การว ดและการควบค มอ ณหภ ม 2 rtd และเทอร ม สเตอร

เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวป้องกันไม่ให้สิ่งที่ต้องการวัดสัมผัสเครื่องมือวัด (Instrument) โดยตรง โดยมีหน้าที่หลัก 2 ประการ คือเพิ่มความแข็งแรงทนทานให้ตัวเทอร์โมคัปเปิล (thermocouple) หรืออาร์ทีดี (RTD) และป้องกันการเสียหายของตัวเครื่องมือวัดจากสภาวะการใช้งาน เช่นการกัดกร่อนจากสารเคมี หรือการแผ่รังสีจากแหล่งกำเนิดความร้อนของระบบซึ่งเป็นสาเหตุทำให้สารประกอบในตัวเครื่องมือวัดเกิดการเปลี่ยนแปลง

โดยทั่วไปติดตั้งเทอร์โมคัปเปิลและอาร์ทีดีไว้ในเทอร์โมเวลล์เมื่อต้องการใช้งานภายใต้ความดันสูง (สูงกว่า 3 เท่าของความดันบรรยากาศ) เช่น การวัดอุณหภูมิของไอน้ำความดันสูงภายในท่อ หรือในหม้อไอน้ำ (boiler) หรือในหม้อฆ่าเชื้อ (retort) เป็นต้น

วัสดุที่ใช้ทำเทอร์โมเวลล์มีหลายชนิดได้แก่เซรามิกเหมาะสำหรับการใช้งานในสภาวะอุณหภูมิสูงและในงานที่มีสภาพการกัดกร่อนส่วนสแตนเลสเป็นวัสดุที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรมอาหารเนื่องจากมีข้อดีหลายประการได้แก่ใช้ในสภาวะแวดล้อมที่กัดกร่อนได้ใช้ในงานที่มีอุณหภูมิสูงและเย็นจัดได้มีความแข็งแรงสูงเมื่อเทียบกับมวลและเหมาะสำหรับงานที่ต้องการความสะอาดสูง เช่น ในกระบวนการฆ่าเชื้อเนื่องจากไม่ปนเปื้อนและไม่ทำปฏิกิริยา

รูปเทอร์โมเวลล์ (Thermo well)

1. เทมเปอร์เรเจอร์ ทรานสมิตเตอร์ (Temperature Transmitter)

เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่แปลงสัญญาณทางไฟฟ้าทางด้านเอาต์พุตที่ได้จากทรานสดิวเซอร์ให้เป็นสัญญาณมาตรฐาน แบ่งออกเป็น 2 ประเภทได้แก่สัญญาณนิวแมติกส์และสัญญาณทางไฟฟ้า

• สัญญาณนิวแมติกส์ (pneumatics signal) เป็นสัญญาณมาตรฐานที่อยู่ในรูปของความดันลมใช้ความดันของลมในการควบคุมกระบวนการ ตัวอย่างสัญญาณมาตรฐานชนิดนิวแมติกส์ได้แก่ 3-15 psi (BS) 0.2-1 bar (SI) และ 0.2-1 kg/cm2 (Metric)
• สัญญาณทางไฟฟ้า (electrical signal) เป็นสัญญาณมาตรฐานที่อยู่ในรูปของแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า แบ่งออกเป็น 2 ลักษณะ ได้แก่ แรงดันไฟฟ้า 1-5 V กระแสไฟฟ้า 4-20 mA และ แรงดันไฟฟ้า 0-10 V กระแสไฟฟ้า 0-100 mAในทางปฏิบัตินิยมออกแบบทรานสมิตเตอร์หรือตัวแปลงสัญญาณให้เป็นส่วนประกอบพื้นฐานของเครื่องมือวัด (instrument)

  รูปทรานสมิตเตอร์ (Transmitter)

  1. เครื่องควบคุมอุณภูมิและเครื่องบันทึกอุณหภูมิ (temperature controller and temperature data logger thermocouple)

เครื่องควบคุมอุณหภูมิเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุมอุณหภูมิให้ได้ตามค่าอุณหภูมิที่กำหนดไว้โดยจะนำมาใช้ในการสั่งการให้กับอุปกรณ์สำหรับทำความร้อนหรืออุปกรณ์ทำความเย็น ทำงาน ตามที่ได้ตั้งค่าอุณหภูมิไว้การนำมาใช้งานและการควบคุมก็ขึ้นอยู่กับจุดประสงค์ของการใช้งานเครื่องวัดอุณหภูมิก็จะมีส่วนที่รับอุณหภูมิ (input) จากหัววัดอุณหภูมิหรือที่เรียกกันว่าเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิแล้วมาแสดงผลที่หน้าจอ Display พร้อมกับควบคุมอุณหภูมิให้ได้ตามค่าที่ได้กำหนดไว้หากอุณหภูมิไม่ได้ตามที่กำหนดไว้ก็จะมีในส่วนของการสั่งงาน (output) สั่งงานให้อุปกรณ์สำหรับทำความร้อนหรืออุปกรณ์ทำความเย็นทำงานให้ได้ตามค่าที่กำหนดไว้

รูป เครื่องควบคุมอุณภูมิ (temperature controller)

1. เทอร์โมสแตท (Thermostat)

ตัวควบคุมอุณหภูมิขอบระบบการทำความเย็นและการปรับอากาศ เราเรียกกันทั่ว ๆ ไปว่า เทอร์โมสตัท (Thermostat) เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงจะทำให้มีคามดันในตัวกระเปาะ (Thermobulb) ไปดันให้คอนแทคไฟฟ้าเปิด/ปิด ตัวควบคุมอุณหภูมินี้เราแบ่งตามหลักการทำงานออกเป็นชนิดโลหะสองชนิดกับชนิดความดันไอ (Vapor Pressure Type) นอกจากชนิดดังกล่าวแล้วยังมีชนิดที่ทำงานด้วยความต้านทานทางไฟฟ้า (Electric Resistance Type) โดยใช้ตัต้านทาน (Rrsitor) เช่นเทอร์มิสเตอร์ (Thermistor) และตัวความต้านทานแบบแพลทินัม (Platinum Resistor Elemeht) เป็นตัววัดอุณหภูมิภายนอก โดยอาศัยหลักของการเปลี่ยนแปลงค่าของความต้านทานและชนิดเทอร์ดมคัปเปิล (Thermocuple) ซึ่งเมื่ออุณหภูมิที่ขั้วเปลี่ยนแปลงจะทำให้มีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเกิดขึ้น

รูปเทอร์โมสแตท (Thermostat)

1. เทอร์โมมิเตอร์ (Thermometer)

เทอร์มอมิเตอร์ (Thermometer) คือเครื่องมือสำหรับวัดระดับความร้อน เมื่อได้รับความร้อนและหดตัวเมื่อคายความร้อนของเหลวที่ใช้บรรจุในกระเปาะแก้วของเทอร์มอมิเตอร์ คือปรอทหรือแอลกอฮอล์ที่ผสมกับสีแดงเมื่อแอลกอฮอล์หรือปรอทได้รับความร้อน จะขยายตัวขึ้นไปตามหลอดแก้วเล็กๆเหนือกระเปาะแก้ว และจะหดตัวลงไปอยู่ในกระเปาะตามเดิมถ้าอุณหภูมิลดลง

สาเหตุที่ใช้แอลกอฮอล์หรือปรอทบรรจุลงในเทอร์มอมิเตอร์เพราะของเหลวทั้งสองนี้ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และไม่เกาะผิวของหลอดแก้วแต่ถ้าเป็นของเหลวชนิดอื่น เช่นน้ำจะเกาะผิวหลอดแก้ว เมื่อขยายตัวหรือหดตัวจะติดค้างอยู่ในหลอดแก้วไม่ยอมกลับมาที่กระเปาะ

รูปเทอร์มอมิเตอร์ (Thermometer)

เทอร์โมคัปเปิล และ pt100 (Thermocouple and pt100)

1. เทอร์โมคัปเปิล(Thermocouple) คือะไร? เอาไว้ใช้ทำอะไร?

เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) คืออุปกรณ์ใช้วัดอุณหภูมิโดยต้องมีตัวแปลงความต่างศักย์ไฟฟ้า () เป็นค่าอุณหภูมิ c อีกที ตัวแปลนี้มักจะเป็น เครื่องควบคุมอุณหภูมิเป็นต้น

เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) มักจะใช้งานร่วมกับฮีตเตอร์ โดยเครื่องควบคุมอุณหภูมิเป็นตัวกลาง

1. ประวัติและหลักการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) เป็นอย่างไร?

นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ชื่อthomas Johann Seebeck ค้นพบว่านำลวดโลหะ 2 ชนิด ต่างชนิดกัน เมื่อปลายลวดโลหะหรือโลหะผสม 2 ชิ้นที่ไม่เหมือนกันเชื่อมติดกัน ถ้าอุณหภูมิที่ปลายลวดด้านที่เชื่อมกัน แตกต่างกับปลายลวดด้านที่เหลือ จะเกิดความต่างศักดิ์ ดังรูปด้านใต้

จะมีความต่างศักย์ (millivolt) เกิดระหว่างลวดปลายที่ว่างทั้ง 2 เส้น เสมอและถ้าเปลวไฟมีอุณหภูมิเท่าเดิม มาทดลองใหม่ค่า (millivolt) จะยังคงเดิมเสมอ เรียกปรากฎการณ์นี้ว่า Seebeck Effect ตามชื่อผู้ค้นพบ

นำ (Seebeck Effect)มาใช้ ทำหัววัดอุณหภูมิ เรียกว่า เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) ได้ ซึ่งโลหะต่างชนิดแต่ละคุ่จะให้ค่า (millivolt) เท่าเดิมที่อุณหภูมิเดิม จึงสามารถเรียกใช้ค่าขอลวดโลหะต่างชนิดกันมาใช้วัดในช่วงอุณหภูมิต่างๆกัน จึง เกิดเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) type K, J, R, S, T, E, N, ฯลฯ

1. เทอร์โมคัปเปิลมีกี่ชนิด? อะไรบ้าง? (Type of Thermocouple)

เทอร์โมคัปเปิล (TC หรือ Thermocouple) มีหลายชนิด แต่ละชนิดทำจากลวดโลหะคนละประเภท ต่างกันจึงมีช่วงวัดอุณหภูมิที่แตกต่างกันด้วย ดังในตารางแสดงค่าความต่างศักดิ์ของเทอร์โมคัปเปิลชนิดต่างๆ ดังต่อไปนี้

ตารางแสดงชนิดของโลหะ มาตรฐาน ช่วงอุณหภูมิ และค่าความคลาดเคลื่อนของเทอร์-โมคัปเปิลแบบต่างๆ

ชนิดชนิดลวดเทอร์โมคัปเปิลค่าความผิดพลาดตามมาตราฐานของclassช่วงวัดอุณหภูมิค่าความผิดพลาด K NiCr - NiAI (NiCr - Ni) นิกเกิลโครเมียม - นิกเกิลอลูมิเนียม (นิกเกิลโครเนียม-นิกเกิล)

NiCrSi - NiSi นิกเกิลโครเมียมซิลิกอน-นิกเกิล ซิลิกอน

IEC 60584 Part 2 1 -40 ... + 1000 °c ± 1.5 °c 2 -40 ... + 1200 °c ± 2.5 °c N ASTM E230 Special 0 ... + 1260 °c ± 1.1 °c Standard 0 ... + 1260 °c ± 2.2 °c J Fe - CuNi ไอรอน - คอปเปอร์นิกเกิล IEC 60584 Part 2 1 -40 ... + 750 °c ± 1.5 °c 2 -40 ... + 750 °c ± 2.5 °c ASTM E230 Special -40 ... + 760 °c ± 1.1 °c Standard -40 ... + 760 °c ± 2.2 °c E NiCr - CuNi นิกเกิลโครเมียม - คอปเปอร์นิกเกิล IEC 60584 Part 2 1 -40 ... + 800 °c ± 1.5 °c 2 -40 ... + 900 °c ± 2.5 °c ASTM E230 Special -40 ... + 870 °c ± 1.0 °c Standard -40 ... + 870 °c ± 1.7 °c T Cu - CuNi คอปเปอร์ - คอปเปอร์นิกเกิล IEC 60584 Part 2 1 -40 ... + 350 °c ± 0.5 °c 2 -40 ... + 350 °c ± 1.0 °c 3 -200 ...+ 40 °c ± 1.0 °c ASTM E230 Special 0 ...+ 370 °c ± 0.5 °c Standard -200 .... 0 °c ± 1.0 °c Standard 0 ...+ 370 °c ± 1.0 °c R Pt13% Rh - Pt แพลทินัม 13% โรเดียม - แพลทินัม Pt10% Rh - Pt แพลทินัม 10% โรเดียม - แพลทินัม IEC 60584 Part 2 1 0 ... + 1600 °c ± 1.0 °c 2 0 ... + 1600 °c ± 1.5 °c S ASTM E230 Special 0 ... + 1480 °c ± 0.6 °c Standard 0 ... + 1480 °c ± 1.5 °c B Pt30% Rh - Pt6% Rh แพลทินัม 30%โรเดียม - แพลทินัม 6%โรเดียม IEC 60584 Part 2 2 600 ... +1700 °c ± 0.0025 • |t| 3 600 ... +1700 °c ± 4.0 °c ASTM E230 Special - - Standard 870 ... +1700 °c ± 0.5 %

** หมายเหตุ

1. มาตรฐาน ASTM E230 จะแบ่ง Class โดยการเรียกว่า Class Special กับ Class Standard
2. มาตรฐาน IEC 60584 part 2 แบ่งเป็น Class 1 และ Class 2 ซึ่งเป็นมาตรฐานที่นิยมใช้กันมาก
3. เทอร์โมคัปเปิลที่ใช้ในอุตสาหกรรมทั่วไปเป็น Class 2 หรือ Class Standard
   1. หัววัดเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) รูปร่างเป็นอย่างไร?

มีรูปร่างมากมาย เพื่อความเหมาะสมกับสถานที่ติดตั้ง

1. โครงสร้างภายในของเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple)

โครงสร้างของเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) ประกอบด้วย

• ท่อป้องกันลวดเทอร์โมคัปเปิล (Protection Tube or Sheath)
  • ท่อสแตนเลส 304 และ สแตนเลส 316 ซึ่งสามารถทนความร้อนได้สูงถึง 850 °c ทนต่อการกัดกร่อนจากตัวกลางซึ่งมีแรงดันได้ดี เช่น ไอน้ำ และเชื้อเพลิงเหลวจากกลุ่มสารเคมี
  • ท่ออินโดเนลเหมาะสำหรับใช้อุณหภูมิสูงๆ เกิน 600 °c-1100°c
  • ท่อเซรามิก เหมาะสำหรับใช้อุณหภูมิสูงๆ
• เซลามิกสำหรับสอดลวดเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple)
• ลวดเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple wire)
• หัวต่อสายเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple Terminal)
• สายต่อลวดเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple extension wire)
  1. คลาสเทอร์โมคัปเปิล (Class of Thermocouple) มีกี่คลาส?

เทอร์โมคัปเปิลมี 2 Class ตามมาตรฐาน IEC 60584 นั่นคือ

• Class 1 มีค่าความคลาดเคลื่อนต่ำกว่า
• Class 2 มีค่าความคลาดเคลื่อนสูงกว่า
  1. ทำไมถึงต้องสอบเทียบค่าความผิดพลาดของ เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple Calibration)

ไม่มีตัววัดใดที่มีค่าเที่ยงตรงตลอดอายุการใช้งาน จึงต้องมีการสอบเทียบโดยจะตรวจดูค่าวัดที่ผิดพลาดจากค่ามาตรฐาน ตรวจค่าความไม่แน่นอน (Uncertainty) ตรวจค่าความผิดพลาดโดยการตรวจซ้ำหลายๆครั้ง (Repeatirity)

RTD (Resistance Temperature Detectors)

1. RTD Pt 100 คืออะไร?

RTD ย่อมาจาก Resistance Temperature Detectors ซึ่งคือ เซนเซอร์วัดอุณหภูมิอีกประเภทหนึ่ง ซึ่งให้ค่าการวัดที่ละเอียดและมีความแม่นยำสูงกว่าเทอร์โมคัปเปิลใช้ในการวัดช่วงอุณหภูมิต่ำถึงปานกลาง

Pt 100 คือ หัววัดอุณหภูมิที่ทำมาจาก แพลทินั่ม (Platinum) โดยให้ลวดแพลตินัมที่อุณหภูมิ 0 °C จะมีค่าความต้านทาน 100(โอมห์; Ω)

รูป กราฟ ค่าความต้านทานที่อุณหภูมิต่างๆของ RTDPt 100

1. Pt100 มีกี่ชนิด

Pt 100 มี3 ชนิดคือ

• Pt 100 แบบฟิล์ม (Platinum Thin Film RTD element) ทำจากฟิล์มบางๆ โดยมีเส้นแพลตินั่มบางๆติดบนฟิล์มเป็นรูปขดลวดกลังไปมาดังรูป
• Pt 100 แบบพันรอบแกน (Platinum Wire-Wound RTD element (Glass))
• Pt 100 แบบคอยด์แพลทินั่ม (Platinum Coiled RTD element (Ceramic))
  1. Pt100 มีกี่ Class?

Class ของ RTDPt 100 มีดังนี้

1. ClassAA ความแม่นยำในการวัด ± (0.10+0.0017* |t|)°C
2. ClassA ความแม่นยำในการวัด ± (0.15 +0.0020* |t|)°C
3. ClassB ความแม่นยำในการวัด ± (0.30+0.0050 * |t|)°C
4. ClassC ความแม่นยำในการวัด ± (0.60+0.0100 *|t|)°C

* หมายเหตุ |t| คือ อุณหภูมิใดๆ ที่จะเป็นค่าบวกเสมอ เช่น |-200| จะเท่ากับ 200 °C หรือ|+200| จะเท่ากับ 200°C

นอกจากClassที่กล่าวไปข้างต้นยังมี Class ที่แยกตามมาตรฐานต่างๆ ดังนี้

• ASTM E-1137 Class B = ± .10% @ 0°C (32°F)
• ASTM E-1137 Class A = ± .05% @ 0°C (32°F)
• DIN 43760 Class B = ± .12% @ 0°C (32°F)
• DIN 43760 Class A = ± .06% @ 0°C (32°F)

เทอร์โมคัปเปิล

อุปกรณ์วัดอุณหภูมิโดยใช้หลักการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือความร้อนเป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้า ทำมาจากโลหะตัวนำที่ต่างชนิดกัน 2 ตัว นำมาเชื่อมต่อปลายทั้งสองเข้าด้วยกันที่ปลายด้านหนึ่ง เรียกว่าจุดวัดอุณหภูมิ ส่วนปลายอีกด้านหนึ่งปล่อยเปิดไว้ เรียกว่าจุดอ้างอิง หากจุดวัดอุณหภูมิและจุดอ้างอิงมีอุณหภูมิต่างกันก็จะทำให้มีการนำกระแสในวงจรเทอร์โมคัปเปิลทั้งสองข้าง โดยเรียกอุณหภูมิคงที่ที่ใช้อ้างอิงนี้ว่า Reference Junction และได้มีการกำหนด Reference Junction ให้เป็น 0˚C คือโลหะ 2 ชนิดต่างกันที่นำมาเชื่อมปลายเข้าด้วยกันที่ด้านหนึ่งซึ่งเป็นด้านที่ใช้วัดอุณหภูมิ ส่วนอีกด้านหนึ่งต่อเข้ากับอุปกรณ์ใช้งานเช่น เครื่องควบคุมอุณหภูมิ, เครื่องบันทึกอุณหภูมิ เป็นต้น

เทอร์โมคัปเปิล ถูกแบ่งออกเป็น Type ต่างๆ เป็นชนิดหัววัด เช่น เทอร์โมคัปเปิล type k (Thermocouple Type k), PT100 เป็นต้น ตามการจับคู่ของโลหะที่แตกต่างกัน ทำให้มีคุณสมบัติในการใช้งานเทอร์โมคัปเปิลเลือกใช้ให้ถูกต้อง และเหมาะสมกับงานนั้นๆ โดยสิ่งที่ควรพิจารณามีหลายข้อ เช่น ค่าอุณหภูมิสูงสุดที่ใช้งาน, ราคา, ความกัดกร่อนของสารที่เทอร์โมคัปเปิลสัมผัส ให้เหมาะสมของงานแต่ละประเภท สุพรีมไลนส์ (Supremelines) จำหน่ายเทอร์โมคับเปิล ตามจุดประสงค์การใช้งานที่ต่างกัน โดยแบ่งประเภทของเทอร์โมคัปเปิลตามลักษณะการใช้งานได้ดังต่อไปนี้