เทอร์โมคัปเปิล (THERMOCOUPLE)

2014-09-15 16:24:31 ใน ความรู้เกี่ยวกับเครื่องมือต่างๆ » 0 38267              เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) หรือ หัววัดอุณหภูมิ ซึ่งตัวเทอร์โมคัปเปิลนี้ก็จะมีอยู่หลากหลายชนิด หลากหลายแบบ ซึ่งก็ขึ้นอยู่กับความต้องการนำไปใช้ในลักษณะของการวัดที่แตกต่างต่างกันออกไป


เทอร์โมคัปเปิ้ลเเบบมาตรฐาน

            เทอร์โมคัปเปิ้ลมีหลาย 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) คือโลหะผสมของ นิกเกิ้ล 90% และ โครเมียม 10% ,อลูเมล (Alumel) คือ โลหะผสมของ นิกเกิ้ล 95% อลูมิเนียม 2% แมงกานิส 2% และ ซิลิคอน 1% ,คอนสแตนแตน (Constantan) คือ โลหะผสมของ ทองแดง60% และ นิกเกิ้ล40% เป็นต้น
     การใช้งานเทอร์โมคัปเปิล ควรเลือกใช้ให้ถูกต้องและเหมาะสมกับงานนั้น ๆ โดยสิ่งที่ควรพิจารณามีหลายข้อ เช่น ค่าอุณหภูมิสูงสุดที่ใช้งาน,ราคา,ความกัดกร่อนของสารที่เทอร์โมคัปเปิลสัมผัส,ต้องใช้ Thermowell หรือไม่,ลักษณะบรรยากาศที่เป็น Oxidizing,Reducing,Inert หรือ Vacuum เป็นต้น 

---

Type	ส่วนผสม	ย่านอุณหภูมิใช้งาน		แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ได้ mV
		๐C	๐F
B	แพลทินัม - 30% โรเดียม แพลทินัม - 6% โรเดียม	0 ถึง 1820	32 ถึง 3310	0 ถึง 13.814
R	แพลทินัม - 13% โรเดียม แพลทินัม	-50 ถึง 1768	-60 ถึง 3210	-02.26 ถึง 21.108
S	แพลทินัม - 10% โรเดียม แพลทินัม	-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

ความเหมาะสมในการใช้งาน
Tc Type	บรรยากาศ Oxidizing	บรรยากาศ Reducing	บรรยากาศ Inert	Vacuum	บรรยากาศ Sulferous	อุณหภูมิ < 0 C	มีไอของ โลหะ
B	ได้	ไม่ได้	ได้	ได้ในช่วงสั้น ๆ	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 > 500 ๐C	ไม่ได้	ได้
K	ได้*	ไม่ได้	ได้	ไม่ได้	ไม่ได้	ได้	ได้
T#	ได้	ได้	ได้	ได้	ไม่ได้	ได้	ได้
E	ได้	ไม่ได้	ได้	ไม่ได้	ไม่ได้	ได้	ได้

     
     * ใช้งานได้ดีกว่าแบบ E,J และ T เมื่ออุณหภูมิ > 550 ๐C
     # โดยเฉพาะกับอุณหภูมิ < 0 ๐C
Oxidizing : กระบวนการทางเคมีที่ดึงออกซิเจนจากภายนอกเข้าไปทำปฏิกิริยากับสารนั้น
Reducing : กระบวนการทางเคมีที่ออกซิเจนถูกดึงออกจากสารนั้นเพื่อไปทำปฏิกิริยากับสารภายนอก
Vacuum : ค่าความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศจนถึงสภาวะสูญญากาศ
Inert : สภาวะเฉื่อยที่ไม่เกิดปฏิกิริยาเคมี


หลักการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล

                  หลักการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล คือ อาศัยความแตกต่างของอุณหภูมิในการสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าขึ้น การที่แรงเคลื่อนไฟฟ้าค่าหนึ่งจะอ้างอิงเป็นอุณหภูมิค่าหนึ่งได้ แสดงว่าความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นนั้นจะต้องอ้างอิงกับอุณหภูมิค่าคงที่ค่าหนึ่งเสมอ โดยเรียกอุณหภูมิคงที่ที่ใช้อ้างอิงนี้ว่า Reference Junction และได้มีการกำหนด Reference Junction ให้เป็น 0 ๐C
 
Reference Junction

                   หลักการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล คือ อาศัยความแตกต่างของอุณหภูมิในการสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าขึ้น การที่แรงเคลื่อนไฟฟ้าค่าหนึ่งจะอ้างอิงเป็นอุณหภูมิค่าหนึ่งได้ แสดงว่าความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นนั้นจะต้องอ้างอิงกับอุณหภูมิค่าคงที่ค่าหนึ่งเสมอ โดยเรียกอุณหภูมิคงที่ที่ใช้อ้างอิงนี้ว่า Reference Junction และได้มีการกำหนด Reference Junction ให้เป็น 0 ๐C เพื่อให้การวัดอุณหภูมิเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เป็นมาตรฐานเดียวกัน และกำหนดเป็นตารางมาตรฐานแสดงค่าอุณหภูมิเทียบกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่วัดได้ แต่โดยทั่วไป เทอร์โมคัปเปิลจะทำการวัดที่อุณหภูมิห้อง (เช่น 25 ๐C) นั่นคือไม่ได้เทียบกับ 0 ๐C แสดงว่าค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ได้ยังไม่ถูกต้อง หากนำไปอ่านค่าอุณหภูมิจากตารางมาตรฐานจะผิดพลาด จึงจำเป็นต้องมีการรักษา Reference Junction เพื่อให้การวัดอุณหภูมิเทียบกับ 0 ๐C ตลอดเวลา 

ข้อดีเเละข้อเสียของ เทอร์โมคิปเปิล
 

หัววัด	เทอร์โมคัปเปิล
สัญลักษณ์
ลักษณะกราฟเอาต์พุต
ข้อดี	- ไม่ต้องใช้ไฟเลี้ยง  - เเข็๋งเเรง ทนทาน  - ง่าย  - ไม่แพง  - ใช้งานได้หลากหลาย  - ช่วงการวัดอุณหภูมิกว้าง
ข้อเสีย	- ไม่มีลักษณะเส้นตรง  - แรงดันต่ำ  - ไม่ค่อยเสถียร  - ความไวต่ำสุด
ช่วงการวัดมากที่สุด	-270 ถึง 1820 ๐C
Repeatability	1.1 ๐C ถึง 8.25 ๐C
เสถียรภาพการใช้งานที่ อาจเปลี่ยนแปลงได้	0.55 ๐C ถึง 1.1 ๐C ต่อปี
ความไวในการวัด	10-50 µV / ๐C
Interchangability	± 0.75%

ความเเตกต่างของแรงดันไฟฟ้าที่ได้จากเทอร์โมคัปเปิลมาตรฐานแบบต่าง ๆ





- ชนิดของวัสดุที่ใช้ทำเทอร์โมคัปเปิลมาตรฐานแต่ละแบบ โดยชื่อแรกของโลหะตัวนำ หมายถึง ขั้วไฟฟ้าที่มีศักย์เป็นบวก (+) และชื่อหลังมีศักย์เป็นลบ (-)

 

มาตรฐาน	ชนิดของวัสดุตัวนำ
Type K Type J Type T Type E Type N Type R Type S Type B	Nickel Chromium/Nickel Aluminium Iron/Constantan Copper/Constantan Nickel Chromium/Constantan Nicrosil/Nisil Platinium 13%/Rhodium Platinium 10%/Rhodium Platinium 30%/Rhodium *** Constantan: copper 60% + Nickel 40%

- ย่านการใช้งาน และคุณลักษณะของเทอร์โมคัปเปิลแต่ละแบบ
 

ชนิดเทอร์โมคัปเปิล	ย่านอุณหภูมิใช้งาน        (oC)	ย่านอุณหภูมิ (oC)	ค่าความผิดพลาด (oC)	ค่าความไวสูงสุด         (โดยประมาณ)            (µV/oC)
R	-50 ถึง1768.1	-50.0 ถึง 250.0	-0.02 ถึง 0.02	6
		250.0 ถึง 1200.0	-0.005 ถึง 0.005
		1064.0 ถึง 1664.5	-0.0005ถึง0.001
		1664.5 ถึง 1768.1	-0.001 ถึง 0.002
J	-210 ถึง 1200	-210.0 ถึง 0.0	-0.05 ถึง 0.03	50
		0.0 ถึง 760.0	-0.04 ถึง 0.04
		760.0 ถึง 1200.0	-0.04 ถึง 0.03
K	-270 ถึง 1372	-270.0 ถึง 0.0	-0.02 ถึง 0.04	50
		0.0 ถึง 500.0	-0.05 ถึง 0.04
		500.0 ถึง 1372.0	-0.05 ถึง 0.06
T	-270 ถึง 400	-200.0 ถึง 0.0	-0.02 ถึง 0.04	60
		0.0 ถึง 400.0	-0.03 ถึง 0.03

 

เทอร์โมคัปเปิลแบบ S และ R มีคุณสมบัติที่คล้ายกัน แต่แบบ R ให้ค่าแรงดันไฟฟ้าทางด้านเอาต์พุตที่สูงกว่า เหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง เช่น เตาหลอมเหล็ก อุตสาหกรรมแก้ว โดยสามารถทนอุณหภูมิได้ถึง 1400oC ใช้งานได้ดีในสภาวะที่ไม่เกิดปฏิกิริยาทางเคมี ไม่เหมาะกับงานที่มีสภาวะแบบกัดกร่อน ไม่เหมาะกับงานในสภาวะสุญญากาศ และไม่เหมาะกับงานที่มีไอของโลหะและอโลหะ

เทอร์โมคัปเปิลแบบ B ให้แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าแบบ S และ R แต่มีความแข็งแรงทนทานกว่า เหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงเช่นเดียวกับแบบ S และ R ไม่เหมาะกับงานในสภาวะสุญญากาศ และไม่เหมาะกับงานที่มีไอของโลหะ และอโลหะ

เทอร์โมคัปเปิลแบบ J ให้ค่าการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าต่ออุณหภูมิดี นิยมใช้กับงานทั่วไป ราคาไม่แพง เหมาะสำหรับใช้งานที่อุณหภูมิไม่เกิน 760oC ไม่เหมาะกับงานที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 0 oC นิยมใช้ในอุตสาหกรรมพลาสติก

เทอร์โมคัปเปิลแบบ K เป็นเทอร์โมคัปเปิลชนิดที่นิยมใช้แพร่หลายมากที่สุด สามารถวัดอุณหภูมิได้สูงกว่าแบบ J และมีราคาถูกกว่า ทนอุณหภูมิได้ถึง 1300oC และที่อุณหภูมิต่ำถึง -250oC มีค่าความเป็นเชิงเส้นสูงที่สุดเมื่อเปรียบเทียบกับเทอร์โมคัปเปิลชนิดอื่น ให้แรงดันไฟฟ้าทางด้านเอาต์พุตสูง (ให้อัตราการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าต่ออุณหภูมิดีกว่าแบบอื่นหรือมีค่าความชันใกล้ 1) สามารถใช้กับงานที่มีการแผ่รังสีความร้อน (thermal radiation) ได้ ไม่เหมาะกับงานในสภาวะสุญญากาศ (ยกเว้นการใช้งานในช่วงเวลาสั้น)

เทอร์โมคัปเปิลแบบ T เหมาะสำหรับการวัดอุณหภูมิในย่านต่ำ เช่น การวัดอุณหภูมิในห้องเย็น (cold storage) และตู้แช่แข็ง (freezer) มีสเถียรภาพในการวัดที่ดี สามารถทนต่อบรรยากาศที่มีการกัดกร่อนและมีความชื้นได้ดี ไม่เหมาะกับงานที่ต้องสัมผัสกับการแผ่รังสีความร้อนโดยตรง

เทอร์โมคัปเปิลแบบ E มีคุณสมบัติคล้ายเทอร์โมคัปเปิลแบบ K แต่ให้แรงดันไฟฟ้าทางด้านเอาต์พุตสูงกว่า มีย่านอุณหภูมิใช้งานอยู่ระหว่าง -250 oC ถึง 870oC

 

การเลือกใช้วัสดุทำเป็นฉนวนหุ้มสายเทอร์โมคัปเปิล ควรเลือกใช้ตามย่านการวัดและสภาวะแวดล้อมการใช้งาน

• พีวีซี เหมาะสำหรับการใช้งานในสถานเปียกชื้นและมีอุณหภูมิต่ำ (-20oC ถึง 100oC) เช่น ห้องเย็น
• ซิลิโคนและเทฟลอน เหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิประมาณ 200oC และมีสภาพเปียกชื้น อย่างไรก็ตาม ซิลิโคนไม่มีความทนทานต่อรอยขีดข่วน
• ไฟเบอร์กล๊าส เหมาะสำหรับงานที่มีอุณหภูมิสูง (0oC ถึง 270oC) และ
• สแตนเลสชีลด์ เหมาะสำหรับงานที่ต้องการการป้องกันสัญญาณรบกวน หรืองานที่ต้องเคลื่อนย้ายบ่อย ภายใต้สภาวะใช้งานที่อุณหภูมิสูง (0oC ถึง 270oC)

ขอขอบคุณเเหล่งข้อมูลเเละบทความดีๆจาก

iq-technician.blogspot.com
NIST-ITS 90 (www.srdata.nist.gov/its90/main/)
การวัดและเครื่องมือวัด ประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร (นวภัทรา และ ทวีพล , 2555)
www.foodnetworksolution.com