เครื่องวัดอุณหภูมิ (Thermometer) คือเครื่องมือที่พบได้ทั่วไปในชีวิตประจำวันของเรา ซึ่งใช้ในการวัดอุณหภูมิในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย ตั้งแต่การดูแลสุขภาพ การปรุงอาหาร ไปจนถึงการพยากรณ์อากาศ
แม้จะมีอยู่ทั่วไปแต่วิทยาศาสตร์เบื้องหลังเทอร์โมมิเตอร์และประเภทต่างๆ ที่มีอยู่ก็เป็นหัวข้อที่น่าสนใจที่ควรค่าแก่การสำรวจ ในบล็อกโพสต์นี้ เราจะเจาะลึกว่าเครื่องวัดอุณหภูมิคืออะไร มีหลักทำงานอย่างไร ประเภทต่างๆ และการใช้งาน
อุณหภูมิและเครื่องวัดอุณหภูมิคืออะไร
ตามคำนิยามอุณหภูมิ (Temperature) คือระดับความร้อนหรือความเย็นที่วัดได้ เป็นตัวแทนทางคณิตศาสตร์ของความร้อน มีหน่วยวัดอุณหภูมิที่แตกต่างกัน เช่น เซลเซียส (°C) เคลวิน (K) และฟาเรนไฮต์ (°F)
เครื่องวัดอุณหภูมิหรือเทอร์โมมิเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดอุณหภูมิหรือการไล่ระดับอุณหภูมิโดยใช้หลักการและวัสดุต่างๆ คำว่า “เทอร์โมมิเตอร์” มาจากคำภาษากรีกว่า “thermos” (ความร้อน) และ “metron” (หน่วยวัด) ซึ่งรวมกันแปลว่า “การวัดความร้อน”
หน่วยของอุณหภูมิ
หน่วยของอุณหภูมิในระบบ SI (International Standard) ตามระบบหน่วยสากลคือเคลวิน (Kenvin) ซึ่งแสดงด้วยสัญลักษณ์ K มาตราส่วนเคลวินเป็นที่ยอมรับหรือใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์
อย่างไรก็ตามในพื้นที่ส่วนใหญ่ของโลก มีการใช้สเกลองศาเซลเซียสหรือฟาเรนไฮต์ในการวัดอุณหภูมิ ไม่ว่าในกรณีใด นี่คือความสัมพันธ์ระหว่างเซลเซียสฟาเรนไฮต์และเคลวิน
การแปลงอุณหภูมิ
เซลเซียส ฟาเรนไฮต์ และเคลวินเป็นสามระดับอุณหภูมิทั่วไป เกล็ดแต่ละอันมีประโยชน์ของมัน ดังนั้นจึงมีแนวโน้มว่าคุณจะต้องเผชิญหน้ากับพวกมันและจำเป็นต้องเปลี่ยนระหว่างพวกมัน ในตารางด้านล่าง เราได้แสดงรายการสูตรการแปลงแล้ว
ตารางการแปลงอุณหภูมิ
| สรุปตารางแปลงหน่วยอุณหภูมิ | ||
|---|---|---|
| หน่วย | จากเซลเซียส | ไปเป็นเซลเซียส |
| Kelvin | [K] = [°C] + 273.15 | [°C] = [K] − 273.15 |
| Fahrenheit | [°F] = [°C] × 9 ⁄ 5 + 32 | [°C] = ([°F] − 32) × 5 ⁄ 9 |
| Rankine | [°R] = ([°C] + 273.15) × 9 ⁄5 | [°C] = ([°R] − 491.67) × 5 ⁄ 9 |
| Newton | [°N] = [°C] × 33 ⁄ 100 | [°C] = [°N] × 100 ⁄ 33 |
| Rømer | [°Rø] = [°C] × 21⁄40 + 7.5 | [°C] = ([°Rø] − 7.5) × 40 ⁄ 21 |
| Réaumur | [°Ré] = [°C] × 4 ⁄ 5 | [°C] = [°Ré] × 5 ⁄ 4 |
| Delisle | [°De] = (100 − [°C]) × 3 ⁄ 2 | [°C] = 100 − [°De] × 2 ⁄ 3 |
หลักการทำงานของเครื่องวัดอุณหภูมิ
เทอร์โมมิเตอร์ทำงานตามคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิที่คาดการณ์ได้ หลักการที่พบบ่อยที่สุด ได้แก่:
1. การขยายตัวทางความร้อน: วัสดุหลายชนิดจะขยายตัวเมื่อถูกความร้อนและหดตัวเมื่อเย็นลง หลักการนี้ใช้ในเทอร์โมมิเตอร์ชนิดของเหลวในแก้ว โดยที่ของเหลว (โดยปกติจะเป็นปรอทหรือแอลกอฮอล์) จะขยายตัวและเพิ่มขึ้นในหลอดแก้วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น
2. ความต้านทานไฟฟ้า: ความต้านทานของวัสดุบางชนิดเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ เทอร์โมมิเตอร์วัดความต้านทาน (RTD) และเซ็นเซอร์เทอร์มิสเตอร์ใช้หลักการนี้โดยการวัดการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานไฟฟ้าเพื่อกำหนดอุณหภูมิ
3. หลักการเทอร์โมอิเล็กทริก: เมื่อโลหะสองชนิดมารวมกัน จะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ เทอร์โมคัปเปิลใช้เอฟเฟกต์นี้ในการวัดอุณหภูมิ
4. รังสีอินฟราเรด: เครื่องวัดอุณหภูมิแบบอินฟราเรดและกล้องถ่ายภาพความร้อนจะวัดรังสีอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาจากวัตถุเพื่อระบุอุณหภูมิ
ชนิดของเครื่องวัดอุณหภูมิ
เครื่องวัดอุณหภูมิมีหลายประเภท แต่ละประเภทเหมาะสำหรับการใช้งานเฉพาะตามหลักการวัดอุณหภูมิที่แตกต่างกัน โดยแบ่งเป็นประเภทหลักๆ มีดังนี้:
เครื่องวัดอุณหภูมิแบบโพรบ (Probe Thermometer)
แบบโพรบเป็นเทอร์โมมิเตอร์ชนิดหนึ่งที่พบได้บ่อยที่สุด สามารถอ่านค่าอุณหภูมิของอาหาร ของเหลว และตัวอย่างกึ่งของแข็งได้ทันที โพรบจะมีปลายแหลมทำให้เหมาะสำหรับการเจาะและการจุ่ม เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในธุรกิจจัดเลี้ยงเพื่อการทดสอบสุขอนามัย ร้านค้าปลีก และห้องปฏิบัติการ.
เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรด
เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดเป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดอุณหภูมิจากระยะไกลโดยการตรวจจับรังสีอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาจากวัตถุ เทอร์โมมิเตอร์ประเภทนี้ช่วยให้สามารถวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัสได้ ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งในการวัดอุณหภูมิของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ วัสดุอันตราย หรือสถานที่ที่เข้าถึงยาก
ทำงานตามหลักการของการแผ่รังสีวัตถุดำ (Infrared Radiation) วัตถุทุกชิ้นปล่อยรังสีอินฟราเรดตามอุณหภูมิ เครื่องวัดนี้จะจับรังสีนี้ แปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า จากนั้นแสดงค่าอุณหภูมิที่อ่านได้
เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple)
เซ็นเซอร์เทอร์โมคัปเปิลสำหรับวัดอุณหภูมิ เป็นหนึ่งในเทอร์โมมิเตอร์ชนิดพิเศษอุณหภูมิที่สูงมากและพบได้บ่อยที่สุดในห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรม เซ็นเซอร์นี้ประกอบด้วยลวดโลหะที่แตกต่างกันสองเส้น เชื่อมต่อกันที่ปลายด้านหนึ่ง
ใช้งานได้หลากหลายเนื่องจากความคุ้มค่า ความทนทาน และความสามารถ ใช้ในการใช้งานต่างๆ เช่น เครื่องใช้ในบ้าน การแปรรูปอาหาร เครื่องยนต์เครื่องบิน การตรวจสอบเตาเผา เซ็นเซอร์ยานยนต์ และอื่นๆ อีกมากมาย
เครื่องบันทึกข้อมูลอุณหภูมิ (Data Logger)
Data Logger ช่วยให้สามารถบันทึกการวัดอุณหภูมิได้อย่างต่อเนื่อง เมื่อเปิดใช้งานแล้ว อุณหภูมิจะถูกบันทึกตามช่วงเวลาที่กำหนดและบันทึกลงในหน่วยความจำ ประเภทของข้อมูลที่ต้องการบันทึกได้แก่ ความดัน อุณหภูมิ ความชื้น แรงดันไฟฟ้า แรงบิด และโหลดต่อแรง
บางรุ่นสามารถแสดงข้อมูลแบบเรียลไทม์ และเชื่อมต่อเข้ากันได้กับคอมพิวเตอร์พีซี แล็ปท็อป หรือแท็บเล็ต การออกแบบช่วยให้สามารถติดตามระดับความร้อนในพื้นที่วิกฤติซึ่งต้องมีอุณหภูมิคงที่ ได้ทั่วไปได้แก่ ห้องเก็บของ ยานพาหนะ และห้องปฏิบัติการ เหมาะอย่างยิ่งหากต้องการส่งข้อมูลการบันทึกเป็นประจำให้กับฝ่ายบริหาร หรือเพื่อนร่วมงาน
ฉลากอุณหภูมิ (Temperature label)
ฉลากอุณหภูมิ (Temperature label) คือฉลากพลาสติกที่ใช้ในการวัดอุณหภูมิพื้นผิว อุปกรร์นี้จะเปลี่ยนสีหรือมีระดับความเข้มขึ้นเพื่อระบุอุณหภูมิ ฉลากอุณหภูมิจะนิยมใช้สำหรับผลิตภัณฑ์ต่างๆ ดังต่อไปนี้่
- ยาและวัคซีน: บางชนิดมีข้อกำหนดด้านอุณหภูมิที่เข้มงวด ตัวอย่างเช่นวัคซีน mRNA ต้องการการเก็บรักษาในห้องเย็นที่อุณหภูมิต่ำถึง -80° C การใช้อุณหภูมิห้องเย็นที่ระบุฉลากไว้ที่ภาชนะในการขนส่งจะแสดงอย่างชัดเจนว่ารักษาช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมไว้หรือไม่
- สินค้าอุปโภคบริโภค: สำหรับอาหารแช่แข็งหรืออาหารที่ต้องแช่เย็น ป้ายอุณหภูมิช่วยให้คุณดูว่าสินค้าถึงจุดเยือกแข็ง อุณหภูมิละลายแล้ว หรือสัมผัสกับอุณหภูมิที่ร้อนเกินไปในระหว่างขั้นตอนการจัดส่งหรือไม่
- อุปกรณ์ด้านอุตสาหกรรมและยานยนต์: รถยนต์มีการติดตั้งมาตรวัดอุณหภูมิที่คอยตรวจสอบอุณหภูมิของมอเตอร์ หากเข็มชี้ไปที่ H แสดงว่าถึงเวลาดำเนินการ เพื่อช่วยให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ทำงานในช่วงที่เหมาะสม ลดการหยุดทำงาน และยืดอายุการใช้งานให้สูงสุด
เทอร์โมมิเตอร์แบบ Bimetal
เป็นเทอร์โมมิเตอร์ตามหลักการทำงานโดยโลหะจะขยายตัวแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ คู่ประกอบด้วยแถบโลหะสองแถบที่แตกต่างกันซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน
แถบทั้งสองถูกเชื่อมต่อเข้าด้วยกันอย่างแยกจากกันไม่ได้และทำให้เกิดแถบโลหะคู่ เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง โลหะชนิดต่างๆ จะขยายตัวเป็นองศาที่แตกต่างกัน ซึ่งนำไปสู่การเสียรูปทางกลของแถบโลหะคู่
การเสียรูปทางกลนี้สามารถตรวจพบได้ในการเคลื่อนที่แบบหมุน ระบบการวัดทำงานในรูปแบบของท่อเกลียวหรือเกลียว การเคลื่อนไหวนี้จะถูกส่งไปยังพอยน์เตอร์ของเทอร์โมมิเตอร์ผ่านทางเพลาพอยน์เตอร์ ซึ่งทำให้สามารถวัดอุณหภูมิได้
กล้องถ่ายภาพความร้อน (Thermal Imaging)
กล้องถ่ายภาพความร้อนจับภาพและสร้างภาพของวัตถุโดยใช้รังสีอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาจากวัตถุในกระบวนการที่เรียกว่าการถ่ายภาพความร้อน รูปภาพที่สร้างขึ้นแสดงถึงอุณหภูมิของวัตถุ
เป็นอุปกรณ์วัดอุณหภูมิเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจจับปัญหาที่ซ่อนอยู่ กล้องถ่ายภาพความร้อนมีประโยชน์หลากหลาย เช่น การสำรวจอาคารเพื่อค้นหาความชื้นและรอยรั่ว นอกจากนี้ยังสามารถระบุการสูญเสียพลังงาน ฉนวนที่ไม่ดี และไฟฟ้าขัดข้องได้
บทสรุป
เทอร์โมมิเตอร์แต่ละประเภทได้รับการออกแบบสำหรับสภาวะและการใช้งานเฉพาะ ตั้งแต่การวัดทางวิทยาศาสตร์ที่แม่นยำไปจนถึงการใช้งานในชีวิตประจำวัน การทำความเข้าใจประเภทต่างๆ สามารถช่วยให้คุณเลือกเทอร์โมมิเตอร์ที่เหมาะกับความต้องการของคุณได้ ทำให้มั่นใจได้ว่าการอ่านอุณหภูมิจะแม่นยำและเชื่อถือได้ในการตั้งค่าต่างๆ