Cảm biến nhiệt độ bọc sứ

Xin chào tất cả các bạn nhé, trong bài viết này mình xin giới thiệu đến các bạn một vài dòng cảm biến nhiệt độ được bọc ống sứ bên ngoài. Đây là các dòng cảm biến có khả năng đo lường nhiệt độ rất cao từ 1200°C đến 1700°C. Nếu như các bạn đang có nhu cầu tìm hiểu cũng như chọn mua để sử dụng thì có thể tham khảo bài viết này của mình. Bài viết sẽ có các nội dung chính như khái niệm về cảm biến nhiệt độ bọc sứ là gì ? Cấu tạo của cảm biến ra sao ? Các phạm vi chúng ta có thể ứng dụng các loại thiết bị này ? Các thông số kỹ thuật của cảm biến ? So sánh cảm biến can sứ với cảm biến pt100 như thế nào ? So sánh các loại cảm biến can nhiệt với nhau ra sao và nhiều thông tin có liên quan khác.

Nếu các bạn đang có nhu cầu sử dụng cũng như đo lường nhiệt độ trên 1200°C thì chúng ta không thể nào sử dụng cảm biến nhiệt độ PT100, can nhiệt K hay các loại cảm biến bằng kim loại khác được. Mà thay vào đó ta sẽ sử dụng các loại cảm biến được bọc bên ngoài một ống sứ để có thể đo lường trong mức nhiệt cao hơn. Và cụ thể loại cảm biến này có những đặc điểm gì chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu nhé.

Cảm biến nhiệt độ bọc sứ là gì ?

Trước khi vào nội dung chính thì chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về dòng thiết bị này trước nhé. Cảm biến can nhiệt bọc sứ hay còn gọi là cặp nhiệt điện, cảm biến nhiệt độ bọc sứ, can nhiệt sứ, cảm biến can nhiệt S-K-B-R (tên tiếng Anh là Thermocouple Type S-K-B-R) là những thiết bị đo nhiệt độ cao trong công nghiệp. Điểm chung của các dòng cảm biến này là đều có chung cấu tạo dạng “củ hành” và phần que đo được phủ bên ngoài một ống sứ để bảo vệ khỏi các tác nhân ảnh hưởng từ nhiệt. Các dòng cảm biến can nhiệt bọc sứ đều có 2 dây ngõ ra các bạn nhé, chính vì thế nên thường được gọi là cặp nhiệt điện.

Các loại cảm biến nhiệt độ bọc sứ như can K, Can S, Can R, Can B sẽ có thể đo lường nhiệt độ trên 1200°C một cách dễ dàng. Đây là một điểm yếu mà các dòng cảm biến cấu tạo bằng kim loại không thể làm được. Mình xin giới thiệu đến các bạn dòng cảm biến can nhiệt sứ được bên mình nhập khẩu về từ hãng Asit và Noken của Italy. Đây là dòng thiết bị có nguồn gốc từ Châu Âu nên về chất lượng và tuổi thọ của sản phẩm luôn được đảm bảo. Hơn nữa thì hiện nay bên mình có thể cung cấp hàng cho khách hàng trong thời gian ngắn nhất mà không phải chờ đến 4 tuần, 5 tuần hay 6 tuần,…

Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ bọc sứ như thế nào ?

Trong phần này mình sẽ nói rõ hơn về cấu tạo của thiết bị này để các bạn có thể dễ dàng tìm hiểu nhé, cụ thể thì một cảm biến can nhiệt loại sứ như can nhiệt K, can nhiệt S, can nhiệt R, can nhiệt B sẽ có các bộ phận như sau:

• Phần head (đầu củ hành): đây là phần to nhất của cảm biến có cấu tạo bên trong dạng rỗng để chúng ta có thể đấu dây tín hiệu ngõ ra của cảm biến. Với cảm biến can nhiệt bọc sứ loại S-K-B-R thì sẽ có 2 dây tín hiệu ra từ củ hành, hơn nữa thì không gian bên trong còn có thể chứa được 1 bộ chuyển đổi tín hiệu mV sang 4-20ma dạng tròn nữa đấy.
• Phần que đo của cảm biến: phần này là phức tạp nhất vì chúng được cấu tạo từ nhiều lớp khác nhau, cụ thể tính từ trong ra ngoài như sau:
  • Lớp thứ nhất: là 2 thanh kim loại được làm bằng vật liệu khác nhau dùng để đo lường và đưa ra tín hiệu mV
  • Lớp thứ hai: bao gồm các ống sứ nhỏ tầm 2-3cm bọc bên ngoài lớp thứ nhất có nhiệm vụ giảm nhiệt
  • Lớp thứ ba: là một ống số lớn có đường kính từ 10mm giúp bảo vệ lớp thứ nhất và lớp thứ 2 khỏi nhiệt độ cao bên ngoài môi chất.

Cảm biến nhiệt độ bằng sứ được ứng dụng ở đâu trong công nghiệp ?

Như ở các phần trên mình đã có đề cập thì với các dòng cảm biến can nhiệt bằng sứ này chúng ta có thể sử dụng tốt trong các mức nhiệt rất cao từ 1200°C. Tuy nhiên thì để cụ thể hơn mình xin liệt kê một vài ứng dụng nổi bật mà phổ biến nhất của dòng cảm biến này như sau:

• Dùng cho các lò nấu kim loại
• Dùng cho các lò đốt rác
• Dùng cho các lò đốt trong sản xuất sơn
• Dùng cho các lò đốt, lò hơi công nghiệp
• Dùng cho các nhà máy nhiệt điện
• Dùng cho các nhà máy xi măng
• Dùng cho các nhà máy sơn
• …

Các đặc điểm của từng loại cảm biến nhiệt độ can sứ như thế nào ?

Chúng ta sẽ có tổng cộng 4 loại cảm biến nhiệt độ bằng sứ là can nhiệt K, can nhiệt S, can nhiệt R, can nhiệt B. Mỗi loại sẽ có cấu tạo, khoảng nhiệt đo lường, sai số,…khác nhau. Và phần này sẽ giúp các bạn hiểu sâu hơn về chúng. Cụ thể như sau:

Cảm biến can nhiệt K – Thermocouple type K:

Đây là loại cảm biến can nhiệt hay cặp nhiệt điện (Cr – Al) gồm các hợp kim có chứa niken. Dòng này sẽ phù hợp để điều chỉnh nhiệt độ cao trong môi trường oxy hóa nhưng không được sử dụng trong môi trường khí quyển. Can nhiệt sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp, đo nhiệt độ các ứng dụng có nhiệt độ hoạt động trong khoảng dưới 1200ºC. Các đặc điểm như sau:

• Cảm biến cặp nhiệt điện loại K (Niken-Crom / Niken-Alumel) là các loại cảm biến nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay vì giá thành khá hợp lý, độ bền cao, khoảng nhiệt độ vừa phải.
• Có thể tùy chọn sai số thấp nhất là : ±1,1°C hoặc 0.4%
• Nó có thể được sử dụng trong không khí liên tục oxy hoá hoặc trung hòa.• Hầu hết sử dụng ở trên 538 °C (1000 °F).
• Tiếp xúc với lưu huỳnh góp phần vào sự hư hỏng sớm.
• Hoạt động ở nồng độ oxy thấp gây ra một sự dị thường gọi là quá trình oxy hóa ưu tiên của crom trong dây dương gây ra tình trạng gọi là ‘green rot’ tạo ra các sai lệch lớn nghiêm trọng nhất trong khoảng 816 đến 1038 °C (1500 đến 1900 °F). Việc thông gió hoặc bít kín ống bảo vệ có thể ngăn ngừa hoặc giảm nhẹ tình trạng này.
• Chúng thường có dãy đo trong khoảng nhiệt -270 ÷ 1200°C.

• Sai số tiêu chuẩn của cảm biến can nhiệt K trong khoảng  ±2,2°C hoặc 0,75%.
• Chromel® gồm 90% niken và 10% crom; Alumel® là hợp kim bao gồm 95% niken, 2% mangan, 2% nhôm và 1% silic.
• Loại K là một trong những cặp nhiệt điện phổ biến nhất với độ nhạy khoảng 41 μV/ºC.
• Chromel® là dây dương, Alumel® là dây âm.
• Không tốn kém, và phạm vi của nó là từ –270 °C đến +1372 °C (–454 °F đến +2501 °F) và tương đối tuyến tính.
• Thành phần niken là từ tính, và như các kim loại từ tính khác, sẽ có độ lệch trong đầu ra khi vật liệu đạt tới điểm Curie, xảy ra ở nhiệt độ 350 °C (662 °F) đối với cặp nhiệt điện loại K. Điểm Curie là nơi vật liệu từ trải qua một sự thay đổi đáng kể trong tính chất từ của nó và gây ra sự sai lệch lớn đến tín hiệu đầu ra.
• Chu kỳ trên và dưới 1000 °C (1800 °F) không được khuyến nghị do thay đổi đầu ra từ các hiệu ứng trễ.
• Xem chi tiết cảm biến can sứ loại B theo bài viết: cảm biến can nhiệt K

Cảm biến can nhiệt S – Thermocouple type S:

Cảm biến loại S bao gồm các kim loại quý (Bạch kim và Rhodium) cho phép thu được các phép đo rất chính xác. Đặc biệt chịu được ở nhiệt độ cao từ 50ºC – 1768ºC, nó thường được sử dụng trong khí quyển oxy hóa. Nó không thực sự được khuyến khích trong việc giảm khí quyển hoặc những thứ có chứa hơi kim loại. Nó được sử dụng trong thí nghiệm và để xác định ” Thang đo Nhiệt độ theo tiêu chuẩn Quốc tế (International Temperature Scale)

• Cảm biến can nhiệt S (Bạch kim Rhodium – 10% / Bạch kim) là các loại cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ rất cao. Nó thường được tìm thấy trong các ngành công nghiệp sinh học, dược phẩm và trong các lò đốt, lò hơi. Nó đôi khi được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ thấp hơn vì độ chính xác và ổn định cao có lớp vỏ bảo vệ thường là bằng sứ.
• Dãy đo nhiệt độ dao động trong khoảng: -50 ÷ 1600°C
• Sai số của can nhiệt S là ±1,5°C hoặc ± 0,25%
• Có thể tuỳ chọn sai số thấp nhất: ±0,6°C hoặc 0,1%

Xem chi tiết cảm biến can sứ loại B theo bài viết: cảm biến can nhiệt S

Cảm biến can nhiệt R – Thermocouple type R:

• Cảm biến nhiệt độ dạng ặp nhiệt điện loại R (Platinum Rhodium -13% / Bạch kim) là loại được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ rất cao. Nó có tỷ lệ Rhodium cao hơn cảm biến can S, chính vì thế nên giá thành chúng đắt hơn. cảm biến can R rất giống với can S về hiệu suất. Nó đôi khi được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ thấp hơn vì độ chính xác và ổn định cao. Va có lớp vỏ bảo vệ luôn luôn bằng sứ.
• Dãy đo nhiệt độ dao động trong khoảng: -50 ÷ 1500°C
• Sai số của can nhiệt R là ±1,5°C hoặc ± 0,25%
• Có thể tùy chọn sai số thấp nhất là ±0,6°C hoặc 0,1%

Cảm biến can nhiệt B – Thermocouple type B:

• Cảm biến cặp nhiệt điện loại B (Platinum Rhodium – 30% / Platinum Rhodium – 6%): cặp nhiệt điện loại B được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ rất cao. Nó có giới hạn nhiệt độ cao nhất trong tất cả các cặp nhiệt điện được liệt kê ở trên. Nó duy trì mức độ chính xác và ổn định cao ở nhiệt độ rất cao. Thường thấy trong các ứng dụng lò nấu kim loại, nhiệt luyện kim loại trong các ngành công nghiệp luyện kim. Cũng có thể thấy chúng trong các máy kiểm tra độ bền nhiệt.
• Dãy đo nhiệt độ dao động trong khoảng: 0 ÷ 1700°C
• Sai số của can nhiệt B là ±0,5%
• Có thể tùy chọn sai số thấp nhất là ±0,25%

Xem chi tiết cảm biến can sứ loại B theo bài viết: cảm biến can nhiệt loại B

So sánh các khoảng nhiệt độ của toàn bộ các dòng cảm biến nhiệt độ trong công nghiệp hiện nay ra sao ?

Để có thể tóm tắt một cách ngắn gọn về khoảng đo của toàn bộ các dòng cảm biến nhiệt độ thì dưới đây mình sẽ liệt kê một cách chi tiết và ngắn gọn nhất. 

• Cảm biến can nhiệt bọc sứ loại K: dùng cho mức nhiệt trong khoảng 0-1200°C
• Cảm biến can nhiệt bọc sứ loại S: dùng cho mức nhiệt trong khoảng 0-1600°C
• Cảm biến can nhiệt bọc sứ loại R: dùng cho mức nhiệt trong khoảng 0-1600°C
• Cảm biến can nhiệt bọc sứ loại B: dùng cho mức nhiệt trong khoảng 0-1700°C
• Cảm biến can nhiệt Inox loại K: dùng cho mức nhiệt trong khoảng 0-1100°C
• Cảm biến nhiệt độ Pt100: dùng cho mức nhiệt trong khoảng 0-500°C
• Bên cạnh đó thì còn nhiều dòng cảm biến nhiệt độ khác như can E, can J, can T,…

Các thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ bọc sứ K S R B:

• Model: sản phẩm có mã là ASTCG series, ASTCH series, T2M1
• Xuất xứ: được bên mình nhập khẩu từ hãng Asit và Noken của Italy 
• Loại cảm biến: các loại can nhiệt S, can nhiệt K, can nhiệt B, can nhiệt R
• Dãy đo lớn nhất: có thể chịu được mức nhiệt trong khoang 0-1200°C, 0-1600°C, 0-1700°C
• Vật liệu cấu tạo: Ceramic 610 và Ceramic 710.
• Đường kính đầu dò: Ø17mm đối với Ceramic, còn khi làm bằng Inox là Ø21mm. 
• Chiều dài cảm biến: chúng ta có thể tùy chọn nhiều kích thước khác nhau như 100mm, 200mm, 300mm,…1200mm và có thể lên đến 2000mm.
• Ngõ ra (Output): tín hiệu mV, có thể tùy chọn 4-20mA hoặc không tùy vào nhu cầu.
• Kết nối: sử dụng ren G3/4” hay 27mm, chúng ta cũng có thể tùy chọn loại có ren hoặc không ren.
• Có thể chọn loại đơn (2 dây) hoặc loại đôi (4 dây).

Phân biệt cảm biến can nhiệt bọc sứ và cảm biến nhiệt độ pt100 như thế nào ?

Vì sao chúng ta phải phân biệt giữa cảm biến can nhiệt bọc sứ và cảm biến nhiệt độ pt100 mà không phải là một loại cảm biến can nhiệt nào khác ? Đơn giản là vì cảm biến pt100 được sử dụng nhiều nhất trong toàn bộ các loại cảm biến nhiệt độ, nên việc phân biệt sẽ giúp hỗ trợ chúng ta rất nhiều cho việc sử dụng. Nếu các bạn còn đang phân vân việc loại nào là cảm biến can nhiệt và loại nào là cảm biến pt100 và hơn hết thì chúng có gì khác nhau thì mình sẽ trình bày rõ trong phần này:

Cảm biến nhiệt độ Pt100

• Khoảng nhiệt đo lường: như ở trên mình có trình bày thì với cảm biến pt100 ta chỉ có thể đo lường trong khoảng 0-500°C và muốn đo cao hơn ta sẽ sử dụng can nhiệt S, can nhiệt K, can nhiệt B, can nhiệt R,…
• Số lượng dây tín hiệu ra: với cảm biến nhiệt độ pt100 chúng ta thường sẽ có 3 dây tín hiệu ngõ ra hoặc 6 dây tín hiệu nếu đó là dạng pt100 đôi. Còn với các dòng cảm biến can nhiệt thì sẽ có mặc định là 2 dây tín hiệu.
• Vật liệu cấu thành cảm biến: với cảm biến pt100 thì luôn được cấu thành từ inox, còn với cảm biến can nhiệt thì sẽ được cấu thành từ inox hoặc sứ tùy vào loại can nhiệt. Với các dòng can nhiệt dưới 1100°C thì sẽ được cấu tạo từ Inox và trên mức đó thì phải được bọc một ống sứ bên ngoài để đảm bảo an toàn.
• Giá thành của cảm biến: các dòng cảm biến đo mức dạng pt100 sẽ luôn có giá thành thấp hơn các dòng cảm biến can nhiệt. Giá sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khoảng nhiệt cần đo, vật liệu cảm biến, kích thước (chiều dài và đường kính que đo), hãng sản xuất,…
• Mức độ phổ biến: phần này thì chắc có lẽ ai cũng biết rồi đúng không nào, với lợi thế khoảng nhiệt dưới 500°C thì cảm biến pt100 sẽ được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp hiện nay. Còn với đặc thù các khoảng nhiệt cao thì các dòng cảm biến can nhiệt chỉ được sử dụng trong một vài lĩnh vực nhất định nào đó thôi các bạn nhé.

Bộ hiển thị và điều khiển nhiệt độ:

Nếu các bạn sử dụng cảm biến nhiệt độ nói chung và cảm biến can nhiệt bọc sứ loại K, S, T, E, J, R,…nói riêng thì sẽ cần dùng đến một màn hình hiển thị rời đúng không nào ? Và nếu chúng ta thêm các tín hiệu như chuyển đổi tín hiệu, cách ly tín hiệu, điều khiển relay on/off thì quả là một điều tuyệt vời. Hơn nữa thì với các môi trường đo nhiệt độ cao thì không dễ gì để chúng ta có thể giám sát giá trị nhiệt độ, chính vì thế việc lắp một màn hình rời ở nơi dễ quan sát là kéo tín hiệu từ cảm biến về là một quyết định sáng suốt.

Mình xin giới thiệu đến các bạn dòng màn hình hiển thị giá trị nhiệt độ có model là OM402UNI được bên mình nhập khẩu về từ hãng Orbit Merret của Cộng Hòa Séc. Sản phẩm có thể hiển thị số và kí tự thông qua 6 LED, có thể tùy chỉnh số thập phân và các kí hiệu đơn vị như độ C, độ K, độ F,…Ngoài ra thì thiết bị này còn có thể xuất ra nhiều dạng tín hiệu khác nhau như analog 4-20ma, 0-20ma, 0-5v, 0-10v, relay on/off và đặc biệt hơn nữa là chúng ta có thể tùy chọn option có ngõ ra dạng truyền thông Modbus RTU nữa đấy. Các bạn tham khảo một vài thông số dưới đây nhé.

Thông số của bộ hiển thị và điều khiển nhiệt độ:

Ngõ vào (Input):

• Có thể đọc được khá nhiều loại tín hiệu như: tín hiệu pt100, cảm biến can nhiệt K, cảm biến can nhiệt S, cảm biến can nhiệt B, vv…
• Thiết bị còn đọc được các tín hiệu ít phổ biến trên thị trường như pt1000, pt500, cu50, vv…
• Có thể đọc các tín hiệu analog như: 4-20mA , 0-10v , 0-5V, 2-10V, 0-20mA, -2..2v, -10..10v, -40..40v
• Ngoài ra còn có thể nhận các tín hiệu đặc biệt như:  -60÷60mV, -150÷150mV, -300÷300mV, -1200÷1200 mV các tín hiệu phát ra từ các cảm biến đo độ PH.
• Hơn nữa, model còn nhận được các tín hiệu điện trở:  0÷100Ω, 0÷1kΩ, 0÷10kΩ, 0÷100kΩ có thể cài đặt lại các giá trị điện trở và biến trở bất kỳ theo ý muốn.

Ngõ ra (Output):

• Có các tín hiệu analog như: 0-2V, 0-5V, 0-10 V, ±10V,  0-5 mA, 0-20 mA, 4-20mA.
• Có thể được điều chỉnh ở dạng reply (ON/OFF) hay (NO/NC).
• Có các ngõ ra truyền thông modbus RS485, RS232 và Profibus.

Các thông số khác:

• Sai số: ± 0,1% trong quá trình hiển thị
• Có thể cài đặt nhiệt độ trong khoảng -9999÷9999°C
• Màn hình hiển thị: có độ phân giải 0,01C.
• Nguồn cấp: 80-250VAC hay 10-30VDC.
• Hệ số cách ly, chống nhiễu: 4000VAC.
• Thời gian bảo hành: 12 tháng, 1 đổi 1

Bộ chuyển tín hiệu mV sang 4-20ma:

Hầu hết các dạng tín hiệu ngõ ra của cảm biến can nhiệt là mV, và nếu các bạn chỉ có nhu cầu chuyển tín hiệu này sang analog 4-20ma và không có nhu cầu hiển thị thì như thế nào ? Lúc này ta có thể sử dụng đến bộ chuyển đổi tín hiệu can nhiệt K S R B E T N sang 4-20ma dạng gắn tủ điện Din Rail. Sở dĩ gọi là gắn tủ điện vì đây là một thiết bị có các chấu gài giúp chúng ta kết nới với các thanh ray trên tủ điện công nghiệp một cách dễ dàng. Chúng ta sẽ đấu dây từ cảm biến nhiệt độ bọc sứ đến bộ chuyển đổi và từ bộ chuyển đổi xuất ra tín hiệu analog 4-20ma để đưa về thiết bị xử lý.

Mình xin giới thiệu đến các bạn dòng chuyển đổi tín hiệu can nhiệt K S R B E T N sang 4-20ma có model là OMX333UNI đến từ hãng Orbit Merret của Cộng Hòa Séc, đây là dòng chuyển đổi tín hiệu giá rẻ đến từ Châu Âu. Thiết bị này có khả năng chuyển các dạng tín hiệu mV về 4-20ma một cách dễ dàng. Các bạn tham khảo một vài thông số kỹ thuật dưới đây nhé.

Thông số của bộ chuyển đổi tín hiệu:

• Model: sản phẩm có mã là OMX333UNI
• Xuất xứ: được nhập khẩu trực tiếp từ hãng Orbit Merret – Cộng Hoà Séc
• Ngõ vào (Input): các tín hiệu cảm biến Can nhiệt S, Can nhiệt K, Can nhiệt B, Can nhiệt E, Can nhiệt J,…Ngoài ra, còn có khả năng liên kết với các cảm biến pt100, cảm biến Cu,…
• Ngõ ra (Output): các tín hiệu analog 4-20mA, 0-5vdc, 0-10vdc, 0-20vdc, 1-5vdc,…
• Nguồn cấp: 10÷30VDC
• Hệ số cách ly chống nhiễu: 2500VAC.
• Sai số: chỉ 0,1% trong quá trình chuyển đổi
• Thời gian phản hồi: 2ms khá nhanh chóng
• Kiểu lắp đặt: lắp trên Din rail tủ điện.
• Thời gian bảo hành: 12 tháng 1 đổi 1 nếu có lỗi từ nhà sản xuất.
• Thiết bị đạt chuẩn Châu Âu về chất lượng cũng như tuổi thọ.