การเลือกใช้งาน thermocouple และ RTD
บทความนี้เขียนขึ้นจากประสพการณ์ในการออกแบบระบบวัดและควบคุมอุณหภูมิของเครื่องจักรมาหลายสิบปีของผู้เขียนนะครับ เพื่อแสดงให้เห็นว่า การที่ผู้ผลิตและออกแบบเครื่องจักรเขาใช้หลักคิดยังไงในการเลือกใช้ temperature sensor ในงานแต่ละประเภท บางงานทำไมต้องเลือก RTD บางงานทำไมต้อง thermocouple มันมีเหตุและผลของมัน ไม่ใช่ใช้อะไรก็ได้นะครับ เอาหละ เรามาดูกันว่า เขาเลือกใช้จากเหตุผลอะไรบ้าง
อย่างแรก เรามาดูข้อแตกต่างระหว่าง Pt100 กับ Thermocouple
1. ทางกายภาพ
– Pt100 ทำจากลวดแพลททินัม มีความต้านทานที่ 100 โอห์มที่ 0 องศา และจะเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ
– Thermocouple ทำจากโลหะ 2 ชนิดเชื่อมปลายเข้าด้วยกัน เมื่ออุณหภูมิทั้ง 2 ด้านต่างกัน จะเกิดกระแสไหลในวงจร
2. ทางสัญญาณไฟฟ้า
– Pt100 เป็นความต้านทาน ดังนั้น Temp controller หรือ Indicator จะต้องจ่ายกระแสให้ใหลผ่านตัวต้านทาน แล้วจึง แปลข้อมูลเป็นอุณหภูมิ
– Thermocouple จะกำเนิดกระแสได้เองโดยหลักการ แต่ปริมาณน้อยมาก Thermocouple จึงทนสัญญาณรบกวนได้ น้อยและเดินสายได้ไม่ไกล
ตารางเปรียบเทียบสัญญาณทางไฟฟ้า (ที่อุณหภูมิ 100 C)
| Pt100 | E = I x R | E = 277 mV |
| Thermocouple Type K | 100 C =4.096 mV | E = 4.096 mV |
จะเห็นได้ว่า สัญญาณไฟฟ้าของ Pt100 ห่างจาก Thermocouple 67 เท่า
3.ทางการ Reference อุณหภูมิที่ 0 องศา
– Pt100 ถูกออกแบบให้ Reference อุณหภูมิที่ 0 องศา ตั้งแต่กระบวนการผลิต
– Thermocouple จะไม่ Reference อุณหภูมิที่ 0 องศา จากหลักการบอกใว้ว่า Thermocouple ทำจากโลหะ 2 ชนิด เชื่อม ปลายเข้าด้วยกัน เมื่ออุณหภูมิทั้ง 2 ด้านต่างกัน จะเกิดกระแสไหลในวงจร ถ้าอุณหภูมิทั้ง 2 ด้านเท่ากัน(วัดอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิห้อง) จะไม่เกิดกระแสไหลเลย ดังนั้น สรุปได้ว่า Thermocouple จะ Reference ณ ุณหภูมิห้องในขณะนั้น แล้วก็มีข้อสงสัยตามมาว่า เวลาวัดอุณหภูมิห้องด้วยเครื่องมือวัดที่มีอินพุตเป็น Thermocouple แล้วเครื่องมือเหล่านั้นแสดงผลได้ ก็เพระว่าเครื่องมือเหล่านั้นมีวงจรชดเชยอุณหภูมิห้องเอาไว้แล้ว ทั้งนี้ การแสดงผลอุณหภูมิ จะมีแรงดันมาจาก 2 ส่วนคือ
แรงดันที่นำไปประมวลแสดงผล = แรงดันจาก Thermocouple + แรงดันจากวงจรชดเชย
ตารางเปรียบเทียบ Pt100 และ Thermocouple
| Thermocouple | Pt100 | |
| Repeatability | 2 F~ 15 F | 0.2 ~ 2 F |
| เสถียรภาพการใช้งานที่เปลี่ยนแปลงได้ | 1~2 F / ปี | น้อยกว่า 0.10 % ใน 5 ปี |
| ความไว | 10~50 V/ C | 0.2 ~10 ohm/ C |
| ช่วงการวัด | -300 ~ 3100 F | -120 ~1600 F |
| เอาต์พุต | 0~60 mV | 0~6 V |
| Power ( load = 100 ohm) | 1.6 x 10 W | 4 x 10 W |
| Linearity | ปานกลาง | ดี |
| ลักษณะทั่วไป | ประหยัดและใช้งานได้ดี | ความแม่นยำสูง |
วิธีการเลือกใช้งาน Thermocouple และ Pt100
ข้อที่ต้องคำนึงถึงและพิจารณาดังนี้
1. ช่วงการวัด
– Pt100 เหมาะกับการวัดอุณหภูมิต่ำ – 200~ 400 C
– Thermocouple เหมาะกับการวัดอุณหภูมิสูง 200 ~ 1800 C
2. จุดติดตั้ง
– Pt100 ต้องมีความยาว Tube อย่างน้อย 30 mm ไม่เหมาะกับพื้นที่แคบและสั้น
– Thermocouple เหมาะจะติดตั้งหากมีพื้นที่น้อยและแคบ
3. ความชื้น
– Pt100 หากจะติดตั้งในพื้นที่ ๆ ที่มีความชื้นสูง ต้องมีโปรเทคชั่นที่ดีมาก ๆ
– Thermocouple สามารถใช้งานในพื้นที่ที่มีความชื้นสูง ๆ ได้ดี หรือจะใช้งานแบบเปลือย ก็ได้หากต้องการความไวสูง
4. ความใว
– thermocouple โดยทางกายภาพแล้ว ที่ขนาดเดียวกัน รูปร่างเหมือนกัน thermocouple จะมีความใวมากกว่า Pt100
5. ความแม่นยำ
– จากตารางเปรียบด้านบน จะเห็นว่า RTD มีความแม่นยำในการวัดมากกกว่า thermocouple
6.ระยะทางในการเดินสาย
– Pt100 เหมาะกับการติดตั้งกรณีที่ต้องเดินสายไกล ๆ เพราะมีการ Compensate สายเรียบร้อยแล้ว
– Thermocouple ไม่เหมาะกับการเดินสายไกล ๆ เนื่องจากแรงดันต่ำ
7.ราคา ( รวมการเดินสาย)
– Pt100 เฉพาะ ตัววัด ราคาสูงกว่า แต่สายถูกกว่า เนื่องจากใช้สายอะไรก็ได้ที่มีความต้านทานสายน้อยๆ
– thermocouple ต้องใช้สายสำหรับ thermocouple เท่านั้น และต้องเป็นชนิดเดียวกัน thermocouple ที่ใช้อยู่ หากไม่ใช่จะเกิดความผิดเพี้ยนสูงมาก ซึ่งราคาสายของ Thermocouple จะสูงกว่า Pt100
จากทั้ง 7 ข้อที่ว่ามาทั้งหมด ผู้ออกแบบต้องให้น้ำหนักความสำคัญของแต่ละข้อแตกต่างกันไปตามลักษณะงาน ยกตัวอย่างเช่น
1. งานวัดอุณหภูมิลมร้อน 80 C ในท่อลม
2. งานวัดอุณหภูมิน้ำในถังต้ม 80 C
จะเห็นว่า อุณหภูมิ 80 C เท่ากัน แต่รูปแบบงานไม่เหมือนกันเลย การวัดลมที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง มีการใหลของอากาศผ่าน sensor เร็วมาก ต้องการความใวสูง ๆ ซึ่งสำคัญกว่าความแม่นยำ ควรเลือกใช้เป็น thermocouple ที่มีขนาด tube เล็กๆ เช่น sheath ขนาด 3.2 mm ถ้าต้องการความใวสูงมาก ๆ ต้องผลิตเป็นแบบ ground type ก็จะได้ความใวสูง ๆ ตามต้องการ
อีกงานคือวัดน้ำในถังต้ม งานแบบนี้ควรเลือกใช้เป็น RTD Pt100 เพราะเป็นงานที่ไม่ต้องการความใว แต่ต้องการความแม่นยำที่สูงกว่า เพราะมวลน้ำไม่ได้ใหลไปใหน การต้มก็ต้องใช้เวลา จึงมีเวลามากพอที่ sensor จะรับอุณหภูมิที่ถ่ายทอดผ่าน protection tube เข้ามาจนค่าที่วัดได้กับอุณหภูมิจริงเท่ากัน
แต่ละงาน ผู้ออกแบบก็จะมีเหตุผลในการเลือกใช้แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับประสพการณ์ของแต่ละท่าน แต่หลัก ๆ ก็ต้องพิจารณาจาก 7 ข้อด้านบน ว่าให้น้ำหนักข้อใหนสูงสุด แล้วที่เหลือก็ให้ลำดับความสำคัญต่ำลงไปเรื่อย ๆ ก็จะสามารถเลือกได้ว่าเราจะเลือกใช้ประเภทใหน RTD หรือ thermocouple
