ความแตกต่างระหว่างเทอร์โมคัปเปิล เทอร์มิสเตอร์ และ RTD

แนวคิดของอุณหภูมิ

จากมุมมองทางฟิสิกส์ ความร้อนเป็นการวัดพลังงานที่อยู่ในวัตถุเนื่องจากการเคลื่อนที่แบบไม่เป็นระเบียบของโมเลกุลหรืออะตอมภายใน เช่นเดียวกับลูกเทนนิสที่มีพลังงานมากขึ้นเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น พลังงานภายในของวัตถุหรือแก๊สจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อุณหภูมิเป็นตัวแปรที่ใช้อธิบายพลังงานรวมของวัตถุด้วยร่วมกับพารามิเตอร์อื่นๆ เช่น มวลและความร้อนเฉพาะ

หน่วยวัดอุณหภูมิพื้นฐานคือเคลวิน ที่ 0 °K (เอลวิน) โมเลกุลทุกตัวในร่างกายหยุดนิ่งและไม่มีความร้อนเหลืออยู่อีก ดังนั้นจึงไม่มีโอกาสที่จะมีอุณหภูมิเป็นลบเพราะไม่มีสถานะพลังงานที่ต่ำกว่านี้แล้ว

ในการใช้งานประจำวัน ปฏิบัติการทั่วไปคือการใช้อุณหภูมิเซลเซียส (เดิมเรียกว่าเซนติเกรด) จุดศูนย์ของมันอยู่ที่จุดเยือกแข็งของน้ำซึ่งสามารถจำลองได้ง่ายในทางปฏิบัติ ตอนนี้ 0 °C ไม่ใช่อุณหภูมิต่ำสุด เพราะทุกคนทราบจากประสบการณ์ การขยายมาตราเซลเซียสถึงอุณหภูมิต่ำสุดที่โมเลกุลหยุดเคลื่อนไหวทั้งหมด เราจะได้ -273.15 องศา

มนุษย์มีความสามารถในการวัดอุณหภูมิผ่านประสาทสัมผัสในช่วงที่จำกัด อย่างไรก็ตาม เขาไม่สามารถสร้างการวัดเชิงปริมาณได้อย่างถูกต้อง การวัดอุณหภูมิเชิงปริมาณรูปแบบแรกถูกพัฒนาขึ้นในฟลอเรนซ์ในต้นศตวรรษที่ 17 และอาศัยการขยายตัวของแอลกอฮอล์ การกำหนดมาตราส่วนนั้นอิงจากอุณหภูมิสูงสุดในฤดูร้อนและฤดูหนาว หนึ่งร้อยปีต่อมา นักดาราศาสตร์ชาวสวีเดน เซลเซียส ได้แทนที่ด้วยจุดละลายและจุดเดือดของน้ำ สิ่งนี้ทำให้เทอร์โมมิเตอร์สามารถปรับขยายหรือลดขนาดได้ตลอดเวลาและสามารถสร้างค่าการอ่านผลในภายหลังได้

การวัดอุณหภูมิด้วยไฟฟ้า

การวัดอุณหภูมิมีความสำคัญในหลาย ๆ แอปพลิเคชัน เช่น การควบคุมอาคาร การแปรรูปอาหาร และการผลิตเหล็กและผลิตภัณฑ์ปิโตรเคมี แอปพลิเคชันที่แตกต่างกันมากเหล่านี้ต้องใช้เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิที่มีโครงสร้างทางกายภาพแตกต่างกันและมักจะใช้เทคโนโลยีที่แตกต่างกัน

ในงานอุตสาหกรรมและการพาณิชย์ จุดวัดมักจะอยู่ไกลจากจุดบ่งชี้หรือจุดควบคุม การประมวลผลเพิ่มเติมของข้อมูลการวัดมักจำเป็นต้องใช้ในคอนโทรลเลอร์ เครื่องบันทึก หรือคอมพิวเตอร์ การใช้งานเหล่านี้ไม่เหมาะสำหรับการแสดงผลโดยตรงของเทอร์โมมิเตอร์ เพราะเรารู้จักกันจากการใช้งานประจำวัน แต่จำเป็นต้องแปลงอุณหภูมิเป็นรูปแบบอื่นของอุปกรณ์ ซึ่งก็คือสัญญาณไฟฟ้า เพื่อให้มีสัญญาณไฟฟ้าจากระยะไกล RTD มักถูกใช้งาน รวมถึงเทอร์มิสเตอร์และเทอร์โมคัปเปิลด้วย

RTD ใช้คุณสมบัติของการเปลี่ยนแปลงความต้านทานของโลหะตามอุณหภูมิ เป็นเซนเซอร์ที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก (PTC) ซึ่งความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โลหะหลักที่ใช้คือ พลาตินัมและนิกเกิล เซนเซอร์ที่ได้รับการใช้งานมากที่สุดคือ RTD ที่มีค่าความต้านทาน 100 โอห์ม หรือ 1000 โอห์ม หรือเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทานพลาตินัม

เซนเซอร์ RTD เป็นเซนเซอร์ที่แม่นยำที่สุดสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมและยังให้เสถียรภาพระยะยาวที่ดีที่สุด อัตราความถูกต้องของความต้านทานแพลตตินัมคือ + 0.5% ของอุณหภูมิที่วัดได้ หลังจากผ่านไปหนึ่งปี อาจเกิดการเปลี่ยนแปลง + 0.05 °C จากการเสื่อมสภาพของอายุ การวัดอุณหภูมิของเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทานแพลตตินัมมีช่วงอุณหภูมิอยู่ที่ -200 ถึง 800 °C

การเปลี่ยนแปลงของความต้านทานตามอุณหภูมิ

ความนำไฟฟ้าของโลหะขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่นำกระแส หากมีแรงดันไฟฟ้าประยุกต์ที่ปลายสาย อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วบวก ข้อบกพร่องในโครงร่างผลึกจะขัดขวางการเคลื่อนที่นี้ ซึ่งรวมถึงอะตอมภายนอกหรือขาดหายจากตำแหน่งในโครงร่างผลึก อะตอมที่ขอบเมล็ดและระหว่างตำแหน่งในโครงร่างผลึก เนื่องจากจุดข้อบกพร่องเหล่านี้ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ จึงสร้างความต้านทานคงที่ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อะตอมในโครงร่างผลึกโลหะจะสั่นสะเทือนมากขึ้นใกล้กับตำแหน่งที่หยุดนิ่ง ส่งผลให้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่นำกระแสลดลง เนื่องจากความสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้นแบบเส้นตรงตามอุณหภูมิ ความต้านทานที่เกิดจากการสั่นสะเทือนจึงขึ้นอยู่โดยตรงกับอุณหภูมิ

แพลตินัมได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายในงานวัดทางอุตสาหกรรม ข้อดีของมันรวมถึงความคงที่ทางเคมี การผลิตที่ค่อนข้างง่าย (โดยเฉพาะสำหรับการผลิตสายไฟ) ความสามารถในการได้รับในรูปแบบที่มีความบริสุทธิ์สูง และคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่สามารถทำซ้ำได้ ลักษณะเหล่านี้ทำให้เซนเซอร์ความต้านทานแพลตินัมเป็นเซนเซอร์วัดอุณหภูมิที่ถูกใช้งานแทนกันได้มากที่สุด

เทอร์มิสเตอร์ทำจากออกไซด์ของโลหะบางชนิดและค่าความต้านทานจะลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เนื่องจากคุณสมบัติความต้านทานลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น จึงเรียกว่าเซนเซอร์ที่มีค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานเชิงลบ (NTC) ตามลำดับ

เนื่องจากลักษณะของกระบวนการพื้นฐาน จำนวนอิเล็กตรอนที่นำกระแสจะเพิ่มขึ้นแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลตามอุณหภูมิ ดังนั้นคุณสมบัติจึงแสดงการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว การไม่เป็นเส้นตรงอย่างชัดเจนนี้เป็นข้อเสียของตัวต้านทาน NTC และจำกัดช่วงอุณหภูมิที่ใช้งานได้อยู่ประมาณ 100 °C พวกมันสามารถถูกปรับให้เป็นเส้นตรงโดยคอมพิวเตอร์อัตโนมัติได้ แต่ความแม่นยำและความเป็นเส้นตรงไม่สามารถตอบสนองความต้องการของการวัดในช่วงกว้างได้ การเปลี่ยนแปลงของค่าเมื่ออุณหภูมิแปรผันก็มากกว่าตัว RTD เช่นกัน การใช้งานของมันจึงจำกัดเฉพาะการตรวจสอบและการแสดงผลที่อุณหภูมิไม่เกิน 200 °C ในแอปพลิเคชันที่ง่ายนี้ ตัวต้านทาน NTC มีประสิทธิภาพเหนือกว่าเทอร์โมคัปเปิลและ RTD ที่มีราคาแพงกว่า เมื่อพิจารณาถึงต้นทุนที่ต่ำและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการซึ่งค่อนข้างง่าย

พื้นฐานของเทอร์โมคัปเปิลคือการเชื่อมต่อระหว่างโลหะสองชนิดที่แตกต่างกัน เทอร์มิสเตอร์ แรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากเทอร์โมคัปเปิลและ RTD จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ เมื่อเปรียบเทียบกับเทอร์โมมิเตอร์แบบความต้านทาน พวกมันมีขีดจำกัดอุณหภูมิสูงสุดที่สูงกว่า โดยมีข้อได้เปรียบอย่างมากที่ระดับหลายพันองศาเซลเซียส ส่วนเสถียรภาพระยะยาวค่อนข้างแย่เล็กน้อย (หลายองศาหลังจากผ่านไปหนึ่งปี) และความแม่นยำในการวัดก็ค่อนข้างต่ำ (เฉลี่ย + 0.75% ของช่วงการวัด) นอกจากนี้ยังใช้งานในเตาอบ เตาเผา การวัดแก๊สปล่องควัน และพื้นที่อื่นๆ ที่อุณหภูมิสูงกว่า 250 °C

ผลทางเทอร์โมอิเล็กทริก

เมื่อโลหะสองชนิดเชื่อมต่อกัน จะเกิดแรงดันไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกเนื่องจากพลังงานการผูกพันของอิเล็กตรอนและไอออนโลหะแตกต่างกัน แรงดันนี้ขึ้นอยู่กับโลหะเองและความร้อน หากต้องการให้แรงดันความร้อนนี้สร้างกระแสไฟฟ้า โลหะทั้งสองจำเป็นต้องเชื่อมต่อกันที่ปลายอีกด้านเพื่อสร้างวงจรปิด ในลักษณะนี้จะเกิดแรงดันความร้อนที่จุดเชื่อมต่อที่สอง เอฟเฟกต์เทอร์โมอิเล็กทริกถูกค้นพบโดย Seebeck ในปี 1822 และในปี 1828 Becquerel ได้เสนอให้ใช้เทอร์โมคัปเปิลแพลตินัม-พาลลาเดียมสำหรับการวัดอุณหภูมิ

หากอุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อทั้งสองเหมือนกัน จะไม่มีกระแสไหลเพราะแรงดันย่อยที่เกิดขึ้นที่จุดทั้งสองจะยกเลิกกัน แต่เมื่ออุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อแตกต่างกัน แรงดันที่เกิดขึ้นจะแตกต่างกันและกระแสจะไหล ดังนั้น เทอร์โมคัปเปิลสามารถวัดเฉพาะความแตกต่างของอุณหภูมิได้

จุดวัดคือจุดเชื่อมที่ถูกเปิดเผยต่ออุณหภูมิที่วัดได้ จุดเชื่อมอ้างอิงคือจุดเชื่อมที่อยู่ในอุณหภูมิที่ทราบแล้ว เนื่องจากอุณหภูมิที่ทราบมักจะต่ำกว่าอุณหภูมิที่วัดได้ จุดเชื่อมอ้างอิงจึงมักเรียกว่าจุดเย็น เพื่อคำนวณอุณหภูมิจริงของจุดวัด อุณหภูมิปลายเย็นจำเป็นต้องทราบ

เครื่องมือเก่าใช้กล่องควบคุมจุดเชื่อมแบบเทอร์โมสแตตเพื่อควบคุมอุณหภูมิของจุดเย็นที่ค่าที่ทราบ เช่น 50°C เครื่องมือสมัยใหม่ใช้ RTD แบบฟิล์มบางที่ปลายเย็นเพื่อตรวจสอบอุณหภูมิของมันและคำนวณอุณหภูมิของจุดวัด

แรงดันไฟฟ้าที่ผลิตโดยผลกระทบทางเทอร์โมอิเล็กทริกมีขนาดเล็กมากและมีเพียงไม่กี่ไมโครโวลต์ต่อองศาเซลเซียส ดังนั้น ไธร์โมคัปเปิลมักไม่ใช้ในช่วง –30 ถึง +50°C เพราะความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของจุดเชื่อมอ้างอิงและจุดเชื่อมอ้างอิงมีขนาดเล็กเกินไปที่จะสร้างสัญญาณที่ไม่มีการรบกวน

สายไฟ RTD

ในเทอร์โมมิเตอร์แบบต้านทาน ค่าความต้านทานจะเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ เพื่อประเมินสัญญาณเอาต์พุต จะมีกระแสคงที่ไหลผ่านและวัดแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นข้ามมัน ส่วนแรงดันไฟฟ้านี้จะปฏิบัติตามกฎของโอม v = IR

กระแสสำหรับการวัดควรเล็กที่สุดเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดความร้อนของเซ็นเซอร์ สามารถพิจารณาว่ากระแสวัดที่ 1mA จะไม่ก่อให้เกิดข้อผิดพลาดอย่างชัดเจน กระแสทำให้เกิดแรงดันตก 0.1V ใน PT 100 ที่อุณหภูมิ 0 ℃ สัญญาณแรงดันนี้จำเป็นต้องถูกส่งผ่านสายเคเบิลเชื่อมต่อไปยังจุดแสดงผลหรือจุดประเมินผลโดยมีการเปลี่ยนแปลงน้อยที่สุด มีวงจรการเชื่อมต่อทั้งหมดสี่ประเภท:

วงจรสองเส้น

สายเคเบิล 2 แกนใช้สำหรับการเชื่อมต่อระหว่างเทอร์โมมิเตอร์กับอิเล็กทรอนิกส์ในการประเมินผล เช่นเดียวกับตัวนำไฟฟ้าทั่วไป สายเคเบิลมีความต้านทานที่เชื่อมโยงกับเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทาน ส่งผลให้ความต้านทานทั้งสองรวมกัน และอิเล็กทรอนิกส์จะตีความว่าเป็นการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ สำหรับระยะทางที่ยาวกว่า ความต้านทานของสายสามารถสูงถึงหลายโอห์มและสร้างความคลาดเคลื่อนที่สำคัญในค่าที่วัดได้

วงจรสามเส้น

เพื่อให้ลดผลกระทบของความต้านทานของสายและค่าที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ ปกติจะใช้วงจรสามสาย มันรวมถึงการเดินสายเพิ่มเติมบนหนึ่งในขั้วต่อของ RTD ส่งผลให้มีวงจรวัดสองวงจร ซึ่งหนึ่งในนั้นถูกใช้เป็นค่าอ้างอิง วงจรสามสายสามารถชดเชยความต้านทานของสายในแง่ของจำนวนและความแปรปรวนของอุณหภูมิ อย่างไรก็ตาม สายทั้งสามต้องมีลักษณะเดียวกันและต้องเผชิญกับอุณหภูมิเดียวกัน วิธีนี้มักถูกนำไปใช้อย่างเพียงพอจนทำให้วงจรสามสายกลายเป็นวิธีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในปัจจุบัน ไม่จำเป็นต้องมีการปรับสมดุลสาย

วงจรสี่เส้น

รูปแบบการเชื่อมต่อที่ดีที่สุดของเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทานคือวงจร 4 สาย การวัดไม่ขึ้นอยู่กับความต้านทานของสายหรือการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากอุณหภูมิ ไม่จำเป็นต้องมีการปรับสมดุลสาย เทอร์โมมิเตอร์ให้กระแสสำหรับการวัดผ่านการเชื่อมต่อพลังงาน การลดลงของแรงดันไฟฟ้าบนสายวัดถูกเก็บโดยสายวัด หากความต้านทานทางเข้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มากกว่าความต้านทานของสายหลายเท่า ความต้านทานของสายสามารถละเลยได้ การลดลงของแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดในลักษณะนี้จะไม่ขึ้นกับคุณสมบัติของสายเชื่อมต่อ เทคนิคนี้มักใช้เฉพาะสำหรับเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ต้องการความแม่นยำของการวัดถึงหนึ่งร้อยส่วนหนึ่ง

ทรานส์มิสเซอร์ 2 สาย

ด้วยการใช้ทรานส์มิทเตอร์แบบ 2 สายแทนเคเบิลหลายสาย ปัญหาของวงจรแบบ 2 สายตามที่กล่าวมาข้างต้นสามารถหลีกเลี่ยงได้ ทรานส์มิทเตอร์จะแปลงสัญญาณจากเซนเซอร์เป็นสัญญาณกระแสไฟฟ้าที่ปรับมาตรฐานไว้ที่ 4-20mA ซึ่งสัดส่วนกับอุณหภูมิ การจ่ายพลังงานให้กับทรานส์มิทเตอร์ยังทำงานผ่านการเชื่อมต่อเดียวกันสองจุด โดยใช้กระแสพื้นฐานที่ 4 mA ทรานส์มิทเตอร์แบบ 2 สายยังมอบข้อได้เปรียบเพิ่มเติม คือ การขยายสัญญาณช่วยลดผลกระทบจากการรบกวนภายนอกอย่างมาก มีวิธีการจัดวางทรานส์มิทเตอร์อยู่ 2 แบบ เนื่องจากระยะทางระหว่างสัญญาณที่ไม่ได้ขยายควรสั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ อัมเฟลีย์สามารถติดตั้งตรงบนเทอร์โมมิเตอร์ในหัวต่อได้ทันที ซึ่งเป็นวิธีที่ดีที่สุด แต่บางครั้งอาจทำไม่ได้เนื่องจากเหตุผลเชิงโครงสร้างหรือความกังวลว่าทรานส์มิทเตอร์อาจยากต่อการเข้าถึงหากเกิดข้อผิดพลาด ในกรณีนี้ ทรานส์มิทเตอร์ที่ติดตั้งบนเรลจะถูกติดตั้งในตู้ควบคุม ข้อดีของการเข้าถึงที่ดีขึ้นนั้นมีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมจากการที่สัญญาณที่ไม่ได้ขยายต้องเดินทางระยะทางที่ยาวขึ้น

การเชื่อมต่อเทอร์มิสเตอร์

ความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์มักจะสูงกว่าลวดเชื่อมต่อด้วยลำดับความใหญ่มาก ดังนั้นผลกระทบของความต้านทานลวดต่อการอ่านค่าอุณหภูมิจึงน้อยเกินไปที่จะมองเห็นได้ ในขณะที่เทอร์มิสเตอร์แทบจะเชื่อมต่อในรูปแบบ 2 สายเสมอ

การเชื่อมต่อเทอร์โมคัปเปิล

ไม่เหมือนกับ RTDs และเทอร์มิสเตอร์ เทอร์โมคัปเปิลมีขาบวกและลบ ดังนั้นจำเป็นต้องปฏิบัติตามขั้ว เชื่อมต่อได้โดยตรงกับทรานสมิทเตอร์แบบ 2 สายที่อยู่ใกล้ๆ และใช้ลวดทองแดงกลับไปยังเครื่องมือรับ หากเครื่องมือรับสามารถรับอินพุตจากเทอร์โมคัปเปิลได้โดยตรง ต้องใช้ลวดเทอร์โมคัปเปิลหรือลวดขยายเทอร์โมคัปเปิลเดียวกันตลอดทางกลับไปยังเครื่องมือรับ