Thermocouple loại K, J, T là gì: dải đo, sai số và cách nối vào bộ ghi dữ liệu

Mở tủ phụ kiện của một phòng thí nghiệm, bạn thường thấy cả mớ dây đo nhiệt: phích cắm xanh lá, phích nâu, thỉnh thoảng một chiếc phích đen hoặc vàng. Tất cả đều là thermocouple (cặp nhiệt điện), nhưng cắm nhầm loại vào bộ ghi hay chọn sai cấu hình trong phần mềm là đủ làm lệch số đọc. Bài này giải thích thermocouple là gì, ba loại phổ biến K, J, T khác nhau ở vật liệu, dải đo và cấp dung sai ra sao, cách đọc mã màu để nhận biết loại, và những nguyên tắc nối dây vào bộ ghi dữ liệu để con số trên màn hình đúng với nhiệt độ thật. Phần lớn ví dụ dùng cặp nhiệt điện loại K và loại T, vì đó là hai loại Pico cung cấp đầu dò.

Thermocouple là gì và vì sao nó chỉ đo được chênh lệch

Một thermocouple gồm hai sợi dây làm từ hai hợp kim khác nhau, nối với nhau ở một đầu gọi là đầu nóng (mối hàn đặt tại điểm cần đo). Hai đầu còn lại nối vào máy đo, gọi là đầu lạnh. Khi hai đầu ở hai nhiệt độ khác nhau, mạch xuất hiện một điện áp nhỏ — hiện tượng Seebeck. Điện áp này phụ thuộc vào cặp vật liệu và vào hiệu nhiệt độ giữa hai đầu, không phải vào nhiệt độ tuyệt đối của đầu nóng.

Từ đó có ba hệ quả thực tế mà người mới dùng hay bỏ qua:

• Tín hiệu rất nhỏ. Đồ thị điện áp ra của Pico cho thấy ở khoảng −250 °C, loại K và loại T chỉ cho khoảng −6 mV. Mỗi độ C tương ứng cỡ vài chục microvolt, nên bộ ghi cần dải vào nhỏ và độ phân giải cao: bộ ghi nhiệt độ Pico TC-08 có dải vào ±70 mV với bộ chuyển đổi 20 bit.
• Phải biết nhiệt độ đầu lạnh. Vì điện áp chỉ phản ánh chênh lệch, bộ ghi phải đo nhiệt độ tại chính các cọc nối của nó rồi cộng vào — gọi là bù đầu lạnh (CJC). TC-08 có mạch CJC tích hợp; cơ chế và chi phí thời gian của nó được phân tích trong bài phụ kiện đo nhiệt độ: cặp nhiệt K/T, PT100 và terminal board.
• Mọi mối nối kim loại khác loại đều là một thermocouple mới. Một đoạn dây đồng thường nối giữa đầu dò và máy sẽ tạo thêm hai mối nối ngoài ý muốn — theo tài liệu của Pico, nhiều lỗi đo bắt nguồn từ chính các mối nối ngoài ý muốn này. Phần nối dây bên dưới quay lại điểm này.

Đổi lại, thermocouple có những ưu điểm mà cảm biến điện trở khó có: đầu đo có thể nhỏ cỡ một mối hàn trên sợi dây 0,2 mm, đáp ứng nhanh, không cần dòng kích thích, chịu được nhiệt độ cao hơn nhiều, và giá thành mỗi điểm đo thấp. Vì vậy khi cần đo nhiều điểm, đo bề mặt hay đo trong lò, thermocouple thường là lựa chọn đầu tiên.

Ba loại thermocouple phổ biến: K, J và T

Tiêu chuẩn IEC 60584 định nghĩa các loại thermocouple theo cặp vật liệu, đặt tên bằng một chữ cái. Bảng dưới gom các thông số Pico công bố cho ba loại phổ biến nhất, kèm dải mà bộ ghi TC-08 đọc được cho từng loại.

Loại	Vật liệu (+ / −)	Mã màu IEC	Cấp 1	Cấp 2	Dải TC-08 đọc được
K	Niken-crôm / niken-nhôm (NiCr/NiAl)	Xanh lá	−40…+1000 °C: ±1,5 °C hoặc ±0,004·|t|	−40…+1200 °C: ±2,5 °C hoặc ±0,0075·|t|	−270…+1370 °C
J	Sắt / constantan (Fe/Con)	Đen	−40…+750 °C: ±1,5 °C hoặc ±0,004·|t|	−40…+750 °C: ±2,5 °C hoặc ±0,0075·|t|	−210…+1200 °C
T	Đồng / constantan (Cu/Con)	Nâu	−40…+350 °C: ±0,5 °C hoặc ±0,004·|t|	−40…+350 °C: ±1,0 °C hoặc ±0,0075·|t|	−270…+400 °C

Ba chú ý khi đọc bảng. Thứ nhất, cột cấp dung sai là của đầu dò, cột cuối là của bộ ghi — hai thứ khác nhau, sai số tổng phải cộng cả hai. Thứ hai, “dải TC-08 đọc được” là dải bảng chuyển đổi của thiết bị, không có nghĩa đầu dò nào cũng chịu được nhiệt độ đó; vỏ cách điện mới là giới hạn thật (xem phần kiểu đầu dò). Thứ ba, ngoài K, J, T, TC-08 còn đọc loại B, E, N, R và S — các loại gốc platin (R, S, B) cho điện áp ra rất thấp nên chủ yếu dùng ở nhiệt độ rất cao.

Cặp nhiệt điện loại K: phổ biến nhất vì dải rộng

Thermocouple loại K dùng cặp niken-crôm / niken-nhôm. Đây là loại dải rộng nhất trong ba loại ở bảng trên — cấp 2 phủ tới +1200 °C — và là loại gặp nhiều nhất trong công nghiệp: lò nhiệt luyện, khuôn nhựa, tủ sấy, buồng thử môi trường, đo nhiệt vỏ thiết bị. Pico có 14 mã cặp nhiệt điện loại K, từ đầu trần dây 1 m tới 10 m, đầu đo không khí, đầu cắm sâu, đầu dán bề mặt và bản chịu nhiệt cao.

Điểm cần hiểu đúng là dung sai của loại K tính theo phần trăm khi nhiệt độ lên cao. Cấp 1 ghi “±1,5 °C hoặc ±0,004·|t|, lấy giá trị lớn hơn”. Hai giá trị bằng nhau khi 0,004·|t| = 1,5, tức |t| = 375 °C. Dưới 375 °C, dung sai cố định ±1,5 °C; trên đó nó tăng theo nhiệt độ:

• Ở 100 °C: 0,004 × 100 = 0,4 °C, nhỏ hơn 1,5 → dung sai ±1,5 °C.
• Ở 500 °C: 0,004 × 500 = 2,0 °C → dung sai ±2,0 °C.
• Ở 900 °C: 0,004 × 900 = 3,6 °C → dung sai ±3,6 °C.

Với cấp 2, điểm chuyển là 2,5 / 0,0075 ≈ 333 °C; ở 500 °C dung sai cấp 2 là 0,0075 × 500 = 3,75 °C. Như vậy ở vùng nhiệt độ lò, chênh lệch giữa đầu dò cấp 1 và cấp 2 không còn là chuyện vài phần mười độ.

Một rủi ro riêng khi dùng loại K lâu ở nhiệt độ cao là trôi hiệu chuẩn (decalibration): theo Pico, các hạt từ khí quyển khuếch tán vào kim loại ở cực trị nhiệt độ làm vật liệu dây thay đổi, hoặc tạp chất từ lớp cách điện thấm vào dây. Đầu dò đã chạy nhiều chu kỳ ở nhiệt độ cao nên được kiểm tra lại thay vì dùng mãi theo dung sai ban đầu.

Đầu dò nhiệt độ loại K: chọn theo đối tượng đo

Cùng một cặp vật liệu, hình dạng đầu đo quyết định nó đo được gì. Thông số dưới đây lấy từ trang sản phẩm Pico của từng mã đầu dò nhiệt độ loại K:

Kiểu đầu dò	Mã ví dụ	Thông số Pico công bố	Dùng cho
Đầu trần, cách điện PTFE	SE000 (1 m)	Mối hàn hở, dây xoắn đôi 0,2 mm; đầu Ø1,5 mm; đầu đo −75…+250 °C	Không khí, khí, đáp ứng nhanh; môi trường có dầu, hoá chất nhẹ
Đầu trần, cách điện sợi thuỷ tinh	SE001 (1 m)	Mối hàn hở, dây xoắn đôi 0,3 mm; đầu Ø1,5 mm; −60…+350 °C	Tủ sấy, vùng nóng hơn giới hạn của PTFE
Đo không khí	SE002	Đầu Ø4,5 mm, thân 120 mm; −50…+250 °C	Nhiệt độ không khí trong tủ, buồng thử
Cắm sâu	SE003	Mũi nhọn Ø3,33 mm, thân 120 mm; −50…+250 °C	Vật liệu mềm: thực phẩm, nhựa, đất
Dán bề mặt (ribbon)	SE004	Đầu ribbon 8 mm; −10…+250 °C; cấp 1, ±1,5 °C từ −40 đến +1000 °C	Bề mặt kim loại: vỏ máy, đường ống, khuôn
Chịu nhiệt cao	SE059–SE062	Đầu trần, cách điện sợi thuỷ tinh, dây 1–5 m	Khảo sát phân bố nhiệt trong lò

Để ý cột nhiệt độ: một đầu dò loại K đầu trần PTFE chỉ được dùng tới +250 °C dù bản thân cặp vật liệu K đi được hơn 1000 °C. Giới hạn nằm ở lớp cách điện và kết cấu đầu đo. Chọn đầu dò theo dải nhiệt của đầu dò, không theo dải của loại thermocouple.

Thermocouple loại J: có trong tiêu chuẩn, ít gặp trong lab hiện đại

Loại J dùng cặp sắt / constantan, mã màu IEC là đen. Cấp 1 và cấp 2 của J có cùng biên độ như loại K (±1,5 °C và ±2,5 °C, hoặc 0,004·|t| và 0,0075·|t|) nhưng dải áp dụng dừng ở +750 °C. Loại J còn gặp trên các thiết bị và bộ điều khiển đời cũ, nên thỉnh thoảng bạn sẽ cần đọc một đầu dò J có sẵn tại nhà máy.

Pico không có đầu dò loại J trong danh mục phụ kiện. Tuy vậy, TC-08 đo được mọi loại thermocouple có đầu nối mini (miniature thermocouple connector), trong đó có loại J với dải −210…+1200 °C ở phía bộ ghi. Nếu nhà máy đang dùng đầu dò J, có thể đọc chúng bằng TC-08 miễn là chọn đúng loại J cho kênh đó trong phần mềm. Một mẹo nhận biết tại chỗ: nhánh dương của loại J là sắt nên bị nam châm hút, khác với dây đồng của loại T.

Thermocouple loại T: chính xác hơn ở vùng nhiệt độ thấp

Loại T dùng cặp đồng / constantan, mã màu IEC là nâu. Dải ngắn — cấp 1 và cấp 2 chỉ áp dụng từ −40 đến +350 °C — nhưng dung sai cấp 1 là ±0,5 °C, chặt gấp ba lần mức ±1,5 °C của loại K và J ở cùng cấp. Bảng IEC còn có cấp 3 cho loại T ở vùng âm: −200…+40 °C, ±1,0 °C hoặc ±0,015·|t|.

Tính theo cùng quy tắc “lấy giá trị lớn hơn”: điểm chuyển của loại T cấp 1 là 0,5 / 0,004 = 125 °C. Đó cũng chính là cách Pico ghi cho đầu dò loại T của mình: “−40 °C đến +125 °C: ±0,5 °C, +125 °C đến +260 °C: ±0,4%”. Ở 200 °C, dung sai là 0,004 × 200 = 0,8 °C.

Pico mô tả loại T là lựa chọn thường thấy trong chế biến thực phẩm, tủ âm sâu và phòng thí nghiệm, nhờ ổn định ở nhiệt độ thấp và ít bị oxy hoá trong môi trường ẩm. Dòng cặp nhiệt điện loại T Pico có 13 mã:

• Đầu trần cách điện PTFE (SE046–SE050, dây 1–10 m): cấp 1, dải cấp 1 −75…+260 °C; PTFE chịu hoá chất, dầu và chất lỏng nhưng nhiệt độ tối đa thấp hơn sợi thuỷ tinh.
• Đầu trần cách điện sợi thuỷ tinh (SE051–SE055, dây 1–10 m): chịu nhiệt tốt hơn PTFE. Đầu hàn hở đáp ứng rất nhanh, hợp đo khí, nhưng Pico lưu ý không dùng trong chất lỏng ăn mòn hoặc oxy hoá.
• Đầu inox chống nước (SE056 dây 3 m với đầu 5 × 50 mm; SE057, SE058 dây 5 m và 10 m với đầu 4 × 50 mm): vỏ silicone, ngâm được hoàn toàn trong chất lỏng, dùng trong tủ lạnh, tủ đông. SE056 ghi dải cấp 1 −60…+200 °C.

Đọc cấp dung sai: ví dụ so sánh K và T ở cùng nhiệt độ

Cách nhanh nhất để thấy khác biệt là tính dung sai cấp 1 của hai loại tại vài nhiệt độ thường gặp:

Nhiệt độ	Loại K cấp 1	Loại T cấp 1
−20 °C (kho đông)	±1,5 °C	±0,5 °C
5 °C (kho lạnh)	±1,5 °C	±0,5 °C
100 °C	±1,5 °C	±0,5 °C
200 °C (tủ sấy)	±1,5 °C	±0,8 °C
300 °C	±1,5 °C	±1,2 °C
500 °C (lò)	±2,0 °C	— ngoài dải

Dưới 125 °C, loại T cấp 1 có dung sai bằng một phần ba loại K cấp 1. Khi lên gần 300 °C, khoảng cách thu hẹp; từ trên 350 °C trở đi chỉ còn loại K. Quy tắc chọn rút ra khá rõ: đo lạnh và đo quanh nhiệt độ phòng thì chọn T, đo nóng thì chọn K.

Nhớ cộng phần sai số của bộ ghi. Datasheet TC-08 ghi độ chính xác nhiệt độ là tổng ±0,2% số đọc và ±0,5 °C; ở 100 °C phần này là 0,2 + 0,5 = 0,7 °C. Cách cộng đầy đủ các thành phần sai số và cách hiệu chuẩn cả kênh lẫn đầu dò được trình bày trong bài ghi nhiệt độ nhiều kênh bằng TC-08 và PT-104.

Mã màu: nhận biết loại thermocouple bằng mắt

Để phân biệt loại và cực tính mà không cần tra mã, tiêu chuẩn IEC 60584-3 quy định màu cho vỏ ngoài, dây và đầu nối. Với ba loại trong bài:

• Loại K: vỏ ngoài và đầu nối xanh lá; dây dương xanh lá, dây âm trắng.
• Loại J: vỏ ngoài và đầu nối đen; dây dương đen, dây âm trắng.
• Loại T: vỏ ngoài và đầu nối nâu; dây dương nâu, dây âm trắng.

Theo IEC, dây âm của mọi loại đều trắng — dây có màu là dây dương. Đầu dò Pico theo đúng quy ước này: đầu dò loại K có phích xanh lá với dây xoắn xanh-trắng, loại T có phích nâu với dây xoắn nâu-trắng.

Cẩn thận với hai ngoại lệ. Thiết bị theo hệ màu ANSI (dùng ở Mỹ và Úc) có quy ước khác: loại K theo ANSI có vỏ và đầu nối màu vàng. Dây và đầu nối đời cũ theo các tiêu chuẩn quốc gia trước IEC cũng có thể mang màu khác. Khi gặp dây không rõ nguồn gốc, đừng chỉ dựa vào màu; kiểm tra bằng cách đo một nhiệt độ đã biết (ví dụ nước đá đang tan) với từng cấu hình loại trong phần mềm.

Nối thermocouple vào bộ ghi dữ liệu: sáu nguyên tắc

Phần lớn lỗi đo bằng thermocouple, theo chính bài hướng dẫn của Pico, đến từ việc không hiểu thermocouple hoạt động thế nào. Sáu nguyên tắc dưới đây bám theo các lỗi Pico liệt kê; quy trình đấu nối TC-08 từng bước có trong bài ghi nhiệt độ nhiều kênh.

1. Đầu nối phải cùng loại vật liệu. TC-08 dùng đầu nối thermocouple mini; đầu dò Pico có sẵn phích mini đúc liền. Nếu tự lắp phích, chân phích phải làm bằng đúng vật liệu thermocouple của loại đó — đó là lý do phích có màu theo loại.
2. Kéo dài bằng dây kéo dài cùng loại. Cần dây dài hơn thì dùng dây kéo dài thermocouple đúng loại (loại K cho đầu dò loại K). Dây đồng thường, dây tín hiệu hay cáp mạng đều tạo mối nối mới và đưa sai số vào.
3. Giữ đúng cực tính. Dây màu (dương) vào cọc dương, dây trắng (âm) vào cọc âm. Đảo cực làm số đọc đi ngược chiều khi nhiệt độ thay đổi.
4. Khai báo đúng loại trong phần mềm. Mỗi loại có bảng chuyển đổi điện áp–nhiệt độ riêng; trong PicoLog, chọn loại thermocouple cho từng kênh khớp với đầu dò đang cắm.
5. Để ý điện trở dây khi dây mảnh và dài. Pico lấy ví dụ đầu dò đầu trần dây 32 AWG (Ø0,25 mm) có điện trở khoảng 15 Ω/m. Với trở kháng vào 2 MΩ của TC-08, 12 m dây như vậy (khoảng 180 Ω) gây sai số dưới 0,01%. Nếu cần dây rất dài, nên để đoạn dây mảnh ngắn rồi nối dây kéo dài cỡ lớn hơn, và đo điện trở đầu dò trước khi dùng.
6. Chống nhiễu và điện áp common-mode. Tín hiệu thermocouple nhỏ nên dễ nhiễm nhiễu. Dây xoắn đôi giúp hai dây nhận nhiễu như nhau để bộ ghi triệt tiêu; gần động cơ lớn nên dùng dây kéo dài có bọc chống nhiễu. Khi đầu dò hở chạm vào vật dẫn có điện thế (ví dụ ống nước nóng nối đất kém, cuộn dây động cơ), điện áp common-mode có thể vượt mức TC-08 chịu được — datasheet ghi tối đa ±7,5 V — và khi đó nên dùng đầu dò có vỏ cách điện.

Thêm một lưu ý về cơ học: mọi đầu dò đều có khối lượng và dẫn nhiệt dọc theo dây. Pico gọi hiện tượng này là thermal shunting — khi đo chất lỏng trong ống nghiệm, nhiệt truyền ngược theo dây ra không khí có thể kéo nhiệt độ quanh đầu đo xuống, nhất là khi đầu dò không ngập đủ sâu. Dây mảnh giảm hiệu ứng này nhưng lại tăng điện trở dây; cách dung hoà Pico gợi ý là đầu dò dây mảnh nối với dây kéo dài dày hơn.

Nếu ngoài các kênh nhiệt độ bạn cần ghi thêm một tín hiệu điện áp hoặc 4–20 mA trên cùng TC-08, bo đấu dây PicoLog PP624 cắm vào một kênh và cho cọc vít với các dải ±50 mV, ±500 mV, ±5 V và 4–20 mA.

Khi nào không nên dùng thermocouple

Thermocouple mạnh ở dải rộng, đầu đo nhỏ và nhiều điểm đo; nó không phải lựa chọn phù hợp khi yêu cầu sai số rất chặt quanh nhiệt độ phòng. Ở vùng đó, cảm biến điện trở PT100 kết hợp với bộ ghi PT-104 cho sai số nhỏ hơn nhiều so với cả loại T cấp 1. Một cấu hình thực tế hay gặp là dùng TC-08 với nhiều đầu dò loại T cho lưới điểm, cộng một kênh PT100 làm điểm tham chiếu để kiểm chéo. Nếu đang cân nhắc giữa nhiều dòng bộ ghi, bắt đầu từ bài chọn bộ ghi dữ liệu PicoLog.

Còn khi bài toán là thu thập hỗn hợp nhiều loại tín hiệu (nhiệt độ, điện áp, điện trở, dòng) trong một khung máy để bàn, hệ thu thập dữ liệu dạng mainframe là hướng khác — xem so sánh hệ thống thu thập dữ liệu Keysight DAQ970A.

Hiệu chuẩn: cấp dung sai chỉ là giới hạn, không phải sai số thật

Cấp dung sai IEC cho biết một đầu dò mới có thể lệch tối đa bao nhiêu so với bảng chuẩn; sai số thật của từng đầu dò cụ thể nằm đâu đó trong giới hạn ấy và có thể thay đổi theo thời gian sử dụng. Khi kết quả đo phải đưa vào hồ sơ chất lượng, cách làm đúng là hiệu chuẩn cả chuỗi đo — đầu dò cộng kênh bộ ghi — tại vài điểm trong dải sử dụng, áp hệ số hiệu chỉnh và lưu chứng chỉ. Techmaster cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn thiết bị đo theo ISO/IEC 17025 cho nhu cầu này.

Các model và phụ kiện thermocouple của Pico

Sản phẩm	Vai trò
Pico TC-08	Bộ ghi 8 kênh cho thermocouple loại B, E, J, K, N, R, S, T; đầu nối mini; CJC tích hợp; tối đa 20 máy trên một PC
Cặp nhiệt điện loại K Pico	14 mã: đầu trần PTFE hoặc sợi thuỷ tinh, đo không khí, cắm sâu, dán bề mặt, chịu nhiệt cao; dây 1–10 m
Cặp nhiệt điện loại T Pico	13 mã: đầu trần PTFE hoặc sợi thuỷ tinh, đầu inox chống nước; dây 1–10 m; cấp 1
Bo đấu dây PicoLog	PP624 cho một kênh TC-08 (±50 mV, ±500 mV, ±5 V, 4–20 mA); PP660 cho PT-104; PP310, PP545 cho ADC-20/24 và PicoLog 1000

Các bộ ghi và phụ kiện đo nhiệt độ khác nằm trong danh mục thiết bị Pico Technology do Techmaster phân phối.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.