CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ PT100: PHÂN LOẠI, CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Trong hệ thống đo lường công nghiệp, nhiệt độ và áp suất là hai thông số quan trọng cần được theo dõi liên tục. Nếu như việc đo áp suất thường sử dụng cảm biến áp suất hoặc đồng hồ cơ thì cảm biến nhiệt độ PT100  là thiết bị tiêu chuẩn trong việc giám sát nhiệt độ. Với độ chính xác cao, độ ổn định lâu dài là lựa chọn phổ biến trong nhiều lĩnh vực như HVAC, lò hơi, sản xuất thực phẩm.... Vậy cảm biến nhiệt độ PT100 là gì? Hoạt động như thế nào? Cùng tìm hiểu trong bài chia sẻ dưới đây nhé!

Cảm biến nhiệt độ PT100 là gì?

Cảm biến nhiệt độ PT100 là loại thiết bị dùng để đo nhiệt độ thông qua 1 que dòa cảm biến có tích hợp Platinium bên trong. Thành phần Platinium được xem là thành phần quan trọng của cảm biến nhiệt độ PT100. Nó sử dụng nguyên tắc của sự thay đổi điện trở của dây bạch kim (platinum) theo nhiệt độ để xác định nhiệt độ hiện tại.

Cảm biến PT100 là loại RTD đặc biệt với giá trị điện trở tiếp xúc chuẩn 100-ohm ở nhiệt độ 0°C. Khi nhiệt độ tăng, điện trở của cảm biến PT100 cũng tăng theo hệ số cố định. Sự thay đổi điện trở này được đo và chuyển đổi thành tín hiệu nhiệt độ

Nguyên lý hoạt động của cảm biến PT100

Cảm biến RTD PT100 không đo nhiệt độ trực tiếp mà đo sự thay đổi điện trở của một vật liệu dẫn điện, cụ thể là platinum theo nhiệt độ. Đây là lý do vì sao nhiều người nghe đến cụm từ “càng nóng thì điện trở càng tăng” nhưng chưa hiểu rõ mức độ tăng này là bao nhiêu và sao nó lại chính xác đến vậy.

Nguyên lý cảm biến RTD – biến thiên điện trở

PT100 là một loại cảm biến RTD (Resistance Temperature Detector), hoạt động dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, điện trở của sợi platinum bên trong cảm biến cũng thay đổi theo.

• Tại 0°C, điện trở tiêu chuẩn của PT100 là 100 ohm
• Tại 100°C, điện trở tăng lên khoảng 138.5 ohm

Nhờ đặc tính ổn định và tuyến tính của platinum, PT100 có thể đo nhiệt độ một cách chính xác và lặp lại cao trong dải nhiệt rộng, phù hợp với nhiều môi trường công nghiệp.

• PT100 là một loại RTD – Resistance Temperature Detector
• Khi nhiệt độ tăng, điện trở của vật liệu platinum tăng theo
• Chính sự thay đổi này được đo lại để suy ra nhiệt độ

Đường cong nhiệt độ – điện trở có tuyến tính?

Trong dải từ -200°C đến +850°C, điện trở của platinum tăng gần như tuyến tính theo nhiệt độ. Tuy nhiên vẫn có độ cong nhẹ ở các điểm đầu và cuối dải đo. Để đảm bảo độ chính xác trong tính toán, người ta thường sử dụng:

• Bảng tra điện trở – nhiệt độ (bảng R–T chuẩn IEC 60751)
• Công thức nội suy Callendar–Van Dusen để tính toán chính xác giá trị nhiệt độ từ điện trở đo được

Lợi thế khi đo bằng nguyên lý này

Nhờ hoạt động theo nguyên lý đo sự thay đổi điện trở của vật liệu platinum, cảm biến RTD PT100 mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại cảm biến nhiệt khác như thermocouple hay cảm biến nhiệt điện thông thường:

• Độ ổn định lâu dài: Cảm biến nhiệt độ PT100 có tuổi thọ cao, hoạt động ổn định trong thời gian dài mà không giảm độ chính xác.
• Độ chính xác cao: Với khả năng phản hồi tuyến tính và sai số thấp, nhiệt điện trở PT100 cho độ chính xác cao hơn các loại cảm biến nhiệt độ khác, trong dải nhiệt độ thấp đến trung bình (0–400°C).
• Dễ dàng hiệu chuẩn lại: Nhờ có cấu trúc đon giản và dải sai số rõ ràng, người dùng dễ dàng hiệu chuẩn cảm biến RTD PT100 theo tiêu chuẩn quốc tế như IEC 60751, đảm bảo chất lượng đo lường trong các hệ thống kiểm soát nghiêm ngặt.

Công thức tính và bảng tra nhiệt độ

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ PT100 dựa trên thay đổi điện trở của dây bạch kim theo biến đổi nhiệt độ. Dây bạch kim PT100 có một điện trở đặc trưng tại một nhiệt độ tham chiếu, thường là 0°C. Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở của dây bạch kim PT100 cũng thay đổi theo một quy luật xác định. Theo định luật của Callendar-Van Dusen, điện trở R của PT100 có thể được biểu diễn dưới dạng phương trình.

R = R₀ * (1 + A * T + B * T^2 + C * (T – 100) * T^3)

Trong đó:

• R là điện trở của PT100 tại một nhiệt độ T
• R₀ là điện trở của PT100 tại nhiệt độ tham chiếu (thường là 0°C)
• A, B, C là hệ số nhiệt độ, được xác định từ đặc tính điện trở của PT100.

Dựa vào đo đạc điện trở của PT100, ta có thể suy ra giá trị nhiệt độ tương ứng theo phương trình trên.

Phân loại cảm biến PT100 theo số dây

Trong quá trình lựa chọn và lắp đặt cảm biến nhiệt độ PT100, một yếu tố kỹ thuật quan trọng mà kỹ sư cần nắm rõ chính là số dây kết nối của cảm biến. Hiện nay, cảm biến PT100 thường có 3 loại cấu hình phổ biến: 2 dây, 3 dây và 4 dây mỗi loại phù hợp với từng ứng dụng và yêu cầu độ chính xác khác nhau.

PT100 2 dây, 3 dây, 4 dây khác nhau thế nào?

• Cảm biến nhiệt độ PT100 2 dây

PT100 2 dây là loại đơn giản nhất với cấu tạo gồm 1 dây cấp dòng điện và 1 dây đọc tín hiệu điện trở. Dễ lắp đặt, giá thành rẻ nhưng có một số hạn chế: Không bù được điện trở của dây dẫn, sai số tăng đáng kể nếu chiều dài dây lớn hơn 1 mét. Vì vậy, cảm biến nhiệt độ PT100 2 dây chỉ phù hợp cho các ứng dụng dân dụng hoặc khoẳng cách rất ngắn.

• Cảm biến nhiệt độ PT100 3 dây

PT100 3 dây là loại được sử dụng phổ biến nhất trong các nhà máy và hệ thống điều khiển công nghiệp. Bằng cách bổ sung dây thứ ba, cảm biến này sử dụng nguyên lý cầu điện trở (Wheatstone bridge) để bù trừ điện trở dây dẫn, giảm sai số đáng kể.

- Độ chính xác cao hơn loại 2 dây

- Ổn định khi sử dụng trong khoảng cách dây từ 1–10 mét

- Tương thích tốt với PLC, DCS và các bộ điều khiển công nghiệp

• Cảm biến nhiệt độ PT100 4 dây

PT100 4 dây có hai dây dẫn dòng điện và hai dây đọc điện áp đầu cuối. Thiết kế này loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của điện trở dây, giúp đạt độ chính xác cao trong tất cả các loại. Thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, môi trường hiệu chuẩn hoặc những ứng dụng đo lường khắt khe.

- Sai số gần như bằng 0, ngay cả với dây dài

- Tương thích với thiết bị đo chuẩn hoặc module analog 4 dây chuyên dụng

So sánh và cách chọn đúng loại

Để lựa chọn đúng loại cảm biến nhiệt độ PT100 2 dây, 3 dây hay PT100 4 dây bạn nên cân nhắc kỹ các yếu tố như: độ dài dây dẫn, yêu cầu độ chính xác, môi trường ứng dụng và thiết bị đọc tín hiệu đầu cuối.

Bảng tổng hợp so sánh chi tiết PT100 2 dây – 3 dây – 4 dây

Cách chọn loại PT100 phù hợp theo tình huống

Việc lựa chọn đúng loại cảm biến nhiệt độ PT100 không chỉ phụ thuộc vào giá thành mà còn phải căn cứ vào khoảng cách dây dẫn, độ chính xác yêu cầu và thiết bị thu tín hiệu. Dưới đây là hướng dẫn chọn loại PT100 2 dây, 3 dây và 4 dây theo từng tình huống thực tế:

Khi nào nên dùng cảm biến PT100 2 dây?

Lựa chọn cảm biến nhiệt độ PT100 2 dây thì chọn dây tín hiệu ngắn dưới 1 mét, hệ thống không yêu cầu độ chính xác cao, ưu tiên giá rẻ, lắp đặt đơn giản. Phù hợp với các thiết bị dân dụng, mô hình đơn giản hoặc thử nghiệm tạm thời.

Khi nào nên dùng cảm biến PT100 3 dây?

Trường hợp sử dụng cảm biến PT100 3 dây khi khoảng cách dây từ 1 đến 10 mét. Đầu nối vào PLC, DCS, bộ điều khiển công nghiệp và yêu cầu độ chính xác cao nhưng vẫn muốn tối ưu chi phí. Loại cảm biến này sử dụng trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp như HVAC, nồi hơi, dây chuyền sản xuất.

Khi nào nên dùng PT100 4 dây?

Bạn nên chọn loại cảm biến nhiệt độ PT100 4 dây nếu ứng dụng trong phòng thí nghiệm hoặc đo chính xác cao. Dây tín hiệu dài hơn 10 mét, cần hiệu chuẩn thiết bị đo lường hoặc có thiết bị đọc tín hiệu hỗ trợ 4 dây. Phù hợp cho các hệ thống yêu cầu sai số cực thấp, đo lường chuẩn hóa hoặc trong môi trường kiểm định, hiệu chuẩn.

Cấu tạo và các loại đầu dò cảm biến nhiệt độ PT100

Bên cạnh nguyên lý hoạt động và số dây kết nối, việc hiểu rõ cấu tạo và các dạng đầu dò cảm biến PT100 cũng rất quan trọng khi lựa chọn thiết bị phù hợp cho từng môi trường ứng dụng. Tùy theo yêu cầu lắp đặt và điều kiện thực tế, đầu dò PT100 có thể được thiết kế theo nhiều dạng khác nhau như que cứng, dây mềm hay đầu cắm tiêu chuẩn.

Cấu tạo bên trong cảm biến PT100

• Phần cảm biến: Là lõi platinum tinh khiết có điện trở danh định 100 ohm tại 0°C. Đây là thành phần chính phản ứng với nhiệt độ, thường được chế tạo theo chuẩn IEC 60751.
• Dây kết nối: Thường sẽ là loại PT100 2 dây, 3 dây, 4 dây. Mỗi loại dây sẽ có một chức năng và nhiệm vụ riêng.
• Sứ cách nhiệt: Phần này sẽ ngăn chặn sự đoản mạch và cách điện các dây kết nối với vỏ bảo vệ.
• Chất làm đầy: Bao gồm bột alumina cực mịn, được sấy khô. Tác dụng làm lấp đầy khoảng trống để bảo vệ cảm biến khỏi những rung động.
• Vỏ bảo vệ: Là lớp kim loại bao bọc bên ngoài (thường làm bằng inox 304 hoặc 316), có chức năng bảo vệ phần tử sensing khỏi tác động cơ học, độ ẩm hoặc hóa chất.
• Đầu kết nối: Chứa phần bảng mạch, dùng để đấu dây cảm biến. Trong phần đầu này, bộ chuyển đổi từ tín hiệu điện của PT100 sang tín hiệu điện trở của PT100 sang tín hiệu 4-20mA sẽ được cho vào.

Phân loại đầu dò theo hình dạng và ứng dụng

Hiện nay, đầu dò PT100 được thiết kế với nhiều dạng hình học để đáp ứng đa dạng nhu cầu thực tế:

Dạng que cứng (Inflexible probe)

• Thường có hình trụ bằng inox, chịu được áp suất và nhiệt độ cao.
• Ứng dụng: lò hơi, khuôn đúc, đường ống áp suất.

Dạng dây mềm (Flexible lead wire)

• Phần đầu dò bằng platinum được nối với dây mềm chịu nhiệt
• Dễ lắp đặt ở các vị trí nhỏ hẹp, uốn cong linh hoạt
• Ứng dụng trong các hệ HVAC, máy CNC, tủ sấy, tủ lạnh công nghiệp

Đầu vặn ren (Threaded probe)

• Tích hợp ren vặn để dễ dàng cố định vào vỏ bọc hoặc ống dẫn.
• Ứng dụng trong các bể chứa, thiết bị trao đổi nhiệt, ống dẫn nhiệt.

Đầu cắm tiêu chuẩn (Connector type)

• Có đầu kết nối tiêu chuẩn (DIN, M12...) để dễ đấu nối, bảo trì.
• Ứng dụng trong hệ thống máy móc công nghiệp, hệ đo lường tự động hóa.

Bảng tra nhiệt độ tiêu chuẩn PT100

Khi sử dụng cảm biến nhiệt độ PT100, việc hiểu và ứng dụng bảng tra nhiệt độ PT100 là điều bắt buộc để có thể chuyển đổi chính xác giữa giá trị điện trở và nhiệt độ. Bảng tra này giúp kỹ sư và người dùng tra cứu nhanh giá trị nhiệt độ tương ứng với điện trở đo được từ cảm biến.

Bộ chuyển đổi tín hiệu PT100 sang 4–20mA, 0–10V

Trong các hệ thống điều khiển và giám sát công nghiệp, cảm biến nhiệt độ PT100 được kết nối với các thiết bị như PLC, DCS, HMI... Tuy nhiên, tín hiệu đầu ra của PT100 là dạng điện trở, không thể đọc trực tiếp bởi hầu hết các thiết bị điều khiển phổ thông. Lúc này, việc sử dụng bộ chuyển đổi PT100 sang 4–20mA hoặc 0–10V là giải pháp lý tưởng giúp đảm bảo tính tương thích, ổn định và chính xác.

Tại sao cần bộ chuyển đổi?

Việc sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu PT100 mang lại nhiều lợi ích quan trọng trong vận hành thực tế:

• Tín hiệu điện trở không tương thích với PLC hoặc các module analog tiêu chuẩn. Bộ chuyển đổi giúp biến đổi tín hiệu này thành dòng (4–20mA) hoặc điện áp (0–10V) để dễ dàng kết nối và xử lý.
• Giảm nhiễu và suy hao tín hiệu: Tín hiệu dòng 4–20mA có khả năng chống nhiễu rất tốt và truyền ổn định trên khoảng cách xa (tới hàng trăm mét), đảm bảo tín hiệu đo không bị ảnh hưởng bởi môi trường công nghiệp khắc nghiệt.
• Tăng độ chính xác hệ thống: Chuyển đổi tín hiệu giúp loại bỏ các sai số nội suy khi dùng bảng tra thủ công, đồng thời hỗ trợ giám sát liên tục.

Các loại phổ biến và cách chọn

Hiện nay, bộ chuyển đổi PT100 có nhiều dòng sản phẩm với kiểu dáng và tín hiệu đầu ra khác nhau, phù hợp với từng mục đích sử dụng:

Theo loại tín hiệu đầu ra

• Bộ chuyển đổi PT100 sang 4–20mA: Phổ biến nhất trong công nghiệp, dễ tích hợp với PLC, biến tần, bộ điều khiển PID.
• Bộ chuyển đổi PT100 sang 0–10V: Dùng khi hệ thống yêu cầu tín hiệu điện áp, thường thấy trong các hệ thống dân dụng hoặc điều khiển HVAC.

Theo kiểu lắp đặt

• Gắn tủ điện (DIN rail): Phù hợp lắp trong tủ điều khiển trung tâm.
• Dạng tích hợp đầu dò: Thiết kế nhỏ gọn, tích hợp sẵn trên đầu cảm biến để tiết kiệm không gian và dây nối.

Ứng dụng thực tế của cảm biến PT100

Hiện nay, cảm biến nhiệt độ công nghiệp PT100 được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực sản xuất – từ thực phẩm, dược phẩm đến cơ khí, năng lượng, y tế và nghiên cứu khoa học. Nhiệm vụ chính của thiết bị này là chuyển đổi nhiệt độ thực tế thành tín hiệu điện, giúp hệ thống xử lý dữ liệu để kiểm soát nhiệt độ, đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động của toàn bộ dây chuyền.

Lĩnh vực công nghiệp

Cảm biến nhiệt độ PT100 được sử dụng để đo nhiệt độ trong các quá trình sản xuất như: lò nung, lò hơi, lò sấy, lò nấu, hệ thống làm lạnh và hệ thống điều khiển nhiệt độ.

Ngành dược phẩm và thực phẩm

Trong các môi trường sản xuất yêu cầu tiêu chuẩn khắt khe về nhiệt độ, ứng dụng cảm biến PT100 giúp: Kiểm soát nhiệt độ trong quy trình lên men, nấu chảy, tiệt trùng, giám sát nhiệt độ kho bảo quản, đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn và chất lượng.

Ngành y tế và thiết bị y khoa

Đối với lĩnh vực y tế, cảm biến nhiệt độ PT100 dùng để đo thiết bị tiệt trùng, nồi hấp, máy xét nghiệm, đo nhiệt độ điện tử, cảm biến kiểm tra thiết bị y tế và phục vụ chẩn đoán và nghiên cứu lâm sàng.

Hệ thống HVAC

Trong lĩnh vực điều hòa không khí, thông gió và làm lạnh, PT100 đóng vai trò: đo nhiệt độ gió, nước, chất làm lạnh trong hệ thống HVAC, điều khiển bộ xử lý trung tâm và tối ưu mức tiêu thụ năng lượng. Ứng dụng trong các tòa nhà thông minh, trung tâm dữ liệu, khách sạn.

Ngành ô tô

Trong lĩnh vực ô tô, cảm biến nhiệt độ PT100 được tích hợp để đo nhiệt độ nước làm mát, dầu động cơ. Giám sát hệ thống kiểm soát nhiệt độ cabin và hỗ trợ kiểm tra hiệu suất và an toàn động cơ.

Cảm biến nhiệt độ PT100 là thiết bị đo nhiệt độ chính xác cao được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực. Việc tìm hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động và lựa chọn đúng cảm biến nhiệt độ sẽ giúp doanh nghiệp tối ưu hóa hiệu suất vận hành, giảm sai số và nâng cao độ an toàn cho hệ thống.