อุณหภูมิมีบทบาทสำคัญในการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิด มีเซ็นเซอร์หลายประเภทที่ใช้ตรวจสอบอุณหภูมิ เช่น เทอร์มิสเตอร์ เทอร์โมคัปเปิล RTD (เครื่องตรวจจับเทอร์มิสเตอร์ความต้านทาน) เป็นต้น ในบทความนี้ เราจะพูดถึง RTD

อย่างที่ทราบกันดีว่าความต้านทานของตัวนำจะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ RTD ใช้คุณสมบัตินี้เพื่อแปลงอุณหภูมิให้เป็นความต้านทานตามสัดส่วนที่สามารถวัดได้ง่าย

RTD “Resistance Temperature Detector” คืออะไร?

RTD หรือเครื่องตรวจจับอุณหภูมิแบบความต้านทานเป็นเซ็นเซอร์ไฟฟ้าที่ใช้ในการวัดอุณหภูมิของตัวกลางโดยการวัดการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานของลวดโลหะ

ลวดโลหะเรียกว่าเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิซึ่งความต้านทานจะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ โดยอุปกรณ์อื่นจะวัดความต้านทานนั้นเพื่อแปลงเป็นอุณหภูมิ ลวดโลหะมีความแม่นยำสูงและมีลักษณะเชิงเส้นเมื่อเปรียบเทียบกับเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิอื่นๆ

หลักการทำงานของเครื่องตรวจจับอุณหภูมิแบบต้านทาน

อุปกรณ์ RTD ทำงานบนหลักการที่ว่าความต้านทานของตัวนำจะเปลี่ยนไปเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ตามที่เราทราบ ความต้านทานของตัวนำที่มีความยาว “l” และพื้นที่ “a” จะกำหนดโดย

R = ρ l / a

ที่ไหน

• R = ความต้านทานของสายไฟ
• ρ = ค่าความต้านทานของวัสดุ
• l = ความยาวของสายไฟ
• a = พื้นที่หน้าตัดของเส้นลวด

ρ คือค่าความต้านทานของวัสดุซึ่งวัดเป็นโอห์ม-ซม. ขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุและอุณหภูมิของวัสดุ เนื่องจากความยาวและพื้นที่ของลวดจะคงที่ตลอดการทำงานของ RTD ความต้านทานจึงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น ดังนั้นความต้านทานของโลหะที่อุณหภูมิที่กำหนด 't' จึงแสดงเป็น

Rt = Ro (1 + αt)

ที่ไหน

• Rt = ความต้านทานที่อุณหภูมิ t
• Ro = ความต้านทานที่อุณหภูมิอ้างอิง
• α = ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ

ค่าความต้านทานขึ้นอยู่กับ α ซึ่งเป็นค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ โดยจะแตกต่างกันไปตามโลหะแต่ละชนิด ดังนั้น โลหะดังกล่าวจึงเหมาะกับธาตุ RTD ที่มีค่า α สูงสุด

งานก่อสร้าง RTD

RTD หรือ Resistance Temperature Detector ทำโดยการพันวัสดุต้านทานรอบฐานไมก้า วัสดุที่ใช้จะถูกดึงให้เป็นลวดบางๆ เพื่อสร้างส่วนประกอบของ RTD ลวดจะถูกพันเป็นรูปเกลียวและปลายทั้งสองด้านจะถูกดึงออกมาที่ด้านเดียวกัน ส่วนประกอบจะได้รับการปกป้องด้วยตัวเรือนหรือปลอกสแตนเลส มีชั้นฉนวนระหว่างส่วนประกอบและเปลือกนอก

องค์ประกอบได้รับการออกแบบให้มีรูปร่างเป็นเกลียวเพื่อลดผลกระทบของแรงดึงที่มีต่อองค์ประกอบนั้น อย่างที่ทราบกันดีว่าความต้านทานของลวดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเช่นเดียวกับความยาวของลวด เนื่องจากการขยายตัวเนื่องจากความร้อน ความยาวของลวดจึงเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ซึ่งส่งผลต่อความต้านทานขององค์ประกอบด้วย สิ่งนี้ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการอ่านเนื่องจากเราต้องการให้อุณหภูมิเปลี่ยนความต้านทานเท่านั้น ไม่ใช่ความเครียดทางกายภาพบนลวด ดังนั้นองค์ประกอบจึงได้รับการออกแบบให้มีรูปร่างเป็นเกลียว

ตัวเรือนภายนอกทำจากอินโคเนล ซึ่งเป็นโลหะผสมของนิกเกิล เหล็ก และโครเมียม มีคุณสมบัติทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม ช่วยปกป้องชิ้นส่วนภายในจากสภาพแวดล้อมที่รุนแรง นอกจากนี้ยังเป็นตัวนำความร้อนได้ดีเยี่ยม โดยสามารถเข้าถึงอุณหภูมิโดยรอบได้อย่างรวดเร็วและถ่ายโอนความร้อนไปยังชิ้นส่วนได้

ประเภท RTD ตามการก่อสร้าง

RTD ฟิล์มบาง

องค์ประกอบ RTD แบบฟิล์มบางทำขึ้นโดยการเคลือบวัสดุที่ไวต่ออุณหภูมิ เช่น นิกเกิล แพลตตินัม และทองแดงเป็นชั้นบางๆ บนพื้นผิวฉนวน จากนั้นจึงสร้างลวดลายของวัสดุให้ตรงตามอุณหภูมิที่ต้องการ จากนั้นจึงต่อขั้วต่อเข้ากับองค์ประกอบ และหุ้มด้วยเปลือกป้องกันเพื่อปกป้ององค์ประกอบ

ลวดพัน RTD

ส่วนประกอบของ RTD แบบพันลวดนั้นทำจากขดลวดแบบเกลียว ซึ่งเป็นแบบที่นิยมใช้กันมากที่สุด ส่วนประกอบแบบพันลวดสามารถผลิตได้ 2 ประเภท

• การออกแบบที่พบเห็นได้ทั่วไปที่สุดคือองค์ประกอบการพันจะถูกหุ้มไว้ภายในชั้นฉนวนและเปลือกป้องกัน วัสดุฉนวนที่ใช้คือเซรามิก
• ประเภทอื่นมีองค์ประกอบที่พันรอบแกนฉนวนโดยมีวัสดุฉนวนเพิ่มเติมที่ใช้คลุมองค์ประกอบ โครงสร้างนี้ใช้สำหรับการใช้งานวัตถุประสงค์พิเศษ

การกำหนดค่าสายไฟ

RTD จะต้องเชื่อมต่อกับวงจรหรืออุปกรณ์วัดความต้านทานบางชนิดเพื่อวัดอุณหภูมิ เนื่องจากการอ่านค่าอุณหภูมิขึ้นอยู่กับความต้านทานขององค์ประกอบ ความต้านทานที่ไม่ต้องการ เช่น สายไฟและความต้านทานการเชื่อมต่อ จะถูกเพิ่มเข้าไปในค่าที่อ่านได้ ทำให้เกิดข้อผิดพลาด เพื่อชดเชยข้อผิดพลาดนี้ จึงมีการใช้สายไฟหลายประเภท เช่น 2 สาย 3 สาย 4 สาย และ 2 สายพร้อมห่วงชดเชย

สายไฟ 2 เส้น

ในโครงร่างแบบ 2 สาย จะมีการเชื่อมต่อสายไฟเส้นเดียวเข้ากับปลายทั้งสองด้านขององค์ประกอบ RTD สายไฟเหล่านี้ใช้เพื่อเชื่อมต่อองค์ประกอบ RTD เข้ากับอุปกรณ์วัด เนื่องจากความต้านทานรวมของวงจรนั้นวัดได้จากความต้านทานของสายไฟทั้ง 1 และ 2 การอ่านค่าอุณหภูมิจึงรวมข้อผิดพลาดที่เกิดจากค่านี้ด้วย การอ่านค่าจะสูงกว่าอุณหภูมิจริงเสมอ

นี่เป็นการกำหนดค่าที่ง่ายที่สุดในการใช้งาน เนื่องจากข้อเสียดังกล่าวข้างต้น จึงใช้ในการใช้งานที่ไม่ต้องการความแม่นยำสูง เพื่อขจัดตัวต้านทานนำไฟฟ้า จึงใช้การกำหนดค่าต่อไปนี้

3 สาย

โครงร่างแบบ 3 สายประกอบด้วยสายทั้งหมด 3 เส้นที่เชื่อมต่อระหว่างองค์ประกอบ RTD และอุปกรณ์วัด โดยใช้สาย 2 เส้นเพื่อเชื่อมต่อด้านหนึ่งขององค์ประกอบ RTD เข้ากับอุปกรณ์วัด ในขณะที่ใช้สายเพียงเส้นเดียวเพื่อเชื่อมต่ออีกด้านหนึ่ง สายที่สามช่วยชดเชยข้อผิดพลาดที่เกิดจากความต้านทานของสาย นี่เป็นโครงร่าง RTD ที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดในการใช้งานเชิงพาณิชย์ เนื่องจากสามารถอ่านค่าได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ

ความยาวของสายนำทั้ง 3 เส้นและชนิดของวัสดุที่ใช้จะเท่ากัน สายนำ 1 และ 2 ใช้สำหรับวัดค่าความต้านทานรวม นั่นคือ ความต้านทานขององค์ประกอบ RTD และสายนำ 1 และ 2 ในขณะที่สายนำ 1 และ 3 ใช้สำหรับวัดค่าความต้านทานของสายนำเท่านั้น ดังนั้น ค่าความต้านทานของสายนำจะถูกหักออกจากค่าความต้านทานรวมเพื่อให้ได้การวัดอุณหภูมิที่แม่นยำยิ่งขึ้น แต่การวัดจะแม่นยำได้ก็ต่อเมื่อสายนำทั้งสามเส้นมีค่าความต้านทานเท่ากัน มิฉะนั้น อาจมีข้อผิดพลาดเกิดขึ้น เพื่อขจัดข้อผิดพลาดนี้ให้เหลือศูนย์ต่อไป จึงใช้การกำหนดค่าแบบ 4 สาย

4 เส้น

การกำหนดค่า RTD 4 สายมีสายนำสองเส้นเชื่อมต่อที่แต่ละด้านขององค์ประกอบ RTD ดังนั้นจึงมีการเชื่อมต่อสายทั้งหมด 4 เส้น มีการวัดอุณหภูมิที่แม่นยำที่สุด แต่มีราคาแพงในการติดตั้งและมีเวลาตอบสนองค่อนข้างช้า ใช้ในห้องปฏิบัติการที่ความแม่นยำมีความสำคัญสูงสุด

สายนำที่ใช้มีเครื่องหมาย 1, 2, 3 และ 4 ตามที่แสดงในรูปภาพ อุปกรณ์วัดเชื่อมต่อสายนำทั้งสี่สาย สายนำด้านนอก 1 และ 2 ใช้สำหรับส่งกระแสคงที่ผ่านองค์ประกอบ RTD ในขณะที่สายนำด้านใน 2 และ 3 ใช้สำหรับวัดแรงดันไฟฟ้าข้ามองค์ประกอบ ค่าแรงดันไฟฟ้าใช้เพื่อคำนวณความต้านทานขององค์ประกอบโดยใช้กฎของโอห์ม V = IR การกำหนดค่า 2 สายพร้อมลูปชดเชย

• ในการกำหนดค่านี้จะมีวงจรปิดตัวนำเพิ่มเติมที่เรียกว่าวงจรชดเชย วงจรแยกนี้ใช้เพื่อวัดความต้านทานของตัวนำ ดังนั้นวัสดุและความยาวของวงจรจึงเหมือนกับของตัวนำอีกสองตัว แต่ไม่ค่อยได้ใช้วิธีนี้

ประเภทของวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้าง RTD

องค์ประกอบ RTD ประกอบด้วยโลหะบริสุทธิ์ซึ่งความต้านทานจะแปรผันโดยตรงกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ กล่าวคือ ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น และในทางกลับกัน ความต้านทานจะถูกแปลงเป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่แสดงค่าอุณหภูมิตามสัดส่วน

ตัวนำเกือบทั้งหมดจะแสดงการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงนี้ถือว่าไม่สำคัญเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำ แต่มีโลหะบางชนิดที่แสดงลักษณะเฉพาะที่ให้ประสิทธิภาพและความเป็นเส้นตรงที่ดีที่สุด โลหะเหล่านี้จะต้องมีลักษณะเฉพาะต่อไปนี้จึงจะใช้เป็นองค์ประกอบ RTD ได้

• จะต้องมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิสูงจึงจะทำให้มีการเปลี่ยนแปลงความต้านทานต่อองศาอุณหภูมิได้มาก
• จะต้องมีความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงระหว่างอุณหภูมิและความต้านทาน
• จะต้องสามารถทำซ้ำได้ ซึ่งหมายความว่าความต้านทานจะต้องไม่เปลี่ยนแปลงที่อุณหภูมิเดียวกันในช่วงระยะเวลาหนึ่ง
• จะต้องมีความทนทาน
• จะต้องสามารถทนต่ออุณหภูมิที่ถูกวัดได้

โดยทั่วไปองค์ประกอบ RTD มักทำจากโลหะที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวก เช่น แพลตตินัม นิกเกิล ทองแดง หรือโลหะผสมนิกเกิล วัสดุเหล่านี้มีความเสถียรและมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิสูง

ทองแดง

ทองแดงแสดงลักษณะเชิงเส้นโดยมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่ค่อนข้างสูง นั่นคือ การเปลี่ยนแปลงความต้านทานต่ออุณหภูมิที่สูง อย่างไรก็ตาม ช่วงอุณหภูมิการทำงานของทองแดงนั้นต่ำและมีความแม่นยำต่ำ ทองแดงมีราคาถูกกว่าธาตุอื่น ดังนั้นจึงใช้ในงานที่ไม่ต้องการความแม่นยำสูงและช่วงอุณหภูมิสูง เช่น ในขดลวดมอเตอร์ เป็นต้น

นิเคน

นิกเกิลมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิสูงสุดในบรรดาส่วนประกอบ RTD ทั้งหมด อย่างไรก็ตาม ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและความต้านทานจะเป็นแบบเส้นตรงน้อยกว่า ส่งผลให้มีความแม่นยำต่ำกว่า ช่วงอุณหภูมิของนิกเกิลกว้างกว่าทองแดงแต่ต่ำกว่าแพลตตินัม เนื่องจากมีค่าความแม่นยำต่ำกว่า จึงนิยมใช้เนื่องจากมีราคาถูกกว่าแพลตตินัม

แพลตตินัม

แพลตตินัมมีลักษณะเชิงเส้นมากที่สุดเมื่อเทียบกับสามประเภทอื่นๆ แพลตตินัมสามารถทำงานในช่วงอุณหภูมิที่กว้างได้โดยมีความแม่นยำและทำซ้ำได้สูง มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิสูงแต่มีราคาแพงกว่าส่วนประกอบ RTD อื่นๆ ส่วนประกอบ RTD แพลตตินัมมักใช้ในงานอุตสาหกรรม

ข้อดีข้อเสียของ RTD

เอื้ออำนวย

ต่อไปนี้เป็นข้อดีบางประการของ RTD

• สามารถทำงานได้ในอุณหภูมิที่หลากหลาย
• ผลการวัดมีความสม่ำเสมอและสามารถทำซ้ำได้ในอุณหภูมิสูง
• ทนทานต่อการกัดกร่อนและเหมาะที่สุดสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
• มันมีลักษณะเชิงเส้นตรงมากขึ้น
• มีความแม่นยำสูงในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง
• มีความเสถียรและมีอายุการใช้งานยาวนานเมื่อวัดที่อุณหภูมิสูง
• RTD ผลิต ติดตั้ง และเปลี่ยนได้ง่าย
• สามารถวัดความแตกต่างของอุณหภูมิได้
• เหมาะสำหรับการตรวจสอบพื้นที่ห่างไกล

ข้อเสีย

ต่อไปนี้เป็นข้อเสียบางประการของ RTD

• จำเป็นต้องมีแหล่งจ่ายไฟ
• ความแม่นยำจะขึ้นอยู่กับสภาพของแบตเตอรี่
• ความร้อนที่เกิดจากการสูญเสีย I2R ในส่วนประกอบ ซึ่งเรียกอีกอย่างว่า การให้ความร้อนด้วยตัวเอง ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัด ส่งผลให้ความแม่นยำได้รับผลกระทบ
• มีขนาดใหญ่จึงไม่สามารถรับรู้อุณหภูมิในจุดเล็กๆ ได้
• ได้รับผลกระทบจากการกระแทกและแรงสั่นสะเทือนทางกายภาพ
• มีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่จำกัดมากกว่าเทอร์โมคัปเปิล
• มีต้นทุนเริ่มต้นสูงกว่าเทอร์โมคัปเปิล
• มีวงจรทำงานหรือหน่วยประมวลผลสัญญาณที่ซับซ้อน
• ต้องมีวงจรภายนอกเพื่อทำงานเป็นวงจรสะพานที่มีแหล่งจ่ายไฟ
• ความไวต่ำและเวลาตอบสนองช้าลง

การประยุกต์ใช้งานของ RTD

RTD มักใช้ในการตรวจสอบอุณหภูมิอย่างต่อเนื่องในแอปพลิเคชันต่างๆ ตัวอย่างแอปพลิเคชันบางส่วนแสดงไว้ด้านล่าง

• ใช้ในงานที่ต้องการควบคุมอุณหภูมิ
• ใช้ในพื้นทุรกันดารที่เข้าถึงได้ยาก
• ใช้เพื่อวัดอุณหภูมิเครื่องยนต์และปริมาณอากาศที่เข้าสู่รถยนต์
• ในกระบวนการอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การแปรรูปและการผลิตอาหาร ใช้เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิ
• ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังต่างๆ อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์และการทหารจะใช้ RTD
• นอกจากนี้ยังใช้ในสื่อและอุปกรณ์วัดอุณหภูมิหลายชนิดอีกด้วย