Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của bất kỳ thiết bị điện và điện tử nào. Có nhiều loại cảm biến được sử dụng để theo dõi nhiệt độ như nhiệt điện trở , cặp nhiệt điện , RTD (máy dò nhiệt điện trở), v.v. Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về RTD.

Như chúng ta đã biết, điện trở của các dây dẫn thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. RTD sử dụng đặc tính này để chuyển đổi nhiệt độ thành điện trở tỷ lệ có thể đo được dễ dàng.

RTD “Máy dò nhiệt độ điện trở” là gì?

RTD hay máy dò nhiệt độ điện trở là một cảm biến điện được sử dụng để đo nhiệt độ của môi trường bằng cách đo sự thay đổi điện trở của một dây kim loại.

Dây kim loại được gọi là cảm biến nhiệt độ có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Điện trở được đo bằng bất kỳ thiết bị nào khác để chuyển đổi thành nhiệt độ. Nó có độ chính xác cao và đặc tính tuyến tính so với các cảm biến nhiệt độ khác.

Nguyên lý hoạt động của máy dò nhiệt độ điện trở

Thiết bị RTD hoạt động theo nguyên lý điện trở của một dây dẫn thay đổi do nhiệt độ thay đổi. Như chúng ta đã biết điện trở của một dây dẫn có chiều dài “l” và diện tích “a” được cho bởi;

R = ρ l  / a

Ở đâu

• R = Điện trở của dây
• ρ = Điện trở suất của vật liệu
• l = chiều dài của dây
• a = diện tích mặt cắt ngang của dây

ρ là điện trở suất của vật liệu được đo bằng ohm-cm. Nó phụ thuộc vào loại vật liệu cũng như nhiệt độ của nó. Vì chiều dài và diện tích của dây không đổi trong suốt quá trình hoạt động của RTD, nên điện trở chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Do đó, điện trở của kim loại ở nhiệt độ nhất định 't' được biểu thị bằng

Rt = Ro (1 + αt)

Ở đâu

• Rt = Điện trở ở nhiệt độ t
• Ro = Điện trở ở nhiệt độ tham chiếu
• α = hệ số nhiệt độ

Giá trị điện trở phụ thuộc vào α, hệ số nhiệt độ. Nó khác nhau đối với các kim loại khác nhau. Do đó, các kim loại như vậy phù hợp nhất với phần tử RTD có giá trị α cao nhất.

Xây dựng RTD

RTD hoặc đầu dò nhiệt độ điện trở được tạo ra bằng cách quấn vật liệu điện trở quanh đế mica. Vật liệu được sử dụng được kéo thành một sợi dây mỏng để tạo thành các thành phần của RTD. Dây được quấn theo hình xoắn ốc và cả hai đầu của nó được đưa ra ở cùng một phía. Thành phần được bảo vệ bằng vỏ hoặc vỏ thép không gỉ. Có một lớp cách điện giữa thành phần và vỏ ngoài.

Phần tử được thiết kế theo hình xoắn ốc để giảm tác động do lực căng tác động lên nó. Như chúng ta đã biết, điện trở của dây phụ thuộc vào nhiệt độ cũng như chiều dài của dây. Do giãn nở vì nhiệt, chiều dài dây tăng theo nhiệt độ, điều này cũng ảnh hưởng đến điện trở của các phần tử. Điều này gây ra lỗi trong quá trình đọc vì chúng ta chỉ muốn nhiệt độ làm thay đổi điện trở chứ không phải ứng suất vật lý trên dây. Do đó, phần tử được thiết kế theo hình xoắn ốc.

Vỏ bảo vệ bên ngoài được làm bằng Inconel, một hợp kim làm từ niken, sắt và crom. Nó có đặc tính chống ăn mòn tuyệt vời để bảo vệ thành phần bên trong khỏi môi trường khắc nghiệt. Nó là chất dẫn nhiệt tuyệt vời, nhanh chóng đạt đến nhiệt độ xung quanh và truyền đến thành phần.

Các loại RTD dựa trên Xây dựng

RTD màng mỏng

Phần tử RTD màng mỏng được tạo ra bằng cách phủ một lớp mỏng vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ như niken, bạch kim và đồng lên lớp nền cách điện. Vật liệu được chạm khắc theo mẫu để đáp ứng nhiệt độ yêu cầu. Các đầu nối sau đó được gắn vào phần tử và một lớp vỏ bảo vệ bao phủ phần tử để bảo vệ nó.

RTD quấn dây

Phần tử của RTD quấn dây được làm bằng cuộn xoắn ốc. Đây là loại thiết kế được sử dụng phổ biến nhất. Phần tử quấn dây có thể được chế tạo theo hai loại.

• Kiểu thiết kế phổ biến nhất là phần tử quấn được đóng gói bên trong lớp cách điện cũng như lớp vỏ bảo vệ. Vật liệu cách điện là gốm được sử dụng.
• Loại còn lại có phần tử được quấn quanh lõi cách điện với vật liệu cách điện bổ sung được sử dụng để bao phủ phần tử. Cấu trúc này được sử dụng cho các ứng dụng mục đích đặc biệt.

Cấu hình dây

RTD phải được kết nối với một số loại mạch hoặc thiết bị đo điện trở để đo nhiệt độ. Vì giá trị đọc nhiệt độ phụ thuộc vào điện trở của phần tử, bất kỳ điện trở không mong muốn nào như điện trở chì & kết nối đều được thêm vào giá trị đọc để gây ra lỗi. Để bù cho lỗi này, các loại cấu hình dây khác nhau đang được sử dụng như 2 dây, 3 dây, 4 dây & 2 dây có vòng bù.

2 dây

Trong hệ thống cấu hình 2 dây, một dây dẫn đơn được kết nối với cả hai đầu của phần tử RTD. Các dây dẫn được sử dụng để kết nối phần tử RTD với thiết bị đo. Vì thiết bị đo tổng điện trở của mạch cũng bao gồm điện trở của cả hai dây dẫn 1 và 2, nên giá trị đọc nhiệt độ bao gồm các lỗi do nó. Giá trị đọc sẽ luôn cao hơn nhiệt độ thực tế.

Đây là cấu hình đơn giản nhất đang được sử dụng. Do những bất lợi nêu trên, nó được sử dụng trong các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao. Để loại bỏ điện trở chì, các cấu hình sau được sử dụng.

3 dây

Cấu hình 3 dây bao gồm tổng cộng 3 dây dẫn được kết nối giữa phần tử RTD và thiết bị đo. Hai dây dẫn được sử dụng để kết nối một bên của phần tử RTD với thiết bị đo trong khi một dây dẫn duy nhất được sử dụng để kết nối bên kia. Dây thứ ba giúp bù trừ lỗi do điện trở dây dẫn. Đây là cấu hình RTD được sử dụng phổ biến nhất trong thương mại do khả năng đọc nhanh và chính xác.

Chiều dài của 3 dây dẫn và loại vật liệu được sử dụng được giữ nguyên. Dây dẫn 1 và 2 được sử dụng để đo tổng điện trở tức là điện trở của phần tử RTD và dây dẫn 1 và 2. Trong khi dây dẫn 1 và 3 được sử dụng để đo điện trở của chỉ các dây dẫn. Do đó, điện trở của dây dẫn được trừ khỏi tổng điện trở để có các phép đo nhiệt độ chính xác hơn. Nhưng các phép đo chỉ có thể chính xác nếu cả ba dây dẫn đều có điện trở bằng nhau. Nếu không, có thể có một số lỗi. Để loại bỏ thêm lỗi này xuống còn 0; cấu hình 4 dây được sử dụng.

4 dây

Cấu hình RTD 4 dây có hai dây dẫn được kết nối ở mỗi bên của phần tử RTD, do đó tạo ra tổng cộng 4 kết nối dây dẫn. Nó có các phép đo nhiệt độ chính xác nhất nhưng việc lắp đặt tốn kém và thời gian phản hồi khá chậm. Chúng được sử dụng trong phòng thí nghiệm, nơi độ chính xác là vô cùng quan trọng.

Dây dẫn được sử dụng để được đánh dấu là 1, 2, 3 và 4 như thể hiện trong hình. Thiết bị đo kết nối tất cả bốn dây dẫn. Dây dẫn bên ngoài 1 và 2 được sử dụng để truyền dòng điện không đổi qua phần tử RTD trong khi dây dẫn bên trong 2 và 3 được sử dụng để đo điện áp trên phần tử. Các số đọc điện áp được sử dụng để tính toán điện trở của phần tử bằng định luật Ohm V = IR. Cấu hình 2 dây với vòng bù

• Trong cấu hình này, có một vòng kín bổ sung của dây dẫn được gọi là vòng bù. Vòng riêng biệt này được sử dụng để đo điện trở của dây dẫn. Do đó, vật liệu và chiều dài của vòng giống như của hai dây dẫn khác. Nhưng phương pháp này hiếm khi được sử dụng.

Các loại vật liệu được sử dụng trong xây dựng RTD

Phần tử RTD bao gồm một kim loại nguyên chất có điện trở tỷ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ, tức là điện trở của chúng tăng khi nhiệt độ tăng và ngược lại. Điện trở được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp biểu thị giá trị nhiệt độ tỷ lệ thuận.

Hầu như mọi dây dẫn đều cho thấy sự thay đổi về điện trở khi nhiệt độ thay đổi. Tuy nhiên, chúng không đáng kể vì hệ số nhiệt độ thấp. Nhưng có một số kim loại nhất định cho thấy các đặc tính mang lại hiệu suất và đặc tính tuyến tính tốt nhất. Chúng phải sở hữu các đặc điểm sau để được sử dụng làm phần tử RTD.

• Nó phải có hệ số nhiệt độ cao để cung cấp sự thay đổi điện trở lớn trên mỗi độ nhiệt độ.
• Phải có mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt độ và điện trở.
• Nó phải có khả năng lặp lại, nghĩa là điện trở của nó không được thay đổi ở cùng một nhiệt độ trong một khoảng thời gian.
• Nó phải bền.
• Nó phải có khả năng chịu được nhiệt độ đang được đo.

Phần tử RTD thường được làm bằng kim loại có hệ số nhiệt độ dương như platin, niken, đồng hoặc hợp kim niken. Những vật liệu này cho thấy tính ổn định cũng như hệ số nhiệt độ cao.

Đồng

Đồng thể hiện đặc tính tuyến tính với hệ số nhiệt độ tương đối cao tức là thay đổi điện trở cao trên mỗi độ nhiệt độ. Tuy nhiên, phạm vi nhiệt độ hoạt động của chúng thấp với độ chính xác thấp. Nó rẻ hơn các nguyên tố khác, do đó, nó được sử dụng trong các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao và phạm vi nhiệt độ cao như trong cuộn dây động cơ, v.v.

Niken

Niken cho thấy hệ số nhiệt độ cao nhất trong tất cả các thành phần RTD. Tuy nhiên, mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở ít tuyến tính hơn. Nó dẫn đến độ chính xác thấp hơn. Phạm vi nhiệt độ của nó rộng hơn đồng nhưng thấp hơn bạch kim. Vì nó có độ chính xác thấp hơn, nên nó được sử dụng do giá rẻ hơn so với bạch kim.

Bạch kim

Bạch kim cho thấy đặc tính tuyến tính nhất trong cả ba. Nó cung cấp hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng với độ chính xác và khả năng lặp lại cao. Nó có hệ số nhiệt độ cao nhưng đắt hơn so với các thành phần RTD khác. Các thành phần RTD bạch kim được sử dụng phổ biến hơn trong các ứng dụng công nghiệp.

Ưu điểm và nhược điểm của RTD

Thuận lợi

Dưới đây là một số ưu điểm của RTD

• Nó có thể hoạt động ở nhiều mức nhiệt độ khác nhau.
• Kết quả đo của nó rất nhất quán và có khả năng lặp lại cao ở nhiệt độ cao.
• Chúng có khả năng chống ăn mòn và phù hợp nhất với môi trường khắc nghiệt.
• Nó có đặc điểm tuyến tính hơn.
• Nó có độ chính xác tuyệt vời trong phạm vi nhiệt độ rộng.
• Nó ổn định và có tuổi thọ dài hơn khi đo ở nhiệt độ cao.
• RTD được chế tạo, lắp đặt và thay thế dễ dàng.
• Nó có thể đo nhiệt độ chênh lệch.
• Chúng thích hợp để giám sát những khu vực xa xôi.

Nhược điểm

Sau đây là một số nhược điểm của RTD

• Cần có nguồn điện.
• Độ chính xác của nó phụ thuộc vào tình trạng của pin.

• Nhiệt sinh ra do mất I2R trong thành phần, còn được gọi là tự gia nhiệt, gây ra lỗi trong phép đo, do đó ảnh hưởng đến độ chính xác.
• Nó có kích thước lớn, do đó không thể cảm nhận nhiệt độ tại những điểm nhỏ.
• Nó bị ảnh hưởng bởi chấn động và rung động vật lý.
• Nó có phạm vi hoạt động ở nhiệt độ hạn chế hơn so với cặp nhiệt điện.
• Nó có chi phí ban đầu cao hơn so với cặp nhiệt điện.
• Nó có mạch hoạt động phức tạp hoặc bộ phận xử lý tín hiệu.
• Cần có mạch điện bên ngoài để hoạt động như mạch cầu có nguồn điện.
• Độ nhạy thấp và thời gian phản hồi chậm hơn.

Ứng dụng của RTD

RTD thường được sử dụng để theo dõi liên tục nhiệt độ trong nhiều ứng dụng khác nhau. Một số ứng dụng này được đưa ra dưới đây.

• Nó được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ.
• Nó được sử dụng ở những vùng xa xôi, nơi khó tiếp cận.
• Được sử dụng để đo nhiệt độ của động cơ và lượng khí nạp vào ô tô.
• Trong các quy trình công nghiệp khác nhau như chế biến và sản xuất thực phẩm, nó được sử dụng để theo dõi nhiệt độ.
• Trong các thiết bị điện tử công suất khác nhau, thiết bị điện tử y tế và quân sự sử dụng RTD.
• Nó cũng được sử dụng trong nhiều phương tiện truyền thông và thiết bị đo nhiệt độ.

‍