เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple)
เทอร์โมคัปเปิล คือ อุปกรณ์วัดอุณหภูมิโดยใช้หลักการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือความร้อนเป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้า เทอร์โมคัปเปิลทำมาจากโลหะตัวนำที่ต่างชนิดกัน 2 ตัว นำมาเชื่อมต่อปลายทั้งสองเข้าด้วยกันที่ปลายด้านหนึ่ง เรียกว่าจุดวัดอุณหภูมิส่วนปลายอีกด้านหนึ่งปล่อยเปิดไว้ เรียกว่าจุดอ้างอิงหากจุดวัดอุณหภูมิ และจุดอ้างอิงมีอุณหภูมิต่างกันก็จะทำให้มีการนำกระแสในวงจรเทอร์โมคัปเปิลทั้งสองข้าง โดยเรียกอุณหภูมิคงที่ที่ใช้อ้างอิงนี้ว่า Reference Junction และได้มีการกำหนด Reference Junction ให้เป็น 0 °C
หลักการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล Reference Junction
หลักการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล คือ อาศัยความแตกต่างของอุณหภูมิในการสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าขึ้น การที่แรงเคลื่อนไฟฟ้าค่าหนึ่งจะอ้างอิงเป็นอุณหภูมิค่าหนึ่งได้ แสดงว่าความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นนั้นจะต้องอ้างอิงกับอุณหภูมิค่าคงที่ค่าหนึ่งเสมอ โดยเรียกอุณหภูมิคงที่ที่ใช้อ้างอิงนี้ว่า Reference Junction และได้มีการกำหนด Reference Junction ให้เป็น 0 °C เพื่อให้การวัดอุณหภูมิเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เป็นมาตรฐานเดียวกัน และกำหนดเป็นตารางมาตรฐานแสดงค่าอุณหภูมิเทียบกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่วัดได้ แต่โดยทั่วไป เทอร์โมคัปเปิลจะทำการวัดที่อุณหภูมิห้อง (เช่น 25°C) นั่นคือไม่ได้เทียบกับ 0 °C แสดงว่าค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ได้ยังไม่ถูกต้อง หากนำไปอ่านค่าอุณหภูมิจากตารางมาตรฐานจะผิดพลาด จึงจำเป็นต้องมีการรักษา Reference Junction เพื่อให้การวัดอุณหภูมิเทียบกับ 0 °C ตลอดเวลา การรักษา Reference Junction ด้วยน้ำแข็งบริสุทธิ์
นำจุดต่อจุ่มลงในน้ำแข็งก่อนนำเข้าอุปกรณ์อ่านค่าอุณหภูมิ เพื่อให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ได้ เกิดจากการวัดอุณหภูมิเทียบกับ 0 °C จริงๆ แต่วิธีนี้เหมาะสำหรับการทดลองในห้องปฏิบัติการ ควรถ่ายน้ำออกเป็นระยะๆ และเติมน้ำแข็งไปด้วย ไม่สามารถใช้ในงานอุตสาหกรรมได้เนื่องจากการวัดอุณหภูมิในอุตสาหกรรม เป็นการวัดที่ต่อเนื่องตลอดเวลา และวิธีนี้ไม่สามารถทำให้มั่นใจได้ว่าอุณหภูมิ ณ จุดต่อ เป็น 0 °C จริงๆ ได้ตลอด
การรักษา Reference Junction ด้วยวงจรไฟฟ้าแบบ Bridge
วิธีนี้ใช้ความต้านทานที่เปลี่ยนค่าตามอุณหภูมิ (Temperature Sensitive Resistor) Rt เช่น RTD หรือ Thermistor ต่อไว้ในวงจร Bridge เป็นตัวชดเชยอุณหภูมิห้องที่เปลี่ยนไป ค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่อุปกรณ์อ่านค่าอุณหภูมิได้รับจะมาจาก 2 ส่วนรวมกัน คือ แรงเคลื่อนไฟฟ้าจากเทอร์โมคัปเปิล ที่เกิดจากผลต่างอุณหภูมิระหว่างอุณหภูมิที่จะวัดกับอุณหภูมิห้อง และแรงเคลื่อนไฟฟ้าชดเชยอุณหภูมิห้องจาก Rt ซึ่งเสมือนกับเป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดจากผลต่างอุณหภูมิระหว่างอุณหภูมิห้องกับ 0 °C นั่นคือ แรงเคลื่อนไฟฟ้ารวม จะมีค่าเท่ากับอุณหภูมิที่จะวัดเทียบกับ 0 °C นั่นเอง
หมายเหตุ : วงจรไฟฟ้าแบบ Bridge ดังกล่าวจะมีอยู่ในเครื่องวัดอุณหภูมิที่รับเทอร์โมคัปเปิลได้ทุกยี่ห้ออยู่แล้ว ผู้ใช้งานสามารถต่อเทอร์โมคัปเปิลเข้ากับขั้วต่อสายได้เลย
การเชื่อมหัวเทอร์โมคัปเปิล
มีความสำคัญมาก ต้องเชื่อมให้ถูกต้องตามหลักการ เพื่อให้ได้การวัดที่แม่นยำและมีอายุการใช้งานยาวนาน การเชื่อมหัวเทอร์โมคัปเปิลมีการแบ่งตามขนาดของลวด ดังนี้
- ลวดโตที่มีขนาดพื้นที่หน้าตัดตั้งแต่ประมาณ 2 Sq. mm. ขึ้นไป ใช้เครื่องเชื่อมแบบใช้มือธรรมดา โดยมีก๊าซอาร์กอนซึ่งเป็นก๊าซเฉื่อยไม่ทำปฏิกิริยาเคมีกับสารใดฉีดปกคลุมบริเวณเชื่อมเพื่อไม่ให้เกิด Oxide ขึ้นตรงรอยต่อของลวด เรียกว่า การเชื่อมแบบ Butt ซึ่งง่ายกว่าการเชื่อมลวดขนาดเล็ก
- ลวดที่มีขนาดพื้นที่หน้าตัดเล็กกว่า 2 Sq. mm. การเชื่อมด้วยมือจะมี Human Error (ความผิดพลาดจากคนทำ) ได้มาก เพราะขึ้นอยู่กับทักษะ และ สมาธิ ซึ่งต้องผ่านการฝึกฝนมาอย่างดี จึงควรใช้เครื่องจักรอัตโนมัติเชื่อม เพื่อให้เกิดรอยต่อสนิท,สามาตร และ ไม่มีค่าความผิดพลาดเกิดขึ้นได้ การเชื่อมลวดขนาดเล็ก เรียกว่า การเชื่อมแบบ Bead Welding ซึ่งเครื่องจักรอัตโนมัติจะเชื่อมให้เกิดรอยต่อที่เป็นลูกบอลครึ่งลูก 2 ชิ้นเชื่อมต่อกันสนิทตลอดรอยต่อดังรูปข้างล่าง
การประกอบหัวเทอร์โมคัปเปิลเข้ากับท่อ หรือ Metal Sheath มี 3 ลักษณะ คือ
- แบบเปลือย Exposed Junction ให้ผลการวัดที่ไวที่สุด (Minimum Response Time) จุดต่อสำหรับวัดสัมผัสกับของเหลว (Fluid) ที่ต้องการวัดโดยตรงผลเสียของแบบเปลือย คือ ชำรุดเสียหายง่ายและอายุการใช้งานสั้น ไม่เหมาะสำหรับงานความดันสูงหรือ Fluid ที่มีการกลั่นตัว
- แบบ Grounded Junction สายทั้งคู่ของเทอร์โมคัปเปิลที่เชื่อมติดกัน จะถูกเชื่อมต่อลงบนส่วนปลายท่อโลหะของ Metal Sheath อีกทีหนึ่ง สามารถใช้ได้กับ Fluid ที่เป็นสารกัดกร่อน ให้ผลการตอบสนองต่ออุณหภูมิไวกว่าแบบ Ungrounded Junction แต่มีข้อเสียคือ ถ้ามีกระแสไฟรั่วจากอุปกรณ์อื่นมาที่ Metal Sheath จะทำให้ค่าวัดอุณหภูมิผิดพลาดได้
- แบบ Ungrounded Junction ใช้ได้กับ Fluid ที่เป็นสารกัดกร่อน มีอายุการใช้งานยืนยาวที่สุด แต่มีข้อเสียคือให้ผลการวัดช้า เหมาะกับงานที่อุณหภูมิไม่ค่อยเปลี่ยนแปลง ในอุตสาหกรรมใช้แบบนี้เกือบทั้งหมด สำหรับ Metal Sheath ที่เป็น Ceramic นั้นมักจะใช้ในกรณีที่อุณหภูมิใช้งานสูง เช่น 800 °C ขึ้นไป หรือในบรรยากาศที่มีการกัดกร่อนสูง
ฉนวนของเทอร์โมคัปเปิล (Insulation)
เป็น ส่วนที่ใช้กั้นระหว่างตัวเทอร์โมคัปเปิล กับ Metal Sheath ส่วนใหญ่จะเป็นสารประเภทแมกนีเซียมออกไซด์, อะลูมิเนียมออกไซด์ หรือ เบอรีลเลียมออกไซด์
เทอร์มอเวล (Thermowell)
เป็น อุปกรณ์เสริม (Accessory) ใช้ป้องกันไม่ให้เทอร์โมคัปเปิล สัมผัสกับสารที่ต้องการวัดอุณหภูมิโดยตรง เช่น สารที่กัดกร่อน มีความดันสูง หรือในบางกรณี ที่ต้องการถอดตัวเทอร์โมคัปเปิลเพื่อซ่อมบำรุงโดยไม่รบกวนการทำงานของระบบจำเป็นตัองใช้ Thermowell เป็นตัวกลางด้วยเช่นกัน
สายต่อเทอร์โมคัปเปิล (Extension Wire)
คือ สายที่ใช้ในการเชื่อมต่อ หรือต่อเพิ่มจากที่ตัวเทอร์โมคัปเปิลมีอยู่แล้ว ในกรณีที่จุดวัดอุณหภูมิและจุดที่ต้องการรับสัญญานจากเทอร์โมคัปเปิลอยู่ห่างกัน มี 2 แบบ คือ แบบที่ทำจากสารประเภทเดียวกับ เทอร์โมคัปเปิล (เช่น Type E, J, K, T) และแบบที่ทำจากโลหะต่างชนิดกับเทอร์โมคัปเปิล (เช่น Type R, S, B) เนื่องจากวัสดุที่ใช้ทำสาย คือ Platinum มีราคาแพง
กฏของวงจรโลหะชนิดเดียว (Law of the Homogeneous Circuit)
ในวงจรที่ประกอบด้วยโลหะชนิดเดียวกัน 2 เส้น ถึงแม้อุณหภูมิที่ปลายจุดต่อทั้ง 2 ข้างจะไม่เท่ากันก็จะไม่เกิดกระแสไฟฟ้าไหล
กฏของโลหะแทรก (Law of Intermediate Matals)
ถ้ามีโลหะแทรกอยู๋ในส่วนหนึ่งส่วนใดของวงจร หากอุณหภูมิของจุดต่อที่ปลายโลหะแทรกทั้งสองเท่ากันแล้ว โลหะแทรกนี้จะไม่มีผลต่อแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้น
กฏของอุณหภูมิแทรก (Law of Intermediate Temperature)
แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นโดยเทอร์โมคัปเปิลหลายชุดต่อกันโดยมีอุณหภูมิที่จุดต่อต่างกันจะมีค่าเท่ากันผลบวกทางพีชคณิตของแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเทอร์โมคัปเปิลเหล่านั้น
อาร์ทีดี RTD SENSOR
อาร์ทีดี คือ หัววัดอุณหภูมิที่ใช้หลักการของค่าความต้านทานที่จะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ที่นิยมใช้มากที่สุด คือ อาร์ทีดีที่ทำจากแพลตินัม (Platinum) ที่มีค่า 100? ที่ 0 °C หรือ Pt100 นั่นเอง อาร์ทีดี (Pt100) จะมีคุณสมบัติดีกว่าเทอร์มอคัปเปิลเกือบทุกด้าน แต่อย่างไรก็ตาม อาร์ทีดี (Pt100) ก็มีราคาสูงกว่าเทอร์มอคัปเปิลพอสมควร
คุณสมบัติของ เทอร์โมคัปเปิลแบบมาตรฐาน (Characteristic of Standard Thermocouples)
- ความไว (Sensitivity) จากตารางแรงเคลื่อนของ NBS แสดงว่าย่านของแรงเคลื่อนจากเทอร์โมคัปเปิลจะมีค่าน้อยกว่า 100 mV แต่ความไวที่แท้จริงในการใช้งานจะขึ้นอยู่กับการใช้วงจรปรับสภาพสัญญาณ และตัวเทอร์โมคัปเปิลเอง
- โครงสร้าง (Construction) โครงสร้างของเทอร์โมคัปเปิลมีลักษณ ดังรูปที่5 โดยต้องมีลักษณะดังนี้คือ มีความต้านทานต่ำ ให้สัมประสิทธิ์อุณหภูมิสูง ต้านทานต่อการเกิดออกไซด์ที่อุณหภูมิสูงๆ ทนต่อสภาวะแวดล้อมที่นำไปใช้วัดค่า และเป็นเชิงเส้นสูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ตัวฝักหรือท่อป้องกันส่วนมากจะทำจากแสตนเลสความไวของเทอร์โมคัปเปิลขึ้นอยู่กับความหนาของท่อป้องกันทั้งเยอรมันเนียมและซิลิคอนจะทำให้คุณสมบัติการเกิดเทอโมอิเล็กทริกจึงใช้กันมากในอุปกรณ์ทำความเย็น (Peltier Element) มากกว่าที่จะใช้เป็นเทอร์โมคัปเปิลวัดอุณหภูมิ ขนาดของสายเทอร์โมคัปเปิลกำหนดได้จากการใช้งานแต่ละอย่าง และมีขนาดจาก #10 ในสภาวะแวดล้อมที่ไม่คงที่ จนถึงขนาด # 30 หรือแม้กระทั่ง 0.02 mm. ซึ่งเป็นสายแบบไมโครไวร์ (Microwire) ที่ใช้กับการวัดอุณหภูมิการกลั่นในงานทางชีววิทยา
- ย่านการใช้งาน (Range) ย่านอุณหภูมิการใช้งาน และความไวในการวัดของเทอร์โมคัปเปิล แต่ละตัวจะแตกต่างกันตามแต่ละสมาคมจะกำหนด ในส่วนที่สำคัญคือค่าแรงเคลื่อนที่ออกมาจากแต่ละอุณหภูมิ จะต้องอ้างอิงกับตารางค่ามาตรฐานของแต่ละสมาคมที่ใช้ให้ถูกต้องเป็นเอกภาพเดียวกันหมดทั้งระบบ
- เวลาตอบสนอง (Time Response) เวลาตอบสนองของเทอร์โมคัปเปิลขึ้นอยู่กับขนาดของสาย และวัสดุที่นำมาทำท่อป้องกันตัวเทอร์โมคัปเปิล
- การปรับสภาพสัญญาณ (Signal Conditioning) ปกติแรงเคลื่อนของเทอร์โมคัปเปิลจะมีขนาดน้อยมากจึงจำเป็นต้องมีการขยายสัญญาณโดยใช้ออปแอมป์ขยายความแตกต่างที่มีอัตราขยายสูงๆ
เทอร์โมคัปเปิลแบบมาตรฐาน
เทอร์โมคัปเปิลมีหลาย Type ให้เลือก แล้วแต่ย่านอุณหภูมิ และลักษณะการใช้งาน โดยความแตกต่างของแต่ละ Type นี้เกิดจากการเลือกใช้คู่ของวัสดุ (Element) ของโลหะที่จะนำมาเชื่อมเข้าด้วยกันให้แตกต่างกัน เพราะโลหะแต่ละชนิดย่อมมีคุณสมบัติพิเศษเฉพาะตัวของมันอยู่แล้ว เมื่อโลหะชนิดต่าง ๆ กันมาจับคู่เชื่อมเข้าด้วยกัน จะทำให้คุณสมบัติของเทอร์โมคัปเปิล ที่ได้แตกต่างกันไป นอกจากนี้ ได้มีการทดลองผสมโลหะต่างชนิดเข้าด้วยกัน เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติของโลหะเดิมให้ดีขึ้น หรือเพื่อใช้แทนโลหะบางชนิดที่ใช้ทำอยู่เดิม เช่น แพลทินัม เนื่องจากราคาสูง ตัวอย่างโลหะผสมที่เกิดขึ้น เช่น
- โครเมล (Cromel) คือ โลหะผสมของ นิกเกิ้ล 90% และโครเมียม 10%
- อลูเมล (Alumel) คือ โลหะผสมของ นิกเกิ้ล 95% อลูมิเนียม 2% แมงกานิส 2% และซิลิคอน 1%
- คอนสแตนแตน (Constantan) คือ โลหะผสมของ ทองแดง 60% และ นิกเกิ้ล 40% เป็นต้น
การใช้งานเทอร์โมคัปเปิล
ควรเลือกใช้ให้ถูกต้อง และเหมาะสมกับงานนั้น ๆ โดยสิ่งที่ควรพิจารณามีหลายข้อ เช่น ค่าอุณหภูมิสูงสุดที่ใช้งาน, ราคา, ความกัดกร่อนของสารที่เทอร์โมคัปเปิลสัมผัส, ต้องใช้ Thermowell หรือไม่, ลักษณะบรรยากาศที่เป็น Oxidizing, Reducing, Inert หรือ Vacuum เป็นต้น
| Type | ส่วนผสม | ย่านอุณภูมิใช้งาน | แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ได้ mV | |
|---|---|---|---|---|
| °C | °F | |||
| B | แพลทินัม - 30% โรเดียม แพลทินัม - 6% โรเดียม |
0 ถึง 1820 | 32 ถึง 3310 | 0 ถึง 13.814 |
| R | แพลทินัม - 13% โรเดียมแพลทินัม | -50 ถึง 1768 | -60 ถึง 3210 | -02.26 ถึง 21.108 |
| S | แพลทินัม - 10% โรเดียมแพลทินัม | -50 ถึง 1768 | -60 ถึง 3210 | -0.236 ถึง 18.698 |
| J | เหล็ก/คอนสแตนแตน | -210 ถึง 760 | -350 ถึง 1400 | -8.096 ถึง 42.922 |
| K | โครเมล/อะลูเมล | -270 ถึง 1372 | -450 ถึง 2500 | -6.458 ถึง 54.875 |
| T | ทองแดง/คอนสแตนแตน | -270 ถึง 400 | -450 ถึง 750 | -6.258 ถึง 20.869 |
| E | โครเมล/คอนสแตนแตน | -270 ถึง 1000 | -450 ถึง 1830 | -9.835 ถึง 76.358 |
ตารางแสดงสภาวะแวดล้อมในการใช้งานเทอร์โมคัปเปิลแบบมาตรฐานโดยไม่ต้องใช้ Thermowell
| ความเหมาะสมในการใช้งาน | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tc Type | บรรยากาศ Oxidizing | บรรยากาศ Reducing | บรรยากาศ Inert | Vacuum | บรรยากาศ Sulferous | อุณหภูมิ 0 °C | มีไอของโลหะ |
| B | ได้ | ไม่ได้ | ได้ | ได้ในช่วงสั้นๆ | ไม่ได้ | ไม่ได้ | ไม่ได้ |
| R | ได้ | ไม่ได้ | ได้ | ไม่ได้ | ไม่ได้ | ไม่ได้ | ไม่ได้ |
| S | ได้ | ไม่ได้ | ได้ | ไม่ได้ | ไม่ได้ | ไม่ได้ | ไม่ได้ |
| J | ได้ | ได้ | ได้ | ได้ | ไม่ได้ถ้า> 500๐C | ไม่ได้ | ได้ |
| K | ได้ | ไม่ได้ | ได้ | ไม่ได้ | ไม่ได้ | ได้ | ได้ |
| T# | ได้ | ไม่ได้ | ได้ | ได้ | ไม่ได้ | ได้ | ได้ |
| E | ได้ | ไม่ได้ | ได้ | ไม่ได้ | ไม่ได้ | ได้ | ได้ |
*ใช้งานได้ดีกว่าแบบ E,J และ T เมื่ออุณหภูมิ > 550 °C # โดยเฉพาะกับอุณหภูมิ < 0 °C
- Oxidizing : กระบวนการทางเคมีที่ดึงออกซิเจนจากภายนอกเข้าไปทำปฏิกิริยากับสารนั้น
- Reducing : กระบวนการทางเคมีที่ออกซิเจนถูกดึงออกจากสารนั้นเพื่อไปทำปฏิกิริยากับสารภายนอก
- Vacuum : ค่าความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศจนถึงสภาวะสูญญากาศ
- Inert : สภาวะเฉื่อยที่ไม่เกิดปฏิกิริยาเคมี
