Thermocouple là gì? Các loại, ứng dụng và cách kết nối vào PLC/SCADA

Khi nói đến đo lường nhiệt độ trong công nghiệp, cái tên Thermocouple (hay còn gọi là cặp nhiệt điện) gần như là quen thuộc nhất. Nếu bạn đang bước đầu tìm hiểu, hôm nay BKAII sẽ cùng các bạn tìm hiểu rõ từ khái niệm, phân loại, đến ứng dụng thực tế, cũng như cách kết nối Thermocouple về hệ thống điều khiển tự động như PLC, SCADA, DCS.

1. Thermocouple là gì?

Thermocouple là một loại cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên nguyên lý Seebeck. Khi hai kim loại khác nhau được hàn nối tại một đầu (gọi là điểm nóng) và đầu còn lại được để hở (gọi là điểm lạnh), sự chênh lệch nhiệt độ sẽ tạo ra một hiệu điện thế nhỏ. Hiệu điện thế này tỉ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ và từ đó có thể đo ra được giá trị nhiệt độ.

2. Các loại Thermocouple phổ biến

Trên thị trường có nhiều loại Thermocouple, được phân loại theo ký hiệu chữ cái (J, K, T, E, N, R, S, B...). Mỗi loại sẽ phù hợp cho các môi trường và dải nhiệt độ khác nhau:

• Loại K – Phổ biến nhất, dải đo rộng (-200 đến 1260°C), giá thành hợp lý, ứng dụng trong lò nung, lò hơi, sản xuất thép.
• Loại J – Dải đo thấp hơn (-40 đến 750°C), thường dùng trong ngành nhựa, thực phẩm.
• Loại T – Độ chính xác cao trong dải thấp (-200 đến 350°C), hay dùng trong phòng thí nghiệm.
• Loại R/S/B – Chứa bạch kim, chịu nhiệt độ rất cao (lên đến 1600°C), dùng trong lò công nghiệp nặng.

3. Ứng dụng thực tế trong công nghiệp

Thermocouple được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

• Giám sát nhiệt độ lò hơi, lò sấy, lò luyện kim. Ví dụ trong Lò hơi, lò sấy nhiệt độ thường nằm trong khoảng 200-600°C, do đó chỉ cần dùng Thermocouple loại K (ưu điểm là phổ biến, giá rẻ, dải đo rộng -200 đến 1260°C), một số có yêu cầu độ chính xác cao hơn thì có thể tham khảo loại J ( dải -40 đến 750°C). Còn trong lò luyện kim thì nhiệt độ sẽ rất cao, có thể lên tới 1200-1600°C, do đó sẽ dùng loại R/S/B có chứa bạch kim - platinum chịu được nhiệt độ siêu cao, ổn định lâu dài.
• Ngành sản xuất xi măng thông thường dùng loại K, một số điểm nhiệt độ cao có thể dùng loại S/B. Riêng ngành thép thì dùng chính loại R/S/B, loại K chỉ dùng phụ trợ....
• Ngành thực phẩm và dược phẩm (kiểm soát quy trình gia nhiệt).
• Các hệ thống HVAC, cơ điện công trình.

Ưu điểm là giá thành rẻ, dễ lắp đặt, chịu được môi trường khắc nghiệt. Tuy nhiên tín hiệu đầu ra rất nhỏ (mV) nên cần bộ chuyển đổi phù hợp để kết nối vào PLC hoặc SCADA.

4. Kết nối Thermocouple vào PLC/SCADA, DCS

Để đưa tín hiệu Thermocouple vào hệ thống tự động hóa, có hai cách phổ biến:

1. Kết nối trực tiếp vào module mở rộng của PLC (nếu PLC hỗ trợ đọc Thermocouple).
2. Sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu để đổi từ Thermocouple sang chuẩn công nghiệp thông dụng như Modbus RTU hoặc Modbus TCP.

Các bộ chuyển đổi này giúp tín hiệu nhiệt độ dễ dàng được tích hợp vào hệ thống hiện hữu, giảm nhiễu và tăng độ chính xác. Ví dụ, các thiết bị từ hãng Procon – Úc được nhiều nhà máy tin dùng:

• PM8TC / PM8TCISO – Bộ chuyển đổi Thermocouple sang Modbus RTU/TCP, cách ly tín hiệu.
• PT8TCS / PT8TCISO – Hỗ trợ nhiều kênh đo, truyền dữ liệu qua Ethernet TCP/IP.
• Lưu ý:
  • Với truyền thông Modbus RTU, nếu cần cách ly từng kênh Thermocouple riêng lẻ thì dùng mã PM8TCISO.
  • Với truyền thông Modbus TCP, nếu cần cách ly từng kênh Thermocouple riêng lẻ thì dùng mã PT8TCISO.

Sơ đồ kết nối minh họa

Dưới đây là sơ đồ mô phỏng cách kết nối Thermocouple với bộ chuyển đổi và đưa tín hiệu về PLC/SCADA:

Nhờ đó, dữ liệu nhiệt độ có thể được thu thập, giám sát và điều khiển trong hệ thống SCADA/DCS một cách trực quan, chính xác và an toàn.