Quartz Thermometer คืออะไร: Resolution ไม่ใช่ Accuracy, อ่านใบ JCSS และสอบเทียบในอ่าง

สมมติว่าโรงงานญี่ปุ่นในไทยได้รับเครื่องทดสอบที่ควบคุมอุณหภูมิมาจากบริษัทแม่ที่ญี่ปุ่น พร้อมไฟล์ log จากเทอร์โมมิเตอร์แบบผลึกควอตซ์ (quartz thermometer ภาษาญี่ปุ่นเรียกว่า suisho ondokei 水晶温度計) ค่าในอ่างแสดงละเอียดถึงทศนิยม 4 ตำแหน่ง เช่น 23.2501 °C และแนบใบรับรองการสอบเทียบ JCSS มาด้วย

คนในทีมอ่านทศนิยม 4 ตำแหน่งนี้ว่า "แม่นยำถึง 0.0001 °C" ซึ่งเป็นความเข้าใจผิดที่บทความนี้อยากช่วยป้องกัน

Quartz thermometer คือเทอร์โมมิเตอร์แบบสัมผัสที่วัดอุณหภูมิจากความถี่การสั่นของผลึกควอตซ์ จับการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ ได้ดีมาก แต่ ความละเอียด (resolution: ตัวเลขบนจอขยับทีละเท่าไร) กับความแม่นยำ (accuracy: ค่าที่อ่านได้ใกล้อุณหภูมิจริงแค่ไหน) เป็นคนละตัวเลขกัน ค่าที่อ่านได้ใกล้อุณหภูมิจริงแค่ไหน ต้องดูจากค่าความคลาดเคลื่อน ค่าแก้ และความไม่แน่นอนของการวัด ซึ่งขึ้นกับการสอบเทียบและวิธีติดตั้งวัด

บทความนี้อธิบายหลักการทำงาน วิธีคำนวณความละเอียด วิธีอ่านใบรับรองการสอบเทียบจากญี่ปุ่น ขั้นตอนสอบเทียบแบบเปรียบเทียบในอ่าง และการเลือกระหว่างควอตซ์กับ SPRT, Pt100, เทอร์มิสเตอร์ และเทอร์โมคัปเปิล ท้ายบทความมีเช็กลิสต์และตัวอย่างอีเมลถามฝั่งญี่ปุ่น

สารบัญ

1. Quartz Thermometer คืออะไร
2. หลักการทำงานของ Quartz Thermometer
3. Resolution กับ Accuracy: ดูจากตัวเลข
4. อ่านใบรับรองการสอบเทียบจากญี่ปุ่น (JCSS)
5. สอบเทียบแบบเปรียบเทียบในอ่าง: ทีละขั้นตอน
6. Quartz เทียบกับ SPRT, Pt100, เทอร์มิสเตอร์ และเทอร์โมคัปเปิล
7. ต้องดูอะไรในสเปกชีต
8. เมื่อค่าที่อ่านได้แกว่ง
9. นำไปใช้ได้ทันที: เช็กลิสต์และคำถามถึงฝั่งญี่ปุ่น
10. ข้อจำกัดของบทความนี้
11. คำถามที่พบบ่อย (FAQ)
12. แหล่งอ้างอิง

Quartz Thermometer คืออะไร

Quartz thermometer เป็นระบบวัดที่มีสองส่วน คือโพรบวัดอุณหภูมิ กับเครื่องอ่านความถี่ เอกสารเทคนิคของ Yokogawa Test & Measurement จัดให้เป็นหนึ่งในเครื่องมือมาตรฐานที่ใช้สอบเทียบเทอร์โมมิเตอร์ตัวอื่น

วิธีใช้คือให้โพรบสัมผัสกับสิ่งที่ต้องการวัด ต่างจากเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรดที่อ่านอุณหภูมิผิวจากรังสีที่แผ่ออกมา ต้องรอให้เซนเซอร์ที่ปลายโพรบมีอุณหภูมิเท่ากับวัตถุก่อนจึงอ่านค่า และยังต้องดูผลสอบเทียบกับผลจากการติดตั้งประกอบด้วย

ผลึกควอตซ์ไม่ได้จุ่มลงในของเหลวตรง ๆ แต่อยู่ในปลอกป้องกัน ความร้อนต้องเดินทางจากปลอกด้านนอกเข้าไปถึงผลึก ดังนั้นแม้เครื่องจะอ่านความถี่ได้เร็ว โพรบก็ยังต้องใช้เวลาตามการเปลี่ยนอุณหภูมิให้ทัน

งานที่เหมาะคืองานติดตามการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเล็ก ๆ เช่น ตรวจว่าอ่างควบคุมอุณหภูมิคงที่แค่ไหน หรือวัดความต่างอุณหภูมิเล็ก ๆ ระหว่างสองจุด ไม่ได้มีไว้แทนจุดวัดทุกจุดในไลน์ผลิต

รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างพื้นฐาน คือผลึกสั่นอยู่ในโพรบ และมีเครื่องอีกตัวอ่านความถี่

รูปที่ 1: ผลึกสั่นอยู่ในโพรบ เครื่องอ่านความถี่

แผ่นผลึกควอตซ์มีขั้วไฟฟ้าติดอยู่ และสั่นต่อเนื่องด้วยพลังงานไฟฟ้าจากวงจรออสซิลเลเตอร์

ขนาดจริง ตำแหน่งขั้วไฟฟ้า และตำแหน่งวงจร ต่างกันไปตามรุ่น

หลักการทำงานของ Quartz Thermometer

ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกกับการสั่น

ควอตซ์คือผลึกของซิลิคอนไดออกไซด์ และมีสมบัติเพียโซอิเล็กทริก คือเมื่อถูกบีบจะเกิดประจุไฟฟ้า ในทางกลับกัน เมื่อป้อนแรงดันไฟฟ้าก็จะเสียรูปเล็กน้อย การสั่นอาศัยทั้งสองอย่างนี้ร่วมกัน

ในเทอร์โมมิเตอร์ แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่ขั้วไฟฟ้าทำให้แผ่นผลึกสั่น สัญญาณไฟฟ้าที่เกิดจากการเสียรูปจะป้อนกลับเข้าวงจร วงจรจะรักษาสภาวะให้สั่นต่อเนื่องและดึงค่าความถี่ออกมา

แผ่นผลึกควอตซ์สร้างสัญญาณคงที่เองไม่ได้ เพราะเป็นชิ้นส่วนแบบ passive ต้องมีวงจรออสซิลเลเตอร์คอยขับ และวงจรอ่านค่าคอยวัด

หัวจุดไฟแบบเพียโซเป็นตัวอย่างใกล้ตัวของความสัมพันธ์ระหว่างแรงกับไฟฟ้าแบบเดียวกัน แต่ชิ้นเพียโซในหัวจุดไฟกับแผ่นผลึกในเทอร์โมมิเตอร์ ถือว่าเป็นวัสดุหรือโครงสร้างเดียวกันไม่ได้

เทอร์โมคัปเปิลทำงานต่างออกไป คืออาศัยปรากฏการณ์ Seebeck ที่ความต่างอุณหภูมิระหว่างรอยต่อของโลหะสองชนิดสร้างแรงดันไฟฟ้า ส่วน quartz thermometer วัดว่าผลึกสั่นเร็วแค่ไหน ไม่ได้วัดขนาดแรงดัน

อ่านอุณหภูมิจากความถี่

ความถี่เรโซแนนซ์ของแผ่นผลึกขึ้นกับมุมตัด (cut) รูปร่าง และขนาด คำว่า "ควอตซ์" อย่างเดียวจึงบอกค่าไม่ได้ ถ้าเปลี่ยนมุมตัด ความถี่จะตอบสนองต่ออุณหภูมิต่างไป บางมุมตัดเหมาะกับงานวัดอุณหภูมิมากกว่า เช่น quartz thermometer ของ Hewlett-Packard ปี 1965 ใช้มุมตัดที่เรียกว่า "LC" (linear coefficient) ซึ่งเลือกมาเพราะความถี่เปลี่ยนตามอุณหภูมิเกือบเป็นเส้นตรง

เทอร์โมมิเตอร์ใช้ชิ้นตรวจวัดที่ความถี่เลื่อนตามอุณหภูมิแบบอ่านง่าย ชิ้นนั้นผ่านการสอบเทียบ และเครื่องจะเก็บความสัมพันธ์ระหว่างความถี่กับอุณหภูมิไว้

การวัดความถี่กับการแปลงเป็นอุณหภูมิเป็นสองขั้นตอนแยกกัน เพราะอุณหภูมิได้มาจากเส้นโค้งสอบเทียบ (calibration curve) ถ้าจับคู่โพรบกับค่าสัมประสิทธิ์ผิดชุด ค่าที่อ่านได้ก็ผิด แม้สัญญาณจะปกติทุกอย่าง

รูปที่ 2 แสดงการแปลงนี้ คือวัดความถี่บนแกนตั้ง แล้วอ่านอุณหภูมิที่ตรงกันบนแกนนอน

รูปที่ 2: ย้อนจากความถี่กลับไปเป็นอุณหภูมิ

วัด f แล้วหา T ที่ตรงกันบนเส้นโค้งสอบเทียบ จุดคือค่าที่ได้ตอนสอบเทียบ (แนวคิดเท่านั้น)

ในช่วงอุณหภูมิหนึ่ง ความสัมพันธ์ความถี่กับอุณหภูมิอาจใกล้เส้นตรง แต่ในช่วงกว้างไม่จำเป็นต้องเป็นเส้นตรงเส้นเดียว จึงมีการเพิ่มพจน์กำลังสูงเพื่อแก้ความโค้งตามความจำเป็น

การแก้ความไม่เป็นเชิงเส้นนี้ใช้แนวคิดเดียวกับ linearizer ของเซนเซอร์อื่น ความน่าเชื่อถือของอุณหภูมิจึงขึ้นกับจุดสอบเทียบและวิธีแปลงค่า ไม่ใช่แค่วงจรอ่านค่า

นาฬิกาควอตซ์ต่างจาก Quartz Thermometer อย่างไร

นาฬิกาควอตซ์ก็ใช้ผลึกควอตซ์ แต่ออกแบบให้ความถี่เปลี่ยนตามอุณหภูมิน้อยที่สุดในช่วงใช้งาน นาฬิกาต้องการฐานเวลาที่นิ่ง ส่วนเทอร์โมมิเตอร์ต้องการความถี่ที่เปลี่ยนตามอุณหภูมิ

ตามข้อมูลของ Epson ผลึกในนาฬิกาควอตซ์ต่ออยู่ในวงจรออสซิลเลเตอร์ของ IC ภายใน ผลึกสั่นต่อเนื่องเป็นฐานของ 1 วินาที แล้ว IC แปลงเป็นสัญญาณขับนาฬิกา

OCXO (oven-controlled crystal oscillator) ในอุปกรณ์สื่อสารจะคุมผลึกให้อยู่ที่อุณหภูมิคงที่เพื่อให้ความถี่นิ่ง ส่วน quartz thermometer ทำกลับกัน คือใช้การที่ความถี่เปลี่ยนตามอุณหภูมิเป็นตัววัดโดยตรง

ดังนั้นต่อผลึกนาฬิกาเข้ากับเครื่องนับความถี่ก็ไม่ได้เทอร์โมมิเตอร์ความแม่นยำสูง ต้องมีชิ้นตรวจวัดที่ไวต่ออุณหภูมิ และมีข้อมูลสอบเทียบของชิ้นนั้น

Resolution กับ Accuracy: ดูจากตัวเลข

ความไว (Sensitivity) กับความละเอียด (Resolution)

ความไวคือความถี่เปลี่ยนไปเท่าไรเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนหนึ่งหน่วย ใช้เป็นตัวแปลงเป็นอุณหภูมิ ยิ่งความไวสูง ความถี่ที่ขยับหนึ่งขั้นก็แทนความต่างอุณหภูมิที่เล็กลง จึงเห็นการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ ได้ง่ายขึ้น

เอกสารพื้นฐานของสมาคมสมบัติทางความร้อนแห่งญี่ปุ่น (Japan Society of Thermophysical Properties) ปี 1989 ยกตัวอย่างไว้ราว 1 kHz ต่อการเปลี่ยน 1 K ส่วนรุ่นของ HP ปี 1965 ใช้ความไวเท่ากันคือ 1,000 Hz/°C จากผลึกที่สั่นแถว 28 MHz ที่ความไวนี้ ถ้าแยกความถี่ได้ 0.1 Hz ก็ได้ความละเอียดอุณหภูมิ 0.0001 °C ตามรูปที่ 3

รูปที่ 3: แปลงขั้นความถี่เป็นขั้นอุณหภูมิ

0.1 Hz หารด้วย 1,000 Hz/°C ได้ 0.0001 °C ค่านี้คือความละเอียด ไม่ใช่การรับประกันค่าความคลาดเคลื่อน

ในช่วงที่ถือว่าความไวคงที่

ΔT = ΔfS

ΔT = 0.11,000 = 0.0001 °C

ΔT: ความต่างอุณหภูมิ [°C]; Δf: ความต่างความถี่ [Hz]; S: ความไว [Hz/°C] ความต่าง 1 K เท่ากับความต่าง 1 °C

ถ้าสมมติให้เป็นเส้นตรงอย่างง่าย ก็ใช้หลักเดียวกันหาอุณหภูมิได้ สมการสอบเทียบด้านล่างเป็นตัวอย่างสมมติเพื่อแสดงขั้นตอนเท่านั้น ไม่ใช่ค่าสัมประสิทธิ์ของเครื่องจริง

จุดสำคัญคือต้องหาผลต่างจากความถี่อ้างอิงก่อน ถ้าเอาความถี่ที่วัดได้ทั้งหมดไปหารด้วยความไวเลย จะไม่สนจุดอ้างอิงและได้ตัวเลขที่ไม่มีความหมาย

สมการสอบเทียบจริงยังกำหนดช่วงอุณหภูมิและชุดค่าสัมประสิทธิ์ไว้ด้วย ระวังหน่วยด้วย ถ้าใส่ความถี่เป็น kHz ลงในสมการที่เขียนไว้สำหรับ Hz อุณหภูมิที่ได้จะผิด

Gate Time, ความละเอียด และรอบการอัปเดต

เครื่องหาความถี่โดยนับจำนวนรอบการสั่นในช่วงเวลาที่กำหนด (gate time) ยิ่งนับนาน ยิ่งแยกความต่างเล็ก ๆ ได้ แต่ค่าก็อัปเดตช้าลง บทความของ HP ปี 1965 อธิบายว่าได้ความละเอียด 0.0001 °C เมื่ออ่านค่าทุก 10 วินาที และถ้าอ่านเร็วกว่านั้นความละเอียดก็หยาบลง รุ่นอื่นให้ดูความสัมพันธ์ระหว่างความละเอียดกับรอบการอัปเดตจากคู่มือ

ให้แยกรอบการอัปเดตของเครื่อง ออกจากการตอบสนองของตัวโพรบเอง จะได้รู้ว่าค่าที่ดู "ช้า" เป็นเพราะตัวนับ หรือเพราะความร้อนเข้าโพรบช้า

Resolution, Repeatability และ Uncertainty ต่างกันอย่างไร

จุดเด่นของ quartz thermometer คือตามการเปลี่ยนอุณหภูมิเล็ก ๆ ได้ และได้ผลดีที่สุดในสภาพแวดล้อมที่นิ่ง เหมาะเมื่ออยากดูว่าอ่างดริฟต์ไปตามเวลาอย่างไร หรือวัดความต่างระหว่างสองตำแหน่ง

ตรงนี้ความละเอียดกับค่าเบี่ยงเบน (bias) แยกทางกัน ถ้าจอขยับทีละ 0.0001 °C แต่ค่าที่อ่านได้เบี่ยงจากเครื่องมาตรฐาน 0.02 °C ตัวเลขละเอียดบนจอก็ไม่ได้ช่วยลบค่าเบี่ยงนั้นเลย ค่า 0.02 °C เป็นตัวเลขสมมติเพื่ออธิบาย ไม่ใช่สเปกความแม่นยำ ค่าที่วัดได้จะมีความหมายก็ต่อเมื่อดูคู่กับผลสอบเทียบและความไม่แน่นอนของเครื่องมาตรฐาน

รูปที่ 4 แยกสามเรื่องที่มักถูกปนกัน

รูปที่ 4: ตัวเลขละเอียด กับอุณหภูมิที่เชื่อถือได้

ขั้นของจอ การกระจายของค่าแต่ละครั้ง และค่าเบี่ยงจากเครื่องมาตรฐาน เป็นสามคำถามแยกกัน

Resolution: ขั้นระหว่างค่าที่อยู่ติดกันเห็นได้ว่า 23.2500 → 23.2501 °C

Repeatability: ภายใต้สภาวะเดิม ค่าออกมาตรงกันไหมดูการกระจายของค่า รวมทั้งการแกว่งของอ่างและของเครื่อง

Bias และ Uncertainty: การแก้ค่าและความเชื่อมั่นแก้ค่าเบี่ยงจากเครื่องมาตรฐาน แล้วประเมินความไม่แน่นอนจากเครื่องมาตรฐาน การกระจายอุณหภูมิ และปัจจัยอื่น

แก้ bias แล้ว ความไม่แน่นอนที่มาจากการสอบเทียบและสภาพแวดล้อมการวัดก็ยังอยู่

สเปกเครื่องรุ่นเก่าช่วยให้เห็นภาพชัด ตารางด้านล่างสรุปสเปกย่อที่ HP ประกาศไว้ในปี 1965 เป็นเครื่องเก่า ใช้เพื่อแสดงว่าตัวเลขแต่ละตัวห่างกันได้แค่ไหนเท่านั้น

รายการสเปก (HP, 1965)	ค่าที่ระบุ	บอกอะไร
ความละเอียด	สูงสุด 0.0001 °C	ขั้นของจอเท่านั้น
ความเสถียรระยะสั้น	น้อยกว่า ±0.0002 °C ระหว่างการอ่านแต่ละครั้ง	ค่าแกว่งระหว่างการอ่านภายใต้เงื่อนไขที่ระบุ
ความเป็นเชิงเส้น	ดีกว่า ±0.02 °C ที่ 0–100 °C; ±0.15 °C ที่ −40–230 °C	ใกล้กับ "ความแม่นยำ" มากกว่า แต่ขึ้นกับช่วง และไม่ใช่ความคลาดเคลื่อนรวมของทั้งระบบ
ดริฟต์จุดศูนย์ระยะยาว	น้อยกว่า ±0.01 °C ใน 30 วัน	เหตุผลที่ต้องสอบเทียบซ้ำ
การตอบสนอง (น้ำไหล 0.6 m/s)	63.2% ใน <1.0 s; 99.9% ใน <6.9 s	การตอบสนองของโพรบภายใต้อัตราไหลที่ระบุ

ความละเอียดสูงยังต้องอาศัยอุณหภูมิที่สม่ำเสมอและนิ่ง ซึ่งต้องสร้างขึ้นเองแยกจากจอแสดงผล ถ้าในอ่างมีอุณหภูมิไม่เท่ากันในแต่ละจุด ความต่างจากตำแหน่งโพรบจะบวกเข้าไปในความต่างที่อยากวัด จนแยกไม่ออกว่าเป็น bias ของเครื่องหรือไม่

หลักการวัดอย่างเดียวไม่ได้ตัดสินว่าการวัดแบบไหนดีกว่า เหมือนการเลือกระหว่างเทอร์โมคัปเปิลกับ RTD ที่ต้องดูรูปร่างโพรบและเงื่อนไขการติดตั้งด้วย

อ่านใบรับรองการสอบเทียบจากญี่ปุ่น (JCSS)

เครื่องมือที่มาจากญี่ปุ่นอาจแนบใบรับรอง JCSS มาด้วย JCSS (Japan Calibration Service System) คือระบบรับรองห้องปฏิบัติการสอบเทียบตามกฎหมายการชั่งตวงวัดของญี่ปุ่น (Measurement Act) ดำเนินการโดย IAJapan ซึ่งเป็นศูนย์รับรองของ NITE (National Institute of Technology and Evaluation)

สิ่งที่คนทำงานในไทยควรรู้เกี่ยวกับใบรับรองนี้มีดังนี้

• เกณฑ์การรับรอง: NITE ระบุว่าเกณฑ์รับรอง JCSS คือ ISO/IEC 17025 กฎหมาย Measurement Act และข้อกำหนดที่เกี่ยวข้อง
• ความสอบกลับได้ (traceability): JCSS กำหนดให้สอบกลับได้ถึงมาตรฐานแห่งชาติของญี่ปุ่น (ที่ NMIJ หรือสถาบันที่ได้รับมอบหมาย) ใบรับรองจึงใช้เป็นหลักฐานความสอบกลับได้
• การยอมรับระหว่างประเทศ: IAJapan เป็นผู้ลงนามข้อตกลงยอมรับร่วม (MRA) ของ ILAC และ APAC NITE ระบุว่าห้องปฏิบัติการที่ได้รับรองแบบรองรับ MRA ระหว่างประเทศ ออกใบรับรองที่มีเครื่องหมาย ilac-MRA ได้ ควรดูว่าใบของเรามีเครื่องหมายนี้จริง ไม่ใช่คิดเอาเองว่ามี
• ความไม่แน่นอน: ใบรับรองตัวอย่างของ NITE รายงานค่าความไม่แน่นอนขยาย (expanded uncertainty) ด้วยตัวประกอบครอบคลุม k = 2 ซึ่งเท่ากับความน่าจะเป็นครอบคลุมประมาณ 95% ใบจริงให้ดูค่า k ที่ระบุในแต่ละใบ
• ไม่มีวันหมดอายุ: ตามข้อมูลของ NITE ใบรับรอง JCSS ไม่มีระยะเวลาใช้ได้ ผู้ใช้เป็นคนกำหนดรอบสอบเทียบซ้ำเองตามความถี่และสภาพการใช้งาน

ฝั่งไทยก็มีโครงสร้างคล้ายกัน สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ (มว. / NIMT) ดูแลมาตรฐานการวัดแห่งชาติ และการรับรองห้องปฏิบัติการสอบเทียบตาม ISO/IEC 17025 อยู่ภายใต้สำนักงานคณะกรรมการการมาตรฐานแห่งชาติ (สมช. ในกำกับของ สมอ.) ซึ่งอยู่ในรายชื่อผู้ลงนาม ILAC MRA ด้านการสอบเทียบ ขอบข่ายและสถานะล่าสุดควรตรวจในฐานข้อมูลของ ILAC และ สมอ. อีกครั้ง

ถ้าโรงงานเป็นซัพพลายเออร์ยานยนต์ที่ใช้ IATF 16949 ให้ดูข้อ 7.1.5.3.2 เรื่องห้องปฏิบัติการภายนอก ซึ่งโดยหลักให้ใช้ห้องปฏิบัติการที่ได้รับรอง ISO/IEC 17025 ครอบคลุมงานสอบเทียบนั้น และดูข้อกำหนดเฉพาะของลูกค้า (CSR) ด้วย ถ้ายังไม่ชัด ให้ปรึกษาฝ่ายระบบคุณภาพหรือ CB ก่อนใช้ใบ JCSS

การสอบเทียบคือการหาความต่างระหว่างเครื่องกับเครื่องมาตรฐาน ไม่ใช่การปรับจอให้ตรง ผลพื้นฐานคือความต่างนั้น พร้อมบันทึกสภาวะการวัด

ถ้าใบรับรองรายงานค่าแก้ (correction) ให้ดูนิยามเครื่องหมายก่อน เช่น ถ้าค่าแก้ = ค่ามาตรฐาน − ค่าที่อ่านได้ ค่าหลังแก้คือ ค่าที่อ่านได้ + ค่าแก้ แล้วตกลงภายในบริษัทว่าจะใช้ค่าแก้อย่างไรและใช้ที่ไหน

สอบเทียบแบบเปรียบเทียบในอ่าง: ทีละขั้นตอน

การสอบเทียบแบบเปรียบเทียบ (comparison calibration) คือการวางเทอร์โมมิเตอร์ที่ต้องการสอบเทียบ (UUT: unit under test) กับเทอร์โมมิเตอร์มาตรฐาน (reference) ไว้ในอุณหภูมิเดียวกัน แล้วบันทึกความต่างของค่าที่อ่านได้ Fluke อธิบายว่าอ่างของเหลวเป็นตัวกลางที่นิ่งและสม่ำเสมอที่สุดสำหรับงานนี้

ขั้นตอนด้านล่างเป็นหลักการเท่านั้น ให้ยึดขั้นตอนของห้องปฏิบัติการและคู่มือผู้ผลิตอ่างเป็นหลัก

1. กำหนดงานก่อน: ตัดสินใจช่วงอุณหภูมิที่ต้องใช้และความต่างที่ยอมรับได้ งานตรวจแค่แถวอุณหภูมิห้อง ใช้จุดสอบเทียบต่างจากงานที่ต้องครอบคลุมทั้งช่วงของกระบวนการให้ความร้อน
2. วางส่วนตรวจวัดให้ชิดกัน: ให้ส่วนตรวจวัดของ reference กับ UUT อยู่ใกล้กัน ถ้าปลายโพรบแตะผนังโลหะหรือก้นอ่าง จะอ่านอุณหภูมิที่ต่างจากของเหลว
3. เทียบตำแหน่งที่ชิ้นตรวจวัด ไม่ใช่ที่ปลาย: จัดโพรบตามตำแหน่งชิ้นตรวจวัดภายใน ไม่ใช่ตามปลายด้านนอก ให้แต่ละโพรบจุ่มลึกพอตามที่กำหนด (ไม่จำเป็นต้องลึกเท่ากัน) เพื่อให้ชิ้นตรวจวัดทั้งสองอยู่ในโซนอุณหภูมิเดียวกัน
4. ตรวจความลึกการจุ่ม: ถ้าเปลี่ยนความลึกแล้วค่าขยับ ให้สงสัยการนำความร้อนตามก้านโพรบ (stem effect) หรืออุณหภูมิที่ไม่เท่ากันในอ่าง ความลึกที่ต้องการต่างกันตามโพรบ อย่าฝืนใส่โพรบลงในปลอกป้องกันที่สั้นเกินไป
5. อ่านเป็นคู่: เมื่ออ่างนิ่งแล้ว อ่านค่า reference กับ UUT เป็นคู่ และทำซ้ำหลายครั้ง ถ้าอ่านตัวหนึ่งจนครบก่อนแล้วค่อยอ่านอีกตัว ดริฟต์ของอ่างจะเข้าไปปนในความต่าง
6. บันทึกให้ทำซ้ำได้: บันทึกค่าตั้ง ค่าที่อ่านได้ทั้งสองตัว หมายเลขประจำโพรบ (S/N) สภาวะการจุ่ม ชุดค่าสัมประสิทธิ์ที่ใช้ และช่วงเวลาการอ่าน จะได้เทียบกับผลสอบเทียบครั้งก่อนได้ง่าย

รูปที่ 5 แสดงการจัดวาง คือส่วนตรวจวัดอยู่ชิดกันในโซนอุณหภูมิเดียวกัน และห่างจากผนังและก้นอ่าง

รูปที่ 5: จัดวางในอ่างเพื่อเทียบที่อุณหภูมิเดียวกัน

ให้ส่วนตรวจวัดของ reference กับ UUT อยู่ชิดกัน และห่างจากผนังกับก้นอ่าง แต่ละโพรบต้องจุ่มลึกพอตามข้อกำหนด

ตอนเลือกหรือตรวจอ่าง Fluke แนะนำให้ดูปัจจัยต่อไปนี้

• ความเสถียรกับความสม่ำเสมอ: อ่างอาจนิ่งตามเวลาแต่ยังไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งอ่าง ให้ตรวจความต่างอุณหภูมิทั้งแนวตั้งและแนวนอนในโซนทดสอบ
• ความลึกของ reference: reference ที่ยาว เช่น SPRT ถ้าจุ่มลึกแค่เท่าโพรบทดสอบสั้น ๆ อาจเกิด stem effect
• ของเหลว: Fluke แนะนำความหนืดไม่เกิน 50 centistokes ที่อุณหภูมิควบคุม (ของเหลวจริงให้เลือกตามคู่มืออ่าง) ความเสถียรต่างกันตามชนิดของเหลวและอุณหภูมิ
• ขนาดถัง: ต้องมีที่พอสำหรับความลึกการจุ่ม มีของเหลวใต้เซนเซอร์ และมีระยะห่างระหว่างเซนเซอร์กับผนัง

สำหรับท่อในกระบวนการผลิต พิกัดความดันและความทนการกัดกร่อนเป็นอีกเรื่องหนึ่ง thermowell ช่วยกันเซนเซอร์จากของไหลในกระบวนการ แต่การเพิ่มปลอกป้องกันก็เปลี่ยนการตอบสนองของค่าที่อ่านได้ด้วย

เซนเซอร์แบบ dual element มีส่วนตรวจวัดสองชุด ส่วนวงจรจะแยกอิสระแค่ไหนต้องดูจากโครงสร้างจริง ให้มองเป็นการเลือกโครงสร้าง แยกจากหลักการวัดของควอตซ์

Quartz เทียบกับ SPRT, Pt100, เทอร์มิสเตอร์ และเทอร์โมคัปเปิล

ในโรงงานนิยมใช้เทอร์โมคัปเปิลกับเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทานแพลทินัม (RTD เช่น Pt100) เวลาเทียบกับ quartz thermometer ให้เขียนช่วงอุณหภูมิและเงื่อนไขการติดตั้งที่ต้องการก่อน อย่าเลือกจากชื่อที่ "ฟังดู" แม่นกว่า

ตารางด้านล่างเทียบแต่ละแบบว่าวัดอะไร และต้องดูอะไรตอนเลือก

หัวข้อ	Quartz thermometer	RTD แพลทินัม (Pt100)	เทอร์โมคัปเปิล
ปริมาณที่วัด	ความถี่เรโซแนนซ์	ความต้านทานไฟฟ้า	แรงเคลื่อนไฟฟ้าความร้อน
งานที่เหมาะ	ความต่างอุณหภูมิเล็ก ๆ และการตรวจความเสถียร	งานวัดอุณหภูมิในอุตสาหกรรมและงานละเอียด	ใช้กว้างในอุตสาหกรรม รวมถึงอุณหภูมิสูง
เรื่องที่ต้องระวังในวงจร	การสั่น การวัดความถี่ เส้นโค้งสอบเทียบ	กระแสวัด ความต้านทานสายไฟ ความร้อนจากกระแสวัด (self-heating)	การชดเชยรอยต่อเย็น สายชดเชย (compensating cable) ที่ตรงกับชนิด
สเปกที่ต้องอ่าน	โพรบกับเครื่องเป็นคู่	มาตรฐานของชิ้นตรวจวัดและสเปกเครื่องแสดงผล	ชนิด ขนาดสาย ปลอกป้องกัน เครื่องแสดงผล

ถ้าสเปกฝั่งญี่ปุ่นกับฝั่งเราอ้างมาตรฐานต่างกัน ข้อต่อไปนี้ช่วยได้

• SPRT (standard platinum resistance thermometer): ตามสเกลอุณหภูมิสากล ITS-90 SPRT เป็นเครื่องมือหาค่าระหว่างจุดอ้างอิงในช่วง 13.8033 K ถึง 961.78 °C (เป็นช่วงของสเกล ไม่ใช่ช่วงใช้งานของ SPRT ทุกตัว) ในการสอบเทียบแบบเปรียบเทียบมักใช้เป็น reference ตัวอย่างอ่างของ Fluke ก็ใช้ SPRT
• Pt100: เซนเซอร์แพลทินัมในอุตสาหกรรมแบ่งตามคลาสความคลาดเคลื่อนที่ยอมให้ตาม IEC 60751 (เช่น Class A คือ ±0.15 °C ที่จุด 0 °C ที่อุณหภูมิอื่นค่าจะกว้างขึ้น) JIS C 1604:2013 ของญี่ปุ่นระบุ IEC 60751:2008 เป็นมาตรฐานสากลที่สอดคล้อง จึงใกล้เคียงกัน แต่ไม่ควรสรุปว่าใช้แทนกันได้ทุกข้อ ควรยืนยันฉบับ คลาส และช่วงอุณหภูมิกับซัพพลายเออร์
• เทอร์มิสเตอร์: ใช้การเปลี่ยนความต้านทานเหมือน Pt100 แต่วัสดุและขนาดการเปลี่ยนตามอุณหภูมิต่างกัน งานเฝ้าดูชิ้นส่วนเล็ก ๆ ควรเทียบเทอร์มิสเตอร์กับ Pt100

เซนเซอร์แบบความต้านทานต้องจัดการความต้านทานของสายไฟ จึงมีการต่อ RTD แบบ 2 สายและ 3 สาย ซึ่งเป็นแหล่งความคลาดเคลื่อนคนละแบบกับการวัดความถี่ของควอตซ์

สำหรับการวัดออนไลน์ ต้องคิดด้วยว่าสัญญาณจะส่งไปที่ไหน ไม่ใช่แค่วัดให้ถูก ถ้าส่งเข้า DCS (distributed control system) เพื่อเฝ้าดูและควบคุม ให้ใส่รอบการอัปเดตและเอาต์พุตตอนเครื่องเสียไว้ในสเปกด้วย

ต้องดูอะไรในสเปกชีต

ให้อ่านช่วงอุณหภูมิ ความแม่นยำ และเวลาตอบสนองเป็นชุดเดียวกัน เครื่องมาตรฐานสำหรับอ่างที่ค่อย ๆ นิ่ง กับเซนเซอร์ที่ต้องจับการเปลี่ยนเร็วของของไหล ให้น้ำหนักกับคนละรายการ

• ช่วงอุณหภูมิ: ขึ้นกับการซีลโพรบ สายไฟ และวงจร ไม่ใช่แค่ผลึก อย่าคิดว่า quartz thermometer ทุกรุ่นมีขีดจำกัดบนตายตัว เช่น 200 °C ให้อ่านสเปกของชุดเซนเซอร์กับเครื่อง และแยกช่วงที่รับประกันความแม่นยำ ออกจากช่วงที่แค่ใช้งานได้
• เวลาตอบสนอง: การตอบสนองของโพรบเปลี่ยนตามการไหลรอบ ๆ และวิธีติดตั้ง ค่าที่วัดในของเหลวใช้กับอากาศหรือปลอกป้องกันหนา ๆ ไม่ได้
• ความลึกการจุ่ม: ตรวจความลึกต่ำสุดที่ผู้ผลิตกำหนดไว้สำหรับแต่ละโพรบ
• แรงกระแทกและการสั่น: เครื่องที่ใช้ผลึกสั่นไวต่อแรงกระแทกและความเค้นทางกล หลังทำตกหรือเปลี่ยนการติดตั้ง ให้ตรวจค่าที่จุดอ้างอิง
• สนามแม่เหล็กแรง: ใช้ได้หรือไม่ขึ้นกับทั้งระบบ (ผลึก ออสซิลเลเตอร์ ตัวนับ และสายเคเบิล) ให้เลือกจากสเปกหรือผลทดสอบที่ความแรงสนามและอุปกรณ์จริง
• สัญญาณเอาต์พุต: เอาต์พุตแบบความถี่ต่อเข้าอินพุตแอนะล็อกมาตรฐานตรง ๆ ไม่ได้ ต้องให้รูปแบบเอาต์พุตของตัวแปลงตรงกับเงื่อนไขอินพุต 4–20 mA ฝั่งรับ
• โพรบสำรอง: รูปร่างตรงกันยังไม่พอ ต้องจัดการความเข้ากันได้กับเครื่อง ข้อมูลสอบเทียบเฉพาะของแต่ละโพรบ และเงื่อนไขสายเคเบิลไปพร้อมกัน เพื่อไม่ให้ค่าแปลงสลับกันหลังเปลี่ยนโพรบ

ถ้าอุณหภูมิที่วัดยังเปลี่ยนอยู่ ความต่างของการตอบสนองระหว่าง reference กับ UUT จะเข้าไปอยู่ในความต่างของค่าด้วย อย่าเชื่อจังหวะที่อ่างเพิ่งถึงค่าตั้ง ให้ดูค่าทั้งสองตัว แล้วเทียบคู่ค่าจากช่วงที่นิ่งแล้ว

เวลาวัดชิ้นงานเล็ก การติดโพรบจะเปลี่ยนการไหลของความร้อน ให้คิดถึงความจุความร้อนของเซนเซอร์และการนำความร้อนตามแนวแกน ก่อนจะเพิ่มทศนิยม ให้ตรวจก่อนว่าตัวโพรบเองไม่ได้ทำให้อุณหภูมิที่อยากวัดเปลี่ยนไป

เมื่อค่าที่อ่านได้แกว่ง

ไล่หาสาเหตุตามลำดับ และเปลี่ยนเงื่อนไขทีละอย่าง

1. เก็บข้อมูลตามเวลา: เทียบอุณหภูมิอ่างกับค่าบนจอตามเวลา ถ้าแกว่งเป็นรอบสม่ำเสมอ ให้สงสัยการคุมฮีตเตอร์หรือการกวนของอ่าง
2. แยกการทดสอบ: ทดสอบเรื่องตำแหน่ง แยกจากการทดสอบที่เปลี่ยนการตั้งค่าการอ่านที่ตำแหน่งเดิม ถ้าเปลี่ยนหลายอย่างพร้อมกันแล้วค่านิ่ง จะไม่รู้ว่าอะไรช่วย และครั้งหน้าต้องตั้งอย่างไร
3. สลับตำแหน่ง: ถ้ามีโพรบสองตัว ให้สลับตำแหน่งในอ่าง ดูว่าความต่างตามตำแหน่งหรือตามโพรบ จะช่วยแยกเรื่องการกระจายอุณหภูมิออกจากความต่างระหว่างโพรบ
4. เฉลี่ยเฉพาะช่วงที่นิ่ง: ถ้าเอาค่าตอนอุณหภูมิกำลังขึ้นหรือลงมาเฉลี่ย ตัวเลขจะดูนิ่ง แต่จะไม่ชัดว่าเป็นอุณหภูมิไหน ณ เวลาใด
5. ติดตามผลระยะยาว: เทียบผลที่จุดอ้างอิงเดิมข้ามเดือน ถ้าทำตกหรือซ่อมแล้วค่าเลื่อน ให้ประเมินทันทีโดยไม่ต้องรอรอบสอบเทียบครั้งถัดไป และเก็บบันทึกที่ย้อนดูได้ว่าผลวัดไหนได้รับผลกระทบ

นำไปใช้ได้ทันที: เช็กลิสต์และคำถามถึงฝั่งญี่ปุ่น

ใช้เช็กลิสต์นี้เมื่อรับ quartz thermometer ข้อมูลวัด หรือใบรับรอง JCSS จากญี่ปุ่น

• ความละเอียดระบุแยกจากค่าความคลาดเคลื่อนและความไม่แน่นอนของการวัด
• มีค่าความไม่แน่นอนขยายและตัวประกอบครอบคลุม k (ใบตัวอย่างของ NITE ใช้ k = 2) ทุกจุดสอบเทียบ
• มีสัญลักษณ์ JCSS และเครื่องหมาย ilac-MRA ถ้าต้องการให้ยอมรับในต่างประเทศ
• ระบบคุณภาพของเรา (เช่น IATF 16949) หรือลูกค้ายอมรับใบรับรองนี้
• จุดสอบเทียบครอบคลุมช่วงที่เราใช้งาน
• หมายเลขโพรบในใบรับรองตรงกับโพรบที่อยู่ในมือ
• ชุดค่าสัมประสิทธิ์ในเครื่องตรงกับโพรบนั้น
• ผลสอบเทียบรายงานเป็นค่าแก้หรือค่าความคลาดเคลื่อน พร้อมนิยามเครื่องหมาย ไม่ใช่แค่ "ปรับแล้ว"
• ความลึกการจุ่มและชนิดอ่างที่ใช้ตอนสอบเทียบ
• ช่วงที่รับประกันความแม่นยำ กับช่วงที่ใช้งานได้
• เวลาตอบสนอง และเงื่อนไขที่ใช้วัด
• รอบสอบเทียบซ้ำที่ตกลงกันภายใน (ใบรับรองไม่ได้กำหนดให้)

ถ้าข้อไหนขาด อีเมลสั้น ๆ มักช่วยได้ ด้านล่างเป็นตัวอย่างอีเมลภาษาอังกฤษสำหรับผู้รับผิดชอบฝั่งญี่ปุ่น แก้ส่วนในวงเล็บเหลี่ยมก่อนส่ง

ข้อจำกัดของบทความนี้

• ช่วงอุณหภูมิ เวลาตอบสนอง การใช้ในสนามแม่เหล็ก และความแม่นยำ ขึ้นกับรุ่น ไม่มีข้อไหนในบทความนี้เป็นสเปกร่วมของ quartz thermometer ทุกรุ่น
• ตัวเลขของ HP มาจากปี 1965 ใช้แสดงช่องว่างระหว่างความละเอียดกับความแม่นยำ เครื่องปัจจุบันจะต่างออกไป
• ขั้นตอนในอ่างเป็นหลักการ ไม่ใช่วิธีที่ผ่านการ validate แล้ว ให้ทำตามขั้นตอน ISO/IEC 17025 ของห้องปฏิบัติการ และคู่มืออ่างกับโพรบ
• ใบรับรอง JCSS จะใช้ได้ในระบบคุณภาพของเราหรือของลูกค้าหรือไม่ ขึ้นกับข้อกำหนดของเขา ให้ยืนยันกับผู้เกี่ยวข้อง
• ความละเอียดของเทอร์โมมิเตอร์อย่างเดียวไม่ได้กำหนดว่าคุมอุณหภูมิได้ละเอียดแค่ไหน ขนาดและตำแหน่งฮีตเตอร์ ความหน่วงทางความร้อน และขั้นของเอาต์พุตควบคุมก็มีผล ต้องออกแบบการวัดกับการควบคุมเป็นระบบเดียวกัน

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

Quartz thermometer วัดได้แม่นยำถึง 0.0001 °C ไหม

ดูจากตัวเลขนั้นอย่างเดียวไม่ได้ 0.0001 °C เป็นตัวอย่างของความละเอียด คือขนาดขั้นของจอ ไม่ได้รับประกันว่าคลาดเคลื่อนแค่ 0.0001 °C ความแม่นยำต้องประเมินแยก รวมทั้งค่าแก้จากการสอบเทียบ ตัวโพรบ และการกระจายอุณหภูมิรอบ ๆ จึงไม่ใช่ตัวเลขเดียวกัน

ใช้นาฬิกาควอตซ์ธรรมดาเป็นเทอร์โมมิเตอร์ได้ไหม

อ่านสัญญาณนาฬิกาอย่างเดียวไม่พอ ผลึกนาฬิกาออกแบบให้ความถี่นิ่งเพื่อเป็นฐานเวลา ถ้าไม่มีความไวต่ออุณหภูมิและข้อมูลสอบเทียบของชิ้นตรวจวัด การอ่านสัญญาณนาฬิกาก็ไม่ได้การวัดอุณหภูมิที่ละเอียด

ใช้ quartz thermometer เกิน 200 °C ได้ไหม

ขึ้นกับรุ่นและโพรบ ไม่มีขีดจำกัดบนที่ใช้ร่วมกันทุกรุ่น ถ้าใช้ที่อุณหภูมิสูง ให้แยกช่วงที่ใช้งานได้ ออกจากช่วงที่รับประกันความแม่นยำ และตรวจความทนความร้อนของปลอกและสายไฟ

เทอร์โมมิเตอร์ที่มีคำว่า "ควอตซ์" วัดความถี่ทุกตัวไหม

ไม่ใช่ เทอร์โมมิเตอร์ที่มีปลอกป้องกันทำจากแก้วควอตซ์ (fused quartz) ไม่เหมือนกับตัวที่วัดด้วยผลึกควอตซ์สั่น ให้ดูสเปกว่าชิ้นตรวจวัดเป็นความต้านทานแพลทินัมหรือผลึกควอตซ์ อย่าดูแค่ชื่อสินค้า

ใบรับรองการสอบเทียบ JCSS มีวันหมดอายุไหม

ไม่มี NITE ระบุว่าใบรับรอง JCSS ไม่มีระยะเวลาใช้ได้ ผู้ใช้เป็นคนตัดสินใจว่าจะสอบเทียบซ้ำเมื่อไร ตามความถี่และสภาพแวดล้อมการใช้งาน

แหล่งอ้างอิง

• Quartz thermometer ในฐานะเครื่องมือมาตรฐานสอบเทียบ: Yokogawa Test & Measurement, การวัดแรงดันและอุณหภูมิ (ภาษาญี่ปุ่น)
• ผลึกควอตซ์ในนาฬิกา: Epson, หลักการและการใช้งานอุปกรณ์ผลึก (ภาษาญี่ปุ่น)
• ตัวอย่างความไว (ประมาณ 1 kHz/K): Japan Society of Thermophysical Properties, พื้นฐานการวัดอุณหภูมิ (1989, ภาษาญี่ปุ่น)
• มุมตัด LC, ความไว 1,000 Hz/°C และสเปก: Hewlett-Packard Journal, March 1965, "The Linear Quartz Thermometer"
• OCXO: Nihon Dempa Kogyo (NDK), คุณสมบัติของ OCXO (ภาษาญี่ปุ่น)
• ระยะเวลาใช้ได้ของใบ JCSS เกณฑ์การรับรอง และเครื่องหมาย ilac-MRA: NITE, JCSS FAQ (ภาษาญี่ปุ่น)
• ใบรับรอง JCSS ตัวอย่าง (ISO/IEC 17025, ILAC/APAC MRA, k = 2): NITE IAJapan, sample JCSS calibration certificate
• การเลือกอ่างสอบเทียบ: Fluke, "Buying the Right Temperature Calibration Bath for Your Laboratory"
• ช่วงของเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทานแพลทินัมใน ITS-90: NIST Technical Note 1265, "Guidelines for Realizing the ITS-90"
• คลาสความคลาดเคลื่อนตาม IEC 60751: JUMO, "Pt100 accuracy class"
• JIS C 1604:2013 กับ IEC 60751:2008: Japanese Standards Association, JIS C 1604:2013 preview (ภาษาญี่ปุ่น)
• ผู้ลงนาม ILAC MRA (รวมหน่วยรับรองของไทย): ILAC, Signatory Search
• สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ: National Institute of Metrology (Thailand), NIMT