RTDs (Resistance temperature detectors) คืออะไร ทำงานยังไง

rtd

Resistance thermometers หรือ Resistance temperature detectors (RTDs) เป็นเซ็นเซอร์วัดระดับอุณหภูมิโดยอาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงความต้านทานของเส้นลวด โดยส่วนใหญ่โครงสร้างภายในเป็นเส้นลวดขนาดเล็กพันรอบแกนกลางที่เป็นเซรามิกแก้ว สำหรับขดลวดของ RTDs จะเป็นโลหะบริสุทธิ์ โดยทั่วไปมักเป็นแพลทินัม เงิน หรือนิเกิล ซึ่งโลหะเหล่านี้จะมีค่าความต้านทานไฟฟ้าที่มีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิที่แน่นอน ด้วยคุณสมบัติดังกล่าวจึงทำให้เซ็นเซอร์สามารถตรวจวัดอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำอย่างไรก็ตามเนื่องจากตัวไส้ของ RTDs นั้นค่อนข้างเปราะบางจึงมักถูกหุ้มด้วยปลอกโลหะหรือโครงสร้างแก้วเพื่อปกป้องโครงสร้างภายในดังกล่าว ด้วยประสิทธิภาพของ RTDs ที่มีความแม่นยำสูง ในอุตสาหกรรมที่อุณหภูมิต่ำกว่า 600 องศาเซลเซียส จึงเริ่มมีการใช้เซ็นเซอร์ตัวดังกล่าวแทนเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple)

ชนิดโครงสร้างภายในของ RTDs (Element types)

เซนเซอร์อาร์ทีดี (RTDs) แบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ

ชนิดแผ่นฟิลม์บาง (thin-film elements),

ชนิดลวดพันรอบแกน (wire-wound elements)

ชนิดขดลวด(Coiled elements)

ทั้งนี้แม้ว่าโครงสร้างทั้งสามชนิดที่กล่าวมาจะถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม แต่ในกรณีที่ต้องการใช้วัดอุณหภูมิที่มีค่าต่ำมากๆ ยกตัวอย่างเช่นที่อุณหภูมิ -173 ถึง -273 องศาเซลเซียส ตัวต้านทานแบบคาร์บอน (Carbon resistors) ก็เป็นอีกหนึ่งตัวเลือกพิเศษที่นิยมนำมาใช้

สำหรับโครงสร้างภายในหรือไส้ของอาร์ทีดีแต่ละชนิด มีรายละเอียดดังต่อไปนี้

ชนิดตัวต้านทานแบบคาร์บอน (Carbon resistors) โครงสร้างภายในชนิดนี้มีราคาถูกและถูกใช้อย่างแพร่หลาย เนื่องจากสามารถวัดค่าอุณหภูมิที่ต่ำมากๆ ได้อย่างแม่นยำและน่าเชื่อถือ อีกทั้งยังไม่ค่อยมีปัญหาจากการเกิดฮีสเทอรีซีส (Hysteresis) หรือ Strain gauge effects ซึ่งจะทำให้การวัดค่าคลาดเคลื่อนไป

ชนิด strain-free ประกอบจากขดลวดที่ถูกพยุงเป็นส่วนน้อยภายในปลอกหุ้มปิดสนิท และเติมแก๊สเฉื่อย เข้าไปภายใน เซ็นเซอร์ชนิดนี้สามารถวัดอุณหภูมิสูงสุดได้ถึง 961.78 องศาเซลเซียส และยังถูกใช้ใน SPRTs ซึ่งเป็นตัวกำหนด ITS-90 โครงสร้างของไส้ชนิดดังกล่าว เป็นลวดแพลตินัมพันรอบส่วนพยุงไว้อย่างหลวมๆ ซึ่งจะช่วยให้ตัวไส้สามารถหดและขยายได้อย่างเต็มที่ตามระดับอุณหภูมิ แต่ด้วยลักษณะโครงสร้างที่สามารถแกว่งไปมาได้ จึงทำให้เซ็นเซอร์ชนิดนี้ไวต่อแรงสั่นสะเทือนและแรงกระแทก ซึ่งจะก่อให้เกิดการผิดรูปตามมา

ชนิดแผ่นฟิลม์บาง (Thin-film elements)

rtd Thin-film

มีส่วนวัดอุณหภูมิที่ประกอบจากวัสดุแผ่นบางที่มีความต้านทานไฟฟ้า
โดยปกติมักเป็นแพลทินัมวางบนแผ่นเซรามิก ซึ่งทั่วไปจะมีความหนาอยู่ที่ประมาณ
100 อังสตรอม (1 ถึง 10 นาโนเมตร)

จากนั้นแผ่นฟิลม์ดังกล่าวจะถูกเคลือบด้วยอีพ็อกซี (epoxy) เพื่อปกป้องตัวฟิลม์และเป็นตัวช่วยลดความเครียด (strain) ให้กับลวดตะกั่วภายนอก ข้อเสียของอาร์ทีดีชนิดนี้ คือมีความเสถียรไม่เท่ากับชนิดลวดพันรอบแกน (wire-
wound elements) หรือชนิดขดลวด (coiled elements) อีกทั้งยังสามารถใช้วัดอุณหภูมิได้ในช่วงที่จำกัด เนื่องจากอัตราการขยายตัวที่ต่างกันของวัสดุที่มีความต้านทานไฟฟ้าและแผ่นรองจะก่อให้เกิด Strain gauge effect
ซึ่งสามารถพบได้ในสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานไฟฟ้า ไส้ชนิดนี้สามารถวัดอุณหภูมิได้ถึง 300 องศาเซลเซียส (572 องศาฟาเรนไฮต์) โดยไม่ต้องมีวัสดุใดหุ้มภายนอกเพิ่มเติม แต่จะสามารถวัดอุณหภูมิได้สูงสุด 600 องศาเซลเซียส (1,112 องศาฟาเรนไฮต์) เมื่อถูกหุ้มด้วยแก้วหรือเซรามิกและสำหรับอาร์ทีดีชนิดอุณหภูมิสูงพิเศษจะสามารถวัดอุณหภูมิได้สูงสุดถึง 900 องศาเซลเซียส (1,652 องศาฟาเรนไฮต์) เมื่อถูกหุ้มด้วยวัสดุที่เหมาะสม

ชนิดลวดพันรอบแกน (Wire-wound elements)

rtd Wire-wound

เป็นอาร์ทีดีชนิดที่มีความแม่นยำสูงมาก โดยเฉพาะกับช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางของขดลวดที่เอื้อต่อการเกิดเสถียรภาพเชิงกลและการขยายตัวของลวด เพื่อลดความเครียดและค่าดริฟท์ที่จะเกิดขึ้น ทั้งนี้ขดลวดที่ใช้วัดอุณหภูมิจะพันรอบแกนที่เป็นฉนวนไฟฟ้าซึ่งอาจมีรูปร่างของแกนแบนหรือกลมก็ได้โดยที่ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของแกนจะต้องใกล้เคียงและสัมพันธ์กับลวดเพื่อลดความเครียดเชิงกลที่อาจเกิดขึ้นเนื่องจากความเครียดจะเป็นตัวที่ทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนในการวัดลวดที่ใช้วัดอุณหภูมิจะเชื่อมต่อกับลวดขนาดเส้นใหญ่กว่าซึ่งมักเป็นลวดที่มีองค์ประกอบตะกั่วที่มีความเข้ากันได้กับลวดที่ใช้วัดอุณหภูมิเพื่อไม่ให้เกิดแรงเคลื่อนทางไฟฟ้าขึ้นแล้วส่งผลต่อการวัดค่าที่คลาดเคลื่อนไปจากค่าจริง สำหรับอาร์ทีดีชนิดนี้สามารถวัดอุณหภูมิได้สูงสุด 660 องศาเซลเซียส

ชนิดขดลวด (Coiled elements)

rtd

อาร์ทีดีชนิดนี้เป็นชนิดที่ถูกนำมาใช้แทนชนิดลวดพันรอบแกน (wire-wound elements) ในอุตสาหกรรมจำนวนมากด้วยลักษณะทางโครงสร้างที่เป็นขดลวดซึ่งสามารถขยายตัวได้อย่างอิสระตามระดับอุณหภูมิ ถูกยึดด้วยโครงสร้างที่ช่วยให้ขดลวดสามารถคงรูปร่างได้ตลอดสำคัญคือการออกแบบที่สร้างให้ “ปราศจากความเครียด (Strain free)” ช่วยให้ขดลวดวัดอุณหภูมิสามารถขยายและหดได้โดยปราศจากอิทธิพลของวัสดุอื่น ทำให้มีความทนทานเป็นอย่างมาก

 โครงสร้างสำคัญที่ใช้ในการวัดอุณหภูมิคือขดลวดแพลทินัมขนาดเล็ก ซึ่งมีลักษณะคล้ายกับไส้ในหลอดไส้ (Incandescent light bulb) สำหรับปลอกหุ้มหรือแกนจะเป็นเซรามิกเผาที่มีความแข็งก่อนจะเจาะรูเพื่อให้เกิดที่ว่างเพื่อนำขดลวดใส่เข้าไป แล้วอัดด้วยผงเซรามิกละเอียด

ด้วยลักษณะทางโครงสร้างเช่นนี้เองที่เอื้อต่อการขยับของตัวไส้ที่ในขณะเดียวกันก็ยังคงสามารถสัมผัสกับอุณหภูมิที่ต้องการวัดในกระบวนการได้เป็นอย่างดี อาร์ทีดีชนิดนี้สามารถทำงานวัดอุณหภูมิได้สูงสุดที่ 850 องศาเซลเซียสปัจจุบันมาตรฐานนานาชาติที่ใช้กำหนดค่าพิกัด (Tolerance) และความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและความต้านทานไฟฟ้าของ Platinum resistance thermometers (PRTs) คือมาตรฐาน ICE 60751:2008 และ มาตรฐาน ASTM E1137 ซึ่งใช้ในประเทศสหรัฐอเมริกา

โดยเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิที่สามารถพบเจอได้มากที่สุดในวงการอุตสาหกรรมจะมีค่าความต้านทานไฟฟ้าอยู่ที่ 100 โอห์ม ณ 0 องศาเซลเซียส ซึ่งจะเรียกว่า เซ็นเซอร์ Pt100 (Pt แทนสัญลักษณ์ของแพลทินัม และ 100 แทนค่าความต้านทานไฟฟ้าที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส) นอกจากนี้ยังมีเซ็นเซอร์ Pt1000 ซึ่งตัวเลข 1000 จะแทนค่าความต้านทานไฟฟ้าที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ขณะที่ค่าความไว (Sensitivity) ของเซ็นเซอร์มาตรฐาน 100 โอหม์จะอยู่ที่ 0.385 โอห์ม/องศาเซลเซียส ค่าความไว 0.375 และ 0.392 โอห์ม/องศาเซลเซียส หรือกระทั่งค่าอื่น ก็สามารถพบได้ใน RTDs ที่มีความหลากหลายแตกต่างกันได้เช่นกัน

วีดีโออธิบายหลักการทำงานของ RTDs

การทำงาน (Function) ของ RTDs (Resistance temperature detectors)

Resistance thermometers ถูกสร้างขึ้นในหลากหลายรูปแบบซึ่งให้ความเสถียรและความถูกต้องแม่นยำในการวัดที่สูงกว่าเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิอีกชนิดที่เรียกว่า เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouples) บางตัว เพราะในขณะที่ Thermocouples อาศัยปรากฏการณ์ซีแบ็ค ( Seeback effect ) ในการสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้า Resistance thermometers กลับทำงานโดยอาศัยความต้านทานไฟฟ้าและต้องการแหล่งจ่ายไฟภายนอก ซึ่งค่าความต้านทานจะสัมพันธ์กับอุณหภูมิเป็นเส้นตรงตามสมการ Callendar-Van Dusen ลวดแพลทินัมที่ใช้ในการวัดอุณหภูมิจะต้องไม่ปนเปื้อนเพื่อรักษาสภาพความเสถียร และต้องอยู่ในวัสดุที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวคือมีการขยายตัวเมื่อได้รับอุณหภูมิที่สัมพันธ์กัน เพื่อให้ค่า Differential expansion และความเครียดเกิดขึ้นน้อยที่สุด

นอกจากนี้อาร์ทีดียังสามารถประกอบจากเหล็กหรือทองแดงได้ตามความเหมาะสมของการใช้งานแพลทินัมเกรดอุตสาหกรรมจะมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานไฟฟ้าอยู่ที่ 0.00385 ต่อองศาเซลเซียส (0.385%/องศาเซลเซียส) ตามมาตรฐานสหภาพยุโรป และมีความต้านทานไฟฟ้าอยู่ที่ 100 โอห์ม ที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียสตามมาตรฐานที่ BS EN 60751:1996 (ปรับจากมาตรฐาน IEC 60751:1995) สำหรับมาตรฐานประเทศสหรัฐอเมริกาจะมีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานไฟฟ้าอยู่ที่ 0.00392/องศาเซลเซียส

นอกจากนั้นแล้วความต้านทานของลวดตะกั่วที่เชื่อม RTDs นับก็นับเป็นอีกหนึ่งปัจจัยที่ส่งผลต่อความแม่นยำในการวัด การเชื่อมต่อโดยการต่อแบบ 3 สาย หรือ 4 สาย แทนการต่อเพียง 2 สาย จะช่วยกำจัดปัญหาที่จะเกิดขึ้นจากความต้านทานไฟฟ้าที่เป็นผลมาจากกระบวนการวัดอุณหภูมิที่เกิดขึ้น โดยทั่วไปในอุตสาหกรรมทั่วโลกมักใช้การเชื่อมต่อแบบ 3 สายเนื่องจากมีประสิทธิภาพเพียงพอและเหมาะสม ในขณะที่การเชื่อมต่อแบบ 4 สายจะใช้ในกรณีที่ต้องการความแม่นยำสูงอีกด้วย

บริษัทแคลิเบรชั่น แลบอราทอรีผู้นำด้านการสอบเทียบเครื่องมือวัดอุตสาหกรรมในประเทศไทย
เรามีบริการสอบเทียบแบบครบวงจร
ดูบริการสอบเทียบทั้งหมดของเราได้ที่  Calibration Services
สนใจบริการสอบเทียบอุณหภูมิกับเราดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที  Temperature Calibration