Nhiệt kế thạch anh: độ phân giải, độ chính xác và hiệu chuẩn so sánh

Giả sử nhà cung cấp Nhật Bản giao cho nhà máy một bộ thiết bị thử nghiệm có điều khiển nhiệt độ, kèm file log đo bằng nhiệt kế thạch anh (tiếng Nhật: suisho ondokei 水晶温度計, hay kuotsu ondokei). Nhiệt độ bể được ghi đến bốn chữ số thập phân, ví dụ 23,2501 °C, và trong hồ sơ có cả giấy chứng nhận hiệu chuẩn JCSS.

Nhìn bốn số lẻ đó, có thể có người trong phòng QA kết luận "máy này chính xác đến 0,0001 °C". Bài viết này giúp tránh đúng cách hiểu sai ấy.

Nhiệt kế thạch anh là nhiệt kế tiếp xúc, đo nhiệt độ qua tần số cộng hưởng của tinh thể thạch anh. Thiết bị phân biệt được những thay đổi nhiệt độ rất nhỏ, nhưng độ phân giải (bước nhảy nhỏ nhất của số hiển thị) không cho biết sai số của phép đo. Muốn biết số đọc gần nhiệt độ thực đến đâu, cần xem kết quả hiệu chuẩn, số hiệu chính, độ không đảm bảo đo và cách bố trí phép đo.

Bài viết lần lượt giải thích nguyên lý, cách tính độ phân giải, cách đọc giấy chứng nhận hiệu chuẩn của Nhật, cách hiệu chuẩn so sánh trong bể ổn nhiệt, và so sánh với SPRT, Pt100, điện trở nhiệt (thermistor), cặp nhiệt điện. Cuối bài có danh sách kiểm tra và mẫu email gửi phía Nhật.

Mục lục

1. Nhiệt kế thạch anh là gì?
2. Nguyên lý hoạt động
3. Độ phân giải và độ chính xác: tính bằng con số
4. Đọc giấy chứng nhận hiệu chuẩn JCSS của Nhật
5. Hiệu chuẩn so sánh trong bể ổn nhiệt: từng bước
6. So sánh với SPRT, Pt100, thermistor và cặp nhiệt điện
7. Cần xem gì trong bảng thông số
8. Khi số đọc dao động
9. Danh sách kiểm tra và câu hỏi cho nhà cung cấp Nhật
10. Giới hạn của bài viết
11. Câu hỏi thường gặp
12. Nguồn tham khảo

Nhiệt kế thạch anh là gì?

Nhiệt kế thạch anh là một hệ đo gồm đầu dò nhiệt độ và thiết bị đọc tần số. Tài liệu kỹ thuật của Yokogawa Test & Measurement xếp nó vào nhóm chuẩn đo lường dùng để hiệu chuẩn các nhiệt kế khác.

Khi đo, đầu dò phải tiếp xúc với đối tượng. Khác với nhiệt kế hồng ngoại (bức xạ) đọc nhiệt độ bề mặt từ ánh sáng phát ra, nhiệt kế thạch anh chỉ nên đọc khi phần cảm biến ở đầu dò đã cân bằng nhiệt với đối tượng. Kết quả còn phụ thuộc vào hiệu chuẩn, hệ số chuyển đổi và điều kiện đo.

Miếng thạch anh không nhúng trần vào chất lỏng mà nằm trong vỏ bảo vệ. Nhiệt phải đi từ vỏ vào tinh thể, nên dù máy đọc tần số rất nhanh, đầu dò vẫn cần thời gian để theo kịp khi nhiệt độ thay đổi.

Ứng dụng điển hình là quan sát chi tiết, như kiểm tra độ ổn định của bể ổn nhiệt hay đo chênh lệch nhiệt độ nhỏ giữa hai điểm. Nó hợp với việc đánh giá kỹ biến động nhiệt độ hơn là thay thế toàn bộ điểm đo trên dây chuyền.

Hình 1 cho thấy cấu tạo cơ bản: tinh thể dao động bên trong đầu dò, còn một thiết bị riêng đọc tần số của nó.

Hình 1: Tinh thể dao động trong đầu dò, thiết bị đọc tần số

Miếng thạch anh có điện cực và duy trì dao động nhờ năng lượng điện do mạch dao động cấp.

Kích thước, cách bố trí điện cực và vị trí mạch thực tế khác nhau theo từng model.

Nguyên lý hoạt động

Hiệu ứng áp điện và dao động

Thạch anh là dạng tinh thể của silic điôxít và có tính áp điện: khi bị nén, trên bề mặt xuất hiện điện tích. Ngược lại, khi đặt điện áp vào thì nó biến dạng, và dao động dựa trên cả hai hiệu ứng này.

Trong nhiệt kế, điện áp xoay chiều trên điện cực làm miếng thạch anh dao động. Tín hiệu điện sinh ra từ biến dạng được đưa ngược về mạch, mạch giữ điều kiện để dao động duy trì và lấy ra tần số.

Bản thân miếng thạch anh không tự tạo ra tín hiệu ổn định. Bộ cộng hưởng là linh kiện thụ động, cần mạch dao động để kích và mạch đọc để đo.

Bộ đánh lửa áp điện (bật lửa, bếp ga) là ví dụ quen thuộc về mối liên hệ giữa lực và điện. Tuy vậy, phần tử áp điện trong bộ đánh lửa và miếng thạch anh trong nhiệt kế không thể coi là cùng vật liệu hay cùng cấu tạo.

Cặp nhiệt điện hoạt động theo cách khác: dựa vào hiệu ứng Seebeck, chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối nối của hai kim loại khác nhau sinh ra điện áp. Nhiệt kế thạch anh đo tinh thể dao động nhanh hay chậm, chứ không đo độ lớn điện áp.

Từ tần số suy ra nhiệt độ

Tần số cộng hưởng phụ thuộc vào góc cắt, hình dạng và kích thước của miếng thạch anh, nên chỉ nói "thạch anh" thì chưa xác định được tần số. Đổi góc cắt thì cách tần số thay đổi theo nhiệt độ cũng đổi, và có góc cắt hợp với việc đo nhiệt hơn. Ví dụ, nhiệt kế thạch anh năm 1965 của Hewlett-Packard dùng kiểu cắt gọi là "LC" (linear coefficient), chọn vì quan hệ tần số–nhiệt độ gần tuyến tính.

Nhiệt kế dùng phần tử cảm biến có độ dịch tần số theo nhiệt độ dễ đọc. Phần tử này được hiệu chuẩn, và thiết bị lưu quan hệ giữa tần số và nhiệt độ.

Đo tần số và đổi ra nhiệt độ là hai bước riêng. Vì nhiệt độ được tính từ đường cong hiệu chuẩn, nếu ghép đầu dò với bộ hệ số không đúng thì số đọc vẫn sai, dù tín hiệu hoàn toàn bình thường.

Hình 2 minh họa phép đổi đó: đo tần số ở trục đứng rồi đọc nhiệt độ tương ứng ở trục ngang.

Hình 2: Từ tần số đo được tính ngược ra nhiệt độ

Đo f, rồi tìm T tương ứng trên đường cong hiệu chuẩn. Các chấm là điểm lấy được khi hiệu chuẩn (chỉ mang tính minh họa).

Trong một khoảng nhất định, quan hệ tần số–nhiệt độ có thể gần như đường thẳng. Nhưng trên dải rộng thì chưa chắc là một đường thẳng, nên khi cần người ta thêm các số hạng bậc cao để hiệu chỉnh độ cong.

Cách hiệu chỉnh phi tuyến này cùng ý tưởng với bộ tuyến tính hóa (linearizer) ở các cảm biến khác. Độ tin cậy của nhiệt độ do các điểm hiệu chuẩn và cách chuyển đổi quyết định, không chỉ do mạch đọc.

Đồng hồ thạch anh khác nhiệt kế thạch anh thế nào?

Đồng hồ thạch anh cũng dùng bộ cộng hưởng tinh thể, nhưng được thiết kế để giữ chu kỳ không đổi dù nhiệt độ thay đổi. Đồng hồ cần một chuẩn thời gian ổn định, còn nhiệt kế cần tần số thay đổi theo nhiệt độ.

Theo Epson, bộ cộng hưởng trong đồng hồ đeo tay thạch anh được gắn vào mạch dao động của IC bên trong. IC lấy chu kỳ dao động của bộ cộng hưởng làm chuẩn để tạo tín hiệu điện mỗi giây và điều khiển đồng hồ.

Bộ dao động thạch anh có điều nhiệt (OCXO) trong thiết bị viễn thông giữ bộ cộng hưởng ở nhiệt độ không đổi để tần số ổn định. Nhiệt kế thạch anh làm ngược lại: lấy chính sự phụ thuộc của tần số vào nhiệt độ làm đại lượng đo.

Vì vậy, nối tinh thể của đồng hồ vào bộ đếm tần số không biến nó thành nhiệt kế chính xác. Cần có phần tử có đặc tính cảm nhiệt và dữ liệu hiệu chuẩn của nó.

Độ phân giải và độ chính xác: tính bằng con số

Độ nhạy và độ phân giải

Độ nhạy là tần số dịch bao nhiêu khi nhiệt độ thay đổi một lượng nhất định, và nó đóng vai trò hệ số đổi sang nhiệt độ. Độ nhạy càng cao thì cùng một bước tần số ứng với chênh lệch nhiệt độ càng nhỏ, nên càng dễ thấy thay đổi nhỏ.

Một bài giảng năm 1989 của Hội Tính chất Nhiệt Vật lý Nhật Bản nêu ví dụ khoảng 1 kHz cho mỗi 1 K. Thiết kế của HP năm 1965 cũng dùng độ dốc 1.000 Hz/°C, với bộ cộng hưởng khoảng 28 MHz. Với độ nhạy đó, phân giải được 0,1 Hz thì độ phân giải nhiệt độ là 0,0001 °C, như Hình 3.

Hình 3: Đổi bước tần số thành bước nhiệt độ

0,1 Hz chia cho 1.000 Hz/°C là 0,0001 °C. Đây là độ phân giải, không phải cam kết về sai số.

Trong khoảng có thể coi độ nhạy là không đổi

ΔT = ΔfS

ΔT = 0,11.000 = 0,0001 °C

ΔT: chênh lệch nhiệt độ [°C]; Δf: chênh lệch tần số [Hz]; S: độ nhạy [Hz/°C]. Chênh lệch 1 K bằng chênh lệch 1 °C.

Cùng cách nghĩ đó có thể tính ra chính nhiệt độ nếu giả định một đường thẳng đơn giản. Phương trình hiệu chuẩn dưới đây là giả định, chỉ để minh họa các bước, không phải bộ hệ số của thiết bị thật.

Điểm mấu chốt là lấy hiệu so với tần số tại điểm tham chiếu. Đem cả tần số đo được chia cho độ nhạy là bỏ qua điểm tham chiếu, và sẽ ra một giá trị khác hẳn.

Phương trình hiệu chuẩn thật còn có dải nhiệt độ và bộ hệ số xác định. Cũng cần để ý đơn vị: nhập tần số theo kHz vào phương trình viết cho Hz thì nhiệt độ sẽ sai.

Thời gian đếm, độ phân giải và chu kỳ cập nhật

Thiết bị lấy tần số bằng cách đếm số chu kỳ trong một khoảng thời gian cố định (gate time). Đếm càng lâu thì phân biệt được chênh lệch càng nhỏ, nhưng kết quả cũng cập nhật thưa hơn. Bài báo năm 1965 của HP mô tả đạt độ phân giải 0,0001 °C với lần đọc 10 giây, đọc nhanh hơn thì độ phân giải thô đi theo tỷ lệ.

Hãy tách chu kỳ cập nhật của thiết bị khỏi độ đáp ứng của chính đầu dò. Làm vậy mới biết số đọc "chậm" là do bộ đếm hay do nhiệt truyền vào đầu dò chậm.

Độ phân giải, độ lặp lại và độ không đảm bảo đo

Thế mạnh chính của nhiệt kế thạch anh là bám theo những thay đổi nhiệt độ nhỏ, và phát huy tốt nhất trong môi trường ổn định. Nó hữu ích khi muốn xem bể ổn nhiệt trôi theo thời gian ra sao hoặc đo chênh lệch giữa hai vị trí.

Cần phân biệt độ phân giải với độ lệch (bias) so với chuẩn. Nếu số hiển thị nhảy theo bước 0,0001 °C nhưng số đọc lệch 0,02 °C so với chuẩn, thì hiển thị mịn đến đâu cũng không xóa được độ lệch đó. Con số 0,02 °C chỉ là ví dụ giả định, không phải độ chính xác danh định; giá trị đo chỉ có nghĩa khi đi kèm kết quả hiệu chuẩn và độ không đảm bảo đo của chuẩn.

Hình 4 tách ba khái niệm hay bị lẫn với nhau.

Hình 4: Nhiều số lẻ khác với nhiệt độ đáng tin

Bước hiển thị, độ tản mát giữa các lần đọc và độ lệch so với chuẩn là ba câu hỏi riêng.

Độ phân giải: bước giữa hai số đọc liền nhauThấy được 23,2500 → 23,2501 °C

Độ lặp lại: độ phân tán khi đo lặp lại trong cùng điều kiệnTrong bể, độ phân tán gồm cả dao động của bể, không chỉ của riêng nhiệt kế

Độ lệch và độ không đảm bảo đo: hiệu chính và mức tin cậyHiệu chính độ lệch so với chuẩn, rồi đánh giá độ không đảm bảo đo từ chuẩn, phân bố nhiệt độ và các nguồn khác

Hiệu chính độ lệch không loại bỏ được độ không đảm bảo đo do hiệu chuẩn và môi trường đo.

Một bảng thông số cũ cho thấy rõ điều này. Bảng dưới tóm tắt thông số HP công bố năm 1965 cho nhiệt kế thạch anh của hãng; đây là thiết bị cũ, chỉ dùng để thấy các con số có thể cách nhau xa thế nào.

Mục thông số (HP, 1965)	Giá trị công bố	Ý nghĩa
Độ phân giải	Đến 0,0001 °C	Chỉ là bước hiển thị
Độ ổn định ngắn hạn	Dưới ±0,0002 °C giữa các lần đọc	Biến động giữa các lần đọc theo điều kiện thử của HP, chưa chắc bằng độ lặp lại của riêng nhiệt kế
Độ tuyến tính (tuyệt đối)	Tốt hơn ±0,02 °C trong 0–100 °C; ±0,15 °C trong −40–230 °C	Gần với "độ chính xác" hơn và phụ thuộc dải đo, nhưng không bằng sai số tổng hay độ không đảm bảo đo của cả hệ
Trôi điểm 0 dài hạn	Dưới ±0,01 °C trong 30 ngày	Lý do cần hiệu chuẩn lại
Đáp ứng (nước chảy 0,6 m/s)	63,2% trong <1,0 s; 99,9% trong <6,9 s	Đáp ứng của đầu dò trong điều kiện dòng chảy đã nêu

Độ phân giải cao còn đòi hỏi nhiệt độ đồng đều và ổn định, điều mà phải tạo ra riêng, không do màn hình quyết định. Nếu bể có gradient nhiệt, chênh lệch vị trí giữa hai đầu dò cộng vào chênh lệch cần đo, và khó tách khỏi độ lệch của thiết bị.

Chỉ nguyên lý cảm biến thì chưa quyết định phép đo nào tốt hơn. Giống như khi chọn giữa cặp nhiệt điện và nhiệt điện trở, hình dạng đầu dò và điều kiện lắp đặt cũng phải đưa vào cân nhắc.

Đọc giấy chứng nhận hiệu chuẩn JCSS của Nhật

Thiết bị từ Nhật có thể đi kèm giấy chứng nhận JCSS. JCSS (Japan Calibration Service System) là chương trình công nhận phòng hiệu chuẩn theo Luật Đo lường của Nhật, do IAJapan, trung tâm công nhận thuộc NITE (Viện Công nghệ và Đánh giá Quốc gia Nhật Bản), vận hành.

Với người đọc ở ngoài Nhật, chương trình này có nghĩa như sau:

• Căn cứ công nhận: NITE nêu ISO/IEC 17025, Luật Đo lường và các quy định liên quan là chuẩn mực công nhận JCSS.
• Liên kết chuẩn (traceability): JCSS yêu cầu liên kết đến chuẩn quốc gia của Nhật (do NMIJ, Viện Đo lường Quốc gia Nhật Bản, hoặc các viện được chỉ định duy trì), nên giấy chứng nhận là bằng chứng về liên kết chuẩn.
• Thừa nhận quốc tế: IAJapan là thành viên ký Thỏa thuận thừa nhận lẫn nhau (MRA) của ILAC và APAC. NITE cho biết các phòng được công nhận theo MRA quốc tế có thể cấp giấy có dấu ilac-MRA, được thừa nhận ở nước ngoài. Hãy xem trên giấy có dấu đó không, đừng mặc định là có.
• Độ không đảm bảo đo: Giấy mẫu của NITE ghi độ không đảm bảo đo mở rộng với hệ số phủ k = 2, tương ứng xác suất phủ khoảng 95%. Với giấy thực tế, hãy đọc U, k và xác suất phủ ghi trên giấy, không mặc định.
• Không có hạn hiệu lực: Theo NITE, giấy JCSS không ghi thời hạn hiệu lực. Người sử dụng tự quyết định chu kỳ hiệu chuẩn lại theo tần suất và môi trường sử dụng.

Hiệu chuẩn là xác định quan hệ giữa số chỉ của thiết bị và giá trị do chuẩn cung cấp, kèm độ không đảm bảo đo; nó không đồng nghĩa với điều chỉnh thiết bị. Kết quả thường được ghi thành sai số chỉ thị hoặc số hiệu chính, cùng điều kiện đo.

Nếu quy ước sai số chỉ thị e = số chỉ − giá trị chuẩn, thì số hiệu chính C = −e và giá trị sau hiệu chính là số chỉ + C. Hãy xem giấy chứng nhận dùng quy ước dấu nào, và quy định trong nội bộ áp dụng số hiệu chính thế nào, ở đâu.

Ở Việt Nam: VILAS và Luật Đo lường

Ở Việt Nam, phòng hiệu chuẩn được Văn phòng Công nhận Chất lượng (BoA) công nhận theo chương trình VILAS, áp dụng ISO/IEC 17025. Theo BoA, VILAS được thừa nhận trong MRA của APAC và ILAC từ năm 2000, tức là cùng khung thừa nhận quốc tế với JCSS.

• So sánh với giấy VILAS: giấy JCSS có dấu ilac-MRA và giấy của phòng VILAS đều có thể nằm trong khung ILAC MRA, nhưng chỉ khi phép hiệu chuẩn cụ thể thuộc phạm vi được công nhận (đại lượng, dải đo, khả năng đo). Khách hàng hay chuyên gia đánh giá có chấp nhận hay không là do yêu cầu của họ quyết định, nên hãy hỏi trước.
• Hiệu chuẩn khác kiểm định: Luật Đo lường (Luật số 04/2011/QH13, đã được sửa đổi, bổ sung) phân biệt kiểm định với hiệu chuẩn. Cần đối chiếu loại phương tiện đo và mục đích sử dụng với danh mục phương tiện đo nhóm 2 và văn bản đang áp dụng, không chỉ dựa vào tên "nhiệt kế". Nếu thuộc diện phải kiểm định, giấy hiệu chuẩn JCSS không tự động thay cho kiểm định theo quy định của Việt Nam; khi chưa rõ, hãy hỏi tổ chức kiểm định.
• Tra cứu phòng VILAS: phạm vi công nhận (đại lượng, dải đo, độ không đảm bảo đo) khác nhau theo từng phòng. Kiểm tra số hiệu VILAS và danh mục phép hiệu chuẩn trên trang boa.gov.vn trước khi gửi hiệu chuẩn lại trong nước.

Hiệu chuẩn so sánh trong bể ổn nhiệt: từng bước

Trong hiệu chuẩn so sánh, nhiệt kế cần hiệu chuẩn (UUT, unit under test) và nhiệt kế chuẩn được đặt trong cùng môi trường nhiệt độ, rồi tại mỗi điểm xác định nhiệt độ chuẩn (đã áp dụng số hiệu chính của chuẩn nếu có) và tính sai số chỉ thị hoặc số hiệu chính của UUT, ghi cùng độ không đảm bảo đo và điều kiện hiệu chuẩn. Fluke cho rằng bể chất lỏng là môi trường ổn định và đồng đều nhất cho việc này.

Các bước dưới đây chỉ nêu nguyên tắc; quy trình của phòng đo và hướng dẫn của hãng sản xuất bể được ưu tiên.

1. Xác định yêu cầu trước. Quyết định dải nhiệt độ cần đo và chênh lệch có thể chấp nhận. Kiểm tra quanh nhiệt độ phòng cần điểm hiệu chuẩn khác với kiểm tra phải phủ hết dải của một công đoạn gia nhiệt.
2. Đặt phần cảm biến gần nhau. Đưa vùng cảm biến của chuẩn và UUT lại gần nhau. Đầu dò chạm thành hoặc đáy kim loại sẽ nhận nhiệt độ khác với chất lỏng.
3. Căn theo phần tử cảm biến, không theo đầu mút. Đặt vị trí mỗi đầu dò theo chỗ phần tử cảm biến bên trong, không theo mút vỏ ngoài. Nhúng mỗi đầu dò đủ độ sâu yêu cầu để hai phần tử nằm trong cùng vùng nhiệt độ.
4. Kiểm tra độ sâu nhúng. Nếu đổi độ sâu mà số đọc thay đổi, hãy nghi sai số do dẫn nhiệt dọc thân đầu dò (stem effect) hoặc gradient nhiệt. Độ sâu nhúng cần thiết khác nhau theo đầu dò, nên không dùng ống bảo vệ ngắn hơn chiều dài nhúng cần thiết.
5. Đọc theo cặp. Khi bể đã ổn định, đọc chuẩn và UUT thành từng cặp và lặp lại vài lần. Đọc hết một đầu dò rồi mới sang đầu kia thì độ trôi của bể sẽ lẫn vào chênh lệch.
6. Ghi đủ để làm lại được. Ghi điểm đặt, hai số đọc, số sê-ri đầu dò, điều kiện nhúng, bộ hệ số hiệu chuẩn đang dùng và khoảng thời gian đọc. Như vậy so với lần hiệu chuẩn trước sẽ dễ dàng.

Hình 5 cho thấy cách bố trí: mỗi đầu dò nhúng đủ độ sâu cần thiết, vùng cảm biến đặt gần nhau ở cùng vùng nhiệt độ, cách xa thành và đáy.

Hình 5: Bố trí trong bể để so sánh ở cùng nhiệt độ

Bảo đảm độ sâu nhúng cần thiết của từng đầu dò, đưa vùng cảm biến của chuẩn và UUT lại gần nhau, tránh xa thành và đáy. Hai đầu dò không nhất thiết nhúng sâu bằng nhau.

Khi chọn hoặc kiểm tra bể, Fluke lưu ý một số điểm:

• Ổn định khác đồng đều: bể có thể ổn định theo thời gian mà vẫn không đồng đều. Kiểm tra cả gradient theo chiều đứng và chiều ngang trong vùng đo.
• Độ sâu nhúng của chuẩn: chuẩn dài như SPRT mà chỉ nhúng sâu bằng đầu dò thử ngắn thì dễ bị stem effect.
• Chất lỏng: Fluke khuyên độ nhớt không quá 50 cSt ở nhiệt độ điều khiển; độ ổn định thay đổi theo chất lỏng và nhiệt độ.
• Kích thước bể: chừa đủ chỗ để nhúng đúng độ sâu, có chất lỏng bên dưới cảm biến và khoảng cách giữa cảm biến với thành bể.

Với đường ống công nghệ, cấp áp suất và khả năng chống ăn mòn là chuyện riêng. Ống bảo vệ (thermowell) che cảm biến khỏi lưu chất, nhưng thêm ống bảo vệ cũng làm thay đổi cách số đọc bám theo biến động nhiệt độ.

Cảm biến nhiệt độ hai phần tử (dual element) cho hai kênh đo độc lập. Đó là lựa chọn về cấu tạo, không liên quan đến nguyên lý đo của thạch anh.

So sánh với SPRT, Pt100, thermistor và cặp nhiệt điện

Trong nhà máy, cặp nhiệt điện và nhiệt điện trở platin (RTD như Pt100) được dùng rộng rãi. Khi so nhiệt kế thạch anh với chúng, hãy liệt kê dải đo và điều kiện lắp đặt cần có trước, thay vì chọn theo cái nào "nghe" chính xác hơn.

Bảng dưới so sánh các loại theo đại lượng đo và những gì cần xem khi chọn.

Tiêu chí	Nhiệt kế thạch anh	Nhiệt điện trở platin (Pt100)	Cặp nhiệt điện
Đại lượng đo	Tần số cộng hưởng	Điện trở	Sức điện động nhiệt
Phù hợp với	Chênh lệch nhiệt độ nhỏ, kiểm tra độ ổn định	Đo nhiệt độ công nghiệp và chính xác	Dùng rộng trong công nghiệp, kể cả nhiệt độ cao
Vấn đề về mạch	Dao động, đo tần số, đường cong hiệu chuẩn	Dòng đo, điện trở dây dẫn, tự gia nhiệt	Bù đầu lạnh, dây bù
Thông số cần đọc	Đầu dò và thiết bị đi thành cặp	Tiêu chuẩn phần tử và thông số bộ hiển thị	Loại, cỡ dây, ống bảo vệ, bộ hiển thị

Một số điểm giúp ích khi thông số của Nhật và của nhà máy dùng chuẩn khác nhau:

• SPRT (nhiệt kế điện trở platin chuẩn): theo thang nhiệt độ quốc tế ITS-90, nhiệt kế điện trở platin là dụng cụ nội suy trong khoảng 13,8033 K đến 961,78 °C, chia thành các phân dải. Không phải SPRT nào cũng dùng được trên toàn khoảng này; hãy xem loại đầu dò và dải hiệu chuẩn của từng chiếc. Trong hiệu chuẩn so sánh, nó thường làm chuẩn; ví dụ bể của Fluke cũng dùng SPRT.
• Pt100: cảm biến platin công nghiệp được xếp cấp dung sai theo IEC 60751 (ví dụ cấp A là ±0,15 °C tại 0 °C). JIS C 1604:2013 của Nhật ghi IEC 60751:2008 là tiêu chuẩn quốc tế tương ứng. Chúng tôi chưa xác nhận được TCVN tương ứng, nên khi đặt hàng hãy ghi rõ IEC 60751 và phiên bản, cấp dung sai, dải nhiệt độ và cấu hình cảm biến, rồi xác nhận với nhà cung cấp. Chỉ ký hiệu Pt100 thì chưa đủ để biết thiết bị đáp ứng yêu cầu.
• Thermistor (điện trở nhiệt): cũng dùng sự thay đổi điện trở như Pt100, nhưng vật liệu và mức thay đổi theo nhiệt độ khác. Khi giám sát linh kiện nhỏ, nên so sánh thermistor với Pt100.

Với cảm biến điện trở, phải xử lý điện trở dây dẫn, vì vậy mới có cách nối RTD 2 dây và 3 dây. Đó là nguồn sai số khác với nguồn sai số khi đo tần số thạch anh.

Với phép đo trực tuyến, ngoài chuyện đo đúng còn phải quyết định tín hiệu đi đâu. Nếu tín hiệu vào DCS (hệ điều khiển phân tán) để giám sát và điều khiển, hãy đưa chu kỳ cập nhật và giá trị đầu ra khi có lỗi vào thông số kỹ thuật.

Cần xem gì trong bảng thông số

Đọc dải nhiệt độ, độ chính xác và thời gian đáp ứng như một bộ. Nhiệt kế chuẩn cho bể ổn định chậm và cảm biến phải bắt kịp biến đổi nhanh của nhiệt độ lưu chất sẽ coi trọng những mục khác nhau.

• Dải nhiệt độ: phụ thuộc cả độ kín của đầu dò, dây dẫn và mạch điện tử, không chỉ tinh thể. Đừng mặc định một giới hạn trên chung như 200 °C cho mọi nhiệt kế thạch anh; đọc thông số của bộ cảm biến và thiết bị đi kèm, và tách dải có cam kết độ chính xác khỏi dải chỉ hoạt động được.
• Thời gian đáp ứng: thay đổi theo dòng chảy xung quanh và cách lắp. Thời gian đáp ứng đo trong chất lỏng không áp dụng được cho không khí hay ống bảo vệ dày.
• Độ sâu nhúng: kiểm tra độ sâu nhúng tối thiểu hãng quy định cho từng đầu dò.
• Va đập và rung: thiết bị dùng bộ cộng hưởng nhạy với va đập và ứng suất cơ học. Sau khi rơi hoặc thay đổi cách lắp, hãy kiểm tra số đọc tại một điểm chuẩn.
• Từ trường mạnh: khả năng chịu từ trường phụ thuộc cả hệ (tinh thể, mạch dao động, bộ đếm và cáp). Chọn dựa trên thông số hoặc kết quả thử ở cường độ từ trường và thiết bị thực tế.
• Tín hiệu đầu ra: đầu ra tần số không nối thẳng vào đầu vào analog thông thường được. Chọn bộ chuyển đổi có đầu ra khớp với điều kiện đầu vào 4–20 mA ở phía nhận.
• Đầu dò thay thế: chỉ giống hình dạng là chưa đủ. Quản lý cùng lúc sự tương thích với thiết bị, dữ liệu hiệu chuẩn riêng của từng đầu dò và điều kiện cáp, để sau khi thay không bị lẫn bộ hệ số.

Nếu nhiệt độ đang thay đổi, chênh lệch về đáp ứng giữa chuẩn và UUT cũng lẫn vào chênh lệch số đọc. Đừng dựa vào thời điểm bể vừa đạt điểm đặt; theo dõi cả hai số đọc và so sánh các cặp lấy trong khoảng đã ổn định.

Khi đo chi tiết nhỏ, gắn đầu dò vào sẽ làm thay đổi dòng nhiệt. Hãy tính đến nhiệt dung của cảm biến và dẫn nhiệt dọc trục, và trước khi thêm số lẻ, kiểm tra xem chính đầu dò có đang làm thay đổi nhiệt độ cần đo hay không.

Khi số đọc dao động

Hãy xét nguyên nhân theo thứ tự và mỗi lần chỉ đổi một điều kiện:

1. Lưu dữ liệu theo thời gian. So nhiệt độ bể và số hiển thị theo thời gian. Nếu có chu kỳ đều đặn, hãy nghi bộ điều khiển gia nhiệt hoặc việc khuấy của bể.
2. Tách các phép thử. Thử đổi vị trí riêng, thử đổi cài đặt đọc ở vị trí cố định riêng. Đổi nhiều thứ một lúc mà số đọc ổn lại thì không biết cái gì đã có tác dụng và lần sau phải bố trí ra sao.
3. Đổi chỗ hai đầu dò. Với hai đầu dò, đổi vị trí của chúng trong bể. Chênh lệch đi theo vị trí hay đi theo đầu dò sẽ giúp tách phân bố nhiệt độ khỏi khác biệt giữa các đầu dò.
4. Chỉ lấy trung bình ở khoảng ổn định. Lấy trung bình các giá trị đo trong lúc nhiệt độ đang tăng giảm làm số trông ổn định, nhưng không còn rõ đó là nhiệt độ nào, ở thời điểm nào.
5. Theo dõi kết quả theo thời gian. So kết quả tại cùng một điểm tham chiếu theo thời gian. Nếu sau khi rơi hay sửa chữa mà số đọc bị dịch, hãy đánh giá ngay, không chờ đến lần hiệu chuẩn định kỳ, và giữ hồ sơ để truy được phép đo nào bị ảnh hưởng.

Danh sách kiểm tra và câu hỏi cho nhà cung cấp Nhật

Dùng danh sách này khi nhận nhiệt kế thạch anh, dữ liệu đo hoặc giấy chứng nhận JCSS từ Nhật:

• Phân biệt rõ độ phân giải, giới hạn sai số theo thông số kỹ thuật, số hiệu chính từ hiệu chuẩn và độ không đảm bảo đo đi kèm kết quả
• Độ không đảm bảo đo mở rộng U, hệ số phủ k và xác suất phủ được ghi cho từng điểm hiệu chuẩn (giấy mẫu của NITE dùng k = 2, nhưng hãy đọc trên giấy thực tế)
• Có biểu tượng JCSS, và dấu ilac-MRA nếu cần thừa nhận quốc tế
• Các điểm hiệu chuẩn phủ dải sử dụng của nhà máy
• Số sê-ri (S/N) đầu dò trên giấy khớp với đầu dò đang có
• Bộ hệ số trong thiết bị đúng là của đầu dò đó
• Kết quả được ghi dưới dạng sai số chỉ thị hoặc số hiệu chính, có quy ước dấu rõ ràng, không chỉ ghi "đã điều chỉnh"
• Độ sâu nhúng và loại bể đã dùng khi hiệu chuẩn
• Dải có cam kết độ chính xác và dải hoạt động
• Thời gian đáp ứng và điều kiện đo thời gian đó
• Chu kỳ hiệu chuẩn lại đã thống nhất trong nội bộ (giấy chứng nhận không quy định)
• Thiết bị có thuộc diện phải kiểm định ở Việt Nam hay không, và khách hàng có chấp nhận giấy JCSS hay không

Nếu thiếu mục nào, một email ngắn thường là đủ để làm rõ. Liên lạc kỹ thuật với nhà cung cấp Nhật thường bằng tiếng Anh, nên mẫu dưới đây giữ tiếng Anh; thay các phần trong ngoặc vuông.

Giới hạn của bài viết

• Dải đo, thời gian đáp ứng, khả năng chịu từ trường và độ chính xác khác nhau theo model. Không có nội dung nào ở đây là thông số chung cho mọi nhiệt kế thạch anh.
• Số liệu của HP là từ năm 1965, chỉ để minh họa khoảng cách giữa độ phân giải và độ chính xác; thiết bị hiện nay sẽ khác.
• Các bước hiệu chuẩn trong bể chỉ là nguyên tắc, không phải phương pháp đã được xác nhận giá trị sử dụng. Hãy theo quy trình ISO/IEC 17025 của phòng đo và hướng dẫn của bể, đầu dò.
• Giấy JCSS có được hệ thống chất lượng của nhà máy hay khách hàng chấp nhận hay không là tùy yêu cầu của họ; việc có phải kiểm định theo Luật Đo lường hay không cũng cần tra văn bản hiện hành. Hãy xác nhận với bên liên quan.
• Chỉ độ phân giải của nhiệt kế thì không quyết định điều khiển nhiệt độ mịn đến đâu. Công suất và bố trí bộ gia nhiệt, độ trễ nhiệt và bước của tín hiệu điều khiển đều ảnh hưởng, nên cần thiết kế đo và điều khiển như một hệ.

Câu hỏi thường gặp

Nhiệt kế thạch anh có đo chính xác đến 0,0001 °C không?

Không thể kết luận như vậy chỉ từ con số đó. 0,0001 °C là ví dụ về độ phân giải, tức bước hiển thị, và không bảo đảm sai số 0,0001 °C. Để đánh giá kết quả, cần xem riêng kết quả hiệu chuẩn, số hiệu chính, độ không đảm bảo đo, đầu dò và phân bố nhiệt độ xung quanh.

Dùng đồng hồ thạch anh thông thường làm nhiệt kế được không?

Không. Tinh thể của đồng hồ được thiết kế để giữ tần số ổn định làm chuẩn thời gian. Không có độ nhạy nhiệt và dữ liệu hiệu chuẩn của phần tử cảm biến thì đọc tín hiệu đồng hồ không cho phép đo nhiệt độ chính xác.

Nhiệt kế thạch anh có dùng được trên 200 °C không?

Tùy model và đầu dò; không có giới hạn trên chung cho mọi nhiệt kế thạch anh. Khi dùng ở nhiệt độ cao, hãy tách dải hoạt động khỏi dải có cam kết độ chính xác, và kiểm tra khả năng chịu nhiệt của vỏ và dây dẫn.

Nhiệt kế nào có chữ "thạch anh" cũng đo bằng tần số?

Không. Nhiệt kế có ống bảo vệ bằng thạch anh nung chảy (thủy tinh thạch anh) khác với loại đo bằng bộ cộng hưởng thạch anh. Hãy xem thông số để biết phần tử cảm biến là điện trở platin hay bộ cộng hưởng thạch anh, đừng dựa vào tên sản phẩm.

Giấy chứng nhận hiệu chuẩn JCSS có hết hạn không?

Không. NITE cho biết giấy JCSS không có thời hạn hiệu lực. Người sử dụng tự quyết định khi nào hiệu chuẩn lại, dựa trên tần suất và môi trường sử dụng thiết bị.

Nguồn tham khảo

• Nhiệt kế thạch anh làm chuẩn hiệu chuẩn: Yokogawa Test & Measurement, đo điện áp và nhiệt độ (tiếng Nhật)
• Bộ cộng hưởng thạch anh trong đồng hồ: Epson, nguyên lý và ứng dụng linh kiện thạch anh (tiếng Nhật)
• Ví dụ độ nhạy (khoảng 1 kHz/K): Hội Tính chất Nhiệt Vật lý Nhật Bản, "Cơ bản về đo nhiệt độ" (1989, tiếng Nhật)
• Kiểu cắt LC, độ dốc 1.000 Hz/°C, thông số: Hewlett-Packard Journal, 3/1965, "The Linear Quartz Thermometer"
• OCXO: Nihon Dempa Kogyo (NDK), đặc điểm OCXO (tiếng Nhật)
• Hiệu lực giấy JCSS, chuẩn mực công nhận, dấu ilac-MRA: NITE, JCSS FAQ (tiếng Nhật)
• Giấy chứng nhận JCSS mẫu (ISO/IEC 17025, ILAC/APAC MRA, k = 2): NITE IAJapan, giấy hiệu chuẩn JCSS mẫu
• Chọn bể hiệu chuẩn: Fluke, "Buying the Right Temperature Calibration Bath for Your Laboratory"
• Dải của nhiệt kế điện trở platin theo ITS-90: NIST Technical Note 1265, "Guidelines for Realizing the ITS-90"
• Cấp dung sai IEC 60751: JUMO, "Pt100 accuracy class"
• JIS C 1604:2013 và IEC 60751:2008: Hiệp hội Tiêu chuẩn Nhật Bản, bản xem trước JIS C 1604:2013 (tiếng Nhật)
• Chương trình VILAS, MRA của APAC và ILAC: Văn phòng Công nhận Chất lượng (BoA), VILAS
• Luật Đo lường số 04/2011/QH13: Thư viện Pháp luật, Luật Đo lường 2011