คลังความรู้ช่างเทคนิค: เทอร์โมคัปเปิล (THERMOCOUPLE) ตอนที่ 1

เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) หรือ ที่ทั่ว ๆ ไปบางคนมักเรียกกันว่า หัววัดอุณหภูมิซึ่งเจ้าตัว เทอร์โมคัปเปิลนี้ก็จะมีอยู่หลากหลายชนิด หลากหลายแบบ ซึ่งก็ขึ้นอยู่กับความต้องการนำไปใช้ในลักษณะของการวัดที่แตกต่างต่างกันออกไปมาทำความรู้จักกับ เทอร์โมคัปเปิลกันครับ

ลักษณะของเทอร์โมคัปเปิลแบบต่าง ๆ

หลักการของเทอร์โมคัปเปิล

ในปี ค.ศ. 1821 โธมัส ซีเบ็ค (Thomas Seebeck) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันได้ทำการทดลองและค้นพบว่า เมื่อทำการเชื่อมโลหะ 2 เส้นที่เป็นโลหะต่างชนิดกันเข้าด้วยกัน ถ้าอุณหภูมิที่ปลายทั้ง 2 ด้านไม่เท่ากันจะเกิดกระแสไหลในโลหะทั้ง 2 เส้น นั่นแสดงว่า ถ้าเปิดปลายจุดต่อด้านหนึ่งออกแล้วนำ Voltmeter ไปวัดจะได้แรงเคลื่อนไฟฟ้าระหว่างโลหะ 2 เส้นค่าหนึ่ง (ค่านี้มีปริมาณน้อย หน่วยเป็น mV) เรียกแรงเคลื่อนไฟ้ฟ้านี้ว่า Seebeck Voltage

เทอร์โมคัปเปิลแบบมาตรฐาน

เทอร์โมคัปเปิ้ลมีหลาย Type ให้เลือก แล้วแต่ย่านอุณหภูมิ และลักษณะการใช้งาน โดยความแตกต่างของแต่ละ Type นี้เกิดจากการเลือกใช้คู่ของวัสดุ (Element) ของโลหะที่จะนำมาเชื่อมเข้าด้วยกันให้แตกต่างกัน เพราะโลหะแต่ละชนิดย่อมมีคุณสมบัติพิเศษเฉพาะตัวของมันอยู่แล้ว เมื่อโลหะชนิดต่าง ๆ กันมาจับคู่เชื่อมเข้าด้วยกัน จะทำให้คุณสมบัติของเทอร์โมคัปเปิล ที่ได้แตกต่างกันไป นอกจากนี้ ได้มีการทดลองผสมโลหะต่างชนิดเข้าด้วยกัน เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติของโลหะเดิมให้ดีขึ้น หรือเพื่อใช้แทนโลหะบางชนิดที่ใช้ทำอยู่เดิม เช่น แพลทินัม เนื่องจากราคาสูง ตัวอย่างโลหะผสมที่เกิดขึ้น เช่น โครเมล (Cromel) คือโลหะผสมของ นิกเกิ้ล 90% และ โครเมียม 10% ,อลูเมล (Alumel) คือ โลหะผสมของ นิกเกิ้ล 95% อลูมิเนียม 2% แมงกานิส 2% และ ซิลิคอน 1% ,คอนสแตนแตน (Constantan) คือ โลหะผสมของ ทองแดง60% และ นิกเกิ้ล40% เป็นต้น
การใช้งานเทอร์โมคัปเปิล ควรเลือกใช้ให้ถูกต้องและเหมาะสมกับงานนั้น ๆ โดยสิ่งที่ควรพิจารณามีหลายข้อ เช่น ค่าอุณหภูมิสูงสุดที่ใช้งาน,ราคา,ความกัดกร่อนของสารที่เทอร์โมคัปเปิลสัมผัส,ต้องใช้ Thermowell หรือไม่,ลักษณะบรรยากาศที่เป็น Oxidizing,Reducing,Inert หรือ Vacuum เป็นต้น

ตารางแสดงคุณสมบัติเปรียบเทียบเทอร์โมคัปเปิลแบบมาตรฐาน Type ต่างๆ

Type	ส่วนผสม	ย่านอุณหภูมิใช้งาน		แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ได้ mV
Type	ส่วนผสม	^๐C	^๐F	แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ได้ mV
B	แพลทินัม - 30% โรเดียม แพลทินัม - 6% โรเดียม	0 ถึง 1820	32 ถึง 3310	0 ถึง 13.814
R	แพลทินัม - 13% โรเดียม แพลทินัม	-50 ถึง 1768	-60 ถึง 3210	-02.26 ถึง 21.108
S	แพลทินัม - 10% โรเดียม แพลทินัม	-50 ถึง 1768	-60 ถึง 3210	-0.236 ถึง 18.698
J	เหล็ก/คอนสแตนแตน	-210 ถึง 760	-350 ถึง 1400	-8.096 ถึง 42.922
K	โครเมล/อะลูเมล	-270 ถึง 1372	-450 ถึง 2500	-6.458 ถึง 54.875
T	ทองแดง/คอนสแตนแตน	-270 ถึง 400	-450 ถึง 750	-6.258 ถึง 20.869
E	โครเมล/คอนสแตนแตน	-270 ถึง 1000	-450 ถึง 1830	-9.835 ถึง 76.358

ตารางแสดงสภาวะแวดล้อมในการใช้งานเทอร์โมคัปเปิลแบบมาตรฐานโดยไม่ต้องใช้ Thermowell

ความเหมาะสมในการใช้งาน
Tc Type	บรรยากาศ Oxidizing	บรรยากาศ Reducing	บรรยากาศ Inert	Vacuum	บรรยากาศ Sulferous	อุณหภูมิ < 0 C	มีไอของ โลหะ
B	ได้	ไม่ได้	ได้	ได้ในช่วงสั้น ๆ	ไม่ได้	ไม่ได้	ไม่ได้
R	ได้	ไม่ได้	ได้	ไม่ได้	ไม่ได้	ไม่ได้	ไม่ได้
S	ได้	ไม่ได้	ได้	ไม่ได้	ไม่ได้	ไม่ได้	ไม่ได้
J	ได้	ได้	ได้	ได้	ไม่ได้ถ้า > 500 ^๐C	ไม่ได้	ได้
K	ได้^*	ไม่ได้	ได้	ไม่ได้	ไม่ได้	ได้	ได้
T^#	ได้	ได้	ได้	ได้	ไม่ได้	ได้	ได้
E	ได้	ไม่ได้	ได้	ไม่ได้	ไม่ได้	ได้	ได้

* ใช้งานได้ดีกว่าแบบ E,J และ T เมื่ออุณหภูมิ > 550 ^๐C
# โดยเฉพาะกับอุณหภูมิ < 0 ^๐C
Oxidizing : กระบวนการทางเคมีที่ดึงออกซิเจนจากภายนอกเข้าไปทำปฏิกิริยากับสารนั้น
Reducing : กระบวนการทางเคมีที่ออกซิเจนถูกดึงออกจากสารนั้นเพื่อไปทำปฏิกิริยากับสารภายนอก
Vacuum : ค่าความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศจนถึงสภาวะสูญญากาศ
Inert : สภาวะเฉื่อยที่ไม่เกิดปฏิกิริยาเคมี