part12 หลักการวัดอุณหภูมิ (Temperature Measurements)

ต้นกำเนิดของการวัดอุณหภูมิมาจากการสังเกต การขยายตัวของของเหลวเมื่อมีการเปลี่ยนอุณหภูมิ โดยชาวฝรั่งเศส – Galileo Galilei •Gabriel D. Fahrenheit ชาวเยอรมัน สร้างเครื่องวัดอุณหภูมิ ที่ทำจากปรอท ระหว่างจุดน้ำแข็งและน้ำเดือดไว้ที่ 180 ช่อง (Divisions) •Anders Celsius ชาวฝรั่งเศส กำหนดมาตรฐานจุดเยือกแข็งของน้ำที่ความดัน 1 บรรยากาศ ไว้ที่ 0 องศาเซลเซียส และจุดเดือดของน้ำที่ 100 องศาเซลเซียส

การวัดอุณหภูมิโดยวิธีขยายตัว

วัสดุจะมีการขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน หรือมีอุณหภูมิสูงขึ้น

ความยาวที่ยืด
ความยาวเริ่มต้น
สัมประสิทธิ์การขยายตัวของวัสดุ
อุณหภูมิที่เปลี่ยนไป

เทอร์โมมิเตอร์แบบของเหลวในหลอดแก้ว
Liquid-in-glass thermometers

ระบบวัดอุณหภูมิ

Bimetallic Thermometers transducer

•เทอร์โมมิเตอร์แบบโลหะคู่ (Bimetallic Thermometer) •ประกอบด้วยโลหะสองชนิด ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่างกัน ยึดติดกันอยู่

Working Principle

Bimetal thermometer industrial thermometer boiler tube high temperature precision pointer radial WSS-411/401/53
Adjustable Bimetal Thermometer
WTYY-1021 remote transmission bimetal thermometer with rtd sensor

Bimetallic thermometer TMT 703 Themtech Co., Ltd.

เทอร์โมมิเตอร์แบบความต้านทาน

เทอร์โมมิเตอร์แบบความต้านทาน (ELECTRICAL RESISTANCE THERMOMETRY) แบ่งเป็น 2 ชนิดคือ อาร์ทีดี (RTD) และ เทอร์มิสเตอร์

โดยอาศัยหลักการที่วัสดุนั้นจะนำไฟฟ้าได้แตกต่างกันตามอุณหภูมิ
วัสดุสารตัวนำ เช่น เหล็ก หรือ อัลลอย มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นค่าบวก เรียกว่า positive temperature Coefficient (PTC)
วัสดุพวกสารกึ่งตัวนำ SemiConductor มีค่าเป็นค่าลบ เรียกว่า negative temperature coefficient (NTC) ส่วน CTR (Critical temperature resistors) เทอร์มิสเตอร์ที่ตอบสนองไว

เทอร์โมมิเตอร์ RTD กลุ่ม 1 PTC

ค่าการนำไฟฟ้า

RTD หรือ Resistance Temperature Detectors ทำมาจากสารตัวนำ นิยมทำมาจากขดลวด วัสดุจำพวก แพลทินัม นิกเกิล หรืออัลลอยนิกเกิล-ทองแดง หุ้มด้วยปอกฉนวน
จากความต้านทานไฟฟ้าคือ

เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนค่า จะเปลี่ยนไปและจะได้ว่า

หรือ (หากสนใจในช่วงแคบๆ แบบเชิงเส้น)

•นิยมใช้ Platinum Resistance Temperature Device (RTD)     แพททินัมนั้นจะให้ค่าความต้านทานไฟฟ้าเชิงเส้น

•ตัวอย่าง จากกราฟค่าความต้านทานไฟฟ้า จงหาสัมประสิทธิ์ความต้านทาน

  ของทองแดง ที่อุณหภูมิ 0 ถึง 800 องศา จากสมการ • • •

การวัดค่าอุณหภูมิจึงใช้วงจรบริจด์ แปลงค่าความต้านทานเป็นแรงดันไฟฟ้า ซึ่งโดยส่วนใหญ่สามารถวัดค่าได้ละเอียดถึง 0.005 องศาเซลเซียส

ปัญหาการวัดค่าความต้านทานของ RTD ด้วยมิเตอร์วัดความต้านทานทั่วไปคือ เครื่องมือวัดจะสร้างกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน RTD ทำให้เกิดความร้อนใน RTD

ตัวอย่าง RTD
RS PRO PT100 RTD Sensor, 6mm Dia, 125mm Long, 4 Wire, Probe, Class B +250°C Max manual
RTD pt100 pt1000 temperature sensor

วงจร Bridge และวงจรอื่นๆ

วงจรที่ใช้กับการวัดอุณหภูมิ Development and Analysis of Hybrid Thermoelectric Refrigerator Systems

RTD Sensors Wiring Color Codes and Configurations
Details of RTD Wiring configurations for 2 wire, 3 wire and 4 wire RTD Sensors

Difference Between 2 wire RTD, 3 wire RTD, and 4 wire RTD’s

Measurement and Control Basics Fourth Edition Chapter 7 – Temperature Measurement: RTD Measurement Circuits

•วงจรบริดจ์ที่เหมาะสมสำหรับ RTD และชดเชยค่าความต้านทานของสายไฟ เรียกว่า r₁-r₃ (และอาจแปรผันการเปลี่ยนอุณหภูมิได้) •ได้แก่ three-wire bridge หรือ four-wire bridge

วงจร three-wire Callendar-Griffiths bridge
วงจรสมมูลเมื่อ

ซึ่งตัวต้านทานของลวดจะส่งผลให้เกิดความต้านทาน r1-r3

โดย ดังนั้น

สรุปค่าความต้านทาน r1 ควรเท่ากับ r3
โดยความต้านทาน r2 จะไม่มีผลกับวงจรเมื่อไม่มีกระแสไหลผ่าน “G”

วงจร four-wire Mueller bridge
สามารถชดเชยค่าต้านทาน r1-r4 ได้ดี
เหมาะสำหรับการวัดที่ต้องการความแม่นยำสูง
จากวงจรบน จะได้ค่าความต้านทาน RTD คือ

และวงจรล่าง จะได้ค่าความต้านทาน RTD คือ

โดยใช้การวัดทั้งสองรูปแบบมาค่าความเฉลี่ยจะได้

•ตัวอย่าง  RTD ทำมาจาก equal-arm Wheatstone bridge ดังรูป ที่ความต้านทาน1-3 มีค่า 25 Ohm ที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ความต้านทาน RTD มีค่า 25 Ohm และมีค่าเปลี่ยนแปลงตามสมการ • •กำหนดให้ค่าสัมประสิทธิ์เปลี่ยนแปลง

อุณหภูมิ คือ 0.003925 •ปรับค่าความต้านทาน R₁

เพื่อให้วงจรสมมูลได้ เป็น 37.35 Ohm •จงหาอุณหภูมิ ขณะนั้น

จากโจทย์ จะได้ค่าคือ

อุณหภูมิของ RTD หาจากความต้านทาน RTD คือ

ความต้านทาน RTD คือ 37.35 Ohm เช่นกัน หาอุณหภูมิได้จาก

ได้อุณหภูมิคือ 126 องศาเซลเซียส

เทอร์มิสเตอร์ Thermistors

เทอร์มิสเตอร์ มาจาก thermally sensitive resistors ใช้สารประเภท NTC ,PTC (โพซิสเตอร์, Posistor), CTR ซึ่งแปรผันความต้านทานมากเมื่อเปลี่ยนอุณหภูมิ
สมการความต้านทานนั้นหาได้จาก

โดยค่า อยู่ระหว่าง 3500-4600 K
ค่าความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงนั้น
มีความไม่เป็นเชิงเส้นสูง
และค่า ยังเปลี่ยนตามอุณหภูมิ
ทำให้สมการที่ใช้อาจมีความผิดพลาดสูง

•วิธีการสอบเทียบค่า     ของเทอร์มิสเตอร์ที่แปรผันตามอุณหภูมิ

ทำได้หลายแบบเช่น วิธีอย่างง่าย วิธีใช้วงจรแบ่งแรงดัน (Voltage divider method)

หรือวิธีใช้วงจรแรงดัน-กระแส (Volt-ammeter method)

ตัวอย่าง สัญญาณออกจากเทอร์มิสเตอร์ มีความไม่เป็นเชิงเส้นสูง โดยนำเทอร์มิสเตอร์ ไปต่อในวงจรบริจด์ Wheatstone bridge โดยค่าความต้านทานเริ่มต้น 10 kOhm และค่า B =3680 K หาค่าสัญญาณออกของวงจรในช่วงต่างๆ
(ก) 25-325 องศา (ข) 25-75 องศา

สัญญาณออกของวงจรบริจด์ คือ

ความต้านทานเทอร์มิสเตอร์
จะได้

กลุ่ม 2 NTC

Diesel Generator Automotive Water Temperature Sensor
Water Temperature Sensor Hyundai KIA

Thermoelectric Temperature Measurement

อุปกรณ์ที่นิยมใช้เรียกว่าเทอร์โมคัปเปิล thermocouple เป็นตัวรับรู้ที่ใช้ลวดโลหะต่างชนิดกัน 2 เส้น เชื่อมปลายเข้าด้วยกัน จึงมีรอยต่อ (Junction) ซึ่งเกิดจากการเชื่อม โดยสัญญาณออกที่ได้จะเป็นแรงดันไฟฟ้า
ที่ Junction 1 วัดอุณหภูมิจุด 1 ที่ Junction 2 วัดอุณหภูมิจุด 2 เมื่ออุณหภูมิที่สองจุดไม่เท่ากัน จะเกิดแรงเคลื่อน emf ดังรูป
ปรากฏการณ์ 3 อย่างที่เกี่ยวข้องกันได้แก่ (1) Seebeck effect, (2) the Peltier effect (3) the Thomson effect

•Seebeck effect คิดค้นโดย Thomas Johann Seebeck (1770–1831)

เมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร จะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้า emf สัมพันธ์กับอุณหภูมิ T1 T2 และค่าคงที่ Seebeck คือ • • • •

Peltier Effect

ปรากฏการณ์ เพลเทียร์ เกิดขึ้นเมื่อมีกระแสในวงจรเทอร์โมคัลเปิล จะทำให้เกิดพลังงาน I2R ทำให้เกิดความร้อนขึ้นที่จุดต่อ
สามารถหาพลังงานที่ถ่ายเทออกได้คือ

เป็นสัมประสิทธิ์คู่ควบจาก A ไป B

ดังแสดงในภาพ เป็นวงจรพื้นฐาน
ของเครื่องทำความเย็นเพลเทียร์
ถ่ายเทความร้อนเข้าและออก

Thomson Effect

•Thomson Effect เป็นปรากฏการณ์ที่เกี่ยวกับการผลิต/ดูดกลืนความร้อน qT เมื่อใดก็ตามที่มีความแตกต่างของอุณหภูมิและมีกระแสไฟฟ้าในตัวนำ •จะมีการถ่ายเทความร้อนดังสมการ • •

  คือสัมประสิทธิ์ทอมป์สัน

ทั้ง Peltier Effect และ Thompson Effect มีผลต่อความแม่นยำในการวัดอุณหภูมิ โดยค่าผิดพลาดจะน้อยหากค่ากระแสที่ไหลในวงจรต่ำ

(การวัดอุณหภูมิ T1 จะใช้อุณหภูมิอ้างอิง T2)

หลักการของพฤติกรรมเทอร์โมคัปเปิล

เทอร์โมคัปเปอร์ประกอบด้วยวัสดุอย่างน้อย 2 ชนิดที่แตกต่างกัน มีจุดต่ออย่างน้อย 2 จุด แรงดัน Vo เป็นฟังก์ชั่นไม่เชิงเส้นกับผลต่างอุณหภูมิ (T2-T1)
แรงดันไฟฟ้าหาได้จาก

ศักย์ไฟฟ้าที่จุดต่อ 1 หน่วยอุณหภูมิ จาก B ไป A
ศักย์ไฟฟ้าที่จุดต่อ 1 หน่วยอุณหภูมิ จาก A ไป B

จะได้แรงดันไฟฟ้าคือ

•ถ้าใช้วัสดุที่ 3 ต่อระหว่างในวงจรจะได้ว่า แรงดัน Vo ไม่ถูกกระทบ •จะเกิดจุดต่อใหม่คือ A/C และ C/A • • • •จะได้

ถ้าไม่มีความแตกต่างอุณหภูมิจะไม่มีผลต่อแรงดัน Vo •เช่นเดียวกับการต่อวัสดุที่ 3 ระหว่าง B และ A •

•คุณสมบัติวงจรเทอร์โมคัปเปิล

การวัดอุณหภูมิด้วยเทอร์โมคัปเปิล

•เนื่องจากเทอร์โมมิเตอร์ใช้วัดอุณหภูมิที่แตกต่างกัน 2 จุด การวัด T1 นิยมใช้อุณหภูมิอ้างอิง T2 คืออุณหภูมิน้ำแข็ง โดยใส่น้ำแข็งลงในน้ำ ให้มีค่าคงที่ •หรือการวัดด้วยระบบดิจิตอล นิยมใช้เทอร์มิสเตอร์ หรือ RTD ในการอ่านค่าอ้างอิง

•ตารางเทอร์โมมิเตอร์แบบต่างๆ กำหนดด้วยสัญลักษณ์ E, J, K, N, R, S และ T

•ตารางค่าความไว ที่อุณหภูมิต่างๆ

ตัวอย่าง การวัดอุณหภูมิที่ T1 โดยใช้จุดอ้างอิงเป็นน้ำจุดเยือกแข็ง โดยอ่านค่าที่ Potentiometer ได้ 9.669 mV จงหาอุณหภูมิจาก Thermometer Type J
ใช้ตาราง Thermometer Type J

ดังนั้นอุณหภูมิที่อ่านได้คือ 180 องศาเซลเซียส

•ตัวอย่าง จากวงจรเทอร์โมคัปเปิล Type J ที่มีอุณหภูมิอ้างอิง 30 องศาเซลเซียส อ่านค่าได้ 8.132 mV อุณหภูมิที่วัดคือเท่าใด • • • • • • • • •คำตอบ 180 องศาเซลเซียส

Multiple-Junction Thermocouple Circuits

Thermopiles หมายถึงการต่อเทอร์โมคัปเปิลหลายตัว เนื่องจากใช้เทอร์โมคัปเปิลได้กระแสเป็น mV ซึ่งน้อยมาก การต่อหลายตัวแบบแรกจะช่วยให้ได้แรงดันไฟฟ้า N เท่า

การต่อวงจรขนานสำหรับเทอร์โมคัปเปิลหลายตัว เป็นการหาค่าเฉลี่ยของอุณหภูมิที่จุดต่างๆ โดยแรงดันไฟฟ้าหาได้จาก

หรืออุณหภูมิเฉลี่ยคือ

การวัดอุณหภูมิโดยวิธีการแผ่รังสี

•การวัดอุณหภูมิโดยวิธีการแผ่รังสี Radiative Temperature Measurements ใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า ไพโรมิเตอร์ (Pyrometer) •การแผ่รังสี คือ การปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากผิวของวัตถุ รังสีประกอบด้วยโพตอน (Photon) ที่เดินทางเป็นเส้นตรงจากจุดปล่อยไปที่พื้นผิว ซึ่งอาจจะดูดกลืน หรือสะท้อน หรือส่งผ่าน •แสดงประกอบด้วยหลายรังสี ที่เรามองเห็นได้และไม่ได้

วัตถุทุกชนิดที่อุณหภูมิสูงกว่า 0 K จะแผ่รังสีออกมา รวมทั้งยังรับและดูดกลืนด้วย ความเข้มรังสี (W/m2) จากวัตถุดำสัมพันธ์กับอุณหภูมิดังสมการ

เมื่อพิจารณา ค่าคงตัวโบลต์ซมันน์ 5.67 x10-8 W/(m2K4)
และอุณหภูมิสัมบรูณ์ (K)
กำลังแผ่รังสีของวัตถุ คือพลังงานที่ปล่อยออกมาจากวัตถุต่อพื้นที่ต่อเวลา โดยแมกซ์แพลงค์ พบความสัมพันธ์

•กราฟพลังงานรังสี •เทียบกับความยาวคลื่น •และอุณหภูมิ

•ไฟโรมิเตอร์แบบแสง

•ไพโรมิเตอร์แบบอินฟราเรด

•อุปกรณ์วัดอุณหภูมิแบบตรวจจับโพตอน

การวัดอุณหภูมิโดยวิธีการแผ่รังสี

•แรงดันเอาท์พุตที่ได้คือ • • •ทำให้เป็นสมการอย่างง่าย • •เมื่อ K เป็นค่าปรับเทียบ •หรือค่าอุณหภูมิคือ •