- หน้าแรก
- คลังความรู้
- เซนเซอร์และทรานส์ดิวเซอร์
- 20.7 การวัดอุณหภูมิ
// บทที่ 20.7 · Sensors & Transducers · Temperature Measurement
การวัดอุณหภูมิ: RTD Pt100 เทอร์โมคัปเปิล เทอร์มิสเตอร์ IC และอินฟราเรด
อุณหภูมิเป็นปริมาณที่วัดบ่อยที่สุดในโรงงาน หน้านี้อธิบายเซนเซอร์ห้าตระกูลจากฟิสิกส์ของมัน ไปจนถึงสมการในมาตรฐานที่ทรานสมิตเตอร์ใช้จริง ตัวเลขทุกตัวในตัวอย่างคำนวณจากสมการ IEC 60751 และตารางอ้างอิง NIST ITS-90 แบบเดียวกับเครื่องคำนวณในหน้านี้
- Pt100: สำหรับ · ≈ 0.385 Ω/°C · เกรด A ±(0.15 + 0.002|t|) °C
- ต่อ 2 สายแล้วสายรวม 3.5 Ω → อ่านสูงไป ≈ 9 °C · ใช้ 3 สายหรือ 4 สาย หรือ Pt1000
- เทอร์โมคัปเปิลวัด ผลต่าง อุณหภูมิ: แล้วจึงแปลงเป็น °C
- NTC ไวมาก (≈ −4 %/°C) แต่ไม่เชิงเส้น · IR ต้องตั้ง emissivity ให้ถูก
เลือกเซนเซอร์อุณหภูมิ: ห้าตระกูลหลัก พื้นฐาน
ทุกตระกูลอาศัยปรากฏการณ์ต่างกัน จึงเด่นคนละด้าน คำถามแรกของการเลือกไม่ใช่ "ตัวไหนแม่นที่สุด" แต่คือ ช่วงอุณหภูมิ ความแม่นที่ต้องการจริง และ สภาพติดตั้ง (สัมผัสได้หรือไม่ ต้องตอบสนองเร็วแค่ไหน)
| ชนิด | หลักการ | ช่วงใช้งานโดยทั่วไป | ความแม่นทั่วไป | จุดเด่น · ข้อจำกัด | มาตรฐาน |
|---|---|---|---|---|---|
| RTD (Pt100, Pt1000) | ความต้านทานโลหะเพิ่มตามอุณหภูมิ | −200 … 600 °C | ±0.1 … ±0.5 °C | แม่น เสถียร ใกล้เชิงเส้น · ต้องมีกระแสกระตุ้น ระวังสายต่อ | IEC 60751 |
| เทอร์โมคัปเปิล | แรงเคลื่อนไฟฟ้า Seebeck | −200 … 1700 °C (ตามชนิด) | ±1 … ±2.5 °C หรือ 0.4–0.75 % ของค่า | ทนร้อน เร็ว ถูก ไม่ต้องกระตุ้น · สัญญาณ µV ต้อง CJC | IEC 60584 |
| เทอร์มิสเตอร์ NTC | ความต้านทานเซรามิกลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียล | −50 … 150 °C | ±0.1 … ±1 °C | ไวมาก ถูก เล็ก · ไม่เชิงเส้น ช่วงแคบ | สเปกผู้ผลิต |
| เซนเซอร์ IC | แรงดัน VBE ของรอยต่อ PN (PTAT) | −55 … 150 °C | ±0.1 … ±2 °C | เอาต์พุตแอนะล็อก/ดิจิทัลพร้อมใช้ · ช่วงจำกัด วัดอุณหภูมิของตัวชิปเอง | สเปกผู้ผลิต |
| อินฟราเรด (ไพโรมิเตอร์) | รังสีความร้อน (Stefan–Boltzmann) | −50 … 3000 °C | ±1 … ±2 % ของค่า | ไม่สัมผัส วัดของเคลื่อนที่ · ขึ้นกับ emissivity และพื้นผิว | VDI/VDE 3511, ASTM E1256 |
RTD Pt100: สมการ Callendar–Van Dusen และ IEC 60751 พื้นฐาน
แพลตตินัมถูกเลือกเพราะเฉื่อยทางเคมี เส้นโค้งทำซ้ำได้ดีมาก และใช้เป็นเครื่องมือประมาณค่าใน ITS-90 เอง ค.ศ. 1871 William Siemens เสนอเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทานแพลตตินัม ต่อมา H. L. Callendar (1887) และ M. S. Van Dusen (1925) ได้สมการที่ใช้กันจนถึงปัจจุบัน IEC 60751 กำหนดค่าคงตัวสำหรับเซนเซอร์อุตสาหกรรมไว้ชุดเดียวกันทั่วโลก
T1 Callendar–Van Dusen (IEC 60751) ความต้านทานของ Pt100
T2 Mean temperature coefficient สัมประสิทธิ์อุณหภูมิเฉลี่ย α
T3 Inverse for t ≥ 0 °C แปลงความต้านทานกลับเป็นอุณหภูมิ
ต่ำกว่า 0 °C ต้องแก้สมการกำลังสี่ด้วยวิธีเชิงตัวเลข (Newton) ซึ่งเป็นสิ่งที่ทรานสมิตเตอร์ทำ ส่วนเครื่องวัดราคาถูกบางรุ่นใช้ตารางหรือ "α = 0.00385 เชิงเส้น" แทน ซึ่งคลาดได้หลายองศาที่ปลายช่วง
Pt100 ที่ 150 °C ต่อสองสาย สาย 0.5 mm² ยาว 50 m
T1:
ความต้านทานสายต่อเส้น ต่อสองสายรวม → เครื่องเห็น
T3 กลับเป็นอุณหภูมิ: — อ่านสูงไป 9.4 °C (ความไว ณ จุดนี้ 0.3735 Ω/°C)
ถ้าเปลี่ยนเป็น Pt1000 สายเท่าเดิมคลาดเพียง 0.94 °C เพราะความต้านทานของเซนเซอร์สูงขึ้น 10 เท่า ขณะที่สายเท่าเดิม
T4 IEC 60751 tolerance classes พิกัดความคลาดเคลื่อน
ช่วงอุณหภูมิที่แต่ละเกรดใช้ได้ต่างกันระหว่างแบบขดลวด (wire-wound) กับแบบฟิล์มบาง (thin film) ให้ดูจากดาต้าชีตของเซนเซอร์จริง เกรดคือ "ความคลาดที่ยอมได้ของเซนเซอร์เปล่า" ยังไม่รวมทรานสมิตเตอร์และสายต่อ ที่ 150 °C เกรด A ยอม ±0.45 °C ขณะที่ความผิดพลาดจากสองสายในตัวอย่าง T-1 ใหญ่กว่าถึง 20 เท่า
T5 Self-heating ความคลาดจากการร้อนตัวเอง
กระแสกระตุ้น 1 mA ใน Pt100 ที่ 157 Ω สร้างความร้อน 0.157 mW ถ้าเซนเซอร์อยู่ในอากาศนิ่งซึ่ง E อาจเหลือไม่กี่ mW/°C ความคลาดจะเป็นหลักสิบขององศา ในของเหลวไหลผลนี้เล็กลงมาก — เหตุที่ทรานสมิตเตอร์ใช้กระแสเพียงระดับ 0.1–1 mA หรือกระแสแบบพัลส์
เทอร์โมคัปเปิล: ปรากฏการณ์ Seebeck และตาราง NIST ITS-90 กลาง
ค.ศ. 1821 Thomas Johann Seebeck ในเบอร์ลินพบว่าวงจรของโลหะสองชนิดที่รอยต่อทั้งสองมีอุณหภูมิต่างกันจะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า ความเข้าใจที่ถูกคือ แรงดันเกิดตามความยาวของลวดที่มีเกรเดียนต์อุณหภูมิ ไม่ได้เกิดที่จุดรอยต่อ ผลที่ตามมาคือส่วนของลวดที่ผ่านบริเวณร้อน–เย็นต้องเป็นวัสดุเนื้อเดียวและไม่เสื่อม ไม่เช่นนั้นค่าจะเพี้ยนแม้รอยต่อจะดี
T6 Seebeck emf แรงเคลื่อนไฟฟ้าของเทอร์โมคัปเปิล
T7 Law of intermediate temperatures กฎอุณหภูมิกลาง
กฎข้อนี้คือเหตุผลที่ตารางอ้างอิงทุกฉบับใช้จุดอ้างอิง 0 °C ได้ และคือพื้นฐานของการชดเชยจุดเย็น อีกกฎที่สำคัญคือ กฎโลหะกลาง: แทรกโลหะชนิดที่สาม (เช่น ขั้วทองแดง) ได้โดยไม่เปลี่ยนแรงดัน ถ้ารอยต่อทั้งสองข้างของโลหะนั้นอุณหภูมิเท่ากัน
| ชนิด | วัสดุ (+/−) | ช่วงตาราง (°C) | ความไวที่ 100 °C | สีขาบวก | ใช้งาน |
|---|---|---|---|---|---|
| K | NiCr / NiAl | −270 … 1372 | 41.4 µV/°C | เขียว | ทั่วไป ใช้มากที่สุด ระวัง green rot และ short-range order 250–550 °C |
| J | Fe / CuNi | −210 … 1200 | 54.4 µV/°C | ดำ | บรรยากาศรีดิวซ์ ไม่เกินราว 750 °C (เหล็กเกิดสนิม) |
| T | Cu / CuNi | −270 … 400 | 46.8 µV/°C | น้ำตาล | อุณหภูมิต่ำ ห้องเย็น อาหาร |
| N | NiCrSi / NiSi | −270 … 1300 | 29.6 µV/°C | ชมพู | ทดแทน K ที่อุณหภูมิสูง เสถียรกว่า |
| E | NiCr / CuNi | −270 … 1000 | 67.5 µV/°C | ม่วง | ความไวสูงสุด อุณหภูมิต่ำ–ปานกลาง |
| R · S | PtRh / Pt | −50 … 1768 | 7.5 · 7.3 µV/°C | ส้ม | โลหะมีค่า เตาหลอม แก้ว ห้องแล็บ |
| B | Pt30Rh / Pt6Rh | 0 … 1820 | 0.9 µV/°C | เทา | สูงถึงราว 1700 °C แรงดันเกือบศูนย์ใต้ 50 °C จึงไม่ต้อง CJC มากนัก |
มาตรฐานสหรัฐฯ (ANSI/ASTM) ใช้รหัสสีต่างออกไป ขาลบเป็นสีแดงเสมอ เช่น ชนิด K ขาบวกสีเหลือง — ดูรหัสสีบนสายก่อนต่อเสมอ ไม่ควรเดาจากประเทศของผู้ผลิต
T8 IEC 60584-1 tolerance, types K and N พิกัดความคลาดชนิด K, N
การชดเชยจุดเย็น (CJC) กลาง
T9 Cold-junction compensation ชดเชยจุดเย็น
ชนิด K วัดได้ 18.516 mV ขั้วต่ออยู่ที่ 30 °C
จากตาราง NIST:
T9:
แปลงกลับ:
เทียบความผิดสองแบบ: ลืมชดเชยได้ 450.0 °C (ต่ำไป 28 °C) · บวก 30 °C เข้าไปตรง ๆ ได้ 480.0 °C (สูงไป 1.7 °C เพราะความไวที่ 30 °C ไม่เท่ากับที่ 478 °C)
ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในหน้างาน: ใช้สายทองแดงธรรมดาต่อจากหัวเซนเซอร์มาที่ตู้ ทำให้ "รอยต่อเย็น" ย้ายไปอยู่ที่หัวเซนเซอร์ซึ่งร้อน แต่ CJC วัดที่ตู้ ผลคือค่าคลาดเท่ากับผลต่างอุณหภูมิระหว่างสองจุดนั้น วิธีแก้คือใช้ สายต่อ (extension) หรือสายชดเชย (compensating) ชนิดตรงกับเทอร์โมคัปเปิล ตลอดเส้นทาง หรือติดทรานสมิตเตอร์ที่หัวเซนเซอร์แล้วส่ง 4–20 mA
เทอร์มิสเตอร์ NTC: สมการ β และ Steinhart–Hart กลาง
NTC ทำจากออกไซด์โลหะ (Mn, Ni, Co) ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำ จำนวนพาหะประจุเพิ่มแบบเอกซ์โพเนนเชียลตามอุณหภูมิ ความต้านทานจึงลดลงเร็วมาก ใช้แพร่หลายในแบตเตอรี่ แอร์ ตู้เย็น อุปกรณ์การแพทย์ และวงจรป้องกันความร้อนของคอนเวอร์เตอร์ ส่วน PTC แบบสวิตชิ่งใช้เป็นตัวตัดกระแสเกินและป้องกันความร้อนในขดลวดมอเตอร์
T10 β model แบบจำลองบีตา
T11 Steinhart–Hart (1968) สมการสามพารามิเตอร์
แบบ β ใช้ได้ดีในช่วงแคบ ส่วน Steinhart–Hart หาค่า a, b, c จากการวัดสามจุดและแม่นระดับ ±0.01–0.02 °C ตลอดช่วงกว้างหลายสิบองศา
NTC 10 kΩ β = 3950 ในวงจรแบ่งแรงดัน 3.3 V กับ 10 kΩ ที่ 60 °C
T10:
→ ADC 12 บิตอ่านได้ 815
— เมื่อเทียบเป็นเปอร์เซ็นต์ต่อองศา ไวกว่า Pt100 ราว 10 เท่า
เซนเซอร์ IC และเซนเซอร์ดิจิทัล กลาง
ทรานซิสเตอร์สองตัวที่ทำงานที่ความหนาแน่นกระแสต่างกันให้ผลต่างแรงดัน VBE ที่แปรตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ (PTAT) อย่างแม่นยำ หลักการเดียวกันนี้อยู่ในเซนเซอร์อุณหภูมิของไมโครคอนโทรลเลอร์ แบตเตอรี่แพ็ก และชิปวัดอุณหภูมิแบบดิจิทัล
T12 PTAT voltage แรงดันแปรตามอุณหภูมิสัมบูรณ์
ที่ 300 K กับ N = 8 ได้ วงจรภายในขยายและชดเชยแล้วส่งออกเป็นแรงดันเชิงเส้น เช่น 10 mV/°C หรือส่งค่าดิจิทัลผ่าน I²C, SPI, 1-Wire ข้อควรระวังคือชิปวัด อุณหภูมิของตัวเอง การจับยึดความร้อนกับวัตถุและความร้อนจากแผงวงจรจึงสำคัญกว่าตัวเลขความแม่นในดาต้าชีต
วัดแบบไม่สัมผัส: อินฟราเรดและ emissivity ขั้นสูง
T13 Stefan–Boltzmann รังสีจากพื้นผิว
T14 Wien's displacement law ความยาวคลื่นที่รังสีสูงสุด
วัตถุ 100 °C ให้รังสีสูงสุดที่ 7.8 µm ไพโรมิเตอร์และกล้องถ่ายภาพความร้อนสำหรับอุณหภูมิต่ำจึงทำงานในแถบ 8–14 µm ซึ่งบรรยากาศโปร่งใส ส่วนโลหะร้อนจัดวัดที่ความยาวคลื่นสั้น (เช่น 1 µm) ซึ่งผลของ emissivity ต่ออุณหภูมิที่อ่านได้น้อยกว่า
วัตถุ 100 °C ε = 0.95 แต่ตั้งเครื่องไว้ ε = 1.00 ห้อง 25 °C
ถ้าไม่มีรังสีสะท้อน:
รวมรังสีจากห้องที่สะท้อนออกมา : →
สรุป: ตั้ง ε ผิดเพียง 5 % ทำให้อ่านต่ำไป ≈ 3 °C และโลหะเงาซึ่ง ε อาจต่ำกว่า 0.2 อ่านผิดหลายสิบองศา ทางแก้คือติดเทปหรือพ่นสีที่รู้ค่า ε ก่อนวัด
ติดตั้งให้วัดได้จริง: ปลอก thermowell เวลาตอบสนอง และทรานสมิตเตอร์ กลาง
- ความลึกการจุ่ม: ความร้อนรั่วตามปลอกขึ้นสู่หัว (stem conduction) ทำให้ปลายอุ่นน้อยกว่าของเหลว แนวทางทั่วไปคือจุ่มอย่างน้อยประมาณ 10 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางปลอกบวกความยาวส่วนรับรู้ ทดสอบได้ด้วยการดึงขึ้นทีละน้อยแล้วดูว่าค่าเปลี่ยนหรือไม่
- เวลาตอบสนอง: เซนเซอร์ในปลอกเป็นระบบอันดับหนึ่งโดยประมาณ ค่าคงตัวเวลาหลายวินาทีถึงหลายสิบวินาที ลูปควบคุมอุณหภูมิต้องรวม τ นี้ในการจูน (ดู หลักการเบื้องต้น และ ระบบอันดับหนึ่ง) ปลอกยังต้องตรวจความแข็งแรงต่อการสั่นจากกระแสวนตามแนวทาง ASME PTC 19.3 TW
- ทรานสมิตเตอร์หัวเซนเซอร์: แปลง RTD/TC เป็น 4–20 mA ที่หัวเซนเซอร์ ตัดปัญหาสายต่อและสัญญาณรบกวน รุ่นใหม่รับค่าคงตัว CVD เฉพาะตัวจากใบสอบเทียบ (sensor matching) ทำให้ความแม่นทั้งระบบดีกว่าเกรดของเซนเซอร์มาก
- เซนเซอร์คู่ (dual element): ใช้เปรียบเทียบกันเพื่อตรวจการ drift และสลับไปตัวสำรองเมื่อตัวหลักขาด ซึ่งพบในงานที่ต้องการความพร้อมใช้สูง
ต่อไป: การวัดความดัน · ทบทวนสัญญาณที่ทรานสมิตเตอร์ส่งออกที่ 4–20 mA และ HART
แหล่งอ้างอิง
- IEC 60751:2022 Industrial platinum resistance thermometers and platinum temperature sensors
- IEC 60584-1:2013 Thermocouples — Part 1: EMF specifications and tolerances · IEC 60584-3 Extension and compensating cables
- NIST Standard Reference Database 60: ITS-90 Thermocouple Database
- BIPM CCT — Guides to Thermometry (ITS-90)
- Steinhart, J. S. & Hart, S. R. (1968) Calibration curves for thermistors, Deep-Sea Research 15, 497–503
คำถามที่พบบ่อย
Pt100 กับเทอร์โมคัปเปิลต่างกันอย่างไร ควรเลือกแบบไหน?
Pt100 (RTD) เปลี่ยนความต้านทานตามอุณหภูมิ แม่นและเสถียรกว่า (เกรด A ±0.15 °C ที่ 0 °C) เหมาะกับช่วงประมาณ −200 ถึง 600 °C ส่วนเทอร์โมคัปเปิลสร้างแรงดันเองจากปรากฏการณ์ Seebeck ทนอุณหภูมิสูงกว่า (ชนิด K ถึงราว 1260 °C, ชนิด B ถึง 1700 °C) ตอบสนองเร็วและถูกกว่า แต่แม่นน้อยกว่าและต้องชดเชยจุดเย็น งานกระบวนการทั่วไปต่ำกว่า 400 °C นิยม Pt100 งานเตาและเผาไหม้ใช้เทอร์โมคัปเปิล
ทำไม Pt100 ต้องต่อ 3 สายหรือ 4 สาย?
เพราะความต้านทานของสายต่อบวกเข้าไปในค่าที่วัด Pt100 เปลี่ยนเพียงประมาณ 0.385 Ω ต่อ °C สายที่มีความต้านทานรวม 3.5 Ω จะทำให้อ่านสูงไปราว 9 °C การต่อ 3 สายชดเชยได้เมื่อสายทุกเส้นมีความต้านทานเท่ากัน ส่วน 4 สายตัดผลของสายออกทั้งหมดเพราะสายวัดแรงดันไม่มีกระแสไหล
การชดเชยจุดเย็น (CJC) คืออะไร?
เทอร์โมคัปเปิลวัดผลต่างอุณหภูมิระหว่างรอยต่อร้อนกับจุดที่สายต่อเข้ากับขั้วทองแดง (รอยต่อเย็น) เครื่องวัดจึงต้องวัดอุณหภูมิที่ขั้วต่อ แปลงเป็นแรงดันจากตาราง แล้วบวกกับแรงดันที่วัดได้ก่อนแปลงกลับเป็นอุณหภูมิ ต้องบวกในโดเมนแรงดัน ไม่ใช่บวกอุณหภูมิตรง ๆ