BÙ ĐIỂM LẠNH ( ĐIỂM THAM CHIẾU) CẶP NHIỆT ĐIỆN

Trong bài viết này, tôi sẽ giới thiệu khái quát về cặp nhiệt điện (thermocouple) và đặc biệt là điểm lạnh - cold junction ( điểm tham chiếu) và các phương pháp bù điểm lạnh khác nhau.
Trong thực tế, có một số người làm việc nhiều với cặp nhiệt nhưng không phải ai cũng đều hiểu rõ cách hoạt động của cặp nhiệt, và đặc biệt là điểm lạnh( mối nối lạnh hay điểm tham chiếu) do đó rất dễ mắc các lỗi trong phép đo cũng như hiệu chuẩn.
Để nói về điểm lạnh ( điểm tham chiếu) trước hết chúng ta sẽ xem xét lý thuyết về cặp nhiệt và cách mà cặp nhiệt điện hoạt động.
Tôi chỉ nhắc sơ qua về lý thuyết và chủ yếu nói về những điểm cần lưu ý mà thực tế chúng ta thường gặp, những điểm mà bạn nên biết khi làm việc với cặp nhiệt điện trong các phép đo nhiệt độ, hiệu chuẩn thiết bị đo nhiệt trong nhà máy công nghiệp.
Thuật ngữ : điểm lạnh hay điểm tham chiếu
Điểm lạnh của cặp nhiệt điện thường được gọi là điểm tham chiếu nhưng trong thực tế tôi thấy rằng mọi người thường sử dụng thuật ngữ điểm lạnh hơn nên tôi sẽ sử dụng nó trong bài viết này.

Cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện là một loại cảm biến nhiệt độ thường được sử dụng trong các nhà máy công nghiệp. Cặp nhiệt có rất nhiều ưu điểm nên chúng được sử dụng rộng rãi. Chúng thường dùng để đo nhiệt độ rất cao, cao hơn nhiều so với RTD (resistance temperature detector- nhiệt điện trở). Cặp nhiệt cũng là một loại cảm biến có độ bền cao, khó bị hỏng, và chúng vẫn rất chính xác trong một số ứng dụng. Chúng là một loại cảm biến tương đối rẻ tiền, mạch đo nhiệt độ không cần cấp dòng kích thích như  mạch đo RTD do đó chúng khá đơn giản, dễ thực hiện. Có rất nhiều loại cặp nhiệt khác nhau để tối ưu hóa cho các ứng dụng.
Một cặp nhiệt rất đơn giản, chỉ có 2 dây. Vậy những gì có thể ảnh hưởng đến hoạt động của chúng khiến kết quả đo bị sai?.

Khi mà xem xét đến điểm lạnh và tất cả các mối nối trong mạch đo thì nó không đơn giản như chúng ta nghĩ. Nào bây giờ chúng ta cùng nói về điểm lạnh nhưng trước hết chúng ta nhắc lại lý thuyết về nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện để có thể hiễu rõ hơn về điểm lạnh.

Cặp nhiệt điện (Thermocouple) hoạt động như thế nào?

Nào chúng ta hãy xem xét cách mà cặp nhiệt điện hoạt động. Một cặp nhiệt kế bao gồm 2 dây dẫn được làm bằng các vật liệu dẫn điện khác nhau và được kết nối với nhau ở một đầu ( đầu đo, điểm nóng..), đầu này chính là đầu mà bạn sử dụng để đo nhiệt độ.
Trở về phát hiện vào năm 1821 bởi Thomas Johann Seebeck, khi điểm kết nối của 2 dây được đặt vào nơi có các nhiệt độ khác nhau, ở đó sẽ tạo ra sư dịch chuyển của các electron do đó sẽ tạo ra một điện áp nhỏ tại đầu 2 dây hở. Điện áp này phụ thuộc và nhiệt độ và vật liệu của dây dẫn được sử dụng. Hiệu ứng này được đặt tên là hiệu ứng seebeck.
Hình ảnh minh họa sự hoạt đông khá đơn giản của cặp nhiệt điện:

Như trong hình: Thermocouple material 1 và 2 là 2 loại vật liệu khác nhau cấu tạo nên cặp nhiệt. T1 là điểm nóng ( điểm đo) của cặp nhiệt và điểm này được dùng để đo nhiệt độ. Tcj là nhiệt độ của điểm lạnh ( temperature cold junctions). 
Như ở trên, nói một cách đơn giản. điện áp cặp nhiệt được tạo ra bởi sự chênh lệch nhiệt độ trong dây cặp nhiệt, bao gồm cả 2 điểm nóng và điểm lạnh. Vì vậy điện áp không thực sự được tạo ra tại các điểm nối mà là do sự chênh lệch nhiệt độ theo chiều dọc của dây cặp nhiệt. Và điều này dễ hiểu hơn việc nghĩ là điện áp được tạo ra bởi các điểm nóng và lạnh.

Các loại cặp nhiệt và vật liệu cấu thành cặp nhiệt

Có rất nhiều loại cặp nhiệt và chúng được cấu tạo từ rất nhiều vật liệu, hợp kim khác nhau. Các vật liệu khác nhau sẽ dẫn đến độ nhạy khác nhau, điện áp được tạo ra tại các nhiệt độ khác nhau và sẽ dẫn đến đường đặc tính cũng như nhiệt độ chịu đựng tối đa khác nhau.
Một số cặp nhiệt được chuẩn hóa và được đặt tên cho các vật liệu cấu thành cụ thể. Tên của chúng rất ngắn gọn và thường là các chữ cái chẳng hạn như cặp nhiệt loại K, R, S, J, B....
Một số cặp nhiệt phổ biến và vật liệu cấu tạo nên chúng được liệt kê trong bảng dưới đây:

Màu Dây

Tin tốt là màu dây của cặp nhiệt đã được tiêu chuẩn hóa để dễ nhận diện nhưng có một tin xấu là có rất nhiều chuẩn khác nhau đối với mỗi quốc gia. Tiêu chuẩn chính là tiêu chuẩn quốc tế IEC60584-3 và tiêu chuẩn ANSI Hoa Kỳ, nhưng có rất nhiều chuẩn khác nữa như các tiêu chuẩn Nhật Bản, Pháp, Đức... Vì vậy khác phức tạp khi nhận diện bằng màu sắc dây dẫn cặp nhiệt.

Điện áp của cặp nhiệt

Khi các cặp nhiệt được làm từ các vật liệu, hợp kim khác nhau thì điện áp của chúng cũng khác nhau. Được minh họa như hình dưới. Có một sự khác biệt lớn về điện áp được tạo ra trong cùng một nhiệt độ của các loại cặp nhiệt khác nhau.

Nếu bạn cần đo một nhiệt độ thấp, tốt nhất nên sử dụng loại cặp nhiệt có độ nhạy lớn hơn khi đó chúng tạo ra điện áp cao hơn và đễ dàng đo được. Nhưng nếu bạn cần đo nhiệt độ cao, bạn nên chọn loại có độ nhạy thấp để có thể sử dụng ở nhiệt độ cao như vậy.
Hệ số Seebeck cho biết sự thay đổi của điện áp của căp nhiệt như thế nào so với sự thay đổi của nhiệt độ. Hình ảnh trên cho thấy độ nhạy khác nhau giữa các cặp nhiệt khác nhau và điều này cũng giải thích ví sao một số cặp nhiệt hiệu chuẩn thường có độ chính xác khác nhau đối với các loại cặp nhiệt khác nhau. một thiết bị đo, thiết bị hiệu chuẩn thường có điện áp đo chính xác ở một điện áp quy định. ví dụ nó có thể có độ chính xác 4 micro vôn. Độ chính xác 4 micro vôn này tương đương độ chính xác của nhiệt độ là khác nhau đối với các loại cặp nhiệt khác nhau do sự khac nhau về độ nhạy của các loại cặp nhiệt.

Ví dụ về thiết bị đo nhiệt độ, bộ hiệu chuẩn
Nào hãy nhình hình trên : Loại E và B tại nhiệt độ  200 °C. Độ nhạy (Hệ số Seebeck ) của loại E tại 200 °C là khoảng 74 µV/ °C, trong khi đố đối với loại B tại 200 °C là khoảng 2 µV/ °C. Vì vậy sự khác biệt của chúng là 37 lần .
Ví dụ, nếu thiết bị đo của bạn có thể đo với độ chính xác điện áp là 4 µV,  nghĩa là nó độ chính xác khoảng 0,005°C ( 4 µV chia cho 74 µV/°C) đối với loại E ở 200°C và độ chính xác 2°C (4 µV chia cho 2 µV/°C) với loại B ở 200°C
Vì vậy, bạn có thể hiểu vì sao độ chính xác khác nhau ở một số thiết bị đo cặp nhiệt, thiết bị hiệu chuẩn đối với các loại cặp nhiệt khác nhau.

Độ chính xác của bộ hiệu chuẩn
Nếu bạn thấy data sheet của bộ hiệu chuẩn nhiệt độ và nó có độ nhạy giống nhau đối với tất cả các loại cặp nhiệt, hãy cẩn thận, thông thường điều này có nghĩa là các thông số kỹ thuật/ bảng dữ liệu đã được thực hiện ở bộ phận marketing mà không phải là ở bộ phận kỹ thuật.
Điều này không thực tế lắm.
Tiêu chuẩn
Ngoài ra có một số tiêu chuẩn ( ví dụ AMS2750E) đòi hỏi độ chính xác giống nhau cho tất cả các loại cặp nhiệt, và điều này không có nhiều ý nghĩa trong thực tế do sự khác biệt rất lớn về độ nhạy của các loại cặp nhiệt khác nhau

Hệ số Seebeck 
Tôi đã đề cập đến hệ số Seebeck ở các phần phía trên. Nó chính là độ nhạy của cặp nhiệt. Nó cho thấy điện áp tạo ra thay đổi như thế nào / sự thay đổi nhiệt độ .Hình dưới cho thấy hệ số Seebeck đối với một số loại cặp nhiệt:

Điểm nối lạnh ( Điểm tham chiếu)

Bây giờ, chúng ta sẽ bắt đầu nói về điểm lạnh.
Trước đó tôi đã cho thấy các hình ảnh về nguyên tắc hoạt động đơn giản của cặp nhiệt và cho thấy rằng điện áp được tạo ra tại điểm nóng, ở đó 2 loại vật liệu khác nhau được kết nối với nhau. Câu hỏi lớn ở đây là " vậy 2 đầu còn lại của dây như thế nào

Đó là một câu hỏi khá hay.
Khi bạn đo điện áp của một cặp nhiệt, bạn  phải kết nối cặp nhiệt với đồng hồ đo, đơn giản phải không? Không thực sự là vậy! vật liệu làm nên que đo của đồng hồ đo thường được làm bằng đồng hay mạ vàng, do vậy nó là một vật liệu khác với vât liệu tạo nên cặp nhiệt điều đó có nghĩa bạn đã tạo nên hai cặp nhiệt mới tại 2 điểm kết nối que đo đồng hồ đo và cặp nhiệt.

Điều đó được minh họa ở hình dưới:

Như trong hình, material 1 (vật liệu 1) và material 2 (vật liệu 2) là 2 loại vật liệu tạo nên cặp nhiệt. đầu nóng là điểm mà 2 loại vật liệu được hàn với nhau. và đó chính là điểm đo nhiêt độ quá trình, đó là nơi điện áp U1 được tạo ra. U1 là đại lượng mà chúng ta muốn đo. Trong các điểm nối lạnh ( điểm lạnh) cặp nhiệt điện được kết nối với vôn kế được là bằng vật liệu khác vật liệu 3 material 3. trong các kết nối này, điện áp U2 và U3 được tạo ra. vào đó là những điện áp mà chúng ta không muốn đo do đó chúng ta muốn loại bỏ chúng hay là bù lại chúng.
Như bạn thấy trong hình trên, thực tế bạn đang đo điện áp của 3 cặp nhiệt khác nhau được mắc nối tiếp với nhau. Rõ ràng là bạn chỉ muốn đo điệp áp/nhiệt độ tại điểm nóng ( điểm đo) mà không phải là 2 điểm còn lại.
Vậy bạn nên làm gì?
Việc bạn cần làm là tìm cách nào đó để loại bỏ, bù cho cặp nhiệt điên được tạo ra tại các điểm lạnh. hãy xem phần tiếp theo.

Các tùy chọn và phương pháp bù điểm lạnh 

1. Đặt điểm lạnh trong nước đá 0°C

Theo nguyên tắc, điểm nối cặp nhiệt sẽ không tạo ra điện áp khi nó ở nhiệt độ 0°C(32°F). Vì vậy bạn có thể đặt các điểm lạnh tại nhiệt độ đó ví dụ như đặt trong nướcđá hay bộ làm lạnh có nhiệt độ chính xác. Bạn có thể kết nối cặp nhiệt bằng dây đẫn bằng đồng được đặt trong nước đá và khi đó điện áp sẽ không được tạo ra tại mối nối. Do đó bạn không cần phải quan tâm đến các mối nối tại điểm lạnh. các điểm này cần được đặt trong nước đá được cách ly với nhau tránh rò rỉ và bị ăn mòn.
Đây là một cách làm rất chính xác và điều này thường được thực hiện trong phòng thí nghiệm hiệu chuẩn. nó ít được sử dùng trong các nhà máy vì việc tạo nhiệt độ 0 là khác phức tạp và tốn kém.

Ví dụ:
Cặp nhiệt loại N được kết nối như trong hình. điện áp ở vôn kế hiển thị 20808 µV. nhiệt độ tại điểm đo là bao nhiêu?
E = E_N(t_U1) – E_N(t_r)
ở đây: 

• E = điện áp đo= 20808 µV



• E_N(t_U1) = điện áp tạo ra tại điểm nóng



• E_N(t_r) =điện áp tạo ra tại điểm lạnh ( tham chiếu) = 0 µV (IEC 60584 loại N, 0 °C)



• E_N(t_U1) = E + E_N(t_r) = 20808 µV + 0 µV = 20808 µV = 605 °C (IEC 60584 loại N, 20808 µV)

Vì vậy, nhiệt độ là 605°C.



2. Điểm lạnh ở một nhiệt độ cố định đã biết

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?

E = E_N(t_U1) – E_N(t_r)
Ở đây :

• E = Điện áp đo được tại vôn kế = 19880 µV



• E_N(t_U1) = điện áp tại điểm nóng ( điểm đo nhiệt độ)


• E_N(t_r) = Điện áp tạo ra bởi điểm lạnh (hay điểm tham chiếu) = 928 µV (IEC 60584 Loại N,  ở 35 °C)



• E_N(t_U1) = E + E_N(t_r) = 19880 µV + 928 µV = 20808 µV = 605 °C (IEC 60584 loại N, 20808 µV)

Do đó, nhiệt độ đo là 605 °C.
Xin lưu ý rằng Tính toán cặp nhiệt phải luôn được thực hiện bằng các giá trị điện áp. Một lỗi phổ biến là tìm giá trị nhiệt độ bằng bảng tra từ giá trị điện áp sau đó cộng với nhiệt độ điểm lạnh
như ở ví dụ trên nhiệt độ đo được ứng với điện áp 19880 µV theo chuẩn IEC 60584 là 581.2 °C. Tính toán bằng cách sử dụng giá trị nhiệt độ sẽ cho kết quả là 581.2 °C + 35 °C = 616.2 °C. Sai số là  + 11.2 °C.


3. 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.

4. 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.

Theo Beamex