สอบเทียบ Industrial PRT ด้วย ADT286

Industrial Platinum Resistance Thermometer หรือ Industrial PRT เป็นเครื่องวัดอุณหภูมิที่ถูกใช้งานอย่างแพร่หลายในห้องปฏิบัติการสอบเทียบ กระบวนการผลิต ห้องควบคุมอุณหภูมิ เตาอบ อุตสาหกรรมอาหาร ยา ปิโตรเคมี และระบบควบคุมคุณภาพที่ต้องการความแม่นยำสูง

แม้ว่า PRT จะมีเสถียรภาพและความไวต่ออุณหภูมิที่ดี แต่ความถูกต้องของการวัดไม่ได้ขึ้นอยู่กับตัวเซนเซอร์เพียงอย่างเดียว เครื่องอ่านค่าความต้านทาน วิธีต่อสาย กระแสวัด ความต้านทานมาตรฐาน รวมถึงสภาวะของแหล่งกำเนิดอุณหภูมิ ล้วนส่งผลต่อผลการสอบเทียบ

บทความนี้จะอธิบายหลักการสอบเทียบ Industrial PRT ด้วยเทคนิค Resistance Ratio Measurement โดยใช้ ADT286 Multifunction Reference Thermometer Readout ในฟังก์ชัน Thermometry Bridge ตั้งแต่หลักการพื้นฐาน การเชื่อมต่อ การคำนวณ ไปจนถึงปัจจัยสำคัญด้านความไม่แน่นอนของการวัด

Industrial PRT คืออะไร ?

Industrial PRT หรือ IPRT เป็นเซนเซอร์วัดอุณหภูมิที่ใช้คุณสมบัติของแพลทินัม ซึ่งมีค่าความต้านทานไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงอย่างเป็นระบบตามอุณหภูมิ อย่างไรก็ตาม PRT ที่ผลิตจริงแต่ละตัวอาจมีความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานกับอุณหภูมิแตกต่างจากค่า nominal เล็กน้อย เนื่องจากความบริสุทธิ์ของแพลทินัม กระบวนการผลิต ความเค้นเชิงกล ประวัติทางความร้อน และการเปลี่ยนแปลงจากการใช้งาน การสอบเทียบจึงมีวัตถุประสงค์เพื่อหาความสัมพันธ์เฉพาะของ PRT แต่ละตัวว่าเมื่อ PRT มีค่าความต้านทานเท่านี้ อุณหภูมิอ้างอิงที่ถูกต้องควรเป็นเท่าใด

ทำไมต้องวัดแบบ Resistance Ratio?

เครื่องอ่าน PRT ทั่วไปมักวัดความต้านทานของเซนเซอร์โดยตรง แต่ในการวัดที่ต้องการความแม่นยำสูง สามารถใช้วิธีเปรียบเทียบความต้านทานของ PRT กับตัวต้านทานมาตรฐานที่ทราบค่าวิธีนี้เรียกว่า Resistance Ratio Measurement

W = R_x R_s

W คืออัตราส่วนความต้านทาน ไม่มีหน่วย
Rx คือความต้านทานของ PRT ที่ต้องการวัด หน่วย Ω
Rs คือความต้านทานของตัวต้านทานมาตรฐาน หน่วย Ω

เมื่อ ADT286 วัดอัตราส่วน W ได้แล้ว ค่าความต้านทานของ PRT สามารถคำนวณได้จาก

R_X = W × R_S

ตัวอย่างเช่น หากตัวต้านทานมาตรฐานมีค่าจริงเท่ากับ

R_S = 100.000120 Ω

และ ADT286 วัดอัตราส่วนได้

W = 1.3851000

ค่าความต้านทานของ PRT จะเท่ากับ

R_X = (1.3851000)(100.000120)

R_X = 138.510166 Ω

จะเห็นได้ว่าค่าที่นำมาใช้คำนวณไม่ใช่ค่า Nominal 100 Ω แต่เป็นค่าจริงของตัวต้านทานมาตรฐานหลังจากพิจารณาค่าแก้จากใบรับรองและสภาวะการใช้งานแล้ว

หลักการของ Thermometry Bridge

Thermometry Bridge เป็นเครื่องมือวัดความต้านทานความแม่นยำสูงที่ทำงานด้วยหลักการเปรียบเทียบอัตราส่วนระหว่าง ความต้านทานของเทอร์โมมิเตอร์ R_x เช่น SPRT หรือ PRT กับตัวต้านทานมาตรฐานอ้างอิง R_s โดยจ่ายกระแส Sensing Current เดียวกันผ่านตัวต้านทานทั้งสอง แล้วสลับวัดแรงดันตกคร่อม V_x และ V_s ผ่านวงจรขยายและ ADC ชุดเดียวกัน อัตราส่วนความต้านทานจึงคำนวณได้จาก W = R_x/R_s = V_x/V_s และหาค่า R_x ได้จาก R_x = W R_s การวัดแบบอัตราส่วนช่วยลดอิทธิพลร่วมจากความไม่คงที่ของกระแส Sensing Current อัตราขยายของวงจร และแรงดันอ้างอิงของระบบ ขณะที่การต่อแบบสี่สายช่วยลดผลของความต้านทานสายและจุดต่อ นอกจากนี้ Thermometry Bridge ยังสามารถใช้เทคนิค Current Reversal โดยสลับกระแสระหว่าง +I และ −I เพื่อหักล้างแรงดัน Thermoelectric EMF และ DC offset ที่ไม่เปลี่ยนเครื่องหมายตามทิศทางกระแส จึงเหมาะสำหรับการวัด SPRT และ PRT ในงานมาตรวิทยาอุณหภูมิ ที่ต้องการความถูกต้องและความสามารถสอบกลับได้สูง ทั้งนี้ ความไม่แน่นอนของผลการวัดยังขึ้นอยู่กับการสอบเทียบและเสถียรภาพของ R_s สมรรถนะการวัดอัตราส่วนของ Bridge กระแส Sensing Current Self-heating การรั่วไหลทางไฟฟ้า และเสถียรภาพของอุณหภูมิระหว่างการวัดด้วย

หลักการเบื้องต้นของการวัดอัตราส่วนสามารถอธิบายผ่านกฎของโอห์มได้ดังนี้

เมื่อจ่ายกระแส I ผ่าน PRT และตัวต้านทานมาตรฐาน จะได้แรงดันตกคร่อม

V_{R_x} = I × R_x

และ

V_{R_s} = I × R_s

เมื่อนำแรงดันทั้งสองมาเปรียบเทียบ

V_{R_x} V_{R_s} = I R_x I R_s = R_x R_s

ในระบบอุดมคติ กระแส I จะถูกตัดออกจากสมการ ทำให้ผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับความสามารถในการวัด “อัตราส่วน” มากกว่าความถูกต้องของการวัดความต้านทานแบบสัมบูรณ์เพียงอย่างเดียว

การวัดแบบอัตราส่วนจึงมีข้อดีหลายประการ ได้แก่

ลดผลร่วมจากความไม่เสถียรของ Sensing Current
ลดอิทธิพลจาก gain ของวงจรวัด
เปรียบเทียบ PRT กับมาตรฐานความต้านทานโดยตรง
ให้ความละเอียดและเสถียรภาพเหมาะกับงานเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทาน
สร้างเส้นทางการสอบกลับทางความต้านทานได้ชัดเจน
สามารถเลือกตัวต้านทานมาตรฐานให้เหมาะกับชนิดของ PRT

ADT286 ในฟังก์ชัน Thermometry Bridge

Additel ADT286 สามารถทำงานในฟังก์ชัน Thermometry Bridge เพื่อวัดอัตราส่วนความต้านทานระหว่างเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทานที่ต้องการวัด R_x กับตัวต้านทานมาตรฐานอ้างอิง R_s โดยแสดงผลในรูป Resistance Ratio ตามสมการ W = R_x R_s เทคนิคดังกล่าวช่วยลดผลกระทบจากความคลาดเคลื่อนของการวัดค่าความต้านทานแบบสัมบูรณ์ และเหมาะสำหรับงานวัดอุณหภูมิความแม่นยำสูงด้วย SPRT และ PRT เมื่อใช้งานร่วมกับตัวต้านทานมาตรฐานที่มีความเสถียรและสอบกลับได้ทางมาตรวิทยา ADT286 รองรับตัวต้านทานอ้างอิง ADT286-RS ขนาด 25 Ω และ 100 Ω และผู้ผลิตระบุความถูกต้องของการวัดอัตราส่วนความต้านทานที่ Channel 1 เท่ากับ 1 ppm นอกจากนี้ยังมีฟังก์ชัน Auto Zero-Power สำหรับประเมินและชดเชยผลของความร้อนภายในตัวเองของโพรบ จึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับการสอบเทียบ SPRT/PRT การหาค่าสัมประสิทธิ์ ITS-90 หรือ Callendar–Van Dusen และการสร้างระบบสอบเทียบอุณหภูมิแบบอัตโนมัติได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทั้งนี้ ความสามารถในการสอบกลับและค่าความไม่แน่นอนของผลการวัดยังต้องพิจารณาร่วมกับ ใบรับรองการสอบเทียบของ ADT286 ตัวต้านทานมาตรฐาน R_s เสถียรภาพของแหล่งกำเนิดอุณหภูมิ การต่อสาย กระแส Sensing Current และคุณลักษณะของเทอร์โมมิเตอร์ที่นำมาวัดด้วย

Current Reversal ช่วยลดความคลาดเคลื่อนได้อย่างไร?

Current Reversal คือเทคนิคการกลับทิศทางกระแส Sensing Current ที่ไหลผ่าน SPRT/PRT สลับระหว่าง +I และ −I แล้วนำผลการวัดทั้งสองทิศทางมาคำนวณร่วมกัน จุดประสงค์หลักคือการกำจัดแรงดันออฟเซตที่ไม่เปลี่ยนเครื่องหมายตามทิศทางกระแส โดยเฉพาะ Thermoelectric EMF ซึ่งเกิดบริเวณรอยต่อของโลหะต่างชนิดและความแตกต่างของอุณหภูมิในวงจรวัด

สมมติให้ความต้านทานของโพรบเท่ากับ R และแรงดันออฟเซตคงที่เท่ากับ V_off

เมื่อจ่ายกระแส +I:

V₊ = IR + V_off

เมื่อกลับกระแสเป็น −I:

V₋ = −IR + V_off

นำแรงดันทั้งสองมาหาผลต่าง:

V₊ − V₋ = (IR + V_off) − (−IR + V_off) = 2IR

ดังนั้นค่าความต้านทานที่ชดเชยออฟเซตแล้วคือ

R = V₊ − V₋ 2I

จะเห็นว่า V_off ถูกหักล้างออกทางคณิตศาสตร์ เพราะมีเครื่องหมายเหมือนเดิมในการวัดทั้งสองทิศทาง ขณะที่แรงดันซึ่งเกิดจากความต้านทาน IR จะกลับเครื่องหมายตามทิศทางกระแส

ตัวอย่างเช่น กำหนดให้

R = 25 Ω, I = 1 mA, V_off = 2 µV

จะได้

V₊ = 25.002 mV

V₋ = −24.998 mV

เมื่อคำนวณด้วย Current Reversal:

R = 25.002 − (−24.998) 2(1) = 25.000 Ω

โดยใช้หน่วย mV และ mA ซึ่งให้ผลลัพธ์เป็น Ω ค่าออฟเซต 2 µV จึงถูกกำจัดออกจากผลการวัด

อย่างไรก็ตาม Current Reversal ไม่ได้กำจัดความคลาดเคลื่อนทุกชนิด เทคนิคนี้มีประสิทธิผลต่อความคลาดเคลื่อนแบบคงที่หรือเปลี่ยนแปลงช้ามาก ระหว่างรอบ +I และ −I เช่น

Thermoelectric EMF จากรอยต่อโลหะต่างชนิด
DC offset ของวงจรวัด
แรงดันพาราซิติกที่ไม่ขึ้นกับทิศทางกระแส

แต่ไม่สามารถกำจัดผลกระทบต่อไปนี้ได้โดยตรง

ความไม่แน่นอนของตัวต้านทานมาตรฐาน R_s
ความคลาดเคลื่อนของอัตราส่วนหรือ Linearity ของ Bridge
ความต้านทานที่เปลี่ยนเพราะ Self-heating
Noise แบบสุ่ม
Thermal EMF ที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วระหว่างการวัดสองขั้ว
ความคลาดเคลื่อนจากกระแส +I และ −I ที่มีขนาดไม่เท่ากัน
Leakage current และ Insulation resistance ที่อาจมีพฤติกรรมไม่สมมาตร

สำหรับ Thermometry Bridge การกลับกระแสยังสามารถใช้กับการวัดอัตราส่วน

W = R_x R_s

เพื่อช่วยลดผลของแรงดันออฟเซตในวงจรของทั้ง R_x และ R_s ทำให้อัตราส่วนความต้านทานที่ได้มีความน่าเชื่อถือมากกว่าการวัดด้วยกระแสทิศทางเดียว ทั้งนี้ ต้องกำหนดเวลาให้ระบบนิ่งหลังกลับกระแส และทำให้รอบการวัดเร็วพอที่ Thermal EMF จะถือว่าคงที่ตลอดคู่การวัด

กล่าวโดยสรุป Current Reversal ไม่ได้ทำให้ตัวต้านทานหรือเครื่องมือมีความถูกต้องเพิ่มขึ้นโดยตัวมันเอง แต่เป็นกระบวนการวัดที่ใช้สมมาตรของสัญญาณเพื่อแยกแรงดัน IR ซึ่งกลับเครื่องหมาย ออกจากแรงดันออฟเซตซึ่งไม่กลับเครื่องหมาย จึงช่วยลดความคลาดเคลื่อนเชิงระบบในการวัดความต้านทานความแม่นยำสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

Readouts and Monitoring

Additel ADT286 Multifunction Reference Thermometer Readout