Trong quá trình rang cà phê, việc kiểm soát chính xác nhiệt độ là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng hạt cà phê. Các máy rang sử dụng các loại đầu dò nhiệt, chẳng hạn như cặp nhiệt điện (thermocouple), cảm biến nhiệt độ điện trở (RTD) và cảm biến hồng ngoại (IR), để đo nhiệt độ tại các bộ phận khác nhau của máy. Mỗi loại đầu dò có ưu và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến độ chính xác, tốc độ phản ứng và độ bền khi sử dụng. Hiểu rõ đặc điểm của các loại đầu dò này giúp người vận hành máy rang tối ưu hóa quá trình rang và đạt được kết quả ổn định. Bài viết dưới đây sẽ trình bày chi tiết về các loại đầu dò nhiệt phổ biến và ứng dụng của chúng trong máy rang cà phê.
Phân loại đầu dò nhiệt
Ngày nay, hầu hết các máy rang sử dụng một loại cảm biến nhiệt độ gọi là thermocouple (cặp nhiệt điện) để đo nhiệt độ ở các bộ phận khác nhau của máy rang.
Cặp nhiệt điện bao gồm hai dây được làm từ các vật liệu khác nhau, và hai dây này được nối với nhau ở cả hai đầu. Một lớp vỏ thép không gỉ bao bọc các dây và bảo vệ điểm nối giữa hai dây (gọi là ‘điểm nối’). Vật liệu dùng cho các dây quyết định loại cặp nhiệt điện. Loại J và loại K là phổ biến nhất.
Bảng so sánh đầu dò nhiệt loại J và loại K
| Đặc điểm | Loại J (Sắt-Constantan) | Loại K (Chromel-Alumel) |
|---|---|---|
| Thành phần vật liệu | Cực dương (+): Sắt (Fe) | Cực dương (+): Chromel (Ni-Cr) |
| Cực âm (-): Constantan (Cu-Ni) | Cực âm (-): Alumel (Ni-Al-Mn-Si) | |
| Phạm vi nhiệt độ | -200°C đến 750°C (Sử dụng liên tục tốt nhất dưới 550°C) | -270°C đến 1260°C |
| Độ nhạy (Seebeck) | Khoảng 50 µV/°C | Khoảng 41 µV/°C |
| Môi trường sử dụng | Thích hợp cho môi trường chân không, giảm hoặc trơ. | Thích hợp cho môi trường oxy hóa, trơ hoặc khử. |
| Độ chính xác | Tương đương với loại K trong phạm vi nhiệt độ hoạt động. | Tương đương với loại J trong phạm vi nhiệt độ hoạt động. |
| Độ ổn định | Tốt ở nhiệt độ trung bình. | Thường ổn định hơn ở nhiệt độ cao. |
| Ứng dụng phổ biến | Ứng dụng trong công nghiệp nhựa, cao su, thực phẩm, và các quy trình nhiệt độ thấp hơn. | Ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, lò nung, xử lý nhiệt. |
| Giá thành | Tương đương | Tương đương |
Một trong các điểm nối (gọi là ‘điểm nối nóng’) giữa hai dây nằm ở đầu của cặp nhiệt điện, trong phần của máy sẽ được làm nóng. Điểm nối còn lại (gọi là ‘điểm nối lạnh’) được đặt bên ngoài máy rang, ở nhiệt độ phòng. Khi điểm nối nóng bị làm nóng, sự chênh lệch nhiệt độ giữa điểm nối nóng và điểm nối lạnh tạo ra một dòng điện rất nhỏ. Một thiết bị đo lường điện áp được tạo ra và từ đó tính toán sự chênh lệch nhiệt độ giữa điểm nối nóng và điểm nối lạnh.
Nhiệt độ tại điểm nối lạnh sẽ thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh. Vì thiết bị đo chỉ có thể tính toán sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm nối, hầu hết các cặp nhiệt điện sử dụng một cảm biến nhiệt độ riêng để đo nhiệt độ tại điểm nối lạnh. Khi lắp đặt cặp nhiệt điện mới, không được cắt ngắn các dây nối từ đầu dò đến bảng điều khiển. Việc thay đổi độ dài của dây sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo nhiệt độ.
Cặp nhiệt điện loại K có thể hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn so với loại J. Hai loại này nhìn chung rất giống nhau và theo tiêu chuẩn quốc tế, thường cung cấp mức độ chính xác tối thiểu tương đương (Omega Engineering 2022).
Cặp nhiệt điện trong máy rang cà phê có thể là loại nối đất (grounded) hoặc không nối đất (ungrounded). Trong cặp nhiệt điện nối đất, điểm nối của hai dây tiếp xúc trực tiếp với vỏ ngoài của cặp nhiệt điện. Ngược lại, trong cặp nhiệt điện không nối đất, điểm nối được cách ly với vỏ ngoài bằng một lớp vật liệu cách điện.
Đầu dò không nối đất phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ chậm hơn so với đầu dò nối đất vì lớp cách điện làm chậm quá trình truyền nhiệt đến điểm nối. Tuy nhiên, đầu dò không nối đất chính xác hơn; đầu trừ nối đất dễ bị nhiễu và lỗi đo lường do dòng điện trong vỏ bọc gây ra (Wenegard 2019 ).
Loại cặp nhiệt điện nhanh nhất là loại để điểm nối nóng hoàn toàn lộ ra ngoài, hoặc nằm ngoài vỏ bảo vệ, hoặc trong vỏ có lỗ thoát. Tuy nhiên, cặp nhiệt điện lộ ra ngoài dễ vỡ hơn và do đó không phù hợp để sử dụng trong máy rang cà phê.
Thời gian phản ứng của cặp nhiệt điện với sự thay đổi nhiệt độ cũng phụ thuộc vào đường kính của đầu dò. Đầu dò dày hơn sẽ mất nhiều thời gian để nóng lên và do đó phản ứng chậm hơn với sự thay đổi n
Các máy rang đôi khi sử dụng các cảm biến nhiệt độ khác ngoài cặp nhiệt điện, chẳng hạn như đầu dò RTD (cảm biến nhiệt độ điện trở) và cảm biến hồng ngoại (IR).
- Đầu dò RTD đo điện trở trong một cuộn dây bạch kim mỏng, điện trở này thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ. Đầu dò RTD có thể chính xác hơn cặp nhiệt điện, nhưng chúng thường phản ứng chậm hơn với sự thay đổi nhiệt độ, đắt hơn và dễ vỡ hơn.
- Cảm biến hồng ngoại (IR) phản ứng rất nhanh với sự thay đổi nhiệt độ và có thể đo nhiệt độ bề mặt mà không cần tiếp xúc trực tiếp với vật liệu. Điều này khiến chúng hữu ích để đo nhiệt độ bề mặt trống rang, chẳng hạn. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, chúng kém chính xác hơn cặp nhiệt điện và dễ bị nhiễu bởi các nguồn bức xạ khác, cũng như bụi hoặc hạt khói trong không khí. Do đó, chúng phù hợp hơn để so sánh tương đối thay vì đo chính xác nhiệt độ tuyệt đối (Wenegard 2019).
Kích thước và vị trí đầu dò nhiệt
Như chúng ta đã trao đổi trong bài học trước, đầu dò càng mỏng thì càng phản ứng nhanh nhạy hơn với những thay đổi nhiệt độ. Điều quan trọng cần nhớ là nhiệt độ mà cặp nhiệt điện hiển thị là nhiệt độ của chính đầu dò, chứ không phải nhiệt độ của môi trường xung quanh. Đầu dò dày hơn cần nhiều thời gian hơn để nóng lên hoặc nguội đi, và do đó chúng phản ứng chậm hơn với các biến động nhiệt độ. Vì vậy, đường kính của đầu dò có thể tác động đáng kể đến hình dạng của đường cong rang.
Đường cong rang được minh họa trong hình, lấy từ cùng một mẻ rang, cho thấy rõ sự khác biệt do đường kính đầu dò tạo ra. Đầu dò mỏng nhất phản ứng nhanh hơn, do đó cho thấy tốc độ quay vòng (turning point) nhanh hơn và ghi nhận nhiệt độ cao hơn trong suốt quá trình rang. Ngược lại, đầu dò dày nhất phản ứng chậm hơn đáng kể và cho kết quả đọc nhiệt độ cuối cùng thấp hơn tới 13°F (khoảng 7.2°C) so với đầu dò mỏng nhất (Hoos, 2017).
Tuy nhiên, đầu dò dày hơn lại có ưu điểm là độ bền cao hơn. Một giải pháp dung hòa tốt là sử dụng đầu dò có vỏ dày nhưng được vát nhọn về phía đầu đo. Thiết kế này giúp đầu dò vừa đủ chắc chắn, vừa có khả năng phản ứng nhanh hơn với những thay đổi nhiệt độ.
Để có các phép đo chính xác, điều quan trọng là phải cắm đầu dò đủ sâu vào trong máy rang. Theo nguyên tắc chung, phần đầu dò nằm bên trong máy rang phải có chiều dài ít nhất gấp 10 lần đường kính của nó. Nếu đầu dò không được cắm đủ sâu, kết quả đo nhiệt độ có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt truyền từ thành máy rang hoặc do sự dẫn nhiệt dọc theo đầu dò ra bên ngoài máy.
Một đầu dò mỏng hơn sẽ dẫn ít nhiệt hơn từ thành máy rang và do đó ít bị ảnh hưởng bởi nguồn sai số này hơn. Lắp đặt đầu dò với một vỏ cách nhiệt cũng có thể giúp giảm thiểu sự dẫn nhiệt giữa đầu dò và thành máy rang.
Các đầu dò đo nhiệt độ của khí nóng trong quá trình rang có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của luồng không khí hoặc độ ẩm bên trong máy rang. Không khí ẩm truyền nhiệt hiệu quả hơn do nhiệt dung của nó cao hơn (Zhang và cộng sự, 2007) và do đó làm tăng độ nhạy của đầu dò đối với những thay đổi nhiệt độ. Tăng luồng không khí cũng làm tăng tốc độ truyền nhiệt giữa khí và đầu dò, làm cho đầu dò phản ứng nhanh hơn. Những yếu tố này có thể ảnh hưởng nhẹ đến kết quả đo nhiệt độ của đầu dò.
Để đảm bảo quá trình rang nhất quán, việc đặt đúng vị trí các đầu dò nhiệt độ còn quan trọng hơn cả việc có các đầu dò chính xác tuyệt đối. Các đầu dò được đặt đúng vị trí nhưng hiệu chuẩn không hoàn hảo vẫn có thể giúp máy rang đạt được kết quả lặp lại.
Các phép đo quan trọng nhất là nhiệt độ của khối hạt cà phê (bean temperature, hay BT) và nhiệt độ của khí nóng trong quá trình rang, thường được đo gần nơi khí thoát ra khỏi trống rang hoặc trong ống xả (environmental/exhaust temperature, hay ET). Một số máy rang cũng có thể đo nhiệt độ không khí đầu vào hoặc nhiệt độ ở các bộ phận khác của máy.