Cặp nhiệt điện là gì?

Các cặp nhiệt điện (Thermocouples) cực kỳ hữu ích và được sử dụng rộng rãi trong các công cụ đo nhiệt độ, thường được tìm thấy trong một loạt các môi trường khoa học, công nghiệp và kỹ thuật.

Với kích thước nhỏ và thời gian phản hồi nhanh cho phép chúng có thể được đưa vào hoạt động trong tất cả các điều kiện môi trường thách thức, trong khi vẫn cung cấp khả năng đo nhanh chóng và chính xác đối với cả mức nhiệt độ khắc nghiệt (trong phạm vi từ 270 đến 2.500 độ, tùy thuộc vào cấu hình cụ thể).

Mặc dù có các khả năng ấn tượng, cặp nhiệt điện thực sự là những công cụ tương đối đơn giản vừa rất mạnh mẽ vừa cực kỳ hiệu quả về chi phí. Các loại cặp nhiệt điện khác nhau, thường được xác định bởi các chữ cái như J, K, L, N hoặc T, cung cấp các thang đo nhiệt độ khác nhau, một số được thiết kế sử dụng các vật liệu cụ thể để chịu được nhiệt độ cao nhất và môi trường thách thức nhất , rẻ hơn để sản xuất.

Một cặp nhiệt điện được sử dụng để làm gì?

Như đã đề cập ở trên, một cặp nhiệt điện là một công cụ cảm biến mà chủ yếu thiết kế để đo nhiệt độ chưa biết của các vật thể, thành phần hoặc chất vật lý khác nhau.

Điều quan trọng, một cặp nhiệt điện được tạo thành từ ít nhất hai dây kim loại khác nhau, khi được nối với nhau để tạo thành một mạch điện, sẽ tạo ra hai mối nối điện riêng biệt. Một điểm nối được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ không xác định (điểm 'nóng' hoặc điểm nối đo) và điểm nối được kết nối với vật thể có nhiệt độ ổn định và đã biết (điểm 'lạnh' hoặc điểm nối tham chiếu).

Sự khác biệt nhiệt độ giữa hai điểm nối này tại bất kỳ thời điểm nào tạo ra điện áp trong mạch và dòng điện tiếp theo có thể được sử dụng để đo nhiệt độ tại điểm tiếp xúc.

Làm thế nào để một cặp nhiệt điện hoạt động?

Một cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên cơ sở nhiệt điện. Khi nhiệt độ thay đổi ở ngã ba nóng so với đường giao nhau lạnh, nó tạo ra sự thay đổi điện áp trên một mạch kín bao gồm các dây kim loại không giống nhau.

Một cặp nhiệt điện bình thường gồm hai dây kim loại khác nhau. Mỗi dây được chế tạo từ một kim loại đơn chất hay hợp kim. Hai dây này được nối lại với nhau tại một đầu tạo thành điểm đo thông thường được gọi là điểm nóng. Bởi vì phần lớn nhiệt độ được đo cao hơn nhiệt độ môi trường. Hai đầu còn lại của hai dây được nối tới dụng cụ đo để tạo thành mạch kín cho dòng điện chạy qua. Thiết bị đo này sẽ đo mức điện áp được tạo ra tại điểm nối và chuyển đổi nó thành giá trị nhiệt độ tương ứng.

Nói một cách đơn giản, nguyên tắc được nêu ở trên là những gì được gọi là hiệu ứng Seebeck, sau khi nhà vật lý Thomas Johann Seebeck. Ông là người đầu tiên phát hiện ra rằng việc kết hợp hai kim loại khác nhau với nhau ở hai điểm nối có nhiệt độ khác nhau đã tạo ra một lực điện từ và lực này sẽ khác nhau tùy thuộc vào sự kết hợp cụ thể của kim loại trong câu hỏi.

Phát hiện của Seebeck đã được tinh chỉnh thêm bởi ít nhất hai nhà vật lý khác, bao gồm Peltier và Thomson, đến mức giá trị điện áp chính xác được đăng ký trong một mạch kim loại khác nhau sau đó có thể được sử dụng - với việc áp dụng các công thức khoa học nghiêm ngặt - để giải thích Giá trị nhiệt độ.

Do đó, hoạt động của một cặp nhiệt điện hiện đại phụ thuộc vào sự kết hợp của ít nhất ba nhà vật lý quan sát, tất cả đều xuất phát từ việc phát hiện ra hiệu ứng Seebeck.

Cặp nhiệt điện loại K

Loại được sử dụng phổ biến nhất trong nhiều ngành và lĩnh vực. Các thiết bị Type-K được chế tạo từ sự kết hợp của các dây dựa trên niken (thường là chromel/alumel), dẫn đến một cặp nhiệt điện đặc biệt tiết kiệm chi phí, có xu hướng chính xác và đáng tin cậy trong nhiều dải nhiệt độ hoạt động.

Cặp nhiệt điện loại K thường được sử dụng trong phạm vi từ -200 đến +1260 độ C và được coi là nhiệt độ chính xác với độ lệch chuẩn ± 0,75%.

Cặp nhiệt điện loại K có nhiều ứng dụng tiềm năng do được làm từ niken, có nghĩa là dây của chúng có thể hoạt động ở một dải nhiệt độ đặc biệt rộng và thường thể hiện khả năng chống ăn mòn và oxy hóa chắc chắn.

Dây cặp nhiệt điện trong thông số kỹ thuật loại K thường sẽ bao gồm một chân dương được làm từ khoảng 90% niken, 10% crom và một chân âm bao gồm khoảng 95% niken, 2% nhôm, 2% mangan và 1% silicon.

Cảm Biến Nhiệt K Plug -50~450°C Dài 1m Đầu Tròn

Cặp nhiệt điện loại J

Đây là một loại khác được sử dụng rộng rãi, mặc dù chúng thường có dải nhiệt độ hẹp hơn (-40 đến +750 độ C) so với loại K và có tuổi thọ tổng thể ngắn hơn nếu thường xuyên tiếp xúc với nhiệt độ quá cao. Chân dương của thiết bị loại J được làm từ dây sắt và chân âm sẽ được làm bằng hợp kim đồng - niken (không đổi).

Đây là một trong những loại cặp nhiệt điện ít tốn kém nhất và được coi là linh hoạt, đặc biệt phù hợp để sử dụng trong môi trường khử (không oxy hóa) và chân không, và lý tưởng để đọc từ nhiều loại thiết bị cũ cũng như vật liệu trơ. Tuy nhiên, các thành phần sắt trong thiết bị loại J rất dễ bị oxy hóa và không được sử dụng trong các trường hợp chúng có nguy cơ tiếp xúc với bất kỳ loại hơi ẩm nào.

Cặp nhiệt điện loại N

Bao gồm các dây được làm từ hợp kim nicrosil-nisil (niken, crom và silicon) và có nhiều đặc tính tương tự như các đặc tính có trong cặp nhiệt điện loại K, với nhiệt độ hoạt động trong khoảng -270 đến +1300 độ C.

Tuy nhiên, chúng đắt hơn một chút so với các loại K, do sự phát triển gần đây hơn của chúng nhằm khắc phục một số vấn đề với loại K trong các môi trường cụ thể - đặc biệt, loại N mang lại sự ổn định toàn diện tốt hơn trong các ứng dụng hạt nhân và thể hiện tính nhạy cảm với quá trình oxy hóa thấp hơn so với các giống K trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt hơn.

Cặp nhiệt điện loại T

Phạm vi nhiệt độ chạy trong khoảng -200 đến +350 độ C và nó được ghi nhận là cấu hình cặp nhiệt điện đặc biệt ổn định, bao gồm các dây hợp kim đồng - constantan.

Cặp nhiệt điện loại T phù hợp với nhiều ứng dụng đông lạnh và nhiệt độ cực thấp khác, bao gồm nhiều phòng thí nghiệm và các điều kiện đông lạnh sâu tương tự. Nó cũng hoạt động tốt trong môi trường oxy hóa và thường được sử dụng để đo vi sai do thực tế là chỉ có dây đồng tiếp xúc trực tiếp với đầu dò.

Sai số của cặp nhiệt T : +/- 1.0 C hoặc +/- 0.75%

Ứng dụng của cặp nhiệt điện

Như chúng ta đã đề cập trước đây, nhiều loại và cấu hình khác nhau của cặp nhiệt điện được sử dụng rất rộng rãi trong vô số ứng dụng hàng ngày trong gia đình và chuyên nghiệp, bao gồm thiết bị gia dụng, máy móc công nghiệp, cơ chế ô tô, thiết lập phòng thí nghiệm, ....

• Cặp nhiệt điện cho máy điều nhiệt: Bộ điều nhiệt trong rất nhiều ứng dụng thường bao gồm các cặp nhiệt điện làm thành phần chính để chúng hoạt động đúng và hiệu quả. Thường có một số nhầm lẫn về sự khác biệt chính xác giữa cái này và cái kia, do chúng thường ở gần nhau, các chức năng liên quan chặt chẽ (nhưng khác biệt) và tên tương tự. Để tránh sự nhầm lẫn này là hãy nhớ rằng cặp nhiệt điện là một cảm biến nhiệt độ và tồn tại để cung cấp số đo. Mặt khác, bộ điều chỉnh nhiệt là một phần của thiết bị tự động thực hiện điều khiển bật và tắt mọi thứ dựa trên kết quả đo nhiệt độ. Do đó, cặp nhiệt điện thường là bộ phận được sử dụng trong bộ điều nhiệt mà số đọc của nó sẽ kích hoạt bộ điều nhiệt thực hiện hành động bật/tắt.
• Cặp nhiệt điện cho nhiệt kế y tế: Nhiệt kế sử dụng trong bệnh viện và các dạng thiết bị phát hiện, chẩn đoán và điều trị y tế khác thường sử dụng cặp nhiệt điện. Chúng thường được cấu hình trong các phiên bản chuyên dụng hoặc phiên bản thu nhỏ, nhằm giúp đọc nhiệt độ nhanh hơn và chính xác hơn cho cả bệnh nhân cũng như máy móc và quy trình quan trọng về nhiệt. Các ứng dụng có thể bao gồm mọi thứ từ cảm biến da và đặt dưới da đến phát hiện khối u và nghiên cứu DNA, cảm biến dòng chảy liên quan đến nhiệt độ và đầu dò ống thông. Nhiều loại nhiệt kế y tế dựa vào công nghệ cặp nhiệt điện để đo cực kỳ chính xác bằng cách sử dụng dây đo rất nhỏ.
• Cặp nhiệt điện chẩn đoán cho xe: Cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng ô tô và hàng không vũ trụ để giúp theo dõi và quản lý nhiều loại nhiệt độ quan trọng, bao gồm mọi thứ từ chẩn đoán đến cải thiện hiệu suất động cơ đến an toàn cho xe. Dữ liệu được đọc bởi cặp nhiệt điện động cơ và các cảm biến xe cộ khác có thể được sử dụng để theo dõi và điều chỉnh các yếu tố như chỉ số khí thải, đầu xi-lanh và chức năng bugi, hiệu suất phanh đĩa, tình trạng pin và những thay đổi đối với môi trường bên ngoài.
• Cặp nhiệt điện cho nồi hơi, cảm biến nhiệt và lò nướng: Cặp nhiệt điện cho nồi hơi, hệ thống nước nóng, cảm biến nhiệt và lò nướng hoạt động theo cách tương tự như đối với bộ điều nhiệt, như đã nêu ở trên. Đặc biệt, các loại gas của các thiết bị này thường kết hợp cặp nhiệt điện làm tính năng an toàn, ngăn không cho van gas mở nếu nhiệt từ đèn hoa tiêu được thắp sáng không tạo ra điện áp cần thiết trên mạch cặp nhiệt điện. Khi được tìm thấy trong nồi hơi và hệ thống nước nóng, cặp nhiệt điện thường được gọi thay thế cho điện trở nhiệt, mặc dù điều này không hoàn toàn chính xác. Mặc dù cả hai đều được sử dụng để đo nhiệt độ, nhiệt điện trở là một thành phần hơi khác hoạt động trên nguyên tắc cơ bản là điện trở trong vật liệu thay đổi khi nhiệt độ tăng và giảm. Không giống như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở nồi hơi không thực sự tạo ra điện áp.

Các nguyên tắc tương tự áp dụng cho toàn bộ phạm vi cảm biến và đầu dò cấp công nghiệp được sử dụng trong nhiều loại hình sản xuất khác nhau và các quy trình sản xuất quan trọng về nhiệt độ khác. Nhiều trong số các cặp nhiệt điện này dành cho các ứng dụng trong nhà máy, cơ khí hoặc phòng thí nghiệm cũng sẽ bao gồm các tính năng như đầu dò từ tính và bộ cảm biến nhiệt mạnh hơn để hoạt động tốt trong các môi trường đòi hỏi khắt khe hơn nhiều so với yêu cầu thông thường đối với hầu hết các mục đích sử dụng trong nước.