Để hỗ trợ cho việc đo nhiệt độ ở các điều kiện môi trường khác nhau, các hãng sản xuất đã nghiên cứu chế tạo ra cặp nhiệt điện với nhiều ứng dụng đa dạng trong đời sống và sản xuất.

Trong bài viết này CNSG sẽ “điểm danh” top 10 cặp nhiệt điện tốt nhất trên thị trường hiện nay cho người dùng tham khảo.

Cặp nhiệt điện là gì?

Cặp nhiệt điện là gì (1)
Cặp nhiệt điện là gì (1)

Cặp nhiệt điện có tên tiếng anh là thermocouples hay còn còn được gọi với tên gọi khác là can nhiệt, thiết bị cặp nhiệt điện này được ứng dụng để đo nhiệt độ cao.

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại cặp nhiệt điện đa dạng về hãng sản xuất và công năng khác nhau, nó cũng sẽ có những 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

Cấu tạo của cặp nhiệt điện
Cấu tạo của cặp nhiệt điện

Cấu tạo chính của một can nhiệt điện thường sẽ gồm 5 bộ phận:

  • Measuring junction: Bao gồm 2 thanh kim loại, được làm từ vật liệu khác nhau, sau đó hàn 1 đầu với nhau.
  • Thermocouple wires: Phần dây kết nối bộ điều khiển và phần đo nhiệt.
  • Ceramic insulators: Lá sứ cách nhiệt có tác dụng để giữ dây can nhiệt loại cách điện dọc theo chiều dài đầu dò.
  • 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.
  • 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)

Nguyên lý của cặp nhiệt điện
Nguyên lý của cặp nhiệt điện

Các can nhiệt điện 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 nhiệt độ và cả yếu tố về vật liệu dây dẫn.

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.

10 loại cặp nhiệt điện tốt nhất

1. Can nhiệt loại K (Niken-Crom / Niken-Alumel)

Đặc điểm của cặp nhiệt điện này là 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 can nhiệt loại K 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 loại cặp nhiệt điện này còn giúp tiết kiệm chi phí tối đa cho người dùng.

2. Cặp nhiệt điện loại J (Iron / Constantan)

Đặc điểm nổi bật nhất của cặp nhiệt điện loại J 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 cặp nhiệt điện loại J này có tuổi thọ ngắn hơn so với loại K nhưng do có khả năng làm việc tốt, có độ chính xác cao trong phạm vị nhiệt rộng, ưu điểm tiết kiệm chi phí nên cũng khá thông dụng.

3. Can nhiệt loại T (Đồng / Constantan)

So với các loại cặp nhiệt loại K và cặp nhiệt điện loại T thì Thermocouple có tính ổn định nhất và chuyên dùng cho ứng dụng trong các môi trường nhiệt độ thấp, kho 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 yêu cầu về nhiệt độ cao thì ngoài can S thì người ta sẽ dùng R nhưng chi phí cao hơn nên người dùng 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 thấy nhất là ở nơi có nhiệt độ rất cao như các lò đốt, các nhà máy chuyên về công nghiệp sinh học, lò hơi, dược phẩm. 

Ưu điểm nổi bật nhất của can nhiệt loại S này 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 cặp nhiệt điện loại B này 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 cặp nhiệt điện loại này 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

Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Thiết bị cặp nhiệt điện này được ứng dụng trong các ngành chế biến thức ăn, sản xuất đồ uống, sản xuất thực phẩm. 

Hiệu quả của cặp nhiệt điện trong ngành thực phẩm hỗ trợ rất tốt giúp kiểm soát nhiệt lò nướng, kiểm soát nhiệt độ ấm nước, làm đầu dò thâm nhập, giám sát bếp điện hoạt động…

Ứng dụng nền 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 sấy, lò nung thường 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

Ứng dụng của cặp nhiệt điện cũng rất phù hợp cho 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.