Cảm biến pt100 là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động?

Cảm biến pt100 là gì? Nó có quan trọng không?
Câu trả lời là: Có
Bởi vì cảm biến nhiệt pt100 được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy, từ nhà máy lớn với dây chuyền hiện đại đến các xưởng cơ khí nho nhỏ cũng đều có dùng đến loại thiết bị này.
Nói đơn giản nhất, tất cả những ứng dụng nào trong nhà máy mà có dính đến nhiệt độ thì đều phải dùng cảm biến nhiệt pt100 (trừ những nơi nhiệt độ cao thì phải dùng đến cặp nhiệt điện mà thôi).

Trong bài viết hôm nay, hãy cùng mình tìm hiểu đầy đủ nhất những thông tin về loại cảm biến này nha.
Nào, ta cùng bắt đầu thôi.
Đầu tiên, ta cùng tìm hiểu:

Cảm biến pt100 là gì?

Để hiểu chính xác và đơn giản nhất, ta chỉ cần hiểu, đây là một thiết bị chuyên dùng để đo nhiệt độ trong nhà máy.
Nó cũng tương tự như mấy cái nhiệt kế thường dùng để đo nhiệt độ trong nhà.
Đơn giản là vậy thôi à!
Ngoài tên gọi này, nó còn có rất nhiều các tên gọi khác như là là nhiệt kế điện trở kim loại, nhiệt điện trở, …..

Vì sao lại gọi là pt100?

Thông thường nhiệt kế điện trở được xác định với mã của vật liệu được sử dụng để tạo nên chúng (chẳng hạn như bạch kim = Pt, niken = Ni, v.v.) theo sau là điện trở danh nghĩa của chúng ở nhiệt độ 0 ° C.
Vậy là bạn đã biết rồi đúng không, Pt100 nó chính là biểu thị rằng điện trở danh nghĩa của Platinium (vật liệu cấu tạo cảm biến) tại 0 độ C sẽ là 100 ohm (Ω).

Ngoài pt100, ta có có các loại khác như Ni100 hoặc Pt500, Ni500 hoặc pt1000.
Trong lĩnh vực công nghiệp, vật liệu được sử dụng thường xuyên nhất là bạch kim và niken, do điện trở suất cao và ổn định của chúng. Mặt khác, 2 loại này có thể sản xuất nhiệt điện có khả năng tái sản xuất cao, nhỏ và có đặc tính năng động tuyệt vời.

Cảm biến nhiệt pt100 dùng để làm gì?

Đây là loại cảm biến nhiệt độ, nên chắc chắn rằng mục đích sử dụng chính của nó chính là dùng để đo nhiệt độ.
Ngoài ra, để phân biệt dựa theo môi trường đo mà ta sẽ có các loại cảm biến nhiệt độ tương ứng như:
Cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ nước hoặc khí
hoặc các loại cảm biến pt100 đo nhiệt độ dầu máy, ….

Các loại cảm biến này thì về nguyên lý làm việc và cấu tạo, nó hoàn toàn tương tự nhau. Chỉ khác nhau về độ dài cũng như đường kính của que đo. Nên ta cần lựa chọn chính xác phần kích thước này.
Ngoài các ứng dụng thông thường, người ta còn có các loại cảm biến nhiệt độ chuyên dùng trong môi trường cháy nổ như môi trường xăng dầu, môi trường có tính ăn mòn như hóa chất, axit,…
Các loại cảm biến này thường đều phải có chuẩn chống cháy nổ để dùng trong môi trường cháy nổ.
Đối với môi trường hóa chất ăn mòn, ta phải dùng thêm ống termowell để bảo vệ.
Mình đã có một bài viết cụ thể về ống termowell, bạn có thể tham khảo thêm tại địa chỉ:

ống thermowell là gì?

Ưu điểm so với cặp nhiệt điện:

Các phép đo nhiệt độ được thực hiện với nhiệt điện trở chính xác và đáng tin cậy hơn nhiều so với các phép đo được thực hiện với các loại cảm biến khác như cặp nhiệt điện hoặc thermomistors. Đặc biệt là đối với loại cảm biến nhiệt pt100 3 dây. Bởi vì loại 3 dây có thêm 1 dây bù nhiệt, giúp tín hiệu ổn định và chính xác hơn.
Còn các loại cặp nhiệt điện thì loại này thường dùng cho các môi trường nhiệt độ cao trên 1000 độ C. Ưu điểm của loại này là khả năng đo nhiệt độ cao và nhiệt độ tăng giảm liên tục.
Bởi vì thang đo nhiệt độ của nó rất lớn, dao động từ vài trăm độ đến gần 2000 độ C. Chính vì vậy nên nó thường được dùng trong lò hơi hoặc các lò nung, lò luyện thép,….
Còn đối với thermistor (hay còn được gọi là điện trở nhiệt) thì nó chủ yếu được dùng trong các mạch điện để ngăn ngừa cháy mạch hoặc dùng đo nhiệt độ trong phòng (các loại nhiệt kế điện tử).
Có thể tham khảo thêm về cặp nhiệt điện tại địa chỉ:

Cặp nhiệt điện là gì?

Cấu tạo cảm biến:

Về mặt cấu tạo, cảm biến nhiệt pt100 bao gồm 6 thành phần chính như sau:

Trong đó, cấu tạo và chức năng của từng thành phần như sau:
(1) Phần cảm biến: đây là thành phần quan trọng nhất của cảm biến. Được cấu tạo bằng platinium.
(2) Dây kết nối: thông thường ta sẽ có loại pt100 2 dây, 3 dây, 4 dây. Vật liệu dây phụ thuộc vào điều kiện sử dụng của đầu dò.
(3) Sứ cách nhiệt: phần này sẽ ngăn chặn sự đoản mạch và cách điện các dây kết nối với vỏ bảo vệ.
(4) Chất làm đầy: bao gồm bột alumina cực mịn, được sấy khô. Tác dụng của nó là lấp đầy bất kỳ khoảng trống nào để bảo vệ cảm biến khỏi những rung động.
(5) Vỏ bảo vệ: dùng để bảo vệ các thành phần cảm biến và phần dây nối bên trong. Bởi vì đây là phần tiếp xúc trực tiếp với môi trường đo nên nó được chế tạo từ inox 304 hoặc inox 316. Trong một vài trường hợp như đo nhiệt độ hóa chất ăn mòn, người ta phải trang bị thêm ống termowell bảo vệ.
(6) Đầu kết nối: chứa phần bảng mạch (thường được làm bằng gốm). Được dùng để đấu dây cảm biến. Trong phần đầu này, bộ chuyển đổi từ tín hiệu điện trở của pt100 sang tín hiệu 4-20mA sẽ được cho vào.

Nguyên lý hoạt động:

Loại cảm biến này hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại với sự thay đổi nhiệt độ xung quanh. Ta có thể hiểu đơn giản như vầy:
Khi ta  đốt nóng phần đầu của cảm biến, điện trở của Platinium (phần lõi cấu tạo nên cảm biến) sẽ tăng theo.
Khi ta có 2 đầu của dây dẫn nối vào cảm biến. Sau khi phần cảm biến được đốt nóng, người ta đo điện trở  tại 2 điểm này và thấy nó tỉ lệ thuận với điện trở của cảm biến. Và điện trở này sẽ tăng/giảm dựa theo sự tăng/giảm của nhiệt độ của phần cảm biến platinium phía trong.

Từ điện trở giữa 2 dây; ta sẽ quy ngược ra được nhiệt độ cần đo theo bảng quy chiếu sau:

Nhưng lưu ý giúp mình, bảng này chỉ là đối với loại cảm biến pt100. Còn nếu là dạng Ni100 hoặc Pt1000 thì sẽ bị sai nha.

Cấp sai số của cảm biến nhiệt độ pt100:

Bạn đã dùng nhiều Pt100 rồi, nhưng có bao giờ bạn để ý đến cấp chính xác của pt100?
Thực tế thì khi đi mua hàng; bạn chỉ cần nói với người bán rằng bạn cần Pt100 class A hoặc class B. Hay cao lắm là class AA!
Vậy thì class A sai số là bao nhiêu?
Class B sai số là bao nhiêu?
Còn class AA thì sai số bao nhiêu?
Để tìm hiểu về cấp chính xác này của các loại cảm biến nhiệt độ; hãy tham khảo qua bảng sau:

Nếu như theo bảng trên, ta có thể thấy,  các cấp chính xác của cảm biến pt100 như sau:
Class A có cấp chính xác là ± 0,15 độ C (tức sai số của nó là ± 0,15 độ C)
Còn đối với class B, cấp chính xác là ± 0,3 độ C
Với class AA thì cấp chính xác của nó là ± 0,1 độ C.
Ngoài 3 cấp chính xác này; thật ra Pt100 nó còn 1 cấp chính xác thấp hơn đó là class C. Đối với class này, sai số của nó là ± 0,6 độ C.
Với khoảng chênh lệch chỉ là chưa tới 1 độ C; nên hiện nay pt100 được dùng rộng rãi trong các ứng dụng đo nhiệt độ trong nhà máy.
Trong đó class B là thường thấy nhất. Còn class A thì chủ yếu được dùng trong môi trường đòi hỏi độ chính xác cực cao như dầu khí, thủy điện,…

Các loại cảm biến pt100:

Để phân loại pt100 thì có khá nhiều loại tùy theo từng môi trường đo. Nhưng ở đây mình sẽ phân loại dựa vào hình dạng và ứng dụng đo cho dễ hình dung.
Đối với ứng dụng pt100:

Cảm biến nhiệt độ pt100 2 dây:

Loại cảm biến pt100 2 dây là ít chính xác nhất và chỉ được sử dụng trong trường hợp kết nối của nhiệt điện trở được sử dụng bởi dây điện trở ngắn và thấp.  Vì vậy nên ta thường rất ít gặp loại cảm biến này trên thị trường.

Tuy nhiên, khi mua hàng, cần phải xác định rõ là bạn đang cần mua loại pt100 2 dây hay là cặp nhiệt điện?
Bởi vì nếu nhìn bên ngoài, 2 loại này là hoàn toàn tương tự nhau!
Còn về bên trong, nó lại rất là khác xa nhau. Cụ thể là tín hiệu pt100 output nó sẽ là điện trở (ohm) còn cặp nhiệt điện output nó là dạng mili-voltage.

Cảm biến nhiệt độ pt100 3 dây:

Là loại cảm biến được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Lý do là vì ngoài 2 dây điện trở, nó còn có thêm 1 dây bù nhiệt.
Với kỹ thuật đo lường này, các lỗi gây ra bởi điện trở của dây dẫn được sử dụng để kết nối chống nhiệt được loại bỏ. Tại đầu ra của cầu đo, điện áp thực tế phụ thuộc hoàn toàn vào sự thay đổi điện trở của nhiệt kế điện trở và do đó chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
Chính vì vậy nên loại cảm biến pt100 3 dây được sử dụng rất nhiều hiện nay.
Điểm dễ nhận biết ra nhất chính là nó có 3 dây kết nối. Trong đó có 2 dây cùng màu (thường là màu đỏ) và 1 dây khác màu (thường là màu trắng).

Cảm biến nhiệt độ pt100 4 dây:

Là loại cảm biến pt100 có độ chính xác cao nhất. Loại này ít được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp;nó gần như độc quyền sử dụng trong các ứng dụng phòng thí nghiệm.
Cách phân biệt loại pt100 này là nó có 4 dây kết nối. Trong đó 2 dây cùng màu và 2 dây khác màu.

Cảm biến pt1000:

Khác với pt100, loại cảm biến pt1000 có điện trở danh nghĩa là 1000 ohm (Ω) tại 0 độ C. Tức là gấp 10 lần so với pt100.
Chính vì vậy nên nó có độ chính xác cực kỳ cao. Nếu chỉ xét sơ về độ sai số, nếu loại pt100 sai số là 1 độ C; thì cảm biến pt1000 sẽ có sai số chỉ là 0,1 độ C.
Trong một vài trường hợp, người ta có thể mua cảm biến pt1000 để thay thế cho cảm biến pt100. Lý do vì sao?
Đơn giản là loại pt1000 có điện trở danh nghĩa cao hơn. Vì thế nên nó ít tốn điện năng hơn và được dùng trong các ứng dụng chạy pin để làm tăng thời gian sử dụng.
Mặt khác là loại pt1000 dùng ít điện năng hơn. Nên nó sẽ không cần phải dùng dây bù nhiệt như pt100 3 dây mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết.
Và cuối cùng, Pt1000 thường được dùng nhất trong các ứng dụng đặc biệt như làm lạnh, thông gió, sưởi ấm và chế tạo ô tô…
Trên đây là phân biệt pt100 theo ứng dụng. Còn nếu xét về hình dạng, ta có thể chia cảm biến pt100 thành 2 loại chính:

Cảm biến nhiệt độ pt100 dạng dây:

Cấu tạo của loại này bao gồm 1 que dài được nối bởi 1 dây dài (thông thường chuẩn là 2m).
Loại Pt100 dạng dây này thích hợp cho những ứng dụng đo nhiệt độ ở những vị trí hẹp và nhỏ bởi vì tính di dộng của nó.

Một vài ưu điểm của loại này như:

• Kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt cũng như thay thế.
• Phù hợp để đo nhiệt độ tại những nơi có diện tích hẹp.
• Giá thành khá rẻ.

Bên cạnh đó, nó cũng có một vài nhược điểm:

• Thang đo nhiệt thường không cao, chỉ tầm khoảng 400 độ C trở lại.

Đầu dò nhiệt pt100:

Là loại cảm biến được dùng cho những ứng dụng đo nhiệt độ từ thấp đến cao. Tối đa có thể đo được tới 850 độ C.
Ưu điểm lớn nhất của cảm biến này là khả năng đo liên tục trong 1 thời gian dài mà vẫn đảm bảo độ bền và độ chính xác. Dĩ nhiên là trong tầm nhiệt độ cho phép của cảm biến.
Mặt khác thì thiết kế của nó cũng rất chắc chắn với phần vỏ được làm bằng inox 316 nên có thể dùng để đo nhiệt độ đối với nước sạch.

Thang đo của loại này cũng rất đa dạng, từ -200 độ C đến 850 độ C.
Trên đây là những chia sẻ của mình về cảm biến pt100 là gì.
Hy vọng bài viết đã cung cấp cho bạn những thông tin hữu ích.
Bài viết liên quan:

Điện trở nhiệt là gì? Cấu tạo và phân loại?

Cặp nhiệt điện là gì? Cấu tạo và Ứng dụng?