คลังความรู้ช่างเทคนิค: อาร์ทีดี (Resistance Temperature Detectors)

อาร์ทีดีใช้หลักการคือเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนค่าความต้านทานของขดลวดจะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย อาร์ทีดีทำจากลวดโลหะที่มีความยาวค่าหนึ่ง ซึ่งที่ 0 ^๐C จะมีค่าความต้านทานค่าหนึ่งตามที่กำหนด

หลักการของอาร์ทีดี

จากการทดลองของนักวิทยาศาสตร์พบว่าค่าความต้านของลวดโลหะจะเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ ดังสมการ

         dRt / dT    =   µ         หรือ   Rt     =   Ro (1+µT)
   Rt   =   ค่าความต้านทานของลวดโลหะที่อุณหภูมิ t ^๐C
   Ro  =   ค่าความต้านของลวดโลหะที่อุณหภูมิ 0 ^๐C
   µ   =   สัมประสิทธิ์ของการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานไฟฟ้าต่ออุณหภูมิ 1 ^๐C (W /W/ ^๐C)

    อาร์ทีดีแบบที่ใช้กันมากที่สุดคือ Platinum 100 โอห์ม (Pt100) คือ ที่ 0 ^๐C จะมีค่า 100 โอห์ม และจะเปลี่ยนค่าความต้านทานโดยเฉลี่ย 0.385 โอห์มต่อ 1 ^๐C มีย่านอุณหภูมิใช้งานในช่วง -250 ถึง 600 ^๐C ในการใช้งานปกติจะมีแหล่งจ่ายกระแสคงที่ให้อาร์ทีดีอยู่ สมมติเป็น 1 mA นั่นคือ เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 ^๐C จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแรงดัน 0.385 mV ซึ่งมากกว่าเทอร์มอคัปเปิล Type K ถึง 10 เท่า ทำให้มีผลกระทบจากสัญญาณรบกวนน้อยกว่าเทอร์มอคัปเปิลที่สภาวะเดียวกัน
     เนื่องจากตัวอาร์ทีดีเป็นเพียงค่าความต้านทาน จึงต้องมีวงจรจ่ายกระแสให้ เพื่อให้เกิดเป็นแรงดันที่เปลี่ยนไป แล้วจึงนำแรงดันนี้ไปใช้งาน แต่กระแสจำนวนนี้ก็สร้างความร้อนขึ้นในตัวอาร์ทีดีด้วย ทำให้ค่าความต้านทานสูงขึ้น จึงจำเป็นที่จะต้องจำกัดไม่ให้กระแสเลี้ยงอาร์ทีดีนี้มีค่าสูงเกินไป

ส่วนประกอบของอาร์ทีดี

อาร์ทีดี ทำจากลวดโลหะที่มีความยาวค่าหนึ่ง ซึ่งที่ 0 ^๐C จะมีค่าความต้านทานค่าหนึ่งตามที่กำหนด ลวดโลหะนี้จะพันอยู่บนแกนที่เป็นฉนวนไฟฟ้า มีคุณสมบัติทนต่อความร้อน และต้องมีสัมประสิทธิ์การขยายตัวสัมพันธ์กับการขยายตัวของขดลวดอาร์ทีดีจะถูกบรรจุอยู่ใน Matal Sheath ฉนวนที่ใช้เป็นพวกแมกนีเซียมออกไซด์ หรืออะลูมิเนียมออกไซด์

รูปแสดงโครงสร้างอาร์ทีดีที่พบทั่วไปประกอบด้วยขดลวดความความต้านทานที่ทำจากแพลทินั่มอยู่ภายในหลอดเซรามิคซึ่งส่วนทั้งหมดจะบรรจุอยู่ในปลอกโลหะที่ทำจากสแตนเลสสตีล หรืออินโคเนล

ชนิดของอาร์ทีดี

อาร์ทีดี 2 สาย

วงจรใช้งานพื้นฐานของอาร์ทีดี คือ Wheathstone Bridge โดย Rt คือ อาร์ทีดี ซึ่งติดตั้งอยู่ในจุดที่ต้องการวัดอุณหภูมิ มีค่าความต้านทานอีก 3 ค่าในวงจร คือ R1, R2 และ R3 ซึ่งต้องอยู่ที่อุณหภูมิห้อง และเป็นความต้านทานชนิดที่มีความถูกต้องสูงวงจร Bridge จะอยู่ในสภาวะสมดุลเมื่ออาร์ทีดี (Rt) อยู่ที่ 0 ๐C แล้วทำให้Rt/R3 = R1/R2 ซึ่งจะไม่มีกระแสไหลผ่านกัลวานอมิเตอร์เมื่ออุณหภูมิที่ Rt สูงขึ้น ค่า Rt จะเพิ่มขึ้นทำให้วงจร Bridge ไม่สมดุลและมีกระแสไหลผ่านกัลวานอมิเตอร์อย่างไรก็ตาม อาร์ทีดี 2 สาย เหมาะกับงานที่อาร์ทีดีอยู่ใกล้กับวงจรเท่านั้นไม่เหมาะกับงานที่ต้องลากสายยาว ๆ เนื่องจากจะมีความผิดพลาดเกิดขึ้นจากค่าความต้านทานสะสมของสายตัวนำทำให้ค่าที่อ่านได้ผิดเพี้ยนไป อาร์ทีดี 2 สายจึงเหมาะกับงานที่ไม่ต้องการความถูกต้องสูงนัก

อาร์ทีดี 3 สาย

อาร์ทีดี 3 สาย เป็นแบบที่นิยมใช้ที่สุดในอุตสาหกรรม โดย สายทั้ง 3 ที่อยู่ระหว่างจุดวัดกับวงจร จะต้องมีขนาด,ความยาวเท่ากันและอยู่ในอุณหภูมิเดียวกันตลอด เพื่อให้ค่าความต้านทาน r1 , r2 และ r3 เปลี่ยนไปในทิศทาง เดียวกันด้วยขนาดที่เท่ากัน นั่นคือ

Rt + r3 = R1 + r1

R3 R2

เนื่องจาก r1 เท่ากับ r3 เพราะฉะนั้นอุณหภูมิที่วัดจึงขึ้นอยู่กับ Rt เพียงตัวเดียว ทำให้อาร์ทีดี 3 สาย มีความถูกต้องสูงกว่าอาร์ทีดีแบบ 2 สาย

อาร์ทีดี 4 สาย

อาร์ทีดี 4 สาย เป็นแบบที่มีความถูกต้องสูงที่สุดเนื่องจากเลื่อนจุดต่อของ Bridge ออกไปอยู่ภายนอกทั้ง 4 จุด สามารถชดเชยความต้านทานของสายตัวนำได้ทั้งหมด โดยสายทั้ง 4 ต้องมีขนาด,ความยาวเท่ากัน แลอยู่ในอุณหภูมิเดียวกันตลอดเหมือนกับ อาร์ทีดี 3 สาย

อาร์ทีดี เป็น Sensor วัดอุณหภูมิที่มี Linearity ดีที่สุดมีความถูกต้องสูง และให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าสูง แต่มีย่านการใช้งานไม่กว้างเท่ากับเทอร์มอคัปเปิลและมีราคาแพงกว่าพอสมควร

ชีตอาร์ทีดี (Sheath RTD) คือ อาร์ทีดีที่ในกระบวนการผลิตจะผ่านขั้นตอนการรีด (Reducing) ทำให้ฉนวนไฟฟ้าภายในอัดตัวแน่นเป็นพิเศษ จึงมีความไวในการวัดสูงมาก และสามารถดัดงอได้ตามลักษณะงาน