Cặp nhiệt điện: Cảm biến nhiệt đơn giản và đa năng

Thermocouple là gì?

Thermocouple là thiết bị chuyển đổi sự khác biệt về nhiệt độ thành điện áp, dựa trên nguyên lý của hiệu ứng thermoelectric. Đây là một loại cảm biến có thể đo nhiệt độ tại một điểm hoặc vị trí cụ thể. Thermocouples được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như công nghiệp, gia đình, thương mại và khoa học, vì sự đơn giản, độ bền, chi phí thấp và dải nhiệt độ rộng.

Hiệu ứng thermoelectric là gì?

Hiệu ứng thermoelectric là hiện tượng tạo ra điện áp do sự khác biệt về nhiệt độ giữa hai kim loại hoặc hợp kim kim loại khác nhau. Hiệu ứng này được phát hiện bởi nhà vật lý người Đức Thomas Seebeck vào năm 1821, ông đã quan sát thấy rằng một trường từ được tạo ra xung quanh một vòng kín của hai kim loại khác nhau khi một đầu được làm nóng và đầu kia được làm lạnh.

Hiệu ứng thermoelectric có thể được giải thích bằng sự di chuyển của các electron tự do trong kim loại. Khi một đầu được làm nóng, các electron tăng năng lượng động và di chuyển nhanh hơn về phía đầu lạnh. Điều này tạo ra một chênh lệch điện thế giữa hai đầu, có thể được đo bằng voltmeter hoặc ammeter. Mức độ điện áp phụ thuộc vào loại kim loại được sử dụng và sự khác biệt về nhiệt độ giữa hai đầu.

Thermocouple hoạt động như thế nào?

Thermocouple bao gồm hai dây làm từ các kim loại hoặc hợp kim kim loại khác nhau, nối lại với nhau ở cả hai đầu để tạo thành hai mối nối. Một mối nối gọi là mối nối nóng hoặc mối nối đo, được đặt tại vị trí cần đo nhiệt độ. Mối nối còn lại gọi là mối nối lạnh hoặc mối nối tham chiếu, được giữ ở nhiệt độ cố định và đã biết, thường là nhiệt độ phòng hoặc trong nước đá.

Khi có sự khác biệt về nhiệt độ giữa hai mối nối, một điện áp sẽ được tạo ra qua mạch thermocouple do hiệu ứng thermoelectric. Điện áp này có thể được đo bằng voltmeter hoặc ammeter kết nối với mạch. Bằng cách sử dụng bảng hiệu chỉnh hoặc công thức liên quan đến điện áp và nhiệt độ cho một loại thermocouple cụ thể, nhiệt độ của mối nối nóng có thể được tính toán.

Điagram sau đây cho thấy nguyên lý hoạt động cơ bản của thermocouple:

Video sau đây giải thích cách hoạt động của thermocouple chi tiết hơn:

Các loại thermocouple là gì?

Có nhiều loại thermocouple khác nhau, mỗi loại có các đặc tính và ứng dụng riêng. Loại thermocouple được xác định bởi sự kết hợp của các kim loại hoặc hợp kim kim loại được sử dụng cho dây. Các loại thermocouple phổ biến nhất được chỉ định bằng các chữ cái (như K, J, T, E, v.v.) theo các tiêu chuẩn quốc tế.

Bảng sau đây tóm tắt một số loại thermocouple chính và các tính chất của chúng:

| E | Nickel-chromium (90% Ni, 10% Cr) | Constantan (55% Cu, 45% Ni) | Tím (+), Đỏ (-), Tím (tổng thể) | -200°C đến +870°C (-328°F đến +1598°F) | 68 µV/°C | ±1.7°C (0.5%) | Độ chính xác cao, phạm vi vừa phải, chi phí thấp | | N | Nicrosil (84.1% Ni, 14.4% Cr, 1.4% Si, 0.1% Mg) | Nisil (95.5% Ni, 4.4% Si, 0.1% Mg) | Cam (+), Đỏ (-), Cam (tổng thể) | -200°C đến +1300°C (-328°F đến +2372°F) | 39 µV/°C | ±2.2°C (0.75%) | Mục đích chung, phạm vi rộng, ổn định | | S | Platinum-rhodium (90% Pt, 10% Rh) | Platinum (100% Pt) | Đen (+), Đỏ (-), Xanh lá (tổng thể) | 0°C đến +1600°C (+32°F đến +2912°F) | 10 µV/°C | ±1.5°C (0.25%) | Nhiệt độ cao, độ chính xác cao, đắt tiền | | R | Platinum-rhodium (87% Pt, 13% Rh) | Platinum (100% Pt) | Đen (+), Đỏ (-), Xanh lá (tổng thể) | 0°C đến +1600°C (+32°F đến +2912°F) | 10 µV/°C | ±1.5°C (0.25%) | Nhiệt độ cao, độ chính xác cao, đắt tiền | | B | Platinum-rhodium (70% Pt, 30% Rh) | Platinum-rhodium (94% Pt, 6% Rh) | Xám (+), Đỏ (-), Xám (tổng thể) | +600°C đến +1700°C (+1112°F đến +3092°F) | 9 µV/°C | ±0.5% của giá trị đọc trên +600°C (+1112°F) | Nhiệt độ rất cao, độ nhạy thấp |

Ưu điểm và nhược điểm của thermocouple là gì?

Thermocouples có nhiều ưu điểm và nhược điểm so với các cảm biến nhiệt độ khác, như RTDs (Cảm biến nhiệt độ dựa trên điện trở), thermistors, hoặc cảm biến hồng ngoại.