เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) คืออะไร ทำงานอย่างไร

เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) คือเครื่องมือที่มีความสำคัญและใช้กันอย่างแพร่หลายในการวัดอุณหภูมิ เป็นเซ็นเซอร์ที่สามารถวัดอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำและมีบทบาทครอบคลุมในอุตสาหกรรมต่างๆ

เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) คืออะไร ?

โครงสร้างพื้นฐานของเทอร์โมคัปเปิล

เทอร์โมคัปเปิลประกอบด้วยสายโลหะสองเส้นที่แตกต่างกัน ซึ่งเชื่อมต่อที่ข้อต่อ (ข้อต่อบัดกรีเทอร์โมคัปเปิล) โดยปกติจะสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่ต้องการวัดอุณหภูมิ ปลายอีกด้านหนึ่งจะเชื่อมต่อกับเทอร์โมมิเตอร์ (WSS Temperature Bimetal Thermometer) หรืออุปกรณ์วัดอุณหภูมิอื่นๆ เทอร์โมคัปเปิลมีหลายประเภท ซึ่งใช้วัสดุโลหะผสมที่แตกต่างกัน

เทอร์โมคัปเปิลทํางานอย่างไร

เมื่อโลหะสองชนิดที่แตกต่างกันมาสัมผัสกันที่จุดต่อประสานและมีอุณหภูมิที่ต่างกันที่ปลายของแต่ละชนิด จะเกิดความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าที่เรียกว่าศักย์เทอร์โมอิเล็กทริก ขนาดของศักย์เทอร์โมอิเล็กทริกนี้จะขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิที่จุดต่อประสาน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าเอฟเฟกต์ Seebeck

เนื่องจากศักย์ไฟฟ้ามีขนาดเล็กมาก การใช้วงจรเชื่อมต่อเพื่อขยายสัญญาณจึงเป็นสิ่งจำเป็น การแปลงสัญญาณแรงดันไฟฟ้าเป็นค่าอุณหภูมิที่อ่านได้ต้องผ่านการสอบเทียบ เนื่องจากศักย์ไฟฟ้าไม่เพียงแต่สัมพันธ์กับความแตกต่างของอุณหภูมิเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุเทอร์โมคัปเปิลอีกด้วย

หลักการทํางานของเทอร์โมคัปเปิล

เอฟเฟกต์ Seebeck คือปรากฏการณ์ทางกายภาพที่อธิบายถึงการเกิดแรงดันไฟฟ้าระหว่างตัวนำสองชนิดที่มีอุณหภูมิต่างกัน ไม่ว่าจะเป็นโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์ แรงดันไฟฟ้านี้จะถูกสร้างขึ้นเมื่อมีการเชื่อมต่อตัวนำสองชนิดที่แตกต่างกันเข้าด้วยกันเป็นวงจรปิดและมีการสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิ ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากตัวนำที่แตกต่างกันมีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่เหมือนกัน ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้ในอัตราที่ต่างกันเมื่อได้รับการกระตุ้นด้วยความร้อน

เมื่อได้รับการกระตุ้นด้วยความร้อน, อิเล็กตรอนในโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์จะได้รับพลังงานและเริ่มเคลื่อนที่ภายในวัสดุ หากวัสดุสองชนิดที่มีความแตกต่างกันมาสัมผัสกันและสร้างวงจรที่มีปลายทั้งสองอยู่ที่อุณหภูมิที่ต่างกัน, อิเล็กตรอนในวัสดุเหล่านั้นจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราที่ไม่เท่ากัน ความแตกต่างในอัตราการเคลื่อนที่นี้จะทำให้เกิดความต่างของความหนาแน่นของเมฆอิเล็กตรอนใกล้กับจุดต่อ, ส่งผลให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้า

ความต่างศักย์ที่เรียกว่าศักย์ไฟฟ้านี้ และความต่างศักย์ที่เกิดจากเอฟเฟกต์ Seebeck ทำให้ประจุไฟฟ้าไหลจากวัสดุหนึ่งไปยังอีกวัสดุหนึ่ง สร้างสนามไฟฟ้าระหว่างทั้งสองวัสดุ ซึ่งจะถูกแปลงเป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้าในที่สุด สัญญาณแรงดันไฟฟ้านี้สามารถวัดได้ด้วยเทอร์โมคัปเปิล และมีสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิ ดังนั้น เอฟเฟกต์ Seebeck จึงอธิบายได้ว่าทำไมความต่างศักย์ระหว่างโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์สองชนิดที่มีอุณหภูมิต่างกันจึงสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าได้

การใช้งานและประโยชน์ของเทอร์โมคัปเปิล

• การวัดอุณหภูมิในเตาหลอมที่มีอุณหภูมิสูง: ใช้สำหรับตรวจสอบอุณหภูมิของเตาหลอมระหว่างกระบวนการหลอมโลหะและการบำบัดความร้อน
• การควบคุมกระบวนการผลิต: เทอร์โมคัปเปิลใช้ในการตรวจสอบอุณหภูมิในหลากหลายกระบวนการผลิต เช่น การกดร้อน, การหลอม, และการเชื่อม

• การวัดอุณหภูมิในห้องปฏิบัติการ: เทอร์โมคัปเปิลถูกใช้ในการทดลองทางเคมีฟิสิกส์และชีววิทยาเพื่อวัดอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการและตัวอย่างการทดลองได้อย่างแม่นยำ
• เครื่องมือวิทยาศาสตร์: เทอร์โมคัปเปิลเป็นอุปกรณ์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในหลากหลายเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์เพื่อการควบคุมอุณหภูมิและความถูกต้องของการทดลองอย่างแน่นอน

• การอบและการปรุงอาหาร: ในกระบวนการอบอาหาร, เทอร์โมคัปเปิลถูกใช้เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิของเตาอบ, เตาย่าง, และอุปกรณ์ทำอาหารอื่นๆ เพื่อรับประกันคุณภาพและความปลอดภัยในการปรุงอาหาร
• อุตสาหกรรมแปรรูปอาหาร: เทอร์โมคัปเปิลใช้ในการตรวจสอบอุณหภูมิของอุปกรณ์แปรรูปอาหาร เช่น อ่างน้ำร้อน, อุปกรณ์แช่แข็ง ฯลฯ เพื่อรับประกันคุณภาพและมาตรฐานสุขอนามัยในการผลิตอาหาร

• การตรวจสอบทางการแพทย์: เทอร์โมคัปเปิลถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น เทอร์โมมิเตอร์และเทอร์มิสเตอร์ เพื่อวัดอุณหภูมิของร่างกายในการวินิจฉัยโรคและตรวจสอบสุขภาพ

• การตรวจวัดอุณหภูมิ: เทอร์โมคัปเปิลถูกใช้ในการตรวจวัดอุณหภูมิของอากาศ, น้ำ, หรือดินเพื่อวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงทางสิ่งแวดล้อมและตรวจสอบสภาพอากาศ

ข้อดีของเทอร์โมคัปเปิล

1. ความทนทาน: เทอร์โมคัปเปิลมักทำจากโลหะ มีความทนทานและเสถียรภาพที่ดีในระยะยาว สามารถใช้งานได้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้นานโดยไม่เสียหายง่าย
2. เวลาตอบสนองที่รวดเร็ว: เทอร์โมคัปเปิลมีความไวสูง ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้อย่างรวดเร็ว สะท้อนการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ
3. ช่วงอุณหภูมิกว้าง: เทอร์โมคัปเปิลหลากหลายประเภทเหมาะกับช่วงอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ตั้งแต่อุณหภูมิต่ำมากไปจนถึงสูงมาก เพื่อตอบสนองความต้องการการวัดอุณหภูมิที่หลากหลาย
4. ปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย: เทอร์โมคัปเปิลทำงานได้ดีในสภาพแวดล้อมต่างๆ รวมถึงอุณหภูมิสูง อุณหภูมิต่ำ ความดันสูง ความชื้นสูง และสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน มีความสามารถในการปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมได้ดี
5. ความแม่นยำและความเสถียร: เทอร์โมคัปเปิลมีความแม่นยำในการวัดและความเสถียรสูง มีประสิทธิภาพยอดเยี่ยมในการวัดอุณหภูมิ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูง ให้ความแม่นยำที่เชื่อถือได้

สรุป

เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) เป็นเครื่องมือตรวจจับอุณหภูมิขนาดเล็กที่มีความสำคัญยิ่ง ด้วยความแม่นยำและการตอบสนองอย่างรวดเร็ว, การใช้งานที่หลากหลายนี้มีบทบาทสำคัญไม่เพียงแต่ในอุตสาหกรรมและวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงในชีวิตประจำวัน เช่น การแปรรูปอาหารและในอุปกรณ์ทางการแพทย์ด้วย