến nhiệt độ loại E (Niken-Crom/Constantan): Có độ cảm nhận nhiệt mạnh và chính xác cao hơn loại K, phạm vi nhiệt độ từ -280ºC – 870ºC.
- Cặp nhiệt điện loại N (Nicrosil/Nisil): Có độ chính xác và giới hạn nhiệt độ cùng với loại K từ -270ºC – 392ºC.
- Cặp nhiệt điện loại S (Bạch kim Rhodium – 10%/Bạch kim): Được dùng trong các ứng dụng nhiệt độ cao trong các ngành công nghiệp như sinh học, dược phẩm,…
- Cảm biết nhiệt độ loại R (Platinum Rhodium – 13%/Bạch kim): Dùng trong các ứng dụng nhiệt độ rất cao, bởi nó có tỷ lệ Rhodium cao hơn loại S, phạm vi nhiệt độ -50ºC – 1480ºC.
- Can nhiệt loại B (Platinum Rhodium – 30%/Platinum Rhodium – 6%): Là loại có giới hạn nhiệt độ cao nhất trong các loại cảm biến nhiệt độ. Loại này được dùng trong các ứng dụng có nhiệt độ cực cao bởi nó có thể duy trì được mức độ chính xác và ổn định cao ở mức nhiệt cao từ 0ºC – 1700ºC.
Các loại Thermocouple phổ biến trong ngành công nghiệp hiện nay (Ảnh: Internet)
Ứng dụng của Thermocouple
Sau khi đã tìm hiểu chi tiết về Thermocouple là gì, có thể thấy cảm biến nhiệt độ sở hữu những đặc điểm nổi bật như độ chính xác cao trong việc đo nhiệt độ, khả năng chịu được nhiệt độ cao, có tuổi thọ cao và độ bền tốt giúp nó có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài. Chính vì thế mà nó được ứng dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp. Dưới đây là một số ứng dụng của cặp nhiệt điện:
- Trong quy trình sản xuất: Thermocouple được dùng để đo và kiểm soát nhiệt độ trong quy trình sản xuất, giúp đảm bảo hiệu suất và chất lượng.
- Trong ngành năng lượng: Thermocouple được dùng để đo nhiệt độ trong các lò đốt, động cơ và hệ thống truyền động.
- Trong y tế và nghiên cứu: Thermocouple được dùng trong các thiết bị đo nhiệt độ y tế và trong các nghiên cứu khoa học.
- Trong các ngành công nghiệp: Cảm biến nhiệt độ được dùng để theo dõi nhiệt độc của kim loại trong nhôm, sắt và các kim loại khác.
- Trong công nghiệp thực phẩm: Vật dụng này được dùng trong các ứng dụng đông lạnh và nhiệt độ thấp. Thermocouple được dùng như một máy bơm nhiệt để thực hiện quá trình làm mát nhiệt điện.
- Được dùng để kiểm tra nhiệt độ trong các nhà máy dầu khí, hóa chất.
>>> Có thể bạn quan tâm: Xi lanh khí nén là gì?
Kết luận
Bài viết trên đây đã cùng bạn đọc đi tìm hiểu chi tết về Thermocouple là gì và những đặc điểm của nó. Thermocouple không chỉ là một thiết bị đo nhiệt độ, nó còn la công cụ quan trọng trong việc quản lý và kiểm soát quy trình. Việc tìm hiểu về nguyên lý hoạt động và ứng dụng của cảm biến nhiệt độ sẽ giúp ích lớn trong việc tối ưu hóa quy trình công nghiệp và đảm bảo chất lượng của sản phẩm.
Jasmine Wu – Hapoin
