Cảm biến nhiệt độ RTD hay còn gọi là cảm biến nhiệt độ Pt100, nhiệt điện trở, cảm biến nhiệt độ PT1000, cảm biến nhiệt độ NTC 10K, cảm biến nhiệt độ NTC1 20K là dòng cảm biến được sử dụng vô cùng phổ biến và rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp với mục đích đo lường, theo dõi và kiểm soát giá trị nhiệt độ trong nhà máy, hệ thống, máy móc.

Đầu dò nhiệt độ RTD hoạt động bằng cách đặt phần tử cảm biến (hoặc đầu quá trình) vào thiết bị hoặc quá trình yêu cầu đo nhiệt độ. Khi nhiệt độ của nhiệt kế điện trở platin tăng thì điện trở của nó đối với dòng điện tăng. Đối với mỗi mức tăng của nhiệt độ, điện trở cũng thay đổi theo một tỷ lệ đã đặt, đây được gọi là hệ số nhiệt độ. Đối với bạch kim, tỷ lệ này là 0,00385 ohm/ohm/°C, nghĩa là đối với Pt100 có điện trở 100 ohm, mức tăng điện trở trên mỗi độ nhiệt độ sẽ là 0,385 ohm. Do đó, tổng giá trị điện trở có thể được đo và chuyển đổi thành nhiệt độ.

Cảm biến đo nhiệt độ RTD là dòng cảm biến đo nhiệt độ được sử dụng nhiều nhất trong các dòng cảm biến nhiệt độ, được sử dụng để đo lường nhiệt độ trong khoảng -200…600°C, gồm nhiều loại khác nhau như cảm biến nhiệt độ Pt100, cảm biến nhiệt độ Pt500, cảm biến nhiệt độ Pt1000, cảm biến nhiệt độ  Ni100, cảm biến nhiệt độ Ni500.

1. Cảm biến nhiệt độ RTD là gì?

Cảm biến nhiệt độ RTD hay còn được gọi bằng nhiều tên gọi khác nhau như cảm biến RTD, cảm biến Pt100, RTD đo nhiệt độ, sensor nhiệt độ RTD, đầu dò nhiệt RTD, đầu dò nhiệt Pt100 có tên tiếng anh là Resistance Temperature Detectors – là một loại cảm biến được sử dụng để theo dõi, đo lường & kiểm soát nhiệt độ vận hành của nhà máy, hệ thống, thiết bị  thông qua nguyên tắc điện trở, có thiết kế là một thanh kim loại hay dây kim loại mà điện trở của nó phụ thuộc theo sự thay đổi của nhiệt độ cần đo.

Tùy thuộc vào cấu tạo mà RTD được chia thành nhiều loại khác nhau, bao gồm Pt100, Pt500, Pt1000, Ni100, Ni500, trong đó Pt100 là loại được sử dụng nhiều nhất, chiếm tới 90% nhu cầu sử dụng trong các ngành công nghiệp. Cũng chính vì lý do này mà cảm biến RTD còn được gọi với cái tên là cảm biến Pt100.

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ RTD

Cảm biến nhiệt độ Pt100 được cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở 0ºC là 100 Ohm. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa 2 đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong 1 khoảng nhiệt độ nhất định. Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định. Giá trị điện trở thay đổi tỉ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ.

Phân loại cảm biến Pt100

Cảm biến nhiệt độ Pt100 2 dây (2-wires): Đây là loại có cảm biến có sai số cao nhất do ảnh hương của điện trở trên 2 dây, và cũng chính vì thế nên loại này thường ít khi được sử dụng. Loại này thường có giá thành thấp nhất trong ba loại cảm biến nhiệt độ Pt100.

Cảm biến nhiệt độ Pt100 3 dây (3-wires): Đây là loại Pt100 được sử dụng phổ biến nhất do chúng có độ chính xác tương đối cao, đáp ứng hầu hết các ứng dụng đo lường cơ bản. Hai dây chung triệt tiêu điện trở cho nhau & dây còn lại đóng vai trò dây biến đổi giá trị điện trở khi nhiệt độ thay đổi.

Cảm biến nhiệt độ Pt100 4 dây (4-wires): được xem là loại cảm biến nhiệt độ chính xác nhất trong họ đầu dò nhiệt độ Pt100 nhưng giá thành cũng cao nhất nên chỉ phục vụ cho một số yêu cầu cần độ sai số thấp như trong phòng thí nghiệm, trung tâm kiểm định, hiệu chuẩn.

Cảm biến nhiệt độ RTD có phần đầu dò được cấu tạo từ vật liệu Platium (dòng Pt100, Pt500, Pt1000) hoặc Niken (dòng Ni100, Ni500, Ni1000). Trong đó, vật liệu Platium được sử dụng nhiều hơn vì độ tinh khiết của Platium khá cao lên đến 99%, mang lại độ chính xác cực cao nên nó được dùng phổ biến trong các ngành công nghiệp. Ngược lại các dòng đầu dò RTD được làm vật liệu niken thường có dải đo thấp hơn, cấp chính xác, độ ổn định và độ bền thấp hơn nên thường ít được sử dụng, chúng thường chỉ có lợi thế là ít chịu ảnh hưởng của khoảng cách đo.

Nếu xét về hình dáng bên ngoài thì cảm biến RTD sẽ có 02 dạng RTD cơ bản là RTD dạng củ hành (là dạng có phần đầu bảo vệ cầu đấu nối ở phía trên) và RTD dạng dây. Tuy nhiên, về cơ bản chúng đều giống nhau về cấu tạo, đều bao gồm một số bộ phận chính sau đây:

Đầu kết nối (Connection head): Thường được làm từ nhôm aluminium, thép không gỉ stainless steel hoặc gang dẻo cast iron, có tác dụng bảo vệ cầu đấu nối, dây tín hiệu nằm bên trong. Thông thường những loại RTD dạng dây sẽ không có đầu kết nối này.

Kết nối cơ khí (Process connection): Là phần kết nối giúp cố định đầu dò nhiệt độ RTD vào thiết bị/hệ thống. Có hai dạng kết nối phổ biến là kết nối ren hoặc kết nối mặt bích.

Đầu dò cảm biến (Sensing element): Là phần chứa kim loại (Platium hoặc Niken), có chức năng cảm nhận trực tiếp giá trị nhiệt độ thông qua sự thay đổi điện trở để truyền tín hiệu về thiết bị hiển thị hoặc điều khiển.

4. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ RTD

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ RTD khá đơn giản tức là khi đầu dò của cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, nhiệt độ tại đầu dò thay đổi khiến điện trở xuất ra tại phần còn lại của cảm biến thay đổi, khi đó với mỗi giá trị nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra một giá trị của điện trở, giá trị điện trở luôn tỷ lệ thuận với giá trị nhiệt độ mà cảm biến đo được.

5. So sánh cảm biến nhiệt độ RTD & Can nhiệt thermocouple

Để so sánh sự khác nhau giữa hai dòng cảm biến nhiệt độ RTD và cặp nhiệt điện (Thermocouple) nếu nhìn qua hình dáng bên ngoài, rất khó để phân biệt hai loại cảm biến nhiệt độ này vì chúng thường có hình dạng giống nhau. Vậy đâu là sự khác nhau giữa hai cảm biến này?

Về cơ bản, cả hai loại đều có cùng một mục đích sử dụng là dùng để đo nhiệt độ. Tuy nhiên về cấu tạo và nguyên lý hoạt động thì có sự khác nhau như sau:

Cảm biến RTD có cấu tạo từ hai dây hoặc thanh kim loại làm từ vật liệu Platium hoặc Niken, chúng hoạt động theo nguyên lý điện trở. Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở giữa 2 đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong 1 khoảng nhiệt độ nhất định. RTD được sử dụng để đo lường trong khoảng nhiệt độ -200…600°C.

Can nhiệt (thermocouple) có cấu tạo gồm 2 dây kim loại khác nhau, được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng (hay đầu đo), đầu còn lại gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại can nhiệt, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. Can nhiệt được sử dụng để đo lường nhiệt độ trong khoảng -100°C đến 1600°C.

Ưu và nhược điểm của cảm biến nhiệt độ RTD

Mặc dù RTD là dòng cảm biến nhiệt độ được sử dụng rộng rãi & phổ biến nhất trong các ngành công nghiệp, chúng vẫn có những ưu & nhược điểm nhất định sau đây:

Ưu điểm

Dải đo của RTD phổ thông, trung bình từ -200°C đến 850°C, phù hợp với nhiều ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp.

Cảm biến RTD mang lại độ ổn định, độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện (thermocouple).

Giá thành tương đối hợp lý, thấp hơn cặp nhiệt điện (thermocouple).

RTD có thiết kế rất đa dạng về chiều dài, loại dây, loại cây và kiểu kết nối nên rất linh hoạt trong việc lắp đặt trong nhà máy.

Được sử dụng phổ biến, cấu tạo, nguyên lý hoạt động đơn giản nên cũng dễ dàng trong việc sửa chữa hoặc thay thế.

Nhược điểm

Dải đo tối đa của RTD nằm trong khoảng từ -200°C đến 850°C, đối với dải đo cao hơn, bắt buộc phải sử dụng cảm biến nhiệt độ khác như can nhiệt (thermocouple).

Khả năng phản ứng nhiệt của đầu dò nhiệt độ RTD thường chậm hơn so với can nhiệt (thermocouple).

Cảm biến nhiệt độ RTD chống cháy nổ

Cảm biến nhiệt độ PT100 chống cháy nổ là dòng cảm biến nhiệt độ dùng cho khu vực yêu cầu an toàn cao như hầm lò, mỏ than, khu vực trạm khí, trạm gas, kho sơn..

5. Lưu ý khi chọn mua cảm biến RTD

Cảm biến nhiệt độ TRD có cấu tạo và nguyên lý hoạt động tương đối đơn giản, nhưng vẫn xảy ra nhiều trường hợp khách hàng lựa chọn chưa đúng loại RTD phù hợp với ứng dụng và mục đích sử dụng, gây ảnh hưởng tới quá trình vận hành trong nhà máy. Dải đo là yếu tố quan tâm hàng đầu khi lựa chọn đầu dò nhiệt độ RTD. Người dùng cần xác định được giá trị đo lường tối thiểu & tối đa để lựa chọn của RTD cho phù hợp. Một điểm cần lưu ý là mặc dù tiêu chuẩn thiết kế dải nhiệt độ chung của Pt100 là từ -200°C đến 600°C.

Loại đầu dò thường có hai dạng là dạng dây và dạng đầu bảo vệ (còn gọi là đầu củ hành), người dùng cần xác định khi lựa chọn cho phù hợp. RTD dạng dây thường có nhiệt độ thiết kế thấp hơn dạng củ hành. Kết nối cơ khí là phần kết nối trực tiếp với hệ thống hoặc thiết bị, và thường được thiết kế ở hai dạng là kết nối ren (thread connection) & kết nối mặt bích (flange connection). Người dùng cần kiểm tra kỹ kết nối hoặc thiết kế hiện hữu để lựa chọn kích thước, chủng loại và tiêu chuẩn của ren và mặt bích cho phù hợp, bởi trong mỗi loại kết nối lại được chia làm nhiều tiêu chuẩn khác nhau.

Chiều dài đầu dò cảm biến là khoảng chiều dài phần que đo của cảm biến, người dùng cần xác định chính xác, đảm bảo phù hợp cho quá trình lắp đặt. Phần que đo này không thể cắt bỏ nên tương đối quan trọng, việc lựa chọn que đo quá dài dẫn tới tình trạng không thể lắp đặt hoặc không tiếp xúc được với môi chất cần đo nếu que đo quá ngắn. Một số chiều dài que đo phổ biến như 100mm, 150mm, 200mm, 250mm, 300mm, 400mm, 500mm, 1000mm.

Đường kính que đo có kích thước phổ thông như Ø6mm, Ø8mm, Ø10mm, Ø12mm, Ø1/4”, Ø1/2”

Vật liệu đầu dò là vật liệu của ống bảo vệ, nơi mà chứa kim loại Platium hoặc niken bên trong và tiếp xúc trực tiếp với môi chất cần đo. Các loại vật liệu phổ thông thường được làm bằng SS304 hoặc SS316, SS316L ảnh hưởng trực tiếp tới giá thành sản phần nên người dùng cần xác định để tối ưu hóa chi phí.

Vật liệu đầu bảo vệ chỉ áp dụng cho loại cảm biến RTD đầu củ hành, là phần bảo vệ cơ khí các terminal đấu nối nằm bên trên đầu của cảm biến. Các loại vật liệu phổ biến là thép không gỉ (SS304 hoặc SS316), nhôm (aluminum) hoặc gang dẻo (cast iron), chúng cũng ảnh hưởng trực tiếp tới giá thành sản phẩm nên người dùng cần cân nhắc khi lựa chọn.

Số lượng dây kết nối được chia làm ba loại, ảnh hưởng trực tiếp tới độ chính xác & giá thành sản phẩm: 02 dây, 03 dây, 04 dây, trong đó loại 03 dây được sử dụng nhiều nhất.

Cấp chính xác (Accuracy): Tương ứng với số lượng dây kết nối, loại cảm biến nhiệt độ 2 dây có sai số lớn nhất và loại cảm biến nhiệt độ 4 dây có sai số thấp nhất. Tiêu chuẩn sai số của RTD thường được chia thành Class AA, Class A và Class B, trong đó:

Class A: Mức sai số là 0.15°C

Class B: Mức sai số là 0.3°C

Thông thường, Class A, B được sử dụng phổ biến nhất vì đối với các ứng dụng công nghiệp thông thường, mức sai số nhiệt độ cho phép là +/-1°C. Một lý do khác là Class B có giá thành thấp hơn Class A tương đối nhiều mà vẫn đảm bảo sai số cho phép.

Tín hiệu ngõ ra thường các nhà sản xuất có tích hợp thêm transmitter với tùy chọn tín hiệu analog 4-20mA, 0-10V phù hợp với nhu cầu rộng rãi hiện nay, người dùng cũng cần lưu tâm khi lựa chọn.

Sensors Việt Nam là một trong những nhà phân phối cảm biến RTD hàng đầu trong lĩnh vực cung cấp, lắp đặt các thiết bị đo áp suất, nhiệt độ, trong đó có đầu dò nhiệt độ RTD. Với nhiều năm kinh nghiệm trong ngành, chúng tôi hiện là nhà phân phối ủy quyền của hãng Châu Âu, Ấn độ, Hàn quốc với đầy đủ chủng loại, chất lượng và công nghệ vượt trội.

Quý khách hàng vui lòng liên hệ để chúng tôi cũng dễ dàng có thể tư vấn cho khách hàng lựa chọn được loại cảm biến RTD phù hợp với yêu cầu và mục đích sử dụng, với chi phí tối ưu, hợp lý nhất.