Site hosted by Angelfire.com: Build your free website today!

สอบเทียบเครื่องวัด เทียบเครื่องวัดความดันเทียบเครื่องวัดอุณหภูมสถาบันมาตรฐานรู้จักเรา

 

 

การสอบเทียบเครื่องมือวัดอุณหภูมิ

1. การสอบเทียบเครื่องมือวัดอุณหภูมิและชุดทดสอบ

โดยทั่วไปแล้วความเที่ยงตรงของชุดทดสอบที่จะใช้ในงานสอบเทียบมาตรฐาน เป็นองค์ประกอบหนึ่งที่มีผลมากต่อการรักษาความเที่ยงตรงของมาตรฐาน ดังนั้นการควบคุมรักษาความเที่ยงตรงของชุดทดสอบก็มีผลมากต่อความเที่ยงตรงของมาตรฐานเช่นกัน
เครื่องวัดอุณหภูมิจะถูกสอบเทียบกับมาตรฐาน (Calibration) เพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิที่แท้จริง (true temperature) กับค่าที่แสดงโดยเครื่องวัดอุณหภูมิที่ใช้วัด ซึ่งโดยทั่วไปแล้วการสอบเทียบอุณหภูมิจะทำการวัดประมาณ 3 จุดคือ ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดใช้งาน, อุณหภูมิใกล้กับจุดใช้งาน และที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดใช้งาน
ตัวมาตรฐานเปรียบเทียบในการสอบเทียบ ในระบบการตั้งสเกลของนานาชาติ ไม่เพียงแต่จะการทำกำหนดค่าสเกลเป็นค่าตายตัวค่าใดค่าหนึ่งเท่านั้น แต่ยังกำหนดถึงวิธีที่จะใช้ในการแปลงค่าเป็นหน่วยต่าง ๆ ด้วย เช่นเดียวกันกับหน่วยต่าง ๆ ที่ใช้กันในระบบการวัดค่าอุณหภูมิ
ที่อุณหภูมิมีค่าอยู่ในช่วงระหว่าง 0 องศาเซลเซียส ถึง 630.5 องศาเซลเซียส ตัวมาตราฐาน Platinum Thermometer จะใช้เป็นอุปกรณ์ที่ให้ผลที่ดีในการวัดเพื่อนำมาใช้ในการเปรียบเทียบเทียบกับค่าที่ได้จากการสอบเทียบและอุณหภูมิที่ได้จะได้มาจากการคำนวณด้วยความสัมพันธ์ดังนี้

ค่าคงที่ c จะหาได้จากการวัดค่าความต้านทานของตัว Thermometer ที่จุด Oxygen point ซึ่งมีค่าประมาณ –297.346 F
ที่อุณหภูมิมีค่าสูงกว่า 630 องศาเซลเซียส และมีค่าอยู่ต่ำกว่าจุด Gold point (ประมาณ 1945.4 F) อุปกรณ์มาตราฐานที่จะใช้เป็นตัวมาตราฐานคือ Platinum/Platinum rhodium Thermocouple โดยที่จุดหนึ่งจะให้มีค่าของอุณหภูมิคงที่ที่ 0 องศาเซลเซียส ในขณะที่อีกจุดหนึ่งจะทำการวัดอุณหภูมิ โดยค่าที่แสดงได้จากเครื่องมือจะได้มาจากการคำนวณความสัมพันธ์ของสมการดังต่อไปนี้

เมื่อ e คือค่าที่แสดงจากเครื่องมือ U,V,W คือค่าคงที่ที่ได้จากการวัด ณ จุด Gold point (ประมาณ 1945.4 F) จุด Silver point (ประมาณ 1761.4 F) และค่าสุดท้ายคือจะทำการวัดที่จุด Antimony ซึ่งมีจุดเยือกแข็งประมาณ 630.5 C

2. วิธีการสอบเทียบเครื่องวัดอุณหภูมิ

 

2.1 Fixed point method

เป็นวิธีสอบเทียบเครื่องวัดอุณหภูมิโดยการวัดอุณหภูมิแล้วอ่านค่าเทียบกับค่าอุณหภูมิมาตรฐานที่เป็นค่าคงตัวต่างๆเช่น จุดไตรภาค (Triple point ) จุดเดือด (Boiling point), จุดเยือกแข็ง (Freezing point) ของสารบริสุทธิ์ชนิดต่างๆ เช่น น้ำ, ทอง, เงิน เป็นต้น ตามที่กำหนดให้ตามข้อตกลงของ International practical Temperature Scale (IPTS)

 

2.1.1 วิธีการวัดจุดเยือกแข็ง

วิธีการวัดจุดเยือกแข็ง (Freezing-point method) เป็นวิธีที่ใช้ในการสอบเทียบที่ง่ายและเป็นที่นิยมใช้กันมากที่สุดในการสอบเทียบเครื่องวัดอุณหภูมิ ด้วยวิธีการนี้อุปกรณ์ที่ใช้ในการจับสัญญาณจะถูกจุ่มอยู่ในโลหะบริสุทธิ์ที่หลอมเหลวซึ่งจะถูกทำให้ร้อนด้วยเตาเผาขนาดใหญ่ (ในบางกรณีสามารถใช้เพียงแค่อุปกรณ์ให้ความร้อนขนาดเล็กๆ ก็ได้ขึ้นอยู่กับว่าโลหะนั้นมีจุดหลอมเหลวเท่าใด) ที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดหลอมเหลว เมื่อหยุดการให้ความร้อนแก่ตัวโลหะอุณหภูมิของโลหะนั้นมีจุดหลอมเหลวจะค่อยๆลดต่ำลง ในขณะเดียวกันจะทำการจับเวลาในระหว่างที่อุณหภูมิของโลหะมีค่าลดลงด้วยวิธีการนี้สามารถที่ตพนำค่าของอุณหภูมิที่ลดลงมาเขียนกราฟร่วมกับเวลาที่ดำเนินไปได้ดังจะแสดงให้ดูได้ดังต่อไปน

ี้

ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิที่ลดลงกับเวลาที่ผ่านไป

จากกราฟจะเห็นว่า ณ จุดที่โลหะเกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะจากของเหลวกลายเป็นของแข็ง อุณหภูมิจะมีค่าคงที่ค่าหนึ่งที่เรียกว่า “Melting-point temperature” หรือค่า TM ที่แสดงได้จากกราฟ จุดนี้เองที่จะใช้เป็นอุณหภูมิมาตราฐานในการสอบเทียบเครื่องวัดอุณหภูมิ ซึ่งตามปกติแล้วถ้าใช้โลหะในการสอบเทียบที่ต่างชนิดกันจะได้ค่า TM ออกมาต่างค่ากัน ขึ้นอยู่กับว่าโลหะชนิดนั้นมีจุดหลอมเหลวเป็นเท่าใด จุดหลอมเหลวของโลหะชนิดต่างๆ สามารถแสดงให้ดูได้ดังตารางข้างล่างนี้

ตาราง แสดงค่าจุดหลอมเหลวของโลหะชนิดต่างๆ

Gold point : defined as the melting point of gold 1063 C
Silver point : defined as the melting point of silver 960.8 C
Sulfur point : defined as the boiling point of liquid sulfur 444.6 C
Steam point : defined as the boiling point of pure water 100 C
Ice point : defined as the melting point of pure ice 0 C
Oxygen point: defined as the boiling point of liquid oxygen -182.97 C
Freezing point of copper in a reducing atmosphere 1083 C
Freezing point of zinc 419.4 C
Freezing point of lead 327.3 C
Freezing point of tin 231.8 C
Freezing point of mercury -38.87 C
Temperature at which solid CO2 changes into the gaseous state at
Normal atmospheric pressure -78.50 C

จากข้อมูลที่ได้จากตารางจะพบว่าในการสอบเทียบเครื่องวัดอุณหภูมิจะสามารถทำการสอบเทียบได้ในช่วงอุณหภูมิระหว่าง 232 องศาเซลเซียส(450?ฟ) โดยใช้ Tin ถึงอุณหภูมิ 1064 องศาเซลเซียส (1948?ฟ) โดยใช้ Gold
โลหะที่จะต้องใช้ในกระบวนการนี้จะต้องเป็นโลหะที่มีความบริสุทธิ์มาก ทั้งนี้เนื่องมาจากว่า ถ้าหากโลหะที่นำมาทำการสอบเทียบมีการเจือปนของสิ่งสกปรก ถึงแม้ว่าจะมีปริมาณที่เล็กน้อยก็ตามก็สามารถที่จะส่งผลกระทบทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของค่าอุณหภูมิจุดหลอมเหลวของโลหะชนิดนั้น ๆ ได้ ซึ่งจะมีผลกระทบไปถึงการสอบเทียบโดยตรง มาตราฐานของค่าจุดหลอมเหลวตามปกติแล้วจะมีค่าอยู่ในช่วง 125 ?ฟ ถึง 600 ?ฟ ซึ่งในช่วงนี้จะให้ความถูกต้อง?1?ฟ

 

2.1.2 วิธี Melting-Wire

สำหรับวิธีการ Melting-wire จะนิยมใช้ในการสอบเทียบอุปกรณ์ เทอร์โมคัปเปิล ซึ่งด้วยวิธีการนี้ตัวเทอร์โมคัปเปิลจะถูกต่อเข้ากับลวด 2ชนิด และตัวโลหะอีก 1 ชนิดเช่น เงิน(Silverป หรือ ดีบุก(Tin) เมื่อได้รับความร้อนเข้ามาในระบบความต่างศักย์ที่ส่งออกมาจะถูกบันทึกค่าอย่างต่อเนื่อง เมื่อโลหะที่นำมาต่อเข้ากับตัวเทอร์โมคัปเปิลได้รับความร้อนจนละลายลง รอยต่อที่มีอยู่ระหว่างเส้นลวดจะแยกออกจากกันเป็นผลทำให้ ความต่างศักย์มีค่าลดลงเป็น 0 ค่าความต่างศักย์ที่ทำการวัดได้จนกระทั่งลดลงเป็น 0 จะมีความสัมพันธ์กับค่าจุดหลอมเหลวของโลหะที่นำมาเชื่อม
วิธีมักใช้กับการสอบเทียบตัววัดอุณหภูมิที่จะใช้เป็นตัวถ่ายทอดมาตรฐาน (Transfer Standard Thermometer) มากกว่าที่จะใช้เป็นเครื่องวัดอุณหภูมิทั่วๆ ไป เพราะมีความยุ่งอยากในการปฏิบัติมากกว่าแต่ให้ความถูกต้องเที่ยงสูงกว่า ตัวอย่างที่ปฏิบัติกันแสดงในตารางดังนี้

ตาราง แสดงค่า Fixed point ที่ใช้ในการสอบเทียบเครื่องมือวัดอุณหภูมิ

Types and kinds of instruments
Fixed point substances and clibration methods
Remarks (Expectable accuracy
Platinum resistance thermometer


Platinum resistance thermometer

Boiling point of nitrogen and oxygen (Dewar’s bottle)

Triple point of water (fixed point cell)

Boiling point of water (boiling point unit)
Freezing point of Sn, Zn, Sb, Ag (crucible method)

Accuracy is not expectable. This is utilized as a comparative temperature bath.
Good accuracy is expectable. (? 0.1mK ~? 1mk )
This is largely affected by atmospheric pressure (? 0.001K)

Accuracy of (? 0.001K ~? 0.01K), (?0.01K ~?0.1K) is easily estimable

Platinum, rhodium thermocouple Freezing point of Sb, Ag, Au (Crucible method) This is utilized for standard maintenance and acceptance inspection of wires.
Accuracy is easily estimable (? 0.1?C ~ ?0.3?C)
High temperature thermocouples and consumable thermocouples, such as platinum rhodium } thermocouples,
High rhodium thermocouples, etc.
Au, Pd, Pt

Au, Pd

Melting point
(wire point)

(?0.5K ~ ?2K)
Radiation thermometers Zn, Sb, Ag, Au, Cu freezing point black body furnace (crucible method) This is employable as the standard instrument for calibrating black body furnaces.
Accuracy is easily estimate (? 0.1?C ~ ?0.5?C)
Optical pyrometer, radiation thermometer Sublimation point of carbon (carbon are creator) This is employed unavoidably, because no appropriate standard is available.
This is approximate to the complete radiation of 3800K


2.1.3 Comparative method

เป็นวิธีสอบเทียบตัววัดอุณหภูมิ กับตัววัดอุณหภูมิมาตรฐาน (Standard Thermometer) ในภาชนะที่กำเนิดอุณหภูมิคงที่ (Thermostatic bath) เช่น อ่างน้ำ, อ่างน้ำมัน หรือเตาไฟฟ้า เป็นต้น ตัววัดที่จะสอบเทียบกับตัววัดมาตรฐานจะถูกจุ่มในตำแหน่งของอ่างอุณหภูมิคงที่ในเวลาเดียวกัน ค่าอุณหภูมิที่อ่านได้จากตัววัดอุณหภูมิมาตรฐานจะใช้เป็นค่าอุณหภูมิอ้างอิง สำหรับตัววัดที่ทำการทดสอบวิธีนี้นิยมใช้ทั้งในห้องปฏิบัติการสอบเทียบมาตรฐานและที่จุดใช้งาน ข้อดีและข้อเสียของวิธีนี้แสดงเปรียบเทียบในตาราง ดังนี้

ตาราง เปรียบเทียบข้อดีและข้อเสียของการสอบเทียบอุณหภูมิด้วยวิธีการเปรียบเทียบ

Methods
Merits
Demerits
Comparative calibration when measuring temperature at site 1) Calibration can be done under the temperature measuring condition.
2) Removal of calibrated thermometer is unnecessary.
3) No cost is required.
1) Standard unit is defined, since the stable condition of temperature cannot be obtained easily.
2) Error factors are not erasable.
3) Poor calibration accuracy.
4) A portable standard unit is required.
5) The mounting position of the standard unit is required.
Comparative calibration by using the comparative unit 1) The standard unit is selectable according to the required accuracy.
2) Many thermometers can be calibrated at a time.
3) Optional temperature is obtainable.
4) Good calibration conditions.
1) A comparative unit suitable for calibrated thermometers is required.
2) The performance of the comparative unit, such as temperature distribution, etc. must be surveyed.
3) The accuracy is limited by the performance of the comparative unit.
4) This work required expenses.
Comparative calibration using fixed point 1) Calibration can be done at the maximum accuracy of the thermometer to be calibrated.
2) Stable temperature is obtainable
3) It is not necessary to use the standard unit at all times.
1) Optional temperature is not obtainable.
2) Fixed – point substances

สำหรับวิธีที่ใช้ในการสอบเทียบ เครื่องวัดอุณหภูมิที่นิยมใช้กันมากอีกวิธีหนึ่งคือการนำตัว Sensor ของเครื่องวัดนั้นจุ่มลงไปในสภาวะที่ทราบอุณหภูมิแล้ว (เช่น น้ำแข็งหรือน้ำเดือด) และปล่อยให้ตัว Sensor นั้นทำการวัดอุณหภูมิไป ยกตัวอย่างเช่นจะทำการสอบเทียบอุปกรณ์ Electronic Thermometer ที่มีขั้วของตะกั่วทั้งหมด 4 ตัวเป็นตัว Sensor จะมีวิธีในการทำดังต่อไปนี้

ขั้นตอนที่ 1 จะทำการมัดขั้วตะกั่วทั้ง 4 ตัวนั้นให้แน่นเพื่อให้สามารถจุ่มลงไปในภาชนะได้ ดังแสดงได้ดังรูป

ขั้นตอนที่ 2 สำหรับการตรวจสอบการทำงานที่อุณหภูมิมีค่าต่ำ ๆ จะใช้น้ำผสมกับน้ำแข็งเป็นอุณหภูมิมาตรฐาน โดยน้ำที่จะนำมาใช้จะต้องเป็นน้ำที่มีความบริสุทธิ์ค่อนข้างสูง หรือในกรณีที่ไม่สามารถหาน้ำที่มีความบริสุทธิ์สูง ๆ ได้ เราจะต้องแน่ใจว่าน้ำที่นำมาใช้ในการสอบเทียบนี้จะต้อทำการทุบให้ละเอียดทั้งนี้เพื่อทำให้เกิดความทั่วถึงของอุณหภูมิทั้งตัวภาชนะ และต้องแน่ใจว่าการกระจายตัวของน้ำแข็งมีอยู่ที่บริเวณก้นของภาชนะด้วยไม่ใช่ลอยอยู่บริเวณบนภาชนะ


ขั้นตอนที่ 3 ทำการจุ่มขั้วตะกั่วทั้ง 4 ลงไปในภาชนะที่มีน้ำแข็งผสมกันอยู่ภายใน ทิ้งไว้ประมาณ 5 นาที (ต้องแน่ใจว่าอุณหภูมิภายในภาชนะไม่มีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น) เพื่อให้ขั้วตะกั่วสามารถที่จะวัดอุณหภูมิในภาชนะได้อย่างแน่นอน ถ้าขั้วตะกั่วแต่ละตัวเกิดการผิดพลาดในการอ่านค่า หรืออ่านค่าได้ไม่ตรงกันให้ทำการตรวจสอบว่าเกิดความผิดพลาดที่ไหน โดยให้ทำการจดบันทึกไว้เป็นข้อมูลของแต่ละตัวเพื่อใช้ในการหาค่าความผิดพลาด

รูปแสดงการสอบเทียบที่อุณหภูมิมีค่าต่ำๆ

ขั้นตอนที่ 4 สำหรับการตรวจสอบการทำงานที่อุณหภูมิมีค่าสูงๆจะทำการจุ่มตัว Sensor ลงไปในน้ำเดือดที่มีอุณหภูมิอยู่ในช่วงที่ตัว Sensor สามารถอ่านค่าได้ สำหรับขั้นตอนอื่นๆ ทำในลักษณะเดียวกันกับการตรวจสอบการทำงานที่ค่าอุณหภูมิต่ำๆ

รูปแสดงการสอบเทียบที่อุณหภูมิมีค่าสูงๆ

 

ตามปกติแล้วในการสอบเทียบเครื่องวัดอุณหภูมิ จะต้องมีการเทียบโดยใช้อุณหภูมิมาตรฐานทั้งหมด 3 ค่าภายในช่วงสเกลการวัดของเครื่องมือวัดอุณหภูมินั้นๆ โดยทั่วไปจะใช้อุณหภูมิที่จุดสูงสุดของสเกล จุดตรงกลางของสเกลและจุดต่ำสุดของสเกล ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดเจนของการสอบเทียบในลักษณะนี้จะแสดงให้ดูได้ดังนี้

ค่าสูงสุดของสเกลตามปกติแล้วจะทำการสอบเทียบโดยใช้ Boiling Phenomenon ซึ่งอุปกรณ์การจับสัญญาณของเครื่องมือ (Sensor) จะถูกจุ่มอยู่ภายในภาชนะที่ใส่ของเหลวไว้และมีการให้ความร้อนอย่างช้าๆ จนกระทั่งของเหลวนั้นเริ่มมีการเดือดเกิดขึ้น และในที่สุดอุณหภูมิที่ได้ก็สามารถที่จะนำไปใช้ในการสอบเทียบค่าสูงสุดจของสเกลของอุปกรณ์การวัดได้ สิ่งสำคัญที่ต้องคำนึงถึงในการสอบเทียบโดยใช้ Boiling Phenomenon คือ ความดันที่ใช้ในการสอบเทียบ จะต้องมีการตรวจสอบให้แน่ใจเสียก่อนว่ามีค่าเป็นเท่าใด ทั้งนี้เพราะการเปลี่ยนแปลงของความดันที่เกิดขึ้นจะมีผลกระทบต่อการสอบเทียบได้ ยกตัวอย่างเช่น ถ้าทำการลดความดันบรรยากาศลงจาก 29.922 in of Hg ไปเป็น 26.531 in of Hg จะมีผลทำให้จุดเดือดของน้ำมีค่าลดลงจาก 212 0ฟ ไปเป็น 206 0ฟ
สำหรับในเครื่องวัดอุณหภูมิบางชนิดเช่น Glass Thermometer จะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงแก้ไขอะไรได้ แต่โดยทั่วไปแล้วอุปกรณ์ชนอดนี้จะได้รับการรับรองว่ามีค่าความถูกต้องที่ค่อนข้างแน่นอนทำให้ไม่มีความจำเป็นที่จะต้องมีการสอบเทียบบ่อยครั้ง

 

3. อุปกรณ์ที่ใช้ในการสอบเทียบเครื่องวัดอุณหภูมิ

 

3.1 ตัววัดอุณหภูมิมาตรฐาน (Standard Thermometer)

ในที่นี้จะกล่าวถึงที่ใช้ในระดับ Laboratory reference standard เป็นหลัก ซึ่งมักจะใช้ตัววัดอุณหภูมิมาตรฐานชนิดต่างๆ ดังนี้

1. Standard Platinum Resistant Thermometer (SPRT) ดังรูป

2. Standard Glass Tube Thermometer

3. Standard Thermometer

3.2 อุปกรณ์สอบเทียบเครื่องวัด อุณหภูมิแบบเปรียบเทียบค่าตัววัดอุณหภูมิมาตรฐาน

อุปกรณ์ที่ใช้กับการสอบเทียบวิธีนี้ จะเป็นอุปกรณ์ที่จะสร้างอุณหภูมิให้ได้ตามที่ต้องการมีการควบคุมให้อุณหภูมิคงที่มากๆ แล้วใช้ตัววัดอุณหภูมิที่จะสอบเทียบและตัววัดอุณหภูมิมาตรฐานเข้าไปในอ่างน้ำมันเตาด้วยกันทั้ง 2 ชนิดแล้วอ่านค่าทั้ง 2 ตัวมาเทียบกัน วิธีนี้ไม่เที่ยงตรงเท่ากับวิธี Fixed point แต่ปฏิบัติง่ายกว่าสะดวกกว่าและได้คุณภาพเพียงพอกับงานหลายๆระดับ

wather bath
Refigerated Bath
การใช้งาน

3.3 อุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ที่ต้องใช้ประกอบในการสอบเทียบเครื่องวัดอุปกรณ์ชนิดต่างๆ

ในห้องปฏิบัติการสอบเทียบเครื่องวัดอุณหภูมิ มีความจำเป็นต้องใช้เครื่องมือเหล่านี้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแต่ละกรณี