Thermocouple Inhomogeneity Introduction - สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ

Introduction
เอกสารทางมาตรวิทยาเรื่อง
Thermocouple Inhomogeneity
โดย ฝายมาตรวิทยาอุณหภูมิ
สําหรับวงการมาตรวิทยาอุณหภูมิในสาขาเทอรโมคับเปลของประเทศไทย Thermocouple Inhomogeneity นับวาเปนเรื่องที่
ใหมและยังสรางความสับสนอยูมาก ที่จริงแลวในพฤติกรรมนี้เปนสมบัติพื้นฐานของเทอรโมคับเปลที่สําคัญ และยอมรับวามีอยูจริงมา
นานในมาตรวิทยาระดับสากล เพื่อสรางความเขาใจใหตรงกันถึงลักษณะพฤติกรรม Thermocouple Inhomogeneity ในแนวทางการใช
งานและการสอบเทียบเทอรโมคับเปล ฝายมาตรวิทยาอุณหภูมิ สถาบันมาตรวิทยาแหงชาติ จึงไดจัดทําเอกสารฉบับนี้ขึ้น
เปนที่ทราบกันดีวา เทอรโมคับเปล เปนเครื่องมือวัดอุณหภูมิที่ให out put เปนแรงเคลื่อนไฟฟา (electro motive force, emf)
เทอรโมคับเปลแตละชนิดประกอบดวย วัสดุตัวนําความรอน(thermo element) 2 ชนิดนําปลายมาเชื่อมตอกัน เรียกบริเวณเชื่อมตอที่ใชวัด
อุณหภูมิวา รอยตอวัดหรือรอยตอรอน(Measuring/Hot junction) ปลายสายอีกดานหนึ่งของเทอรโมคับเปลจะเรียกวารอยตออางอิงหรือ
รอยตอเย็น (Reference/Cold junction) ปกติแลวปลายสายรอยตอเย็นจะถูกแชไวที่อุณหภูมิอางอิง วิธีที่งายที่สุดและยอมรับวาถูกตองดี
คือ การจุมรอยตอเย็น ณ อุณหภูมิคงที่ 0 o C ของน้ําแข็งขณะกําลังละลาย (Ice Point) กอนตอเขาสูเครื่องมือวัด สามารถใชอุปกรณทํา
อุณหภูมิอางอิงทั้งแบบอิเล็กทรอนิกสและวงจรชดเชยทางไฟฟามาทําเปนรอยตอเย็น สะดวกตอการใชงานและการประยุกต จึงเปนที่นิยม
ในปจจุบัน
V
Thermocouple
Voltage, emf
Metal A, S A
Metal B, S B
Reference junction/
Cold junction
Measuring junction/
Hot junction
รูปที่ 1 วงจรเทอรโมคับเปลพื้นฐาน
1

1. Thermocouple Output
1
2
3
กลไกที่ใชอธิบายการเกิด out put ของเทอรโมคับเปล นั้น เรียกวา
Seebeck effect กลไกนี้สามารถเขาใจไดงายโดยเปรียบเทียบกับ
ลักษณะการไหลของน้ําในทอจากที่สูงลงที่ต่ํา ซึ่งการเปลี่ยนแปลง
ความดันของเหลวในบริเวณทอแนวระนาบ (1,3) จะมีคานอยกวาใน
บริเวณทอที่มีความสูงแตกตางกัน(2)
รูปที่ 2 Analogy of the Seebeck effect.
ทํานองเดียวกันกับอิเล็กตรอนอิสระที่เกิดขึ้นเมื่อเทอรโมคับเปลรอยตอวัดและรอยตออางอิงอยูในอุณหภูมิแตกตางกัน อิเล็กตรอนใน
เทอรโมคับเปลเมื่อไดรับความรอนจะถูกกระตุนใหเคลื่อนที่ไปสูบริเวณที่เย็นกวา ซึ่งอิเล็กตรอนนี้จะเคลื่อนที่มากสุด ใหแรงเคลื่อนไฟฟา
สูงสุด ในบริเวณอุณหภูมิที่มีความแตกตาง(Temperature gradient) มาก แสดงไดดังสมการ
dT
E = S
(1)
dx
E คือ out put แรงเคลื่อนไฟฟาของเทอรโมคับเปล
dT dT คือ เกิดอุณหภูมิที่แตกตาง (temperature gradient, ) คิดในแตละบริเวณของสาย/probe ยาว dx
dx
dx
S คือ คา Seebeck coefficient ของวัสดุ ที่มาใชทําเปนเทอรโมคับเปล มักมีหนวยเปน μ V
ดังนั้น อาจกลาวไดวา คา Seebeck coefficient คือ อัตราการเปลี่ยนแปลงแรงเคลื่อนไฟฟาตอหนึ่งหนวยอุณหภูมิ หรือ แรงเคลื่อนไฟ
ฟาที่เปลี่ยนแปลงของวัสดุ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส นั่นเอง คา Seebeck coefficient มีคาแตกตางกันขึ้นกับชนิดของเทอร
โมคับเปลและชวงอุณหภูมิที่ใชงาน เปนตัวแปรสําคัญในการกําหนดคุณลักษณะรวมถึงคุณภาพของเทอรโมคับเปล และเมื่อเกิดการ drift
สงผลอยางมากกับการเกิด Inhomogeneity
K
2

Furnace
รูปที่ 3 แสดงการกระจายของ อุณหภูมิ(T)ของเตาสอบเทียบที่เทอรโมคับเปลไดรับ และลักษณะของ emf (E) โดยเสนประแสดง
บริเวณที่มีอุณหภูมิที่แตกตาง (temperature gradient) ซึ่งมีคามากที่สุด(บริเวณปากเตา) และไดวา เทอรโมคับเปล ใหคา E มาก
สุดในบริเวณนี้ สวนบริเวณที่มีอุณหภูมิตางกันนอย คือ เทอรโมคับเปลที่วางอยูภายในและภายนอกเตา คา E ที่ไดจะนอย
2. Thermocouple sensor
เซนเซอรรับอุณหภูมิของเทอรโมคับเปล แตกตางจากอุปกรณวัดอุณหภูมิประเภทเทอรโมมิเตอรความตานทานซึ่งจะมีขนาด
เซนเซอรจํากัด(ประมาณ 5 cm.) แตขนาดเซนเซอรของเทอรโมคับเปลคือตลอดความยาวของเทอรโมคับเปล ตั้งแตรอยตอวัด ถึงรอยตอ
วัดถึงรอยตออางอิง ดังนั้นลักษณะการวัดอุณหภูมิเปนแบบ average temperature ไมใช point temperature แบบ เทอรโมมิเตอรความตาน
ทาน
Thermocouple Temperature Sensor
PRT Temperature sensor
รูปที่ 4 แสดงบริเวณเซนเซอรของ PRT และ เทอรโมคับเปล
3. Drift of Seebeck Coefficient
นอกจากคาแรงเคลื่อนไฟฟาของเทอรโมคับเปลที่เกิดจะขึ้นกับอุณหภูมิแลว เมื่อคา Seebeck coefficient ที่เปลี่ยนแปลงไป
จะสงผลกระทบกับ Out put ของเทอรโมคับเปลที่เปลี่ยนแปลงไปดวย
3

คา Seebeck coefficient หรือที่กลาวมาแลววาเปนอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงเคลื่อนไฟฟาตอหนึ่งหนวยอุณหภูมิ เปนสมบัติ
ภายในของเนื้อสายเทอรโมคับเปลแตละชนิด คา Seebeck coefficient ใชบอกความสมบูรณเปนเนื้อเดียวกัน (homogeneous) ในแตละ
สวนของเนื้อความยาวตลอดระยะของเสนวัสดุที่นํามาใชทําเปนเทอรโมคับเปล เมื่อ Seebeck coefficient เลื่อนคา(Drift)ไปจากเดิมทํา
ใหเกิด Inhomogeneity ในสายเทอรโมคับเปลได การเลื่อนคาเกิดขึ้น เมื่อมีการรบกวนสมบัติทางเคมีหรือทางกายภาพ ดังตอไปนี้
1. การรวบกวนโดยความรอนเมื่อใชงาน : สายเทอรโมคับเปล บริเวณที่ไดรับความรอน แมใชงานวัดอุณหภูมิเพียงเพียงครั้ง
แรก โมเลกุลภายในจะเกิดการปรับเปลี่ยนรูปหรือเกิดรอยบกพรอง (defect signature) และคา Seebeck coefficient ก็จะ
เปลี่ยนแปลง(Drift) ไปจากเดิมอยางถาวร โดยเทอรโมคับเปลแบบโลหะพื้นฐาน(Type E K J N T )ที่วัสดุเปน alloy
ของโลหะ Ni หรือ Cu จะเกิดการ drift(ที่อุณหภูมิสูงกวา 250 o C) สูงกวาเทอรโมคับเปลแบบโลหะพิเศษ(Type S B R ) ที่
มี Platinum เปนสวนประกอบ
2. ความรอนที่ไมสม่ําเสมอของเตา : รอยบกพรอง (defect signature) ในเนื้อโมเลกุล ที่เกิดมากนอยตามความสม่ําเสมอของ
อุณหภูมิภายในเตา ถึงแมเลือกใชงานในระยะจุมเดียวกัน แตแหลงอุณหภูมิตางชนิดกันหรือใหอุณหภูมิในรูปแบบที่ตางกัน
(difference temperature profile) คา Seebeck coefficient ของเทอรโมคับเปลจะไมเทาเดิม ทําให output ที่วัดไดไมเทากัน
3. การเปลี่ยนแปลงระยะจุม : ในที่นี้ตางจากกรณี Immersion error หรือ Heat conduction error ตามที่คุนเคยกันใน
เทอรโมมิเตอรชนิดอื่น ที่กําจัดไดหากใชระยะจุมเพียงพอ( เชน 15 เทาของ Diameter) สําหรับเทอรโมคับเปลแมระยะจุม
จะเพียงพอแลวก็ตาม การเปลี่ยนแปลงระยะจุม เหมือนการให Temperature gradient กับสายเทอรโมคับเปลตางบริเวณไป
จากเดิม ซึ่งบริเวณนั้นมีคา Seebeck coefficient ไมเทาเดิม ทําให output emf ที่วัดไดตางไปจากเดิม คาความผิดพลาดอัน
เนื่องมาจากกรณีนี้จะควบคุมได หากมีการควบคุมระยะที่จุมใหคงที่เสมอ
นอกจากนี้ การปนเปอนทางเคมี และการรบกวนทางกายภาพอื่นๆ เชน การบิด หักงอของสาย ก็ทําใหเกิด Thermocouple
Inhomogeneity ขึ้นเชนกัน
5.1 การรวบกวนโดยความรอนเมื่อใชงาน(fix position) 5.2 การเปลี่ยนแปลงระยะจุม (Change immersion)
รูปที่ 5 Inhomogeneity of TC emf distribution (E) and Seebeck coefficient (S) along wire length(x) at temperature profile T.
4

SPRT
Oil Bath
- การทดสอบหาคา Inhomogeneity
Test TC
Pulled Scale
วิธีการทดสอบคา Inhomogeneity ที่ยอมรับกันคือ การทํา Thermal scan
โดยดึงขึ้นใน fixed point หรือ Uniform temperature source(Uniform
Stability < 0.01 K เชน Oil หรือ Salt Bath ) ที่อุณหภูมิ 150 o C – 250 o C วิธีการคือ
ทําการเก็บคา out put ของเทอรโมคับเปล เมื่อ ทําการจุมเทอรโมคับเปลจนคลุมระยะที่
ตองการทดสอบคา
Inhomogeneity จากนั้นคอยๆ ดึง ขึ้นทีละ 1-2 เซนติเมตร รอจนคานิ่งและทําการ
เก็บคา out put ของ TC และ อุณหภูมิไว โดยระยะดึงขึ้นไมเกินระยะจุมที่เหมาะสม
(ประมาณ15 เทาของ diameter) เมื่อครอบคลุมแลวหาคาout put มากที่สุดและนอยที่
สุด (E max ,E min ) และนํามาหาคา Inhomogeneityไดจากสูตร
Inhomogeneity = 1 ⎛ E − E ⎞
max min
± ⎜ ⎟×
100%
2
⎝ E ref ⎠
รูป 6 การวัด Inhomogeneity โดยการทํา เมื่อ E ref คือคาจาก reference table ที่สอดคลองกับอุณหภูมิที่ทําการทดสอบ
Thermal Scan ใน Oil Bath
ตาราง 1 Example of inhomogeneity values for 4 thermocouples
used range (0-500) o C
Inhomogeneity test of probe 1
Probe 1 st used / % 5 th used / %
1 + 0.15 + 0.35
2 + 0.16 + 0.36
3 + 0.15 + 0.41
4 + 0.15 + 0.30
Immersion (cm)
รูปที่ 7 Inhomogeneity Scan at 200 o C of TC probe 1
5

การทดสอบหาคา Inhomogeneity จะตองใชอุปกรณการวัดที่มีประสิทธิภาพเพียงพอ มีความชํานาญ ใชเวลาและทําไดไมงายนัก ดังนั้น
จากการทําการวัด คา Inhomogeneity โดยสถาบันมาตรวิทยาแหงชาติพบวาปริมาณ Inhomogeneity นี้มีอยูจริงและสอดคลองตามเกณฑ
สากล ดังตาราง 2
ตาราง 2 Recommended Inhomogeneity value
Source Base Metal (Type E K J N T) Rare Metal Type B R S
APMP
(for new wire TC)
At least +0.1% of emf output or
Temperature used
At least + 0.02% of emf output or
Temperature used
NIMT
0.2% - 0.4 % of emf output or
0.05 % of emf output or Temperature used
(for used wire) Temperature used
EUROMET
At least 20% of the Class 2 tolerance for corresponding type of thermocouple
According to EN IEC 60584-2
• APMP : Asia Pacific Regional Organization of Measurement Standard
• NIMT : National Institute of Metrology Thailand
• EUROMET : Europe Regional Organization of Measurement Standard
ตาราง 3 ตัวอยาง คา Inhomogeneity ของเทอรโมคับเปลชนิดตางๆ ที่อุณหภูมิตางๆ ตามเกณฑในตารางที่ 2
Thermocouple Tolerance (Class2) Inhomogeneity values ( o C)
Type IEC 60584-2 EUROMET APMP NIMT
o C (recommended) (New wire) * (used wire)
Type K J E +20% of Tor. +0.1% of out put +0.3% of output
100 2.5 0.5 0.1 0.3
500 3.75 0.8 0.5 1.5
Type S R B +20% of Tor. +0.02% of out put +0.05% out put
500 1.5 0.3 0.1 0.3
1000 2.5 0.5 0.2 0.5
• การประเมินคา Uncertainty of Inhomogeneity ใหประเมินเปน Rectangular Distribution
สําหรับหองปฏิบัติการที่ทําการสอบเทียบหรือใชงานเทอรโมคับเปล(รวมถึงdigital thermometer ที่เปน TC probe) และยังไม
พรอมที่จะทํา การทดสอบหาคา Inhomogeneity สามารถ นําคาที่แนะนํานี้ ไปใชได แตตองทราบชนิดของเทอรโมคับเปล ชวงอุณหภูมิ
ใชงาน และสภาพการใชงานวา เทอรโมคับเปลนั้นใหมหรือผานการใชงานมานาน ทั้งนี้การสอบเทียบขึ้นอยูกับความจําเปน โดยเทอร
โมคับประเภทโลหะพื้นฐานนั้น เมื ่อใชงานแลวควรจะเปลี่ยนใหมแทนการสอบเทียบซ้ํา
6

EN IEC 60584-2 Tolerance for corresponding type of thermocouple
เอกสารอางอิง
⋅ American Society for testing and Materials Volume 14.03: ASTM E220-02, Standard test method for calibration
thermocouples by comparison techniques in Appendix X4. Test for thermocouple Inhomogeneity, U.S.A., 2006.
⋅ Robin E. Bentley, Monograph 5 : Thermocouples in temperature Measurement, National Measurement Institute, Australia,
2004.
⋅ D.R. White and J.V. Nicholas, Traceable temperatures : An Introduction to temperature measurement and calibration , 2nd
ed., John Wiley& Sons Ltd., England, 2001.
⋅ G.W. Burns and M.G. Scroger, The Calibration of thermocouple and Thermocouple materials, NIST Special publication 250-
35, Washington, 1989.
⋅ EUROMET Calibration Guide : EA-10/08 - Calibration of Thermocouples.
(http://www.european-accreditation.org)
7