เทอร์โมคัปเปิล ตัววัดอุณหภูมิสูง ( ตอนที่ 1 )

เทอร์โมคัปเปิล ตัววัดอุณหภูมิสูง ( ตอนที่ 1 )

พระเอกในงานวัดอุณหภูมิภายใต้สภาพแวด ล้อมที่เลวร้าย.

นักอิเล็กทรอนิกส์อย่างเราๆ มักจะไม่ค่อย คุ้นเคย กับเทอร์โมคับเปิลเท่าไรนัก. ทั้งๆ ที่เทอร์โมคับเปิลเป็นอุปกรณ์ที่เหมาะ สมที่สุดในการวัดอุณหภูมิที่สูงกว่า 150 องศาเซลเซียสขึ้นไป . ซึ่งงานอุตสาหกรรมส่วนใหญ่มักต้องเกี่ยวกับอุณหภูมิสูงๆ เหล่า นี้ เช่น ใน การชุบแข็งเหล็กกล้าชนิดหนึ่ง จะต้องให้ความร้อนแก่เหล็กจนมีอุณหภูมิ ประมาณ 780องศาเซลเซียส แล้วรักษาอุณห ภูมิ นี้ไว้ชั่วขณะหนึ่ง. จากนั้นจึง จุ่มลงไปในน้ำให้เย็นตัวลงทันทีทันใด. โครงสร้างของเนื้อโลหะจะกลายเป็นผลึก ที่มีความเค้นสูง และ มีความแข็ง แกร่งมากเรียกว่า มาร์เทนไซต์ ( martensite ) จุดสำคัญ ของขบวนการชุบแข็งนี้ ก็คือ การรักษาอุณหภูมิที่ 780 องศาเซลเซียส นี้ ให้ถูกต้อง มากๆ. มิ ฉะนั้นเหล็กกล้าที่ได้ก็จะไม่แข็งอย่างที่ต้องการ. งานแบบนี้ละ ครับที่เทอร์โมคับเปิล ถนัด. ถ้าจะใช้ไอซีครวจอุณหภูมิอย่าง LM335Z หรือ ทรานซิสเตอร์ , ไดโอดอย่างทั่วๆ ไป ก็มีหวังกรอบเป็นข้าวเกรียบแน่.

หลักการทำงาน

เทอร์โมคับเปิลนั้น มีประวัติค่อนข้างเก่าแก่ทีเดียว คือ ถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2364 โอยนักฟิสิกส์ ชาวเยอรมันชื่อ โทมัส โจฮานน์ ซีเบค ( Thomas Johann Seebeack ) ได้ค้นพบว่า เมื่อต่อโลหะ 2 ชนิด เข้าด้วยกัน ตามรูปที่ 1 ให้มีรอยต่อ ระหว่างโลหะ2 ชนิด นี้ 2 แห่ง แล้วทำให้รอยต่อทั้งสองมีอุณหภูมิต่างกัน จะเกิดกระแสไฟฟ้าขนาดอ่อนๆ ไหลภายในวงจร การ ที่เกิดกระแสไฟฟ้าไหลได้นี้ เนื่องจากมีความแตกต่างศักย์เกิดขึ้น ที่รอยต่อแต่ละแห่ง และ มีขั้วตรงข้ามกัน. โดยที่แรงดันขั้ว รอยต่อร้อนจะสูงกว่า แรงดันที่รอยต่อเย็น . ความต่างศักย์ที่ เกิดขึ้นบนรอย ต่อของโลหะนี้เราเรียกว่า " แรงดันไฟฟ้าซี เบค " ( Seebeck EMF ) ผลต่างของแรงดันที่เกิดขึ้นนี้ทำให้เกิดเป็นแรงดันจำนวนหนึ่งที่ ทำให้มีกระแสไหลก็ได้.

รูปที่ 1 วงจรพื้น ฐานของเทอร์โมคัปเปิล

แรงดันที่เกิดขึ้นมีค่าน้อยมาก โดยปกติจะมี ค่าประมาณ 0.2 - 0.3 มิลลิโวลต์เท่านั้น. ซึ่งขึ้นอยู่ กับชนิดของโลหะที่นำมา จับคู่ด้วย ได้มีผู้ทดลองจับคู่โลหะชนิดต่างๆ เพื่อทำเป็น เทอร์โมคัปเปิล สำหรับงานแต่ละแบบไว้หลายคู่ แต่ละคู่จะเรียกชื่อตาม ตัวอักษรภาษาอังกฤษตารางที่ 1 แสดงถึงคุณสมบัติของ เทอร์โมคัปเปิลบางชนิดที่นิยมใช้กัน.

ตารางที่ 1 : เทอร์โมคัปเปิลชนิดต่าง ๆ ที่นิยมใช้กัน

จากตารางที่ 1 จะเห็นว่าเทอร์โมคัปเปิลชนิด N ที่สร้างจากโลหะผสมของนิกเกิล - โครเมี่ยม - ซิลิ กอน ( Nicrosil ) และ โลหะผสมของ นิเกิล - ซิลิกอน ( Nisil ) นั้น มีเสถียรภาพต่ออุณหภูมิดีเยี่ยม มีอายุ การใช้งานยาวนานที่ อุณหภูมิสูง ให้แรงดันสูง กว่าเทอร์โมคัปเปิล อุณภูมิสูงๆ ด้วยกัน และ ราคาถูก ทำให้มันได้ รับความนิยมเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ

ความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลง อุณหภูมิที่รอยต่อของเทอร์โมคัปเปิล และ แรง ดัน ผลลัพธ์ที่ได้นั้นไม่ได้เปลี่ยน แปลงแบบเชิงเส้น แต่จะคล้ายกราฟพาราโบลา ( parabolic curve ) ดังแสดงในรูปที่ 2 . บรรดา ผู้ผลิตจึงต้องแนบตาราง ความสัมพันธ์ของแรงดันอุณหภูมิ ประจำเทอร์โมคัปเปิลแต่ละชนิดให้ผู้ใช้ทราบด้วย.

รูปที่ 2 ความ สัมพันธ์ระหว่างค่าอุณหภูมิ และแรงดันซีเบคที่เกิดขึ้นนั้นไม่เป็นเชิงเส้น แต่เป็นแบบ พาราโบล่า

หลากชนิด หลายแบบ

เทอร์โมคัปเปิลสำหรับอุณหภูมิสูงๆที่ ใช้งานจริงนั้น มีรูปร่างต่างๆกัน. แบบที่ง่ายที่สุดนั้นอาจจะเป็นลวดเส้นเล็ก ๆ สอง เส้นร้อยผ่านฉนวนที่ทำจากเซรามิก แล้วเชื่อมปลายให้ติดกัน ดังรูปที่ 3. เทอร์โม คัปเปิลแบบนี้ใช้ในเตาเผาเครื่องเคลือบดินเผา ขนาดเล็ก ๆได้ แต่สำหรับการวัดอุณหภูมิ ในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนสูง. หรือ เกี่ยว ข้องกับปฏิกริยาเคมี เช่น ไอของสาร เคมีโลหะที่หลอมละลาย หรือ เปลวไฟแล้ว จำเป็นที่จะต้องหุ้มเทอร์โมคัปเปิล ด้วยปลอกโลหะ แล้วบรรจุสารที่เป็นฉนวนไฟฟ้า แต่นำความร้อนได้ดีไว้ระหว่างกลาง ให้ เทอร์โม คัปเปิลติดตั้งอยู่แน่นหนากับปลอกโลหะนั้น ดังแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 3 โครง สร้างพื้นฐานของเทอร์โมคัปเปิลแบบง่าย ๆ ที่ เหมาะสำหรับการวัดอุณหภูมิในเตาอบไฟฟ้า

จะเห็นว่ามีวิธีติดตั้งอยู่ 3 แบบ คือ ในรูปที่ 4 ( ก ) จะโผล่ส่วนปลาย ที่เป็นรอยต่อระหว่างโลหะทั้งสองโผล่อกมาแบบนี้ จะให้ผลตอบ สนองต่ออุณหภูมิ เร็วแต่ไม่สามารถทนการกัดกร่อนจากปฏิกริยาเคมีได้.

รูปที่ 4 วิธีที่ นิยมกันในการป้องกันเทอร์โมคัปเปิล ในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนสูงหรือ ที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมี (ก) ปล่อย ให้รอยต่อโผล่ออกมา (ข) และ (ค) บรรจุรอยต่ออยู่ในเปลือกหุ้ม

วิธีที่สองแสดงในรูปที่ 4 ( ข ) คือ หุ้มรอยต่อทั้งหมดไว้ในปลอก ซึ่งป้องกันการเสียหายได้ดี แต่การตอบสนองต่ออุณหภูมิ จะช้าลง เพราะปลอกหุ้ม และ ฉนวนจะนำความร้อนได้ช้า ซึ่งแก้ไขด้วยการติดตั้ง ในรูปที่ 4 ( ค ) คือ รอยต่อถูกยึดติดกับด้าน ในของปลอกหุ้ม จึงได้ทั้งความไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ และ ป้องกันการ เสียหายได้ดี.

โดยทั่วไปแล้ว ในปัจจุบันนี้ เปลือกหุ้มจะทำมาจากเหล็กสแตนเลส หรือ เซรามิก. อย่างไรก็ตาม ในยุคหลังๆ นี้ได้เปลี่ยนมา ใช้โลหะผสมพิเศษ เช่น นิ โครซิล ( Nickel - Chromium - Sillicon ) เพราะมีความเหมาะสมในด้าน สัมประสิทธิ์การขยาย ตัวต่ออุณหภูมิระหว่างปลอกหุ้ม และโลหะที่ใช้ทำตัวเทอร์โมคัปเปิล และ เป็นการลดค่าความเค้นอันเนื่องมาจาก ความร้อนให้ เหลือน้อยที่สุด. ดร. โนแอล เบอร์เลย์ นักวิทยาศาสตร์ชาว ออสเตรเลีย ได้ เผยแพร่พัฒนาการในการปรับปรุงโลหะผสม ที่ใช้ทำ เปลือกหุ้ม เรียกว่า นิโคลเบล ( Nicrobell ) และเป็นผู้ รับผิดชอบการพัฒนาโครงสร้างที่มีแร่เป็นฉนวน และ เปลือกหุ้ม เป็น โลหะ ( Mineral Inmulated , Meltal Sheath หรือ MIMS ) ดังแสดงในรูปที่ 5 ซึ่งได้ กลายม่เป็นโครงสร้างยอดนิยม สำหรับเทอร์โมคัปเปิลอุณหภูมิสูงทั้ง หลายในปัจจุบัน.

รูปที่ 5 โครงสร้างที่มีแร่เป็น ฉนวนและเปลือกหุ้มเป็นโลหะหรือ MIMS ของ เทอร์โมคัปเปิล ซึ่งสามารถดึงลดขนาดจนมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลงถึง 0.5 มม.

การใช้งานเทอร์โมคัปเปิล

ในการวัดอุณหภูมิด้วยเทอร์โมคัปเปิล นั้น จะ ต้องควบคุมอุณหภูมิที่รอยต่อด้านหนึ่งไว้ในอุณหภูมิคงที่. ในขณะที่รอยต่อ อีกด้านหนึ่งอยู่ใน อุณหภูมิที่ต้องการวัด . ถ้าต้องการความเที่ยงตรงสูง จะต้องแช่รอยต่อด้สนหนึ่งไว้ในกระติก น้ำแข็ง ที่ 0 องศาเซลเซียส แต่ถ้าไม่ต้อง การความเที่ยงตรงมากนักก็ปล่อยรอยต่อด้านเย็นไว้ที่อุณหภูมิ ปกติก็ได้ . จากนั้นทำการวัดแรงดัน ที่ได้จากเทอร์โมคัปเปิล แล้วนำมาหาค่าอุณหภูมิที่แท้จริงจากสมการ

V_a = Vm + V r

เมื่อ Va คือ แรงดันซีเบคที่เกิดขึ้นที่รอยต่อแอคทีฟ ( ในอุณหภูมิที่ต้องการทราบ ) Vm คือ แรงดันที่วัดได้ Vr คือ แรงดันซีเบคที่เกิดขึ้นที่รอยต่ออ้างอิง. ( ใน อุณหภูมิคงที่ ) หรือ จะกล่าวง่ายๆ คือ หาค่าแรงดัน V r จากตารางความสัมพันธ์ ระหว่างแรงดัน และ อุณหภูมิ เมื่อทราบค่าอุณหภูมิอ้างอิง ( Tr ) แล้วนำไปบวกกับแรงดันที่วัดได้ ได้ผลลัพธ์เป็นแรงดัน Va แล้วค่อยหาอุณหภูมิที่ ต้องการทราบ ( Ta ) จากตารางเดิมอีกครั้งหนึ่ง.

หากพิจารณาจริงๆ แล้ว จุดเชื่อมต่อ สองจุดระหว่างเทอร์โมคัปเปิลกับสายต่อภายนอกที่ต่อไปยังโวลต์มิเตอร์ ก็มีคุณ สมบัติเป็นเทอร์โมคัปเปิลด้วยเหมือนกัน คือ ส่วนที่อยู่ในเส้นประในรูปที่ 6 จึงควรให้สายต่อภายนอกทั้งสองเส้นนี้ เป็นโลหะ ชนิดเดียวกัน และ ให้อุณหภูมิที่รอยต่อทั้งสองเท่ากัน. ก็จะไม่มีผล กระทบกับความถูกต้องของการวัดอุณหภูมิ.

รูปที่ 6 ในทาง ปฏิบัติ รอย ต่ออ้างอิงจะถูกแยกออกเป็นรอยต่อครึ่งหนึ่งสองจุด คือ Jr1 และ Jr2 ซึ่งโลหะที่ใช้ทำเทอร์โม คัปเปิลจะเชื่อมต่อกับวงจรภายนอก

นอกจากการวัดอุณหภูมิสูงๆ แล้ว ตัวอย่างการ ใช้งานเทอร์โมคัปเปิลที่น่าสนใจอีกตัวอย่างหนึ่ง คือ ใช้ วัดกำลังส่งออก อากาศของเครื่องส่งวิทยุได้ . วิธีการ คือ ใช้ตัวจ้านทานที่ไม่มี คุณสมบัติของตัวเหนี่ยวนำ ( non - inductive resistor ) ขนาดเล็กๆ ต่อเป็นโหลด ของเครื่องส่งแล้วติดตั้งเทอร์โมคัปเปิลไว้ติดกับตัวต้านทานนี้. แล้วหุ้มด้วย กล่องแก้วสุญญากาศ ดัง แสดงในรูปที่ 7 . ค่ากำลังงานที่สูงขึ้นของเครื่องส่งจะ ทำให้ อุณหภูมิ ของตัวต้านทานเพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังงาน อาร์เอ็มเอส แล้วทำการปรับแรงดันที่ ได้จากเทอร์โมคัปเปิลให้อยู่ในรูปของระดับกำลังงานของคลื่นวิทยุ. หลักการวัด กำลังงาน ของคลื่นวิทยุวิธีนี้มีความเที่ยงตรงอยู่ในขั้นใช้ได้ทีเดียวง และ ใช้กันอย่างกว้างขวางก่อนที่จะค้นพบวิธีการวัดกำลังงานของ คลื่นวิทยุวิธีอื่น.

รูปที่ 7 เทอร์โม คัปเปิลขนาดเล็กที่บรรจุอยู่ภายในภาชนะที่เป็นสูญญากาศ และตัวต้านทาน ที่เป็นโหลดรวมอยู่ด้วย ซึ่งใช้ในการวัดกำลังงานของความถี่วิทยุ

สำหรับการวัดอุณหภูมิแบบทั่วไปจะใช้ วงจรอิเล็กทรอนิกส์อีกเพียงเล็กน้อยง คอยติดตามในตอนที่สองครับ เราจะสร้าง เทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้วัดอุณหภูมิสูงๆ ถึง 900 องศาเซลเซียส โดยใช้ เทอร์โมคัปเปิล ชนิด K กัน.

เทอร์โมคัปเปิล ตอนจบ

ในตอนนี้จะอธิบายถึง เทอร์โมมิเตอร์ หรือ ไพรอมิเตอร์. ในทางปฏิบัติที่สามารถใช้ วัดอุณหภูมิได้สูงถึง 900 องศา เซลเซียส เหมาะมากสำหรับการใช้วัด อุณหภูมิในเตาอบขนาดเล็ก ใช้ในอุตสาหกรรมเครื่องปั้นดินเผา เครื่องเคลือบ หรือ การปรับคุณสมบัติของโลหะด้วยความร้อน.

การใช้เทอร์โมคัปเปิลชนิด K ไพโร มิเตอร์แบบง่าย ๆ เหมาะสำหรับการวัดอุณหภูมิในเตาอบได้สูงถึง 900 องศา

จากตอนที่แล้วได้กล่าวถึงการใช้ความ ร้อนในการปรับคุณสมบัติของโลหะ ซึ่งทำมาจากเหล็กกล้า เงิน โดยการอบให้มี อุณหภูมิประมาณ 780องศาเซลเซียสและทิ้งไว้ที่อุณหภูมินี้ ประมาณ 15 นาที จึงทำให้เย็น ลงอย่างรวดเร็ว โดยการจุ่มลงในน้ำ หรือ ของเหลวชนิดอื่น. อุณหภูมิจะต้องถูกรักษาไว้ใกล้เคียงกับค่าที่ถูกต้อง. มิฉะนั้นแล้ว ชิ้นส่วนจะไม่เกิดการแข็ง อย่างสม่ำเสมอ และ จะชำรุดเสียหายเมื่อนำไปใช้งาน. ถ้าหากถูกทำให้ร้อนจนเกินไปก่อนี่จะถูก จุ่มให้เย็น. คาร์บอนบางส่วนในเนื้อเหล็กจะไหม้ สลาย ไปในทางตรงกันข้าม ถ้ากากร้อนไม่เพียงพอ " สภาวะของแข็ง " ( solid soulution ) ของเหล็กที่ มีคาร์บอนที่ถูกต้อง จะไม่ เกิดก่อนที่จะทำการจุ่ม ให้เย็น ผลึก ที่แข็งมากของมาร์เทนไซท์ก็จะไม่เกิดขึ้น.

วิธีการเก่าแก่ในการตัดสินค่าอุณหภูมิ ที่ถูกต้องก็โดยการดูสีของเนื้อเหล็กด้วยตา ยกตัวอย่างเช่นที่อุณหภูมิ 780 องศาเซลเซียส จะอยู่ตรงกึ่ง กลางระหว่างแดงเชอรี่ และ แดงสด. ซึ่งสีนี้อาจจะง่ายสำหรับ คนที่มีประสบการณ์สูง แต่กับคนที่ไม่ ค่อยมีประสบการณ์อาจคะเน ผิดได้. ซึ่งก็มีวิธที่ดีกว่า คือ การวัดด้วยเทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิ หรือ ไพโรมิเตอร์ ( pyrometer ) ซึ่งมีอยู่หลายชนิด. บางชนิดทำงาน โดยการเปรียบเทียบกับสีที่อ้างอิง.

ไพโรมิเตอร์

ไพโรมิเตอร์ในทางการค้ามักมีราคาแพง และ ไม่เหมาะกับงานเล็กน้อย. แต่ก็เป็นไปได้ในการสร้างไพโรมิเตอร์อย่างง่าย โดยการใช้เทอร์โมคัปเปิล ซึ่งจะทำหน้าที่ได้เหมือนกัน แต่ด้วยราคาที่ถูกกว่ามาก.

ไพโรมิเตอร์ขนาดเล็กที่จะอธิบายในที่ นี้ใช้เทอร์โมคัปเปิล ชนิด K เป็นโพรบ ซึ่งขึ้นอยู่ กับรอยต่อระหว่างโลหะโครเมล - อลูเมล. เทอร์โมคัป เปิลชนิดนี้เหมาะสำหรับการวัดค่าอุณหภูมิในช่วง 900 องศา เซลเซียส โดยจะให้ค่าเอาท์พุต อย่างเหมาะสม และ มีความเที่ยงตรง ตลอดจนมีราคาถูก.

.สำหรับงานที่ ไม่ต้องการความเที่ยงตรงสูงนัก การใช้เทอร์โมคัปเปิลชนิด K ก็เป็นการเพียงพอ แล้ว. แต่ถ้าหากต้องการค่า ความเที่ยงตรงสูงกว่านี้ และ มีเสถียรภาพดี กว่านี้ อาจจะต้องใช้เทอร์โมคัปเปิลชนิด N .

.นอกจากนี้ไพ โรมิเตอร์ขนาดเล็กที่อธิบายในที่นี้ไม่ได้จำเพาะเจาะจงที่จะใช้กับเทอร์โม คัปเปิลชนิด K เท่านั้น. ยังสามารถ ใช้กับชนิด N , J หรือ E ก็ได้ หรือ แม้แต่กับชนิด ที่มีราคาแพงขึ้น เช่น ชนิด R และ S.

โดยการดัดแปลงเพียงเล็กน้อย แต่ขอเน้นว่า วงจรนี้ตั้งใจสำหรับใช้วัดแบบสมัครเล่น ไม่ได้ออกแบบาหรับการใช้กับอุตสาห กรรม ดังนั้นจึงไม่ ขอแนะนำให้ใช้กับเทอร์โมคัปเปิลแบบแพงๆ เช่น ชนิด R หรือ S .

หลักการพื้นฐานในการออกแบบวงจรนี้ก็ เพื่อใช้วัดอุณหภูมิของชิ้นเหล็ก ที่จะทำการปรับคุณสมบัติด้วยความร้อน และยังคงเหมาะกับการวัดอุณหภูมิในเตาอบ. โดยโพรบชนิด K นั้น สามารถทนอุณหภูมิได้สูงถึง 1100 องศาเซลเซียส . ในขณะที่ชนิด N สามารถทนอุณหภูมิได้สูงถึงประมาณ 1250 องศาเซลเซียส . ส่วนชนิด R และ S สามารถทน อุณหภูมิได้สูงกว่าจนถึง ประมาณ 1400 องศาเซลเซียส.

ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว เทอร์โมคัป เปิลจะผลิตแรงดันเอาท์พุตดีซีขนาดเล็ก ซึ่งเป็นสัดส่วนกับค่าความแตกต่างของ อุณหภูมิ ที่รอยต่อการทำงาน และ รอยต่ออ้างอิง. ซึ่งหมายความว่า สิ่งที่เราต้องการในการสร้างไพโรมิเตอร์นอกจากตัวเทอร์โมคัปเปิล แล้วก็คือ การวัดแรงดันดีซีขนาดเล็ก หรือ ที่ เรียกว่า ดีซี มิลลิโวลต์มิเตอร์.

แน่นอน ทางออกอีกทางหนึ่งก็โดยการใช้ดิจิตอล มัลติมิเตอร์ ซึ่งมีอยู่หลายแบบที่ มีย่านการวัดแรงดันต่ำๆ ที่เหมาะสม. แต่มีราคาค่อนข้างแพง และ ไม่เหมาะกับการนำมาใช้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าต้องการไพโรมิเตอร์ สำหรับการวัดอุณหภูมิเตาอบเป็นระยะเวลา นานๆ.

วิธีการอื่นๆก็โดยการต่อเทอร์โมคัป เปิลโดยตรงเข้ากับใเตอร์แบบเข็มแกว่งขนาดเล็ก ซึ่งใช้ได้ใน บางสถานการณ์เท่านั้น แต่โดยทั่วไปแล้วผลที่ได้ไม่น่าพอใจ. เรื่องจากเอท์พุตของเทอร์โมคัปเปิลมี ค่าต่ำเกินไป ที่ค่าอุณหภูมิที่เราสนใจยกตัวอย่าง เช่น ที่ เอาต์พุตค่าสูงสุดของโพรบชนิด E จะผลิตแรงดันเพียง 59 มิลลิ โวลต์ ที่อุณหภูมิ 780 องศาเซลเซียส . ในขณะที่ชนิดที่หาได้ ง่ายกว่า คือ ชนิด K จะให้ค่าเอาต์พุตที่ต่ำ กว่า คือ 32.45 มิ ลลิโวลต์ที่อุณหภูมิ 780 องศาเซลเซียส

ถ้าหากพิจารณาว่า มิเตอร์แบบ เข็มส่วนใหญ่แล้วจะมีค่าความไวต่อแรงดัน โดยปกติเท่ากับ 100 มิลลิ โวลต์เต็มสเกลโดย ไม่คำนึงถึงค่าความไวของกระแสจะปรากฏชัดเจนว่า การอ่านค่าแรง ดันต่ำๆ เหล่านี้ ที่ค่าความเที่ยงตรงใดๆ เป็นเรื่องที่ยากมาก.

ทางเลือกอื่นก็โดยการใช้วงจรขยาย สัญญาณไฟตรงขนาดเล็ก ซึ่งวงจรนี้ทำหน้าที่แปลงมิเตอร์เข็มแกว่งราคาถูกแบบ มาตราฐานขนาด 0 - 1 mA .ให้เป็นดีซีมิ ลลิโวลต์มิเตอร์ ที่มีค่าแรงดันเต็มสเกลที่เหมาะสมขนาด 50 มิลลิโวลต์เพื่อให้เหมาะสมกับโพรบชนิด K .

ไพโรมิเตอร์ทำเอง

วงจรสมบูรณ์ของไพโรมิเตอร์ ซึ่งเป็นวงจรที่ง่าย ๆ

วงจรนี้ใช้ออปแอมป์เบอร์ 741 จำนวน 2 ตัว ซึ่งมีราคาถูก และ ใช้แรงดันขนาด 9 โวลต์จากแบตเตอรี่ และ ยังสามารถ ทำงานจากแหล่ง จ่ายไฟตรงขนาด 9 โวลต์. ถ้าหากต้องการใช้วัดเป็นระยะเวลานานๆ.

ลักษณะของวงจรขยายแรงดันพื้นฐาน แสดงให้เห็นรูปที่ 1 ตัวต้านทาน R1 จะใช้สำหรับสร้างแรงดัน E1 เพื่อตอบ สนองต่อกระแสของมิเตอร์ I0 และ เนื่องจากอินพุตขั้วลบของออปแอมป์จะต่ออยู่กับด้านบนของ Rf ดังนั้น Ef จะกลายเป็นแรง ดันป้อนกลับทางลบ

เนื่องจากออปแอมป์นั้นมีค่าอัตราขยาย เมื่อไม่มีการป้อนกลับ ( open - loopgain ) เท่ากับ A จึงทำให้แน่ใจว่า Ef จะแปรตามแรงดันของเทอร์โมคัปเปิล Ei อย่างใกล้ชิด. ซึ่งเป็นผลให้ กระแสของมิเตอร์ I0 จะแปรผันโดยตรงกับ Ei และ แปรผกผันกับ Rf

ดังนั้นวงจรนี้จึงเป็นวงจรแปลงแรงดัน ให้เป็นกระแสแบบเชิงเส้น ( liner voltage - to - converter ) ซึ่งอัตราส่วน จะถูกกำหนดโดยค่าของ Rf โดยการเปลี่ยนค่าของตัวต้านทานนี้ เราสามารถให้มิเตอร์มีค่าความไวใด ๆ ในรูปของอินพุต Ei เป็นมิลลิโวลต์ ยกตัวอย่าง เช่น ถ้าหากมิเตอร์เป็นแบบ 0 - 1 mA โดยการใช้ R f ค่า 50 โอห์ม จะเปลี่ยนมิเตอร์เป็นขนาด 0 - 50 mV เช่นเดียวกัน ถ้าใช้ Rf ค่า 20 โอห์ม ก็จะเปลี่ยนมิเตอร์นี้เป็นขนาด 0 - 20 mV.

การทำเช่นนี้หมายความว่า มิเตอร์ที่ กำหนดสเกลเป็น 0 - 1 mA จะให้ค่าเต็มสเกลหักเหไป เมื่อมีกระแส ผ่านอย่างแน่นอน 1 มิลลิแอมป์ โดยทั่วไปแล้วจะไม่เป็นเช่นนี้ เนื่องจาก มิเตอร์จะมีค่าความคลาดเคลื่อนระหว่าง 3% และ 5% สำหรับความต้อง การในขณะนี้ ถือว่าเป็นสิ่งสำคัญมาก. เนื่องจากความผิดพลาด 5% ในการวัดเอาท์พุตของเทอร์โมคัปเปิล ชนิด K ที่ ประมาณ 800 องศา เซลเซียส จะเทียบเท่ากับการผิดพลาดของอุณหภูมิ ประมาณ 50 องศาเซลเซียส

หรือ กล่าวอีกนัยหนึ่ง เราไม่สามารถ ที่จะใช้ตัวต้านทานค่า 1% สำหรับ Rf และ สมมุติว่าทุกสิ่งใช้ได้. เนื่งจากค่าความ ผิดพลาดจากความคลาดเคลื่อน ในค่าความไวของกระแสมิเตอร์ ทำให้จำเป็นที่จะต้องมีการปรับแต่ง ( calibration ) ก่อน.

เนื่องจากแรงดันเอาท์พุตจากเทอร์โมคัป เปิล ไม่ เป็นฟังก์ชั่นเชิงเส้น กับค่าอุณหภูมิ. เราไม่สามารถจะปรับแต่งมิเตอร์ใน รูปของดีซีมิลลิโวลต์ แล้วจึงใช้ วิธีการ และ ตารางจากตอนที่แล้ว ( ตารางที่ 2 ) ในการหาค่าอุณหภูมิที่ตรงกัน.

การทำงานของวงจร

คราวนี้มาลองดูวงจรทั้งหมดกันเลย IC1 จะเป็นวงจรขยายแรงดันให้เป็นกระแสแบบ พื้นฐาน. ดังแสดงในรูปที่ 1 โดยการ ใช้ออปแอมป์เบอร์ 741 แบบมาตราฐานราคาถก . เนื่องจากเรา ไม่ต้องการลักษณะพิเศษในรูปของค่าอินพุตอิมพีแดนซ์ที่สูง หรือ ความ สามารถในการขับเอาท์พุต

.

รูปที่ 1 วงจรพื้น ฐานที่ใช้ในวงจรวัดของไพโรมิเตอร์เพื่อทำหน้าที่เป็นวงจรแปลงแรงดันให้เป็น กระแส

ออปแอมป์ตัวที่สอง IC2 ใช้สำหรับแบ่งแรงดันของแหล่งจ่ายไฟขนาด 9 โวลต์ เพื่อให้ IC1 ทำงานในส่วนที่เป็นเชิงเส้น ที่สุดของเคิร์ฟการส่งผ่าน ( transfer curve ) IC2 จะถูกต่อเป็นวงจรขยายแรงดันตามที่มี อัตราขยายเท่ากับ 1 มีอินพุต ต่อ เพื่อ แบ่งแรงดัน โดย R5 และ R6 เอาต์พุตอยู่ตรงกึ่งกลางระหว่างแรงดันของแหล่งจ่ายไฟ และ ใช้ สำหรับต่อให้เกิดระดับแรง ดันของแหล่งจ่ายไฟ และ ใช้สำหรับต่อให้เกิดระดับแรงดันไบแอสอ้างอิงสำหรับ IC1 ตัวเก็บประจุ C2 ใช้ป้องกันสัญญาณรบ กวนใดๆ ที่จะเข้าไปยัง IC1 โดยผ่านจุดระดับแรงดันอ้างอิง ดังนี้

เทอร์โมคัปเปิลจะถูกต่อเข้ากับอินพุต ของ IC1 โดยผ่านเนตเวอร์กแบบง่ายๆที่ประกอบ ด้วย R1 , R2 และ C1 หน้าที่ของ R1 ก็เพื่อที่จะกลบผลของความต้านทาน ระหว่างสาย และ ขั้ว ต่อในเทอร์โมคัปเปิล. ในขณะที่ C1 ใช้ป้องกันอินพุตของ IC1 จากการลอยอยู่ ขณะที่สายโพรบอาจจะไม่ได้ต่อไว้.

โปเทนชิโอมิเตอร์ VR1 ใช้เพื่อลบล้างระดับแรงดันออฟเซ็ตของ อินพุตของ IC1 ซึ่งอาจจะสูงถึง + 15 มิลลิโวลต์ ซึ่ง ค่อนข้างต่ำแต่ ก็มากเพียงพอในที่นี้.

ส่วนสุดท้าย VR 2 R 3 R 4 ทั้งหมดนี้ทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานป้อนกลับแระแสเพื่อแทนที่ R f ในรูป ที่ 1 แนวคิดใน ที่นี้ก็เพื่อจัดหาตัวต้านทานที่เป็นผล ซึ่งค่าของมันจะเปลี่ยนแปลงได้ในย่าน แคบๆ เพื่อทำหน้าที่ในการปรับชดเชยสำหรับค่า ความผิดพลาดจากควาคลาดเคลื่อนของการ เคลื่อนที่ของมิเตอร์ และ เป็น การปรับแต่งตัวไพโรมิเตอร์.

ค่าของตัวต้านทานป้อนกลับที่แสดงไน วงจรจะสามารถเปลี่ยนแปลงได้จาก 45 ถึง 55 โอห์ม ( ประมาณ บวกลบ 10% จากค่า 50 โอห์ม ) ซึ่งเป็นการ เพียงพอที่จะยอมให้วงจรถูกตั้งค่าความเที่ยงตรงไว้ที่ 50 มิลลิ โวลต์ เต็ม สเกลหักเหเสมือนกับ การเคลื่อนที่จาก 0 - 1

วงจรนี้ตั้งใจสำหรับให้ใช้กับเทอร์โม คัปเปิลชนิด K หรือ ชนิดใดๆ ก็ได้ ซึ่งสามารถอ่านค่าได้อย่างเที่ยงตรงจากมิเตอร์ ขนาด 0 - 50 mV ซึ่งรวมไปถึงชนิด J หรือ ชนิด E ( วัดได้สูง ประมาณ 750 องศาเซลเซียส)

สำหรับเทอร์โมคัปเปิลที่มีค่าเอาต์พุ ตต่ำกว่า เช่น ชนิด R และ S คุณจะต้องดัดแปลงค่าของ R 3 และ R 4 ใหม่เพื่อ ให้วงจรมีค่า เต็มสเกลหักเหเท่ากับ 20 mV เป็นต้น. โดยค่าของ R 3 เท่า กับ 150 โอห์ม และ R 4 เท่ากับ 27 โอห์ม จะ สามารถมีคุณสมบัติตามนี้ โดยจะให้ผ่านการปรับจากประมาณ 18.6 ถึง 21.25 โอห์ม ( ประมาณ + 6 % จากค่า 20 โอห์ม )

การสร้าง

ภาพแสดงภายในของกล่อง โดยแผ่นวงจรพิมพ์ติดตั้งไว้ในแนวตั้ง ระหว่างมิเตอร์และแบตเตอรี่ 9 โวลต์

วงจรสร้างขึ้นบนแผ่นวงจรพิมพ์ขนาดเล็ก ดังแสดงในรูป ขนาด 62 X 31 มม. ซึ่งได้ออกแบบมาสำหรับติดตั้งอยู่ภายใน กล่องพลาสติกขนาดเล็ก.

มิเตอรที่ใช้ในวงจรต้นแบบนี้ เป็นแบบสี่ เหลี่ยมขนาดเล็ก ชนิด 0 - 1 mA ขนาด 57 X 52 มม. เพื่อให้ดูง่ายขึ้น และเที่ยง ตรงอาจใช้มิเตอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่านี้ แต่ราคาก็จะสูงกว่านี้.

เราใช้ปลั๊ก และ ซ็อกเก็ต 2 ขาที่มี ขั้ว ซึ่ง ที่ตัวปลั๊กมีขากลมๆ 2 ขา ที่มีความโตไม่เท่ากัน. เพื่อต่อเข้ากับตัวเทอร์โมคัปเปิล เข้ากับวงจรที่ใช้วัด. สวิตซ์โยกขนาดเล็กใช้ทำหน้าที่เปิด - ปิด ไฟเข้าเครื่อง.

ในการประกอบวงจรวัด ควรจะทำตาม ขั้นตอนโดยใช้ไดอะแกรมเดินสาย และ รูปภาพประกอบ. ในการประกอบอุปกรณ์ ลงบนแผ่นวงจร พิมพ์ ให้ลงตัวต้านทาน และ สายต่อลงไปก่อนแล้วจึงลงตัวเก็บประจุไอซี และ โปแทนชิ โอมิเตอร์ในขั้นตอนสุด ท้าย โดยต้องระวังการลงขาของไอซี และ ตัวเก็บประจุ แบอิเล็กทรอนิกส์ ให้ถูกต้อง. และ ดูว่าได้ติดตั้งโปแทนชิโอมิเตอร์สอง ตัวไว้ในตำแหน่งที่ถูกต้องของมัน.

กาติดตั้งอุปกรณ์และการเดินสายไปยังแผ่นวงจร

เมื่อทุกอย่างเสร็จสมบูรณ์ ก็พร้อมที่จะ เริ่มต้นการปรับแต่ง . ในขั้นแรกก็โดยการปรับมิเตอร์อย่างระมัดระวังให้เข็มชี้ ที่ ศูนษ์ ในขณะยังไม่เปิดไฟเข้า เครื่อง เพื่อให้สอดคล้องกับค่าศูนษ์บนสเกล.

การปรับแต่ง

คราวนี้ต่อแบตเตอรี่ และ เปิด สวิตซ์ ป้อนไฟเข้าเครื่อง. ในตอนแรกที่ยังไม่ได้ต่อโพรบเข้ากับวงจร สิ่งที่เกิดขึ้นทั้งหมด ก็คือ การกระดิกของเข็มเพียงเล็กน้อย ออกจากตำเหน่งสเกลที่เป็นศูนษ์ในทิศทางตรงกันข้าม. โดยการปรับเท นชิโอมิเตอร์ VR1 สามารถที่จะลบล้างค่าออฟเซ็ตนี้ และ ทำ ให้เข็มกลับไปที่ตำแหน่งศูนษ์อีกครั้งหนึ่ง. ลองทดสอบโดยการเปิด และ ปิด สวิตซ์สักสอง สามครั้ง. เพื่อให้แน่ใจว่าเข็มของมิเตอร์ไม่เคลื่อนที่อีกต่อไป VR1 จะถูกปรับไว้ที่ตำแหน่งที่ ถูกต้องแล้ว และ เป็นการพร้อมที่จะทำการปรับแต่งต่อไป.

การปรับแต่งสามารถทำได้ 2 วิธีด้วย กัน คือ โดย การปรับแต่งวงจรวัดนี้ให้เป็นดีซีมิลลิโวลต์มิเตอร์ หรือ โดยการปรับ แต่งไฟโรมิเตอร์นี้ที่ค่า อุณหภูมิที่ทราบค่า โดยการเทียบกับกับเครื่องอื่นที่ได้รับการปรับแต่งมาแล้ว. การปรับแต่งโดยวิธีแรกดู เหมือนจะเป็น วิธีที่ง่ายที่สุดสำหรับคนทั่วไป.

วิธีการปรับแต่งนี้มีอยู่หลายวิธีที่ เป็นไปได้ ถ้ากากมี ดิจิตอลโวลต์มิเตอร์ หรือมัลติมิเตอร์. วิธีที่ง่ายที่าดก็โดยการปรับแต่ง โดยเทียบกับ ดิจิตอลมิดตอร์โดยใช้แหล่งจ่ายไฟกระแสตรงที่ปรับค่าได้ หรือ ใช้ แบตเตอรี่ และ วงจรแบ่งแรงดัน เพื่อผลิตแรง ดัน ทดสอบที่เหมาะสมขนาด 50 มิลลิโวลต์.

วิธีนี้เป็นวิธีที่ดีที่สุดในการปรับ แต่งวงจรวัดที่ตำแหน่งเต็มสเกล. สำหรับความเที่ยงตรงสูงสุด แต่ถ้าหากคุณไม่มีดิจิตอล มิเตอร์ใด ๆ เลย หรือ เม้แต่มิเตอร์ แบบเข็มที่ดีหน่อยในการปรับเทียบขอแนะนำให้ใช้วงจรทดสอบแบบง่ายๆ ดังแสดงในรูป ที่ 2.

รูปที่ 2 เป็นวงจร ทดสอบแบบง่าย ๆ สำหรับการปรับแต่งวงจรวัดของไพโรมิเตอร์

โดยการใช้ถ่านแบบกระดุมใหม่ๆ ที่ใช้ในกล้องถ่ายรูป ก็สามารถที่จะผลิตแรงดันขนาด 50.5 mV เพื่อ ต่อเข้ากับอินพุต ของวงจรวัดของไพโรมิเตอร์ ( แทนที่ เทอร์โมคัปเปิล ) ดังนั้นเมื่อนำไปต่อแล้ว มันควรจะอ่านค่าสูงกว่าค่าเต็มสเกลบน หน้า ปัดมิเตอร์. ถ้าไม่เป็นเช่นนั้นให้ ปรับโปเทนชิโอมิเตอร์ VR2 จนกระทั่งเข็มมิเตอร์ชี้เต็มสเกลเลยไป เล็กน้อย.

หลังจากที่เสร็จสิ้นการปรับแต่งวงจร วัด ก็ พร้อมที่จะเสียบเทอร์โมคัปเปิลเข้ากับวงจร. จะต้องแน่ใจว่าขาต่อของมันต่อเข้า กับปลั๊กโดยมีขั้วที่ถูกต้อง โดยดูที่เครื่องหมาย + และ - ที่ทำไว้บนสาย .

ก่อนที่จะนำไพโรมิเตอร์นี้ไปใช้ มีวิธีการหลาย อย่างที่จะขอแนะนำ เกี่ยวกับการใช้. อย่างแรกได้แก่ เทอร์โมคัปเปิลที่มี เปลือกหุ้ม จะใช้ระยะเวลาคงที่ทางความร้อนระยะหนึ่ง. ประมาณหลาย นาทีก่อนที่เทอร์โมคัปเปิลเองจะมีค่าอุณหภูมิเท่ากับ อุณหภูมิที่ เปลือกหุ้ม.

ดังนั้น ถ้าหากใช้ไพโร มิเตอร์นี้ในการวัดอุณหภูมิของเตาอบขนาดเล็ก. วิธีที่ดีที่ สุดก็โดยการปล่อยให้เทอร์โมคัปเปิลถูก ทำให้ร้อนโดยเตาอบด้วยตัวเองอย่างช้าๆ และ ปล่อย ทิ้งไว้ในเตาตลอดในระหว่างที่คุณต้องการวัด. และ เพื่อให้การวัดมีความ เที่ยงตรงมากขึ้น. จะทำให้โพรบนี้สัมปัสกับช่วงเวลาการรับความร้อน และ การเย็นตัวลง หลายๆ ครั้ง เพื่อเป็นการยืดอายุงาน.

ข้อแนะนำอื่นก็คือ การจำเทคนิค ที่ถูกต้องในการวัดค่าอุณหภูมิ โดยการใช้เทอร์โมคัปเปิล ดังที่ได้ กล่าวมาแล้วในตอน ที่แล้วว่า แรงดันเอาต์พุตของเทอร์โม คับเปิลที่วัดได้โดยมิเตอร์จริงๆ แล้วเป็นค่าความแตกต่างระหว่างแรงดันซี เบคที่เกอดขึ้น จากรอยต่อการทำงาน และ รอยต่ออ้างอิง.

สำหรับการวัดค่าอุณหภูมิที่เที่ยงตรง. สิ่งที่จำเป็น ต้องทำได้แก่ การวัด 2 สิ่ง คือ อย่างแรกเป็นการอ่านค่าจากไพโรมิเตอร์ และ อย่างที่สอง อ่านค่าอุณหภูมิของสภาพแวดล้อม ( ที่ตัวโพรบ และ วงจรวัดทำงานอยู่ ) โดยการใช้ เทอร์โมมิเตอร์ แบบ ธรรมดา.

และ จากตารางที่ 2 ในตอนนี้ แล้ว หรือ จากตารางสมมูลย์ สำหรับเทอร์โมคัปเปิลที่กำกับมา. ลองหาค่าแรงดันของรอย ต่ออ้างอิง ซึ่ง สอดคล้องกับค่าอุณหภูมิของสภาพแวดล้อม ซึ่งจะทำให้หาค่าแรงดันที่รอยต่อทำงาน จริงๆ ออกมาได้ โดยสมการ ง่ายๆ คือ Va = Vm + Vr

เมื่อ Va เป็นแรงดันจริงๆ Vm เป็นแรงดันที่วัดได้โดยมิเตอร์ และ Vr เป็นอุณหภูมิของรอยต่อที่อ้างอิงดัง ที่หาได้จาก ตาราง. ขั้นสุดท้ายก็โดยการกลับ ไปยังตารางที่ 2 จาก ค่าที่ถูกต้องของ Va เราจะสามารถหาค่าอุณหภูมิจริงๆ ที่โพรบกำลัง วัดอยู่ได้.

นอกจากนี้ ถ้าหากต้องการ ตรวจสอบการปรับแต่งค่าอุณหภูมิ ของไพโรมิเตอร์ก็สามารถทำได้โดยการใช้ สารที่เราทราบ ค่าจุดหลอมเหลวแน่นอน. ยกตัวอย่าง เช่น อลูมิเนียมบริสุทธิ์ มี จุดหลอมเหลวอยู่ที่ 658 องศาเซลเซียส ในขณะที่ สังกะสีมีจุด หลอมเหลวอยู่ที่ 419 องศาเซลเซียส . แต่เพื่อความเที่ยงตรง จำเป็นต้องตรวจสอบอุณหภูมิในช่วงการ หลอมเหลว และ การแข็ง ตัวในสองทิศทาง คือ จากของแข็ง เริ่มหลอมเหลวเป็นของเหลว และ จากของเหลว เริ่มเย็นตัวลงเป็นของแข็ง. แล้วจึงนำค่า ทั้งสองนี้ มาหาค่าเฉลี่ย.

จากที่กล่าวมาทั้งหมดนี้ คงทำให้คุณผู้ อ่านรู้จักถึงการทำงานของเทอร์โมคัปเปิลบ้าง. ตลอดจนชนิดต่างๆ ของเทอร์โม คัปเปิลที่มีขายกันอยู่ในขณะนี้. รวมถึงวงจรที่ใช้วัดค่าอุณหภูมิแบบ ง่ายๆ ซึ่ง ก็คงจะเป็นประโยชน์ต่อผู้อ่านบ้างไม่มากก็น้อย.