Cảm biến nhiệt độ là gì? Nguyên lý và cách chọn đúng loại

Cảm biến nhiệt độ là gì và nó đo như thế nào

Nhiệt kế điện tử báo số 37,5 độ sau vài giây đặt dưới nách, bếp từ tự ngắt khi đáy nồi quá nóng, điều hòa trên ô tô giữ mãi mức mát dịu dù ngoài trời nắng như đổ lửa: tất cả đều có một bộ phận làm việc thầm lặng phía sau. Đó chính là cảm biến nhiệt độ. Vậy cảm biến nhiệt độ là gì? Nói ngắn gọn, đây là thiết bị điện tử đo và ghi nhận giá trị nhiệt độ của môi trường hoặc một đối tượng cụ thể, rồi chuyển sự thay đổi nhiệt đó thành tín hiệu điện để máy móc đọc được.

Điều thú vị nằm ở chỗ nhiệt độ vốn là một đại lượng vật lý vô hình, không thể nối thẳng vào mạch điện như dây dẫn. Muốn con số hiện lên màn hình, phải có một vật liệu nhạy nhiệt đứng giữa, đổi nhiệt thành điện. Ba phần dưới đây sẽ lần lượt trả lời thiết bị này đọc nhiệt ra sao và bên trong nó có những gì.

Thiết bị biến nhiệt độ thành tín hiệu điện để đọc được thành con số

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị điện tử đo và ghi nhận nhiệt độ của môi trường hoặc đối tượng cụ thể, phát hiện sự thay đổi nhiệt rồi chuyển đổi thành tín hiệu điện để xử lý và đo lường. Định nghĩa nghe khô, nhưng tách ra từng vế thì rõ ngay: một vế là cảm nhận, một vế là chuyển đổi. Bộ phận nhạy nhiệt phải chạm được vào cái cần đo, còn phần mạch phía sau phải dịch được cái cảm nhận đó sang thứ ngôn ngữ mà vi điều khiển hiểu được.

Quy trình diễn ra trong tích tắc. Khi nhiệt độ thay đổi, phần tử cảm biến nhận ra sự thay đổi đó trước tiên. Sau đó tín hiệu điện được đưa qua bộ đọc để phân tích, rồi kết quả hiển thị thành con số cụ thể trên màn hình hoặc truyền về hệ thống điều khiển. Nhờ đường truyền thông tin này, tủ lạnh biết lúc nào cần chạy máy nén, lò nướng biết khi nào đã đạt mức cài đặt.

So với nhiệt kế thông thường, cảm biến nhiệt độ đo chính xác hơn nhiều, và quan trọng hơn là nó cho phép thông tin đi tiếp vào mạch điều khiển tự động. Nhiệt kế thường chỉ cho người nhìn, còn cảm biến cho cả máy móc nghe theo. Chính đặc điểm này khiến nó hiện diện trong mọi hệ thống cần giữ nhiệt ở một mức nhất định.

Nguyên lý chung: vật liệu nhạy nhiệt đổi điện trở, điện áp theo nhiệt độ

Cái lõi của mọi loại cảm biến nhiệt độ đều nằm ở một tính chất rất đời thường của vật liệu: khi nóng lên hoặc nguội đi, một số thuộc tính vật lý của chúng cũng đổi theo. Kim loại, bán dẫn hay các vật liệu nhạy nhiệt khi chịu tác động của nhiệt độ sẽ làm thay đổi điện trở, điện dung hay điện áp. Mạch xử lý chỉ cần đo được thay đổi ấy là suy ra được nhiệt độ, vì hai đại lượng gắn chặt với nhau theo một quy luật đã biết.

Cụ thể hơn, nhiều loại cảm biến dựa trên nguyên lý điện trở của kim loại tăng theo nhiệt độ. Thử lấy một ví dụ quen thuộc: ở mức 0 độ, điện trở của phần tử đo đạt khoảng 50 Ôm, và cứ khi nhiệt độ tăng thì điện trở cũng tăng theo. Người thiết kế chỉ cần lập sẵn bảng quy đổi, máy đọc điện trở là tra ra ngay nhiệt độ tương ứng.

Ngoài ra, quá trình đo luôn đi qua hai bước cơ bản. Bước thứ nhất, phần tử cảm biến tiếp xúc trực tiếp với môi trường đo và thay đổi trạng thái vật lý theo nhiệt độ của môi trường ấy. Bước thứ hai, mạch xử lý chuyển đổi thay đổi vật lý vừa xảy ra thành tín hiệu điện có thể đo đạc và phân tích được. Hai bước nối tiếp nhau, thiếu một bước thì con số không bao giờ hiện lên màn hình.

Chính vì cơ chế nền tảng chung như vậy mà các loại cảm biến khác nhau về vật liệu dùng, chứ không khác nhau về bản chất. Kim loại cho kết quả ổn định, bán dẫn nhạy hơn nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh. Sự khác biệt ấy sẽ được so sánh kỹ ở phần các loại cảm biến phổ biến.

Cấu tạo: phần tử cảm biến, mạch xử lý, vỏ bảo vệ và đầu nối

Bên trong một chiếc cảm biến nhiệt độ hoàn chỉnh có ít nhất ba nhóm bộ phận: phần tử cảm biến, mạch hay bộ chuyển đổi và xử lý tín hiệu, cùng vỏ bảo vệ bọc bên ngoài. Phần tử cảm biến là linh hồn của cả thiết bị, nơi trực tiếp đổi nhiệt thành điện. Mạch phía sau nhận tín hiệu thô, khuếch đại, lọc nhiễu rồi chuẩn hóa về dạng mà bộ điều khiển đọc được.

Vỏ bảo vệ tuy không tham gia đo đạc nhưng quyết định thiết bị sống được bao lâu. Vỏ thường làm từ kim loại, ceramic hoặc nhựa, tùy môi trường sử dụng, nhằm chống bụi, chống ẩm và chịu va đập. Ở những đầu dò dùng trong công nghiệp, vỏ bảo vệ thường làm bằng inox 316L, loại thép chịu được môi trường ẩm mặn và nhiệt cao. Đầu bảo vệ cùng đầu nối ở phía dây dẫn hoàn tất phần khung của thiết bị.

Bên trong còn có những chi tiết nhỏ mà vai trò không hề nhỏ. Chất cách điện thường làm từ gốm, có nhiệm vụ ngăn ngừa đoản mạch giữa các dây kết nối và vỏ ngoài, tức là ngăn dòng điện đi tắt làm hỏng phép đo. Khoảng cách giữa các dây kết nối cũng phải đạt tiêu chuẩn vì cùng lý do đó.

Một chi tiết ít người để ý là bột alumina mịn đã sấy khô, tức bột oxit nhôm, được lấp đầy vào khoảng trống bên trong đầu dò. Chất làm đầy này giúp tăng độ bền và giảm ảnh hưởng của rung động cơ học, điều rất cần khi cảm biến gắn trên máy móc chạy liên tục. Nhờ vậy, đầu dò không bị dây dẫn va đập vào nhau khi thiết bị rung lắc.

Cuối cùng là hệ thống dây dẫn tín hiệu, có từ 2 đến 4 dây tùy loại và tùy yêu cầu chính xác. Số dây nhiều hay ít không phải tùy hứng: mỗi kiểu kết nối ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của phép đo, câu chuyện này sẽ được nói rõ ở phần cách chọn và các lỗi đo thường gặp. Còn về cơ bản, cả một cảm biến nhiệt độ, dù to hay nhỏ, đắt hay rẻ, vẫn xoay quanh đúng những bộ phận kể trên: phần tử đo, mạch dịch tín hiệu, lớp vỏ chịu đựng và dây dẫn nối ra thế giới bên ngoài.

Sáu nhóm cảm biến nhiệt độ phổ biến và đặc điểm từng loại

Hai người cùng nói tới thiết bị đo nhiệt, một người nghĩ tới cục nhiệt kế điện tử cầm tay, người kia nghĩ tới ống thép cắm vào lò hơi của nhà máy. Cả hai đều đúng, vì cách đo nhiệt chia thành nhiều nhóm khác hẳn nhau, mỗi nhóm có vật liệu, dải đo và mức giá riêng.

Nhận ra mình đang cần loại nào trước khi tìm mua sẽ tiết kiệm thời gian hơn là đọc thông số rồi mới hỏi cảm biến nhiệt độ là gì. Sáu nhóm dưới đây chiếm gần hết các thiết bị đo nhiệt gặp trong đời thường và nhà xưởng.

Cặp nhiệt điện: bền, đo được nhiệt rất cao, không cần nguồn

Cặp nhiệt điện (Thermocouple) là cảm biến gồm hai kim loại khác nhau hàn tại đầu nóng, đo nhiệt độ qua suất điện động sinh ra theo hiệu ứng Seebeck. Hiệu ứng Seebeck là hiện tượng hai dây kim loại khác nhau nối tại hai đầu, khi hai đầu chênh lệch nhiệt độ sẽ phát sinh một suất điện động. Nói cách khác, chỉ cần chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối nối, tự nó tạo ra điện áp nhỏ mà mạch đo đọc được, không cần nguồn cấp từ bên ngoài.

Cấu tạo của nó đơn giản đến mức gần như không thể hỏng hóc về nguyên lý. Hai sợi dây kim loại khác loại được hàn dính vào nhau tạo thành đầu nóng, còn gọi là đầu đo, tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ cần đo. Đầu kia là đầu lạnh, còn gọi là đầu chuẩn, nối với mạch đo. Khi hai đầu chênh lệch nhiệt độ, một suất điện động phát sinh tại đầu lạnh; nhiệt độ càng tăng, điện áp đầu ra càng tăng. Mạch đo chỉ việc quy đổi điện áp ra con số nhiệt độ.

Có một điều kiện mà người lắp đặt phải nhớ: đầu tham chiếu phải giữ ở nhiệt độ nhất định, thường là 0 độ C, hoặc mạch đo phải có mạch bù mối nối lạnh để quy đổi về mốc chuẩn. Bỏ qua bước bù này, số đo sẽ lệch đi một lượng bằng đúng nhiệt độ tại đầu lạnh.

Điểm mạnh của cặp nhiệt điện nằm ở độ bền và dải đo. Nó đo từ khoảng -100 độ C tới 1400 độ C, một số chủng loại lên tới 1800 độ C. Nó chịu được lò nung, lò hơi và những môi trường khắc nghiệt mà thiết bị khác phải rút lui. Tín hiệu đáp ứng nhanh, chi phí thấp, truyền được trên khoảng cách xa, nên nó hiện diện ở gần như mọi nhà máy luyện kim, sản xuất xi măng, nấu sơn hay nướng bánh.

Dù vậy, nhược điểm cũng rõ. Suất điện động sinh ra rất nhỏ, chỉ vài chục microvolt cho mỗi độ chênh, nên độ nhạy không cao, dễ sai số và bắt buộc phải có mạch khuếch đại cùng mạch bù mối nối lạnh. Độ chính xác của nó thấp hơn RTD; ở những chỗ cần con số chính xác từng phần mười độ, người ta thường chọn loại khác.

Cặp nhiệt điện được phân loại theo ký hiệu E, J, K, N, R, S, T, mỗi chủng dùng cặp kim loại khác nhau nên cho giá trị suất điện động và phạm vi đo riêng. Trong đó J, T và K phổ biến nhất; riêng loại K được dùng rộng rãi nhờ dải nhiệt rộng và tín hiệu ổn định. Phần thân thường được niêm phong trong tấm chắn gốm hoặc vỏ kim loại để bảo vệ hai dây khỏi khí nóng, tro bụi và va đập.

Trong xưởng, người ta hay gặp nó ở vị trí mà không loại nào thay được: đầu dò cắm vào lò nung thép, vào buồng đốt, vào đường ống hơi quá nhiệt. Ở những chỗ đó, đo lệch vài độ không đáng kể, nhưng chịu được 1400 độ C trong nhiều năm mới là chuyện sống còn.

RTD và Pt100: chính xác cao, dùng nhiều nhất trong công nghiệp

RTD là cảm biến nhiệt điện trở, đo nhiệt qua sự thay đổi điện trở của kim loại như bạch kim theo nhiệt độ. Nguyên lý nằm ở tính chất đã biết của kim loại: nhiệt độ tăng, điện trở tăng theo tỷ lệ thuận và gần như tuyến tính. Người ta quấn dây bạch kim, niken hay đồng quanh một khung tại đầu đo, rồi dùng mạch đo điện trở để quy ngược ra nhiệt độ.

RTD là lựa chọn đầu tiên ở những nơi cần độ chính xác cao: dây chuyền sản xuất thực phẩm, dược phẩm, hệ thống HVAC, phòng thí nghiệm và các công trình nghiên cứu khoa học. Đường đặc tuyến của nó ổn định, đo đi đo lại cho cùng một kết quả. Ba lý do đó khiến kỹ thuật viên nhà máy tin dùng RTD hơn bất kỳ loại nào khác.

Dải đo của RTD hẹp hơn cặp nhiệt điện nhưng vẫn khá rộng, khoảng từ -200 độ C tới 700 hoặc 850 độ C tùy chủng loại. Trong dải này, nó cho kết quả chính xác hơn hẳn cặp nhiệt điện. Đổi lại, phản hồi hơi chậm hơn và giá thành cao hơn thermistor hay cặp nhiệt điện. Kích thước cũng lớn hơn, và phần tử dễ hỏng trong môi trường rung giật hay hóa chất ăn mòn.

Trong họ RTD, cái tên quen thuộc nhất là Pt100, loại RTD bạch kim có điện trở danh định 100 ohm tại 0 độ C, phổ biến nhất trong công nghiệp. Con số 100 ohm ở 0 độ C được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn EN 60751, nên mọi nhà sản xuất trên thế giới đều cho ra thiết bị thay thế lẫn nhau được. Ngoài Pt100 còn có Ni100, Pt1000; họ RTD cũng có các mức 100, 200, 500, 1000 ohm tại 0 độ C, điện trở danh định càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao. Theo một thống kê thường được nhắc tới trong ngành đo lường công nghiệp, hơn 80% ứng dụng đo nhiệt độ trong nhà máy dùng Pt100.

Một chi tiết kỹ thuật ít người để ý: RTD là thiết bị thụ động, cần nguồn dòng bên ngoài mới đọc được điện trở, và chính dòng điện đó lại sinh nhiệt trong phần tử đo. Dòng quá lớn làm phần tử tự nóng lên, kết quả cao hơn nhiệt thật của môi trường. Người vận hành vì thế luôn giữ dòng đo ở mức tối thiểu đủ để mạch đọc được tín hiệu.

RTD còn phân loại theo số dây dẫn tới mạch đo: 2 dây, 3 dây hoặc 4 dây tùy ứng dụng và yêu cầu độ chính xác. Càng nhiều dây, mạch càng bù được điện trở của chính sợi dây dẫn, kết quả càng chính xác; chuyện này sẽ được bàn kỹ ở phần chọn cảm biến và xử lý sai số.

Nếu việc đo cần con số đáng tin từng phần độ, đo lặp lại nhiều lần cho cùng một kết quả, RTD gần như là câu trả lời mặc định trong công nghiệp. Cái giá phải trả là tiền mua ban đầu cao hơn và phần tử dễ tổn thương hơn khi môi trường thô ráp.

Thermistor: rẻ, nhạy, nhưng chỉ đo được dải hẹp

Thermistor là nhiệt điện trở làm từ oxit kim loại, điện trở thay đổi mạnh theo nhiệt độ, gồm loại NTC và PTC. Vật liệu chế tạo là hỗn hợp oxit của mangan, niken, coban, được nén chặt trong vỏ gốm cách điện rồi nung ở nhiệt độ cao. Thành phẩm nhỏ bằng hạt đậu nhưng nhạy hơn RTD nhiều lần: chỉ cần nhiệt độ nhích lên vài phần độ, điện trở đã đổi rõ rệt.

Hai chữ NTC và PTC phân biệt theo chiều thay đổi. NTC là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm, điện trở giảm khi nhiệt độ tăng; PTC ngược lại, điện trở tăng khi nhiệt độ tăng. Hầu hết thermistor trên thị trường thuộc loại NTC, và NTC cũng được dùng phổ biến hơn PTC trong các ứng dụng đo nhiệt độ.

Giá rẻ, dễ sản xuất, kích thước nhỏ, độ nhạy cao là những lý do thermistor chiếm lĩnh mảng gia dụng và ô tô. Block lạnh nào cũng có vài bộ, tủ lạnh, máy giặt, lò vi sóng, bảng mạch sạc điện thoại đều có thể tìm thấy nó; trong ô tô, nó dò nhiệt nước làm mát và nhiệt gió ngoài. Trong y tế, nhiệt kế điện tử đầu dò mềm cũng thường dựa trên thermistor.

Nhược điểm nằm ở hai chỗ. Thứ nhất, đặc tuyến phi tuyến: điện trở không đổi đều theo nhiệt độ mà cong theo hàm mũ, nên muốn đo chính xác phải hiệu chuẩn và dùng bảng quy đổi hoặc mạch bù tuyến tính. Thứ hai, dải đo hẹp, chỉ chừng 50 độ C quanh điểm làm việc, và thermistor chỉ tuyến tính trong khoảng 50-150 độ C tùy loại; ngoài vùng đó sai số lớn, độ ổn định thấp. Nó vì vậy hợp với việc đo trong phạm vi hẹp hơn là làm thiết bị đo chính xác dải rộng.

Một vai trò khác của thermistor ít ai nghĩ tới: bảo vệ chứ không phải đo. Loại PTC được ép vào cuộn dây động cơ làm ngắt nhiệt; khi động cơ quá nóng, điện trở tăng vọt, mạch nhận ra và cắt điện trước khi dây đồng cháy. Nhiều thiết bị điện tử và hệ thống HVAC dùng cách này như cầu chì nhiệt có thể tự phục hồi.

Vật liệu gốm của thermistor cũng dễ tổn thương hơn kim loại, va đập mạnh hay nhiệt vượt ngưỡng có thể làm nứt phần tử. Đổi lại, với những việc chỉ cần biết nóng hay lạnh trong một dải hẹp, chẳng hạn bật quạt khi tủ điều khiển vượt ngưỡng, thermistor là phương án rẻ và nhạy nhất.

Cảm biến bán dẫn: nhỏ gọn, dễ tích hợp vào mạch điện tử

Cảm biến nhiệt bán dẫn dùng diode, transistor hoặc vi mạch, dựa trên đặc tính điện của tiếp giáp P-N theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện áp phân cực của tiếp giáp P-N đổi theo một đường gần như tuyến tính, mạch đọc điện áp đó ra nhiệt độ. Vì tiếp giáp P-N có sẵn trong mọi chip, việc tích hợp một cảm biến nhiệt vào bảng mạch gần như không tốn thêm diện tích.

Các dạng phổ biến gồm IC cho đầu ra điện áp, đầu ra dòng điện, đầu ra số và các loại dùng diode, transistor rời. Tên tuổi quen thuộc nhất với người học điện tử là LM35, có hệ số tỷ lệ khoảng 10 mV trên mỗi độ C, điện áp đầu ra tuyến tính theo nhiệt độ, chỉ cần một nguồn và một đồng hồ volt là đọc được. AD590 và LM335, LM45 cũng thuộc nhóm này.

Với người tự làm dự án, DS18B20 là cái tên hay được nhắc tới. Nó dùng giao tiếp 1-Wire, có thể nối nhiều cảm biến trên cùng một đường bus nhờ mỗi con mang mã định danh riêng, và bản chống nước phù hợp đo chất lỏng trong bể nước hay hồ cá. Cảm biến nhiệt bán dẫn có độ chính xác cao trong dải làm việc và chống nhiễu tốt, vì tín hiệu đầu ra đã được xử lý ngay trong chip.

Dải đo là giới hạn rõ: thường từ -50 tới 150 độ C, tương ứng giới hạn của silicon. Nhóm bán dẫn giá thấp, dễ chế tạo, độ nhạy lớn, nhưng đo nhiệt độ cao kém; không loại IC nào phù hợp thay thermocouple ở những ứng dụng nhiệt độ rất cao như lò nung hay buồng đốt.

Độ bền môi trường cũng kém hơn các loại kim loại. Vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng chip; độ ẩm cao, hóa chất ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh đều rút ngắn tuổi thọ. Cảm biến bán dẫn vì thế sống tốt nhất trong môi trường mà con người chịu được: trong nhà, trong thiết bị điện tử, trên bảng mạch có vỏ che chắn.

Trong đời thường, nó có mặt ở nhiều nơi hơn người ta tưởng. Bo mạch máy tính dùng nó theo dõi nhiệt chip để tăng giảm tốc quạt. Điều hòa và tủ lạnh dùng nó làm đầu dò nhiệt trong nhà, còn máy in cùng nhiều thiết bị gia dụng nhỏ cũng vậy. Nhỏ, rẻ và ra tín hiệu số sẵn sàng nối với vi điều khiển, đây là nhóm cảm biến nhiệt độ mà người mới bắt đầu với điện tử sẽ gặp đầu tiên.

Hồng ngoại và hỏa kế: đo không cần chạm vào vật thể

Mọi vật có nhiệt độ đều phát ra bức xạ hồng ngoại, và cường độ bức xạ đó tăng theo nhiệt độ. Cảm biến hồng ngoại là loại không tiếp xúc, cảm nhận nhiệt qua bức xạ hồng ngoại, dựa trên định luật Stefan-Boltzmann. Hỏa kế (Pyrometer) là thiết bị đo nhiệt độ từ xa bằng cách thu nhận bức xạ nhiệt của vật thể, không cần tiếp xúc. Người cầm thiết bị chỉ cần ngắm vào bề mặt, con số hiện ra trong tích tắc.

Nhóm này sinh ra cho những chỗ đầu dò không thể chạm vào: vật đang di chuyển trên dây chuyền, bề mặt quá nóng làm cháy mọi loại đầu dò, hay vị trí trên cao, trong lò, khó với tới. Hỏa kế hoạt động tốt trong môi trường khắc nghiệt nhờ mạch điện tử quang học, dùng phổ biến ở nồi hơi, lò nung, lò nhiệt luyện, xưởng đúc; khoảng đo thường từ -54 tới 1000 độ C tùy model. Ngoài đo lò nung thép hay hóa chất ăn mòn mạnh, cảm biến hồng ngoại còn xuất hiện trong điều hòa công nghiệp và dân dụng, máy in, máy photocopy, và trong y tế với việc phát hiện sốt mà không cần chạm.

Đo không chạm thì phải đổi bằng độ chính xác thấp hơn. Kết quả bị ảnh hưởng bởi khoảng cách, góc đo, trường nhìn và hệ số phát xạ của bề mặt: cùng một nồi gang, bề mặt bóng loáng và bề mặt đen xỉ cho hai số khác nhau nếu không chỉnh hệ số phát xạ. Rung tay, ánh sáng môi trường cũng làm lệch; hỏa kế vì thế có sai số lớn và giá thành cao hơn các loại tiếp xúc.

Một giới hạn về bản chất cần nhớ: cảm biến hồng ngoại chỉ đo nhiệt độ bề mặt, không phản ánh nhiệt độ bên trong vật thể. Miếng thịt nướng có thể cháy đen bên ngoài trong khi ruột còn lạnh; thiết bị hồng ngoại chỉ thấy lớp ngoài. Muốn biết nhiệt ruột, vẫn phải cắm đầu dò vào trong.

Bên cạnh đó, nhóm hồng ngoại ngày càng nhỏ gọn và rẻ dần, nên ngoài nhà máy nó còn lọt vào các thiết bị tự động hóa và ngành y tế, nơi cần đo nhanh hàng loạt người qua cửa. Với việc chẩn đoán sức khỏe thì con số từ thiết bị này chỉ mang tính sàng lọc, không thay thế nhiệt kế y tế đúng chuẩn.

Nhiệt kế thủy ngân và rượu: dạng cổ điển vẫn quen thuộc

Trước khi có mạch điện, người ta đã đo nhiệt bằng nhiệt kế chứa thủy ngân hoặc rượu trong ống thủy tinh. Chất lỏng nở ra khi nóng, thể tích tăng tuyến tính theo nhiệt độ, kéo cột chất lỏng trôi lên trên vạch khắc; người đọc chỉ việc nhìn con số trên thang hiệu chuẩn ghi theo Celsius, Fahrenheit hoặc Kelvin.

Nguyên lý nở vì nhiệt của chất lỏng chính là tổ tiên của mọi cảm biến nhiệt độ hiện đại: cùng một tư duy quy một đại lượng khó đo thành đại lượng dễ đọc. Nhiệt kế thủy tinh không nối được với hệ thống tự động, không ghi số tự động, và thủy ngân còn là kim loại nguy hại khi ống vỡ, nên nó dần nhường chỗ cho các loại điện tử. Nhưng trong tủ thuốc của nhiều gia đình, trong phòng thí nghiệm học sinh, ống thủy tinh vẫn là hình ảnh đầu tiên khi nhắc tới chữ nhiệt kế.

Cảm biến nhiệt độ hiện diện ở đâu quanh bạn

Ống thủy tinh trong tủ thuốc chỉ là một trong nhiều nơi cảm biến nhiệt độ đang làm việc lặng lẽ. Bên trong chiếc tủ lạnh đang rì rì ở góc bếp cũng có một bộ phận nhỏ, mỗi lúc một giờ đo nhiệt độ buồng lạnh rồi quyết định máy nén nên chạy hay nên nghỉ. Bộ phận tương tự nằm dưới mặt bếp từ, trong ấm siêu tốc, trên thân máy ô tô và trong tủ bảo quản vaccine của trạm y tế.

Ít ai đếm, nhưng quanh một căn nhà và một ngày làm việc, thiết bị đo nhiệt xuất hiện nhiều hơn cả ổ cắm điện. Vị trí của nó cho biết công việc nó phải làm, và mỗi môi trường lại đòi hỏi một kiểu hoạt động khác nhau.

Trong công nghiệp: giữ cho lò nung, lò hơi, dây chuyền không quá nhiệt

Nhà máy là nơi thiết bị này làm việc vất vả nhất. Nó được gắn vào bồn đun nước, bồn đun dầu, lò nung, lò sấy và hàng loạt máy móc khác. Nhiệm vụ đơn giản nhưng không được sai: báo đúng lúc nhiệt vượt ngưỡng để hệ thống ngừng cấp nhiệt. Thiếu tín hiệu đó, lò hơi quá tải, dây băng tải nóng đỏ, và cháy nổ hay hỏng hóc chỉ là chuyện sớm muộn.

Ở dây chuyền sản xuất, việc kiểm soát nhiệt không dừng ở mức cảnh báo. Ngành hóa chất, thực phẩm và dược phẩm đều cần nhiệt độ giữ đúng trong một khoảng hẹp: men nở trong lò bánh, dung dịch phản ứng trong bồn khuấy, thuốc được sấy ở mức quy định. Nhờ vậy, con số đo được trở thành đầu vào của cả quy trình tự động. Máy móc tự điều chỉnh van, bơm và nguồn nhiệt theo từng giây mà không cần người đứng canh.

Giám sát nhiệt còn là cách tiết kiệm tiền điện nước. Hệ thống làm lạnh, hệ thống sưởi và các thiết bị vận hành liên tục trong nhà máy nếu đo sai sẽ chạy thừa công suất hoặc thiếu công suất. Đo đúng thì năng lượng được phân bổ vừa đủ, máy móc bền hơn và hóa đơn cuối tháng nhẹ hơn.

Một số ngành có yêu cầu riêng. Trong dầu khí, cảm biến nhiệt độ được dùng để phát hiện rò rỉ, vì điểm nóng bất thường trên đường ống thường là dấu hiệu đầu tiên của sự cố; phát hiện sớm giúp ngăn tai nạn trước khi nó lan rộng. Trong ngành thực phẩm, việc duy trì nhiệt phù hợp suốt chuỗi bảo quản và chế biến quyết định sản phẩm có hỏng hay không. Còn ở các tòa nhà văn phòng, hệ thống điều hòa trung tâm, cấp thoát nước và cả hệ thống chữa cháy đều có đầu đo nhiệt của riêng mình, chạy ngày đêm mà người trong tòa gần như không bao giờ thấy.

Trong y tế và gia đình: nhiệt kế điện tử, tủ lạnh, bếp, thiết bị đeo

Gần gũi nhất với mọi nhà là chiếc nhiệt kế điện tử. Đầu dò kim loại nhỏ chạm vào nách hay trán, vài giây sau hiện con số. Ở bệnh viện, cách đo này còn được dùng để theo dõi thân nhiệt bệnh nhân liên tục. Nhiệt tăng bất thường là tín hiệu sớm để nhân viên y tế can thiệp, phát hiện cơn sốt hay dấu hiệu nhiễm trùng trước khi người bệnh kịp cảm nhận.

Nơi khác trong bệnh viện, đầu đo nằm trong tủ bảo quản vaccine. Vaccine chỉ sống sót trong khoảng nhiệt rất hẹp, nên tủ phải ghi nhiệt độ liên tục và lưu lại dữ liệu để đối chiếu tiêu chuẩn bảo quản; nhiệt lệch một lần cũng có thể hỏng cả lô. Phòng mổ và kho dược phẩm cũng được giám sát theo cách tương tự, vì ở đó nhiệt độ là một phần của chất lượng điều trị.

Về nhà, bếp từ là ví dụ dễ thấy nhất. Dưới mỗi vùng nấu có một rơ le nhiệt; khi nồi nóng quá, bếp tự ngắt và nhấp nháy mã lỗi E1 trên bảng điều khiển. Việc nấu nướng an toàn hơn: tránh cháy khét, tránh rủi ro chập điện, và tiết kiệm được phần nhiệt năng không cần thiết. Còn cảm biến chống trào đặt ở bảng điều khiển, tự tắt bếp khi nước sôi trào ra mặt bếp. Ai từng nấu canh rồi bị gọi ra cửa vội đều biết chi tiết này đáng giá thế nào.

Chiếc tủ lạnh trong bếp cũng vậy, chỉ khác cơ chế. Bên trong nó là rơ le nhiệt độ, gồm hai loại: loại có tiếp điểm đóng cắt máy nén, thường lắp cho ngăn bảo quản đông, và loại điều chỉnh cửa gió, thường lắp cho ngăn bảo quản lạnh. Loại thứ nhất hoạt động theo chu kỳ quen thuộc: khi nhiệt độ buồng lạnh giảm dưới mức yêu cầu, tiếp điểm ngắt và máy nén nghỉ; khi nhiệt tăng quá mức cho phép, hộp xếp đẩy cơ cấu lật đóng mạch, máy nén chạy trở lại. Cơ cấu đòn bẩy bên trong biến độ giãn nở của hộp xếp thành động tác đóng ngắt dứt khoát, không cần ai điều khiển.

Các thiết bị nhỏ khác trong nhà cũng có đầu đo nhiệt của riêng mình: ấm siêu tốc tự ngắt khi nước sôi, bình nóng lạnh giữ mức nước ấm ổn định, điều hòa đo nhiệt phòng để quyết định gió mạnh hay nhẹ, và đầu báo cháy phát hiện nhiệt độ tăng bất thường trong phòng. Ngay cả tivi, máy giặt và đồng hồ đo nhiệt độ treo tường cũng dựa vào một linh kiện điện trở nhạy nhiệt để làm việc; trong mạch cấp nguồn, linh kiện này còn kiêm nhiệm vụ ngăn quá nhiệt.

Một chi tiết ít ai ngờ: thiết bị đo nhiệt siêu nhỏ đã nằm trong điện thoại, đồng hồ thông minh và các thiết bị đeo trên tay. Chip cần biết nhiệt độ của chính nó để tránh nóng quá, và con số đó đôi khi được ứng dụng đọc thành nhiệt môi trường xung quanh, dù độ chính xác không thể so với nhiệt kế y tế chuyên dụng.

Trên ô tô: đồng hành cùng động cơ và điều hòa

Trên xe hơi, đầu đo quan trọng nhất là cảm biến nhiệt độ nước làm mát, gắn trên thân máy, gần họng nước làm mát, đôi khi nằm trên nắp máy. Nó làm việc cùng ECU, tức Bộ điều khiển điện tử nhận tín hiệu từ các cảm biến để điều khiển động cơ. ECU gửi một điện áp quy định đến cảm biến; bên trong là điện trở nhiệt NTC, nhiệt độ tăng thì điện trở giảm và ngược lại, nên điện áp về đến ECU thay đổi theo nhiệt nước làm mát.

Từ con số đó, ECU quyết định ba việc: lượng phun nhiên liệu, thời điểm đánh lửa và bật tắt quạt két nước. Động cơ lạnh cần phun dày hơn, động cơ nóng cần quạt gió chạy; mọi điều chỉnh đều dựa trên tín hiệu nhiệt gửi về từng khoảnh khắc. Ngoài bộ phận này, xe còn theo dõi nhiệt pin trên xe điện và nhiệt trong hệ điều hòa, để cabin mát vừa đủ và pin không bị quá nhiệt khi sạc hay chạy đường dài.

Trong nhà thông minh: đo từ xa, tự động bật tắt thiết bị theo ngưỡng nhiệt

Ở nhà, thế hệ thiết bị mới nhất bỏ dây và kết nối internet. IoT, tức mạng thiết bị kết nối internet, cho phép cảm biến nhiệt độ truyền dữ liệu và được giám sát từ xa. Việc đo nhiệt nhờ vậy lên một tầng khác: con số không còn nằm trên màn hình nhỏ của thiết bị mà được gửi lên đám mây, xem được từ điện thoại ở bất kỳ đâu, và hệ thống có thể tự phân tích để cảnh báo khi có gì bất thường.

Cách lắp đặt cũng đơn giản hơn tưởng tượng. Lấy một cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không dây, tháo miếng cách điện của pin để kích hoạt, mở ứng dụng trên điện thoại, vào trang Thêm thiết bị rồi quét mã QR trên thân cảm biến hoặc tìm tên nó trong danh sách. Nhấn giữ nút reset khoảng ba giây đến khi đèn xanh nhấp nháy ba lần là thiết bị kết nối với Hub trung tâm. Trước khi lắp cố định, nhấn reset một lần để kiểm tra liên kết ổn định ở vị trí đó; sau đó bóc phim bảo vệ mặt sau và dán lên tường, kệ hay cửa sổ tùy nơi cần theo dõi.

Điều thú vị nằm ở phần kịch bản tự động. Đặt ngưỡng nhiệt độ vượt 30 độ C thì điều hòa hoặc quạt tự bật; dưới 20 độ C thì máy sưởi tự khởi động; phòng ngủ giữ ổn định 24 độ C thì thiết bị làm mát tự tắt để tiết kiệm điện. Cả chuỗi việc ấy chạy suốt đêm mà không cần ai thao tác.

Xu hướng tiếp theo đã hiện rõ: cảm biến thông minh tích hợp AI, tự học chu kỳ nhiệt của ngôi nhà, phân tích dữ liệu từ xa và tối ưu vận hành thay cho việc chỉ báo số. Trong nhà máy, cảm biến nhiệt không dây cũng đang thay dần hệ thống dây nối cồng kềnh, cho phép lắp đặt linh hoạt ở khu vực khó tiếp cận. Do đó, thứ từng nằm trong tủ lạnh hay lò sấy giờ có thể nằm ở bất kỳ góc nào cần biết nhiệt, và báo về nơi người dùng đang đứng.

Chọn đúng cảm biến nhiệt độ và tránh những lỗi đo thường gặp

Cảm biến giờ có thể nằm ở bất kỳ góc nào cần biết nhiệt, nhưng chọn sai loại ngay từ đầu thì mọi phép đo sau đều lệch, dù mạch đọc có tinh đến đâu. Gắn một thermistor vỏ nhựa vào lò nung, chưa kịp lấy số đầu tiên lớp vỏ đã biến dạng. Vì vậy, trước khi mua, cần xác định bốn điều cơ bản, rồi mới tính tới số dây, các lỗi lắp đặt hay gặp và cách giữ cho thiết bị đo đúng trong thời gian dài.

Chọn theo dải nhiệt, môi trường và độ chính xác cần thiết

Có một bước không nên bỏ trước khi mua hay lắp đặt: viết ra bốn điều gồm mục đích sử dụng, phạm vi nhiệt độ cần đo, sai số cho phép và thời gian đo. Bốn mục này quyết định gần như mọi lựa chọn còn lại, vì thiết bị tốt nhất cho phép đo này có thể vô dụng cho phép đo kia. Chọn loại phù hợp với đúng khu vực cần đo còn giúp tăng năng suất, giảm rủi ro và chi phí phát sinh về sau.

Ở vùng nhiệt rất cao như lò nung, lò hơi, cặp nhiệt điện là lựa chọn quen thuộc; loại này sinh ra để làm việc ở nơi nhiều thiết bị khác phải rút lui. Khi cần độ chính xác cao trong dải vừa phải, RTD thường được nhắc tới đầu tiên; một số hướng dẫn còn khuyên dùng RTD cho các phép đo dải hẹp. Nếu ưu tiên chi phí thấp, thermistor là lựa chọn rẻ, dễ cài đặt và sử dụng, hợp với dải đo hẹp; RTD và cặp nhiệt điện giá cao hơn nhưng chính xác hơn, trong đó RTD muốn đạt độ chính xác cao nhất thì phải đi kèm thiết bị hỗ trợ. Môi trường khắc nghiệt nghiêng về cặp nhiệt điện; môi trường ổn định thì thermistor rẻ mà vẫn hiệu quả. Trong nhà máy và phòng thí nghiệm, người ta dùng RTD hoặc cặp nhiệt chuyên dụng.

Với các việc đời thường, gợi ý rõ hơn: dự án STEM nên dùng LM35 hoặc DHT11; ứng dụng IoT, nhà thông minh hợp với DHT22 hoặc DS18B20; đo nhiệt ngoài trời nên chọn DS18B20 vì chống nước; cần đo nhanh với chi phí thấp thì thermistor NTC là đủ. Mặt khác, đừng gắn thiết bị chính xác cao vào việc chỉ cần biết nóng hay lạnh; loại rẻ mà đủ dùng vẫn thắng trong bài toán này.

Trước khi chốt, đối chiếu ba nhóm thông số: phạm vi nhiệt độ cùng khả năng chịu môi trường, chống ẩm chống bụi; độ chính xác và độ nhạy phù hợp yêu cầu đo, ổn định và ít biến dạng theo thời gian; đầu nối và giao diện truyền thông tương thích với hệ thống đo lường, điều khiển. Thiếu một trong ba nhóm ấy, thiết bị mua về dễ trở thành món đồ dùng một lần.

Số dây quyết định độ chính xác: 2, 3 hay 4 dây

Cùng một đầu dò RTD nhưng nhà sản xuất bán ba phiên bản: hai dây, ba dây và bốn dây. Sự khác biệt nằm ở điện trở của chính dây dẫn: dòng điện phải đi qua đoạn dây này để về mạch đo, và điện trở của nó cộng thẳng vào giá trị của phần tử cảm biến, khiến máy đọc sai đi một chút.

Phiên bản hai dây đơn giản và rẻ nhất, cũng phổ biến nhất trên thị trường, nhưng chính xác thấp nhất trong ba loại. Loại này chỉ phù hợp khi dây dẫn ngắn, điện trở thấp và điện áp thấp; đoạn dây càng dài thì sai số cộng vào càng lớn.

Kỹ thuật ba dây thêm một dây thứ ba có nhiệm vụ bù điện trở của dây dẫn, nhờ đó loại bỏ phần sai số đáng kể nhất. Đây là cấu hình được dùng nhiều nhất trong công nghiệp, đủ chính xác cho hầu hết phép đo sản xuất mà chi phí vẫn hợp lý.

Bốn dây bù hoàn toàn ảnh hưởng của điện trở dây dẫn, cho kết quả chính xác nhất; cấu hình này chủ yếu làm việc trong phòng thí nghiệm, nơi phép đo phải đạt độ chính xác cao nhất. Theo tài liệu kỹ thuật, RTD bốn dây giảm ảnh hưởng của điện trở dây dẫn đi một nửa so với cách nối thông thường. Có điều, muốn dùng hết ưu thế của ba hay bốn dây thì mạch đo phía sau cũng phải tương thích; gắn đầu dò chuẩn vào bộ đọc đơn giản thì phần bù ấy không phát huy tác dụng. RTD vẫn có thể nối thêm dây khi cần, với điều kiện hàn kỹ, dùng dây tốt, chống nhiễu và kiểm tra bằng đồng hồ đo điện trước khi đưa vào hoạt động.

Các nguyên nhân khiến kết quả đo bị sai lệch

Ngay cả thiết bị đúng loại, lắp sai cách vẫn cho số sai. Nguyên nhân hay gặp nhất là phần tử cảm biến tự nóng lên: dòng điện chạy qua nó sinh nhiệt do hiệu ứng Joule, khiến nó đo cả nhiệt của chính mình lẫn nhiệt môi trường. Tiêu chuẩn EN 60751 quy định dòng đo không vượt quá 1 mA để hạn chế hiện tượng này. Chi tiết ít người để ý: ở cùng nhiệt độ, phần tử đặt trong nước tự nóng ít hơn khi đặt trong không khí, vì nước dẫn nhiệt tốt nên phần nhiệt sinh ra thoát đi nhanh.

Ngâm không đủ sâu là lỗi thứ hai, và sai số có thể lên tới vài độ C. Độ sâu ngâm tối thiểu phụ thuộc điều kiện đo vật lý cùng kích thước và độ bền nhiệt của phần tử; đầu dò cắm hờ ở miệng ống sẽ đọc được nhiệt của không khí tại miệng ống chứ không phải nhiệt của chất lỏng bên trong.

Điện trở cách điện giảm khi đầu dò dùng ở nhiệt độ quá cao, rung lắc mạnh hoặc gặp tác nhân vật lý, hóa học. Lớp cách điện giữa ruột dẫn và vỏ ngoài phải đủ lớn, nhất là ở nhiệt độ cao, nếu không sẽ chập cháy và cho kết quả lệch. Độ ẩm và rung động còn ảnh hưởng tới độ bền của vật liệu nhạy bên trong, làm thiết bị nhanh hao mòn; bản thân thiết bị cũng có thể hỏng do nhiệt độ cực đoan hoặc nhiễu điện từ.

Giá trị ghi nhận được phải trùng với nhiệt độ của môi trường cần đo; nếu nhiệt độ thiết bị cảm nhận khác nhiệt độ môi trường, phép đo tự động sai lệch. Vì vậy vị trí lắp đặt quyết định một nửa kết quả: không đặt gần nguồn nhiệt trực tiếp như nắng, đèn sưởi hay máy điều hòa, không chọn nơi nhiệt độ quá lớn, rung động mạnh hoặc có hóa chất ăn mòn. Với phép đo nhiệt trong phòng, nhiều hướng dẫn khuyên đặt ở độ cao 1,2 m đến 1,5 m tại vị trí thông thoáng.

Cặp nhiệt điện thêm một điểm cần nhớ: loại này nhạy với nhiễu điện từ, cần hệ thống bảo vệ tốt, và không nên nối thêm dây vì tín hiệu chỉ ở mức mili-volt, nối dài bao nhiêu suy hao bấy nhiêu; đoạn dây nên để thông thoáng, không dính vào môi trường cần đo. Khi lắp vào bộ khuếch đại, chú ý đúng ký hiệu cực âm dương của tín hiệu. Thermistor thì ngược lại, cần ép chặt vào bề mặt cần đo để tiếp xúc tốt, đồng thời tránh làm hỏng lớp vỏ bảo vệ.

Chẳng hạn, ngay trên điện thoại, việc đo nhiệt cũng chịu ba tác nhân quen thuộc: độ ẩm, ánh sáng mặt trời và ốp lưng; muốn số đọc chính xác hơn, nên đo khi máy chưa quá nóng và không đeo ốp. Quy tắc ấy đúng cho hầu hết đầu dò: bỏ qua những gì che phủ hoặc làm nóng thêm phần tử cảm biến, số đọc sẽ đáng tin.

Bảo dưỡng, hiệu chuẩn và kết nối vào hệ thống đo lường

Thiết bị mua về dùng sai cách thì hư nhanh hơn tuổi thọ của nó. Việc đầu tiên vẫn là đọc kỹ hướng dẫn sử dụng của nhà sản xuất, vì mỗi dòng sản phẩm có giới hạn riêng về nhiệt, điện áp và cách lắp. Bảo quản nơi khô ráo, thoáng mát, tránh độ ẩm cao hoặc nhiệt độ quá cao; khi cần vệ sinh, dùng khăn mềm lau đầu dò và vỏ ngoài, tránh bụi bẩn tích tụ ảnh hưởng thu nhận dữ liệu. Với thiết bị có phần mềm, cập nhật firmware (phần mềm nhúng) định kỳ để máy đạt hiệu suất tối ưu và nhận thêm các bản vá bảo mật.

Hiệu chuẩn là việc không thể hoãn: thiết bị dùng cho mục đích đo chính xác cần được hiệu chuẩn theo chu kỳ, và hiệu chỉnh ngay khi phát hiện giá trị lệch so với giá trị chuẩn. Một đầu dò không hiệu chuẩn vẫn chạy, nhưng số liệu nó đưa ra không còn đáng tin để ra quyết định.

Khi cần đưa số liệu về bộ điều khiển, PLC (Bộ điều khiển logic khả trình, thiết bị điều khiển tự động trong công nghiệp mà cảm biến nhiệt độ có thể nối vào) nhận tín hiệu qua module analog 4-20mA hoặc 0-10V, module chuyên dụng, hoặc giao thức Modbus. Can nhiệt xuất tín hiệu dạng mV nên cần bộ chuyển đổi ra 4-20mA trước khi đưa về điều khiển; nhiều cảm biến công nghiệp có sẵn ngõ ra 4-20mA để nối thẳng vào PLC. Bộ chuyển đổi 4-20mA có thể lắp thay cho bảng đấu nối ở đầu nối của đầu dò. Cảm biến analog như LM35 cần nguồn ổn định và chống nhiễu tốt. Đổi lại, nếu chỉ cần đọc số tại chỗ, một bộ hiển thị kèm đầu dò là đủ, không cần mạch phức tạp. Trong nhà máy thông minh, bảo mật dữ liệu của thiết bị đo cũng cần được chú trọng để tránh rủi ro bị xâm nhập.

Bài viết thuộc Góc đọc Xuân của Chúc Mừng Năm Mới.