ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
---------------o0o---------------
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN 1
Môn Đo lường công nghiệp
GVHD: Nguyễn Đức Hoàng
Nhóm L02
STT
HỌ VÀ TÊN
MSSV
Nhiệm vụ
Phần trăm hoàn
thành
1
Cấn Hoàng Thiên Phúc
1910448
Làm báo cáo
100%
TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 1 NĂM 2022
MỤC LỤC
I. GIỚI THIỆU .................................................................................................... 3
II. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC
TÍNH CỦA THERMOCOUPLE ............................................................................... 4
1. Cấu tạo ...................................................................................................... 4
2. Nguyên lý hoạt động .................................................................................. 5
3. Phương trình đặc tính ............................................................................... 6
III. ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI THERMOCOUPLE .......................................... 8
1. Đặc điểm của thermocouple loại K .......................................................... 9
2. Đặc điểm của thermocouple loại J ......................................................... 11
3. Đặc điểm của thermocouple loại E ........................................................ 12
4. Đặc điểm của thermocouple loại T ........................................................ 13
5. Đặc điểm của thermocouple loại N ........................................................ 14
6. Đặc điểm của thermocouple loại R ........................................................ 15
7. Đặc điểm của thermocouple loại S ......................................................... 16
8. Đặc điểm của thermocouple loại B ........................................................ 17
IV. SO SÁNH VÀ ỨNG DỤNG CÁC LOẠI THERMOCOUPLE ............. 19
1. So sánh ứng dụng các loại thermocouple ................................................ 19
2. Đặc điểm của thermocouple loại K .......................................................... 19
3. Đặc điểm của thermocouple loại J ........................................................... 20
4. Đặc điểm của thermocouple loại E .......................................................... 21
5. Đặc điểm của thermocouple loại T .......................................................... 23
6. Đặc điểm của thermocouple loại N .......................................................... 24
7. Đặc điểm của thermocouple loại R và S .................................................. 26
8. Đặc điểm của thermocouple loại B .......................................................... 26
V. CÁC KĨ THUẬT BÙ NHIỆT, VẤN ĐỀ NỐI DÀI DÂY .......................... 29
1. Vấn đề nối dài dây .................................................................................... 29
2. Các kĩ thuật bù nhiệt sau nối dài dây ........................................................ 32
VI. SO SÁNH CÁC KỸ THUẬT CALIB DÙNG ĐA THỨC CỦA NIST VÀ
ĐA THỨC HỮU TỈ CỦA MOSAIC ........................................................................ 36
1. Kĩ thuật calid dùng đa thức của Nist ........................................................ 36
2. Kĩ thuật calib dùng đa thức hữu tỉ của Mosaic ......................................... 38
2
I.
GIỚI THIỆU
Vào năm 1821, một nhà vật lý học tên là "Thomas Seebeck" đã có một phát hiện
khi hai dây kim loại khác nhau được liên kết ở cả hai đầu của một điểm nối trong một
mạch điện khi nhiệt độ áp dụng vào điểm nối này, sẽ có một dòng điện chạy qua mạch
đó là được gọi là trường điện từ (EMF). Năng lượng được tạo ra bởi mạch được đặt tên
là Hiệu ứng Seebeck. Sử dụng hiệu ứng của Thomas Seebeck làm kim chỉ nam cho
mình, cả hai nhà vật lý người Ý là Leopoldo Nobili và Macedonio Melloni đã hợp tác
để thiết kế một pin nhiệt điện vào năm 1826, được gọi là hệ số nhân nhiệt, nó được rút
ra từ việc khám phá ra nhiệt điện của Seebeck bằng cách hợp nhất một điện kế như cũng
như nhiệt kế để tính toán bức xạ. Vì nỗ lực của mình, một số người đã xác định Nobili
là người phát hiện ra cặp nhiệt điện.
Thermocouple (Cặp nhiệt điện) là cảm biến nhiệt độ được sử dụng rộng rãi nhất
trên hành tinh do sự kết hợp của khả năng nhiệt độ rộng, độ chắc chắn và chi phí thấp.
Khi nói đến nhiệt độ cao, kích thước nhỏ, phản ứng nhanh, rung hoặc sốc cao, hầu hết
bạn sẽ tìm thấy cặp nhiệt điện ở đó.
3
II.
CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC
TRƯNG CÁC LOẠI THERMOCOUPLE
1. Cấu tạo
Cấu tạo chính của thermocouple gồm 2 dây của 2 kim loại (hoặc hợp kim) khác
nhau, được nối ở một đầu (đầu nóng, đầu đo), đầu kia để lấy tín hiệu điện áp (đầu lạnh,
đầu tham chiếu).
Đầu nối nóng (Hot Juntion):
Có nhiều thiết kế đầu nối nóng khác nhau: Nối đất hoặc không nối đất, Các cặp
nhiệt điện kép được các ly với nhau hay nối chung với nhau
4
Các mối nối T / C nối đất khi mối nối cặp nhiệt điện được kết nối với vỏ
cảm biến. Các mối nối nối đất có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn, do đó tạo ra thời gian phản
hồi nhanh nhất. Tuy nhiên, việc nối đất cũng làm cho các mạch của cặp nhiệt điện dễ bị
nhiễu điện hơn, có thể làm hỏng tín hiệu điện áp của cặp nhiệt điện trừ khi thiết bị đo
lường cung cấp tính năng cách ly. (Tất cả các máy phát chất lượng cao và thẻ I / O đều
cung cấp tính năng cách ly điện như một tính năng tiêu chuẩn.) Mối nối nối đất cũng có
thể dễ bị hư hỏng hơn theo thời gian.
Các mối nối không nối đất khi các phần tử T / C không được kết nối với
vỏ cảm biến mà được bao quanh bằng bột cách điện. Các mối nối không nối đất có thời
gian phản hồi chậm hơn một chút so với các mối nối nối đất nhưng ít bị nhiễu điện hơn.
Các T / C có đầu nóng kéo dài qua đầu bịt kín của vỏ bọc để cung cấp
phản ứng nhanh hơn. Đệm làm kín ngăn chặn sự xâm nhập của hơi ẩm hoặc các chất
bẩn khác vào vỏ bọc. Chúng thường chỉ được áp dụng với các khí không ăn mòn như có
thể được tìm thấy trong ống dẫn không khí.
2. Nguyên lý hoạt động
Thermocouple hay Cặp nhiệt điện (T/C) là một thiết bị cảm biến nhiệt độ nhiệt
điện mạch kín bao gồm hai dây dẫn bằng kim loại khác nhau được nối ở hai đầu. Dòng
điện được tạo ra khi nhiệt độ ở một đầu khác với nhiệt độ ở đầu kia. Hiện tượng này
5
được gọi là hiệu ứng Seebeck, là cơ sở để đo nhiệt độ của cặp nhiệt điện.
Một đầu được gọi là đầu nối nóng trong khi đầu kia được gọi là đầu nối lạnh. Đầu
nối nóng được đặt bên trong vỏ bọc cảm biến và tiếp xúc với chất cần đo nhiệt độ. Đầu
nối lạnh, hoặc điểm nối tham chiếu, là điểm kết thúc bên ngoài quá trình nơi nhiệt độ
được biết và là nơi đo điện áp. (ví dụ: trong máy phát, thẻ đầu vào của hệ thống điều
khiển hoặc bộ điều hòa tín hiệu khác.)
Theo hiệu ứng Seebeck, điện áp đo được tại điểm nối lạnh tỷ lệ với sự chênh lệch
nhiệt độ giữa điểm nối nóng và điểm tiếp giáp lạnh. Điện áp này có thể được gọi là điện
áp Seebeck, điện áp nhiệt điện hoặc EMF nhiệt điện. Khi nhiệt độ tăng lên ở điểm nóng,
điện áp quan sát được ở điểm lạnh cũng tăng không tuyến tính với nhiệt độ tăng. Mức
độ tuyến tính của mối quan hệ nhiệt độ – điện áp phụ thuộc vào sự kết hợp của các kim
loại được sử dụng để tạo ra T / C.
3. Phương trình đặc trưng
Cặp nhiệt điện hoạt động theo hiệu ứng nhiệt điện dựa trên nguyên tắc vật lý rằng
khi hai kim loại khác nhau bất kỳ được kết nối với nhau, một emf, là một hàm của nhiệt
độ, được tạo ra tại điểm tiếp giáp giữa các kim loại. Hình thức chung của mối quan hệ
này được thể hiện thông qua phương trình:
6
E = a1T + a2T2 + a3T3 + … + anTn
trong đó e là điện áp emf tạo ra và T là nhiệt độ tuyệt đối.
Điều này rõ ràng là phi tuyến tính, gây bất tiện cho các ứng dụng đo lường. May
mắn thay, đối với một số cặp vật liệu nhất định, các số hạng liên quan đến lũy thừa bình
phương và cao hơn của T (a2T2 ,a3T3, v.v.) là xấp xỉ 0 và mối quan hệ nhiệt độ em là
xấp xỉ tuyến tính theo:
E ≈ a 1T
Dây của các cặp vật liệu như vậy được kết nối với nhau ở một đầu và ở dạng này
được gọi là cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện là một loại thiết bị rất quan trọng vì chúng
cung cấp phương pháp đo nhiệt độ thông dụng nhất trong công nghiệp.
Cặp nhiệt điện được sản xuất từ sự kết hợp khác nhau của đồng kim loại cơ bản
và sắt; hợp kim kim loại cơ bản của alumel (Ni / Mn / Al / Si), crom (Ni / Cr), constantan
(Cu / Ni), nicrosil (Ni / Cr / Si), nisil (Ni / Si / Mn), nikenemolypden, và nickelecobalt;
các kim loại quý platin và vonfram; và các hợp kim kim loại quý của platinerhodi,
tungstenerhenium và goldeiron. Chỉ một số kết hợp nhất định trong số này được sử dụng
làm cặp nhiệt và hầu hết các kết hợp tiêu chuẩn được biết đến bằng các chữ cái loại 409
của Đo lường Nhiệt độ được quốc tế công nhận, ví dụ, loại K là chromelealumel. Các
đặc tính nhiệt độ emfetempempe của một số cặp nhiệt điện tiêu chuẩn này được thể hiện
trong hình sau (vẽ bằng Matlab 2019b) : chúng thể hiện độ tuyến tính hợp lý trên ít nhất
một phần của dải đo nhiệt độ của chúng.
Đặc tuyến của các loại thermocouple (Matlab 2019b)
7
III.
ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI THERMOCOUPLE
Tóm tắt đặc điểm các loại thermocouple thông dụng:
Loại cảm biến
Phạm vi
dãy nhiệt
độ
Đặc điểm
- Là loại cặp nhiệt điện phổ
Thermocouple biến và được sử dụng nhiều
Dao động
Type K (Cảm nhất hiện nay với dãy đo
từ -270 đến
biến nhiệt loại rộng.
1200 độ C.
- Tiết kiệm chi phí, đảm bảo
K)
độ chính xác cao và có phạm
vi nhiệt độ rộng.
- Là loại cũng khá phổ biến
Thermocouple và tuổi thọ ngắn hơn so với
loại K.
Từ -210 đến
Type J (Cảm
biến nhiệt loại -Tiết kiệm chi phí, đảm bảo 760 độ C
độ chính xác cao và có phạm
J)
vi nhiệt độ khá rộng.
Là loại Thermocouple hoạt
Thermocouple
động rất ổn định và thường
Type T (Cảm
được dùng trong các ứng
biến nhiệt loại
dụng nhiệt độ cực thấp như
T)
đông lạnh.
Thermocouple
Type E (Cảm
biến nhiệt loại
E)
Là loại có tín hiệu mạnh
hơn, độ chính xác cao hơn
loại K và J với dải nhiệt độ
dưới 537 độ C
Thermocouple
Type N (Cảm
biến nhiệt loại
N)
Là loại có độ chính xác và
giới hạn nhiệt độ như loại K
nhưng chi phí cao hơn một
chút.
Thermocouple
Type S (Cảm
biến nhiệt loại
S)
- Được sử dụng trong các
ứng dụng có nhiệt độ rất cao
như các ngành công nghiệp
sinh học, dược phẩm và
8
Từ -270 độ
370 độ C
Sai số tiêu chuẩn
Dao động từ +/-2.2
độ C hoặc 0.75%.
+/-2.2 độ C hoặc
0.75%. Ngoài ra,
người sử dụng có thể
tuỳ chọn sai số thấp
nhất : +/-1.1 độ C
hoặc 0.4%.
+/- 1.0 độ C hoặc +/0.75%. Ngoài ra,
người sử dụng có thể
tuỳ chọn sai số thấp
nhất : +/- 0.5 độ C
hoặc 0.4%.
+/- 1.7 độ C hoặc +/0.5%. Ngoài ra,
Từ -270 đến
người sử dụng có thể
870 độ C.
tuỳ chọn sai số thấp
nhất : +/- 1.0 độ C
hoặc 0.4%.
+/- 2.2 độ C hoặc +/0.75%. Ngoài ra,
Từ -270 đến
người sử dụng có thể
1300 độ C
tuỳ chọn sai số thấp
nhất : +/- 1.0 độ C
hoặc 0.4%.
+/- 1.5C hoặc +/Từ -50 đến
0.25%
1600 độ C.
Ngoài ra, người sử
dụng có thể tuỳ chọn
trong các lò đốt.
- Có độ chính xác và ổn định
cao.
- Vỏ bảo vệ thường làm
bằng sứ.
Thermocouple
Type R (Cảm
biến nhiệt loại
R)
- Được dùng trong các ứng
dụng nhiệt độ rất cao với tỷ Từ -50 đến
lệ Rhodium cao hơn loại S.
1500 độ C.
- Hiệu suất làm việc như loại
S nhưng chi phí cao hơn.
- Là loại có giới hạn nhiệt độ
Thermocouple cao nhất.
Từ 0 đến
Type B (Cảm - Được sử dụng trong các
1700 độ C.
biến nhiệt loại ứng dụng nhiệt độ cực cao.
- Độ chính xác và ổn định
B)
cao ở nhiệt độ rất cao.
1. Đặc điểm của thermocouple loại K
9
sai số thấp nhất : +/0.6 độ C hoặc 0.1%.
+/- 1.5C hoặc
+/- .25%
Ngoài ra, người sử
dụng có thể tuỳ chọn
sai số thấp nhất: +/0.6C hoặc 0.1%
+/-0.5%. Ngoài ra có
thể chọn sai số thấp
nhất : +/-0.25%.
 Thành phần:
Chromel gồm 90% niken và 10% crom, là dây dương
Alumel là hợp kim bao gồm 95% niken, 2% mangan, 2% nhôm và 1%
silic, là dây âm
 Độ nhạy: Loại K là một trong những cặp nhiệt điện phổ biến nhất với độ
nhạy khoảng 28 - 42 µV/°C (Thường là khoảng 41 µV/°C)
 Độ chính xác: Sai số tiêu chuẩn của cặp nhiệt điện loại K trong khoảng ±2,2°C
hoặc 0,75%. Giới hạn sai số nhỏ nhất trong khoảng ±1,1°C hoặc 0.4%
 Phạm vi nhiệt độ: Chúng thường có dãy đo trong khoảng nhiệt -270 ÷ 1200°C
và tương đối tuyến tính.
 Các đặc điểm khác
10
Cảm biến cặp nhiệt điện loại K (Niken-Crom / Niken-Alumel) là các loại
cảm biến nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay vì giá thành khá hợp lý, độ bền
cao, khoảng nhiệt độ vừa phải.
Thành phần niken là từ tính, và như các kim loại từ tính khác, sẽ có độ
lệch trong đầu ra khi vật liệu đạt tới điểm Curie, xảy ra ở nhiệt độ 350 °C (662 °F)
đối với cặp nhiệt điện loại K. Điểm Curie là nơi vật liệu từ trải qua một sự thay đổi
đáng kể trong tính chất từ của nó và gây ra sự sai lệch lớn đến tín hiệu đầu ra.
Nó có thể được sử dụng trong không khí liên tục oxy hoá hoặc trung hòa.•
Hầu hết sử dụng ở trên 538 °C (1000 °F).
Không tốn kém, và phạm vi của nó là từ –270 °C đến +1372 °C (–
454 °F đến +2501 °F) và tương đối tuyến tính.
Tiếp xúc với lưu huỳnh góp phần vào sự hư hỏng sớm.
Hoạt động ở nồng độ oxy thấp gây ra một sự dị thường gọi là quá trình
oxy hóa ưu tiên của crom trong dây dương gây ra tình trạng gọi là ‘green rot’ tạo ra
các sai lệch lớn nghiêm trọng nhất trong khoảng 816 đến 1038 °C (1500 đến
1900 °F). Việc thông gió hoặc bít kín ống bảo vệ có thể ngăn ngừa hoặc giảm nhẹ
tình trạng này.
Chu kỳ trên và dưới 1000 °C (1800 °F) không được khuyến nghị do thay
đổi đầu ra từ các hiệu ứng trễ.
2. Đặc điểm của thermocouple loại J
11
 Thành phần: Chân Sắt là dây dương và Constantan (hợp kim đồng – niken) là
dây âm
 Độ nhạy: Độ nhạy của cặp nhiệt điện loại J khoảng 50-60 µV/°C (Thường là
khoảng 50 μV/ºC)
 Độ chính xác: Sai số tiêu chuẩn của cặp nhiệt điện loại J trong khoảng±-2,2°C
hoặc 0,75%. Giới hạn sai số nhỏ nhất trong khoảng ±1,1°C hoặc 0,4%
 Phạm vi nhiệt độ: Dãy đo nhiệt độ của cảm biến dao động trong khoảng:
-210 ÷ 760°C
 Các đặc điểm khác
Cảm biến nhiệt độ dạng cặp nhiệt điện loại J (Iron / Constantan) là các
loại cảm biến cũng được dùng khá phổ biến giống loại K . Nó có phạm vi nhiệt độ
nhỏ hơn và tuổi thọ ngắn hơn ở nhiệt độ cao hơn các loại cảm biến can K nhưng
tương đương với loại K về chi phí và độ tin cậy.
Các cặp nhiệt điện loại J có phạm vi tiềm năng hạn chế hơn loại K từ –
200 đến +1200 °C (–328 đến 2193 °F), nhưng độ nhạy cao hơn khoảng 50 μV/ºC.
Nó có nhiệt độ tuyến tính trong khoảng 149 đến 427 °C (300 đến 800 °F)
và trở nên dễ gãy (phi tuyến) dưới 0 °C (32 °F).
Tại điểm Curie của sắt 770 °C (1418 °F) có sự thay đổi đột ngột và vĩnh
viễn về đặc tính đầu ra, xác định giới hạn nhiệt độ trên thực tế.
Sắt bị oxy hóa ở nhiệt độ cao hơn 538 °C (1000 °F) gây ảnh hưởng xấu
đến độ chính xác của nó. Chỉ dây đo nặng được sử dụng ở những điều kiện này.
Loại J phù hợp để sử dụng trong bầu không khí chân không, giảm, hoặc
trơ.
Nó sẽ giảm tuổi thọ nếu sử dụng trong môi trường oxy hóa.
Các thành phần cảm biến trần không được để ở nơi chứa lưu huỳnh trên
538 °C (1000 °F).
12
3. Đặc điểm của thermocouple loại E
 Thành phần:
Chromel là một hợp kim của 90% niken và 10% crom và là dây dương.
Constantan là hợp kim thường gồm 55% đồng và 45% niken là dây âm.
 Độ nhạy: Độ nhạy của cặp nhiệt điện loại E khoảng 40 - 80 µV/ °C (Thường
là khoảng 68 μV/°C)
 Độ chinh xác: Sai số tiêu chuẩn của cặp nhiệt điện loại E trong khoảng
±1,7°C hoặc ±0,5%. Giới hạn sai số nhỏ nhất trong khoảng ±1,0°C hoặc 0,4%
 Phạm vi nhiệt độ: Dãy đo nhiệt độ của cảm biến dao động trong khoảng:
-270÷870°C
 Các đặc điểm khác:
Cảm biến nhiệt độ dạng cặp nhiệt điện loại E (Niken-Crom / Constantan)
có tín hiệu mạnh hơn và độ chính xác cao hơn các loại cảm biến đo lường nhiệt độ
loại K hoặc J ở dải nhiệt độ vừa phải từ 537°C trở xuống.
Loại E có phạm vi tiềm năng từ –270 đến 1000 °C (–454 đến 1832 °F).
Nó không có từ tính và có điện áp đầu ra cao nhất so với thay đổi nhiệt
độ của bất kỳ loại tiêu chuẩn nào (68 μV/°C).
Nó cũng có xu hướng lệch nhiều hơn các loại khác.
13
Khuyến cáo sử dụng cho môi trường oxy hóa liên tục hoặc khí trơ.
Các giới hạn lỗi của nó chưa được thiết lập để sử dụng dưới mức không.
4. Đặc diểm của themorcouple loại T
 Thành phần: Chân Đồng là dây dương và Constantan (hợp kim đồng – niken)
là dây âm
 Độ nhạy: : Độ nhạy của cặp nhiệt điện loại T khoảng 17 - 58 µV/°C (Thường
là khoảng 38 μV/°C)
 Độ chính xác: Sai số tiêu chuẩn của cặp nhiệt điện loại T trong khoảng +/2.2C hoặc +/- 0.75%. Giới hạn sai số nhỏ nhất trong khoảng +/- 1.1C (hoặc) 0.4%
 Phạm vi nhiệt độ: Dãy đo nhiệt độ của cảm biến dao động trong khoảng từ
-270 độ 370 độ C
 Các đặc điểm khác:
Kiểu T có độ nhạy 38 μV/°C và có phạm vi tiềm năng từ –270 đến 400 °C
(–454 đến 752 °F).
Chúng có thể được sử dụng trong môi trường oxy hóa, giảm hoặc trơ và
trong chân không.
Chúng có khả năng chống ăn mòn cao.
Chúng thể hiện được tính tuyến tính tốt và thường được sử dụng từ các
phạm vi nhiệt độ rất thấp (nhiệt độ nấm) đến nhiệt độ trung bình.
14
5. Đặc điểm của thermocouple loại N
 Thành phần:
Nicrosil là hợp kim niken có chứa 14.4% crom, 1.4% silic, và 0.1% magie
và là dây dương.
Nisil là hợp kim của hợp kim niken với 4.4% silic là dây âm.
 Độ nhạy: Độ nhạy của cặp nhiệt điện loại K trong khoảng 28-42 µV/°C
(Thường là khoảng 39 μV/°C)
 Độ chính xác: Sai số tiêu chuẩn của cặp nhiệt điện loại N trong khoảng ±2,2°C
hoặc ±0,75%. Giới hạn sai số nhỏ nhất trong khoảng ±1,1°C hoặc 0,4%
 Phạm vi nhiệt độ: Dãy đo nhiệt độ của cảm biến dao động trong khoảng:
-
270 ÷ 1300°C
 Các đặc điểm khác:
Cảm biến nhiệt độ dạng cặp nhiệt điện loại N (Nicrosil / Nisil) sẽ có
cùng độ chính xác và giới hạn nhiệt độ như cảm biến loại K. tuy nhiên loại N sẽ
đắt hơn một chút.
Cặp nhiệt điện loại N là thiết kế mới nhất đã được các tiêu chuẩn quốc tế
chấp nhận và đang ngày càng được sử dụng rộng khắp trên thế giới.
Các hợp kim này cho phép loại N đạt được độ ổn định nhiệt điện cao hơn
các loại kim loại cơ bản E, J, K và T.
15
Các cặp nhiệt điện loại N có độ nhạy 39 μV/°C và phạm vi tiềm năng từ
–270 đến 1300 °C (–454 đến 2372 °F).
Các cặp nhiệt điện loại N đã được sử dụng đáng tin cậy trong thời gian
dài ở nhiệt độ tối thiểu 1200 °C (2192 °F).
Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong không khí oxy hoá, sự ổn định
nhiệt điện của cặp nhiệt điện loại N tương tự như cặp nhiệt điện kim loại quý của
các thermocouple ANSI loại R và S lên tới 1200 °C (2192 °F).
Không đặt các cặp nhiệt điện loại N vào chân không hoặc giảm hoặc xen
kẽ không khí giảm / oxy hóa.
6. Đặc điểm của thermocouple loại R
 Thành phần: Chân Platinum-13% Rhodium là chân dương và Platinum là
dây âm
 Độ nhạy: Độ nhạy của cặp nhiệt điện loại R trong khoảng 8 - 14 µV /°C
(Thường là khoảng 10 µV /°C)
 Độ chính xác: Sai số tiêu chuẩn của cặp nhiệt điện loại N trong khoảng +/1,5C hoặc +/- 0.25%. Giới hạn sai số nhỏ nhất trong khoảng +/- 0,6C hoặc 0,1%
 Phạm vi nhiệt độ: Dãy đo nhiệt độ của cảm biến dao động trong khoảng: -50
÷ 1500°C
 Các đặc điểm khác:
16
Loại R và S có phạm vi tiềm năng từ –50 đến 1768 °C (–58 đến 3214 °F).
Loại R và S đều có độ nhạy khoảng 10 μV/°C và do đó không thích hợp
cho các ứng dụng nhiệt độ thấp, mà các loại khác sẽ là sự lựa chọn tốt hơn.
Vì chúng được chế tạo từ hợp kim platin nên chúng rất đắt và thường
được dành riêng cho các ứng dụng nhiệt độ cực cao mà các loại cặp nhiệt điện khác
không hoạt động tốt.
Do tính ổn định cao, cặp nhiệt điện loại S được sử dụng để xác định
Thang đo Nhiệt độ Quốc tế (International Temperature Scale) giữa điểm mà
Antimony đóng băng (630.5 °C / 1166.9 °F) và điểm nóng chảy của vàng
(1064.43 °C / 1945.4 °F).
Việc lắp đặt thích hợp yêu cầu các cặp nhiệt điện được bảo vệ bằng ống
bảo vệ phi kim loại và các chất cách điện bằng gốm.
Phơi nhiễm nhiệt độ cao kéo dài gây ra sự gia tăng hạt có thể dẫn đến sự
hư hỏng về cơ học và lệch tiêu cực do sự khuếch tán Rhodi đến chân platin tinh khiết
cũng như từ sự bay hơi của Rhodi.
Nói chung loại R được sử dụng trong công nghiệp và loại S chủ yếu được
sử dụng trong phòng thí nghiệm.
7. Đặc điểm của thermocouple loại S
 Thành phần: Chân Platinum - 10% Rhodium là dây dương và Platinum là dây
17
âm
 Độ nhạy: Độ nhạy của cặp nhiệt điện loại S trong khoảng 8 - 12 µV /°C
(Thường là khoảng 10 µV /°C)
 Độ chính xác: Sai số tiêu chuẩn của cặp nhiệt điện loại N trong khoảng +/1,5C hoặc +/- 0.25%. Giới hạn sai số nhỏ nhất trong khoảng +/- 0,6C hoặc 0,1%
 Phạm vi nhiệt độ: Dãy đo nhiệt độ của cảm biến dao động trong khoảng -50
÷ 1600°C
 Các đặc điểm khác (Giống với loại R)
8. Đặc điểm của thermocouple loại B
 Thành phần: Chân Platinum - 30% Rhodium là dây dương và Platinum - 6%
Rhodium là dây âm
 Độ nhạy: Độ nhạy của cặp nhiệt điện loại B trong khoảng 5 - 10 µV/°C
 Độ chinh xác: Sai số tiêu chuẩn của cặp nhiệt điện loại N trong khoảng +/-0,5%
hoặc +/- 0.25%. Giới hạn sai số nhỏ nhất khoảng +/- 0,25%
 Phạm vi nhiệt độ: Dãy đo nhiệt độ của cảm biến dao động trong khoảng: 0 ÷
1700°C
 Các đặc điểm khác:
Các cặp nhiệt điện loại B có phạm vi tiềm năng trong khoảng từ 0 đến
1820 °C (32 đến 3308 °F).
18
Các cặp nhiệt điện loại B thường được đặt trong môi trường không khí
sạch / oxy hoá nhưng không nên sử dụng trong không khí giảm.
Số lượng Rhodi tăng lên trong cặp nhiệt điện loại B giúp giảm vấn đề
tăng trưởng hạt, cho phép tăng phạm vi nhiệt độ tăng lên so với các loại R và S.
IV.
SO SÁNH VÀ ỨNG DỤNG CỦA CÁC LOẠI THERMOCOUPLE
1. So sánh ứng dụng các loại thermocouple
Ứng dụng của các loại thermocouple đều được sử dụng để đo nhiệt độ, dựa vào
các đặc điểm (tầm đo, độ chinh xác, độ nhạy,…), tính chất các loại thermocouple mà
nó có những lĩnh vực khác nhau:
Cặp nhiệt điện có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau trong ngành
thực phẩm và đồ uống bao gồm cảm biến Sạch sẽ tại chỗ, Đầu dò thâm nhập, Kiểm soát
lò nướng, Giám sát chuỗi thực phẩm, Kiểm soát và giám sát bếp điện và kiểm soát nhiệt
độ Ấm đun nước hơi.
2. Ứng dụng của thermocouple loại K
19
Một trong những ưu điểm chính của cặp nhiệt điện loại K so với các loại cặp
nhiệt điện khác là nó có thể hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt & trong
các môi trường khác nhau. Chúng còn được gọi là cặp nhiệt điện đa năng do có phạm vi
nhiệt độ rộng, giá thanh rẻ, có phản hồi nhanh, kích thước nhỏ và đáng tin cậy. Chúng
hầu hết được sử dụng cho các ứng dụng ở nhiệt độ trên 550 ° C cho đến áp suất làm việc
tối đa của cặp nhiệt điện.
Chúng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như Thép & Sắt để theo
dõi nhiệt độ và hóa học thông qua quá trình sản xuất thép
Được sử dụng để kiểm tra nhiệt độ liên quan đến các nhà máy chế biến, ví dụ
như sản xuất hóa chất và nhà máy lọc dầu
20
Được sử dụng để kiểm tra độ an toàn của thiết bị sưởi
Loại K thường được sử dụng trong các ứng dụng hạt nhân vì độ cứng bức xạ
tương đối của nó.
3. Ứng dụng của thermocouple loại J
21
Loại J là một loại cặp nhiệt điện phổ biến thường được sử dụng để theo dõi nhiệt
độ của vật liệu trơ và trong các ứng dụng chân không. Cặp nhiệt điện này dễ bị oxy hóa
vì vậy không được khuyến khích sử dụng trong điều kiện ẩm ướt hoặc theo dõi nhiệt độ
thấp. (Lưu ý rằng độ chính xác của cảm biến này có thể bị suy giảm vĩnh viễn nếu được
sử dụng trên 760 ° C.)
Giám sát trong chân không và kim loại trơ
Các quy trình nóng bao gồm nhựa và sản xuất nhựa thông
4. Ứng dụng của thermocouple loại E
Cặp nhiệt điện thường được sử dụng cung cấp tín hiệu mạnh hơn và độ chính xác
22
cao hơn so với Loại K và Loại J ở phạm vi nhiệt độ vừa phải từ 1000 ° F trở xuống. Loại
E có độ ổn định cao hơn khi so sánh với cặp nhiệt điện loại K do nó cung cấp độ chính
xác tốt. Nó không có từ tinh. Cung cấp dải rộng từ -50 ° C đến + 740 ° C và dải hẹp 110 ° C đến + 140 ° C. Cung cấp độ nhạy cao (68μV/°C) do đó nó rất thích hợp để đo
nhiệt độ thấp (Làm lạnh) nên chúng có những ứng dụng
Đối với các ứng dụng Cryogenic.
Các ứng dụng trong đó từ trường được tạo ra như loại E có bản chất không từ
tinh
23
Ngành hàng không vũ trụ nơi yêu cầu phản ứng nhanh
Đo nhiệt độ khí trong buồng lưu lượng
5. Ứng dụng của thermocouple loại T
Loại T được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm, chủ yếu là do
mức độ chính xác cao mà nó cung cấp và vì nó hoạt động tốt trong điều kiện có độ ẩm
mà không bị ôxy hóa. Nói chung, nếu yêu cầu đo nhiệt độ phạm vi thấp hơn, thì Loại T
là lựa chọn phổ biến.
Giám sát trong quá trình chế biến và sản xuất thực phẩm để xác định các mối
nguy tiềm ẩn về an toàn thực phẩm và tuân thủ các quy định của HACCP
24
Thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ thấp và đông lạnh
6. Ứng dụng của thermocouple loại N
Loại N cũng có dải nhiệt độ rộng, nhưng phù hợp hơn với việc theo dõi nhiệt độ
cao hơn loại K vì nó ổn định hơn và chống lại quá trình oxy hóa
25
Định dạng nhiệt độ trong lò nướng và lò nung
Đo nhiệt độ của tuabin khí và khí thải động cơ
Giám sát nhiệt độ trong suốt quá trình sản xuất và nấu chảy trong ngành thép,
sắt và nhôm
26
7. Ứng dụng của thermocouple loại R và S
Thermocouple loại R thường được dùng để đo nhiệt độ cho động cơ diesel, khí
thải tuabin khí, lò nung và nhiều loại khác trong công nghiệp cần độ chinh xác cao .
Thermocouple loại S những ứng dụng như: Đo nhiệt độ trong lò nhiệt luyện, cán
thép, lò nung, phản ứng nhiệt luyện,…luôn có nhiệt độ rất cao. Không một loại cảm biến
nhiệt độ nào có thể đo được, hoặc đo được nhưng độ bền không cao. Chỉ có sử dụng cặp
nhiệt S mới đem đến hiệu quả đo đạc thôi. Loại S cũng thường được sử dụng trong các
phòng thí nghiệm.
8. Ứng dụng của thermocouple loại B
Cặp nhiệt điện Loại B thích hợp để sử dụng ở nhiệt độ lên đến 1800 ° C. Chúng
được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cực cao. Điểm đặc biệt của cặp nhiệt điện
Loại B là nó có giới hạn nhiệt độ cao nhất trong tất cả các loại cặp nhiệt điện khác. Thiết
27
bị tạo điện áp ổn định sở hữu chất lượng chống lại quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao, dải
đo rộng, độ bền cơ học cao, chịu áp lực tốt nên chúng được ứng dụng trong các linh vực:
Quy trình xi măng và lò đốt
Các ngành nhiệt độ cao
Các phép đo nhiệt độ khí nóng
28
Ứng dụng trơ và oxy hóa
29
V.
CÁC KĨ THUẬT BÙ NHIỆT, VẤN ĐỀ NỐI DÀI DÂY
1. Vấn đề nối dài dây
Để làm cho một cặp nhiệt điện tuân theo một số đặc tính nhiệt độ - Emf được xác
định chính xác, cần phải tinh chế tất cả các kim loại được sử dụng ở mức độ tinh khiết
cao và tất cả các hợp kim được sản xuất theo một đặc điểm kỹ thuật chính xác. Điều này
làm cho các vật liệu được sử dụng đắt tiền, và do đó, các cặp nhiệt điện thường chỉ dài
vài cm. Rõ ràng là không thực tế khi kết nối một dụng cụ đo điện áp ở đầu mở của cặp
nhiệt điện để đo đầu ra của nó ở vị trí gần với môi trường có nhiệt độ đang được đo và
do đó, các dây dẫn nối dài dài tới vài mét thường được nối giữa cặp nhiệt điện. và dụng
cụ đo lường. Điều này sửa đổi mạch tương đương với mạch được chỉ ra trong Hình 2
(a). Bây giờ có ba điểm nối trong hệ thống và do đó ba nguồn điện áp, E1, E2 và E3, với
điểm đo của Emf (vẫn được gọi là điểm nối tham chiếu) được di chuyển đến các đầu mở
của dây dẫn kéo dài.
Hình 1
30
Hình 2
Hệ thống đo được thực hiện bằng cách kết nối dây dẫn nối dài với dụng cụ đo
điện áp. Vì các dây dẫn kết nối thông thường sẽ làm bằng vật liệu khác với các dây dẫn
nối dài cặp nhiệt điện, điều này vô tinh tạo thêm hai mối nối tạo ra hai Emf E4 và E5
vào hệ thống như thể hiện trong Hình 2 (b). Sau đó,điện áp ngõ ra Emf đo được (Em)
được cho bởi:
Em = E 1 + E 2 + E 3 + E 4 + E 5
(1)
Và điều này có thể được thể hiện lại theo E1 như sau:
E1 = E m - E2 - E 3 - E4 - E5
(2)
Phương trinh đặc trưng và phương trình xấp xỉ của cặp nhiệt điện:
E = a1T + a2T2 + a3T3 + … + anTn
E ≈ a1T
(3)
(4)
Để áp dụng phương trình (3) để tính toán nhiệt độ đo được tại điểm nối nóng, E1
phải được tính toán từ phương trình (2). Để làm điều này, cần phải tính toán các giá trị
của E2, E3, E4 và E5.
Thông thường chọn vật liệu cho dây dẫn nối dài sao cho độ lớn của E2 và E3 xấp
xỉ bằng không, bất kể nhiệt độ mối nối. Điều này tránh được khó khăn có thể phát sinh
trong việc đo nhiệt độ của mối nối giữa các dây của cặp nhiệt điện và dây dẫn nối dài,
và cũng như trong việc xác định mối quan hệ emf / nhiệt độ cho sự kết hợp của cặp nhiệt
31
điện / dây dẫn kéo dài.
Dễ dàng đạt được điện áp các mối nối gần bằng không nhất bằng cách chọn dây
dẫn nối dài có cùng vật liệu cơ bản như cặp nhiệt điện, nhưng ở đó chi phí trên một đơn
vị chiều dài của chúng được giảm đáng kể bằng cách sản xuất chúng theo thông số kỹ
thuật thấp hơn. Để thay thế cho việc sử dụng các vật liệu có thông số kỹ thuật thấp hơn
cùng loại cơ bản như cặp nhiệt điện, dây dẫn bù đồng đôi khi cũng được sử dụng với
một số loại cặp nhiệt điện kim loại cơ bản. Trong trường hợp này, định luật kim loại
trung gian phải được áp dụng để bù cho emf tại điểm tiếp giáp giữa cặp nhiệt điện và
dây dẫn bù.
Trong thực tế, việc sử dụng dây dẫn nối dài bằng vật liệu cơ bản giống như cặp
nhiệt điện nhưng được sản xuất theo thông số kỹ thuật thấp hơn vẫn rất đắt trong trường
hợp của cặp nhiệt điện bằng kim loại quý. Trong trường hợp này, cần phải tìm kiếm các
dây dẫn kéo dài bằng kim loại cơ bản có đặc tính nhiệt điện tương tự như cặp nhiệt điện
bằng kim loại quý. Ở dạng này, các dây dẫn nối dài thường được gọi là các dây bù. Ví
dụ điển hình của việc này là việc sử dụng dây dẫn nối dài niken/copper-copper được kết
nối với cặp nhiệt điện platin / rhodiumeplatinum. Cần lưu ý rằng đặc tính nhiệt điện xấp
xỉ tương đương của các dây dẫn bù chỉ có giá trị trong phạm vi nhiệt độ giới hạn nhỏ
hơn đáng kể so với phạm vi đo của cặp nhiệt điện mà chúng được kết nối đến.
Để phân tích tác dụng của việc nối dây dẫn kéo dài với dụng cụ đo hiệu điện thế,
có thể sử dụng định luật nhiệt điện được gọi là định luật kim loại trung gian. Điều này
nói lên rằng emf sinh ra ở chỗ tiếp giáp giữa hai kim loại hoặc hợp kim A và C bằng
tổng của emf sinh ra ở chỗ tiếp giáp giữa kim loại hoặc hợp kim A và B và emf sinh ra
ở chỗ tiếp giáp giữa kim loại hoặc hợp kim B và C , nơi tất cả các điểm nối có cùng
nhiệt độ. Điều này có thể được diễn đạt đơn giản hơn là:
EAC = EAB + EBC
(5)
Giả sử chúng ta có một cặp nhiệt điện hằng số bằng sắt được nối bằng dây dẫn
đồng với một đồng hồ đo. Chúng ta có thể biểu thị E4 và E5 trong Hình 2 như sau:
E4 = Eiron-Ecopper; E5 = Ecopper-Econstantan
Tổng của E4 và E5 có thể được biểu thị bằng:
32
E4 + E5 = Eiron-copper + Ecopper-constantan
Áp dụng phương trinh (5): Eiron-copper + Ecopper-constantan = Eiron-constantan
Do đó, ảnh hưởng của việc kết nối các dây nối dài của cặp nhiệt điện với dây
đồng dẫn đến đồng hồ bị sai số và Emf thực tế tại điểm nối tham chiếu tương đương với
hiệu ứng phát sinh từ kết nối iron-constantan ở nhiệt độ mối nối tham chiếu, có thể được
tính toán theo như phương trình (3). Do đó, mạch tương đương trong Hình 2(b) trở nên
đơn giản hóa thành mạch trong Hình 3 . Emf và Em đo được bằng dụng cụ đo điện áp là
tổng của chỉ hai Emf, bao gồm emf được tạo ra ở nhiệt độ tiếp giáp nóng E1 và Emf được
tạo ra ở nhiệt độ tiếp giáp tham chiếu Eref. Emf được tạo ra tại điểm giao nhau nóng sau
đó có thể được tính như sau:
E1 = Em + Eref
Hình 3
Eref có thể được tính từ phương trình (3) nếu biết nhiệt độ của điểm nối tham
chiếu. Trong thực tế, điều này thường đạt được bằng cách nhúng đầu nối chuẩn vào bể
nước đá để duy trì nó ở nhiệt độ chuẩn 0 C. Tuy nhiên, như đã thảo luận trong phần sau
về bảng cặp nhiệt điện, điều quan trọng là bể nước đá phải giữ chính xác ở 0 C nếu đây
là nhiệt độ chuẩn được giả định, nếu không có thể phát sinh các sai số đo đáng kể. Vì lý
do này, việc làm lạnh đường giao nhau tham chiếu ở nhiệt độ 0 C thường được ưu tiên.
2. Vấn đề bù nhiệt sau khi nối dài dây
Nếu tiếp giáp chuẩn được nhúng vào bể nước đá để duy trì nó ở nhiệt độ 0 C để
có thể đặt trực tiếp bảng cặp nhiệt điện thì nước đá trong bể phải ở trạng thái vừa tan.
Đây là trạng thái duy nhất mà nước đá chính xác ở 0 C, và nếu không, nó sẽ lạnh hơn
33
hoặc nóng hơn nhiệt độ này. Do đó, việc duy trì điểm tiếp giáp chuẩn ở 0 C không phải
là vấn đề đơn giản, đặc biệt nếu nhiệt độ môi trường xung quanh hệ thống đo là tương
đối nóng. Do đó, thông thường trong nhiều ứng dụng thực tế của cặp nhiệt điện là duy
trì mối nối tham chiếu ở nhiệt độ khác không bằng cách đặt nó vào một môi trường được
kiểm soát được duy trì bởi phần tử gia nhiệt điện. Để vẫn có thể áp dụng bảng cặp nhiệt
điện, sau đó phải thực hiện hiệu chỉnh đối với nhiệt độ tiếp giáp chuẩn khác không này
bằng cách sử dụng định luật nhiệt điện thứ hai được gọi là định luật nhiệt độ trung gian.
Điều này nói rằng:
E(Th,T0) = E(Th,Tr) - E(Tr,T0)
trong đó E(Th,T0) là E1 với các mối nối ở nhiệt độ Th và T0, E(Th,Tr) là Em với
các mối nối ở nhiệt độ Th và Tr, E(Tr,T0) là Eref với các mối nối cố định nhiệt độ Tr và
T0, Th là điểm nối nóng nhiệt độ đo được, T0 là 0 C, và Tr là nhiệt độ điểm nối tham
chiếu khác không nằm ở đâu đó giữa T0 và Th.
Từ đó ta lại được phương trình: E1 = Em + Eref
Từ đó ta đưa ra được các
phương pháp bù điểm lạnh:
a) Điểm lạnh ở một nhiệt độ cố định đã biết
34
Việc sử dụng nước đá là không thực tế, bạn cũng có thể đặt các kết nối điểm lạnh
ở một nhiệt độ đã biết và cố định chứ không cần phải cố gắng tạo nhiệt độ 0°C ở điểm
lạnh. Bạn có thể để các điểm lạnh trong một hộp kết nối nhỏ có nhiệt độ đã biết và luôn
được giữ cố định tại nhiệt độ đó. Thông thường nhiệt độ là cao hơn nhiệt độ môi trường,
do đó hộp này chỉ cần sấy và không cần phải làm lạnh.
Khi bạn đã biết nhiệt độ tại điểm lạnh của bạn đang đặt ở đó và bạn cũng biết loại
cặp nhiệt mà bạn đang sử dụng, bạn có thể tính toán và bù lại điện áp cặp nhiệt điện tại
điểm lạnh.
Nhiều thiết bị đo hay bộ hiệu chuẩn nhiệt độ có chức năng mà bạn có thể nhập
nhiệt độ của điểm lạnh, khi đó thì thiết bị sẽ tự làm tất cả việc tính toán bù điểm lạnh.
Ví dụ:
Cặp nhiệt loại N được kết nối như trong hình. Điện áp ở vôn kế hiển thị 19880
µV. Nhiệt độ của điểm lạnh ( điểm tham chiếu) là 35°C. Nhiệt độ đo là bao nhiêu?
Em = E1– Eref
Ở đây :
Em = Điện áp đo được tại vôn kế = 19880 µV
E1= điện áp tại điểm nóng ( điểm đo nhiệt độ)
Eref= Điện áp tạo ra bởi điểm lạnh (hay điểm tham chiếu) = 928 µV (IEC 60584
Loại N, ở 35 °C)
Suy ra Em = E1– Eref = 19880 µV + 928 µV = 20808 µV = 605 °C (IEC 60584 loại N,
20808 µV)
35
b) Đo nhiệt độ điểm lạnh
Nếu bạn không thể điều chỉnh nhiệt độ điểm lạnh như các ví dụ trước, bạn có thể
đo nhiệt độ điểm lạnh với một đầu đo nhiệt độ khác. Sau đó bạn có thể bù lại nhiệt độ
do ảnh hưởng của điểm lạnh gây ra, nhưng việc bù này khó khăn hơn các phương pháp
khác do bạn cần phải đo nhiệt độ điểm lạnh liên tục, và bạn phải biết loại cặp nhiệt, phải
tính toán để bù lại sự ảnh hưởng của mối nối lạnh.
Nhưng rất may là nhiều bộ hiệu chuẩn, bộ chuyển đổi transmitter nhiệt độ được
tích hợp đầy đủ chức năng để làm tất cả. Chúng có một đầu dò nhiệt độ để đo nhiệt độ
tại điểm lạnh và tự động tính toán và bù nhiệt độ ảnh hưởng của điểm lạnh.
c) Tự động bù trực tuyến trong thiết bị do
Tôi đã nhắc đến rằng các ví dụ trước rất khó trong việc tính toán bù liên tục cho
cặp nhiệt. nhưng bạn có thể bỏ nó vào thiết bị đo để nó thực hiện tự động.
Thiết bị đo( transmitter , card đầu vào DCS hay bộ hiệu chuẩn nhiệt độ) có thể
đô nhiệt độ của điểm lạnh mọi lúc và tự động thực hiện bù điểm lạnh trực tuyến vì thiết
bị đo có thể biết được loại cặp nhiệt ( bạn chọn nó trong menu) nó có thể bù điểm lạnh
tự động và liên tục.
Đây là cách thiết thực và đơn giản nhất để bù điểm lạnh trong các phép đo và
hiệu chuẩn thông thường vì bạn không cần quan tâm đến điểm lạnh và việc bạn cần làm
chỉ là cắm dây cặp nhiệt và thiết bị.
36
VI.
SO SÁNH CÁC KỸ THUẬT CALIB DÙNG ĐA THỨC CỦA NIST VÀ
ĐA THỨC HỮU TỈ CỦA MOSAIC
Điện thế hoặc hiệu điện thế của cặp nhiệt điện thay đổi gần như tuyến tính với
nhiệt độ. Tuy nhiên, hầu như không đủ tốt - trong hầu hết các ứng dụng đo nhiệt độ dựa
trên vi điều khiển, độ lệch so với tuyến tính phải được mô hình hóa để đo nhiệt độ chính
xác. Do đó, để đo nhiệt độ chính xác trong dự án vi điều khiển của bạn, bạn sẽ cần áp
dụng phương trình hiệu chuẩn phi tuyến tính cho điện thế cặp nhiệt điện đo được để tính
toán nhiệt độ. Điều này đã được thực hiện cho bạn nếu bạn sử dụng trình điều khiển
phần mềm của Thermocouple Wildcard .
NIST xuất bản một tập hợp các đa thức để chuyển đổi điện áp của cặp nhiệt điện
thành nhiệt độ. Tuy nhiên, đường cong đa thức của chúng phù hợp có sai số lớn hơn
nhiều so với sai số của dữ liệu được điều chỉnh. Các hệ số đa thức hữu tỉ được cung cấp
ở đây tạo ra một thứ tự có độ sai số thấp hơn so với hệ số cặp nhiệt điện NIST ITS90 cho các đa thức trực tiếp và nghịch đảo.
1. Kĩ thuật calib dùng đa thức của Nist
Bảng hiệu chuẩn của điện áp cặp nhiệt điện như một hàm của nhiệt độ có sẵn cho
tất cả các loại cặp nhiệt điện phổ biến. Một nguồn đặc biệt hữu ích là cơ sở dữ liệu của
Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) về các giá trị của cặp nhiệt điện . NIST
cũng cung cấp một công thức đa thức mà bạn có thể sử dụng để tính nhiệt độ từ điện áp
cặp nhiệt điện đo được. Phương trình đa thức NIST được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng
mười số hạng và có dạng
trong đó d i là hệ số hiệu chuẩn được lấy từ cơ sở dữ liệu NIST, T là nhiệt độ của
cặp nhiệt điện (tính bằng ° C) và V là điện áp của cặp nhiệt điện (tính bằng
milivôn). Điện áp của cặp nhiệt điện hoặc được gọi là điểm nối lạnh ở 0 ° C, hoặc nó là
điện áp bù như thể nó được gọi là điểm nối lạnh ở 0 ° C.
37
Bởi vì một phương trình duy nhất không hoạt động tốt trên toàn bộ dải nhiệt độ
của cặp nhiệt điện, NIST chia phạm vi đó thành ba hoặc bốn phần nhỏ hơn và công bố
các bộ hệ số hiệu chuẩn khác nhau cho mỗi phạm vi phụ.
Mặc dù vậy, phương trình đa thức NIST không hoàn toàn bù đắp cho tất cả phản
ứng phi tuyến của cặp nhiệt điện. Ví dụ: biểu đồ sau đây cho thấy các sai số nhiệt độ do
áp dụng công thức NIST cho dữ liệu NIST từ một cặp nhiệt điện loại K. Dữ liệu và hệ
số phương trình hiệu chuẩn được lấy từ Cơ sở dữ liệu về cặp nhiệt điện NIST cho các
loại cặp nhiệt điện loại K.
Các sai số đo được hiển thị trong biểu đồ là kết quả của việc áp dụng phương
trình đa thức với các giá trị NIST cho điện áp của cặp nhiệt điện để tạo ra nhiệt độ được
mô hình hóa. Sự khác biệt giữa nhiệt độ thực tế và nhiệt độ được mô hình hóa là sai số
hiệu chuẩn được hiển thị. Phạm vi nhiệt độ đầy đủ được chia thành ba phạm vi nhỏ hơn
(được minh họa bằng các điểm màu khác nhau) và mỗi phạm vi phù hợp bằng cách sử
dụng một bộ hệ số khác nhau.
Bạn có thể thấy hai nguồn biến thể trong các sai số:

Đối với bất kỳ vùng nhiệt độ hẹp nào cũng có một dải sai số dọc do sai số
lượng tử hóa trong điện thế cặp nhiệt điện của NIST. Các điện áp của cặp
nhiệt điện được báo cáo với một độ phân giải microvolt. Do đó, sai số làm
tròn ± 0,5 μV dẫn đến sai số nhiệt độ phân bố đồng đều là ± 0,01 ° C. Bạn
38
có thể xem kiểu răng cưa này của lỗi làm tròn dưới dạng các
mẫu Moiré trong các lỗi được vẽ biểu đồ.

Bên cạnh sai số làm tròn đó là độ phi tuyến còn lại lớn hơn nhiều gây ra bởi
sự thiếu phù hợp hoàn hảo của phương trình đa thức với dữ liệu, như được
thể hiện bằng đường màu đen nặng hơn trong mỗi phạm vi nhiệt độ. Dòng
này được tạo ra bằng cách lấy trung bình dữ liệu trong một khoảng thời gian
có thể so sánh với khoảng thời gian răng cưa của sai số làm tròn.
Trong thực tế, mô hình NIST không giảm được sai số hệ thống xuống mức thấp
hơn sai số lượng tử hóa. Một mô hình lý tưởng sẽ giảm lượng dư phi tuyến xuống mức
thấp hơn rất nhiều so với sai số lượng tử hóa - trong trường hợp đó nếu bộ vi điều khiển
của bạn có thể đo cặp nhiệt điện với độ phân giải tốt hơn 1 microvolt được giả định bởi
bảng hiệu chuẩn NIST, bạn sẽ có thể tính toán nhiệt độ với độ chính xác cao hơn các sai
số có trong bảng.
2. Kĩ thuật calib dùng đa thức hữu tỉ của Mosaic
Một mô hình gần như lý tưởng có thể được tạo ra bằng cách sử dụng xấp xỉ hàm
đa thức hữu tỉ, sử dụng tỷ lệ của hai đa thức bậc nhỏ hơn là một đa thức bậc lớn. Chúng
tôi phù hợp với cùng một dữ liệu NIST cho các cặp nhiệt điện loại K có chức năng hợp
lý có dạng sau,
trong đó T là nhiệt độ của cặp nhiệt điện (tính bằng ° C), V là điện áp của cặp
nhiệt điện (tính bằng milivôn) và T o , V o , p i và q i là các hệ số. Hàm sử dụng một tỷ lệ
của hai đa thức, P / Q , trong trường hợp này là một bậc bốn với một đa thức bậc
ba. Dạng thứ hai của phương trình nhấn mạnh thứ tự hoạt động hiệu quả nhất.
39
Các hệ số, T o , V o , p i và q i được tìm thấy bằng cách thực hiện một đường cong
bình phương nhỏ nhất phù hợp với dữ liệu NIST.
Hàm đa thức hữu tỉ này sử dụng một hệ số ít hơn làm công thức đa thức NIST và
nó nhanh hơn về mặt tính toán. Tuy nhiên, nó phù hợp với dữ liệu phân tích cú pháp
hơn và nó tạo ra các lỗi nhỏ hơn nhiều, như được hiển thị trong biểu đồ sau.
Trong biểu đồ, sai số giữa các dự đoán của mô hình và nhiệt độ thực tế được vẽ
theo nhiệt độ đối với cặp nhiệt điện loại K. Từ quan điểm về hiệu quả tính toán, mô hình
này, sử dụng chín hệ số, cung cấp ít sai số hơn đáng kể so với đa thức mười hệ số do
NIST cung cấp.
Quan trọng nhất, sai số phi tuyến tính hệ thống nhỏ hơn nhiều so với sai số lượng
tử hóa do NIST làm tròn dữ liệu điện áp thành microvolt gần nhất. Hầu hết sự phân tán
trong biểu đồ trên là do lỗi lượng tử hóa - như được tiết lộ bởi các mẫu moiré trong các
điểm phân tán. Bằng cách làm mịn các lỗi lượng tử hóa, như được hiển thị bằng đường
màu đen trong biểu đồ trên, chúng ta có thể thấy rằng sai số dư của mô hình là khoảng
± 0,002 ° C, nhỏ hơn nhiều so với sai số NIST khoảng ± 0,03 ° C.
Trên các loại cặp nhiệt điện khác nhau, các mô hình NIST yêu cầu mười số hạng
trong đa thức để đạt được độ chính xác về nhiệt độ ± 0,05 ° C. Mô hình hàm hợp lý hiệu
40
quả hơn về mặt tính toán sử dụng ít hệ số hơn và cung cấp độ chính xác cho hầu hết các
cặp nhiệt điện là vài phần nghìn độ.
41