Hướng dẫn cảm biến nhiệt độ: Loại, nguyên lý làm việc và các yếu tố lựa chọn

Nhiệt độ là một trong những biến số được đo thường xuyên nhất trong công nghiệp, tuy nhiên cảm biến nhiệt độ thường được chọn muộn trong một dự án. Chúng ta đã thấy mô hình này nhiều lần: đầu dò được chọn sau khi đường ống, lò nướng, bể chứa hoặc bảng điều khiển đã được thiết kế. Kết quả thường là sự thỏa hiệp về tốc độ phản hồi, mức độ lắp đặt phù hợp hoặc thời gian sử dụng. Một cách tiếp cận thực tế hơn là hiểu cảm biến phải làm gì, sau đó kết hợp phần tử cảm biến, bảo vệ, lắp đặt và đầu ra tín hiệu với công việc.

Cảm biến nhiệt độ thực sự đo được những gì

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị chuyển đổi điều kiện nhiệt thành tín hiệu có thể đọc, truyền hoặc điều khiển. Tín hiệu đó có thể là giá trị điện trở, điện áp nhỏ, vòng dòng điện hoặc số đọc kỹ thuật số. Yếu tố cảm nhận chỉ là một phần của câu chuyện. Trong sử dụng công nghiệp, cảm biến thường bao gồm vỏ bảo vệ, lớp cách nhiệt, đầu kết nối, kết nối quy trình và đôi khi là bộ phát tích hợp.

Đây là lý do tại sao hai cảm biến có tuyên bố về độ chính xác tương tự nhau có thể hoạt động rất khác nhau. Thời gian đáp ứng phụ thuộc vào khối lượng và tiếp xúc nhiệt. Độ ổn định phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ hoạt động. Tuổi thọ sử dụng phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ rung, độ ẩm và độ sâu lắp đặt. Theo kinh nghiệm của chúng tôi, một cảm biến trông có vẻ chính xác trên giấy tờ có thể gây thất vọng nếu việc lắp ráp không phù hợp với điều kiện quy trình thực tế.

Các loại cảm biến nhiệt độ chính

Hầu hết các phép đo nhiệt độ công nghiệp đều thuộc một số nhóm: cặp nhiệt điện, đầu dò nhiệt độ điện trở, nhiệt điện trở và cảm biến hồng ngoại. Nhiệt kế lưỡng kim cũng phổ biến cho chỉ dẫn địa phương, trong khi cảm biến kỹ thuật số nhỏ gọn phục vụ các ứng dụng thiết bị và phòng thí nghiệm. Mỗi loại có sự cân bằng khác nhau về phạm vi, độ chính xác, tốc độ và chi phí.

Cặp nhiệt điện thường được chọn cho lò nung, đường ống xả và các quy trình nhiệt độ cao vì chúng chịu được nhiệt độ và độ rung cực cao. RTD được ưu tiên khi độ ổn định và độ chính xác là vấn đề quan trọng, đặc biệt là trong các ứng dụng công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, phân tích và nhiệt độ thấp. Điện trở nhiệt rất hữu ích trong các thiết bị nhỏ gọn, nơi độ nhạy quan trọng hơn phạm vi rộng. Cảm biến hồng ngoại giúp ích khi việc tiếp xúc là không thực tế, nhưng chúng cần nhắm mục tiêu cẩn thận và có cái nhìn thực tế về độ phát xạ bề mặt.

Đối với các dự án cần tham chiếu điện trở ổn định, PT100 Loại A 316 RTD trực tiếp tại nhà máy là điểm khởi đầu thiết thực cho nhiều nhiệm vụ ở nhiệt độ trung bình.

Đầu dò cảm biến nhiệt độ Class A 316 RTD PT100 Đầu dò Pt100 trực tiếp tại nhà máy bao phủ từ -200 đến 450°C, với độ chính xác Loại A và kết cấu bằng thép không gỉ 316 để tham chiếu khả năng chịu nhiệt độ trung bình ổn định. Xem sản phẩm →

Cảm biến nhiệt độ hoạt động như thế nào trong thực tế

Cặp nhiệt điện sử dụng hiệu ứng Seebeck: hai kim loại khác nhau tạo ra một điện áp nhỏ khi các điểm nối của chúng ở nhiệt độ khác nhau. Điểm nối đo nằm trong quy trình, trong khi điểm nối tham chiếu thường ở các đầu cuối hoặc bên trong máy phát. Đây là lý do tại sao việc bù điểm lạnh lại quan trọng. Nếu không có nó, kết quả đọc có thể thay đổi khi đầu kết nối nóng lên hoặc nguội đi.

Một RTD hoạt động khác nhau. Điện trở của nó tăng theo cách có thể dự đoán được khi nhiệt độ tăng. Ví dụ, PT100 có điện trở danh nghĩa là 100 ohm ở 0°C. Vì sự thay đổi điện trở nhỏ nên điện trở chì có thể ảnh hưởng đến độ chính xác. Kết nối ba dây và bốn dây giúp bù lại điện trở của cáp. Điện trở nhiệt cũng thay đổi điện trở theo nhiệt độ, nhưng thường theo hướng dốc hơn, phi tuyến tính trong phạm vi hẹp hơn.

Cảm biến hồng ngoại đọc bức xạ nhiệt phát ra từ một bề mặt. Chúng không đo nhiệt độ không khí trực tiếp và không thể nhìn xuyên qua vật cản. Độ phát xạ, kích thước mục tiêu, khoảng cách và phản xạ nền đều ảnh hưởng đến kết quả. Đối với tất cả các loại cảm biến, hệ thống dây tín hiệu tốt, tấm chắn và nối đất là một phần của hệ thống đo lường chứ không phải là các tính năng bổ sung tùy chọn.

• Phần tử cảm biến phản ứng với nhiệt độ.
• Vỏ bọc bảo vệ phần tử và dẫn nhiệt.
• Đầu kết nối bảo vệ thiết bị đầu cuối và hệ thống dây điện.
• Bộ phát hoặc bộ điều khiển chuyển đổi tín hiệu thành đầu ra có thể sử dụng được.

Các yếu tố lựa chọn quan trọng hơn bảng dữ liệu

Bảng dữ liệu đưa ra điểm khởi đầu hữu ích nhưng nó không mô tả toàn bộ quá trình cài đặt. Trước khi chọn cảm biến nhiệt độ, hãy xác nhận những điều sau:

• Phạm vi nhiệt độ: Dành khoảng trống cho các điều kiện khởi động, làm sạch hoặc khó chịu.
• Độ chính xác và độ lặp lại: Quyết định xem bạn cần dữ liệu xu hướng nhất quán hay độ chính xác tuyệt đối.
• Thời gian đáp ứng: Đầu dò mỏng phản hồi nhanh hơn nhưng có thể kém chắc chắn hơn.
• Môi trường xử lý: Kiểm tra sự ăn mòn, áp suất, độ rung, độ ẩm và rửa trôi.
• Độ sâu ngâm: Vùng cảm biến phải đạt đến nhiệt độ quy trình đại diện.
• Gắn kết: Các phụ kiện ren, mặt bích, kẹp, từ tính hoặc nén đều phù hợp với các nhiệm vụ khác nhau.
• Đầu ra tín hiệu: Khớp cảm biến với bộ điều khiển, PLC hoặc đầu vào máy phát.
• Quyền truy cập bảo trì: Lập kế hoạch kiểm tra, thay thế và hiệu chuẩn.

Nó cũng giúp suy nghĩ về cái giá phải trả của một lựa chọn sai lầm. Một cảm biến giá rẻ bị hỏng sớm có thể đắt hơn nhiều so với một bộ cảm biến phù hợp hơn, đặc biệt khi nó gây ra thời gian ngừng hoạt động hoặc lô hàng bị từ chối.

Kết hợp cảm biến với quy trình

Các ngành công nghiệp khác nhau yêu cầu những điều khác nhau về cảm biến nhiệt độ. Trong dịch vụ hóa dầu và khí tự nhiên, đầu dò có thể cần vỏ bọc chắc chắn, bịt kín và bảo vệ khỏi thời tiết hoặc môi trường ăn mòn. Trong sản xuất hóa chất và hóa chất hàng ngày, khả năng tương thích với bình chứa, đường ống và thói quen vệ sinh là rất quan trọng. Máy móc thực phẩm cần có đầu dò hợp vệ sinh, bề mặt nhẵn và vật liệu phù hợp với quá trình rửa trôi và tiếp xúc với sản phẩm. Các thiết bị phân tích thường cần các cảm biến nhỏ gọn, ổn định, vừa vặn bên trong một vỏ bọc nhỏ.

của chúng tôi trang ứng dụng ngành nhóm các yêu cầu này lại để việc lựa chọn bắt đầu từ quy trình chứ không phải từ số danh mục. Đối với lò nung, lò nung và thiết bị nhiệt độ cao, đầu dò loại K bằng thép không gỉ được định mức ở 1.200 ° C là lựa chọn phổ biến khi không khí và vật liệu vỏ bọc phù hợp.

Cảm biến cặp nhiệt điện loại K 1200°C cho lò công nghiệp Đầu dò cặp nhiệt điện loại K bằng thép không gỉ dành cho cảm biến lò công nghiệp nhiệt độ cao, có các cấp dung sai và phạm vi đo được liệt kê để lựa chọn. Xem sản phẩm →

Đối với công việc trong phòng thí nghiệm và thực phẩm ở nhiệt độ thấp hơn, đầu dò PT100 hoặc PT1000 có vỏ bọc bằng thép không gỉ dành cho thực phẩm có thể phù hợp hơn. Để đo bề mặt trên đường ống hoặc cuộn, cảm biến tự dính hoặc cảm biến từ tính có thể đơn giản hóa việc lắp đặt. Điều quan trọng là phải đặt hình dạng đầu dò phù hợp với bề mặt, không đặt đầu dò tiêu chuẩn vào vị trí khó xử.

Ghi chú lắp đặt và bảo trì

Nhiều vấn đề về đo nhiệt độ bắt đầu khi lắp đặt. Đầu dò quá ngắn, quá lỏng hoặc bịt kín kém sẽ không báo cáo nhiệt độ quy trình một cách đáng tin cậy. Hãy xem xét những điểm thực tế sau:

1. Nhúng đầu dò đủ sâu để đạt đến nhiệt độ quy trình, đồng thời giữ đầu kết nối trong giới hạn nhiệt độ của chính nó.
2. Sử dụng chất bịt kín ren hoặc miếng đệm thích hợp và tránh siết chặt ren côn quá mức.
3. Đưa cáp tín hiệu ra xa cáp nguồn và sử dụng tấm chắn ở những nơi có nhiễu điện.
4. Hỗ trợ các đầu dò dài trong môi trường có độ rung cao và kiểm tra độ mỏi ở mối hàn hoặc ren.
5. Cách nhiệt các phần tiếp xúc khi điều kiện môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng đến kết quả đọc.
6. Ghi lại số đọc cơ bản và kiểm tra hiệu chuẩn ở khoảng thời gian hợp lý.

Một cảm biến không cần phải phức tạp để có độ tin cậy cao, nhưng nó cần được lắp đặt cẩn thận như thiết bị mà nó bảo vệ.

Đầu ra tín hiệu, điều khiển và giám sát từ xa

Cảm biến nhiệt độ hiếm khi hoạt động một mình. Trong vòng điều khiển hiện đại, cảm biến cung cấp năng lượng cho máy phát, bộ điều khiển, PLC hoặc hệ thống giám sát từ xa. Một bộ phát cục bộ được gắn trong đầu kết nối có thể giảm tiếng ồn và đơn giản hóa việc đi dây. Đầu ra 4–20 mA vẫn được sử dụng rộng rãi vì nó bền bỉ khi chạy cáp dài và dễ tích hợp. Đầu ra kỹ thuật số và bộ điều khiển hiển thị rất hữu ích khi cần đọc và cấu hình cục bộ.

Máy phát phải được chọn phù hợp với loại cảm biến, phạm vi và môi trường. Bộ truyền nhiệt độ tích hợp được cách ly hoàn toàn có thể giúp tách mạch đo khỏi vòng lặp trên mặt đất và nhiễu điện, điều này rất có giá trị trong các dự án trang bị thêm và các nhà máy gây ồn điện.

Máy phát nhiệt độ tích hợp hoàn toàn biệt lập Bộ phát hai dây được cách ly hoàn toàn cho các đầu vào RTD, cặp nhiệt điện, điện trở và điện áp, cung cấp đầu ra 4–20 mA cho các cài đặt ồn ào hoặc trang bị thêm. Xem sản phẩm →

Về mặt điều khiển, bộ điều khiển PID, bộ chỉ báo tương tự và nhiệt kế lưỡng kim, mỗi bộ đều có một vai trò khác nhau. Bộ điều khiển phải phù hợp với đầu vào cảm biến, phạm vi nhiệt độ và đầu ra yêu cầu. Để giám sát từ xa, hãy lập kế hoạch sớm đường dẫn tín hiệu và nguồn điện vì cảm biến tốt không thể bù đắp cho vòng lặp được thiết kế kém.

Danh sách kiểm tra thực tế trước khi bạn đặt hàng

Trước khi đặt hàng, hãy ghi lại phạm vi nhiệt độ của quy trình, độ chính xác cần thiết, giao diện cài đặt, điều kiện môi trường xung quanh, chiều dài cáp và đầu ra mong muốn. Thêm bản phác thảo của điểm lắp nếu có sẵn. Thông tin này hữu ích hơn nhiều so với một số kiểu máy, đặc biệt khi cảm biến tiêu chuẩn cần một sửa đổi nhỏ để phù hợp.

• Nhiệt độ bình thường và tối đa là bao nhiêu?
• Quá trình này ở dạng lỏng, khí, bề mặt hay bán rắn?
• Loại ren, mặt bích hoặc kẹp nào có sẵn?
• Chiều dài chèn có thể là bao nhiêu?
• Khu vực này có ẩm ướt, bụi bặm, ăn mòn hoặc dễ nổ không?
• Bộ điều khiển hoặc PLC mong đợi đầu vào nào?
• Cảm biến sẽ được kiểm tra hoặc thay thế như thế nào?

Nếu bất kỳ điểm nào trong số này không chắc chắn, gửi cho chúng tôi các điều kiện quy trình và một bản phác thảo đơn giản. Một cuộc trò chuyện kỹ thuật ngắn khi bắt đầu thường ngăn cản việc điều chỉnh kéo dài sau này và giúp đảm bảo rằng cảm biến nhiệt độ bạn nhận được thực sự phù hợp với công việc mà nó phải làm.