Cặp nhiệt điện là gì ? Tất tần tật thông tin cần biết

Cặp nhiệt điện là một trong những công cụ đo lường nhiệt độ quan trọng và phổ biến trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Nó được thiết kế để chịu đựng những điều kiện khắc nghiệt và đo đạc chính xác trong môi trường có nhiệt độ cao. Cùng tìm hiểu những thông tin hữu ích về cặp nhiệt điện, từ cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đến các loại phổ biến và cách lựa chọn chúng phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

Cặp nhiệt điện là gì?

Cặp nhiệt điện còn được biết đến với tên gọi tiếng Anh là thermocouple (thermo là nhiệt độ và couple là cặp, đôi). Đây là một loại cảm biến nhiệt độ mạch kín được tạo thành từ hai dây dẫn kim loại khác nhau và nối kết ở hai đầu. Cặp nhiệt ngẫu được sử dụng phổ biến để đo nhiệt độ ở những môi trường có nhiệt độ cao và dao động liên tục. Ngày nay, loại thiết bị điện này được sản xuất với đa dạng lựa chọn về phạm vi nhiệt độ hoạt động, tuổi thọ, khả năng chống rung và khả năng chống hóa chất.

Xem thêm :

• Cặp nhiệt điện K là gì ? Ưu nhược điểm và ứng dụng

Cấu tạo của cặp nhiệt điện

Measuring junction (Điểm giao nhau)

Đây là bộ phận quan trọng nhất của cặp nhiệt điện, bao gồm hai thanh kim loại khác nhau được hàn nối với nhau tại một đầu. Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa điểm giao nhau và điểm đầu dây, hiệu điện thế sẽ xuất hiện giữa hai dây dẫn, tạo ra tín hiệu đo nhiệt độ.

Thermocouple wires (Dây cặp nhặt nhiệt điện)

Là phần dây dẫn kết nối giữa điểm giao nhau và bộ điều khiển thiết bị. Dây dẫn cần có khả năng dẫn điện tốt, chịu được nhiệt độ cao và tương thích với loại cặp nhiệt điện đang sử dụng.

Ceramic insulators (Gốm cách điện)

Được làm từ chất liệu sứ có khả năng cách điện cao, giúp giữ cho dây cặp nhiệt điện cách điện dọc theo chiều dài của đầu dò, đảm bảo an toàn và độ chính xác trong quá trình đo lường.

Protective sheath (Vỏ bảo vệ)

Lớp vỏ bảo vệ bên ngoài có chức năng bảo vệ dây dẫn khỏi các tác động môi trường như bụi bẩn, hóa chất, rung động, v.v. Vỏ bảo vệ thường được làm từ chất liệu inox (chịu được nhiệt độ dưới 1200°C) hoặc sứ (chịu được nhiệt độ cao hơn 1200°C).

Connection head (Đầu kết nối)

Chứa dây kết nối và bộ chuyển đổi tín hiệu của cặp nhiệt điện. Đầu kết nối giúp dễ dàng kết nối cặp nhiệt điện với bộ điều khiển và hiển thị nhiệt độ đo được.
Lưu ý:
Cấu tạo cụ thể của cặp nhiệt điện có thể thay đổi tùy theo loại, phạm vi đo nhiệt độ và ứng dụng cụ thể.
Việc lựa chọn loại cặp nhiệt điện phù hợp cần dựa trên các yếu tố như: phạm vi đo nhiệt độ, môi trường sử dụng, độ chính xác, độ bền...

Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện

Nguyên tắc hoạt động của cặp nhiệt ngẫu dựa trên hiệu ứng nhiệt Seebeck. Một cách chi tiết, khi hai thanh kim loại khác nhau được hàn kết ở một đầu (Measuring junction), điều này sẽ tạo ra một điện áp. 
- Điểm nối giữa 2 thanh kim loại (Measuring point): Nơi này tiếp xúc với nhiệt độ cao hơn - (1) đầu nóng.
- Hai đầu dây còn lại được đánh dấu (-) và (+): (2) đầu lạnh, mà không được hàn cố định.
Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa (1) và (2), điều này tạo ra sự dịch chuyển các electron, dẫn đến việc phát sinh một hiệu điện thế ở hai đầu dây. Do đó, việc hàn hai thanh kim loại tại điểm nóng (1) là quan trọng, vì đây là điểm được sử dụng để đo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tại điểm nóng tăng, điểm điện áp tại điểm lạnh (2) cũng tăng theo (không theo tuyến tính). Khi đo điện áp ở đầu lạnh, ta có thể xác định chính xác nhiệt độ ở đầu nóng.

8 loại cặp nhiệt điện hiện nay

Hiện nay, thị trường cung cấp nhiều loại cặp nhiệt điện với các đặc điểm riêng biệt, bao gồm các loại như K, J, S, B, E, R, N, C và nhiều loại khác. Dưới đây là thông tin chi tiết về một số loại cặp nhiệt điện phổ biến:

Cặp nhiệt điện loại K

Vật liệu: Niken-Crom hoặc Niken-Alumel.
Phạm vi đo nhiệt độ: -270 độ C đến 1200 độ C.
Sai số tiêu chuẩn: +/-2.2 C hoặc 0.75%.

Cặp nhiệt điện loại J

Vật liệu: Iron / Constantan.
Dãy đo nhiệt độ: -210 độ C đến 760 độ C.
Sai số: +/-2.2 C hoặc 0.75%.

Cặp nhiệt điện loại T

Vật liệu: Đồng / Constantan.
Dãy đo nhiệt độ: -270 độ C đến 370 độ C.
Sai số: +/- 1.0C hoặc +/- 0.75%.

Cặp nhiệt điện loại E

Vật liệu: Niken-Crom / Constantan.
Dãy đo nhiệt độ: -270 độ C đến 870 độ C.
Sai số: +/- 1.7C hoặc +/- 0.5%.

Cặp nhiệt điện loại N

Vật liệu: Nicrosil / Nisil.
Dãy đo nhiệt độ: -270 độ C đến 392 độ C.
Sai số: +/- 2.2C hoặc +/- 0.75%.

Cặp nhiệt điện loại F

Vật liệu: Bạch kim Rhodium – 10% / Bạch kim.
Dãy đo nhiệt độ: -50 độ C đến 1600 độ C.
Sai số: +/- 1.5C hoặc +/- 0.25%.

Cặp nhiệt điện loại R

Vật liệu: Platinum Rhodium -13% / Bạch kim.
Dãy đo nhiệt độ: -50 độ C đến 1500 độ C.
Sai số: +/- 1.5C hoặc +/- 0.25%.

Cặp nhiệt điện loại B

Vật liệu: Platinum Rhodium – 30% / Platinum Rhodium – 6%.
Dãy đo nhiệt độ: 0 độ C đến 1700 độ C.
Sai số: +/-0.5%.

Ứng dụng của cặp nhiệt điện trong thực tế

Trong ngành thực phẩm

Kiểm soát nhiệt độ của lò nướng.
Đo nhiệt độ ấm của nước trong quá trình chế biến thực phẩm.
Giám sát hoạt động của bếp điện ở mức nhiệt độ nhất định.

Trong đo nhiệt độ thấp

Sử dụng cặp nhiệt độ như loại E, K, T, N (<200 độ C) để đo nhiệt độ trong môi trường thấp như máy lạnh, tủ đông.

Trong máy đùn

Lắp đặt Thermocouple để kiểm soát nhiệt độ và áp suất cao trong quá trình vận hành máy đùn.
Sử dụng bộ chuyển đổi ren để định vị các đầu cảm biến tại vị trí nhựa nóng chảy và áp suất lớn.

Trong lò nung

Đo nhiệt độ trong lò nung gốm, gạch hay lò sấy.
Lựa chọn cặp nhiệt điện phù hợp với khả năng chịu nhiệt của dây, vỏ bọc bảo vệ, và lớp phủ bảo vệ để đảm bảo sự an toàn và sử dụng lâu dài.

Trong nóng chảy kim loại

Sử dụng cặp nhiệt ngẫu nhiệt loại R, S, K, M hoặc B để đo nhiệt độ cao trong quá trình nóng chảy kim loại.
Lựa chọn kim loại cơ bản và đường kính dây can nhiệt phù hợp.
Sử dụng ống bảo vệ và chất cách điện làm từ sứ để bảo vệ cảm biến.

Các lỗi thường gặp khi sử dụng thiết bị

Trong quá trình sử dụng cặp nhiệt điện, nhiều người thường mắc phải các lỗi cơ bản, gây hiện tượng đo kết quả không chính xác và có thể dẫn đến hỏng hóc thiết bị. 

Đấu dây sai cách

Nhiều người thường mắc lỗi khi đấu dây cặp nhiệt điện không đúng cách, dẫn đến việc không hiển thị kết quả chính xác.
Cần chú ý và tuân thủ kỹ hướng dẫn lắp đặt và sử dụng được cung cấp bởi nhà sản xuất để tránh các vấn đề này.

Chọn sai thang đo nhiệt độ

Đảm bảo mua cặp nhiệt điện có khoảng đo nhiệt phù hợp với mục đích sử dụng.
Lựa chọn sai thang đo có thể dẫn đến hỏng hóc thiết bị, nguy cơ nổ, và tạo ra tình trạng không an toàn cho con người và hệ thống điện.

Không dùng bộ chuyển đổi

Khi sử dụng cặp nhiệt điện từ đầu lạnh, tín hiệu điện áp có thể bị nhiễu và sụt áp khi ở khoảng cách xa.
Để khắc phục vấn đề này, quan trọng là sử dụng bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện ra 4-20mA, giúp giảm thiểu sự suy giảm tín hiệu khi truyền đi xa và đảm bảo độ chính xác của dữ liệu.

Một vài lưu ý khi chọn mua cặp nhiệt điện

Dãy đo nhiệt độ

Nắm vững về môi trường nhiệt độ mà thiết bị sẽ hoạt động để lựa chọn Thermocouple với dãy đo phù hợp. Điều này giúp hiển thị thông số chính xác, đồng thời đảm bảo giá trị sử dụng lâu bền và tuổi thọ cao.

Khoảng cách lắp đặt

Lắp đặt cặp nhiệt điện theo khoảng cách được hướng dẫn từ nhà sản xuất để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

Thông số từng loại

Hiểu rõ về các loại cặp nhiệt ngẫu như K, J, N, B,... và xem xét kỹ các thông số cụ thể của từng loại trước khi quyết định mua.

Kiểu kết nối cảm biến

Lựa chọn giữa 2 kiểu kết nối phổ biến là mặt bích hoặc ren tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Tín hiệu ngõ ra

Kiểm tra và xác định tín hiệu ngõ ra, thông thường là 4-20 mA hoặc 0-10 V, để đảm bảo tính tương thích với hệ thống đo và kiểm soát.

Các thông số của thiết bị

Xác định các thông số như chiều dài cảm biến (20mm, 30mm,...2000mm) và đường kính cảm biến (1mm, 2mm,...27mm) phù hợp với yêu cầu cụ thể của ứng dụng.