Trong một hệ đo nhiệt độ, sai số hiếm khi nằm ở chỗ người ta nghĩ. Bộ ghi có thể đạt độ phân giải 0,001 °C, nhưng nếu đầu đo dán hở khỏi bề mặt, hoặc chọn nhầm loại cặp nhiệt cho dải nhiệt cần đo, thì con số đẹp trên phần mềm chỉ là ảo giác. Bài viết này đi theo trình tự thực tế của một phép đo: chọn giữa cảm biến nhiệt độ PT100 và cặp nhiệt điện, chọn kiểu đầu đo theo đối tượng, đấu dây qua bo đấu dây, cấu hình PicoLog 6, rồi tính ngân sách sai số bằng số thay vì tin vào nhãn.
Hai nguyên lý đo, hai nhóm phụ kiện
Toàn bộ phụ kiện đo nhiệt độ của Pico chia làm hai nhánh, tương ứng với hai nguyên lý vật lý khác nhau. Hiểu chỗ khác nhau này quyết định 80% chất lượng phép đo, vì nó ràng buộc cả dải đo lẫn sai số sàn mà bạn không thể vượt qua bằng phần mềm.
Cặp nhiệt điện hoạt động theo hiệu ứng Seebeck: hai kim loại khác nhau hàn với nhau sinh ra một sức điện động rất nhỏ, biến thiên theo chênh lệch nhiệt độ giữa mối hàn đo và đầu tự do. Sức điện động này chỉ cỡ vài chục microvolt trên mỗi độ C, nên bộ ghi nhiệt độ TC-08 có dải điện áp vào chỉ ±70 mV. Đổi lại, mối hàn có thể rất nhỏ và rất bền, cho dải đo rộng và đáp ứng nhanh.
Nhiệt kế điện trở bạch kim đi theo hướng ngược lại: một phần tử bạch kim có điện trở danh định 100 Ω tại 0 °C, và điện trở đó thay đổi theo nhiệt độ theo một quan hệ đã được chuẩn hoá rất chặt. Vì đo điện trở dễ chính xác hơn đo microvolt, nhánh này cho sai số nhỏ hơn hẳn, nhưng dải đo hẹp hơn và phần tử cảm biến cồng kềnh hơn.
| Đặc tính | TC-08 (cặp nhiệt điện) | PT-104 (PT100/PT1000) |
|---|---|---|
| Số kênh mỗi máy | 8 | 4 |
| Dải đo | −270 °C đến +1820 °C (tuỳ loại cặp nhiệt) | −200 °C đến +800 °C |
| Độ phân giải bộ chuyển đổi | 20 bit (không nhiễu 16,25 bit) | 24 bit |
| Độ phân giải nhiệt độ | 0,025 °C ở dải hẹp | 0,001 °C |
| Độ chính xác | ±(0,2% số đọc + 0,5 °C) | 0,015 °C + 0,01% số đọc, tại 23 ±2 °C |
| Thời gian chuyển đổi | 100 ms mỗi kênh + 100 ms bù đầu lạnh | 720 ms mỗi kênh |
| Đầu nối vào | Cặp nhiệt điện cỡ nhỏ | mini-DIN 4 chân |
| Bảo vệ quá áp | ±30 V | ±30 V |
| Kết nối máy tính | USB | USB hoặc Ethernet |
| Mở rộng | Tới 20 thiết bị, 160 kênh | — |
Bảng trên đã đủ để loại trừ nhiều tình huống ngay từ đầu. Cần đo nhiệt độ lò trên 900 °C thì nhánh PT100 không tham gia được, vì trần dải đo là 800 °C. Ngược lại, cần phân biệt hai mức nhiệt cách nhau 0,05 °C trong buồng thử thì nhánh cặp nhiệt điện không tham gia được, vì riêng số hạng cố định trong công thức sai số đã là 0,5 °C.
Quy trình sáu bước cho một phép đo nhiệt độ
Thứ tự dưới đây quan trọng: mỗi bước thu hẹp lựa chọn cho bước sau. Đảo thứ tự thường dẫn tới việc mua đầu đo trước rồi mới phát hiện nó không đạt sai số mục tiêu.
Bước 1 — Viết ra dải nhiệt và sai số mục tiêu
Ghi hai con số trước khi mở bất kỳ catalogue nào: dải nhiệt độ thực tế cần bao phủ, và sai số tổng cho phép ở điểm làm việc quan trọng nhất. Sai số mục tiêu phải là sai số tổng, gồm cả thiết bị lẫn đầu đo, chứ không phải riêng phần thiết bị in trên tờ thông số.
Bước 2 — Chọn nhánh cảm biến
Cây quyết định rất ngắn. Nếu dải nhiệt vượt quá 800 °C hoặc xuống dưới −200 °C, chỉ còn nhánh cặp nhiệt điện. Nếu sai số mục tiêu chặt hơn khoảng 1 °C, nhánh PT100 gần như là lựa chọn duy nhất. Vùng chồng lấn ở giữa thì cân nhắc thêm số kênh cần thiết và tốc độ ghi.
Trong nhánh cặp nhiệt điện, chọn tiếp giữa hai loại phổ biến nhất. Cặp nhiệt loại K phủ dải −270 °C đến +1370 °C, là lựa chọn mặc định cho nhiệt độ cao. Cặp nhiệt loại T chỉ phủ −270 °C đến +400 °C, nhưng ổn định hơn ở vùng nhiệt độ thấp và quanh nhiệt độ phòng, nên hay dùng cho kho lạnh, chuỗi lạnh và thử nghiệm sinh học.
Bước 3 — Chọn kiểu đầu đo theo đối tượng
Đây là bước bị bỏ qua nhiều nhất, và cũng là bước gây sai số lớn nhất. Cùng một loại cặp nhiệt, kiểu đầu đo khác nhau cho kết quả lệch nhau vài độ trên cùng một vật.
- Đo không khí: cần mối hàn hở, khối lượng nhiệt nhỏ để đáp ứng nhanh. Mã SE002 cho cặp nhiệt loại K là đầu đo không khí đường kính 4,5 mm.
- Đo bề mặt: cần đầu dạng dải mỏng áp sát, tăng diện tích tiếp xúc. Mã SE004 là đầu ribbon 8 mm dán bề mặt.
- Đo trong lòng vật liệu: cần đầu kiểu cắm sâu, mã SE003 với đường kính 3,3 mm.
- Đo trong chất lỏng: cần đầu kín nước. Nhánh loại T có SE056 đầu thép không gỉ 5 × 50 mm.
- Môi trường nhiệt độ cao: chọn bản cách điện sợi thuỷ tinh chịu nhiệt, các mã SE059 đến SE062.
Nhánh PT100 có logic tương tự. Dòng đầu đo PT100 cho PT-104 gồm bản đa dụng SE011 cấp chính xác A, bản SE012 với dung sai 1/10 DIN cho phép đo chặt nhất, bản nhúng SE014, bản cắm sâu SE015 và SE016, bản đo không khí đáp ứng nhanh SE017, cùng bản bọc thép không gỉ SE041 cho môi trường khắc nghiệt.
Bước 4 — Đấu nối đúng kiểu đầu nối
TC-08 nhận trực tiếp đầu nối cặp nhiệt điện cỡ nhỏ, cắm thẳng vào tám ổ trên mặt máy. PT-104 dùng đầu nối mini-DIN 4 chân, phản ánh việc phép đo điện trở cần bốn dây để loại trừ điện trở của chính dây dẫn.
Khi tín hiệu đến từ tủ điện, cảm biến lắp sẵn hoặc dây chạy dài, việc bấm đầu nối chuyên dụng cho từng sợi trở nên bất tiện. Đó là lúc dùng bo đấu dây cho bộ ghi PicoLog: PP624 là bo một kênh cho TC-08, PP660 là adaptor đấu vít cho PT-104, PP310 dành cho ADC-20 và ADC-24, PP545 là bản cỡ nhỏ cho PicoLog 1000.
Bước 5 — Cấu hình phần mềm
Trong PicoLog 6, mỗi kênh phải được khai báo đúng loại cặp nhiệt. Khai sai loại là lỗi âm thầm nguy hiểm nhất trong cả quy trình: phần mềm vẫn hiển thị một con số hợp lý, đồ thị vẫn mượt, nhưng toàn bộ thang đo bị dịch vì bảng quy đổi điện áp sang nhiệt độ của mỗi loại là khác nhau. TC-08 hỗ trợ tám loại B, E, J, K, N, R, S và T.
Kênh không dùng nên tắt hẳn thay vì để trống. Với TC-08, mỗi kênh bật thêm cộng 100 ms vào thời gian một vòng quét, nên tắt kênh thừa là cách rẻ nhất để tăng tốc độ ghi.
Bước 6 — Kiểm tra vòng quét và ngân sách sai số
Trước khi ghi dữ liệu thật, hãy tính thời gian một vòng quét đầy đủ. Với TC-08 dùng cả tám kênh: 8 × 100 ms cộng 100 ms cho bù đầu lạnh, tổng cộng 900 ms. Với PT-104 dùng cả bốn kênh: 4 × 720 ms, tổng cộng 2,88 giây. Nghĩa là bộ ghi độ chính xác cao lại chậm hơn khoảng 3,2 lần cho một vòng quét đầy đủ, dù nó có ít kênh hơn một nửa.
Con số này quyết định bạn có bắt được hiện tượng cần quan sát hay không. Một quá trình nhiệt biến thiên trong vài giây sẽ bị PT-104 lấy mẫu quá thưa, bất kể độ phân giải 0,001 °C trông hấp dẫn thế nào.
Bù đầu lạnh và lý do nó tốn thêm 100 ms
Cặp nhiệt điện không đo nhiệt độ tuyệt đối. Nó chỉ sinh ra sức điện động tỉ lệ với chênh lệch giữa mối hàn đo và điểm mà cặp nhiệt nối vào mạch điện của thiết bị. Muốn ra nhiệt độ tuyệt đối, thiết bị phải biết chính xác nhiệt độ tại chính đầu nối của nó, rồi cộng vào. Đó là bù đầu lạnh.
Vì vậy TC-08 dành riêng 100 ms mỗi vòng quét để đo nhiệt độ đầu nối của chính nó. Khi toàn bộ kênh được dùng làm kênh điện áp thay vì kênh nhiệt độ, phép bù này có thể tắt đi và vòng quét ngắn lại tương ứng.
Hệ quả thực tế: đừng đặt TC-08 cạnh nguồn nhiệt, trong luồng gió điều hoà thổi thẳng, hay dưới nắng. Gradient nhiệt ngang qua thân máy làm nhiệt độ đầu nối thật khác với chỗ máy đo, và sai lệch đó cộng thẳng vào mọi kênh. Thông số độ chính xác của TC-08 cũng chỉ được công bố trong khoảng nhiệt độ môi trường 20 °C đến 30 °C, dù máy vẫn hoạt động được từ 0 °C đến 50 °C.
Ngân sách sai số: tính bằng số
Cả hai công thức sai số đều có hai số hạng: một phần cố định và một phần tỉ lệ với số đọc. Cách duy nhất để biết thiết bị có đạt yêu cầu hay không là thay số thật vào.
| Điểm đo | TC-08: ±(0,2% × số đọc + 0,5 °C) | PT-104: 0,015 °C + 0,01% × số đọc |
|---|---|---|
| 25 °C | 0,05 + 0,5 = 0,55 °C | 0,015 + 0,0025 = 0,018 °C |
| 200 °C | 0,4 + 0,5 = 0,90 °C | 0,015 + 0,02 = 0,035 °C |
| 800 °C | 1,6 + 0,5 = 2,10 °C | ngoài dải đo |
Ở 200 °C, chênh lệch giữa hai nhánh là khoảng 26 lần. Ở gần nhiệt độ phòng, khoảng cách còn giãn rộng hơn, khoảng 31 lần, vì số hạng cố định 0,5 °C của cặp nhiệt điện chiếm gần như toàn bộ ngân sách khi số đọc nhỏ. Đây chính là lý do vì sao phép đo cần độ chụm cao quanh nhiệt độ phòng luôn được đẩy về nhánh PT100.
Một lưu ý quan trọng: các con số trên là sai số của thiết bị. Dung sai của bản thân đầu đo là một khoản riêng và phải cộng thêm. Đó là lý do dòng PT100 phân biệt bản cấp chính xác A và bản 1/10 DIN, và là lý do vì sao hai đầu đo cùng cắm vào một máy vẫn có thể lệch nhau.
Bảy lỗi lắp đặt làm hỏng phép đo
- Khai sai loại cặp nhiệt trong phần mềm. Lỗi âm thầm, đồ thị vẫn đẹp, toàn thang bị dịch.
- Đầu đo bề mặt không áp sát. Một khe hở mỏng cũng đủ biến phép đo bề mặt thành phép đo không khí gần bề mặt.
- Cắm không đủ sâu. Phần cảm biến nằm trong vùng chuyển tiếp nhiệt sẽ đọc ra giá trị trung bình giữa vật và môi trường.
- Đặt bộ ghi trong gradient nhiệt. Làm sai lệch phép bù đầu lạnh trên toàn bộ kênh.
- Nối dài dây bằng dây đồng thường. Với cặp nhiệt điện, mỗi mối nối bằng kim loại khác tạo thêm một cặp nhiệt ký sinh.
- Bỏ qua giới hạn điện áp. TC-08 chịu quá áp ±30 V và điện áp chung tối đa ±7,5 V; đo trên vật mang điện cần cách ly trước.
- Đo bằng vòng quét quá chậm so với hiện tượng. Lấy mẫu 2,88 giây không mô tả được một biến thiên kéo dài ba giây.
Với các phép đo cần dẫn chứng trước bên thứ ba, thiết bị nên được đưa vào chu kỳ hiệu chuẩn định kỳ. Techmaster vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho nhóm thiết bị đo điện và đo nhiệt.
Các model trong dòng que đo và phụ kiện Pico
Nhóm phụ kiện đo nhiệt và ghi dữ liệu nằm trong dòng phụ kiện chung của Pico. Danh sách đầy đủ các nhóm sản phẩm trong dòng:
- Cảm biến PT100 cho PT-104
- Cặp nhiệt điện loại K cho TC-08
- Cặp nhiệt điện loại T cho TC-08
- Bo đấu dây cho bộ ghi dữ liệu PicoLog
- Gia tốc kế và phụ kiện đo rung
- Que đo thụ động PicoScope
- Que đo tích cực PicoScope
- Que đo trở kháng thấp PicoConnect
- Que đo vi sai cao áp
- Que đo vi sai tốc độ cao
- Kẹp đo dòng điện
- Que đo logic và pod MSO
- Phụ kiện que đo PicoScope
- Giá đỡ và định vị que đo
- Dây đo và cáp cho chẩn đoán ô tô
- Kẹp đo và adaptor 4 mm
- Breakout lead và hộp chia tín hiệu
- Kẹp dòng ô tô
- Phụ kiện đo đánh lửa
- Vali, khay foam và giá đỡ
- Thiết bị kiểm tra an toàn điện xe điện
Phần chọn que đo cho máy hiện sóng, gồm que thụ động, tích cực, vi sai và kẹp dòng, được trình bày riêng trong bài chọn que đo cho máy hiện sóng. Toàn bộ danh mục thiết bị Pico do Techmaster phân phối nằm ở trang thương hiệu Pico Technology.
Bài toán trôi nhiệt trong đo lường không chỉ giới hạn ở cảm biến nhiệt. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên chính mặt phẳng hiệu chuẩn của thiết bị đo cao tần được phân tích trong bài đo tham số S theo nhiệt độ.
