RTD và Thermocouple: So sánh chi tiết và cách chọn phù hợp

Trong các hệ thống đo lường và kiểm soát nhiệt độ công nghiệp, RTD và Thermocouple là hai loại cảm biến nhiệt độ phổ biến nhất. Tuy nhiên nhiều người vẫn chưa biết RTD khác gì so với Thermocouple. Bài viết này sẽ giải đáp chi tiết về khái niệm RTD và Thermocouple cũng như hướng dẫn bạn cách chọn thiết bị phù hợp. 

1. RTD là gì? Thermocouple là gì?

Việc hiểu rõ RTD là gì và Thermocouple là gì sẽ giúp người dùng đánh giá chính xác ưu nhược điểm của từng loại, từ đó lựa chọn cảm biến nhiệt độ phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể.

Khái niệm cảm biến nhiệt độ RTD

RTD (Resistance Temperature Detector) còn gọi là nhiệt điện trở hoặc cảm biến nhiệt độ RTD. Đây là thiết bị đo nhiệt độ dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại theo nhiệt độ. Hiện nay, người ta chủ yếu sử dụng đồng, niken, vonfram và bạch kim để chế tạo bên trong cảm biến nhiệt độ RTD. 

Nguyên lý hoạt động: Khi nhiệt độ tăng, điện trở của kim loại tăng tuyến tính (theo công thức gần đúng). Giá trị điện trở được đo để suy ra nhiệt độ. Loại phổ biến nhất là Pt100 (điện trở 100Ω ở 0°C), có độ chính xác cao và ổn định tốt.

Khái niệm cảm biến nhiệt độ Thermocouple

Thermocouple (cặp nhiệt điện) là cảm biến nhiệt độ gồm hai dây kim loại khác nhau nối tại một đầu (đầu nóng).

Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện dựa trên hiệu ứng Seebeck, chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện. Ở đầu đo của cặp nhiệt điện, hai dây kim loại khác loại được nối cố định với nhau để tạo thành mối nối đo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tại vị trí này thay đổi, đặc tính chuyển động của electron trong mỗi kim loại cũng thay đổi theo. Sự khác biệt về nhiệt độ giữa hai vật liệu sẽ sinh ra một điện áp nhỏ gọi là điện áp nhiệt điện.

Dựa trên mối quan hệ đã được xác định sẵn giữa điện áp và nhiệt độ, thiết bị đo sẽ chuyển đổi giá trị điện áp này thành giá trị nhiệt độ tương ứng. Các loại phổ biến: Type K, J (sắt và đồng niken), T (đồng và hợp kim đồng niken), E...

2. So sánh RTD và Thermocouple chi tiết, dễ hiểu nhất 

Mặc dù RTD và Thermocouple đều được sử dụng để đo nhiệt độ trong công nghiệp, nhưng hai loại cảm biến này có sự khác biệt rõ rệt về nguyên lý hoạt động, dải đo, độ chính xác và điều kiện ứng dụng. Để giúp bạn dễ dàng hình dung và lựa chọn loại cảm biến phù hợp với nhu cầu thực tế, bảng dưới đây sẽ so sánh chi tiết RTD và Thermocouple dựa trên các tiêu chí kỹ thuật quan trọng.

3. Cách chọn RTD và Thermocouple phù hợp cho từng ứng dụng

Không có loại cảm biến nhiệt độ nào là tốt nhất cho mọi ứng dụng. Việc lựa chọn RTD hay Thermocouple phụ thuộc vào điều kiện vận hành cụ thể và yêu cầu kỹ thuật của từng hệ thống. Các yếu tố cần cân nhắc bao gồm: độ chính xác, dải nhiệt độ, thời gian đáp ứng, môi trường làm việc và ngân sách đầu tư.

Ngoài cảm biến, cần xem xét tổng thể hệ thống đo lường, bao gồm thiết bị xử lý tín hiệu, phương án lắp đặt và kế hoạch bảo trì. Cùng tham khảo cách chọn RTD và Thermocouple phù hợp với NTD nhé!

Nên chọn RTD khi nào?

RTD là lựa chọn phù hợp trong các trường hợp:

• Độ chính xác đóng vai trò then chốt trong quá trình đo và kiểm soát nhiệt độ
• Nhiệt độ vận hành không vượt quá khoảng 850°C
• Cần độ ổn định cao trong thời gian dài, hạn chế trôi sai số
• Có thể chấp nhận chi phí đầu tư ban đầu cao hơn
• Hệ thống dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ
• Yêu cầu kiểm soát nhiệt độ chính xác và lặp lại tốt

Nhìn chung, RTD vượt trội về độ chính xác, độ lặp lại và tính ổn định, đặc biệt phù hợp cho các quy trình cần kiểm soát chặt chẽ.

Nên chọn Thermocouple khi nào?

Thermocouple thường được ưu tiên trong các điều kiện sau:

• Cần thời gian đáp ứng nhanh
• Nhiệt độ đo vượt quá khả năng làm việc của RTD
• Ưu tiên cảm biến không cần nguồn cấp riêng
• Ngân sách có giới hạn
• Môi trường có rung động mạnh hoặc điều kiện khắc nghiệt
• Yêu cầu lắp đặt đơn giản, linh hoạt

Vì vậy, cặp nhiệt điện phù hợp hơn với các ứng dụng nhiệt độ cao, rung động lớn, không gian hạn chế và các quy trình cần phản hồi nhanh.

Tóm lại RTD mang lại hiệu quả tối ưu trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và độ ổn định lâu dài, thường được sử dụng trong các quy trình được kiểm soát nghiêm ngặt. Ngược lại, Thermocouple là giải pháp đáng tin cậy cho các ứng dụng nhiệt độ cao (thường trên 500°C) và những hệ thống đòi hỏi tốc độ phản hồi nhanh.

4. Lưu ý khi lắp đặt RTD và Thermocouple

Việc lắp đặt RTD và Thermocouple không đúng cách có thể gây ra các sự cố hư hỏng thiết bị do nhiều yếu tố như:

• Quá áp vượt mức cho phép
• Rung động quá mức hoặc dao động áp suất
• Nhiệt độ làm việc của thiết bị quá cao
• Ăn mòn các bộ phận chịu áp
• Hoặc sử dụng thiết bị không đúng mục đích

Chính vì vậy khi lắp đặt RTD và Thermocouple, chúng ta cần phải chú ý đến một số điều sau để đảm bảo sự an toàn và độ bền khi sử dụng thiết bị. 

Lưu trữ

Thiết bị đo nên được giữ nguyên trong bao bì gốc cho đến khi lắp đặt, tránh thất lạc, rơi vỡ, hư hỏng.

Lắp đặt cụm RTD

Khi lắp đặt cụm RTD, cần sử dụng chiều dài cắm (insertion length) phù hợp. Nếu chiều dài cắm không đủ, có thể xảy ra sai số do đối lưu nhiệt. Sai số này xuất hiện khi nhiệt từ môi chất trong quy trình bị dẫn nhiệt ra khỏi phần tử đo, khiến RTD đo được nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ thực của môi chất.

Để hạn chế sai số đối lưu và nâng cao độ chính xác đo nhiệt độ:

• Đối với nước và các chất lỏng khác: Chiều dài cắm nên bằng 5–6 lần đường kính ngoài của ống bảo vệ (thermowell). Cộng thêm chiều dài phần tử đo, thường khoảng 2 inch hoặc 50 mm
• Đối với khí, hơi nước và không khí: Chiều dài cắm nên bằng 10–15 lần đường kính ngoài của thermowell. Cộng thêm chiều dài phần tử đo, thường khoảng 2 inch hoặc 50 mm
• Đối với các ứng dụng cần chiều dài cắm ngắn: Chiều dài cắm tối thiểu phải bằng 1,5 lần chiều dài phần tử đo

Nếu chiều dài cắm của cụm RTD lớn hơn đường kính ống, nên lắp đặt tại vị trí co hoặc uốn cong của đường ống. Trong trường hợp này, cảm biến cần được lắp ngược chiều dòng chảy (xem Hình 1).

Bảng đưa ra chiều dài cắm tham khảo cho các đường kính ống khác nhau.

Xem thêm: Các cảm biến đo nhiệt độ đáng tin cậy của Ashcroft (USA)

Lắp đặt cụm Thermocouple

Khi lắp đặt thermocouple, nhiệt độ mối nối lạnh (cold junction) quan trọng không kém nhiệt độ mối nối nóng (hot junction), vì điện áp mV sinh ra phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối nối.

Vị trí lắp đặt thermocouple thường được xác định dựa trên:

• Vị trí mối nối lạnh

• Vị trí mối nối nóng

• Ứng dụng cụ thể

• Môi chất trong quy trình

Các hiện tượng như bay hơi, khuếch tán, oxy hóa, ăn mòn hoặc các dạng nhiễm bẩn khác có thể gây trôi sai số cho cảm biến. Do đó, cần đảm bảo biện pháp bảo vệ phù hợp khi làm việc trong điều kiện bất lợi.

Sai số đo nhiệt độ có thể xảy ra khi thermocouple được nối với mối nối tham chiếu bằng dây dẫn có đặc tính nhiệt điện khác với vật liệu thermocouple. Hiện tượng này được gọi là sai số mối nối lạnh.

Sai số mối nối lạnh sẽ tăng lên khi chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu cáp tăng. Để khắc phục:

• Thermocouple nên được nối trực tiếp với mối nối tham chiếu
• Hoặc sử dụng cáp bù (compensating cable)

Cáp bù được chế tạo từ các hợp kim có đặc tính nhiệt điện tương tự với vật liệu thermocouple trong cụm cảm biến.

Để giảm nguy cơ sai số và nhiễm bẩn, thermocouple và cáp bù cần được làm sạch trước khi lắp đặt nhằm đảm bảo tiếp xúc điện tốt.

Tương tự RTD, thermocouple cũng có thể bị sai số do đối lưu nhiệt. Sai số này xảy ra khi nhiệt bị dẫn ra khỏi mối nối nóng, khiến thermocouple hiển thị nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ thực của môi chất.

Để hạn chế sai số đối lưu, nên áp dụng các nguyên tắc lắp đặt tương tự RTD. Nguyên tắc chung là: Chiều dài cắm tối thiểu bằng 10 lần đường kính ngoài của thermowell

Sau khi thermocouple đã được lắp đặt, không nên thay đổi chiều dài cắm. Việc thay đổi này có thể gây độ trễ nhiệt, làm tăng sai số do phần tử đo không còn tiếp xúc trực tiếp với đáy hoặc thành của thermowell.

Để đạt độ chính xác cao nhất, thermocouple chỉ nên dùng để:

• Đo một mức nhiệt độ cố định
• Hoặc đo các mức nhiệt cao hơn mức nhiệt trước đó

Sai số do chu kỳ nhiệt tương tự như sai số do ăn mòn bay hơi khi thay đổi chiều dài cắm.

Bảo trì

• Dây RTD, dây thermocouple, mạch đo và thermowell cần được kiểm tra định kỳ
• Tần suất kiểm tra phụ thuộc vào điều kiện vận hành, nhưng mỗi tháng một lần thường là phù hợp
• Nên kiểm tra tính liên tục của dây nối mở rộng
• Thermowell bị hư hỏng hoặc cháy cần được thay thế ngay để tránh gây hư hại cho quy trình và thiết bị đo
• RTD và thermocouple nên được kiểm tra trực tiếp tại vị trí lắp đặt nếu có thể.

Hy vọng qua bài viết so sánh RTD và Thermocouple này bạn đã hiểu hơn về nguyên lý và biết được cách chọn cảm biến đo nhiệt phù hợp. Việc chọn cảm biến đo nhiệt độ rất quan trọng để giúp hệ thống vận hành ổn định, để được đội ngũ kỹ thuật tư vấn miễn phí và chi tiết về cảm biến nhiệt độ phù hợp, hãy liên hệ ngay với NTD Automation.

Đặc biệt NTD Automation còn là đại lý phân phối chính hãng các thiết bị cảm biến đo nhiệt độ của Yamari (Nhật Bản) và ASCHCROFT (Mỹ) 

Xem thêm: Các sản phẩm cảm biến đo nhiệt độ chất lượng của Yamari

NTD TECHNICAL AND INDUSTRIAL EQUIPMENT TRADING JSC

Địa chỉ: Số 28, ngõ 36 đường Cổ Linh, Tổ 7, quận Long Biên, thành phố Hà Nội

Hotline: 0971 961 212

Website: https://ntd-automation.com.vn

Email: sales@ntd-automation.com

Facebook: Fanpage NTD Automation

LikedIn: Linkedin NTD Auntomation JSC