Tiếp theo chuỗi bài viết về thiết bị kỹ thuật thì hôm nay Thủy Khí Điện sẽ giới về cặp nhiệt điện. Chắc chắn chúng ta, ai cũng nghe đến nó 1 lần hoặc với cái tên can nhiệt nhưng lại chưa thật sự hiểu về cấu tạo, cách thức phân loại và những lỗi thường dẫn đến sự cố khi nó hoạt động. Tất tần tật sẽ có trong bài viết này.
Cặp nhiệt điện là gì?
Cặp nhiệt điện hay còn còn gọi là can nhiệt, có tên tiếng anh là thermocouples là thiết bị ứng dụng để đo nhiệt độ cao.
Không phải các can nhiệt nào cũng giống nhau. Nó sẽ có ứng dụng và khả năng đo nhiệt khác nhau nên cần phải lựa chọn kỹ trước khi sử dụng để phù hợp.
Cấu tạo của cặp nhiệt điện
Một can nhiệt sẽ gồm 5 bộ phận:
1. Measuring junction: Bao gồm 2 thanh kim loại, được làm từ vật liệu khác nhau, sau đó hàn 1 đầu với nhau.
2. Thermocouple wires: Phần dây kết nối bộ điều khiển và phần đo nhiệt.
3. Ceramic insulators: Là sứ cách nhiệt dùng để giữ dây can nhiệt loại cách điện dọc theo chiều dài đầu dò.
4. Protective sheath: Lớp bảo vệ của thermocouple. Lớp này có thể làm được từ inox đối với loại chuyên dùng cho nhiệt 1200 độ C. Còn riêng các loại có thang đo 1200 độ C thì lớp này làm bằng sứ.
5. Connection head: Nó chứa các dây kết nối cũng là nơi mà chứa các bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện.
Nguyên lý của cặp nhiệt điện (Thermocouples)
Các can nhiệt hiện nay đều được thiết kế hoạt động theo nguyên lý: Hiệu ứng Seebeck. Đây là một hiệu ứng được 1 nhà vật lý học người Đức phát hiện vào năm 1821.
Với ông, khi điểm kết nối của 2 sợi đây đặt vào những nơi mà nhiệt độ khác nhau thì nó sẽ tạo ra sự dịch chuyển của các electron. Chính sự dịch chuyển này mà nó tạo ra một điện áp nhỏ tại dầu của 2 dây.
Điện áp này hoàn toàn bị chi phối bởi vật liệu dây dân và nhiệt độ.
Nhìn hình trên, 2 sợi dây của cặp nhiệt điện sẽ được hàn tại điểm nóng. Điểm này là nơi dùng để đo nhiệt độ. Điểm lạnh là nơi mà nhiệt độ đã được xác định, biết trước. Đưa điểm nóng vào vị trí cần đo nhiệt thì nhiệt độ tại đó tăng lên, điện áp ở tại điểm lạnh cũng sẽ tăng và tăng không tuyến tính. Lúc này người ta đo điện áp ở điểm lạnh thì sẽ biết được nhiệt tại điểm nóng.
Xem ngay: Cảm biến nhiệt độ là gì? Nguyên lý và ứng dụng
Các loại cặp nhiệt điện
1. Can nhiệt loại K (Niken-Crom / Niken-Alumel)
Đặc điểm của nó: Dãy đo rộng dao động từ -270 độ C đến 1200 độ C, tỉ lệ sai số thấp chỉ dao động trong khoảng từ +/-2.2 độ C hoặc 0.75%. Đó cũng chính là lý do mà nó trở nên phổ biến và được dùng nhiều nhất hiện nay. Ngoài độ chính xác cao, phạm vi làm việc với nhiệt độ lớn thì nó còn giúp tiết kiệm chi phí cho người dùng.
2. Cặp nhiệt điện loại J (Iron / Constantan)
Đặc điểm nổi bật nhất của nó chính là phạm vị nhiệt độ làm việc rất rộng từ -210 đến 760 độ C và tỉ lệ sai số rất thấp. Trong 1 số ứng dụng thì nó chỉ rơi vào khoảng +/-1.1 độ C hoặc 0.4% hoặc +/-2.2 độ C hoặc 0.75%.
Tuy nó có tuổi thọ ngắn hơn so với loại K nhưng do có khả năng làm việc tốt, chính xác cao trong phạm vị nhiệt rộng, tiết kiệm chi phí nên cũng khá thông dụng.
3. Can nhiệt loại T (Đồng / Constantan)
So với các loại trên thì Thermocouple có tính ổn định nhất và chuyên dùng cho ứng dụng nhiệt độ thấp, đông lạnh.
Đặc điểm của thiết bị: Phạm vị nhiệt làm việc từ -270 độ đến 370 độ C và sai số tiêu chuẩn ở mức +/- 1.0 độ C hoặc +/- 0.75%. Người dùng có thể tùy chỉnh sai số thấp nhất chỉ nằm trong +/- 0.5 độ C hoặc 0.4%.
4. Cặp nhiệt điện loại E (Niken-Crom / Constantan)
Riêng đối với các can nhiệt E thì dải nhiệt rộng từ -270 đến 870 độ C. Tín hiệu của thiết bị cho ra mạnh hơn. Nếu so sánh với loại J hay K thì nó có độ chính xác cao hơn.
Sai số tiêu chuẩn của thiết bị mà người dùng cần cân nhắc đó là +/- 1.7 độ C hoặc +/- 0.5%. Một số trường hợp thì có thể tùy chỉnh sai số thấp nhất là +/- 1.0 độ C hoặc 0.4%.
5. Can nhiệt loại N (Nicrosil / Nisil)
Tuy có cùng độ chính xác và giới hạn nhiệt độ giống loại can nhiệt K nhưng giá bán cao hơn, chi phí nhiều hơn.
Thông số: Dải nhiệt có phạm vi hẹp hơn từ -270 độ C đến 392 độ C và sai số tiêu chuẩn nằm ở mức +/- 2.2 độ C hoặc +/- 0.75%. Ngoài ra, người dùng có thể tùy chọn sai số thấp nhất: +/- 1.0 độ C hoặc 0.4%.
6. Cặp nhiệt điện loại R (Platinum Rhodium -13% / Bạch kim)
Để sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao thì ngoài can S thì người ta sẽ dùng R nhưng chi phí cao hơn nên cần cân nhắc trước khi chọn lựa.
Nhiệt hoạt động từ -50 đến 1500 độ C. Sai số tiêu chuẩn của loại R là +/- 1.5C hoặc +/-.25% hoặc cũng có thể đạt sai số thấp nhất: +/- 0.6C hoặc 0.1%.
7. Can nhiệt loại S (Bạch kim Rhodium – 10% / Bạch kim)
Ứng dụng của can nhiệt R thường thất là ở nơi có nhiệt độ rất cao như các nhà máy chuyên về công nghiệp sinh học, các lò đốt, lò hơi, dược phẩm. Ưu điểm nổi bật nhất của nó chính là ổn định cao, chính xác tốt. Lớp vỏ làm bằng sứ, tăng khả năng bảo vệ và độ bền.
Thiết bị có phạm vi nhiệt rộn từ -50 đến 1600 độ C và sai số thấp tiêu chuẩn từ +/- 1.5C hoặc +/- 0.25% hoặc có thể tùy chọn sai số thấp nhất: +/- 0.6 độ C hoặc 0.1%.
8. Cặp nhiệt điện loại B (Platinum Rhodium – 30% / Platinum Rhodium – 6%)
Tuy ít được sử dụng hơn những loại còn lại nhưng nó lại có giới hạn nhiệt độ cao nhất, là đề cử đầu tiên khi muốn tìm các cặp nhiệt làm việc môi trường nhiệt cực cao. Thiết bị có độ chính xác, ổn định.
Dải nhiệt có phạm vi rộng từ 0 đến 1700 độ C và độ sai số tiêu chuẩn hầu như rất thấp /-0.5% hoặc thấp nhất là: +/-0.25.
9. Thermocouple loại W3
Đặc điểm của nó là cực dương chứa 3% rheni và cực âm có 25% rheni.Nó không sử dụng trong môi trường không khí hoặc là khí quyển oxi hóa.
10. Thermocouple loại W5
Đây là loại can nhiệt đo nhiệt độ ở mức rất cao, lên đến 2310 độ C. Trong cấu tạo của nó có cực âm vonfram chứa 25% rheni, vonfram cực dương, chứa 3% rheni.
Ứng dụng của cặp nhiệt điện
Cho ngành thực phẩm
Thiết bị này được ứng dụng trong các ngành sản xuất đồ uống, chế biến thức ăn, sản xuất thực phẩm. Nó giúp kiểm soát nhiệt lò nướng, làm đầu dò thâm nhập, kiểm soát nhiệt độ ấm nước, giám sát bếp điện hoạt động…
Cho nhiệt độ thấp
Những can nhiệt như E, K, T và N được ưu tiên để đo nhiệt độ xuống -200°C. Hãng phải chọn hợp kim để sử dụng cho từng loại để đảm bảo nó có thể làm việc và đáp ứng được mức nhiệt độ đó.
Đối với hợp kim cặp nhiệt điện đã được hiệu chuẩn thì sẽ sử dụng trong môi trường 0 độ C trở lên. Những hợp kim này cũng có thể làm việc -200 độ C tuy nhiên độ chính xác lại không được đảm bảo tuyệt đối. Để khắc phục thì người ta sẽ mua hiệu chuẩn riêng lẻ để xác định giá trị bù đắp.
Cho máy đùn
Đối với hoạt động của chiếc máy đùn thì nó luôn đòi hỏi nhiệt độ cao và áp suất cao. Vì thế mà các nhà máy thường sẽ lắp 1 bộ chuyển đổi ren để có thể định vị các đầu cảm biến tại vị trí trong nhựa nóng chảy và áp cao.
Cho lò nung
Những can nhiệt dùng cho lò nung, lò sấy phải phù hợp về các điều kiện sau: Khả năng chịu nhiệt của dây, của vỏ bọc, của lớp phủ bảo vệ. Cấu hình kết nối và không khí nơi nó làm việc (không khí, inert hay oxi hóa).
Cho kim loại nóng chảy
Do kim loại nóng chảy ở nhiệt độ rất cao và điều kiện khắc nghiệt nên người ta sẽ dùng loại cặp nhiệt điện bạch kim loại R, S hoặc dòng cơ bản Loại K và N loại B để có thể tiếp xúc và thực hiện phép đo.
Loại kim loại cơ bản thì dây can nhiệt là dây rắn với đường kính lớn # 8 hoặc # 14 AWG. Ống bảo vệ bằng sứ hoặc kim loại, chất cách điện thường bằng sứ. Đối với loại K, N sẽ xuống cấp chậm hơn để có thời gian cho các phép đo chính xác khi nhiệt cao là yếu tố khiến suy giảm dây nhanh.
Các lỗi thường gặp của can nhiệt
Tất nhiên trong quá trình sử dụng và lắp đặt, chúng ta sẽ gặp nhiều lỗi dẫn đến sự cố nhưng nhìn chung thì hay gặp nhất là lỗi:
Đấu dây sai cách
Không chỉ riêng thiết bị này mà bất kể các thiết bị nào khi đấu dây sai thì đều gặp sự cố vì thế nên cần phải thực hiện 1 cách cẩn thận. Lúc nối dây từ can nhiệt vào biến tần hay các PLC thì chú ý để tránh đấu dây sai làm can nhiệt không hiển thị.
Một số khách hàng thường nhầm giữa loại cảm biến nhiệt độ Pt100 2 dây với các loại thermocouple có 2 dây kết nối duy nhất.
Chọn sai thang đo nhiệt độ
Việc chưa có kiến thức đúng về thiết bị sẽ dẫn đến việc chọn nhầm thiết bị. Các cặp nhiệt điện luôn là yếu tố nên quan tâm hàng đầu, bởi nó cực kỳ quan trọng khi quyết định đến tuổi thọ và độ bền.
Hậu quả của việc chọn sai thang đo chính là khi lắp vào, thiết bị sẽ bị hỏng nhanh chóng và không làm việc được. Riêng đối với các loại can nhiệt được làm bằng sứ thì nó có thể gây nổ, khá nguy hiểm.
Không dùng bộ chuyển đổi
Do can nhiệt có tín hiệu ngõ ra là dạng điện áp mV nên khi truyền đi xa chắc chắn sẽ bị nhiễu và sụt áp. Đây là một lỗi thường gặp nhưng chúng ta hoàn toàn có thể xử lý 1 cách dễ dàng.
Để khắc phục tình trạng này thì người ta phải sử dụng thêm các bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện để cho ra các tính hiệu 4-20mA. Tại sao là tín hiệu 4-20mA mà không phải là một con số khác? Bởi vì nó hầu như không bị nhiễu và không bị suy giảm khi truyền đi xa.
Các tiêu chuẩn chọn Thermocouple
Theo kinh nghiệm của TKĐ thì để chọn được một Thermocouple thì cần phải lựa theo các tiêu chuẩn sau đây:
+ Đầu tiên là dãy đo nhiệt độ. Nhiệt độ môi trường, môi chất là bao nhiêu? Từ đó mới chọn được dãy đo của can nhiệt. Bí quyết của chúng tôi là chọn loại có dãy đo chuẩn sao cho luôn cao hơn một mức so với nhiệt độ sử dụng trong hệ thống để đảm bảo độ bền của thiết bị.
+ Tiếp theo là xác định đúng khoảng cách lắp đặt cụ thể là bao nhiêu milimet.
+ Như chúng tôi đã nói ở trên thì có rất nhiều loại can nhiệt như: loại K, loại J, loại T, loại E, loại N, loại R, loại S, loại B, Thermocouple loại W3, loại W5… Khách hàng phải tham khảo thật kỹ các thông số của từng loại để chọn sao cho phù hợp.
+ Tiếp theo là chọn kiểu kết nối cho cảm biến vì hiện nay, thông dụng là có kết nối mặt bích hoặc kết nối ren.
+ Cũng không nên bỏ qua việc xem xét khả năng ăn mòn.
+ Tín hiệu của ngõ ra là 4 -20 mA hay 0 – 10 V.
+ Thông số của thiết bị thường được hãng thể hiện trong catalogue gồm chiều dài cảm biến cần đo có thể là 20 mm, 30 mm,… 2000 mm và kích cỡ của đường kính cảm biến cần đo: 1 mm, 2 mm,… 27 mm.
Cuối cùng là yếu tố hãng sản xuất, giá thành của sản phẩm, chế độ bảo hành. Một thiết bị tốt và phù hợp là khi nó đáp ứng các tiêu chí về thông số, có giá cả phải chăng, chế độ bảo hành hay đổi trả được quy định cụ thể.
Thermocouple khác gì với RTD PT100
So với can nhiệt thì rtd pt100 tuy có nhiều điểm tương đồng nhưng vẫn có những nét riêng để phân biệt như:
+ Kích thước can nhiệt nhỏ gọn hơn.
+ Số lượng dẫn của Thermocouple là 2 trong khi đó các Rtd pt100 thì có loại 2 dây hoặc 3 dây và 4 dây.
+ Giá thành của thiết bị này rẻ hơn, dễ dàng hơn so với cảm biến nhiệt pt100 mua được tại các công ty, cửa hàng.
+ Và cuối cùng đó chính là độ bền, thời gian sử dụng của nó vượt trội hơn so với loại rtd pt100.
