Nghiên cứu hệ thống chuẩn nhiệt độ và xây dựng phần mềm hỗ trợ kiểm tra hiệu chuẩn các thiết bị đo nhiệt độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

DƯƠNG VIẾT LINH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHUẨN NHIỆT ĐỘ VÀ XÂY
DỰNG PHẦN MỀM HỖ TRỢ KIỂM TRA (HIỆU CHUẨN)
CÁC THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

DƯƠNG VIẾT LINH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHUẨN NHIỆT ĐỘ VÀ XÂY
DỰNG PHẦN MỀM HỖ TRỢ KIỂM TRA (HIỆU CHUẨN)
CÁC THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG

Hà Nội – 2018


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Dương Viết Linh
Đề tài luận văn: “Nghiên cứu hệ thống chuẩn nhiệt độ và xây dựng phần mềm hỗ
trợ kiểm tra (hiệu chuẩn) các thiết bị đo nhiệt độ”
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa
Mã số SV: CA150428
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã
sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 27 tháng 04 năm 2018 với
các nội dung sau:
-

Đã sửa lỗi chính tả ở các trang 19, 30, 53

-

Đã bổ sung trích dẫn TCVN 6165-1996 trong khái niệm, định nghĩa cơ bản ở
trang 19.

-

Đã đánh số công thức ở các chương 1,3,4.

-

Đã sửa lại tiêu đề của mục 1.3.1 thành “Phân loại chuẩn”.

-

Đã bổ sung phần trích dẫn tài liệu trong chương 3,4.

Ngày
Giáo viên hướng dẫn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

tháng

năm

Tác giả luận văn


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trong luận văn là hoàn toàn trung thực. Nội dung luận văn chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Dương Viết Linh

i

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình, tơi đã nhận được rất nhiều sự giúp
đỡ động viên và chia sẻ của các Thầy Cô giáo, các anh chị em đồng nghiệp và gia đình.
Đầu tiên, tơi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Nguyễn Thị Lan Hương, người hướng
dẫn trực tiếp tôi thực hiện đề tài này. PGS.TS. Nguyễn Thị Lan Hương đã có những định
hướng, chỉ bảo, hướng dẫn và trao đổi với tôi trong suốt q trình học tập, thực hiện
nghiên cứu này.
Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện
đào tạo sau đại học, Viện Điện và Bộ môn Kỹ thuật đo và tin học cơng nghiệp đã tạo
điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thiện nghiên cứu này.
Tôi xin chân thành cảm ơn khoa Điện – Tự động hóa, trường Cao đẳng Dầu khí Vũng Tàu, các anh em đồng nghiệp, nơi tôi đang công tác; đã giúp đỡ, tạo điều kiện
thuận lợi cho tơi hồn thành khóa học, cũng như góp ý, trao đổi về các nội dung trình
bày trong luận văn.
Cuối cùng, xin chúc các Thầy Cô, anh chị em đồng nghiệp sức khỏe và thành công.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Dương Viết Linh

ii


Mục lục
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................................vii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... viii
1.

Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................. viii

2.

Mục đích nghiên cứu .................................................................................. viii

3.

Đối tượng và phạm vi áp dụng ................................................................... viii

4.

Phương pháp và nội dung nghiên cứu ........................................................ viii

Chương 1: HỆ THỐNG CHUẨN NHIỆT ĐỘ VÀ HỆ THỐNG LIÊN KẾT CHUẨN . 1
1.1.

Khái niệm đại lượng, đơn vị đo nhiệt độ ....................................................... 1

1.2.

Các phương pháp và phương tiện đo nhiệt độ ................................................ 5

1.3.

Chuẩn và liên kết chuẩn đơn vị nhiệt độ ........................................................ 6

1.3.1. Phân loại chuẩn .............................................................................................7
1.3.2. Chuẩn quốc gia về nhiệt độ ...........................................................................8
1.3.3. Sơ đồ liên kết ................................................................................................8
Sơ đồ liên kết chuẩn ................................................................................................9

1.3.4. Nguyên tắc liên kết chuẩn .............................................................................. 11
Chương 2: THIẾT BỊ NGUỒN NHIỆT CHUẨN FLUKE 9011 .................................. 13
2.1.

Giới thiệu chung ........................................................................................... 13

2.2.

Cấu tạo của lò nhiệt Fluke 9011 ................................................................... 14

2.2.1.

Cấu tạo mặt sau lò nhiệt.........................................................................14

2.2.2.

Cấu tạo mặt trước lò nhiệt 9011 ............................................................14

2.2.3.

Cấu tạo phía trên lị nhiệt .......................................................................15

2.3.

Cách cài đặt các thơng số cơ bản ................................................................. 16

2.3.1.

Cài đặt đơn vị .........................................................................................16

2.3.2.

Cài đặt các điểm đặt nhiệt độ .................................................................16

2.3.3.

Cài đặt giá trị nhiệt độ ...........................................................................17

Chương 3: SAI SỐ VÀ ĐỘ KHÔNG ĐẢM BẢO ĐO ................................................. 18
3.1.

Khái niệm về độ không đảm bảo của phép đo.............................................. 18

3.2.

Khái niệm về sai số của phép đo .................................................................. 19

3.3.

Phân bố của phép đo và các đặc trưng của phân bố .................................... 20

3.4.

Phân bố chuẩn, phân bố chữ nhật và phân bố Student ................................ 23

3.4.1.

Phân bố chuẩn ........................................................................................23

3.4.2.

Phân bố hình chữ nhật ...........................................................................26
iii


3.4.3.
3.5.

Phân bố Student .....................................................................................26

Độ không đảm bảo trong hiệu chuẩn ............................................................ 29

3.5.1.

Ý nghĩa của việc hiệu chuẩn ..................................................................29

3.5.2.

Đánh giá độ không đảm bảo đo trong hiệu chuẩn .................................30

Chương 4: XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ PHẦN MỀM TÍNH TỐN ĐỘ KHƠNG
ĐẢM BẢO ĐO .............................................................................................................. 34
4.1.

Bài tốn cơng nghệ ....................................................................................... 34

4.2.

Xây dựng cơng thức tính độ khơng đảm bảo đo .......................................... 35

4.2.1.

Nhiệt kế chỉ thị hiện số và tương tự ......................................................35

4.2.2.

Bộ chuyển đổi đo nhiệt độ ....................................................................40

4.3.

Thiết kế phần mềm tính độ không đảm bảo của phép đo ............................. 45

4.3.1.

Lưu đồ thuật toán ...................................................................................45

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 53
1.

Kết quả và đóng góp của đề tài .................................................................... 53

2.

Kiến nghị của tác giả .................................................................................... 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 54

iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
ITS-90
SI

Thang đo nhiệt độ quốc tế năm 1990
Đơn vị đo lường quốc tế

SPRT

Nhiệt điện kế điện trở chuẩn Platin

PTĐ

Phương tiện đo

IPTS

Thang nhiệt độ thực dụng quốc tế

ISO

Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế

ĐLVN

Đo lường Việt Nam

BMC

Khả năng đo tốt nhất

v


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Các điểm chuẩn nhiệt độ của ITS-90.................................................... 5
Bảng 1.2. Mô tả chuẩn ........................................................................................ 11
Bảng 2.1. Thơng số kỹ thuật của lị nhiệt Fluke 9011 ........................................ 14
Bảng 3.1.Bảng giá trị đo...................................................................................... 22
Bảng 3.2 Bảng phân bố giá trị nằm trong độ lệch chuẩn k. ................................ 25
Bảng 3.3. Bảng phân bố Student ......................................................................... 28
Bảng 3.4. Bảng Student cho các giá trị k ứng với khoảng tin cậy 95% ............. 29
Bảng 4.1. Các thành phần độ không đảm bảo đo ............................................... 37
Bảng 4.2. Các thành phần độ không đảm bảo đo ................................................ 42

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sơ đồ liên kết chuẩn ............................................................................. 9
Hình 2.1. Lị nhiệt chuẩn Fluke 9011 .................................................................. 13
Hình 2.2. Cấu tạo mặt sau Fluke 9011 ................................................................ 14
Hình 2.3. Cấu tạo mặt trước lị nhiệt Fluke 9011................................................ 15
Hình 2.4. Các loại Insert...................................................................................... 16
Hình 3.1. Phân bố xác suất chuẩn hay phân bố Gaussian ................................... 24
Hình 3.2. Vùng diện tích nằm dưới đường cong phân bố xác suất chuẩn .......... 24
Hình 3.3. Phân bố hình chữ nhật ......................................................................... 26
Hình 3.4. Phân bố Student................................................................................... 27

Hình 4.1. Giao diện phần mềm ........................................................................... 34
Hình 4.2. Kết nối nhiệt kế tương tự và lị nhiệt .................................................. 38
Hình 4.3. Kết nối bộ chuyển đổi đo nhiệt độ với thiết bị chuẩn ........................ 43
Hình 4.4. Lưu đồ thuật tốn ................................................................................ 45
Hình 4.5. Giao diện tạo project mới ................................................................... 46
Hình 4.6. Giao diện thiết kế ............................................................................... 47
Hình 4.7. Giao diện viết chương trình ............................................................... 48
Hình 4.8. Giao diện kết quả tính ........................................................................ 49
Hình 4.9. Trang 1 biên bản hiệu chuẩn .............................................................. 50
Hình 4.10. Trang 2 biên bản hiệu chuẩn ............................................................. 51
Hình 4.11. Giao diện lưu kết quả ....................................................................... 52

vii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, nhất là trong các lĩnh vực tự
động hóa. Việc áp dụng khoa học vào đời sống giúp tăng năng suất lao động, giải phóng
con người trong các cơng việc nặng nhọc.
Hiện nay, phương tiện đo nhiệt độ hết sức phong phú về chủng loại phương tiện đo,
cấu tạo, phạm vi đo, cấp chính xác, độ phân giải, phương pháp đo.... Chúng có mặt ở
hầu hết lĩnh vực trong các ngành kinh tế quốc dân cũng như trong đời sống xã hội, chính
vì vậy việc thống nhất quản lý và sao truyền dẫn xuất chuẩn từ chuẩn đầu quốc gia xuống
đến các chuẩn cấp thấp hơn và đến phương tiện đo nhiệt độ thông thường là công việc
rất cấp bách và cần thiết. Bên cạnh đó việc đánh giá mức độ tin cậy của phương tiện đo
cũng rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác trong hoạt động sản xuất.
Vì vậy phạm vi đề tài “Nghiên cứu hệ thống chuẩn nhiệt độ và xây dựng phần mềm
hỗ trợ kiểm tra (hiệu chuẩn) các thiết bị đo nhiệt độ” là hết sức cần thiết để góp phần để
nâng cao chất lượng sản phẩm, hàng hoá; sử dụng tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, vật

tư, năng lượng, đảm bảo an toàn; bảo vệ sức khoẻ và môi trường, đẩy mạnh phát triển
khoa học và công nghệ.
2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu hệ thống chuẩn nhiệt độ và xây dựng phần mềm hỗ trợ kiểm tra
(hiệu chuẩn) các thiết bị đo nhiệt độ” được thực hiện theo định hướng phát triển của
ngành điện. Mục tiêu của nghiên cứu bao gồm:
-

Tìm hiểu về chuẩn nhiệt độ và hệ thống liên kết chuẩn của Việt Nam

-

Xây dựng phần mềm tính tốn sai số, độ khơng đảm bảo đo khi hiệu chuẩn thiết
bị đo nhiệt độ sử dụng bộ nguồn nhiệt chuẩn tại Trường Cao Đẳng Dầu Khí

3. Đối tượng và phạm vi áp dụng
Các xí nghiệp, nhà máy đang sử dụng các phương tiện để kiểm tra giá trị nhiệt độ
và tính độ khơng đảm bảo đo của thiết bị được hiệu chuẩn nhằm đánh giá mức độ tin
cậy của phép đo.
4. Phương pháp và nội dung nghiên cứu
Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và xây dựng chương
trình tính tốn bằng phần mềm Visual Studio
viii


Luận văn bao gồm phần mở đầu, 4 chương và kết luận. Phần mở đầu thể hiện tính
cấp thiết, mục đích nghiên cứu, đối tượng áp dụng và các nội dung trình bày trong đề
tài.
Chương 1 đưa ra cái nhìn tổng quan về hệ thống chuẩn nhiệt độ và sơ đồ liên kết
chuẩn

Chương 2 giới thiệu hệ thống nguồn chuẩn Fluke 9011 đang sử dụng ở trường Cao
Đẳng Dầu Khí
Chương 3 giới thiệu tổng quan về sai số và độ không đảm bảo của phép đo, các phân
bố chuẩn, phân bố Stduden, phân bố chữ nhật
Chương 4 xây dựng cách tính độ khơng đảm bảo của phép đo phần mềm Visual
Studio để viết chương trình tính độ khơng đảm đo.
Phần kết luận tổng kết lại các kết quả đạt được của đề tài, đồng thời đưa ra các định
hướng phát triển tiếp theo của hệ thống, cũng như định hướng nghiên cứu mới của đề
tài.
Từ những nội dung nghiên cứu trên, kết cấu của luận văn bao gồm:
 Mở đầu
 Chương 1: Hệ thống chuẩn nhiệt độ và hệ thống liên kết chuẩn
 Chương 2: Thiết bị nguồn nhiệt chuẩn Fluke 9011
 Chương 3: Sai số và độ không đảm bảo đo
 Chương 4: Xây dựng và thiết kế phần mềm tính tốn độ khơng đảm bảo đo
 Kết luận

ix


Chương 1: HỆ THỐNG CHUẨN NHIỆT ĐỘ VÀ HỆ THỐNG LIÊN KẾT
CHUẨN
1.1.

Khái niệm đại lượng, đơn vị đo nhiệt độ [3]
Nhiệt độ là một khái niệm phức tạp nhưng lại thường gặp trong đời sống cũng như

trong khoa học kỹ thuật. Thông thường người ta cho nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho
mức độ nóng lạnh của một vật. Tuy nhiên, cảm giác nóng lạnh cịn phụ thuộc nhiều vào
yếu tố chủ quan của con người, nên rõ ràng quan niệm về nhiệt độ nói trên là thiếu chính

xác.
Lý thuyết về động học phân tử đã tìm ra sự liên hệ giữa vận tốc bình phương trung
2
bình u của các phân tử khí lý tưởng với nhiệt độ tuyệt đối T của nó như sau:

1 2 3
mu  kT
2
2

(1.1)

với m: khối lượng phân tử khí.
k: hằng số Bolzman.
Cơng thức trên cho ta một khái niệm chính xác về nhiệt độ: Nhiệt độ tuyệt đối của
khí lý tưởng tỷ lệ với động năng trung bình trong chuyển động tịnh tiến của các phân tử
khí.
Thực nghiệm cho thấy rằng khi nhiệt độ thay đổi thì tính chất của vật chất cũng thay
đổi theo (ví dụ như thể tích, điện trở v.v...). Do vậy, để đo nhiệt độ, trước hết người ta
chọn một chất nào đó và một tính chất vật lý nào đó cuả nó để dựa vào sự thay đổi của
tính chất này mà đánh giá sự thay đổi của nhiệt độ. Từ đó xây dựng một thang nhiệt độ
bằng cách chọn những điểm chuẩn nhiệt độ và cách chia độ giữa những điểm chuẩn đó.
Thang nhiệt độ đầu tiên được nhà vật lý người Đức Fahrenheit xây dựng vào năm
1715 cho ta một khái niệm cụ thể về thang nhiệt độ cũng như đơn vị nhiệt độ. Ông đã
chế tạo ra nhiệt kế thủy ngân để đo nhiệt độ, trong đó 2 điểm chuẩn nhiệt độ được chọn
là nhiệt độ của hỗn hợp nước đá, muối và cloruaamon (quy ước là 0 độ) và thân nhiệt
của người khoẻ mạnh (quy ước là 96 độ), 1/96 khoảng giữa hai điểm chuẩn nhiệt độ đó
là 1 độ Fahrenheit (ký hiệu là F).
1

Năm 1736, nhà luyện kim người Pháp Rêomuya chế tạo ra nhiệt kế rượu với hai
điểm chuẩn nhiệt độ là nhiệt độ đông đặc của nước (quy ước là 0 độ) và nhiệt độ sôi của
nước (quy ước là 80 độ). Như vậy 1 độ Rêômuya (ký hiệu là 1R) là 1/80 khoảng giữa
điểm nhiệt độ sôi của nước và điểm nhiệt độ đông đặc của nước.
Năm 1742, nhà vật lý Thụy điển Celsius chế tạo nhiệt kế thủy ngân với thang
nhiệt độ có hai điểm chuẩn nhiệt độ là nhiệt độ tan của nước đá (quy ước là 0 độ) và
nhiệt độ sôi của nước (quy ước là 100 độ). Khi đó 1 độ Celsius (ký hiệu là 1C) là 1/100
khoảng giữa điểm nhiệt độ sôi của nước và điểm nhiệt độ tan của nước đá. Thang nhiệt
độ này gọi là thang nhiệt độ Celsius (ký hiệu là t) và được dùng rất phổ biến trong đời
sống cũng như trong khoa học kỹ thuật.
Các đơn vị nhiệt độ theo các định nghĩa nêu trên có mối liên hệ với nhau như sau:
1o F 

5o
4
C  oR
9
9

(1.2)

Theo đó, giá trị nhiệt độ tính theo các đơn vị khác nhau được chuyển đổi như sau:
t / oC 





5 o

5
t / F  32  t / oR
9
4

(1.3)

Thang nhiệt độ và theo nó là đơn vị nhiệt độ trên đây đều mang tính chất thực
nghiệm và phụ thuộc vào việc chọn chất nhiệt biểu cụ thể. Vấn đề đặt ra là phải xây
dựng một thang nhiệt độ dựa trên lý thuyết vật lý thuần túy.
Năm 1848, nhà vật lý người Anh Kelvin đã đề xuất việc xây dựng thang nhiệt độ
nhiệt động mà cơ sở lý thuyết của nó là định luật Carno và nguyên lý II của nhiệt động
học. Thang nhiệt độ nhiệt động (ký hiệu là T) lấy hai điểm chuẩn nhiệt độ là nhiệt độ
không tuyệt đối (0 độ) và nhiệt độ cân bằng ba pha của nước tinh khiết (273,16 độ) với
đơn vị nhiệt độ là Kelvin (ký hiệu là K). Kelvin là đơn vị cơ bản của hệ đơn vị quốc tế
SI được định nghiã như sau: “Kelvin bằng 1/273,16 của nhiệt độ nhiệt động tại điểm ba
của nước “. Thang nhiệt độ nhiệt động liên hệ với thang nhiệt độ Celsius bằng biểu thức:
T / K = t /C + 273,16
Theo đó, đơn vị độ Kelvin bằng đơn vị độ Celsius.

2

(1.4)


Thang nhiệt độ nhiệt động được xây dựng trên cơ sở lý thuyết nhiệt động học xét
cho hệ khí lý tưởng. Trên thực tế việc thể hiện thang nhiệt độ nhiệt động chỉ có thể thực
hiện bằng nhiệt kế khí với khí thực như nhiệt kế khí Hydro có tính chất gần với khí lý
tưởng.
Tuy nhiên, ngay cả việc thể hiện thang nhiệt độ nhiệt động trực tiếp bằng nhiệt

kế khí cũng rất khó khăn và phức tạp. Vì vậy cần thiết phải xây dựng một thang nhiệt
độ thực dụng quốc tế sao cho việc thể hiện được dễ dàng và phải phù hợp với thang
nhiệt độ nhiệt động đến mức cao nhất mà trình độ khoa học kỹ thuật cho phép. Các thang
nhiệt độ thực dụng quốc tế như vậy được xây dựng theo nguyên tắc chung là lấy các
điểm nhiệt độ cân bằng pha của các chất tinh khiết làm các điểm chuẩn nhiệt độ (ví dụ
như nhiệt độ cân bằng ba pha của nước tinh khiết, điểm nhiệt độ đông đặc của vàng tinh
khiết v.v...) và dùng các phương tiện đo nhiệt độ chuẩn (ví dụ như nhiệt kế điện trở
chuẩn Platin) cùng với các phương trình nội suy đã quy định để nội suy các giá trị nhiệt
độ giữa các điểm chuẩn nhiệt độ của thang.
Đại hội cân đo quốc tế lần thứ VII đã công nhận thang nhiệt độ quốc tế đầu tiên gọi
là thang nhiệt độ thực dụng quốc tế 1927 (IPTS-1927). Các đại hội cân đo quốc tế sau
đó đã xem xét lại, chính xác hố và mở rộng thang nhiệt độ nêu trên: Đại hội Cân đo
quốc tế lần thứ IX năm 1948 với thang nhiệt độ thực dụng quốc tế 1948 (IPTS-48); Đại
hội Cân đo quốc tế lần thứ XIII với thang nhiệt độ thực dụng quốc tế 1968 (IPTS-68) và
gần đây nhất, Đại hội cân đo quốc tế lần thứ XVII với thang nhiệt độ quốc tế 1990 (ITS90). Theo thang này nhiệt kế điện trở Platin phủ toàn bộ dải nhiệt độ từ -259,3467C (
điểm ba của Hydro ) đến 961,78C ( điểm đông đặc của bạc ); Pyromet quang học mà
nguyên lý hoạt động dựa trên định luật bức xạ Planck được sử dụng trong dải nhiệt độ
trên 961,78C.
Như trên đã nói nhiệt độ thể hiện bằng các thang nhiệt độ thực dụng quốc tế chỉ là
việc thể hiện gần đúng nhiệt độ nhiệt động, do vậy nhiệt độ thể hiện theo các thang khác
nhau khơng hồn tồn trùng nhau mà có sự khác nhau dù là nhỏ. Vì vậy, ký hiệu nhiệt
độ cho các thang nói trên được ghi thêm chỉ số gắn với thang nhiệt độ cụ thể; ví dụ ký
hiệu nhiệt độ theo thang IPTS-68 là T68 hoặc t68; theo thang ITS-90 (thang nhiệt độ
đang áp dụng hiện nay) là T90 hoặc t90.

3


Chuẩn quốc tế của đơn vị nhiệt độ chính là Thang nhiệt độ quốc tế ( ITS - 90) hiện
nay đang được quốc tế sử dụng rộng rãi, Thang nhiệt độ bao gồm 17 điểm chuẩn nhiệt

độ (là các điểm nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ đơng đặc hoặc các điểm nhiệt độ ở trạng
thái ba pha (rắn - lỏng - khí) của một số chất tinh khiết khác nhau được quốc tế quy
định), từ điểm áp suất hơi của khí Heli (gần độ 0 tuyệt đối) là - 270,15 0C cho đến điểm
đông đặc của kim loại Đồng tinh khiết (1357,77 K, hoặc là + 1084,62 0C) và dải nhiệt
độ cao hơn trong vùng bức xạ của ánh sáng đơn sắc.
Trên thang ITS - 90 được chia ra nhiều dải nhiệt độ khác nhau, ở mỗi dải nhiệt độ
đều quy định rõ một số điểm chuẩn nhiệt độ, các tổ hợp dụng cụ nội suy, thiết bị đo
chuẩn và các phương trình nội suy xác định. Như trong dải nhiệt độ từ - 40 0C đến + 420
0

C, Thang nhiệt độ ITS - 90 quy định gồm 5 điểm chuẩn nhiệt độ: điểm ba của Thuỷ

ngân tinh khiết có nhiệt độ: - 38,8344 0C; điểm ba của Nước tinh khiết: + 0,01 0C; điểm
nóng chảy của Gali tinh khiết: + 29,7646 0C; điểm đông đặc của Thiếc tinh khiết: +
231,928 0C và điểm đông đặc của Kẽm tinh khiết: + 419,527 0C; dụng cụ nội suy chuẩn
là nhiệt kế điện trở chuẩn Platin (SPRT) cùng với tổ hợp thiết bị chuẩn (cầu đo tỉ số điện
trở chính xác cao, lị tái tạo duy trì, bình điều nhiệt, bình ủ....) để tạo mơi trường giữ
chuẩn nhiệt độ; phương trình nội suy dải nhiệt độ trên là các hàm bậc hai để tính các hệ
số a5, b5 và a8, b8 thơng qua các hàm tỉ số điện trở W(t) = R(t)/R0.01, với R(t) là giá
trị điện trở đo tại các điểm chuẩn và R0,01 là giá trị điện trở đo tại điểm ba của Nước
....

4


Nhiệt độ
Chất

TT

Trạng thái

Wr (T90)

t90/oC

T90/K
1

3 đến 5

-270,15 -:- –268,15

He

V

2

13,8033

-259,3467

e-H2

T

3

 17

 256,15

e-H2/He

V/G

4

 20,3

 252,85

e-H2/He

V/G

5

24,5561

-248,5939

Ne

T

0,008 449 74

6

54,3584

-218,7916

O2

T

0,091 718 04

7

83,8058

-189,3442

Ar

T

0,215 859 75

8

243,3156

-38,8344

Hg

T

0,844 142 11

9

273,16

0,01

H2 O

T

1,000 000 00

10

302,9146

29,7646

Ga

M

1,118 138 89

11

429,7485

156,5985

In

F

1,609 801 85

12

505,078

231,928

Sn

F

1,892 797 68

13

692,677

419,527

Zn

F

2,568 917 30

14

933,473

660,323

Al

F

3,376 008 60

15

1234,93

961,78

Ag

F

4,286 420 53

16

1337,33

1064,18

Au

F

17

1357,77

1084,62

Cu

F

0,001 190 07

Bảng 1.1: Các điểm chuẩn nhiệt độ của ITS-90 [3]
Ghi chú: Các ký hiệu có ý nghĩa như sau:
V: điểm áp suất hố hơi
T: điểm ba (nhiệt độ tại các pha rắn, lỏng, hơi cân bằng)
M, P: điểm nóng chảy và điểm đơng đặc (nhiệt độ các pha rắn, lỏng cân
bằng ở áp suất 101 525 Pa).
1.2.

Các phương pháp và phương tiện đo nhiệt độ

Phương pháp đo là cách thức sử dụng các nguyên lý đo và phương tiện đo. Để đo

nhiệt độ, người ta dựa vào những tính chất vật lý của vật chất thay đổi theo nhiệt độ và
5


thiết lập quan hệ giữa chúng. Mỗi tính chất vật lý của vật chất đã chọn tương ứng với
một nguyên lý đo được xây dựng làm cơ sở chế tạo phương tiện đo nhiệt độ hay là nhiệt
kế. Khái niệm nhiệt kế được hiểu là phương tiện đo nhiệt độ bao gồm phần cảm (sensor)
để biến đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện hoặc khơng điện và bộ phận chỉ thị (indicater)
mà thơng qua nó con người có thể nhận biết một cách trực tiếp nhiệt độ cần đo.
Khi đề cập đến các phương tiện đo nhiệt độ chúng ta thường nói đến các khái niệm
như nguyên lý hoạt động và nguyên lý cấu tạo của phương tiện đo. Nguyên lý hoạt động
(còn gọi là nguyên lý đo) là cơ sở lý thuyết từ đó xác định phương pháp đo, cịn ngun
lý cấu tạo là thiết kế có tính chất nguyên lý cơ bản của phương tiện đo. Trong quá trình
phát triển của khoa học kỹ thuật đã hình thành những phương pháp đo nhiệt độ thông
dụng dựa trên những tính chất vật lý của vật chất như sau:
-

Sự dãn nở của các chất theo nhiệt độ.

-

Sự thay đổi của điện trở theo nhiệt độ.

-

Hiệu ứng nhiệt điện.

-

Hiện tượng bức xạ nhiệt.

Theo đó các phương tiện đo nhiệt độ thơng thường được phân loại như sau:
-

Nhiệt kế dãn nở: hoạt động dựa trên nguyên lý dãn nở của vật chất theo

nhiệt độ, bao gồm:
 Nhiệt kế thuỷ tinh - chất lỏng.
 Nhiệt kế lưỡng kim và nhiệt kế dãn dài.
 Nhiệt kế áp suất
-

Nhiệt kế điện trở: hoạt động dựa trên sự phụ thuộc của điện trở kim loại

hoặc chất bán dẫn theo nhiệt độ.
-

Cặp nhiệt điện: hoạt động dựa trên nguyên lý sự xuất hiện sức nhiệt điện

động khi hai dây kim loại hoặc hợp kim khác nhau được nối với nhau tại hai điểm và có
sự chênh lệch nhiệt độ tại hai điểm nối đó.
-

Nhiệt kế bức xạ: hoạt động dựa trên các định luật bức xạ mô tả quan hệ

giữa cường độ bức xạ nhiệt của vật chất và nhiệt độ của nó.
1.3.

Chuẩn và liên kết chuẩn đơn vị nhiệt độ
Chuẩn quốc gia về nhiệt độ là các điểm chuẩn, dụng cụ nội suy và tổ hợp các thiết

bị chuẩn, tuỳ thuộc vào tiềm lực, nhu cầu trình độ thiết bị mỗi nước mà có thể tái tạo,
6


thể hiện lại thang nhiệt độ, trên cơ sở hàng năm so đọ với các nước khác hoặc so sánh
vòng, từ đó sao truyền chuẩn xuống các cấp thấp hơn, đảm bảo sự thống nhất và liên tục
của sơ đồ dẫn xuất chuẩn, không bị đứt đoạn.
1.3.1. Phân loại chuẩn
Chuẩn đo lường là phương tiện kỹ thuật để thể hiện đơn vị đo lường và dùng làm
chuẩn để xác định giá trị đại lượng thể hiện trên phương tiện đo.
Căn cứ vào độ chính xác có thể phân loại chuẩn như sau:
- Chuẩn đầu: Chuẩn được chỉ định hay được thừa nhận là có chất lượng về mặt
đo lường cao nhất và giá trị của nó được chấp nhận khơng dựa vào các chuẩn khác của
cùng đại lượng.
- Chuẩn thứ: Là chuẩn mà giá trị của nó được ấn định bằng cách so sánh với
chuẩn đầu của cùng đại lượng.
- Chuẩn bậc I, bậc II... bậc N: là chuẩn mà giá trị của nó được ấn định bằng cách
so sánh với chuẩn thứ hoặc chuẩn có bậc chính xác cao hơn.
Số bậc N bằng bao nhiêu là tuỳ thuộc yêu cầu của từng lĩnh vực đo.
Căn cứ vào chức năng, mục đích sử dụng có thể phân loại chuẩn như sau:
- Chuẩn quốc tế: Là chuẩn được một hiệp định quốc tế công nhận để làm cơ sở
ấn định giá trị cho các chuẩn khác cuả đại lượng có liên quan trên phạm vi quốc tế (ví
dụ: Chuẩn quốc tế đơn vị Nhiệt độ là Thang Nhiệt độ quốc tế 1990).
- Chuẩn quốc gia: Là chuẩn được một quyết định có tính chất quốc gia cơng
nhận để làm cơ sở ấn định giá trị cho các chuẩn khác có liên quan trong một nước; chuẩn
quốc gia là chuẩn đo lường có độ chính xác cao nhất của quốc gia được Chính phủ phê
duyệt dùng làm chuẩn gốc để xác định giá trị các chuẩn còn lại của một lĩnh vực đo;

Chuẩn quốc gia phải được liên kết với chuẩn quốc tế bằng việc định kỳ so sánh trực tiếp
với chuẩn quốc tế hoặc gián tiếp qua chuẩn quốc gia của nước ngồi.
- Chuẩn chính: Là chuẩn thường có chất lượng cao nhất về mặt đo lường, có thể
có ở một địa phương hoặc một tổ chức xác định mà các phép đo ở đó đều được dẫn xuất
từ chuẩn này; chuẩn chính thường xuyên được hiệu chuẩn bằng cách so sánh với chuẩn
quốc gia.
7


- Chuẩn công tác: Là chuẩn được dùng thường xuyên để hiệu chuẩn hoặc kiểm
tra vật đọ, phương tiện đo hoặc mẫu chuẩn. Chuẩn công tác thường xuyên được hiệu
chuẩn bằng cách so sánh với chuẩn chính.
1.3.2. Chuẩn quốc gia về nhiệt độ
Chuẩn quốc gia về nhiệt độ của nước ta hiện nay được thiết lập phù hợp với trình
độ phát triển của nền kinh tế quốc dân cũng như trình độ chuẩn của các nước trong khu
vực và xu hướng phát triển của khoa học đo lường trên thế giới.
Hiện nay, chuẩn quốc gia thể hiện đơn vị nhiệt độ, ví dụ trong dải nhiệt độ từ 00C
đến 4200C với độ không đảm bảo đo trong dải trên không vượt quá 3.10-3 0C (3mK)
bao gồm ba điểm chuẩn nhiệt độ và tổ hợp thiết bị chuẩn kèm theo:
- Các điểm chuẩn:
● Điểm ba của nước tinh khiết: + 0,01 0C.
● Điểm đông đặc của thiếc tinh khiết: + 231,928 0C.
● Điểm đông đặc của kẽm tinh khiết: + 419,527 0C.
- Nhiệt kế điện trở Platin chuẩn (SPRT).
- Hệ thống cầu đo điện trở.
- Điện trở chuẩn (Air Standard Resistor) 25  ; 100 .
1.3.3. Sơ đồ liên kết

a. Sơ đồ liên kết:
Sơ đồ liên kết chuẩn về nhiệt độ tổng thể được thể hiện trên Hình 1.1, trên sơ đồ mô

tả phương pháp dẫn xuất đơn vị nhiệt độ từ chuẩn quốc gia xuống các chuẩn có độ chính
xác thấp hơn và tương ứng với các phương tiện đo đang được sử dụng rộng rãi trong
công nghiệp và đời sống.

8


Chức
Độ
năng
chính
sử
xác
dụng

Sơ đồ liên kết chuẩn

Chuẩn quốc gia

Thang nhiệt độ quốc tế
ITS - 90

Chuẩn
đầu

Chuẩn cơng tác

Chuẩn
thứ

Bậc 1

Bậc 2

Điểm
Ba
của
nước

Điểm
Ba
của
Hg
0,5
mK

0,5
mK

Điểm
đơng
đặc In
1 mK

Điểm
nóng
chảy
Ga
0,5
mK

Phương tiện
đo

HT SPRT
(4201000) 0C
10 mK

HT SPRT
(420  1000 ) 0C
(30 - 50) mK

Nhiệt kế thuỷ tinh
(-40450)
0
C,(0,030,5) K

Điểm
đông
đặc
Zn
2 mK

Điểm
đông
đặc
Al
5 mK

1 mK

Nhiệt kế điện trở chuẩn
Platin SPRT (-40420)
0
C 2 mK

SPRT
(-40  420) 0C
(2  10) mK

Điểm
đông
đặc
Sn

Nhiệt kế thuỷ tinh
(-30  450 ) 0C
(10 - 200) mK

Nhiệt kế điện trở IPRT
( -40 - 450) 0C,
(0,01 - 0,03 ) K

Cặp chuẩn Type S
(0 1100) 0C
(0,10,3) K

Cặp chuẩn (type S)
(01100)0C
1K

Cặp nhiệt (type
S;R;B) (01100) 0C
2K

Phương tiện đo nhiệt các loại
Hình 1.1. Sơ đồ liên kết chuẩn [4]

b. Mơ tả chuẩn liên kết

9

Điểm
đông
đặc
Ag
8
mK


Tên chuẩn

Phương tiện thể hiện và các đặc trưng cơ bản

Lĩnh vực áp dụng

Thang nhiệt độ quốc tế ( ITS – 90 )

+ Thang nhiệt độ quốc tế ITS - 90, bao gồm 17
điểm chuẩn nhiệt độ, từ điểm áp suất hơi của khí

Heli (- 270,15 0C) đến điểm đơng đặc của đồng
(+1084,62 0C), cùng với các điểm chuẩn là hệ thống
các dụng cụ nội suy chuẩn và thiết bị kèm theo, các
phương trình nội suy xác định, thang nhiệt độ được
chia thành các dải nhỏ khác nhau, mỗi dải tương ứng Hiệu chuẩn SPRT và
với một số điểm chuẩn và thiết bị nội suy chuẩn...
cặp chuẩn S tại các
+ Coi là chuẩn quy ước được quốc tế thừa nhận điểm nhiệt độ chuẩn.
rộng rãi, thay cho thang nhiệt độ nhiệt động lực lí
tưởng.
+ Tuỳ thuộc vào trình độ mỗi quốc gia, tái tạo lại
một hệ thống các điểm chuẩn và thiết bị chuẩn đi
kèm theo thang ITS - 90 để công bố khả năng sao
truyền và dẫn xuất chuẩn ở mỗi dải nhiệt độ.

Chuẩn đầu

Chuẩn quốc gia

+ Ví dụ trong dải nhiệt độ từ -40 0C  962 0C, ITS 90 quy định phải có 8 điểm chuẩn nhiệt độ: Hg, H20,
Ga, In,Sn, Zn, Al và Ag cùng các thiết bị chuẩn kèm
theo:
-

SPRT, HT SPRT
Các lò tái tạo điểm chuẩn
Cầu đo và điện trở chuẩn ngoài
Các thiết bị phụ trợ…

Hiệu chuẩn SPRT

HT SPRT và cặp
chuẩn S dùng làm
(xem chi tiết phần mô tả chuẩn)
chuẩn thứ theo
+ Theo tổ hợp thiết bị chuẩn của phịng thí nghiệm phương pháp điểm
tại mỗi điểm chuẩn đều có SPRT theo dõi trạng thái chuẩn
3 pha hoặc đông đặc (gọi là Monitoring SPRT).

Phương tiện thể hiện và các đặc trưng cơ bản
+ Nhiệt kế điện trở Platin chuẩn (SPRT, HT SPRT)
được hiệu chuẩn tại các điểm chuẩn nhiệt độ và
dùng phương trình nội suy để tính tốn các hệ số a,
b và bảng hiệu chuẩn của SPRT.

Chuẩn đầu

Tên chuẩn

Chuẩn quốc
gia

+ Khả năng tái tạo lại các điểm chuẩn và đo với độ
không đảm bảo nhất định.

10

Lĩnh vực áp dụng


Chuẩn thứ

Chuẩn bậc I

Hiệu chuẩn các
loại nhiệt kế điện trở
tinh được hiệu chuẩn trong các bình điều nhiệt trong
cơng nghiệp có độ
dải nhiệt độ làm việc theo phương pháp so sánh trực chính xác cao, các
cặp nhiệt và nhiệt kế
tiếp.
thủy tinh dùng làm
chuẩn bậc II

Chuẩn bậc II

+ Nhiệt kế điện trở Platin chuẩn (SPRT, HT SPRT) Hiệu chuẩn SPRT,
và cặp chuẩn S được hiệu chuẩn tại các điểm chuẩn HT SPRT và cặp
nhiệt độ và dùng phương trình nội suy để tính tốn chuẩn S trong dải
hiệu chuẩn và nhiệt
các hệ số a, b và bảng hiệu chuẩn của SPRT.
kế thủy tinh dùng
làm chuẩn bậc I

+ Các loại nhiệt kế điện trở công nghiệp, cặp nhiệt Hiệu chuẩn tất cả
và nhiệt kế thủy tinh độ chính xác cao được hiệu các loại phương tiện
chuẩn trong bình điều nhiệt trong dải từ -30 0C  450 đo nhiệt trong dải
nhiệt độ trên sử dụng
0
C
trong nền kinh tế
quốc dân

Chuẩn chính, chuẩn cơng tác

+ Các SPRT, HT SPRT, cặp chuẩn S và nhiệt kế thủy

Bảng 1.2. Mô tả chuẩn
1.3.4. Nguyên tắc liên kết chuẩn [4]
a. Chuẩn đầu
Chuẩn đầu đơn vị nhiệt độ được thể hiện bằng các điểm chuẩn nhiệt độ. Từ các điểm
chuẩn này, sử dụng nhiệt kế điện trở Platin chuẩn (SPRT) đo trực tiếp, từ đó áp dụng
phương trình nội suy chuẩn đưa ra quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở hoặc nhiệt độ và
hàm tỉ số
W (t ) 

R(t )
Rtpw

(1.5)

Với R(t): là giá trị điện trở của SPRT tại nhiệt độ t 0C
RtpW: là giá trị điện trở của SPRT tại điểm ba của nước
b. Chuẩn thứ
Chuẩn thứ đơn vị nhiệt độ là nhiệt kế điện trở Platin chuẩn có độ chính xác rất cao,
đã được hiệu chuẩn tại các điểm chuẩn, được sử dụng như chuẩn sao từ các điểm chuẩn
nhiệt độ (chuẩn đầu quốc gia và quốc tế) và dùng làm chuẩn để truyền xuống các bậc
thấp hơn.
11


c. Chuẩn bậc I

Là các SPRT và nhiệt kế thủy tinh chuẩn được sao truyền từ chuẩn thứ theo phương
pháp so sánh trực tiếp trong các bình điều nhiệt trong dải đo tương ứng.
d. Chuẩn bậc II
Là các loại nhiệt kế điện trở có độ chính xác cao và nhiệt kế thủy tinh dùng làm
chuẩn được sao truyền từ chuẩn bậc I theo phương pháp so sánh trực tiếp trong các bình
điều nhiệt trong dải đo tương ứng.
e. Phương tiện đo (PTĐ)
Tất cả các PTĐ nhiệt các loại đang được sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế
quốc dân thuộc dải đo trên, tuỳ thuộc vào cấp chính xác của mỗi loại mà có thể sao
truyền dẫn xuất từ chuẩn bậc I hoặc chuẩn bậc II xuống.
f. Quan hệ về độ khơng đảm bảo đo/sai số
Trong q trình dẫn xuất đơn vị nhiệt độ từ chuẩn đầu xuống đến PTĐ công tác,
tương quan giữa độ không đảm bảo/ sai số của chuẩn bậc cao so với bậc thấp hơn cho
đến các PTĐ cần hiệu chuẩn, giữa hai bậc truyền liên tiếp không thấp hơn tương quan
1/3.
1.4.

Kết luận chương 1

Qua việc tìm hiểu tổng quan về hệ thống chuẩn nhiệt độ và hệ thống liên kết chuẩn,
giúp ta hiểu rõ hơn các khái niệm về chuẩn và phân biệt các cấp độ của chuẩn nhiệt độ.
Từ đó ta có thể áp dụng từng chuẩn vào từng lĩnh vực cụ thể.
Chương 2 sẽ trình bày thiết bị nguồn chuẩn Fluke 9011 hiện đang sử dụng ở trường
Cao Đẳng Dầu Khí dùng để hiệu chuẩn các thiết bị đo lường.

12


Chương 2: THIẾT BỊ NGUỒN NHIỆT CHUẨN FLUKE 9011
2.1.

Giới thiệu chung

Hình 2.1. Lị nhiệt chuẩn Fluke 9011 [6]
Fulke 9011 có hai khối để điều khiển nhiệt độ độc lập, làm cho việc hiệu chuẩn
các thiết bị RTD và cặp nhiệt điện nhanh hơn bao giờ hết, có thể chuyển đổi hiện thị
giữa 0C và 0F Trong khi đọc giá trị đo của một điểm nhiệt độ, khối khác có thể được
tăng lên hoặc xuống đến điểm tiếp theo. Các khối lạnh thậm chí có thể được sử dụng
như một tham chiếu điểm không cho một phép đo nhiệt độ tại khối nóng.
Fluke 9011 có độ chính xác cao, có khả năng hiệu chỉnh tại phịng thí nghiệm
cũng như ngồi hiện trường. Độ ổn định đến ± 0.02 °C, do đó đối chiếu với sơ đồ liên
kết chuẩn ở chương 1 (hình 1.2), Fluke 9011 là chuẩn bậc II. Fluke 9011 sử dụng nhiều
lỗ có thể thay thế được, có thể hiệu chỉnh nhiều đầu dò cùng một lúc. Fluke 9011 có thể
lưu tới 8 điểm thiết lập, có thể giao tiếp với máy tính qua giao thức RS232.
Thơng số kỹ thuật của Fulke 9011:
Đặc điểm

Khối nóng

Khối lạnh

Dải đo

50 0C đến 670 0C (122 0F đến -30 0C đến 140 0C (-22 0F đến
1238 0F)

284 0F)

Độ chính xác

± 0.2 0C tại 50 0C
± 0.4 0C tại 400 0C
± 0.65 0C tại 600 0C

± 0.25 0C (giếng gắn vào)
± 0.65 0C (giếng cố định)

Độ ổn định

± 0.02 0C tại 100 0C
± 0.06 0C tại 600 0C

± 0.02 0C tại -30 0C
± 0.04 0C tại 140 0C

Độ đồng đều

± 0.2 0C

± 0.25 0C

13