เอกสารประกอบการสอน-ใช้จริง

(225) เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครอ่ื งมือวัดไฟฟ้าและอิเลก็ ทรอนิกส์ การวดั พารามิเตอรท์ างเวลาโดยอตั โนมัติ 1 ตอ่ สายวัดสญั ญาณเขา้ กับออสซลิ โลสโคปและทาการปรับเทียบสายวดั สัญญาณ 2 เลอื กช่องสญั ญาณที่ตอ้ งการวัด (CH1 หรอื CH2) โดยกดปุ่ม MENU เลอื ก CH1 หรอื CH2ข้นึ อยกู่ ับการต่อสายวดั สัญญาณ หรอื ตามสญั ญาณทส่ี นใจ 3 กดปุม่ Measure เลอื ก Source เลือก CH1 หรอื CH2 4 กดปุ่ม AUTO ออสซิลโลสโคปจะทาการปรับค่าการวัดให้โดยอัตโนมัติและปรากฏเส้นสัญญาณขึ้นบนจอภาพ 5 เพื่อดูค่าการวัดทั้งหมดให้ตั้งค่า Display All ไปท่ี ON พารามิเตอร์การวัดทั้ง 18 ค่าจะแสดงขึ้นบนหนา้ จอ 6 เลอื กพารามิเตอร์สาหรับการวดั โดยการกดปุ่ม Measure เลือก Time และเลือกพารามิเตอร์ทีต่ อ้ งการวัด เชน่ Period, Freq เป็นต้น โดยดูหวั ขอ้ ระบบเมนู (พารามเิ ตอร์การวัดทางเวลา) ประกอบ 7 เพ่ือให้ได้ค่าการวัดแสดงบนหน้าจอ เลือกพารามิเตอร์การวัดท่ีต้องการโดยการกดปุ่มท่ีอยู่ดา้ นขวาของเมนแู ละอา่ นขอ้ มลู ที่ขอบดา้ นลา่ งของหน้าจอภาพ หากแสดงข้อมูลเป็น \"*****\" หมายความว่าไม่สามารถวัดพารามเิ ตอรน์ ้นั ๆ ได้ 8 การลา้ งคา่ การวดั กดป่มุ Clear คา่ การวัดอัตโนมัติทงั้ หมดจะหายไปจากหนา้ จอ ภาพที่ 147 พารามเิ ตอร์ตา่ ง ๆ สาหรบั การวดั ทางเวลาของรปู คลน่ื ไฟฟ้า ทม่ี า : DS1000E Datasheet, 2014 การวดั ดว้ ยเคอรเ์ ซอร์ สามารถทาได้ 3 วิธี คอื 1. โหมดแมนนวล (Manual mode) ในโหมดนี้จะแสดงเคอร์เซอร์บนจอภาพ 2 เส้นขนานกันสามารถเล่ือนเคอร์เซอร์เพื่อกาหนดให้วัดแรงดันไฟฟ้าหรือวัดคาบเวลาของสัญญาณไฟฟ้าได้ ค่าการวัดจะปรากฏทด่ี ้านลา่ งเมนู กอ่ นทจี่ ะทาการวดั ใหต้ รวจสอบการตัง้ คา่ ทม่ี าของสัญญาณสาหรบั การวัดก่อน

เอกสารประกอบการสอน วิชา เครอื่ งมือวัดไฟฟ้าและอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ (226) 2. โหมดตดิ ตาม (Track mode) ในโหมดน้ีจะแสดงเคอร์เซอร์แบบ + ซึ่งจะใช้กาหนดตาแหน่งวัดสญั ญาณโดยอตั โนมัติ การปรับตาแหน่งเคอรเ์ ซอรใ์ นแนวนอนบนสัญญาณไฟฟ้าทาได้โดยการหมุนลูกบิดมัลติฟังกช์ ่นั บนออสซลิ โลสโคป 3. โหมดอัตโนมัติ (Auto mode) โหมดน้ีจะมีผลกับการวัดอัตโนมัติ เคร่ืองมือจะแสดงเคอร์เซอร์ในขณะท่ีการวัดคา่ โดยอัตโนมตั ิ เคอรเ์ ซอร์เหลา่ นแ้ี สดงใหเ้ หน็ ถึงความหมายทางไฟฟ้าของการวัด การวดั ในโหมดแมนนวล 1. กดปมุ่ Cursor เลือก Mode เลอื ก Manual 2. กดเลือกช่องสัญญาณทต่ี ้องการวดั โดยกดปุม่ Cursor เลือก Source เลอื ก CH1 หรือ CH2 3. เลอื กชนิดของเคอร์เซอร์ โดยกดปมุ่ Cursor เลือก Type เลอื ก X หรือ Y 3.1 โดย X จะแสดงเคอรเ์ ซอร์เป็นเส้นแนวตง้ั เพอื่ วัดพารามิเตอร์ในแนวนอน 3.2 โดย Y จะแสดงเคอรเ์ ซอร์เป็นเส้นแนวนอนเพ่ือวัดพารามเิ ตอร์ในแนวตงั้ 4. การปรบั เลื่อนเคอร์เซอรท์ าได้โดย โดยกดป่มุ Cursor เลอื ก Type เลอื ก 4.1 Cursor A เลือก X จะเป็นการหมุนลูกบิดมัลติฟังก์ชั่น เพื่อเล่ือนเคอร์เซอร์ A ในแนวนอน ใช้ประกอบการวัดคา่ พารามิเตอรท์ างเวลา 4.2 Cursor A เลือก Y จะเป็นการหมุนลูกบิดมัลติฟังก์ช่ัน เพื่อเลื่อนเคอร์เซอร์ A ในแนวตงั้ ใช้ประกอบการวัดคา่ พารามิเตอรท์ างแรงดันไฟฟ้า 4.3 Cursor B เลือก X จะเป็นการหมุนลูกบิดมัลติฟังก์ชั่น เพ่ือเล่ือนเคอร์เซอร์ B ในแนวนอน ใชป้ ระกอบการวดั ค่าพารามเิ ตอร์ทางเวลา 4.4 Cursor B เลือก Y จะเป็นการหมุนลูกบิดมัลติฟังก์ชั่น เพ่ือเล่ือนเคอร์เซอร์ B ในแนวตั้ง ใชป้ ระกอบการวัดค่าพารามิเตอรท์ างแรงดนั ไฟฟา้ 5. สาหรับการวัดค่าสัญญาณไฟฟ้าให้ปรับเคอร์เซอร์ให้สัมพันธ์กับค่าพารามิเตอร์ท่ีต้องการวัดเช่น 5.1 การวัดค่าพารามิเตอร์ทางเวลา ให้เลื่อนเคอร์เซอร์ A และ B ในทางแนวนอนเพื่อแสดงขอ้ มลู ทางเวลา เช่น คาบเวลา ความถี่ เปน็ ตน้ 5.2 การวัดคา่ พารามเิ ตอร์แรงดนั ไฟฟ้า ใหเ้ ลอื่ นเคอร์เซอร์ A และ B ในทางแนวต้ังเพ่ือแสดงขอ้ มลู แรงดนั ไฟฟา้ เชน่ แรงดนั ไฟฟ้า แรงดันโอเวอร์ชูท้ เป็นตน้

(227) เอกสารประกอบการสอน วิชา เครอื่ งมือวดั ไฟฟา้ และอิเล็กทรอนิกส์ ภาพที่ 148 ตวั อยา่ งการใช้เคอรเ์ ซอรว์ ัดสัญญาณไฟฟา้ ในโหมดแมนนวล ทีม่ า : DS1000E Datasheet, 2014 การวัดในโหมดติดตาม 1. กดปุ่ม Cursor เลอื ก Mode เลอื ก Track 2. เลือกที่มาชอ่ งสญั ญาณท่ตี ้องการวัดสาหรับ Cursor A และ Cursor B โดยกดปุม่ Cursorเลอื ก Source เลอื ก Cursor A หรือ Cursor B เลือก CH1 หรือ CH2 หรือ None 3. เลื่อนเคอรเ์ ซอร์เพื่อปรบั ตาแหนง่ ในแนวนอน โดยกดปุ่ม Cursor เลอื ก 3.1 CurA จะเป็นการหมุนลูกบิดมัลติฟังก์ช่ัน เพื่อเลื่อนเคอร์เซอร์ A ในแนวนอน ใช้ประกอบการวัดค่าพารามิเตอร์ทางเวลา 3.2 CurB จะเป็นการหมุนลูกบิดมัลติฟังก์ชั่น เพ่ือเลื่อนเคอร์เซอร์ B ในแนวนอน ใช้ประกอบการวดั คา่ พารามิเตอร์ทางเวลา

เอกสารประกอบการสอน วิชา เคร่อื งมือวดั ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนกิ ส์ (228) ภาพที่ 149 ตัวอยา่ งการใชเ้ คอรเ์ ซอร์วดั สัญญาณไฟฟ้าในโหมดติดตาม ท่มี า : DS1000E Datasheet, 2014 การวัดในโหมดอัตโนมตั ิ จะไมม่ กี ารแสดงเคอร์เซอร์ถ้าไม่มีการเลือกค่าพารามิเตอร์ในเมนูวัด ออสซิลโลสโคปสามารถเล่ือนเคอร์เซอรไ์ ปยงั พารามเิ ตอรใ์ นเมนูวดั โดยอตั โนมัติ ทาไดโ้ ดยการ กดปุ่ม Cursor เลอื ก Mode เลอื ก Auto ภาพที่ 150 ตัวอยา่ งการใชเ้ คอร์เซอร์วดั สัญญาณไฟฟ้าในโหมดอัตโนมัติ ท่มี า : DS1000E Datasheet, 2014

(229) เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครือ่ งมอื วดั ไฟฟ้าและอเิ ล็กทรอนิกส์สรปุ สาระสาคญั ออสซิลโลสโคปเป็นเครื่องมือที่สามารถแสดงลักษณะ (Shape) ขนาด (Amplitude) คาบเวลา(Period) และความถี่ (Frequency) ของรปู คลื่นสญั ญาณ รวมทงั้ ยังสามารถแสดงความสัมพันธ์ระหว่างเฟสของสญั ญาณท่ตี อ้ งการตรวจวัดได้ หลักการทางานแอนาล็อกออสซิลโลสโคปใช้หลักการการบ่ายเบนทางไฟฟ้าสถิต (Electrostaticdeflection) บงั คบั ให้ลาอิเล็กตรอนที่กาเนิดขึ้นภายในหลอดภาพรังสีแคโทด (Cathode ray tube ; CRT)เกิดการบ่ายเบนทั้งทางแนวตั้งและแนวนอนจนกระท่ังไปตกกระทบกับจอภาพซ่ึงฉาบไว้ด้วยสารฟอ สเฟอร์เมือ่ สารฟอสเฟอร์ถกู ลาอเิ ล็กตรอนตกกระทบกจ็ ะเกดิ การเรืองแสงขึ้นเป็นภาพบนจอได้ การวัดแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงจะคานวณได้จากสูตร จานวนช่องจากระดับอ้างอิง × ความไวทางแนวต้ัง (Volts/div.) × การลดทอนของโพรบ การคานวณค่าแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับหรือค่าแรงดันของรูปคล่ืนสัญญาณไฟฟ้าจะมีค่าเป็นแรงดนั ไฟฟา้ จากยอดถึงยอด (Volt peak to peak : Vp-p) ซึง่ คานวณไดจ้ ากสมการ แรงดนั ไฟฟ้า Vp-p = จานวนช่องในแนวต้ัง × ความไวทางแนวต้ัง (Volts/div.) × ค่าลดทอนของโพรบ แรงดนั ไฟฟา้ Vp = แรงดันไฟฟ้า Vrms = √ สตู รคานวณคาบเวลาและความถ่ี คอื คาบเวลา (T) = จานวนช่องในแนวนอน × สัมประสิทธติ์ ัวคณู บนฐานเวลา (Time/Div.) ความถ่ี (f) =

แบบฝกึ หัดทา้ ยบท1. จงอธบิ ายหลกั การทางานของแอนาลอ็ กออสซิลโลสโคปมาโดยละเอยี ด2. จงอธบิ ายหลักการทางานของหลอดภาพรงั สีคาโทดมาอยา่ งละเอียด3. จงอธบิ ายวธิ ีการปรับเทียบมาตรฐานของสายวัดสัญญาณของแอนาลอ็ กออสซิลโลสโคปก่อนการใช้งานมาโดยละเอยี ด4. จงอธบิ ายวธิ กี ารวดั คาบเวลาและความถด่ี ้วยแอนาลอ็ กออสซิลโลสโคปมาโดยละเอียด5. จงอธิบายวิธีการปรับเทียบมาตรฐานของสายวัดสัญญาณของดิจิทัลออสซิลโลสโคปก่อนการใช้งานมาโดยละเอยี ด6. จงอธบิ ายวธิ ีการวัดแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงดว้ ยดิจิทัลออสซลิ โลสโคปมาโดยละเอียด7. จงอธิบายวิธีการวัดรูปคลืน่ สญั ญาณไฟฟ้าดว้ ยดจิ ทิ ลั ออสซลิ โลสโคปมาโดยละเอยี ด8. จงอธิบายวธิ ีการวดั คาบเวลาและความถ่ีด้วยดิจทิ ลั ออสซิลโลสโคปมาโดยละเอยี ด9. จงคานวณค่าแรงดันไฟฟา้ กระแสตรง เมือ่ ตัง้ ค่าความไวทางแนวตั้งเท่ากบั ดงั น้ี11.1 100 mV/Div. ระดับแรงดนั ไฟฟ้า11.2 1 V/Div.11.3 5 Volts/Div.11.4 20 Volts/Div.11.5 50 Volts/Div. ระดับอ้างองิ11.6 100 Volts/Div.10. จงคานวณค่าแรงดันไฟฟ้า Vp-p แรงดันไฟฟ้า Vp และ แรงดันไฟฟ้า Vrms ของรูปคล่ืน เม่ือต้ังค่าความไวทางแนวต้ัง ดงั น้ี10.1. 100 mV/Div. และ × 110.2. 1 V/Div. และ × 110.3. 5 Volts/Div. และ × 110.4. 20 Volts/Div. และ × 110.5. 50 Volts/Div. และ × 110.6. 100 Volts/Div. และ × 1

(231) เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครื่องมอื วัดไฟฟ้าและอเิ ล็กทรอนิกส์11. จงคานวณคาบเวลา (T) และความถี่ (f) ของสัญญาณดังภาพ เมื่อต้ังค่าสัมประสิทธิ์ตัวคูณบนฐานเวลา(Time/Div.) ดังนี้ 11.1. 1 S 11.2. 0.2 S 11.3. 0.1 S. 11.4. 50 mS. 11.5. 20 mS. 11.6. 10 mS. 11.7. 5 mS. 11.8. 2 mS. 11.9. 1 mS. 11.10. .5 mS. 11.11. .2 mS. 11.12. .1 mS. 11.13. 50 µS. 11.14. 20 µS. 11.15. 10 µS. 11.16. 5 µS. 11.17. 2 µS. 11.18. 1 µS. 11.19. .5 µS. 11.20. .2 µS. 11.21. .1 µS.12. จงเปรยี บเทียบขอ้ ดี – ข้อเสีย ระหวา่ งแอนาลอ็ กออสซิลโลสโคปและดจิ ิทัลออสซลิ โลสโคป

เอกสารอา้ งอิงธีรวัฒน์ ประกอบผล. (2549). ดจิ ติ อลอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์. กรงุ เทพฯ : สานกั พิมพท์ ้อป.ประยูร เชี่ยววัฒนา. (2535). เคร่ืองวัดและการวัดทางไฟฟ้า. กรุงเทพฯ : สมาคมส่งเสริม เทคโนโลยี (ไทย - ญป่ี นุ่ ).พัน ธ์ ศั ก ด์ิ พุ ฒิ ม า นิ ต พ ง ศ์ . ( 2537) . เ ค ร่ื อ ง มื อ วั ด ไ ฟ ฟ้ า แ ล ะ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ . ก รุ ง เ ท พ ฯ : ซีเอด็ ยเู คช่นั .วีระพันธ์ ติยัพเสน และ นภัทร วัจนเทพินทร์. (2546). ทฤษฎีเคร่ืองมือและการวัดทางไฟฟ้า. พิมพ์คร้ังท่ี 2. ปทุมธานี : สกายบ๊กุ ส์.ศกั รินทร์ โสนันทะ. (2545). เครือ่ งมอื วดั และการวดั ทางไฟฟ้า. กรงุ เทพฯ : ซีเอด็ ยเู คชน่ั .สมนึก บญุ พาไสว. (2550). การวดั และเคร่ืองมือวัด. กรุงเทพฯ : สานกั พมิ พท์ ้อป.Bakshi U.A. (2011). Electronic Instrumentation & Measurements. 2nd ed. Technical PublicationsDavid A. B. (2007). Electronic instrumentation and measurements. 2nd Edition. Prentice Oxford University Press, USADonald P. L. (1992). Discrete and Integrated Circuit Electronics. Santa Clara University.Kishore K. L. (2009). Electronic Measurements and Instrumentation. Pearson Education India.Larry D. J. And Foster A. C. (1995). Electronic instruments and measurement. 2nd ed. Singapore: Simon and Schuster Asia Pte.Oscilloscope probes. (2013). Retrieved 10 January 2013. From http://www.radio- electronics.com/info/t_and_m/oscilloscope /oscilloscope-probes.phpDS1000E Datasheet. (2014). RIGOL. Technologies, Inc.Phllips W. D. (1999) . Using an oscilloscope. Retrieved 10 January 2013. From http://www.doctronics.co.uk/scope.htmWarwick Test Supplies. (2014). Retrieved 10 January 2014. From http://www.warwickts. com/testec-lf312-low-frequency-oscilloscope-probe-15mhz-400v-150mhz-600v- p1288

บทที่ 11 เซนเซอรแ์ ละทรานสดวิ เซอรเ์ บื้องตน้ ระบบการวัดโดยท่ัวไปในปัจจุบันสามารถแบ่งองค์ประกอบสาคัญออกเป็นส่วนย่อยได้อย่างน้อย 6ส่วน ดังภาพที่ 151 โดยเริ่มจากอุปกรณ์ส่วนหน้าท่ีทาหน้าที่เปล่ียนแปลงส่ิงที่ต้องการวัดให้เป็นสญั ญาณไฟฟ้าซ่งึ ถูกเรยี กรวม ๆ ว่า เซนเซอร์ หรือ ทรานสดิวเซอร์ สัญญาณทางไฟฟ้าที่แปลงได้นี้จะถูกส่งต่อไปยังภาคขยายส่วนหน้าเพื่อขยายสัญญาณให้มีขนาดใหญ่ขึ้นก่อนส่งให้ภาคการปรับแต่งสัญญาณภาคขยายหลัก ภาคการประมวลผลข้อมูลและภาคแสดงผลขอ้ มูลเซนเซอร์ หรือ ภาคขยาย ภาคการปรบั แต่งทรานสดวิ เซอร์ ส่วนหน้า สญั ญาณภาคแสดงผล ภาคการประมวลผล ภาคขยายหลกั ข้อมลูภาพท่ี 151 องคป์ ระกอบโดยทัว่ ไปของระบบการวัดนยิ าม เซ็นเซอร์ (Sensor) คือ อุปกรณ์ตัวแรกซึ่งมีความสามารถในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของปริมาณทางฟิสิกส์ เคมีและทางกายภาพต่าง ๆ เช่น แสง เสียง ความร้อน แรงทางกล เป็นต้น และมีเอาท์พุทในลักษณะของการเปล่ียนแปลงทางความต้านทานซ่ึงอาจมีการเปล่ียนแปลงที่ไม่เป็นสัดส่วนโดยตรงต่อการเปลี่ยนแปลงนั้น แล้วจึงเปลี่ยนให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า เพ่ือนาไปใช้ประมวลผลในระบบวัดและควบคุมได้ ตัวอย่างของเซ็นเซอร์ใช้ในทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ เช่น โฟโต้ทรานซิสเตอร์(Photo transistor) โฟโต้ไดโอด (Photo diode) เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) เทอร์มิสเตอร์(Thermistor) สเตรนเกจ (Strain Gauges) เปน็ ตน้ ทรานสดวิ เซอร์ (Transducer) ทาหนา้ ทเี่ หมือนเซ็นเซอร์ แต่มักจะรวมเซ็นเซอร์และวงจรปรับแต่งสัญญาณเข้าไว้ภายในช้ินส่วนเดียวกันเพ่ือสะดวกต่อการนาไปใช้งาน และให้เอาท์พุทเป็นแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าทเี่ ป็นสดั สว่ นโดยตรงตอ่ การเปล่ียนแปลงทต่ี รวจจับน้ัน ตัวอย่างของทรานสดิวเซอร์ท่ีใช้ในทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ เช่น ทรานสดิวเซอร์วัดอัตราการไหล (Flow Transducers)ทรานสดิวเซอรว์ ดั คา่ ความดนั (Pressure Transducers) และไอซีเซนเซอร์ เป็นตน้ จากนิยามในข้างต้นจะเห็นได้ว่าเซ็นเซอร์และทรานสดิวเซอร์นั้นทาหน้าที่คล้ายกันมาก ดังน้ันในบทเรยี นนี้จงึ ขอกลา่ วถงึ โดยรวมทง้ั สองชนดิ ว่า ทรานสดวิ เซอร์

เอกสารประกอบการสอน วิชา เครือ่ งมอื วัดไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ (234)ประเภทของทรานสดิวเซอร์ 1. ทรานสดิวเซอร์แบบพาสซีพ (Passive Transducer) ต้องต่อแหล่งจ่ายไฟฟ้าจากภายนอก จึงจะสามารถแปลงคา่ การตรวจจบั เป็นสัญญาณไฟฟ้าได้ เชน่ เทอรโ์ มคปั เปิล โฟโตท้ รานซสิ เตอร์ เป็นต้น 2. ทรานสดิวเซอร์แบบแอกทีฟ (Active Transducer) สามารถเปล่ียนค่าการตรวจจับให้เป็นสญั ญาณไฟฟา้ ได้โดยไม่ต้องต่อแหลง่ จ่ายไฟฟ้าภายนอก เช่น โซลา่ ร์เซล เพียรโ์ ซอิเลก็ ทรกิ ส์ เป็นตน้ชนิดของทรานสดิวเซอร์ ทรานสดิวเซอร์ท่ีใช้งานในเครื่องมือวัดและระบบวัดคุมมีหลายประเภทท่ีนิยมใช้งาน สาหรับในบทเรยี นนีท้ ี่จะกล่าวถงึ คือ ทรานสดวิ เซอรส์ าหรับวัดอุณหภูมิ ทรานสดิวเซอร์สาหรับวัดตัวแปรทางกลและทรานสดิวเซอรแ์ บบใชแ้ สงทรานสดวิ เซอรส์ าหรับวดั อุณหภมู ิ อุณหภูมิ (Temperature) เป็นปริมาณทางฟิสิกส์ชนิดหน่ึงซ่ึงบ่งชี้ถึงระดับความร้อนหรือเย็นของสสารใด ๆ สาเหตุของความร้อนเยน็ น้นั เกดิ จากการเคลอื่ นทข่ี องโมเลกุลภายในสสารซึ่งจะเกิดพลังงานจลน์ข้ึน ดังนั้น การวัดค่าอุณหภูมิ คือ การวัดค่าระดับพลังงานจลน์เฉล่ีย (Average kinetic energy) ของโมเลกุลอนั เน่อื งมาจากการเคลอ่ื นท่ีของโมเลกุลภายในสสาร ซงึ่ หากระดบั พลังงานจลน์น้ีมีค่าเพิ่มขึ้นก็จะทาใหอ้ ุณหภมู เิ พ่มิ ขนึ้ แตห่ ากระดบั พลังงานจลน์นีม้ ีค่าลดลงกจ็ ะทาให้อณุ หภมู ิลดลงดว้ ย การวดั อุณหภมู โิ ดยทว่ั ไปจะแสดงระดับของความร้อนหรือเย็นของสสารใด ๆ โดยการเปรียบเทียบกับระดบั อณุ หภมู ิอ้างอิงค่าหน่ึง ซ่ึงโดยปกติจะเป็น 0° และแสดงผลในหน่วยของอุณหภูมิที่อ้างอิงนั้น หน่วยของอณุ หภูมทิ ่ีนยิ มใช้งานมอี ยู่ 3 หน่วย คอื 1. องศาฟาเรนไฮต์ (Fahrenheit, °F) 2. องศาเซลเซยี ส (Celsius, °C) 3. เคลวนิ (Kelvin, K) โดยท้งั 3 หนว่ ยวัดจะสามารถเปรยี บเทียบและเปลยี่ นไปมาไดด้ ังสมการและภาพท่ี 124°C = (°F – 32)K= 273015 + °C°F = (°C + 32)

(235) เอกสารประกอบการสอน วชิ า เคร่อื งมอื วัดไฟฟา้ และอิเล็กทรอนิกส์°K +223° +273° +298° +323° +373° +423°°C -50° 0° +25° +50° +100° +150°°F -100° 0° +100° +200° +300° +32° +70° +212° ภาพท่ี 152 กราฟความสมั พันธ์ของอุณหภูมิทงั้ 3 หนว่ ยวัด การวัดอุณหภูมิมีความสาคัญอย่างมาก เน่ืองจากการเปล่ียนแปลงของอุณหภูมิจะมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพ ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงเชิงพฤติกรรมของสสารได้ เคร่ืองมือวัดอุณหภูมิแบบอิเล็กทรอนิกส์ต้องใช้ทรานสดิวเซอร์ในการเปลี่ยนค่าอุณหภูมิให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าจึงจ ะสามารถแสดงผลอุณหภูมิได้ ดังน้ันภายในบทเรียนนี้จะกล่าวถึงทรานสดิวเซอร์ที่นิยมใช้ในการวัดอุณหภูมิซ่งึ ประกอบด้วย 1. เทอรม์ ิสเตอร์ (Thermistors) 2. เทอรโ์ มคัปเปลิ (Thermocouple) 3. RTD (resistance temperature detector) 4. Integrated Circuit Temperature Transducer เทอร์มสิ เตอร์ เทอร์มิสเตอร์ (Thermistors) มาจากคาว่า Thermally sensitive variable resistor เป็นอุปกรณ์ชนิดท่ีมีค่าสัมประสิทธิ์การเปล่ียนแปลงค่าความต้านทานต่อค่าอุณหภูมิที่เปล่ียนไปสูงมาก จึงนิยมใช้เป็นอุปกรณ์วัดอุณหภูมิ ซึ่งจะมีความละเอียดแม่นยาในช่วงประมาณ -90 ถึง 130 องศาเซลเซียสนอกจากนย้ี งั นยิ มใชเ้ ป็นอุปกรณจ์ ากดั กระแสกระชาก อปุ กรณ์ป้องกันกระแสเกินและอุปกรณ์ควบคุมความรอ้ นแบบให้อุณหภูมิคงที่อกี ด้วย เทอร์มิสเตอร์ผลิตข้ึนจากวัสดุตัวนาที่เหมือนกับเซรามิกหรือพอลิเมอร์และอยู่ในรูปของแมงกานีสออกไซด์ นิกเกิล และโคบอลต์ มคี า่ ความต้านทานจาเพาะในชว่ ง 100 ถึง 450,000 โอห์ม-เซนตเิ มตร ภาพที่ 153 สัญลกั ษณท์ างไฟฟา้ ของเทอร์มิสเตอร์

เอกสารประกอบการสอน วิชา เคร่อื งมือวัดไฟฟา้ และอิเล็กทรอนิกส์ (236) ภาพท่ี 154 เทอร์มสิ เตอรช์ นดิ ตา่ ง ๆ ทม่ี า : AMWEI Thermistor, 2014, Online เทอร์มิสเตอร์เป็นอุปกรณ์สารก่ึงตัวนาที่จะมีค่าความต้านทานเปล่ียนแปลงไปอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิโดยรอบเปล่ียนแปลงไปเพียงเล็กน้อย สามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภทตามค่าสัมประสิทธิ์การเปลย่ี นแปลงค่าความต้านทานต่ออณุ หภมู ิ ไดแ้ ก่ 1. แบบ NTC (Negative temperature coefficient) มีคุณสมบัติ คือ เม่ืออุณหภูมิโดยรอบเพ่ิมข้ึนค่าความต้านทานจะลดลง เทอร์มิสเตอร์ชนิดนี้ผลิตข้ึนจากการผสมและเจือปนออกไซด์ของโลหะบางชนิด เชน่ นิกเกิล โคบอลต์ แมงกานสี เหลก็ และทองแดง และอัดให้เป็นก้อนแข็ง เหมาะสาหรับการใช้วดั และควบคมุ อณุ หภมู ิ 2. แบบ PTC (Positive temperature coefficient) มีคุณสมบัติ คือ เม่ืออุณหภูมิโดยรอบเพิ่มขึ้นค่าความตา้ นทานจะเพิม่ ข้ึนตาม ผลิตข้ึนจากแบเรียมไททาเนตและเจือตะก่ัวหรือเซอร์โคเนียมไททาเนต เทอร์มิสเตอรป์ ระเภทนีน้ ิยมประยุกต์ใช้ในวงจรปอ้ งกันแรงดันไฟฟ้าหรอื กระแสไฟฟ้าเกินคา่ ปกติResistance NTC PTC Temperature ภาพที่ 155 กราฟคณุ ลักษณะการตอบสนองของความต้านทานต่ออณุ หภมู ิของเทอร์มสิ เตอร์ ความสามารถในการตรวจวัดอุณหภูมิของเทอร์มิสเตอร์ทั่วไปอยู่ท่ีประมาณ 173 K ถึง 573 K (-100 °C ถึง +300 °C) และนยิ มออกแบบให้มีรูปทรงขนาดเล็กโดยท่ียังคงความสามารถในการเปล่ียนแปลงความต้านทานต่ออุณหภูมิยังคงมีค่าสูง จึงสามารถตอบสนองต่อการเปล่ียนแปลงของอุณหภูมิแวดล้อมได้อย่างรวดเรว็ ด้วยรูปทรงขนาดเลก็ จึงนยิ มนาไปใช้ตรวจวัดอุณหภูมิในพ้ืนท่ีเล็ก ๆ เช่น ใช้ฝังในมอเตอร์เพ่ือ

(237) เอกสารประกอบการสอน วิชา เคร่ืองมอื วัดไฟฟา้ และอิเล็กทรอนิกส์ตรวจจับอุณหภูมิของขดลวดมอเตอร์ หรือใช้ตรวจวัดอุณหภูมิบนร่างกายของเด็กในเคร่ืองตู้อบทารก(Infant incubator) ในทางการแพทย์ เทอรม์ ิสเตอร์โพรบ (Thermistor Probes) เน่ืองจากเทอร์มิสเตอร์ชนิดใช้งานแบบเดี่ยว (Standalone) นั้น มีความบอบบางและมักแตกหักเสียหายง่าย จึงไม่เหมาะสมสาหรับการใช้งานในสภาวะแวดล้อมที่ไม่ปกติ เช่น ในหม้อนึ่งความดันสูง การติดบนร่างกายผู้ป่วย เป็นต้น ดังนั้นจึงมีผู้พัฒนาและผลิตเทอร์มิสเตอร์ชนิดโพรบสาเร็จรูป (Instanceprobe) ซง่ึ ฝงั เทอร์มสิ เตอรไ์ ว้ในทอ่ โลหะ (Metal tubes) หรือในเคส (Case) แบบพิเศษ ซึ่งทาให้เกิดความเสถียรในการใช้งานมากกวา่ และเหมาะสมสาหรบั สภาพแวดลอ้ มในงานอตุ สาหกรรม ภาพท่ี 156 ตัวอยา่ งเทอรม์ ิสเตอร์โพรบแบบท่อโลหะ ที่มา : DirectIndustry, 2014, Online ภาพท่ี 157 ตัวอย่างเทอร์มิสเตอร์โพรบแบบผนกึ ในแท่งแกว้ ที่มา : Digi-Key Corporation, 2014, Online

เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครื่องมือวัดไฟฟ้าและอเิ ล็กทรอนิกส์ (238) การประยกุ ตใ์ ชง้ านเทอรม์ ิสเตอร์ เทอร์มสิ เตอร์เปน็ อปุ กรณท์ ี่มีการเปลยี่ นแปลงความต้านทานไปตามอุณหภูมิ จึงนิยมใช้งานร่วมกับวงจรวีทสโตนบริดจ์ (Wheatstone bridge) ซ่ึงมีข้อดีคือ เอาท์พุทของวงจรจะสามารถปรับค่าให้มีแรงดันไฟฟ้าเท่ากับศูนย์โวลท์ ที่จุดอุณหภูมิต่าสุดท่ีต้องการวัดได้ จึงไม่เกิดค่าออฟเซ็ท (Offset) ของเอาท์พุทขึ้น R1 R2 R1 R4VA B VA R2 BR3 RT Vo R3 RT Vo (ก) (ข)ภาพที่ 158 การตอ่ เทอร์มสิ เตอร์กบั วที สโตนบริดจ์ (ก) แบบพืน้ ฐาน (ข) แบบปรับสมดุลจากวงจรใน ภาพท่ี 158 (ก) สามารถใชส้ มการที่ 7.8 – 7.10 ในการวเิ คราะหว์ งจรได้ Vo = VA – Vb 11.1 Vo = V [ ] 11.2 จากสมการที่ 11.1 พบว่าจะสามารถปรับแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุทให้เท่ากับศูนย์โวลท์ในสภาวะท่ีจุดอุณหภูมิต่าสุดที่ต้องการวัดได้ โดยการปรับอัตราส่วนความต้านทานท้ังหมดให้ R1 = R2 = R3 = Rt เพ่ือให้VA = Vb โดยที่ Rt คอื คา่ ความต้านทานของเทอรม์ สิ เตอร์บนจุดอณุ หภูมิต่าสดุ ทตี่ ้องการวดั จะได้วา่ = 11.3 จากการเรียนรู้ในวงจรวีทสโตนบริดจ์ท่ีผ่านมาจะพบว่า หากกาหนดเง่ือนไขของวงจรให้มีสภาวะสมดุลย์ท่ีจุดอุณหภูมิที่ต้องการ จะพบว่าอัตราส่วนความต้านทานจะได้ว่า R1 = R2 = R3 = Rt และถ้ากาหนดให้ผลของอุณหภูมิที่เปล่ียนไปจะมีค่าเท่ากับ T และค่าความต้านทานที่เปล่ียนไปของเทอร์มิสเตอรม์ ีค่าเท่ากบั R และแทนค่าลงในสมการที่ 11.2 จะไดว้ า่ Vo = V [  ] 11.4

(239) เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครื่องมือวัดไฟฟ้าและอเิ ล็กทรอนกิ ส์ในกรณีที่แรงดันเอาท์พุทของวงจรในสภาวะเร่ิมต้น (จุดอุณหภูมิเร่ิมต้นท่ีต้องการวัด) ยังมีค่าไม่เท่ากับศูนย์โวลท์ จะสามารถดัดแปลงวงจรได้ดังภาพท่ี 128 (ข) โดยการต่อตัวต้านทานปรับค่าได้(Potentiometer) R4 แบบละเอียดเข้าไปในวงจร เพ่ือปรับค่าอัตราส่วนของตัวต้านทานทั้งหมดเพื่อให้ค่าแรงดัน Vo = VA - Vb = 0 โวลท์ เมื่ออุณหภูมทิ ่ตี อ้ งการวัดลดลงถึงจดุ ตา่ สุดทตี่ ง้ั ไว้ของเคร่ืองมือวดั ในกรณีท่ีแรงดันเอาท์พุทของวงจรมีการเปลี่ยนแปลงท่ีน้อยมาก จาเป็นต้องใช้วงจรขยาย(Amplifier) ช่วยขยายแรงดันเอาท์พุทให้มขี นาดใหญข่ น้ึ กอ่ นนาไปใชง้ าน (ภาพท่ี 159) โดยแรงดันเอาท์พุทหาไดจ้ ากสมการ Vout = Vin [ ] 11.5หรือ Vout = [ ] [  ] 11.6 +V Rf VoutR1 R2 -Rg +VR3 RT + ภาพที่ 159 การต่อวงจรขยายสัญญาณเข้ากับวงจรวีทสโตนบรดิ จ์ อาร์ทดี ี อาร์ทีดี (RTD : Resistance Temperature Detector) เป็นทรานสดิวเซอร์ท่ีใช้หลักการการเปล่ียนแปลงความความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุตัวนากับอุณหภูมิรอบข้างมาประยุกต์ใช้งาน ซึ่งค่าความต้านทานดังกล่าวจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิรอบข้าง และความต้านทานของวัสดุตัวนาท่ีเพ่ิมข้ึนเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เรียกว่า สัมประสิทธ์ิการเปลี่ยนอุณหภูมิแบบบวก (Positive Temperature Coefficient : PTC)ส่วนอาร์ทีดียังมีช่ือเรียกอีกอย่างว่า “เทอร์โมมิเตอร์แบบค่าความต้านทาน” (ResistanceThermometers) โครงสรา้ งของอารท์ ีดี อาร์ทีดีผลิตข้ึนจากเส้นลวดโลหะท่ีมีความยาวค่าหนึ่ง ซ่ึงทาให้เกิดค่าความต้านทานท่ีต้องการที่อณุ หภูมิ 0C และพันอยู่บนแกนเซรามิกหรือแก้วซ่ึงเป็นฉนวนไฟฟ้าที่มีมีคุณสมบัติทนต่อความร้อนและมีค่าสมั ประสิทธิก์ ารขยายตวั ท่ีสัมพันธ์กับการขยายตัวของขดลวด เน่ืองจากเม่ือขดลวดโลหะได้รับความร้อน

เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครอื่ งมอื วดั ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนกิ ส์ (240)จะขยายตัวและเม่ือเย็นตัวลงจะหดตัวคือ ถ้าค่าสัมประสิทธ์ิการขยายตัวของทั้งแกนและขดลวดโลหะไม่เท่ากันจะทาใหอ้ ารท์ ดี เี สียหายได้ ภาพท่ี 160 อารท์ ดี ีชนดิ ต่าง ๆ ทม่ี า : Kodiak Controls, 2014, Online ขดลวดโลหะจะพันอยู่บนแกนฉนวนที่ทนความร้อนได้ดี (ภาพที่ 131) จากนั้นนาไปผ่านความร้อนสูงเพือ่ ให้ขดลวดอ่อนตัวลงและอบความร้อนจต่าเพื่อให้ขดลวดคลายความเครียดลง จากนั้นนาไปบรรจุไว้ทป่ี ลายของปลอกโลหะ (Sheath) หรอื โพรบ (Probe) หรอื ในเทอร์โมเวลล์ (Thermowell) เพื่อให้สามารถสมั ผัสกบั ตัวกลางท่ีต้องการวัดอุณหภูมิได้โดยตรง เส้นลวดโลหะที่นิยมใช้ผลิตอาร์ทีดีจะทามาจากโลหะท่ีมีความตา้ นทานสูง เชน่ พลาตินัม ทองแดง นเิ กิล ส่วนทังสเตนจะนิยมใชใ้ นการตรวจวัดอุณหภูมิท่ีสูงมาก แต่มีความเปราะและแตกหักได้ง่ายจึงไม่ค่อยนิยมใช้งาน ส่วนพลาตินัมเป็นโลหะท่ีนิยมมากเน่ืองจากให้ผลในการตอบสนองตอ่ อณุ หภูมไิ ดค้ ่อนขา้ งเปน็ เสน้ ตรง Resistanc e element Insulating support ภาพที่ 161 โครงสร้างภายในของอาร์ทีดี

(241) เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครื่องมอื วัดไฟฟา้ และอเิ ลก็ ทรอนิกส์ ภาพที่ 162 (ก) โครงสรา้ งภายนอก (ข) โพรบหรอื ปลอกโลหะสาหรบั ห่อหมุ้ อารท์ ีดี ทมี่ า : นวภัทรา และ ทวีพล, 2555, ออนไลน์ ภาพท่ี 163 สว่ นประกอบของอาร์ทีดี ทม่ี า : Tutco, 2014, Online ชนิดของอารท์ ีดี 1. แพลทินัม นยิ มใช้มากทสี่ ุด ใช้สัญลักษณ์ PT ได้แก่ PT-10, PT-100, PT-1000 มีความสามารถในการทาซ้าสูง แต่มีความไวการตอบสนองต่า มีราคาแพงมากเม่ือเทียบกับชนิดนิกเกิลซึ่งมี ความสามารถในการทาซา้ น้อยกว่าแตม่ คี วามไวสงู กวา่ และราคาถกู กว่า 2. ทงั สเตน มีคา่ ความตา้ นทานจาเพาะสัมพัทธ์สูง นิยมใช้กับการวัดที่อุณหภูมิสูงมาก เพราะ หากใช้ท่ีอณุ หภมู ิปกตจิ ะเปราะและยากตอ่ การนาไปใชง้ าน 3. นิกเกิล นิยมใช้กับย่านวัดอุณหภูมิสูง มีข้อเสียคือมีความเป็นเชิงเส้นต่า ทาให้เกิดค่าดริฟต์(Drift) กบั เวลา

เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครือ่ งมือวดั ไฟฟ้าและอเิ ลก็ ทรอนิกส์ (242)ความตา้ นทานRT/R0 14 12 10 เหลก็ 8 นกิ เกลิ 6 ทองแดง 4 2 พลาทิน่ัม 0 -200 0 200 400 600 800 1000 อุณหภมู ิ (°C)ภาพที่ 164 กราฟความสมั พันธร์ ะหว่างคา่ ความตา้ นทานและอุณหภูมขิ องวัสดุต่าง ๆ การประยกุ ต์ใชง้ านอารท์ ดี ี อาร์ทดี ีนิยมประยุกตใ์ ช้งานร่วมกบั วงจรวีทสโตนบรดิ จ์ (Wheatstone bridge) เช่นกัน เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงของค่าความต้านทานไปตามอุณหภูมิแวดล้อมเช่นเดียวกับเทอร์มิสเตอร์ แต่ในปัจจุบันมีการผลิตอุปกรณ์ควบคุมอุณหภูมิ (Temperature control) แบบสาเร็จรูปสาหรับอาร์ทีดีโดยเฉพาะ เป็นวงจรอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ควบคมุ การทางานด้วยไมโครคอนโทรเลอร์ (ภาพท่ี 165) มีความสามารถในการปรับค่าอุณหภูมิ แสดงผลอุณหภูมิ ควบคุมอุณหภูมิการทางาน อีกทั้งมีเอาท์พุทพอร์ท (Output port) สาหรับต่อควบคมุ การทางานของอุปกรณภ์ ายนอกได้ภาพที่ 165 อปุ กรณ์ควบคุมอุณหภูมิแบบสาเร็จรูปสาหรับอาร์ทดี ี ที่มา : อุปกรณว์ ดั อณุ หภูมิ, 2557, ออนไลน์

(243) เอกสารประกอบการสอน วิชา เคร่อื งมอื วดั ไฟฟา้ และอิเล็กทรอนกิ ส์ ภาพท่ี 166 ตัวอยา่ งคุณสมบตั ิทั่วไปของอุปกรณค์ วบคุมอุณหภมู ิ ท่มี า : อุปกรณว์ ดั อณุ หภมู ิ, 2557, ออนไลน์ ภาพที่ 167 ตัวอยา่ งอนิ พุทและเอาท์พทุ พอรท์ ของอปุ กรณ์ควบคุมอุณหภมู ิ ทีม่ า : อุปกรณว์ ดั อุณหภูมิ, 2557, ออนไลน์ ภาพที่ 168 ตวั อย่างการต่อใชง้ านอปุ กรณ์ควบคมุ อุณหภมู ิและอาร์ทดี ี ท่มี า : อุปกรณว์ ัดอุณหภูมิ, 2557, ออนไลน์

เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครอ่ื งมือวัดไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ (244) เทอร์โมคัปเปลิ เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) จัดเป็นทรานสดิวเซอร์วัดอุณหภูมิแบบแอกทีฟ (Active)เน่ืองจากสามารถกาเนิดแรงดันไฟฟ้าขึ้นได้จากตัวเองโดยใช้หลักการเปล่ียนอุณหภูมิเป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้า(Thermoelectric effect) ซึ่งค้นพบโดย Thomus Seebeck นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันในปี ค.ศ.1821ซ่ึงต่อมาเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “Seebeck effect” (ภาพท่ี 169) และต่อมา A. C. Becquerel ได้นาหลกั การนีม้ าสร้างเปน็ เทอรโ์ มคัปเปลิ เทอร์โมคัปเปิลประกอบข้ึนจากเส้นลวดตัวนาท่ีมีโครงสร้างของอะตอมแตกต่างกันสองชนิดมาเชื่อมต่อปลายท้ังสองข้างเข้าด้วยกันด้านหนึ่ง โดยเรียกปลายด้านน้ีว่า จุดวัดอุณหภูมิ (Measuringjunction) หรือ รอยตอ่ รอ้ น (Hot junction) ส่วนปลายอีกด้านของเสน้ ลวดตัวนาทั้งสองเส้นให้เปิดท้ิงไว้และเรียกวา่ จุดอา้ งองิ (reference junction) หรือ รอยตอ่ เย็น (cold junction) (ภาพท่ี 170) จากภาพที่ 171 เม่ือทาให้ จุดวัดอุณหภูมิ มีอุณหภูมิเปล่ียนแปลงไปจากเดิมโดยท่ี จุดวัดอุณหภูมิยังคงมีอณุ หภูมเิ ทา่ เดิม ความร้อนทเ่ี กิดขึ้นซงึ่ ไมเ่ ท่ากันทั้งสองข้างของเส้นลวดตัวนา จะทาให้คุณสมบัติทางไฟฟา้ ของเสน้ ลวดตวั นาเปล่ียนแปลงไป และเกดิ กระแสไฟฟ้าไหลที่ปลายท้งั สองด้านของเส้นลวดตัวนา โดยปริมาณกระแสไฟฟา้ ท่ีเกดิ ขึ้นนี้จะแปรผันไปตามอุณหภูมิ ณ จุดวัดอุณหภูมิ ท่ีเปลี่ยนไป ความแตกต่างของปริมาณกระแสไฟฟ้าและทิศการไหลของกระแสไฟฟ้าขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของเส้นลวดตัวนาแต่ละชนิดดังนั้นเมื่อต่อโวลท์มิเตอร์เข้าท่ีปลายท้ังสองด้านจึงสามารถอ่านค่ากระแสไฟฟ้าให้อยู่ในหน่วยของอุณหภูมิได้ หรือต่อวงจรเข้ากบั หนว่ ยประมวลผลและแสดงผลก็จะสามารถแสดงผลอณุ หภมู ิทวี่ ดั ได้ ภาพที่ 169 ปรากฏการณ์ Seebeck effect ทมี่ า : วรพงศ์ ตงั้ ศรรี ตั น์, 2551, ออนไลน์

(245) เอกสารประกอบการสอน วิชา เครอ่ื งมือวัดไฟฟา้ และอิเล็กทรอนกิ ส์ +++ โลหะ A V จดุ อ้างองิจดุ วัดอณุ หภูมิ โลหะ B - --ภาพที่ 170 วงจรพืน้ ฐานของเทอร์โมคัปเปิล ภาพท่ี 171 หลักการทางานของเทอรโ์ มคัปเปลิ ท่ีมา : Thermocouple, 2014, Onlineภาพท่ี 172 กราฟคณุ สมบตั ิของเทอรโ์ มคัปเปลิ ชนดิ ต่าง ๆ ทม่ี า : วรพงศ์ ต้ังศรรี ัตน์, 2551, ออนไลน์

เอกสารประกอบการสอน วิชา เครอื่ งมือวัดไฟฟ้าและอิเลก็ ทรอนกิ ส์ (246) ภาพท่ี 173 ตัวอย่างเทอรโ์ มคปั เปิลแบบต่าง ๆ ทม่ี า : Thermocouples & RTD Sensors, 2014, Online โครงสร้างของเทอร์โมคัปเปลิ เส้นลวดตัวนาทั้ง 2 ชนิดของเทอร์โมคับเปิลจะถูกห่อหุ้มอยู่ในปลอกสเตนเลส (ภาพที่ 174) โดยมีจุดวัดอุณหภูมิติดอยุ่ท่ีปลายของปลอกสเตนเลส ภายในจะใช้สารประเภทแมกนีเซียมออกไซด์ อะลูมิเนียมออกไซด์ หรือเบอรีลเลียมออกไซด์เป็นฉนวนกั้นระหว่างเส้นลวดกับปลอกสเตนเลสเพื่อป้องกันไม่ให้เสน้ ลวดตวั นาไปแตะกบั ปลอกสเตนเลส เทอร์โมคัปเปิลมักออกแบบให้มีลักษณะเป็นโพรบปลายยาว ด้านท่ีต่อสายเอาท์พุทไปใช้งานจะมีลักษณะท่ีแข็งแรงและสามารถยึดเข้ากับอุปกรณ์หรือส่ิงที่ต้องการวัดได้อย่างแน่นหนา สาหรับงานบางประเภทท่ีจาเป็นต้องถอดเทอร์โมคัปเปิลออกมาเทียบมาตรฐานจาเป็นต้องใช้อุปกรณ์เสริมที่เรียกว่าThermowell (ภาพท่ี 175) ติดเขา้ กบั อุปกรณห์ รือสง่ิ ท่ตี อ้ งการวดั แล้วจงึ สวมเทอรโ์ มคัปเปลิ เข้าไป วสั ดทุ ใี่ ช้ทาสายเชอื่ มตอ่ จากตวั เทอร์โมคัปเปลิ ไปยงั เครอื่ งวัดในกรณีที่โพรบอยู่ห่างจากเคร่ืองวัดจะมี 2 ชนิด คือ ชนิดท่ีสายทาจากวัสดุชนิดเดียวกับเทอร์โมคัปเป้ิล เช่น Type E, J, K, T และชนิดที่ทาจากวัสดตุ ่างชนิดกับเทอร์โมคัปเปิ้ล เช่น Type R, S, Bลวดตัวนา ฉนวนสเตนเลส ฉนวนกั้นระหวา่ ง หัวน็อตสาหรบั ต่อ ตวั เทอรโ์ มคปั เปลิ้ Thermowellจุดวัดอณุ หภมู ิ ภาพที่ 174 โครงสร้างของเทอรโ์ มคปั เปลิที่มา : Thermocouple basic internal construction, 2014, Online

(247) เอกสารประกอบการสอน วิชา เครอื่ งมือวดั ไฟฟ้าและอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ ภาพที่ 175 ตวั อยา่ ง Thermowell แบบต่าง ๆ ที่มา : Thermowell, 2014, Online ภาพที่ 176 สายตอ่ ของเทอร์โมคปั เปล้ิ ทมี่ า : K Type Thermocouple Extension Wire, 2014, Online คณุ สมบัติของเทอร์โมคัปเปลิ การนาเทอร์โมคัปเปิลแต่ละชนิดไปใช้งาน จาเป็นต้องเลือกเทอร์โมคัปเปิลให้เหมาะสมกับคุณสมบัติเฉพาะ มิฉะนั้นอาจทาให้เทอร์โมคัปเปิลเสียหายหรือวัดค่าได้ไม่ถูกต้อง และเนื่องจากแรงดันเอาท์พุทของเทอร์โมคัปเปิลจะมีค่าน้อยมาก (ประมาณ 0.2 - 0.3 มิลลิโวลต์) โดยขึ้นอยู่กับชนิดของเส้นลวดโลหะที่นามาจับคู่กัน ซึ่งได้มีการทดลองจับคู่โลหะชนิดต่างๆ เพื่อทาเป็นเทอร์โมคัปเปิลสาหรับในงานอตุ สาหกรรมแต่ละแบบไว้ และแตล่ ะคจู่ ะตั้งชือ่ เป็นตัวอักษรภาษาอังกฤษไว้ตามตารางที่ 21ตารางท่ี 21 คณุ สมบตั ิของเทอร์โมคัปเปิลท่นี ิยมใช้งานชนิด ส่วนผสม อุณหภูมิใชง้ าน ย่านอุณหภมู ิ ค่าความผดิ พลาด คา่ ความไวสูงสุด แรงเคลือ่ นไฟฟา้ (oC) (oC) (oC) (µV/oC) (mV) -50.0 ถงึ 250.0 -0.02 ถึง 0.02 6 -2.26 ถงึ 21.108 -0.005 ถึง 0.005 250.0 ถงึ 1200.0 -0.0005ถึง0.001 -0.001 ถงึ 0.002R Pt-13% Rh -50 ถงึ 1768.1 1064.0 ถึง 1664.5 versus Pt 1664.5 ถึง 1768.1 0.0 ถึง 400.0 -0.03 ถงึ 0.03

เอกสารประกอบการสอน วิชา เครือ่ งมือวดั ไฟฟา้ และอิเล็กทรอนิกส์ (248)ตารางท่ี 21 (ต่อ)ชนดิ ส่วนผสม อุณหภมู ิใช้งาน ยา่ นอุณหภูมิ คา่ ความผิดพลาด คา่ ความไวสงู สดุ แรงเคลือ่ นไฟฟา้ (oC) (oC) (oC) (µV/oC) (mV) Fe versus -210.0 ถึง 0.0J a Cu-Ni -210 ถงึ 1200 0.0 ถึง 760.0 -0.05 ถึง 0.03 50 -8.096 ถงึ 42.922 760.0 ถงึ 1200.0 alloy -270.0 ถงึ 0.0 -0.04 ถงึ 0.04 0.0 ถงึ 500.0 -0.04 ถึง 0.03 500.0 ถงึ 1372.0 Ni-Cr alloy -0.02 ถึง 0.04 50 -6.458 ถงึ 54.875 -200.0 ถึง 0.0K versus Ni-Al -270 ถงึ 1372 alloy -0.05 ถึง 0.04 -0.05 ถงึ 0.06 Cu -0.02 ถึง 0.04 60 -6.258 ถึง 20.865T versus a Cu- -270 ถงึ 400 Ni alloy 1. เทอร์โมคัปเปิลชนิด R เหมาะสาหรับงานวัดอุณหภูมิสูง เช่น เตาหลอมเหล็ก เน่ืองจากทนอุณหภมู ไิ ดส้ ูงถงึ 1,700oC และใหค้ ่าแรงดันเอาท์พุทสูง เหมาะสาหรับการทางานที่ไม่เกิดปฏิกิริยาทางเคมีและไม่เหมาะกบั งานทมี่ สี ภาวะแบบกัดกร่อน สภาวะสุญญากาศ และสภาวะท่มี ไี อของโลหะและอโลหะ 2. เทอร์โมคัปเปิลชนิด J เน่ืองจากมีราคาถูกจึงเหมาะสาหรับใช้งานท่ัวไปท่ีวัดอุณหภูมิไม่เกิน760oC โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมพลาสติก มีข้อดีคือมีค่าการเปล่ียนแปลงแรงดันไฟฟ้าต่ออุณหภูมิสูงขอ้ เสียคอื ไมเ่ หมาะกบั งานท่มี ีอณุ หภมู ิต่ากว่า 0 oC 3. เทอร์โมคัปเปิลชนิด K เนื่องจากสามารถวัดอุณหภูมิได้จาก -250oC ถึง 1,300 oC จึงนิยมใช้อยา่ งแพร่หลาย มีข้อดีคือ 1) มีราคาถูก 2) มีค่าความเป็นเชิงเส้นสูงเมื่อเทียบกับเทอร์โมคัปเปิลชนิดอื่น 3)ให้แรงดันไฟฟ้าทางด้านเอาต์พุตสูง และ 4) สามารถใช้กับงานท่ีมีการแผ่รังสีความร้อน (Thermalradiation) ขอ้ เสยี คือไม่เหมาะกับการใช้งานในสภาวะสุญญากาศ 4. เทอร์โมคัปเปิลชนิด T เนื่องจากมีสเถียรภาพที่ดีในการวัดและสามารถทนต่อความช้ืนและสภาวะท่ีมีการกัดกร่อนได้ดี จึงนิยมใช้ในการวัดอุณหภูมิย่านต่า เช่น การวัดอุณหภูมิในห้องเย็นและตู้แช่แขง็ เปน็ ต้น แต่ไมเ่ หมาะสาหรบั งานท่ีสมั ผัสกับการแผ่รังสีความร้อนโดยตรง การประยกุ ต์ใชง้ านเทอร์โมคัปเปลิ การต่อเทอร์โมคัปเปิลใช้งานในระบบเครื่องมือวัดสามารถต่อใช้งานกับวงจรขยายชนิดต่าง ๆ ได้หรือสามารถใชง้ านรว่ มกบั วงจรบริดจ์ไดเ้ ช่นกัน

(249) เอกสารประกอบการสอน วิชา เครือ่ งมือวัดไฟฟา้ และอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ ภาพท่ี 177 ใช้ Op-amp เบอร์ LTC6081 ต่อเป็นวงจรขยายแบบไม่กลับเฟส (Non-invertingamplifier) และใช้เทอร์โมคัปเปิลชนิด K ต่อเข้ากับตัวต้านทาน 1 MΩ เพ่ือป้องกันการย้อนกลับของแรงดนั ไฟฟา้ ไปยังเทอรโ์ มคปั เปลิ วงจรนี้สามารถใหค้ า่ แรงดนั เอาท์พุทได้ถึง 10 mV/ oC ภาพที่ 177 การต่อวงจรขยายกบั เทอรโ์ มคัปเปลิ ท่ีมา : Strain Gauge Signal Conditioner with Bridge Excitation, 2014, Online ปัจจุบันมีมีผู้ผลิตอุปกรณ์ควบคุมอุณหภูมิ (Temperature Control) แบบสาเร็จรูปสาหรับใช้งานกับเทอร์โมคัปเปิลข้ึนเช่นเดียวกับการใช้งานกับอาร์ทีดี พัฒนาขึ้นจากเทคโนโลยีไมโครคอนโทรเลอร์สามารถแสดงผลไป 4 หลัก มีความสามารถในการแสดงผล ตั้งค่าอุณหภูมิใช้งาน ควบคุมอุณหภูมิการทางาน อีกทั้งมีเอาท์พุทพอร์ท (Output port) สาหรับต่อควบคุมการทางานของอุปกรณ์ภายนอกได้ มีให้เลือกใช้งานท้ังแบบควบคุมการทางานแบบเปิด-ปิด (On- off control) แบบสัดส่วน (Proportionalcontrol) และแบบพไี อดี (PID Control) ภาพที่ 178 อปุ กรณ์ควบคมุ อุณหภูมสิ าหรับเทอรโ์ มคัปเปิล ท่มี า : PID Microprocessor Temperature Control, 2014, Online

เอกสารประกอบการสอน วชิ า เคร่ืองมอื วดั ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ (250) ภาพท่ี 179 ตัวอยา่ งอินพุทและเอาท์พทุ ของอปุ กรณ์ควบคุมอุณหภูมิ ทม่ี า : PID Microprocessor Temperature Control, 2014, Online ไอซเี ซ็นเซอร์อณุ หภมู ิ ไอซีเซ็นเซอร์อุณหภูมิ (Integrated Circuit Temperature Transducer) พัฒนาขึ้นด้วยเทคโนโลยสี ารกึง่ ตวั นาในรปู แบบวงจรรวม เพ่อื ใช้งานแทนทรานสดวิ เซอร์ยุคเกา่ คือ 1. เทอร์มิสเตอร์ ท่ีมีความสัมพันธ์ของการเปลี่ยนแปลงระหว่างอุณหภูมิกับความต้านทานเป็นเชิงเส้นนอ้ ยมาก 2. อาร์ทีดี ท่ีมีการเปลี่ยนแปลงทางเอาต์พุตเป็นความต้านทานซ่ึงมีความเป็นเชิงเส้นดีกว่าเทอร์มิสเตอร์ แตม่ คี า่ เปลยี่ นแปลงนอ้ ยตอ่ องศาน้อยมาก 3. เทอร์โมคัปเปิล ที่ให้สัญญาณทางด้านเอาต์พุตเป็นแรงดันไฟฟ้าท่ีต่ามาก อีกท้ังยังมีความเป็นเชิงเส้นกับอุณหภูมิต่า และยงั ตอ้ งชดเชยค่าอุณหภมู ใิ ห้ถกู ต้องดว้ ย สาหรับในบทเรียนน้ีจะกล่าวถึงวงจรรวมที่ได้รับความนิยมใช้งาน คือ เบอร์ LM335 และ LM34ของบริษัท National Semiconductor และเบอร์ AD590/AD592 ของบริษัท Analog Devicesสัญลกั ษณโ์ ดยทัว่ ไปของไอซีวดั อุณหภูมิแสดงดงั ภาพท่ี 151 + - ภาพที่ 180 สัญลกั ษณ์โดยท่ัวไปของไอซีวัดอณุ หภมู ิ

(251) เอกสารประกอบการสอน วิชา เครอ่ื งมือวัดไฟฟ้าและอิเลก็ ทรอนกิ ส์ ไอซี LM335 LM335 เป็นไอซีวัดอุณหภูมิแบบซีเนอร์ไดโอด (Temperature sensitive zener diode) มีให้เลอื กใช้งาน 3 แบบ คือ ตัวถังแบบ Surface mount (ภาพท่ี 181) แบบตัวถังพลาสติก (ภาพท่ี 182) และแบบตวั ถังโลหะ (ภาพที่ 183) (ก) (ข) ภาพที่ 181 IC # LM335 แบบ Surface Mount (ก) สัญลักษณ์และขาใช้งาน (ข) ตวั จริง (ก) (ข) ภาพท่ี 182 IC # LM335 แบบตวั ถงั พลาสตกิ (ก) สญั ลักษณ์และขาใช้งาน (ข) ตัวจรงิ (ก) (ข) ภาพที่ 183 IC # LM335 แบบตวั ถงั โลหะ (ก) สัญลักษณแ์ ละขาใช้งาน (ข) ตัวจรงิ คณุ สมบตั ิท่วั ไปของ LM335 ไอซี AD590 ผลติ โดยบริษัท Texas Instrument มคี ณุ สมบัติโดยท่ัวไปตามตารางท่ี 22

เอกสารประกอบการสอน วชิ า เคร่อื งมือวดั ไฟฟา้ และอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ (252)ตารางที่ 22 คณุ สมบัตทิ ่วั ไปของ LM335 Parameter ConditionsDirectly Calibrated °KelvinTemperature rangeInitial Accuracy Available −55°C to 150°COperates current 1°CReverse CurrentForward Current 400 μA to 5 mAOperating Output Voltage 15 mAUncalibrated Temperature Error 10 mANon-Linearity 400 μA ≤ IR ≤ 5 mAทมี่ า (LM335 datasheet, 2013) TC = 25°C, IR = 1 mA IR = 1 mA LM335 มีการทางานในลักษณะการให้ไบอัสกลับ (Reverses bias) และมีการเปล่ียนแปลงทางเอาท์พุทขาบวก 10 mV/°K สามารถเขียนเปน็ สมการได้ดงั น้ี Vout (°K) = 10 mV × T 11.7 เมอื่ T คืออณุ หภูมใิ นหน่วยเคลวิล เนื่องจากอุณหภูมิเคลวิลกับอุณหภูมิองศาเซลเซียสมีการเปล่ียนแปลงไปเท่ากัน คือ เม่ืออุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 °K จะเท่ากับอุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 °C เช่นกัน แต่เนื่องจาก 0 °K = -273.15 °C ดังนั้นจึงสามารถเขยี นสมการใหมใ่ นรูปของ °C ได้ดงั นี้ Vout (°C) = 2.73 V – (10 mV × T) 11.8 เมอ่ื T คอื อุณหภูมใิ นหน่วยองศาเซลเซยี ส IC เบอร์ LM335 ยังแบ่งออกไดอ้ กี 3 ตระกูล ให้เลอื กใชง้ านตามตารางท่ี 23 ดังนี้ตารางที่ 23 ตระกูลย่อยของ IC # LM335 ตระกูล ยา่ นวดั (° C) การใช้งาน LM135 -55 ถึง +150 ทางทหาร LM235 -40 ถงึ +125 งานอุตสาหกรรม LM335 -40 ถงึ +100 เชิงธรุ กิจ วงจรพื้นฐานของ LM335 แสดงภาพท่ี 184 และเน่ืองจากมีการทางานแบบซีเนอร์ไดโอด ดังนั้นการคานวณค่าความต้านทาน R1 เพ่ือจากัดกระแสไบอัสกลับให้ซีเนอร์ไดโอดสามารถหาได้จากกฎของโอหม์ R1 = 11.9

(253) เอกสารประกอบการสอน วชิ า เคร่ืองมือวดั ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์โดย V หาได้จาก 11.10 Vsupply – Vout แรงดนั ไฟฟา้ ของแหล่งจา่ ยเมื่อ Vsupply คอื แรงดนั ไฟฟา้ ตกคร่อม LM335 ทส่ี ภาวะอุณหภูมิใช้งาน Vout คือ +V +V R1 IZ R1 Vout = 10 mV/°K Vout = 10 mV/°K + RL IL RAdj. = 10 k VZ aFduljul stsacballee(ข) - (ก)ภาพที่ 184 การตอ่ วงจรของ LM335 (ก) วงจรพ้นื ฐาน (ข) วงจรวดั อณุ หภมู ิแบบปรบั คา่ ได้ ขณะที่ I คือค่าทนกระแสไฟฟ้าของซีเนอร์ไดโอด (Zener current, IZ) ซึ่งใน Datasheet ของLM335 แนะนาคา่ ท่เี หมาะสมไว้อยู่ในชว่ ง 400 µA< IZ < 5 mA และค่า IZ ท่ีเหมาะสมที่แนะนาไว้คือ 1 mA ซ่ึงจะไม่ทาให้เกิดค่าความคลาดเคลื่อนในการวัดขึ้นและไม่เกิดค่าความรอ้ นสะสมภายใน LM335 ดงั นนั้ เม่ือแทนค่าทัง้ หมดลงในสมการ 11.9 จะได้วา่ R1 = – 11.11หรอื R1 = – 11.12เมื่อ Vout คือแรงดันไฟฟ้าตกคร่อม LM335 ท่ีสภาวะอุณหภูมิใช้งาน และเพื่อให้การทางานของวงจรเปน็ เชิงเสน้ คา่ กระแสไฟฟา้ ของโหลด IL (load current) ตอ้ งนอ้ ยกวา่ ค่ากระแสไฟฟ้าต่าสุดที่ไหลผ่านLM335 (IZ min) นั่นคอื IL << IZ minดงั น้ัน << – การปรับเทยี บ LM335 ในย่านอุณหภูมใิ ชง้ าน สามารถใชว้ งจรที่ 155 (ข) เพ่ือปรบั คา่ แรงดันไฟฟ้าเอาทพ์ ุทในยา่ นอณุ หภมู ใิ ช้งานได้ โดยมีขั้นตอนดงั น้ี

เอกสารประกอบการสอน วิชา เครือ่ งมือวดั ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนกิ ส์ (254)1. วัดคา่ อณุ หภูมหิ อ้ ง (จรงิ ) ปจั จบุ นั ท่เี ร่ิมใช้งาน2. คานวณค่า R1 เพ่อื จากดั กระแสให้ LM335 11.133. คานวณค่า Vout ณ อณุ หภมู ิใชง้ านปจั จบุ นั โดย Vout = Vout,min + Vout,max3.1. Vout,min = ค่าแรงดันไฟฟา้ ท่ี 0 °C = 2.732 V 11.143.2. Vout,max = ค่าการเปล่ียนแปลงแรงดันไฟฟ้าต่อ 1 °C = 10 mV × ค่าอุณหภูมิห้อง (จริง)สมมุติเท่ากับ 30 °C Vout,max = 30 °C × 10 mV = 300 mV 11.154. ปรับค่า RAdj ใหค้ า่ แรงดนั เอาท์พทุ (Vout) เทา่ กบั ทคี่ านวณไว้ตวั อยา่ งที่ 45. ออกแบบวงจรตรวจวัดอุณหภูมิด้วย LM335 เพื่อวัดค่าอุณหภูมิ 0 – 100 °C โดยค่าอุณหภูมิห้อง (จริง) เท่ากับ 30 °C และใช้แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟฟ้าคือ + 5V จงคานวณหา 1) ค่าความต้านทาน R1 2) ค่าแรงดันไฟฟ้า Vout ท่ีอุณหภูมิห้อง (จริง) และ 3) ค่าแรงดันไฟฟ้า Vout ท่ีอุณหภูมิ100 °C +5 V R1  2k Vout = 3.032 V RkAdj. = 10วธิ ีทา ตอบ คานวณคา่ Vout ณ อณุ หภูมใิ ช้งานปัจจุบัน จากสมการ 11.13 ตอบ Vout = Vout,min + Vout,max = 2.732 V + (30 × 10mV/°C) = 3.032 Vคานวณคา่ R1 = –=–= = 1,968 Ω หรือประมาณ 2 k Ωคา่ แรงดันไฟฟา้ ทอ่ี ุณหภูมิ 100 °CVout = Vout,min + Vout,max

(255) เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครือ่ งมือวัดไฟฟา้ และอเิ ล็กทรอนิกส์= 2.732 V + (100 × 10mV/°C) ตอบ= 3.732 V การประยุกตใ์ ชง้ าน วงจรในภาพที่ 155 (ข) แสดงการต่อใช้งาน LM 335 ที่ใช้วัดอุณหภูมิจากช่วง -55 °C ถึง 150 °Cโดยใช้แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงแบบบวก จะได้แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตเปลี่ยนแปลง 10 mV / 1 °C โพเทนชโิ อมิเตอร์ 10 kΩ ใช้สาหรับปรับเทียบค่าแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุทให้ได้เท่าอุณหภูมิแวดล้อมในหน่วยเคลวนิ (K) โดย 2.732 V เท่ากบั 0 °C วงจรในภาพท่ี 185 แสดงตัวอย่างการต่อวงจรอย่างง่ายในการใช้ควบคุมอุณหภูมิของขดลวดความร้อน โดย LM329C ใช้สาหรับรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้ LM335 ให้คงท่ีตลอดเวลา โพเทนชิโอมิเตอร์ 10 kΩ ใช้ปรับตั้งอุณหภูมิที่ต้องการควบคุม โดยในขณะท่ีอุณหภูมิปรับต้ังสูงกว่าอุณหภูมิท่ีวัด แรงดันไฟฟ้าที่ขาบวกของ LM311 จะสูงกว่าที่ขาลบ จะทาให้แรงดันเอาท์พุทของออปแอมป์เป็นบวกและทาใหท้ รานซิสเตอร์ทางานมกี ระแสไฟฟ้าไหลผา่ นขดลวดความร้อน จนกระท่ังอุณหภูมิที่ LM335 สูงขึ้นจนเท่ากับอณุ หภูมปิ รับตั้ง ทาให้แรงดันไฟฟา้ ทข่ี าลบมีค่าเทา่ กบั ขาบวก แรงดนั เอาทพ์ ุทกลับเป็นศูนย์ ทาให้ทรานซิสเตอร์หยุดการทางานและขดลวดความร้อนหยุดการทางานเช่นกัน จนกระทั่งอุณหภูมิท่ี LM335ลดลงทาให้แรงดันไฟฟ้าทขี่ าลบน้อยกว่าขาบวกอีกครั้ง เอาท์พุทกลับเป็นบวก ทรานซิสเตอร์ทางานและขดลวดความรอ้ นทางานอีกคร้งั โดยวงจรจะทางานเป็นวงรอบแบบนี้ไปเร่อื ย ๆ ภาพที่ 185 วงจรควบคุมอุณหภมู ขิ องขดลวดความร้อน ทีม่ า : LM335 datasheet, 2013 ไอซี LM34 พัฒนาข้ึนดว้ ยเทคโนโลยสี ารกึ่งตัวนาในรูปแบบวงจรรวมเชน่ เดียวกบั LM335 แต่แตกตา่ งกันคือให้แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุทเป็นเชิงเส้นกับอุณหภูมิองศาฟาเรนไฮต์ โดยมีย่านการวัดอยู่ระหว่าง -50°F ถึง

เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครื่องมอื วดั ไฟฟ้าและอิเลก็ ทรอนิกส์ (256)+300°F และมีข้อได้เปรียบเหนือ LM335 ซ่ึงเป็นทรานสดิวเซอร์วัดอุณหภูมิแบบสอบเทียบกับอุณหภูมิเคลวนิ คือ 1. สามารถต่อวงจรใช้งานไดโ้ ดยไมต่ อ้ งพงึ่ อุปกรณ์ภายนอก 2. ไดแ้ รงดันไฟฟา้ เอาท์พุทเท่ากับค่าอุณหภูมิจริง โดยไม่ต้องบวกค่าแรงดันไฟฟ้าคงที่ ณ จุด 0 °C(2.732 V) 3. แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุทเปล่ียนแปลง 10 mV/1°F โดยแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุทที่ -50°F มีคา่ ประมาณ -500 mV และที่ +300°F มีคา่ ประมาณ 3,000 mV 4. มีเอาท์พุทอิมพีแดนซ์ (Output impedance) ต่าแต่ให้แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตเป็นเชิงเส้นสามารถเช่ือมตอ่ กบั อุปกรณอ์ า่ นค่าหรือวงจรแสดงผลไดด้ ี 5. สามารถใช้งานได้กับแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบเด่ียว (Single power supply) หรือกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบมีขั้วบวกและลบได้ และใช้กระแสไฟฟ้าเพียง 70 mA ดังนั้นความร้อนที่เกิดขึ้นจึงมีค่าต่าประมาณ 0.2° F ในอากาศน่ิง 6. การส่งผ่านสัญญาณเอาท์พุทอยู่ในรูปของกระแสไฟฟ้า จึงไม่มีผลกระทบต่อความผิดพลาด(Error) ของสญั ญาณเอาทพ์ ุทเนอื่ งจากการต่อสายระยะไกลจากวงจรอิเลก็ ทรอนกิ ส์ LM34 มีใหเ้ ลือกใชง้ าน 3 แบบ คือ ตัวถังแบบ Surface mount (ภาพที่ 186) แบบตัวถังพลาสติก(ภาพที่ 187) และแบบตวั ถงั โลหะ (ภาพท่ี 188) ภ(กา)พที่ 186 IC # LM34 แบบ Surface Mount (ก) ขาใช้งาน (ข) ตวั จริง (ข) ภาพ(กท)ี่ 187 IC # LM34 แบบตวั ถังพลาสติก (ก) ขาใช้งาน (ข) ตวั จริง (ข) ภ(กาพ) ที่ 188 IC # LM34 แบบตวั ถังโลหะ (ก) ขาใช้งาน (ข) ตัวจรงิ (ข)

(257) เอกสารประกอบการสอน วชิ า เคร่อื งมอื วดั ไฟฟ้าและอิเลก็ ทรอนิกส์คณุ สมบตั ิทวั่ ไปของ LM34ไอซี AD590 ผลติ โดยบริษทั Texas Instrument มคี ุณสมบตั โิ ดยท่ัวไปตามตารางท่ี 24ตารางที่ 24 คุณสมบัตทิ ว่ั ไปของ LM34 Parameter ConditionsCalibrated directly degrees FahrenheitTemperature rangeaccuracy guaranteed (at +77˚F) −50˚ to +300˚FLinear scale factor 1.0˚FLow-impedance outputOutput Voltage +10.0 mV/˚FOperating Output Voltage 0.4Ω for 1 mA loadOutput CurrentUncalibrated Temperature Error +6V to −1.0VNon-Linearity 5 to 30 voltsSupply Voltage 10 mAที่มา : LM34 datasheet, 2000 TC = 25°C, IR = 1 mA IR = 1 mA +35V to −0.2V การประยุกตใ์ ช้งาน วงจรในภาพที่ 189 แสดงการต่อใช้งาน LM 34 ที่ใช้วัดอุณหภูมิจากช่วง +5 ถึง +300°F โดยใช้แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงแบบบวก จะได้แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตเปลี่ยนแปลงอยู่ในช่วง 50 mV ถึง 3 Vส่วนวงจรในภาพท่ี 190 ใช้สาหรับวัดอุณหภูมิแบบเต็มย่านวัด (Full range) ที่ -50°F ถึง +300°F ต้องใช้จ่ายแหล่งจ่ายแรงดันไฟลบให้วงจร โดยจะได้แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตที่ -50°F เท่ากับ -500 mV ท่ี +75°Fเท่ากบั +750 mV และท่ี 300°F เทา่ กับ +3,000 mV (ก) (ข)ภาพท่ี 189 ตัวอย่างการต่อวงจร (ก) วงจรพืน้ ฐาน (ข) วงจรสาหรับวดั อุณหภูมแิ บบเตม็ ยา่ นวดั ทม่ี า : LM34 datasheet, 2000

เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครอื่ งมอื วดั ไฟฟ้าและอเิ ลก็ ทรอนิกส์ (258)วงจรในภาพที่ 191 น้ันเหมาะสาหรับการต่อ LM34 ในระยะใกล้กับวงจรเทา่ หากต้องการตอ่ ใช้งาน LM34 ออกมาไกลจากวงจรควรตอ่ วงจรตามภาพท่ี 190 หรือ ภาพท่ี 191 โดยโพเทนชิโอมิเตอร์ 50kΩ ทาหน้าที่ปรบั แก้ค่าผดิ พลาดของอณุ หภูมิท่ีเกดิ จากความตา้ นทานภายในสายไฟฟา้ ให้ถูกต้อง 5 – 20 V Vs 50 k 499 1% LM34 Vout Voutครีบ 499ระบาย 1%ความรอ้ นภาพท่ี 190 การต่อวงจรสาหรับการตรวจวดั อุณหภูมริ ะยะไกลแบบกราวดร์ ว่ มท่มี า : ปรับจาก LM34 datasheet, 2000 5 – 20 V Vs Vout 50 k 499 LM34 Vout 1%ครีบ 499ระบาย 1%ความรอ้ นภาพที่ 191 การต่อวงจรสาหรับการตรวจวัดอุณหภมู แิ บบระยะไกลท่ีมา : ปรบั จาก LM34 datasheet, 2000 ไอซี AD590/592 พัฒนาขึ้นด้วยเทคโนโลยีสารกึ่งตัวนาในรูปแบบวงจรรวมเช่นเดียวกัน แต่ให้เอาท์พุทเป็นกระแสไฟฟ้าจึงเหมาะสาหรับงานที่ต้องต่อทรานสดิวเซอร์เพ่ือวัดอุณหภูมิเป็นระยะทางไก ลจากวงจรหรือเครือ่ งมือวัด เน่ืองจากไมม่ ผี ลกระทบจากการเกดิ แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมบนความต้านทานของสายไฟฟ้า AD590 มีให้เลือกใช้งาน 3 แบบ คือ ตัวถังแบบ Surface mount (ภาพที่ 192) แบบตัวถังพลาสติก (ภาพท่ี 193) และแบบตวั ถังโลหะ (ภาพท่ี 194) (ข) (ก)ภาพท่ี 192 IC # AD590 แบบ Surface Mount (ก) ขาใชง้ าน (ข) ตวั จริง

(259) เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครอื่ งมอื วดั ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ภาพท่ี 193 IC #(กA)D590 แบบตัวถังพลาสติก(ข(ก)) ขาใช้งาน (ข) ตวั จริงภาพที่ 19(ก4)IC # AD590 แบบตวั ถังโลหะ (ก) ขาใช(ข้ง)าน (ข) ตวั จริงคณุ สมบตั ิทั่วไปของ AD590ไอซี AD590 ผลติ โดยบริษทั Analog Devices มคี ณุ สมบัติโดยทัว่ ไปตามตารางที่ 25ตารางที่ 25 คุณสมบตั ิทว่ั ไปของ AD590 พารามเิ ตอร์ -55 °F ถงึ +150 °FTemperature range ± 0.5 °FCalibration Error @ 25°C 1 μA/ KLinear current output ±0.3°C 4 V – 30 VExcellent linearity 298.2 μAWide power supply range pA/√HzNominal Current Output @ 25°C (298.2 K) ± 0.1 °FCurrent NoiseRepeatabilityคา่ กระแสไฟฟ้าเอาท์พุทของ AD590 หาไดจ้ ากIout = T 11.16 11.17 เมอื่ T คอื อุณหภมู อิ งศาเคลวนิIout = 273 µA T เม่ือ T คือ อุณหภมู อิ งศาเซลเซยี ส การประยกุ ตใ์ ช้งาน ตัวอย่างการต่อวงจรใช้งานของ AD590 แสดงดังภาพที่ 195 และ ภาพท่ี 196 โดยภาพที่ 195แสดงการต่อวงจรใช้งานซึ่งสามารถปรับค่าแรงดันเอาท์พุทให้มีการเปลี่ยนแปลง 1 mV / °K ด้วยการปรับ

เอกสารประกอบการสอน วิชา เครอ่ื งมอื วดั ไฟฟา้ และอเิ ลก็ ทรอนิกส์ (260)ค่าของ R1 ภาพท่ี 196 (ก) เม่ือนามาต่ออนุกรมกัน จะทาให้ความไวในการวัดสูงข้ึนและสามารถแสดงค่าได้ต่ามากสดุ เทา่ ทจ่ี ะวดั ได้ ตาหากนามาต่อขนานกัน (ภาพที่ 196 (ข)) วงจรจะแสดงค่าเฉล่ียของการวดั ภาพที่ 195 วงจรพนื้ ฐานแบบแรงดันเอาท์พทุ 1 mV / 1 K ทม่ี า : AD590 datasheet, 2013 (ก) (ข) ภาพท่ี 196 วงจรสาหรบั (ก) วดั คา่ อุณหภูมติ ่าสดุ (ข) วัดค่าอุณหภมู ิเฉล่ีย ท่มี า : AD590 datasheet, 2013ทรานสดวิ เซอรส์ าหรับวดั ตัวแปรทางกล แรงทางกลเป็นปริมาณทางฟิสิกส์ที่สาคัญชนิดหนึ่งท่ีกระทาต่อวัตถุหรือระบบ โดยอาจทาให้เกิดความเครียดหรอื แรงในวัตถุ อาจทาให้เกดิ แรงบดิ แรงดงึ แรงผลกั หรือแรงกดในระบบก็ได้ ดังนั้นแรงทางกลจึงเป็นตัวแปรที่สาคัญสาหรับการวิเคราะห์และออกแบบระบบต่าง ๆ ดังน้ันการตรวจวัดแรงทางกลท่ีถกู ต้องแมน่ ยา ยอ่ มสง่ ผลให้การออกแบบระบบเคร่ืองจักรกลต่าง ๆ ทางานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงและมีเสถียรภาพมากขึ้น นอกจากนี้การวัดแรงทางกลของวัตถุยังสามารถขยายผลเป็นการวัดตัวแปรอ่ืน ๆ ได้เช่น การไหล ความดัน นา้ หนัก ระดับของวตั ถุและความเร่ง เป็นตน้ ทรานสดิวเซอร์ที่ใช้สาหรับการวัดแรงทางกลน้ันมักจะถูกออกแบบให้มีลักษณะพิเศษเฉพาะตัวเนื่องจากต้องดัดแปลงให้เข้ากับแนวคิดของระบบหรือลักษณะการทางานพื้นฐานของอุปกรณ์หรือเคร่ืองจักรกลที่ต้องการวัดค่า ดังนั้นการศึกษาและใช้งานตัวทรานสดิวเซอร์สาหรับวัดแรงทางกลจึง

(261) เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครอ่ื งมือวัดไฟฟา้ และอิเล็กทรอนิกส์จาเป็นต้องมีความเข้าใจปรากฏการณ์ทางกล หลักการทางานของทรานสดิวเซอร์และรายละเอียดในการประยุกตใ์ ช้งานของทรานสดวิ เซอร์แต่ละชนิดเปน็ อยา่ งดีสเตรนเกจสเตรนเกจ (Strain Gate) เป็นทรานสดิวเซอร์ท่ีนิยมใช้งานในทางอุตสาหกรรม โดยเฉพาะในการวดั นา้ หนกั ท่ีตอ้ งการความละเอยี ดมาก ๆ โดยหลกั การแลว้ สเตรนเกจถกู พัฒนาข้ึนสาหรับวัดความเครียดในวัตถุโดยใช้หลักการเพียโซรีซิทิวิตี (Piezoresistivity) ซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานของการเปล่ียนค่าความต้านทานและคุณสมบัตทิ างไฟฟา้ ของวสั ดุตวั นา ซึ่งสามารถอธิบายความสัมพนั ธ์ได้ดังน้ีค่าความตา้ นทานของวัสดุตวั นาทรงกระบอกสามารถหาได้จากR= 11.18เม่ือ คือ คา่ ความต้านทานจาเพาะของวัสดุตวั นา มีหน่วยเปน็ โอห์มเมตร (Ω.m)L คอื ความยาวของวัสดุตัวนา มีหนว่ ยเปน็ เมตร (m)A คือ พน้ื ทห่ี นา้ ตดั ของวัสดตุ ัวนา มีหน่วยเป็นตารางเมตร (m2) หรือ r2R คอื รศั มีของพ้ืนทหี่ น้าตัดของวัสดุตวั นา มหี น่วยเป็นเมตร (m) r LA ภาพท่ี 197 วัสดุตัวนาทรงกระบอกจากภาพท่ี 197 ของค่าความต้านทานภายในของวัสดุตัวนาจะมีการเปล่ียนแปลงไปตามความยาวหรือพ้ืนท่ีหน้าตัดของวัสดุตัวนา การเปลี่ยนแปลงนี้เรียกว่า เพียโซรีซิทิวิตี ซ่ึงเป็นคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวสั ดุตัวนาแต่ละชนิด โดยจะมคี วามสมั พันธ์ของการเปล่ยี นแปลงดังนี้เมอื่ วสั ดตุ วั นาถกู แรงบบี (Compression) มากระทาจากภายนอก (ภาพที่ 198) จะทาให้ความยาวของวัสดุตัวนาลดลง (L0 - L) แต่มีพื้นท่ีหน้าตัดเพ่ิมขึ้น (A0 + A) ผลท่ีเกิดข้ึนคือ ค่าความต้านทานภายในของวสั ดุตวั นามีค่าน้อยลงดงั สมการR = (R0 - R)  ( ) 11.19 ( ) r L0 - L A + A ภาพที่ 198 วัสดตุ ัวนาเมือ่ ถกู แรงบีบมากระทาจากภายนอก

เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครื่องมือวดั ไฟฟ้าและอเิ ล็กทรอนิกส์ (262)ในทางกลับกัน หากวัสดุตัวนาถูกแรงดึง (Tension) มากระทาจากภายนอก (ภาพที่ 199) ผลท่ีเกิดข้ึนคือความยาวจะเพิ่มขึ้น (L0 + L) แต่พ้ืนที่หน้าตัดลดขึ้น (A0 - A) ผลที่เกิดข้ึนคือ ค่าความตา้ นทานภายในของวัสดตุ วั นามีคา่ มากขึน้ ดังสมการR = (R0 - R)  ( ) 11.20 ( ) r L0 +  L A - A ภาพท่ี 199 วัสดตุ วั นาถกู แรงดงึ มากระทาจากภายนอก จากปรากฏการณ์ทั้งสองจะทาให้ค่าความต้านทานภายในของวัสดุตัวนาเปล่ียนแปลงไปอย่างเป็นเชิงเส้นกับแรงท่ีมากระทาตามสมการท่ี 11.19 และ 11.20 ซึ่งสเตรนเกจได้ใช้ความสัมพันธ์ของปรากฏการณ์ทั้งสองนีเ้ ปน็ เทคนิคในการตรวจวัดแรงทางกลที่มากระทาตอ่ วตั ถุใด ๆ ภาพท่ี 200 แสดงสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าและโครงสร้างพื้นฐานของสเตรนเกจซ่ึงประกอบด้วย ฟิลาเมนต์ (Filament) ซึ่งนิยมทาจากวัสดุลวดตัวนา แผ่นโลหะตัวนาแบบบาง (Metal foil) หรือ จากสารกึ่งตัวนา สเตรนเกจแบบพื้นฐานนิยมทาจากเส้นลวดโลหะขนาดเล็กขดตัวหลาย ๆ รอบ (ภาพที่ 200 (ข))เพือ่ ให้ตอบสนองต่อการเปลยี่ นแปลงของแรงได้อยา่ งรวดเรว็ และหมุ้ ทับดว้ ยวสั ดุกันไฟฟา้ ทศิ ทางทร่ี ับแรง วัสดทุ ต่ี อ้ งการวดั ความเครยี ด ข้วั ตอ่ ใชง้ านิทศทาง ่ทีไ ่มรับแรง (ก) (ข) สเตรนเกจ ฟลิ าเมนต์ วสั ดุเคลือบฟิลาเมนต์ภาพที่ 200 สเตรนเกจ (ก) สัญลักษณ์ทางไฟฟา้ (ข) โครงสรา้ งพ้ืนฐานของสเตรนเกจ

(263) เอกสารประกอบการสอน วชิ า เคร่อื งมือวัดไฟฟ้าและอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ ภาพท่ี 201 สเตรนเกจแบบต่าง ๆ ท่มี า Strain Gauges, 2014, Online ภาพที่ 202 ตวั อยา่ งการติดตัง้ ใชง้ าน ทม่ี า : Wheatstone Bridge, 2014, Online เกจเฟคเตอร์ การใชส้ เตรนเกจวดั ความเครียดที่เกิดขึ้นในวัตถุน้ันก็คือการใช้สเตรนเกจตรวจวัดการเปล่ียนแปลงขนาดของวัตถุ ซ่ึงความสัมพันธ์ของการเปล่ียนแปลงขนาดของวัตถุใหม่ต่อวัตถุเดิมในสภาวะปกติจะประกอบด้วย การเปลี่ยนแปลงความเครียดทางกล (mechanical strain, ) และการเปล่ียนแปลงความเครียดทางไฟฟ้า (electrical strain, G) ซึ่งเรียกว่า เกจเฟคเตอร์ (Gauge Factor)สามารถเขียนสมการแสดงความสมั พันธ์ได้ โดยที่

เอกสารประกอบการสอน วิชา เครื่องมอื วัดไฟฟา้ และอิเล็กทรอนกิ ส์ (264)= การเปลย่ี นแปลงความยาว = 11.21G = = 11.22 ความยาวเดิมในสภาวะปกติ การเปลีย่ นแปลงคา่ ความตา้ นทาน ค่าความตา้ นทานเดมิ ในสภาวะปกติดังน้ัน ค่าเกจเฟคเตอร์ (GF) ประจาตัวของสเตรนเกจ ซึ่งก็คือ อัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงค่าความตา้ นทานตอ่ ความยาวท่เี ปลยี่ นไป จะหาไดจ้ ากGF =  =  11.23  นอกจากนี้ค่าเกจเฟคเตอร์ ยังแสดงถึงความไว (Sensitivity) ในการทางานของสเตรนเกจด้วย ซึ่งจะมคี ่าปกตอิ ยรู่ ะหว่าง 1.8 – 2.2 และคา่ ความต้านทานภายในของสเตรนเกจจะอยู่ระหว่าง 50 Ω - 2 k Ωโดยสเตรนเกจแบบโลหะจะมีค่าประมาณ 2 ส่วนสเตรนเกจแบบโลหะผสมและแบบคาร์บอนจะมีค่าสงู ถงึ 10 สาหรับการนาสเตรนเกจมาใชง้ านจะนิยมใช้สเตรนเกจที่มีค่าเกจเฟคเตอร์สูง เพราะค่าเกจเฟคเตอร์จะบง่ บอกถึงว่าสเตรนเกจนั้นมกี ารเปลย่ี นแปลงค่าความตา้ นทานต่อความเครยี ดสูงน่ันเองตวั อยา่ งที่ 46. สเตรนเกจตัวหนึ่งมีค่าความต้านทาน 500 Ω มีค่าเกจเฟคเตอร์ 2.0 มีแรงดึงทาให้เกิดความเครียด  =  = 450 × 106 และค่าความสัมพันธ์ของความต้านทานต่อความยาว   =0.05 Ω.mm-1 จงคานวณหา 1) ค่าความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงของสเตรเกจ และ 2) ค่าความยาวที่เปล่ียนแปลงไป ( )วธิ ีทา 1) หาค่าความตา้ นทานทเี่ ปลี่ยนแปลงของสเตรนเกจโดย โจทย์กาหนดให้ R = 500 Ω, G = 2.0,  = 450 × 10-6 ดังน้ัน ค่าความต้านทานท่ีเปลี่ยนแปลงของสเตรนเกจจะหาได้จาก สมการความเครยี ดทางไฟฟา้ 11.22 โดย G =  หรือR = G ×  × R = 2.0 × 450 × 10-6 × 500 Ω = 0.45 Ω ค่าความต้านทานทีเ่ ปลย่ี นแปลงของสเตรนเกจ เทา่ กบั 0.45 Ω ตอบ2) คา่ ความยาวทีเ่ ปลี่ยนแปลงไปของสเตรนเกจ หาไดจ้ าก = 0.05 Ω.mm-1

(265) เอกสารประกอบการสอน วิชา เครอื่ งมือวัดไฟฟ้าและอเิ ล็กทรอนกิ ส์  = 0.45 / 0.05 Ω.mm-1 = 9 mm ค่าความยาวท่ีเปลีย่ นแปลงไปของสเตรนเกจ เทา่ กับ 9 mm ตอบ ผลกระทบจากค่าอณุ หภูมิ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงความต้านทานภายในของโลหะทุกชนิดรวมท้ังสเตรนเกจซึ่งทาจากเส้นลวดโลหะ ดังน้ันถ้าไม่มีการชดเชยค่าอุณหภูมินี้จะทาให้การวัดผิดพลาดได้สเตรนเกจมีค่าสัมประสิทธิ์ของอุณหภูมิ  = 0.004 / °C ซึ่งเป็นค่าปกติของโลหะท่ัวไป การเปล่ียนแปลงไปอณุ หภูมจิ ะทาใหค้ ่าความตา้ นทานภายในของโลหะเปลยี่ นแปลงไปอยา่ งถาวร ซ่ึงจะคานวณได้จาก RT = RT0 [ 1 + α0ΔT ] 11.24 หรือ ΔRT = RT0 α0ΔT 11.25 เมือ่ ΔRT คือ การเปลี่ยนแปลงคา่ ความต้านทานเนื่องจากการเปล่ียนแปลงอุณหภมู ิ α0 คือ 0.004 / °C (สาหรับแต่ละกรณ)ี ΔT คอื การเปลยี่ นแปลงอณุ หภูมิ RT0 คือ ค่าความตา้ นทานปกติตวั อย่างท่ี 47. จงคานวณค่าการเปลี่ยนความต้านทาน เม่ืออุณหภูมิของสเตรนเกจเปลี่ยนไป 1 °C โดยค่าสมั ประสิทธิ์ของอณุ หภูมิสาหรบั โลหะมีคา่  = 0.003925 / °C และความต้านทานของสเตรนเกจ 250 Ωวิธที า ΔRT = RT0 α0ΔT = 0.003925 / °C × 1 °C × 250 Ω = 0.98125 Ω ตอบ โครงสร้างของสเตรนเกจ วัสดุที่นิยมใช้ทาสเตรนเกจมี 2 แบบ คือ แบบเส้นลวดและแบบแผ่นฟอยล์ วัสดุที่ใช้ทาสเตรนเกจจะตอ้ งมคี วามยาวมากพอสมควรทีจ่ ะทาใหม้ ีคา่ ความต้านทานเริ่มแรกปกติ (Nominal resistance) สูงมากพอท่ีจะใช้ปฏิบัติงานได้และทาให้เกจมีความต้านทานละเอียดเพียงพอที่จะไม่ต้านผลของความเครียดท่ีเกิดขึ้น ค่าความต้านทานเริ่มแรกปกติโดยท่ัวไปจะมีค่าเป็น 60 Ω 120 Ω 240 Ω 350 Ω 500 Ω และ1000 Ω แต่ที่นิยมใช้งาน คือ 120 Ω การติดต้ังสเตรนเกจมักจะติดตั้งเป็นคู่ วางในแนวแกนต้ังและแนวแกนนอนเพื่อให้รับความเครียดของวตั ถุไดท้ ั้งหมด แต่กม็ ีบา้ งทีม่ ีการติดต้งั สเตรนเกจไปในทศิ ทางเดยี วกัน

เอกสารประกอบการสอน วิชา เครอ่ื งมือวดั ไฟฟา้ และอิเล็กทรอนกิ ส์ (266) Rb วัสดรุ องรับแรงRaแรง แรง Active gauge Dummy gaugeภาพที่ 203 การตดิ ตง้ั สเตรนเกจบนวัตถใุ นแนวทิศทางแตกต่างกัน วสั ดุรองรบั แรงRa Rb Active gaugeแรง แรง ภาพที่ 204 การติดตง้ั สเตรนเกจบนวัตถใุ นแนวทศิ ทางแตกต่างกัน การตอ่ วงจรใช้งานสเตรนเกจ การนาสเตรนเกจไปใช้งานน้ันต้องมีการจัดวงจรและจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้อย่างเหมาะสม มี 2 ส่ิงที่ควรพจิ ารณา คือ 1) เมื่อมีแรงจากภายนอกมากระทา สเตรนเกจจะมีการเปล่ียนแปลงความต้านทานภายในเพียงเล็กน้อยเท่านั้น วงจรท่ีออกแบบจึงต้องมีความไวเพียงพอที่จะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงนี้ได้ สมมุติ ค่าความต้านทานปกติของสเตรนเกจมีค่า 120 Ω เม่ือคานวณจากสมการท่ี 11.21 จะมีการเปลี่ยนแปลง2µm/m เท่าน้ัน และมคี ่า R = 4.8 × 10-4 Ω 2) ต้องมีการชดเชยอณุ หภมู ใิ หส้ เตรนเกจ เพือ่ กาจัดผลท่ีมีตอ่ ความเครียด จากข้อที่ 1 เมื่อพิจารณาพบว่า วงจรบริดจ์มีความเหมาะสมในการจัดวงจรใช้งานให้สเตรนเกจเน่ืองจากมีความสามารถตรวจจับการเปล่ียนแปลงความต้านทานที่มีค่าน้อยได้ดี ส่วนการชดเชยอุณหภูมินั้นจะใชส้ เตรนเกจอีกตัวหน่งึ วางตัวในแนวขวางของแอกทฟี เกจ (Active gauge) (ภาพท่ี 201) เรียกว่า ดัมมี่เกจ (Dummy gauge) เม่ือเกจท้ังสองมีการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานเน่ืองจากผลของอุณหภูมิ จะมีเพียงแอกทีฟเกจท่ีมีการตอบสนองต่อค่าความเครียดที่เกดข้ึนบนวัตถุเท่าน้ัน การจัดวงจรแสดงดังภาพท่ี

(267) เอกสารประกอบการสอน วิชา เครือ่ งมอื วดั ไฟฟา้ และอเิ ล็กทรอนกิ ส์203 โดยใช้วงจรวที สโตนบรดิ จแ์ ละตอ่ แอกทฟี เกจ (Rb) และดัมมี่เกจบนแขนแต่ละข้างของบริดจ์ ในกรณีท่ีเกจทัง้ สองมีการเปล่ยี นแปลงคา่ ความตา้ นทานเนอ่ื งจากอุณหภูมิ จะทาให้ทงั้ สองมีการเปล่ยี นแปลงค่าความต้านทานไปเท่ากัน จึงทาให้อัตราส่วนของความต้านทานทั้งสองแขนของบริดจ์ไม่เปลี่ยนแปลง ดังน้ันสัญญาณเอาท์พุทจงึ ไม่เปลยี่ นแปลงไปจากค่าจรงิ มากนักความไว (Sensitivity) ของวงจรหาได้จาก V = - GF  11.26แรงดันเอาท์พุท หาได้จาก Vo = Vin 11.27 R1 R2 + Vs G Dummy Active gauge gauge ภาพที่ 205 การจัดวงจรวที สโตนบริดจ์กบั สเตรนเกจจากวงจร เม่ือไม่มีแรงมากระทากับสเตรนเกจจะทาให้ความต้านทานทั้งหมดมีค่าเท่ากัน นั่นคือR = 0 และ Vo = 0 แต่เม่ือมีแรงมากระทาจะทาให้สเตรนเกจมีค่าความต้านทานเปลี่ยนไปเป็น R จะทาให้ Vo มคี า่ เทา่ กับVo = Vin  11.28 ถ้าค่าของตัวต้านทานท้ังหมด (4R) มีค่ามากว่าการค่าการเปลี่ยนแปลงความต้านทาน (2R)ของสเตรนเกจมาก ๆ4R >> 2R 11.29จะทาให้ไดส้ มการใหมว่ า่Vo  Vin  11.30ตวั อย่างท่ี 48. จากวงจรในภาพท่ี 202 เมื่อกาหนดให้ R = 250 Ω, และ V = 12 V จงคานวณหาแรงดันเอาทพ์ ุทของวงจร เมื่อ 1) เมื่อเกิดความเครียดและความตา้ นทานของสเตรนเกจเปลี่ยนไป R = 0.020 Ω 2) เมอ่ื อณุ หภูมทิ าใหค้ วามตา้ นทานของสเตรนเกจทงั้ สองเพิ่มขน้ึ 9.25 Ω

เอกสารประกอบการสอน วิชา เครื่องมอื วดั ไฟฟ้าและอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ (268) 3) เมื่อเกิดความเครยี ดและความต้านทานของสเตรนเกจเปล่ียนไป R = 0.020 Ω และอุณหภูมิทาให้ความต้านทานของสเตรนเกจทงั้ สองเพ่ิมขึน้ 9.25 Ω R1 = 250 R2 = 250 + Vs G Rb = 250 Ra = 250 (Active gauge)วิธที า1) เม่อื เกดิ ความเครยี ดและความตา้ นทานของสเตรนเกจเปลี่ยนไป R = 0.020 Ω จากสมการที่ 11.28 Vo  Vin  = Vin Ω = 0.000020 V = 20 µV ตอบ2) เมอ่ื อณุ หภมู ทิ าให้ความต้านทานของสเตรนเกจท้ังสองเพ่ิมขึ้น 9.25 Ω จึงทาให้ค่าความต้านทานเท่ากับ9.25 + 250 = 259.25 Ω และดว้ ยกฎการแบ่งแรงดันจะได้ Vo เทา่ กบั Vo = Vin = 12 V Ω Ω ΩΩ ΩΩ = 12 V = 0V ตอบ3) เมือ่ เกิดผลจากความเครียดและอุณหภูมิ Vo = Vin = 12 V Ω Ω Ω ( Ω Ω) ΩΩ = 12 V = 0.00002 V = 20 µV ตอบ

(269) เอกสารประกอบการสอน วิชา เคร่อื งมือวดั ไฟฟา้ และอิเล็กทรอนิกส์จากวงจรทผ่ี า่ นมาทีใ่ ช้สเตรเกจในวงจรบรดิ จ์ 2 ตวั แต่ใช้ตรวจวดั ความเครยี ดเพียง 1 ตวั อีก 1 ตัวใช้สาหรับชดเชยค่าอุณหภูมิ จะพบว่าวงจรจะมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงเพียง 20 µV เท่นั้น แต่เราสามารถเพิ่มความไวน้ีเป็น 2 เท่าได้โดยการใช้สเตรเกจสาหรับรับแรง (Active gauge) 2 ตัว และใช้สเตรเกจสาหรับชดเชยอุณหภูมิอีก 2 ตัว (ภาพที่ 203) จะได้วงจรที่มีความไวเพิ่มเป็น 2 เท่า ความไว(Sensitivity) ของวงจรหาได้จาก V = - GF  Dummy Active gauge 2 gauge 2+Vs G Dummy Active gauge 1 gauge 1ภาพท่ี 206 การเพ่ิมความไวในการวัดโดยใชส้ เตรนเกจ 4 ตวั (ก) (ข) ภาพท่ี 207 การวางสเตรนเกจ 4 ตวั บนวตั ถทุ ี่ต้องการวดั ท้ัง (ก) ดา้ นบน (ข) ดา้ นลา่ ง ตัวอยา่ งการนาไปใชง้ าน วงจรในภาพท่ี 208 เปน็ การนาสเตรนเกจ 4 ตวั ตอ่ เปน็ ฟูลบริดจ์ โดยมีออปแอมป์ TL1002 ช่วยให้บรดิ จม์ คี วามสมมาตรทีส่ ดุ ออปแอมป์ TL1001 จัดให้เป็นวงจรขยายสัญญาณ เมื่อวงจรบริดจ์อยู่ในสภาวะสมดุลจะมีแรงดันเอาท์พุทเท่ากับ 0 โวลต์ แต่หากบริดจ์มีค่าความต้านทานเปลี่ยนไป 1% แรงดันเอาท์พุทจะเปลยี่ นไปได้ถึง 10 โวลต์

เอกสารประกอบการสอน วิชา เครื่องมือวัดไฟฟา้ และอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ (270) ภาพท่ี 208 วงจร Strain Gauge Signal Conditioner with Bridge Excitation ท่มี า : Thermocouple Solutions, 2014, Online สเตรนเกจแบบสารกึง่ ตวั นา สเตรนเกจแบบสารก่ึงตัวนา (Semiconductor Strain Gauge : ScSG) นิยมสร้างจากสารซิลิกอนชนดิ พี (P type – silicon) โดยมี 2 ชนิด คือ ชนิดแท่ง (Bar type) ซึ่งเป็นแบบพ้ืนฐาน และ ชนิดแบคก้ิงค์(Backing type) ซึ่งอาจมีรูปร่างอื่น เช่น แบบตัวยู (U stly gage) และแบบตัวเอ็ม (M stly gage) โดยค่าความต้านทานจาเพาะของสารกง่ึ ตวั นาจะเปล่ียนแปลงไปตามความเครียดที่เกิดขึ้นตามมิตทิ างกายภาพ ภาพท่ี 209 สเตรนเกจแบบสารกึง่ ตัวนาชนดิ แทง่ ท่มี า : Semiconductor Strain Gauge, 2014, Online ภาพท่ี 210 สเตรนเกจแบบสารกงึ่ ตัวนาชนดิ ตวั เอ็ม ทม่ี า : Semiconductor Strain Gauge, 2014, Online

(271) เอกสารประกอบการสอน วชิ า เครอ่ื งมือวดั ไฟฟา้ และอเิ ล็กทรอนกิ ส์ ภาพท่ี 211 สเตรนเกจแบบสารกึ่งตัวนาชนิดตวั ยู ท่ีมา : Semiconductor Strain Gauge, 2014, Online ค่าเกจเฟคเตอร์ของสเตรนเกจแบบสารกึ่งตัวนาจะอยู่ระหว่าง 50 ถึง 200 ดังนั้นจึงทาให้ค่าความต้านทานจะเปลี่ยนไปสูงถึง 25 ถึง 100 เท่าของสเตรนเกจแบบเส้นลวดโลหะ แต่สเตรนเกจนี้มีค่าความต้านทานต่อความเครยี ดทไ่ี ม่เป็นเชงิ เสน้ อยา่ งมาก บางคร้งั อาจจะมีค่าเกจเฟคเตอร์สูงได้ถึง 150 เมื่อยังไม่มีความเครียดเกดิ ขึ้น แต่ความไม่เป็นเชิงเส้นน้ีจะหยุดลงที่ 5,000 μm/m ดังน้ันการจะนาสเตรนเกจนี้มาใช้งานจึงตอ้ งมีกราฟค่าเกจเฟคเตอร์ประกอบด้วย ภาพท่ี 212 ตัวอย่างสเตรนเกจแบบสารกึ่งตวั นา ทีม่ า : Semiconductor Strain Gauge, 2014, Online การนาสเตรนเกจแบบสารกึ่งตัวนาไปใช้งานจะติดต้ังสเตรนเกจไปบนผิวของวัตถุท่ีต้องการวัดและใช้วงจรบริดจ์แบบมีตัวชดเชยอณุ หภูมิเช่นเดียวกับสเตรนเกจแบบเส้นลวดโลหะตวั อยา่ งท่ี 49. จงคานวณหา 1) ค่าการเปลี่ยนแปลงความต้านทานท่ีเกิดจากความเครียด 150 μm/mสาหรับสเตรนเกจแบบเส้นลวดที่มีค่าเกจเฟคเตอร์ 2.15 และ 2) สเตรนเกจแบบสารก่ึงตัวนาที่มีค่าเกจเฟคเตอร์ 151 โดยทงั้ สองชนิดมีค่าความต้านทานปกตคิ อื 150 Ωวิธีทา จากสมการ GF = 1) ค่าการเปล่ียนแปลงความต้านทานของสเตรนเกจแบบเส้นลวด R = GF × R × strain = (150 Ω) × (2.15) × (0.15 × 10-3)

เอกสารประกอบการสอน วชิ า เคร่ืองมอื วัดไฟฟา้ และอเิ ล็กทรอนกิ ส์ (272) ΔR = 0.016 Ω ตอบ2) คา่ การเปล่ยี นแปลงความต้านทานของสเตรนเกจแบบสารกง่ึ ตัวนา ตอบ ΔR = GF × R × strain = (150 Ω) × (-151) × (0.15 × 10-3) ΔR = - 3.40 Ω ข้อดีและข้อเสยี ของสเตรนเกจแบบสารกึง่ ตวั นา ข้อดี 12.3. สเตรนเกจแบบสารก่ึงตัวนามีค่าเกจเฟคเตอสูงมากประมาณถึง 130 จึงสามารถวัดความเครียดท่ีน้อยมาก ๆ ในระดับความเครียด 0.01µ (0.01 micro strain) 12.4. มีค่าคุณลกั ษณะฮีทเทอร์รีซิส (Hysteresis characteristic) ทีด่ มี าก โดยนอ้ ยกว่า 0.05 % 12.5. สามารถทางานได้ 10 × 106 รอบการทางาน และตอบสนองต่อความถ่ี (Frequencyresponse)ไดถ้ งึ 1 GHz 12.6. สเตรนเกจแบบสารก่งึ ตวั นามขี นาดเลก็ กว่าแบบเสน้ ลวด สามารถเล็กได้ 0.7 – 7 มิลเิ มตร ข้อเสยี 1. มีคา่ การเปลีย่ นแปลงความต้านทานต่ออณุ หภมู ิสูงมาก 2. มคี า่ ความเป็นเชงิ เส้นของการเปล่ยี นแปลงความต้านทานต่อความเครียดนอ้ ยมาก 3. มรี าคาแพงมากกวา่ แบบเสน้ ลวดโลหะ โหลดเซล (Load cell) เป็นทรานสดิวเซอร์ที่ประยุกต์จากสเตรนเกจใช้สาหรับวัดน้าหนักหรือวัดแรง เหมาะสาหรับใช้วัดการเปล่ียนแปลงรูปร่างของวัตถุที่เกิดจากผลของแรงหรือน้าหนัก ซ่ึงโดยทั่วไปจะติดสเตรนเกจบนวัสดุที่มีลักษณะเปน็ คานหรอื แกนทย่ี ืดหยุ่นไดด้ ีและตดิ ตัง้ โหลดเซลน้ีไปบนบริเวณทเ่ี กิดความเครยี ดหรือรับน้าหนัก โครงสร้างของโหลดเซล ปกติแล้วจะใช้สเตรนเกจจานวน 4 ตัวติดตั้งบนโลหะที่มีโครงสร้างท่ีมีความยืดหยุ่นได้ดี ต่อวงจรแบบวีทสโตนบริดจ์เพื่อให้โหลดเซลนั้นมีความไวในการวัดสูงสุดและมีการชดเชยค่าการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิด้วย โดยสเตรนเกจจานวน 2 ตัวจะติดต้ังในลักษณะให้รับแรงดึง อีก 2 ตัวติดตั้งให้อยู่ในลักษณะรับแรงกด เม่ือมีน้าหนักมากระทาบนโครงสร้างของโหลดเซล ความเครียดท่ีเกิดขึ้นจะเปล่ียนเป็นความตา้ นทานไฟฟา้ เปน็ สดั สว่ นโดยตรงกับแรงทีม่ ากระทา

(273) เอกสารประกอบการสอน วชิ า เคร่ืองมือวดั ไฟฟา้ และอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์SG1 SG2 + SG1 SG2 SG3 VsSG4 SG4(ก) SG3 (ข)ภาพท่ี 213 โหลดเซล (ก) โครงสรา้ งพ้ืนฐาน (ข) การต่อวงจรของสเตรนเกจ ภาพท่ี 214 ตัวอย่างโหลดเซลแบบตา่ ง ๆ ทม่ี า : โหลดเซล, 2557, ออนไลน์ SG1 SG2 ทศิ ทางการ SG4 SG3 ยดื หยนุ่ ภาพท่ี 215 การเปลยี่ นแปลงทางโครงสรา้ งของโหลดเซลเมื่อมนี ้าหนักกดทับ เม่ือมีแรงกดทับลงที่ข้างหนึ่งของโหลดเซล การบิดเบี้ยวจะเกิดข้ึนที่จุดท่ีบางท่ีสุด 4 จุดของโครงสร้างและทาให้โหลดเซลมีรูปร่างเปล่ียนแปลงไป (ภาพที่ 215) และจะทาให้สเตรนเกจ 4 ตัวซึ่งติดตั้งอยู่บริเวณจุดท่ีบางท่ีสุดเกิดการเปลี่ยนแปลง โดย SG1 และ SG4 ถูกยืดออก ส่วน SG2 และ SG3 จะถูก

เอกสารประกอบการสอน วิชา เคร่ืองมอื วัดไฟฟ้าและอเิ ล็กทรอนิกส์ (274)หดเข้า ดังน้ันสเตรนเกจท้ัง 4 ตัวซ่ึงต่อวงจรแบบวีทสโตนบริดจ์จะมีค่าอัตราส่วนของความต้านทานเปล่ียนแปลงไปและเกิดแรงดันเอาท์พุทออกมา อีกทั้งสเตรนเกจท้ัง 4 ยังทาหน้าท่ีชดเชยค่าการเปลีย่ นแปลงอุณหภูมิซง่ึ กนั และกันดว้ ย แรงดันเอาท์พุทของวงจรจะมีความเป็นเชิงเส้นตามกฎของฮุค (Hooke’s law) เม่ือนาตุ้มน้าหนักแขวนไว้ที่สปริง 1 ลูก 2 ลูก 3 ลูก 4 ลูกและ 5 ลูก ความยาวของสปริงจะยาวข้ึนตามน้าหนักท่ีเพ่ิมขึ้น ซึ่งปรากฏการณ์ท่วี สั ดมุ กี ารเสยี รูปแบบเชิงเสน้ โดยขนึ้ อยูก่ บั แรงท่ีกระทาเรียกว่า กฎของฮุค ซึ่งจะแสดงผลกับวัสดทุ ่มี คี วามยดื หยนุ่ ภาพท่ี 216 กฎของฮุค ทีม่ า : Loadcell, 2014, Online แรงดันเอาท์พุทของวงจรจะมีหน่วยเป็น มิลลิโวลต์ สมมุติว่าถ้าจ่ายแรงดันไฟฟ้า 10 โวลต์ ให้กับโหลดเซลที่มีคุณสมบัติ 2mV / V ท่ีฟูลโหลด (Full load) ซ่ึงหมายความว่า เมื่อมีแรงกระทาที่โหลดเซลที่น้าหนักฟูลโหลดจะได้แรงดันเอาท์พุทเท่ากับ 20 mV สมมุติให้โหลดเซลมีค่าฟูลโหลดเท่ากับ 2,000กโิ ลกรัม หมายความว่าทีน่ ้าหนัก 2,000 กโิ ลกรัมจะได้แรงดันเอาท์พุทเท่ากับ 20 mV ดังน้ันตามกฏของฮุคจะได้ดังตารางที่ตารางท่ี 26 ตวั อย่างความสาพันธ์ของนา้ หนักและแรงดนั เอาท์พุทของโหลดเซลนา้ หนกั (kg.) แรงดนั เอาท์พทุ (mV) 0 0 500 5 10 1,000 15 1,500 20 2,000