หลักการวัดและการตรวจสอบเครื่องมือวัดอุณหภูมิโดยใช้ ice point จิรานุช แจ่มทวีกุล 2558 ที่มา หลักการวัดและการตรวจสอบเครื่องมือวัดอุณหภูมิโดยใช้ ice point โดยสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ

ที่มา คณะทำงานด้านการบำรุงรักษาและสอบเทียบเครื่องมือวิทยาศาสตร์ (SEMAC) จัดฝึกอบรมเชิงปฏิบัติการ เรื่อง การตรวจสอบเครื่องมือวัดอุณหภูมิโดยใช้ Ice point เพื่อลดค่าใช้จ่ายจากการส่งสอบเทียบเครื่องมือ

หัวข้อ ความรู้พื้นฐาน หลักการวัด การเตรียมทำ Ice point การตรวจสอบเครื่องมือวัดอุณหภูมิโดยใช้ Ice point

กระบวนการที่ทำให้ได้มาซึ่งค่าปริมาณหนึ่ง หน่วยวัด Measurement (การวัด) กระบวนการที่ทำให้ได้มาซึ่งค่าปริมาณหนึ่ง หน่วยวัด ค.ศ. 1954 “เคลวิน” (Kelvin) เป็นหน่วยวัดอุณหภูมิของระบบ หน่วยวัดระหว่างประเทศ (International System of Units, SI Unit) ลอร์ดเคลวิน คิดสเกลอุณหภูมิขึ้นมา โดยหาความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและความเร็วของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่วิ่งรอบๆ นิวเคลียส โดยพบว่าถ้าให้ความร้อนกับสสารมากขึ้นอิเล็กตรอนจะมีพลังงานมากขึ้นทำให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่สูงขึ้น ถ้าลดอุณหภูมิลงจนถึงจุดที่อิเล็กตรอนหยุดการเคลื่อนที่ ณ จุดนั้น จะไม่มีอุณหภูมิหรือพลังงานในสสารเลย และไม่มีการแผ่รังสีความร้อนจากวัตถุ เรียกอุณหภูมิจุดนั้นว่า Zero Kelvin (0 K)

การวัดอุณหภูมิ เครื่องมือวัดอุณหภูมิ : เทอร์โมมิเตอร์ เทอร์โมมิเตอร์แบบสัมผัส (Contact Thermometers) ใช้หัววัด : liquid-in-glass thermometers, bimetallic strips Thermoresistive, Thermistor, Thermocouples เทอร์โมมิเตอร์แบบไม่สัมผัส (Non-contact Thermometers) Radiative : Radiation Thermometer ทีนี้เรามาพูดในเรื่องการวัด (measurement) กระบวนการที่ทำให้ได้ค่าปริมาณหนึ่งออกมา และส่วนของอุณหภูมิ เราก็อาศัยเครื่องมือในการวัดอุณหภูมิ นั่นคือ Thermometer ซึ่ง thermometer แบ่งได้หลายแบบ

ลักษณะหัววัดอุณหภูมิ แบบไม่ใช้ไฟฟ้า : Methanical (Liquid-in-Glass Thermometer, bimetal) แบบใช้ไฟฟ้า : Thermoresistive (Platinum Resistance Thermometer, thermistors) Thermojunctive (thermocouples) Radiative (infrared and optical pyrometers) อาศัยการขยายตัวของของเหลวภายในแท่งแก้ว เมื่อมีการเพิ่มอุณหภูมิ ของเหลวที่ใช้ ก็คือ alc, Hg

Liquid-in-Glass Thermometer ประเภทการจุ่ม แบ่งเป็น 3 ประเภท Total immersion Partial immersion Complete immersion

การสอบเทียบ นิยาม : การสอบเทียบ คือ การปฏิบัติงานที่อยู่ภายใต้เงื่อนไขต่างๆ ที่ถูกระบุไว้โดยที่ในขั้นแรกสร้างความสัมพันธ์อันหนึ่งระหว่างค่าปริมาณต่างๆ กับความไม่แน่นอนการวัดต่างๆ ที่ได้จากมาตรฐานการวัดและ สิ่งบ่งชี้ต่างๆที่สมนัยซึ่งมาพร้อมกับความไม่แน่นอนการวัด ที่เชื่อมสัมพันธ์และในขั้นที่สองใช้ข้อมูลนี้ในการสร้างความสัมพันธ์อันหนึ่งเพื่อให้ได้ผลการวัดอันหนึ่งจากสิ่งบ่งชี้สิ่งหนึ่ง (สถาบันมาตรวิทยา) แต่การใช้เทอร์โมมิเตอร์ วัดค่าอุณหภูมิ เราก็ต้องการให้มีความถูกต้อง ดังนั้น เราก็ต้องมีการสอบเทียบเครื่องมือวัดอุณหภูมิ ที่นี้เรามาดูนิยามของคำว่า สอบเทียบกันที่สถาบันมาตรวิทยา แปลมาจาก International vocabulary of metrology (VIM)

สรุปจากความหมายของการสอบเทียบ การสอบเทียบ ต้องอยู่ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดไว้ การสอบเทียบ เพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่างค่าที่ชี้บอกโดยเครื่องมือวัด(UCC) กับค่าที่วัดได้จากเครื่องมือมาตรฐาน (STD) ความสัมพันธ์ของผลการวัดจะแสดงในรูปของค่า Error หรือ Correction Error = UCC-STD Correction = STD-UCC การนำไปใช้งานของ Error คือนำค่า Error มาลบค่าที่อ่านได้ การนำไปใช้งานของ Correction คือนำค่า Correction มาบวกค่าที่อ่านได้

การตรวจสอบระหว่างการใช้งานของ Liquid-in-Glass Thermometer ดำเนินการได้ 2 วิธี 1. ทำการตรวจสอบเครื่องมือเทียบกับเครื่องมือมาตรฐานในอ่างควบคุมอุณหภูมิ 2. ทำการตรวจสอบเครื่องมือเทียบกับ Ice point และนี่ก็คือ ความหมายของการสอบเทียบและการนำไปใช้ แต่พูดถึงการตรวจสอบระหว่างการใช้งานของเครื่องมือวัดอุณหภูมิประเภท LIG thermometer ที่เรามีใช้กันมากในห้องปฏิบัติการ ดำเนินการได้ 2 วิธี

Ice point จุดเยือกแข็งของน้ำ และเป็นจุดที่น้ำแข็งจะละลายที่ 0 ºC ที่ 1atm ซึ่งสามารถเตรียมการได้ไม่ยุ่งยาก ซับซ้อน ความสำคัญของ Ice point การทวนสอบ (Verification) Liquid-in-Glass Thermometer หรือ Platinum Resistance Thermometer อุณหภูมิอ้างอิง (Reference Temperature) ของเครื่องมือวัดอุณหภูมิประเภท Thermocouple อีกด้วย พอพูดถึง ice point , ice point คืออะไร มันก็คือจุดเยือกแข็งของน้ำ เป็นจุดกำเนิดอุณหภูมิซึ่งสามารถเตรียมการได้ไม่ยุ่งยาก ซับซ้อน หากแต่มีความสำคัญในการใช้เป็นจุดสำหรับการทวนสอบ (Verification) เบื้องต้น ของเครื่องมือวัดอุณหภูมิ ไม่ว่าจะเป็น Liquid – in – glass Thermometer หรือ Platinum Resistance Thermometer นอกจากนี้จุดเยือกแข็งของน้ำยังใช้เป็นอุณหภูมิอ้างอิง (Reference Temperature) ของเครื่องมือวัดอุณหภูมิประเภท Thermocouple อีกด้วย

Ice point Check หลักการ Ice point check เป็นวิธีการตรวจสอบความถูกต้องของค่าการวัดอุณหภูมิของเทอร์โมมิเตอร์ที่รวดเร็วและสะดวก ณ จุด 0 ºC ที่คลาดเคลื่อนได้ ±0.01 ºC

อุปกรณ์สำหรับการเตรียม Ice Point ภาชนะบรรจุ (Container) น้ำบริสุทธิ์ (Pure water) น้ำแข็งใส (Shaved Ice) ท่อยางสำหรับทำกาลักน้ำ (Siphon tube) แท่งเหล็กสำหรับเจาะช่องให้เทอร์โมมิเตอร์ และเราจะเตรียม ice point ได้อย่างไร และนี่คืออุปกรณ์……

คุณสมบัติของ ภาชนะบรรจุ ฉนวนกันความร้อนที่ดี ภายในผนังของภาชนะบรรจุ ควรเป็นสุญญากาศ เช่น dewar flask, plastic flask มีขนาดเหมาะสมกับเครื่องมือที่ใช้ ควรใช้ภาชนะที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางอย่างน้อย 7 ซม. และมีความลึกอย่างน้อย 30 ซม.

(de-mineralized Water) เป็นต้น คุณสมบัติของน้ำ เป็นน้ำที่สะอาดและบริสุทธิ์ (Pure Water) เช่น น้ำกลั่น (distilled Water) หรือน้ำที่ไม่มีอิออน (de-ionized Water) หรือ น้ำที่ไม่มีแร่ (de-mineralized Water) เป็นต้น น้ำแร่จะมีแร่ธาตุบางตัวทำให้อุณหภูมิน้ำต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส

คุณสมบัติของน้ำแข็งเกล็ด ซึ่งเป็นน้ำที่สะอาดและบริสุทธิ์ (Pure Water) ขนาดของน้ำแข็งที่ดีควรมีขนาดประมาณ 2-3 มม. ไม่ว่าจะเป็นน้ำแข็งไส ( Shaved ice ) น้ำแข็งบด ( crushed ice ) หรือน้ำแข็งเกล็ด ( flake ice ) น้ำแข็งที่ดีควรมีลักษณะใส ไม่มีสีขาวขุ่น ควรเก็บน้ำแข็งไว้ประมาณ 1 วัน ก่อนนำไปใช้งาน เพื่อลดความเครียด ภายในเกล็ดน้ำแข็ง น้ำแข็งที่เครียดจะเป็นสีขาวขุ่น และจะทำให้อุณหภูมิต่ำกว่าปกติได้

ขั้นตอนการทำ Ice point ทำความสะอาดอุปกรณ์ทุกชิ้น รวมถึงมือของผู้เตรียมด้วยน้ำบริสุทธิ์ เติมน้ำบริสุทธ์ลงในภาชนะบรรจุประมาณ 1ใน 3 ส่วน ใส่ท่อยาง siphon ลงไปโดยให้ปลายท่อยางอยู่ที่ระดับความลึกประมาณ 1ใน 3 ส่วน เติมน้ำแข็งใสที่เตรียมไว้ อัดลงไปจนเต็มภาชนะบรรจุ ปล่อยทิ้งไว้ประมาณ 15-30 นาที เพื่อให้อุณหภูมิคงที่ เพื่อป้องกันไม่ให้เทอร์โมมิเตอร์เสียหาย ให้ใช้แท่งอะลูมิเนียมหรือสแตนเลสที่เตรียมไว้ เจาะเป็นช่องสำหรับเสียบเทอร์โมมิเตอร์ และกดน้ำแข็งที่อยู่รอบๆ เทอร์โมมิเตอร์ให้แน่น ในขณะใช้งาน อาจต้องเติมน้ำแข็งลงไปเป็นระยะๆ เพื่อรักษาระดับของน้ำแข็ง และอุณหภูมิให้คงที่ตลอดการใช้งาน

การตรวจสอบระหว่างการใช้งาน (Intermediate check) ติดตั้ง Reference thermometer ใน Ice point เพื่อดูค่าอุณหภูมิว่าอยู่ในเกณฑ์ 0ºC ที่คลาดเคลื่อนได้ ±0.01 ºC และทิ้งไว้ให้อุณหภูมิคงที่ ใช้เวลาประมาณ 15-30 นาที ติดตั้ง Thermometer ที่ต้องการตรวจสอบในบริเวณใกล้กับ Reference thermometer และจุ่ม Total immersion thermometer ให้ขีดบอกสเกลอุณหภูมิที่ต้องการวัดอยู่เหนือระดับของผิวน้ำแข็งไม่เกิน 1-2 ขีดบอกสเกล แต่ถ้าเป็น partial immersion จุ่มระดับความลึกที่กำหนด อ่านค่าอุณหภูมิของ Reference thermometer และ Thermometer ที่ต้องการตรวจสอบ และบันทึก ทำซ้ำ 5 ครั้ง ห่างกันประมาณ 10 วินาที หาค่าเฉลี่ย และหาค่า Error ของเทอร์โมมิเตอร์ที่ตรวจสอบ Error < เกณฑ์ยอมรับ ใช้งานได้ Error > เกณฑ์ยอมรับ หยุดใช้งาน เมื่อเราฝึกการทำ ice point ชำนาญแล้ว เราสามารถนำมาใช้ตรวจสอบเทอร์โมมิเตอร์ระหว่างใช้งานได้ โดยมีวิธีดังนี้

เอกสารอ้างอิง Guideline for Calibration and Check of Thermometer Controlled Enclosures, TLAS-G20 Measurement management system requirement for measurement process and measuring equipment, ISO 10012-2003 Requirement for the Calibration of Measuring and Test Equipment, ANSI/NCSL Z540.3 มาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม มอก. 17025-2548 Guideline for the determination of calibration intervals of measuring instruments, ILAC-G24 Edition 2007(E)