ระบบวินิจฉัยความบกพร่องในเซนเซอร์วัดอุณหภูมิ
ทวิช ชูเมือง

   อุณหภูมิเป็นตัวแปรทางกระบวนการผลิตที่สำคัญตัวหนึ่งที่มีผลต่อการควบคุมกระบวนการผลิต ดังนั้นจึงต้องมีเครื่องมือวัดและเซนเซอร์ที่เหมาะสมและมีความสมบูรณ์ในการติดตั้งเพื่อให้ได้ค่าการวัดที่ถูกต้องแม่นยำ นอกจากการเลือกใช้เครื่องมือวัดอุณหภูมิให้เหมาะสมกับบริเวณที่ต้องการวัดแล้ว การวินิจฉัยความบกพร่องในตัวเครื่องมือวัดเองหรือจากการติดตั้งที่ไม่เหมาะสม หรืออาจเกิดความบกพร่องมาจากการใช้งานมาเป็นเวลานาน ก็จะเป็นอีกหนทางหนึ่งที่จะช่วยให้ระบบการวัดอุณหภูมิมีความสมบูรณ์แบบมากยิ่งขึ้น

ระบบวินิจฉัยความบกพร่องต่าง ๆ ได้ถูกนำเสนอขึ้นมาเพื่อความสะดวกและสามารถหาสาเหตุของความบกพร่องได้อย่างถูกต้องและรวดเร็ว เทคนิคการวินิจฉัยความบกพร่องรูปแบบหนึ่งที่อยู่บนพื้นฐานการตอบสนองจากสัญญาณกระแสหรือ LCSR (Loop Current Step Response) ก็จะเป็นวิธีการหนึ่งที่ถูกนำมาใช้งานในการวิเคราะห์หรือค้นหาความบกพร่องของการใช้งานเซนเซอร์วัดอุณหภูมิทั้งในแบบ RTD และเทอร์โมคัปเปิล

 

การวัดอุณหภูมิในอุตสาหกรรมด้วยเทอร์โมคัปเปิล
   หลักการทำงานพื้นฐานของการวัดอุณหภูมิด้วยเทอร์โมคัปเปิล เกิดขึ้นจากการนำโลหะต่างชนิดกันมาเชื่อมต่อกันที่ปลายทั้งสองข้าง และเมื่อให้ความร้อนที่ปลายด้านใดด้านหนึ่งจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลอย่างต่อเนื่อง ซึ่งการไหลของกระแสจะเป็นไปตามความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนกับไฟฟ้า เป็นปรากฏการณ์ที่ค้นพบโดย Thomas Seebeck ในปี ค.ศ.1821 วงจรของการเชื่อมต่อโลหะต่างชนิดกันแสดงได้ดังรูปที่ 1

รูปที่ 1 ปรากฏการณ์ของ Seebeck

 

จากรูปที่ 1 ถ้าทำการตัดแยกวงจรนี้ที่จุดกึ่งกลาง จะพบว่าแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตที่จุดปลายทั้งสองของโลหะจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิที่บริเวณจุดต่อและองค์ประกอบของโลหะทั้งสองชนิดดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 แรงดันไฟฟ้า Seebeck

 
จากรูปที่ 2 แรงดันไฟฟ้า Seebeck จะมีการเปลี่ยนแปลงเป็นเชิงเส้นกับอุณหภูมิหรือสามารถเขียนสมการของแรงดันไฟฟ้า Seebeck ได้ดังนี้

 เมื่อ  = ค่าสัมประสิทธิ์ของ Seebeck (Seebeck Coefficient)

 

การวัดอุณหภูมิในอุตสาหกรรมด้วย RTD (Resistance Temperature Detector)
 RTD เป็นความต้านทานที่มีความไวในการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทาน เมื่ออุณหภูมิรอบตัวเปลี่ยนไป โดยจะมีค่าสัมประสิทธิ์ (Coefficient) การเปลี่ยนแปลงความต้านทานต่ออุณหภูมิมีค่าเป็นบวก นั่นคือค่าความต้านทานของวัสดุจะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

 ค่าความต้านทานจะถูกกำหนดด้วยความยาวและพื้นที่หน้าตัดของวัสดุที่ใช้ทำตัว RTD ซึ่งจะเป็นอัตราส่วนโดยตรงกับความยาวและจะเป็นอัตราส่วนกลับกับพื้นที่หน้าตัด ดังแสดงความสัมพันธ์ได้ดังสมการดังนี้

     
RTD มีการออกแบบง่ายและเป็นรูปแบบที่สามารถนำมาใช้กับเส้นวัสดุที่เป็น Copper, Nickel, Nickel/Iron และ Platinum เส้นวัสดุเหล่านี้จะถูกพันรอบอยู่บนแกนที่เป็นฉนวนและจะถูกปิดทับด้วยฉนวนอีกชั้นหนึ่ง ดังแสดงในรูปที่ 3
    

รูปที่ 3 RTD แบบ Wire-wound

 

 สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางอุณหภูมิของวัสดุที่ใช้ทำแกนต้องมีความเหมาะสมกับการขยายตัวของเส้นวัสดุ RTD เพื่อป้องกันการตึงตัวเส้นวัสดุ RTD ที่พันอยู่บนแกน ความตึงตัวของเส้นวัสดุจะมีผลต่อความแม่นยำในการวัด

 การเลือกใช้งานเซนเซอร์วัดอุณหภูมิแบบ RTD (Resistance Temperature Detector)
และเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouples)

  เครื่องมือวัดอุณหภูมิที่เป็นแบบ RTD (Resistance Temperature Detector) และเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouples) มีการใช้งานในบริเวณที่เฉพาะหรือเหมาะสมสำหรับการนำไปวัดอุณหภูมิในอุตสาหกรรมประเภทต่าง ๆ เครื่องมือวัดอุณหภูมิแบบเทอร์โมคัปเปิลเกือบทั้งหมดจะถูกนำไปใช้ในการวัดอุณหภูมิของอากาศหรือก๊าซ เพราะว่าจะมีค่าความผิดพลาดจากความร้อนของตัวเอง (Self Heating Error) น้อยกว่าเครื่องมือวัดอุณหภูมิแบบ RTD

ซึ่งจะเป็นคุณสมบัติประจำตัวของการวัดอุณหภูมิด้วย RTD จากข้อมูลการใช้งานตั้งแต่ปี 2002 เป็นต้นมา จะมีการใช้เทอร์โมคัปเปิลในการวัดอุณหภูมิในอุตสาหกรรมประมาณ 50–60%, RTD ประมาณ 30-40% และเทอร์มิสเตอร์หรือไพโรมิเตอร์ใช้สำหรับวัดอุณหภูมิที่ต่ำมากและสูงมากตามลำดับ เปอร์เซ็นต์ส่วนแบ่งการใช้งานของ RTD เทียบกับเทอร์โมคัปเปิลมีการเติบโตอย่างต่อเนื่องในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา เนื่องจากผู้ใช้งานมองเห็นว่า RTD มีข้อดีมากกว่าเทอร์โมคัปเปิลในการใช้งานเกือบทั้งหมด

 สำหรับในการใช้งานที่ต้องการความถูกต้องสูง ๆ เป็นความต้องการแรกในการวัดอุณหภูมิ RTD จะเป็นตัวเลือกที่ดีมากกว่าเทอร์โมคัปเปิล ถ้าอุณหภูมิอยู่ในย่านการทำงานของ RTD ซึ่งในการใช้งานสามารถปรับเทียบให้มีผลลัพธ์ ความถูกต้องที่ดีจนถึงน้อยกว่า 1 ใน 10 ขององศา ขณะที่เทอร์โมคัปเปิลไม่สามารถเชื่อถือได้ในความถูกต้องที่ดีกว่า 1 องศา โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูง ๆ

  ผู้วิจัยได้มีความก้าวหน้าในการพัฒนาเครื่องมือวัดใหม่ ๆ ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา รวมไปถึงการผลิตเซนเซอร์อุณหภูมิแบบชาญฉลาด (Smart Temperature Sensor) และระบบอิเล็กทรอนิกส์แบบดิจิตอลในการปรับสภาวะของสัญญาณจากเซนเซอร์และจัดเตรียมการอ่านข้อมูลดิจิตอลออกมา, การควบคุมระบบคอมพิวเตอร์ทำให้ RTD มีข้อดีกว่าเครื่องมือวัดอุณหภูมิแบบทั่วไป (Conventional Industrial Temperature)

  ในภาคทฤษฎีสามารถใช้ RTD ในการวัดอุณหภูมิได้ถึง 1000 องศาเซลเซียส แต่ในการใช้งานจริงแล้ว เป็นเรื่องยากที่จะได้ค่าความถูกต้องในการวัดค่าอุณหภูมิถ้ามีค่ามากกว่า 400 องศาเซลเซียส ในทางคล้ายคลึงกัน สามารถใช้เทอร์โมคัปเปิลในการวัดอุณหภูมิได้ถึง 3000 องศาเซลเซียสหรือมากกว่า แต่ค่าความถูกต้องในการวัดอุณหภูมิจนถึง 1000 องศาเซลเซียสเป็นสิ่งที่ท้าทาย ในการใช้งานการวัดอุณหภูมิหลักในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่การวัดอุณหภูมิจะมีค่าอยู่ระหว่าง 200-400 องศาเซลเซียส เมื่อทั้ง RTD และเทอร์โมคัปเปิลยั้งคงสามารถใช้งานได้และให้สมรรถนะการวัดที่ดีเยี่ยม

   ปัญหาหลักของเซนเซอร์ทั้งสองแบบจะเกิดขึ้นที่การวัดอุณหภูมิสูง ๆ มาก ซึ่งจะเป็นข้อจำกัดของส่วนประกอบวัสดุในการสร้างเซนเซอร์ วัสดุเกือบทั้งหมดจะมีสมรรถนะลดลง (Degrade) หรือมีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติที่อุณหภูมิสูง ๆ และเป็นสาเหตุของเซนเซอร์ในการเกิดความผิดพลาดในการอ่านค่า และอีกส่วนหนึ่งจะเป็นวัสดุฉนวนของเซนเซอร์อุณหภูมิในอุตสาหกรรม จะไม่สามารถทนความร้อนที่ใกล้ 1000 องศาเซลเซียสได้ในช่วงเวลาใด ๆ

   RTD สามารถประกอบด้วย Platinum, Copper, Nickel และสารอื่น ๆ ที่มีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานสูง Nickel มีความไวดีเยี่ยมแต่มีความเป็นเชิงเส้นน้อย และ Copper มีความเป็นเชิงเส้นที่ดี แต่มีย่านการวัดอุณหภูมิที่น้อย ในปัจจุบัน RTD ในอุตสาหกรรมเกือบทั้งหมดจะใช้สาย Platinum ในปัจจุบันมีค่าใช้จ่ายไม่มากกว่าการวัดอุณหภูมิในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิต เป็นข้อโต้เถียงที่เหมือนกันในการใช้เทอร์โมคัปเปิล

 

ปัญหาความร้อนในตัวของ RTD (Self Heating Problem in RTD)
     ในการใช้งานควรจะใช้กระแสน้อย ๆ (ประมาณ 1 ma) ในการวัดความต้านทานของ RTD กระแสค่านี้มีค่าน้อย แต่ก็ยังคงเป็นสาเหตุที่ทำให้ส่วนประกอบ Platinum ในตัว RTD มีค่าความร้อนเพิ่มขึ้นเหนืออุณหภูมิรอบตัว RTD โดยความร้อนจะเป็นสัดส่วนกับกระแส (P=IR2) ใน RTD นอกจากนั้นยังมีตัวแปรในการถ่ายเทความร้อนระหว่างตัว RTD กับสิ่งแวดล้อม ถ้า RTD อยู่ในของไหลที่มีการถ่ายเทความร้อนที่ไม่ดี ดังเช่นอากาศ จะมีความร้อนเพิ่มมากขึ้นกว่าในของไหลที่ถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่าดังเช่น น้ำ

     บางครั้ง RTD ไม่ได้เป็นทางเลือกที่ดีที่สุดในการวัดอุณหภูมิ ในของไหลที่มีการถ่ายเทความร้อนที่ไม่ดีดังเช่น ก๊าซ ในกระบวนการผลิต เพราะว่าความร้อนที่เกิดขึ้นเป็นสาเหตุให้เกิดความผิดพลาดในการวัดอุณหภูมิด้วย RTD ซึ่งเป็นคุณสมบัติประจำตัวของ RTD ทั้งหมด สำหรับการใช้งานในลักษณะนี้เทอร์โมคัปเปิลเป็นทางเลือกที่ดี ถ้าสภาวะของกระบวนการเหมาะสมกับการใช้เทอร์โมคัปเปิล

ความผิดพลาดจากความร้อนในตัวเองของ RTD ปกติน้อยกว่า 1 ใน 10 ขององศาในของไหล แต่มันจะมีค่ามากกว่า 1 องศาหรือมากกว่าในอากาศหรือก๊าซในกระบวนการผลิต

เทอร์โมคัปเปิลสามารถทำให้เกิดจุดต่อที่ไม่จำเป็นหรือจุดต่อที่สองได้ตลอดสายไฟของมันเพราะว่ามีสายไฟในส่วนที่มีอุณหภูมิต่ำ, ความแตกต่างระหว่างส่วนของเทอร์โมคัปเปิลที่อยู่ในกระบวนการผลิตและส่วนที่เหลือของส่วนประกอบเทอร์โมคัปเปิล

ผลกระทบเหล่านี้สามารถทำให้เกิดความไม่เป็นเนื้อเดียวกันตลอดทั้งสายเส้นหนึ่งหรือทั้งสองเส้นของเทอร์โมคัปเปิล ถ้ามีความไม่เป็นเนื้อเดียวกันเกิดขึ้น จะเป็นผลทำให้ความชันสัญญาณเอาต์พุตลดลง ทำให้เกิดแรงดันเอาต์พุตที่ผิดพลาด ซึ่งแรงดันเอาต์พุตนี้อาจจะถูกเพิ่มเข้าไปในสัญญาณเอาต์พุตปกติหรือลบออกจากมัน ขึ้นอยู่กับความลาดชันของอุณหภูมิและตำแหน่งของความไม่เป็นเนื้อเดียว นี้หมายความว่าเทอร์โมคัปเปิลสามารถแสดงค่าความผิดพลาดของอุณหภูมิ บางครั้งเป็นอุณหภูมิลบ นั่นคือในบางครั้งอาจจะเป็นสิ่งที่ทำให้เกิดเหตุการณ์อันตรายขึ้นได้ในโรงงานอุตสาหกรรม

 

ความทนทานต่อการสั่น (Vibration Tolerance)
    โดยปกติ RTD จะประกอบไปด้วยสาย Platinum บาง ๆ พันอยู่รอบ ๆ โครงสร้างที่รองรับ สายที่ขยายออกมาจะถูกเชื่อมต่อที่สาย Platinum RTD จะมีความเสียหายจากความตึงเครียดทางกลที่เกิดขึ้นกับสาย Platinum อาจจะเกิดขึ้นในระหว่างการสร้าง เนื่องจากส่วนประกอบจะต้องมีการดัดและทำให้แน่นหนาอยู่บนด้ามจับ ซึ่งมันจะช่วยให้ RTD อ่อนตัวและผ่อนคลายความตรึงเครียดหลังจากการสร้าง เพราะว่าส่วนประกอบของ RTD มีความอ่อนแอต่อแรงทางกล

  เทอร์โมคัปเปิลโดยทั่วไปมีข้อดีมากกว่าในการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการสั่นสะเทือนหรือความตรึงเครียดจากแรงทางกลหรือทางความร้อน (Thermal Shock) ที่เกิดขึ้นกับเซนเซอร์อุณหภูมิ

     RTD มีการป้องกันสัญญาณรบกวนได้ดีกว่าเทอร์โมคัปเปิลเพราะมันมีเอาต์พุตที่กว้าง ซึ่งสามารถขยายหรือควบคุมได้ดีกว่าในด้านของการเกิดสัญญาณรบกวน บางครั้งเทอร์โมคัปเปิลสามารถทำตัวเหมือนเสารับสัญญาณและสัญญาณเอาต์พุตสามารถถูกรบกวนไปด้วยสัญญาณรบกวน ตัวกรองสัญญาณสามารถช่วยกรองสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นได้ ถ้าความต้องการเวลาตอบสนองจากเทอร์โมคัปเปิลไม่ได้เป็นจุดวิกฤติในการวัดอุณหภูมิ

     เทอร์โมคัปเปิลโดยปกติจะมีเวลาตอบสนองที่ดีกว่า RTD แต่ไม่เสมอไป โดยทั่วไปเทอร์โมคัปเปิลเปลือยจะมีเวลาตอบสนองที่ดีกว่า RTD เปลือย เมื่อใช้งานในเทอร์โมเวลส์ เวลาตอบสนองที่ได้จากเซนเซอร์จะขึ้นอยู่กับระยะช่องว่างอากาศระหว่างเซนเซอร์กับเทอร์โมเวลส์

 

ระบบวินิจฉัยความบกพร่องของเซนเซอร์วัดอุณหภูมิ (Temperature Sensor Diagnostics)
     จากหัวข้อที่ผ่านมาจะเห็นได้ว่าการใช้งาน เครื่องมือวัดอุณหภูมิที่เป็นแบบ RTD และเทอร์โมคัปเปิล จะมีโอกาสในการเกิดความบกพร่องจากการใช้งานได้หลายประการ ในปัจจุบันได้มีการนำเสนอเทคนิคการวินิจฉัยความบกพร่องของเซนเซอร์วัดอุณหภูมิโดยตรงในการวัดอุณหภูมิในโรงงานอุตสาหกรรมการผลิตที่ใช้เซนเซอร์เป็น RTD และเทอร์โมคัปเปิล เทคนิคการวินิจฉัยนี้จะอยู่บนพื้นฐานการตอบสนองจากสัญญาณกระแสหรือ LCSR (Loop Current Step Response) สำหรับใช้งานในการวิเคราะห์หรือค้นหาความบกพร่องของการใช้งานดังต่อไปนี้

1. ทำอย่างไรในการตรวจสอบเซนเซอร์วัดอุณหภูมิที่ติดอยู่กับพื้นผิวในการใช้งานกับยานอวกาศ

2. ตรวจจับจุดต่อที่สอง (Second Connection) ของเทอร์โมคัปเปิลที่ถูกติดตั้งในกระบวนการผลิตขณะกำลังทำงาน

3. การทดสอบจากระยะไกล (Remote) ในการจำแนกตัวเทอร์โมคัปเปิลที่ต่อสลับขั้วกัน

4. การตรวจสอบความเพียงพอในการใส่ RTD และเทอร์โมคัปเปิลในเทอร์โมเวลส์

5. แบ่งแยกปัญหาในเซนเซอร์วัดอุณหภูมิจากปัญหาของสายไฟ

6. การใช้ RTD ในการตรวจจับระดับน้ำในท่อหรือในถัง

7. ตรวจสอบโดยตรงสำหรับการไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (In Homogeneity) ของเทอร์โมคัปเปิล

    ในหัวข้อนี้จะแสดงรายละเอียดการใช้งานเหล่านี้และแสดงว่าจะมีประโยชน์อย่างไรในการนำไปใช้งานกับยานอวกาศและอุตสาหกรรมประเภทอื่น ๆ การทดสอบด้วยวิธี LCSR จะเป็นวิธีการที่เกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนที่เซนเซอร์วัดอุณหภูมิด้วยกระแสไฟฟ้า

    สำหรับ RTD จะใช้ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current) ที่ไหลเข้าไปยัง RTD เป็นสาเหตุให้เกิดความร้อนภายใน RTD วงจร Wheatstone Bridge จะเป็นส่วนหนึ่งของการทดสอบ RTD และระดับสัญญาณกระแสจะเพิ่มจากกระแสเล็กน้อยไปยัง 4–20 มิลลิแอมป์ เพื่อใช้ในการทดสอบด้วยวิธี LCSR

ผลลัพธ์ชั่วขณะจากความร้อนภายในถูกบันทึกที่เอาต์พุตของ Wheatstone Bridge และหลังจากการประมวลผลทางดิจิตอลจะได้การตอบสนองต่อเวลาของ RTD และผลลัพธ์ที่ได้จะใช้เพื่อวินิจฉัย RTD

 สำหรับเทอร์โมคัปเปิล จะใช้ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current) ประมาณ 0.2–2 แอมป์ ขึ้นอยู่กับชนิดของเทอร์โมคัปเปิลและการใช้งาน กระแสไฟฟ้าจะถูกต่อไปยังจุดปลายสายไฟที่ต่อเพิ่มออกมาจากเทอร์โมคัปเปิลและจากนั้น หยุดจ่ายกระแสไฟและทำการบันทึกเอาต์พุตจากเทอร์โมคัปเปิล

สัญญาณเอาต์พุตจะผ่านการวิเคราะห์ในการค้นหาเวลาตอบสนองจากเทอร์โมคัปเปิลหรือวินิจฉัยปัญหาในการติดตั้งเทอร์โมคัปเปิล

การทดสอบด้วยวิธี LCSR จะเป็นสาเหตุให้ RTD หรือเทอร์โมคัปเปิล มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นไป 10–20 องศาเซลเซียส เหนืออุณหภูมิแวดล้อมขึ้นอยู่กับกระแสทั้งหมดที่ใส่เข้าไปและความสามารถของเซนเซอร์ในการกระจายความร้อน

 

ตรวจสอบการยึดติด (Verifying the Attachment)
 เซนเซอร์วัดอุณหภูมิที่ถูกยึดติดและฝังอยู่กับวัสดุของแข็งในการใช้งานหลายรูปแบบและหลาย ๆ ความหมาย การใช้งานเหล่านี้ มีความเกรงกลัวว่าตัวเซนเซอร์สามารถหลวมหลุดหรือแยกออกจากวัสดุของแข็ง เป็นผลทำให้การวัดอุณหภูมิมีความผิดพลาดและมีเวลาการตอบสนองที่ยาวนานกว่าที่ต้องการ การทำงานของวิธี LCSR จะช่วยในการค้นหาว่าเซนเซอร์มีการสัมผัสที่ดีอยู่กับวัสดุของแข็ง วิธีการนี้เป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับการใช้งานกับ RTD, เทอร์โมคัปเปิลและ Strain Gauges ดังแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 แสดงการตอบสนองชั่วขณะของสัญญาณเอาต์พุตจากวิธี LCSR

     
     จากรูปที่ 4 จะเป็นการแสดงการตอบสนองชั่วขณะของสัญญาณเอาต์พุตจากวิธี LCSR สำหรับการทดสอบในห้องทดลองของ RTD แบบ Thin-Film กับระดับความแน่นในการยึดติด จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าสัญญาณจากวิธี LCSR มีความไวในการแสดงระดับความแน่นในการยึดติดระหว่างเซนเซอร์กับวัสดุของแข็ง ต่อไปนี้จะเป็นตัวอย่างในการใช้งานด้วยวิธีดังกล่าว

1)  ในยานอวกาศขององค์การ NASA’s (National Aeronautics and Space Administrations) จะมีระบบการตรวจจับการรั่วในท่อเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์หลักในยานอวกาศ ใช้การวัดอุณหภูมิจาก RTD ที่ถูกติดตั้งอยู่บนพื้นผิวท่อเชื้อเพลิงในระหว่างการใช้งานยานอวกาศ RTD เหล่านี้สามารถเกิดหลวมและส่งผลให้การวัดอุณหภูมิมีค่าต่ำ ซึ่งสามารถใช้วิธี LCSR ในการตรวจสอบการติดตั้งที่เหมาะสมได้

2)  การบุภายในปลายท่อของยานอวกาศทำจากส่วนประกอบวัสดุที่ถูกออกแบบให้สามารถทนความร้อนสูง ๆ ได้ในระหว่างการทำงาน ในการตรวจสอบสมรรถนะของวัสดุใหม่ที่ประกอบขึ้นของปลายท่อ เทอร์โมคัปเปิลจะถูกฝังลงในวัสดุ เพื่อใช้ในการจัดเตรียมข้อมูลอุณหภูมิในระหว่างการใช้งาน ในการทดสอบว่าเทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้ยังคงถูกติดตั้งอยู่ในระหว่างการใช้งาน สามารถใช้วิธี LCSR เพื่อใช้ในการตรวจสอบ รูปที่ 5 เป็นการแสดงผลลัพธ์การทดสอบก่อนและหลังการใช้งานเป็นการแสดงให้เห็นว่าเทอร์โมคัปเปิลไม่อยู่ในตำแหน่งเดิมหลังจากการใช้งาน

รูปที่ 5 การตอบสนองก่อนและหลังการใช้งาน

 

การตรวจจับในเทอร์โมคัปเปิล (Detecting in Thermocouples)
 เมื่อการเชื่อมหรือวิธีการอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการทำให้เกิดความร้อนสูงที่จุดต่อของเทอร์โมคัปเปิลหรือที่จุดวัด อาจจะเกิดจุดต่อที่สองซึ่งเป็นผลลัพธ์จากบริเวณที่สายไฟสองชุดมารวมกันที่บริเวณอื่นที่ไม่ใช่บริเวณที่จุดวัดเนื่องจากอุณหภูมิที่ต่ำกว่า โดยปกติผู้ผลิตเทอร์โมคัปเปิล จะแสดงขั้นตอนที่จะหลีกเลี่ยงปัญหานี้ ถึงอย่างนั้นก็ตาม จุดต่อที่สองก็ยังคงเกิดขึ้นในการใช้งานเทอร์โมคัปเปิล

ผลลัพธ์การวัดเวลาตอบสนองจากการทดสอบด้วยวิธี LCSR ของกลุ่มเทอร์โมคัปเปิลที่ถูกติดตั้งเป็นระบบสำรองในเครื่องจักรทดสอบสำหรับยานอวกาศในส่วนสนับสนุนขององค์การ NASA ถ้าเวลาการตอบสองสำหรับเทอร์โมคัปเปิลตัวหนึ่งมีค่ามากกว่าเทอร์โมคัปเปิลตัวอื่น ๆ ผลลัพธ์จากการสังเกตการณ์นี้หลังจากการสืบสวนพบว่ามีความผิดพลาดในเทอร์โมคัปเปิลที่มีการตอบสนองช้า

ถ้าดูในรายละเอียดที่เฉพาะเจาะจง เทอร์โมคัปเปิลนี้มีจุดต่อสองจุด จุดที่หนึ่งบริเวณหัววัด (Tip) ซึ่งเป็นการตั้งใจและจุดต่อที่สองบริเวณเหนือจุดวัดที่ความยาวหนึ่ง จุดต่อที่สองนี้เองเป็นตัวอย่างปัญหาเพราะว่าจะให้กำเนิดค่าอุณหภูมิที่ผิดพลาดจากผลกระทบเทอร์โมคัปเปิล ในกรณีที่แสดงนี้มันทำให้เกิดผลลัพธ์ที่ไม่ดีของสมรรถนะด้านไดนามิกส์

 

ตรวจจับการสลับขั้ว (Detecting Reverse-connections)
 มีรายงานหลายฉบับที่รายงานถึงการใช้งานเทอร์โมคัปเปิลกลับขั้วในการวัดอุณหภูมิสำหรับโรงงานอุตสาหกรรม เป็นผลทำให้ค่าผลลัพธ์ในการแสดงค่าอุณหภูมิผิดพลาดไปและทำให้เกิดสถานการณ์ที่ไม่ปลอดภัยได้ ดังตัวอย่างหนึ่งการต่อเทอร์โมคัปเปิลกลับขั้วเป็นสาเหตุให้เกิดเพลิงไหม้ในอุตสาหกรรมการประกอบเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

 มันเป็นไปได้ในการแสดงให้เห็นการต่อสายเทอร์โมคัปเปิลกลับขั้วด้วยวิธี LCSR เมื่อไม่มีทางอื่นในการแสดงขั้วของเทอร์โมคัปเปิล การใช้งานการทดสอบด้วยวิธี LCSR เป็นสิ่งสำคัญ เพราะว่าขั้วของสายเทอร์โมคัปเปิลเปลือยไม่ง่ายในการจำแนกระหว่างหรือหลังจากการติดตั้งที่อุณหภูมิแวดล้อม ดังเช่นเทอร์โมคัปเปิลชนิด K (Chromel-Alumel) สาย Alumel มีคุณสมบัติเป็นสารแม่เหล็ก ดังนั้นเทอร์โมคัปเปิลชนิดนี้ สามารถใช้แม่เหล็กในการในการตรวจสอบขั้วของสายเทอร์โมคัปเปิล

ส่วนในเทอร์โมคัปเปิลชนิดอื่น ๆ และในบริเวณที่สายเทอร์โมคัปเปิลเปลือยไม่สามารถเข้าถึงหรือมองเห็นได้ วิธี LCSR จะเป็นเครื่องมือที่เป็นประโยชน์อย่างมากในการแสดงขั้วของสายเทอร์โมคัปเปิล

     ช่างเทคนิคแสดงการสลับขั้วของสายเทอร์โมคัปเปิลในการประกอบ ทำการตรวจสอบด้วยการฉายรังสีในห้องทดลอง ในการตรวจสอบแบบนี้ วิธี LCSR วัดเวลาการตอบสนองของเทอร์โมคัปเปิล เพื่อใช้แสดงเทอร์โมคัปเปิลที่ถูกต่อสลับขั้ว เป็นการตรวจพบที่มีความสำคัญมาก เพราะจะช่วยลดค่าใช้จ่ายและความพยายามว่ามีความต้องการในการทำการทดสอบฉายรังสีซ้ำอีกครั้ง

    
การตรวจสอบความเพียงพอในการใส่ RTD และเทอร์โมคัปเปิลในเทอร์โมเวลส์
 เซนเซอร์วัดอุณหภูมิทั้งที่เป็นแบบ RTD หรือเทอร์โมคัปเปิล โดยทั่วไปจะอยู่ในตำแหน่งที่ใกล้บริเวณจุดวัดให้มากที่สุด ดังนั้นมันจึงมีความสำคัญสำหรับ RTD หรือเทอร์โมคัปเปิลที่ถูกติดตั้งในเทอร์โมเวลส์ ซึ่งต้องให้เซนเซอร์เข้าไปถึงปลายสุดของเทอร์โมเวลส์ สาเหตุต่าง ๆ ที่มีความสำคัญต่อการตอบสนองทางไดนามิกส์ของเซนเซอร์วัดอุณหภูมิจะเป็นดังนี้

- ช่องว่างอากาศ
- การติดขัดในเทอร์โมเวลส์
- ความสกปรกของเซนเซอร์
- การเชื่อมต่อกันของทั้งสองส่วนที่บริเวณจุดวัด

     ถ้าเซนเซอร์อยู่ห่างจากบริเวณจุดที่ต้องการวัด ผลลัพธ์การแสดงค่าอุณหภูมิจากเซนเซอร์สามารถเกิดความผิดพลาดได้ ดังนั้นการตรวจสอบความยาวเซนเซอร์ที่ใส่เข้าไปในเทอร์โมเวลส์จึงเป็นประโยชน์อย่างมาก วิธี LCSR สามารถดำเนินการตรวจสอบดังกล่าวได้ นั่นคือการทดสอบด้วยวิธี LCSR สามารถบอกได้ว่า ถ้า RTD หรือเทอร์โมคัปเปิลถูกใส่เข้าไปไม่ถึงปลายของเทอร์โมเวลส์ และไม่ว่าจะเป็นการขัดขวางหรือความสกปรกในจุดเชื่อมต่อกันของทั้งสองส่วนที่บริเวณจุดวัด ต่อไปเป็นตัวอย่างผลลัพธ์จากการทดสอบ

1)  ตารางแสดงผลลัพธ์การทดสอบด้วยวิธี LCSR ที่ถูกดำเนินการสำหรับแสดงและแก้ไขปัญหาการใส่ RTD ในเทอร์โมเวลส์ ผลลัพธ์เหล่านี้มาจากการใช้งานในโรงงานนิวเคลียร์ เมื่อผู้ปฏิบัติงานใช้วิธี LCSR ที่สภาวะการหยุดทำงาน (Cold Shutdown Condition) ในการตรวจสอบความเหมาะสมในการติดตั้ง RTD ในเทอร์โมเวลส์ ในตารางแสดงค่าเวลาตอบสนอง 2 ค่าสำหรับในแต่ละ RTD ที่สภาวะการหยุดทำงาน

     ค่าแรก (AS Found) ถูกวัดในระหว่างการเริ่มต้นทดสอบ RTD ในการตรวจสอบการติดตั้งที่เหมาะสม สำหรับ RTD ที่มีปัญหาในการติดตั้ง การทดสอบครั้งที่สองเกิดขึ้นหลังจากปัญหาได้ถูกแก้ไขไปแล้ว

     ค่าที่สอง (As Left) เป็นเวลาตอบสนองหลังจากที่ได้แก้ไขปัญญาไปแล้ว สาเหตุของปัญหาได้ถูกแสดงในตารางพร้อมกับการแก้ไขที่ถูกต้อง ในบางกรณีปัญหาได้ถูกแก้ไขโดยการทำความสะอาดที่เทอร์โมเวลส์และในกรณีอื่น ๆ การทำความสะอาดอย่างเดียวไม่สามารถทำให้ค่าการตอบสนองกลับสู่ค่าที่ยอมรับได้ ในกรณีเหล่านี้มีความจำเป็นที่ต้องเปลี่ยน RTD หรือเทอร์โมเวลส์

สิ่งสังเกตเวลาตอบสนองที่แสดงที่สภาวะการหยุดทำงานจะไม่เหมือนกับเวลาตอบสนองที่ได้มาจากในระหว่างที่กระบวนการผลิตทำงานปกติ เนื่องจากผลกระทบสภาวะกระบวนการผลิตบนเวลาตอบสนองของ RTD

2)  ในบางกระบวนการผลิตจะใช้เทอร์โมคัปเปิลที่มีความยาวใส่เข้าไปในเทอร์โมเวลส์ ให้เข้าไปถึงบริเวณที่อุณหภูมิสูงในกระบวนการผลิต ในการใช้งานแบบนี้ การทดสอบด้วยวิธี LCSR สามารถทำให้แน่ใจว่าเทอร์โมคัปเปิลใส่เข้าไปถึงปลายเทอร์โมเวลส์ ผลลัพธ์เพิ่มเติมที่ได้จากการตรวจสอบการติดตั้งเทอร์โมคัปเปิล กลุ่มของเทอร์โมคัปเปิลที่คล้ายคลึงกันในเทอร์โมเวลส์เดียวกันถูกทดสอบภายใต้สภาวะกระบวนการผลิตเดียวกัน เทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้ควรจะมีผลตอบสนองที่ใกล้เคียงกัน

เนื่องจากทั้งหมดถูกติดตั้งในสภาวะกระบวนการผลิตเดียวกัน อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์จากการทดสอบด้วยวิธี LCSR สำหรับเทอร์โมคัปเปิลที่มีความแตกต่างกัน นั่นคือเทอร์โมคัปเปิลมีเวลาการตอบสนองที่แตกต่างกันมาก ความหลากหลายในเวลาการตอบสนองเนื่องจากความแตกต่างกันในขนาดของเซนเซอร์และเทอร์โมเวลส์ และขนาดที่แตกต่างกันของช่องว่างอากาศที่จุดวัดของเทอร์โมคัปเปิลและเทอร์โมเวลส์ในการประกอบ

 

ปัญหาใน RTD หรือปัญหาในสายไฟ (RTD or Cable Problem)
     เมื่อดำเนินการแก้ไขปัญหาการติดตั้ง RTD ด้วยวิธีการ TDR (Time Domain Reflectometry) และวิธี LCSR ในเวลาเดียวกัน สามารถเป็นประโยชน์อย่างมากในด้านการค้นหาปัญหาที่เกิดขึ้นใน RTD หรือในสายไฟ ในการใช้งานการทดสอบ LCSR สามารถเป็นส่วนส่งเสริมผลลัพธ์ ของวิธีการ TDR ในการแสดงจุดต่อที่หลวม, ความชื้นใน RTD, ความชื้นในหัวต่อหรือการสั่นของส่วนประกอบ RTD ตัวอย่างของการทดสอบด้วยวิธี TDRและวิธี LCSR

ในเวลาเดียวกันมีผลดีอย่างไรในการตรวจจับความชื้นใน RTD ถ้ามีความชื้นเข้าไปใน RTD จะมีผลต่อรูปแบบผลลัพธ์ของวิธี TDR และวิธี LCSR โดยเฉพาะอย่างยิ่งเวลาการตอบสนองของ RTD โดยทั่วไปจะลดลงเมื่อมีความชื้นเข้าไปและผลลัพธ์จากการทดสอบด้วยวิธี LCSR จะมีสัญญาณรบกวนหรือความไม่แน่นอน

การทดสอบด้วยวิธี TDR ดำเนินการด้วยการส่งพัลส์ผ่านเข้าไปยังสายไฟในตำแหน่งที่มีการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ตลอดความยาวสายไฟ ถ้าปัญหาไม่ได้เกิดขึ้นในสายไฟแต่เกิดขึ้นในเซนเซอร์ การทดสอบด้วย วิธี LCSR สามารถช่วยได้อย่างยอดเยี่ยมระหว่างปัญหาในสายไฟและปัญหาในเซนเซอร์

 

ระดับน้ำในถัง (Water Level in Vessel)
     ในกระบวนการผลิตเมื่อ RTD หรือเทอร์โมคัปเปิลถูกติดตั้งอยู่ในตำแหน่งที่จมอยู่ในของเหลวในสภาวะการใช้งานปกติ การทดสอบด้วย วิธี LCSR จะสามารถช่วยค้นหาได้ว่ามีหรือไม่มีของเหลวในท่อหรือในถัง การใช้งานในรูปแบบนี้ด้วยการทดสอบด้วย วิธี LCSRจะมีประโยชน์อย่างมากในความพยามยามให้กระบวนการผลิตกลับมาใช้งานได้อีกในระหว่างการเกิดอุบัติเหตุที่โรงงานนิวเคลียร์ Three Mile Island ในอเมริกาในปี 1979

 สำหรับรายละเอียดของการทดสอบ ดำเนินการโดยช่างเทคนิคใช้การทดสอบด้วย วิธี LCSRบน RTD ที่ถูกติดตั้งไปแล้วในระบบหล่อเย็นหลักของโรงงานนิวเคลียร์

ในการค้นหาว่ามีอากาศหรือมีน้ำในท่อ โดยในท่อที่ทำการตรวจสอบจะติดตั้ง RTD จำนวน 3 ตัวมีระยะห่างกัน 120 องศารอบ ๆ ท่อ ค่าอุณหภูมิเฉลี่ยที่อ่านได้จากRTD ทั้ง 3 ตัวจะถูกใช้เป็นประโยชน์ในการแสดงค่าอุณหภูมิกระบวนการผลิต RTD ที่ด้านบนของท่อที่อยู่ในอากาศจะมีค่าเวลาตอบสนองที่ช้า เมื่อทดสอบด้วย วิธี LCSR นี้เป็นเพียงหนึ่งตัวอย่างที่แสดงว่าการทดสอบด้วย วิธี LCSR ทำงานอย่างไรกับ RTD ที่ถูกติดตั้งไปแล้วในกระบวนการผลิตในการค้นหาอุณหภูมิล้อมรอบ เมื่อไม่มีหนทางในการค้นหาค่าเหล่านี้

 

รอยร้าวในเทอร์โมคัปเปิล (Flaws in Thermocouples)
     รอยร้าวที่อาจเกิดขึ้นบนตัวเทอร์โมคัปเปิลจะเป็นสาเหตุของความไม่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้ในเทอร์โมคัปเปิล ถ้าสายเทอร์โมคัปเปิลเกิดความตึงเครียดทางกลหรือทางความร้อน และจะเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่า Seebeck Coefficient ของวัสดุเทอร์โมคัปเปิล ผลลัพธ์ที่ตามมาจะทำให้เกิดความผิดพลาดในการอ่านค่าอุณหภูมิได้

 ปัญหานี้สามารถถูกตรวจจับได้โดยใช้หลายวิธีการ สำหรับเทอร์โมคัปเปิลที่ยังไม่ถูกติดตั้งหรืออยู่ในระหว่างการผลิต วิธีการง่าย ๆ โดยใช้ปืนความร้อนส่องไปที่ตัวเทอร์โมคัปเปิลและเคลื่อนไปตลอดความยาวของเทอร์โมคัปเปิล ขณะเดียวกันก็ทำการสังเกตค่าสัญญาณเอาต์พุตที่ได้จากตัวเทอร์คัปเปิลที่ทำการทดสอบ การเปลี่ยนแปลงสัญญาณเอาต์พุตอย่างทันทีทันใดจะเกิดขึ้นเมื่อถึงบริเวณที่เทอร์โมคัปเปิลมีความไม่เป็นเนื้อเดียวกันถูกให้ความร้อน

นอกจากนั้นสามารถตรวจสอบได้โดยใช้ของเหลวร้อนแทนการใช้ปืนความร้อน สำหรับการตรวจสอบด้วยวิธีแบบนี้ ตัวเทอร์โมคัปเปิลจะถูกจุ่มลงช้า ๆ ในอ่างของเหลวร้อน ขณะที่สังเกตค่าเอาต์พุตที่ได้จากตัวเทอร์โมคัปเปิล การทดสอบต้องอาศัยความชำนาญในการทดสอบบนเทอร์โมคัปเปิล รวมไปถึงอุปกรณ์ที่ให้ค่าเอาต์พุตสูงๆในระยะความยาวสั้นๆ

 สำหรับเทอร์โมคัปเปิลที่ถูกติดตั้งไปแล้ว การทดสอบด้วย วิธี LCSR อาจจะมีความเสี่ยงในการจัดเตรียมเพื่อใช้ค้นหาความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งจะทำงานได้ไม่ดีสำหรับความไม่เป็นเนื้อเดียวกันขนาดเล็กๆ

 เอกสารอ้างอิง
[1] H.M. Hashemian,”RTDs VS Themocouples: Measuring industrial temperatures”, Intech, September 2003
[2] H.M. Hashemian,”Temperature sensor diagnostics”, Intech, June 2006
[3] ทวิช ชูเมือง, “Industrial Instrumentation Engineering and Design Part II: Instrument Engineering and Selection, Chapter 7 Temperature instrument,” บริษัท ดวงกมลสมัย จำกัด, 2549.