การแบ่งประเภท และ การเลือกใช้ Thermocouple

ในการจัดประเภทของ Thermocouple นั้น เราสามารถแบ่งได้ตามวัสดุที่นำมาทำเป็นเซ็นเซอร์โดยคุณสมบัติของวัสดุที่แตกต่างกันนี้ จะทำให้เกิดค่า EMF (Electromotive Force) หรือ แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต่างกันด้วย

นอกจากนี้ชนิดของโลหะที่ใช้ทำเทอร์โมคัปเปิลก็ยังส่งผลต่อความเป็นเชิงเส้นของแรงดันเอาท์พุตของตัวเทอร์โมคัปเปิล เนื่องจากเป็นเซ็นเซอร์แบบ Active ที่ไม่จำเป็นต้องมีแหล่งจ่ายพลังงานให้ ก็สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าได้เองตาม หลักการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล ที่กล่าวไว้ในบทความของ Factomart.com เราสามารถสรุปกลุ่มของโลหะหรือวัสดุที่ใช้ทำเซ็นเซอร์ออกเป็น 3 กลุ่ม ใหญ่ๆ คือ

1. Nickel Alloy กลุ่มโลหะชนิดนี้ใช้ทำเทอร์โมคัปเปิล เช่น Type K, J, T

2. Platinum/Rhodium Alloy กลุ่มโลหะชนิดนี้ใช้ทำเทอร์โมคัปเปิล เช่น Type B, R, S

3. Tungsten/Rhenium Alloy กลุ่มโลหะชนิดนี้ใช้ทำเทอร์โมคัปเปิล เช่น Type C, D, G

ในกลุ่มของโลหะที่ใช้ทำเทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้ ส่วนใหญจะเป็นโลหะผสมจำพวกอัลลอย ซึ่งแล้วปริมาณ นอกจากนี้ต้นทุน จุดหลอมเหลวของโลหะ ความไวต่อการตอบสนองอุณหภูมิ ความสามารถในการทนต่อสารเคมี และสภาพแวดล้อมก็เป็นปัจจัยในการจำแนกประเภทของเซ็นเซอร์

Nickel alloy thermocouples

• Type E ทำจากส่วนประกอบของวัสดุ chromel – constantan ให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงดันต่ออุณหภูมิที่สูงถึง (68µV/°C) เหมาะสำหรับงานวัดอุณหภูมิด้านต่ำๆ เช่น การแช่แข็ง โดยมีย่านการวัดอุณหภูมิอยู่ที่ −50°C ถึง +740°C และย่านแคบอยู่ที่ −110°C ถึง +140°C และมีคุณสมบัติที่แม่เหล็กดูดไม่ติด (non – magnetic)

• Type J ทำจากส่วนประกอบของวัสดุ iron – constantan เป็นที่นิยมใช้งาน ให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงดันต่ออุณหภูมิอยู่ที่ (50µV/°C) เหมาะสำหรับงานวัดอุณหภูมิด้านกลางๆ โดยมีย่านการวัดอุณหภูมิอยู่ที่ −40°C ถึง +750°C ซึ่งแคบกว่า Type K แต่ให้ความไวในการวัดและความเป็นเชิงเส้นสูงกว่า Type K

• Type K ทำจากส่วนประกอบของวัสดุ Chromel  – Alomel เป็นที่นิยมใช้งาน ให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงดันต่ออุณหภูมิอยู่ที่ (41µV/°C) เหมาะสำหรับงานวัดอุณหภูมิด้านกลางๆ ถึงสูง โดยมีย่านการวัดอุณหภูมิอยู่ที่ −200°C ถึง +1350°C

• Type M ทำจากส่วนประกอบของวัสดุ Ni/Mo 82%/18% – Ni/Co 99.2%/0.8% เหมาะสำหรับงานวัดอุณหภูมิและควบคุมอุณหภูมิในเตาเผาแบบสูญอากาศ เนื่องจากตัวโครงสร้างของวัสดุชนิดนี้จะไม่ทนต่อการเกิดออกซิเดชันในอุณหภูมิที่สูง ซึ่งอุณหภูมิสูงสุดที่สามารถใช้ได้อยู่ที่ 1400°C

• Type N ทำจากส่วนประกอบของวัสดุ Nicrosil – Nisil ให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงดันต่ออุณหภูมิอยู่ที่ (39µV/°C ที่ 900°C) เหมาะสำหรับงานวัดอุณหภูมิด้านกลางๆ โดยมีย่านการวัดอุณหภูมิอยู่ที่ −270°C ถึง +1300°C ทนต่อการเกิดออกซิเดชัน และมีความเสถียรภาพการใช้งานดี ซึ่ง Thermocoule Type N ถูกออกแบบโดยองค์การวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีกลาโหมของออสเตรเลีย  เพื่อเอาชนะปัญหาที่เกิดในวัสดุที่ใช้ทำเซ็นเซอร์สร้างสัญญาณ EMF ที่ไม่คงที่

• Type T ทำจากส่วนประกอบของวัสดุ copper – constantan เป็นที่นิยมใช้งาน ให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงดันต่ออุณหภูมิที่สูงถึง (43µV/°C) มีส่วนผสมของทองแดง นำความร้อนได้ดี เหมาะสำหรับงานวัดอุณหภูมิด้านต่ำ เช่น ห้องเย็น การแช่แข็ง โดยมีย่านการวัดอุณหภูมิอยู่ที่ −200°C ถึง +350°C และมีคุณสมบัติที่แม่เหล็กดูดไม่ติด

Platinum/rhodium alloy thermocouples

เทอร์โมคัปเปิล Types B, R, S ทำจากวัสดุที่ให้เสถียรภาพในการวัดอุณหภูมิที่ดี แต่จะให้ความไวในการวัดอุณหภูมิที่ต่ำกว่าเทอร์โมคัปเปิลแบบอื่นๆ ซึ่งให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงดันต่ออุณหภูมิอยู่ที่ (10µV/°C) โดยเทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้เหมาะสำหรับการวัดค่าอุณหภูมิในด้านสูงๆ แต่ราคาหรือต้นทุนก็จะมีราคาสูงด้วย

• Type B ทำจากส่วนประกอบของวัสดุ Pt/Rh 70%/30% – Pt/Rh 94%/6% เหมาะสำหรับงานวัดอุณหภูมิด้านสูง เช่น เตาเผาเซรามิก โดยสามารถวัดอุณหภูมิสูงสุดอยู่ที่ 1800°C เริ่มสามารถเริ่มวัดอุณหภูมิได้ตั้งแต่ 50°C ซึ่งจะสูงกว่าอุณหภูมิห้อง เนื่องจาก EMF ที่ย่านอุณหภูมิต่ำจะมีน้อยมาก จนแทบวัดไม่ได้ ซึ่งหมายความว่าจุดอ้างอิงของอุณหภูมิของเทอร์โมคัปเปิลแบบนี้จะสามารถทำได้อย่างง่าย เพียงแค่กำหนดค่าคงที่ขึ้นมาแล้วอ้างอิงกับค่าอุณหภูมิห้อง

• Type R ทำจากส่วนประกอบของวัสดุ Pt/Rh 87%/13% – Pt เหมาะสำหรับงานวัดอุณหภูมิด้านสูง เช่น เตาเผาเซรามิก โดยสามารถวัดอุณหภูมิสูงสุดอยู่ที่ 1ุ600°C และเป็นชนิดที่มีการใช้งานมากพอๆ กับ Type S

• Type S ทำจากส่วนประกอบของวัสดุ Pt/Rh 90%/10% – Pt เหมาะสำหรับงานวัดอุณหภูมิด้านสูง โดยสามารถวัดอุณหภูมิสูงสุดอยู่ที่ 1ุ600°C โดยทาง ITS-90 ระบุช่วงการใช้งานของ Thermocouple Type S ที่มีความละเอียดสูงอยู่ที่ ุ630~1ุ064°C ซึ่งเหมาะสำหรับใช้เป็นตัวมาตรฐานในการสอบเทียบในห้องปฎิบัติการ

Tungsten/rhenium alloy thermocouples

เทอร์โมคัปเปิลที่กล่าวทั้งหมดในตอนต้นส่วนใหญ่แล้วจะไม่สามารถใช้งานภายใต้สภาวะแวดล้อมที่รุนแรง มีการกัดกร่อน ในอุณหภูมิสูงมากได้ แต่สำหรับเทอร์โมคัปเปิล Type C, D, G สามารถใช้งานที่อุณหภูมิสูงถึง 2315°C และเพิ่มสามารถเพิ่มย่านวัดได้ถึง 2760°C ภายใต้ภายใต้บรรยากาศของก๊าซเฉื่อย (Inert Atmosphere) เช่น บรรยากาศของก๊าซไนโตรเจน และได้ถึง 3000°C กรณีการวัดค่าแบบคร่าวๆ

• Type C ทำจากส่วนประกอบของวัสดุ W/Re 95%/5% – W/Re 74%/26%

• Type D ทำจากส่วนประกอบของวัสดุ W/Re 97%/3% – W/Re 75%/25%

• Type G ทำจากส่วนประกอบของวัสดุ W – W/Re 74%/26%

เมื่อเราได้ทราบถึงประเภทของเทอร์โมคัปเปิลแล้ว จะเห็นได้ว่าเทอร์โมคัปเปิลนั้นมีหลากหลายชนิดซึ่งในแต่ละชนิดจะมีย่านการวัดอุณหภูมิที่เหมาะสมแตกต่างกัน ซึ่งขึ้นอยู่กับความเป็นเชิงเส้นของแรงดันเอาท์พุต emf ของเทอร์โมคัปเปิลชนิดนั้น จากรูปด้านล่างแสดงให้เห็นถึงกราฟความเป็นเชิงเส้นของเซ็นเซอร์ชนิดต่างๆ