RTD là dòng cảm biến nhiệt độ được chọn lựa và sử dụng nhiều nhất trên thị trường hiện nay trong sản xuất, các hệ thống kiểm soát nhiệt độ và nhiều ứng dụng khác. Thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi điện trở theo nhiệt độ để đo, ghi nhận các giá trị nhiệt độ mang lại tính chính xác cao và ổn định. Vậy RTD là gì, cấu tạo và cơ chế hoạt động như thế nào, cùng Mstar Corp tìm hiểu ngay bây giờ nhé.
RTD là gì?
Cảm biến nhiệt độ RTD (Resistance Temperature Detector) là thiết bị được sử dụng để đo lường, kiểm soát và theo dõi nhiệt độ vận hành của hệ thống, nhà máy, thiết bị… thông qua nguyên tắc điện trở. RTD dùng trong các ngành công nghiệp cùng với Thermocouple.
RTD có thiết kế là 1 dây kim loại hoặc 1 thanh kim loại mà điện trở phụ thuộc theo sự thay đổi của nhiệt độ. RTD cũng được gọi là điện trở, có 1 số loại phổ biến như: Ni100, Pt100, Ni500, Pt500, Pt1000. Trong đó Pt100 là loại sử dụng phổ biến nhất trên thị trường, chiếm tới 90% nhu cầu của thị trường. Do đó cảm biến RTD được nhiều người dùng gọi với tên cảm biến Pt100.
RTD có cấu tạo như thế nào?
RTD có cấu tạo bao gồm đầu dò là 2, 3, 4 dây kim loại từ vật liệu tinh khiết như platium (Pt100, Pt500, Pt1000) hay niken (Ni100, Ni500, Ni1000) hoặc đồng. Loại phổ biến nhất là loại làm từ 3 dây Platinum có độ tinh khiết lên đến 99,99% mang đến độ chính xác cao.
Các loại RTD có đầu dò làm từ niken có dải đo thấp hơn, độ ổn định, độ chính xác và độ bền thấp hơn nên ít được sử dụng. Tuy nhiên dòng này có lợi thế ít chịu ảnh hưởng của khoảng cách đọ.
Hiện nay, có 2 dạng RTD cơ bản là:
- RTD dạng củ hành (có phần đầu bảo vệ cầu đấu nối ở phía trên)
- RTD dạng dây
Cấu tạo chung của Resistance Temperature Detector về cơ bản giống nhau bao gồm các bộ phận chính sau đây:
- Đầu kết nối (Connection head): Connection head thường được sản xuất từ nhôm aluminium, gang dẻo cast iron hoặc thép không gỉ stainless steel. Đầu kết nối có tác dụng bảo vệ cầu đấu nối, dây tín hiệu bên trong. Thông thường RTD dạng dây sẽ không có đầu kết nối này.
- Kết nối cơ khí (Process connection): Process connection là phần kết nối để cố định đầu dò nhiệt độ RTD vào hệ thống/ thiết bị, phổ biến có 2 loại là kết nối ren hoặc kết nối mặt bích.
- Đầu dò cảm biến (Sensing element): Sensing element là phần chứa kim loại (Platium/ Niken), có chức năng cảm nhận trực tiếp giá trị nhiệt độ thông qua sự thay đổi điện trở, để truyền tín hiệu về điều khiển hoặc thiết bị hiển thị.
Cơ chế hoạt động của RTD
Nguyên lý hoạt động của Resistance Temperature Detector là chuyển đổi nhiệt độ cần đo thành tín hiệu điện trở. Nhờ cơ chế này, RTD trở thành phương pháp chính xác để theo dõi và đo nhiệt độ trong các quy trình kiểm soát nhiệt độ và trong công nghiệp.
- Khi nhiệt độ môi trường ở đầu dò của điện trở thay đổi thì đầu cảm biến xuất hiện 1 điện trở, mỗi giá trị nhiệt độ thay đổi cho ra 1 giá trị điện trở. Giá trị điện trở tỉ lệ thuận với giá trị nhiệt độ mà cảm biến đo được.
- Khi nhiệt độ cần đo giảm hoặc tăng, điện trở RAB = RRTD sẽ giảm hoặc tăng theo nhiệt độ cần đo. Thông qua giá trị điện trở suy ngược lại giá trị của nhiệt độ.
Ví dụ: Nhiệt độ thay đổi từ 0 – 40°C, tương ứng tín hiệu điện trở 100 – 115,54Ω
Ưu điểm nổi bật của RTD
Resistance Temperature Detector có những ưu điểm nổi bật là:
- Độ chính xác cao, đo được phạm vi rộng: RTD đạt được độ chính xác tốt và tin cậy đối với việc đo nhiệt độ, cho phép ứng dụng trong công nghiệp và kiểm soát quy trình chính xác.
- Thiết kế đa dạng, độ bền cao: RTD có nhiều kích thước, thiết kế đa dạng với chiều dài khác nhau phù hợp với các yêu cầu ứng dụng khác nhau.Thiết bị được sản xuất từ các loại vật liệu có chất lượng cao nên đảm bảo độ bền và tuổi thọ lâu dài.
- Dẫn điện tốt: RTD sử dụng chất liệu dẫn điện tốt, tăng cường độ chính xác và ổn định của đo lường nhiệt độ.
- Đa dạng loại cảm biến: RTD có 2 loại chính là RTD cây và RTD nên người dùng có thể dễ dàng tìm được sự lựa chọn phù hợp với ứng dụng và yêu cầu cụ thể.
- Độ ổn định cao, trôi sai số thấp: RTD có độ ổn định và độ trôi sai số thấp chỉ khoảng 0,1%/ năm đảm bảo sự ổn định và tin cậy cho quá trình đo nhiệt độ.
Hạn chế của RTD là gì?
Resistance Temperature Detector có 1 số hạn chế nhất định:
- Giới hạn đo nhiệt độ: RTD có giới hạn đo nhiệt độ và không thể đo vượt quá giới hạn. Ví dụ: Cảm biến Pt100 có giới hạn đo nhiệt độ từ – 200 – 850°C không thể đáp ứng yêu cầu đo nhiệt độ ngoài khoảng này.
- Phản ứng nhiệt chậm: RTD có thời gian phản ứng nhiệt chậm hơn so với cặp nhiệt điện thermocouple.RTD mất thời gian để đạt đến giá trị đo chính xác khi nhiệt độ thay đổi, điều này có thể dẫn đến tình trạng bị trễ trong quá trình kiểm soát và đo lường nhiệt độ.
Mặc dù có những hạn chế nhất định nhưng RTD vẫn là cảm biến nhiệt độ được sử dụng rộng rãi, đáng tin cậy trong công nghiệp và khoa học.
Lưu ý để chọn RTD phù hợp
Để tránh trường hợp lựa chọn loại RTD không phù hợp với mục đích sử dụng và ứng dụng người dùng nên lưu ý một số vấn đề trong cách chọn như sau:
- Dải đo (temperature range): Dải đo là yếu tố hàng đầu được quan tâm khi chọn RTD, người dùng nên xác định giá trị đo lường tối đa và tối thiểu để chọn thiết bị phù hợp. Một số dải đo thông dụng là 0 ÷ 500°C,, 0 ÷ 100°C, 0 ÷ 300°C, 0 ÷ 450°C, –50 ÷ 450°C, 50 ÷ 100°C, …
- Loại đầu dò (sensor type): Trên thực tế có 2 dạng đầu dò phổ biến là dạng dây và dạng đầu bảo vệ, trong đó dạng dây thường có nhiệt độ thiết kế thấp hơn, người dùng cần xác định để có chọn lựa phù hợp.
- Kết nối cơ khí (Process connection): Kết nối cơ khí là phần kết nối trực tiếp với thiết bị hoặc hệ thống, thường thiết kế ở dạng kết nối mặt bích (flange connection) hoặc kết nối ren (thread connection). Người dùng cần chọn kích thước, chủng loại và tiêu chuẩn phù hợp.
- Chiều dài que đo (sensor length): Chiều dài que đo là khoảng chiều dài phần que đo của cảm biến. Bạn cần xác định chính xác chiều dài que đảm bảo phù hợp cho quá trình lắp đặt do phần que đo này không thể cắt bỏ hay nối dài thêm. Nếu que đo quá dài sẽ không thể lắp đặt hoặc nếu que đo quá ngắn sẽ không thể tiếp xúc. Một số chiều dài que đo phổ biến như 100mm, 200mm, 250mm… 1000mm.
- Đường kính que đo (sensor diameter): Đường kính que đo là điểm mà người dùng cũng cần lưu tâm khi lựa chọn. Một số kích thước phổ thông như Ø6mm, Ø10mm, Ø12mm, Ø1/4”, Ø1/2”…
- Vật liệu đầu dò (sensor material): Vật liệu đồ dò hay vật liệu của ống bảo vệ chứa Platinum hoặc niken bên trong, tiếp xúc trực tiếp với môi chất cần đo. Các loại vật liệu phổ thông thường được làm bằng SS304/ SS316. Vật liệu này có ảnh hưởng trực tiếp tới giá thành sản phần nên cần xác định để tối ưu chi phí.
- Vật liệu đầu bảo vệ (head material): Vật liệu đầu bảo vệ là phần bảo vệ cơ khí các terminal đấu nối nằm bên trên đầu của cảm biến, chỉ áp dụng cho loại cảm biến RTD đầu củ hành. Người dùng cần cân nhắc khi lựa chọn giữa các loại vật liệu phổ biến là thép không gỉ (SS304 hoặc SS316), gang dẻo (cast iron) hoặc nhôm (aluminum) do có ảnh hưởng trực tiếp tới giá thành sản phẩm.
- Số lượng dây kết nối (wire connection): Cảm biến nhiệt độ RTD được chia làm ba loại, ảnh hưởng trực tiếp tới độ chính xác, giá thành sản phẩm: 02 dây, 03 dây, 04 dây, người dùng cần cân nhắc khi lựa chọn.
- Cấp chính xác (Accuracy): Cấp chính xác cảm biến nhiệt độ tương ứng với số lượng dây kết nối, loại 2 dây có sai số lớn nhất và loại cảm biến nhiệt độ 4 dây có sai số thấp nhất. Tiêu chuẩn sai số của RTD thường được chia thành Class AA (sai số là 0,1°C), Class A (sai số là 0,15°C) và Class B (sai số là 0,3°C).
Class B được sử dụng phổ biến nhất vì đối với các ứng dụng công nghiệp thông thường, mức sai số nhiệt độ cho phép là +/- 1°C. Class B có giá thành thấp hơn Class A và Class AA nhưng vẫn đảm bảo sai số cho phép. - Tín hiệu ngõ ra (Output signal): Thường các nhà sản xuất có tích hợp thêm transmitter ngoài tín hiệu điện trở. Do đó người dùng nên lưu tâm khi chọn, thực tế tùy chọn tín hiệu analog 4-20mA, phù hợp với nhu cầu rộng rãi hiện nay.
Cách chọn RTD chuẩn
Để chọn RTD chuẩn nên lưu ý một số vấn đề sau:
- Thang nhiệt độ Resistance Temperature Detector càng cao tương ứng lượng Platinum càng lớn và là dòng RTD cho kết quả đo chính xác nhất, chịu được nhiệt độ cao nhất.
- Mức độ sai số của RTD phụ thuộc vào loại Class trong dòng RTD. Ví dụ: Pt100 sai số loại A là 0,15%, loại B là 0,3 độ C, loại A là 0,15%
- RTD loại củ hành có thang đo nhiệt độ lớn hơn loại dây
- Xác định ứng dụng cần sử dụng cảm biến, đánh giá độ chính xác của hệ thống cần cao hay thấp, đánh giá môi trường cần đo có tính ăn mòn không trước khi chọn RTD
- Xác định vị trí lắp đặt RTD để chọn loại có ren hoặc không có ren
- Xác định dải nhiệt độ của môi trường dao động trong khoảng nào
- Xác định mức chi phí đầu tư
Ứng dụng thực tiễn của RTD như thế nào?
RTD được ứng dụng nhiều trong thực tế cuộc sống tại các nhà máy và công trình công nghiệp, trong công nghệ thực phẩm và y tế, trong công nghiệp ô tô và điều khiển tự động. Cụ thể:
Đo và kiểm tra nhiệt độ trong các công trình công nghiệp, nhà máy
RTD được ứng dụng để đo nhiệt độ trong các khu vực có nhiệt độ cao như hệ thống làm lạnh, lò nung, máy móc công nghiệp, các quy trình sản xuất… Đo lường chính xác nhiệt độ giúp đảm bảo quy trình vận hành an toàn, ổn định, bảo vệ máy móc và nâng cao hiệu suất sản xuất.
Ứng dụng thực tiễn của RTD trong công nghệ thực phẩm, y tế
Ứng dụng RTD trong giám sát, kiểm soát nhiệt độ trong quá trình sản xuất, lưu trữ, vận chuyển các loại hàng hóa nhạy cảm với nhiệt độ. Trong y tế, RTD được sử dụng trong các thiết bị đo và giám sát nhiệt độ cơ thể để hỗ trợ cho việc chẩn đoán, điều trị.
Ứng dụng RTD trong công nghiệp ô tô
Trong công nghiệp ô tô, RTD được sử dụng để đo nhiệt độ hệ thống làm mát động cơ và các thành phần quan trọng khác. Khi nhiệt độ được kiểm soát đúng mức giúp bảo vệ động cơ, nâng cao hiệu suất hoạt động của ô tô.
Ứng dụng RTD trong điều khiển tự động
Trong hệ thống điều khiển tự động, RTD được ứng dụng để đo và điều chỉnh nhiệt độ. Trong các quy trình công nghiệp và thiết bị gia dụng, góp phần duy trì ổn định, đáng tin cậy cho các quy trình và thiết bị.
Sự khác nhau giữa cảm biến nhiệt độ RTD & can nhiệt Thermocouple
Cảm biến nhiệt RTD và can nhiệt Thermocouple là 2 thiết bị có cùng chung mục đích sử dụng nhưng có sự khác nhau về cấu tạo và nguyên lý:
- RTD có cấu tạo từ dây hoặc thanh kim loại hoạt động theo nguyên lý điện trở, tức là khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa 2 đầu kim loại thay đổi và có độ tuyến tính trong 1 khoảng nhiệt độ nhất định, tùy thuộc và chất liệu kim loại. Thông thường RTD được sử dụng để đo lường trong khoảng nhiệt độ – 200°C – 800°C.
- Can nhiệt Thermocouple có cấu tạo từ 2 dây kim loại khác nhau, hàn dính 1 đầu là đầu đo/ đầu nóng, đầu còn lại là đầu chuẩn/ đầu lạnh. Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu lạnh và đầu nóng sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Việc ổn định và đo nhiệt độ ở đầu lạnh phụ thuộc lớn vào chất liệu, do đó các loại can nhiệt có sức điện động khác nhau như E, J, K, R, S, T. Thermocouple được sử dụng để đo lường nhiệt độ trong khoảng -100°C – 1.600°C.
Trên đây là các thông tin chi tiết về RTD Mstar Corp chia sẻ đến các bạn đang có nhu cầu tìm hiểu về vấn đề này. Resistance Temperature Detector có cấu tạo đa dạng đáp ứng nhiều ứng dụng thực tế với nhiều ưu điểm như khả năng đo trên phạm vi rộng, độ ổn định cao, đáng tin cậy. Nếu có nhu cầu tìm hiểu kỹ hơn về thiết bị này hoặc bất cứ thắc mắc nào hãy liên hệ với Mstar Corp để nhận tư vấn từ chuyên gia nhé.
