หลักการทำงานและกลไกเทคนิคของเซ็นเซอร์ในห้องทดสอบแบบช็อกความร้อน-เย็น ——พร้อมถกประเด็นผลกระทบเชิงตัดสินใจต่อความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของการทดสอบ

บทนำ
ในแขนงการทดสอบความน่าเชื่อถือด้านสิ่งแวดล้อม ห้องทดสอบแบบช็อกความร้อน-เย็น (Thermal Shock Test Chamber) ถูกใช้อย่างแพร่หลายเพื่อประเมินความสามารถในการปรับตัวและการเสื่อมของอายุงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ วัสดุ และผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิรุนแรงในเวลาอันสั้น ความสามารถของห้องทดสอบในการสร้างโปรไฟล์อุณหภูมิตามมาตรฐานให้ตรงความเป็นจริง ไม่ได้ขึ้นอยู่กับส่วนเกินการออกแบบของระบบทำความเย็น/ความร้อนเพียงอย่างเดียว แต่ยังรวมถึงโครงสร้างตู้ การจัดวางท่อลม และแนวทางฉนวนด้วย อย่างไรก็ตาม ลิงก์ฮาร์ดแวร์ทั้งหมดเหล่านี้จำเป็นต้องถูกควบคุมผ่านวงจรปิด “เซ็นเซอร์–ตัวควบคุม–ตัวกระทำ” ในฐานะองค์ประกอบแรกของห่วงโซ่ข้อมูล ประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์เป็นตัวกำหนดโดยตรงต่อค่าคลาดเคลื่อน แอมพลิจูดการล่วงเกิน เวลาฟื้นตัว และเสถียรภาพระยะยาวของอุปกรณ์ เอกสารฉบับนี้เขียนในรูปแบบเทคนิคอย่างเป็นทางการ เพื่ออธิบายหลักการทำงาน เกณฑ์การเลือก ข้อควรระวังในการติดตั้ง และกลยุทธ์ควบคุมค่าคลาดเคลื่อนของเซ็นเซอร์ที่ใช้กันทั่วไป (เทอร์โมคัปเปิล เทอร์โมมิเตอร์ต้านทานแพลตินั่ม ไพโรมิเตอร์รังสีอินฟราเรด เซ็นเซอร์บัสดิจิทัล ฯลฯ) พร้อมเสนอข้อเสนอแนะเชิงวิศวกรรมเพื่อยกระดับความแม่นยำของการทดสอบ สำหรับนักพัฒนาอุปกรณ์ นักสอบเทียบ และวิศวกรการทดสอบ

ตำแหน่งหน้าที่ของเซ็นเซอร์ในห้องทดสอบ
หน่วยเก็บข้อมูลดั้งเดิมของค่าอุณหภูมิ
เซ็นเซอร์แปลงสนามอุณหภูมิที่มองไม่เห็นในช่องทำงานให้เป็นพารามิเตอร์ไฟฟ้าที่วัดได้และถ่ายทอดได้ กลายเป็นต้นทางของการควบคุม การบันทึก การแจ้งเตือน และการย้อนกลับทั้งหมด
อ้างอิงฟีดแบ็กสำหรับอัลกอริทึมควบคุม
PID ฟัซซี่-PID การควบคุมแบบจำลองคาดการณ์ (MPC) และอัลกอริทึมอื่น ๆ ล้วนใช้ค่าสุ่มตัวอย่างแบบเรียลไทม์ของเซ็นเซอร์เป็นตัวแปรฟีดแบ็ก หากอ้างอิงคลาดเคลื่อน อัลกอริทึมที่ทันสมัยที่สุดก็ไม่อาจกำจัดค่าคลาดเคลื่อนระบบได้
ตัวเฝ้าระวังเกณฑ์ความปลอดภัย
ความล้มเหลวต่าง ๆ เช่น เกินอุณหภูมิ ต่ำกว่าอุณหภูมิ อัตราการเปลี่ยนแปลงเกิน หรือสายเซ็นเซอร์ขาด มักปรากฏเป็นสัญญาณกระชากจากเซ็นเซอร์ก่อนใคร ดังนั้นเซ็นเซอร์จึงรับหน้าที่ปกป้องทั้งตัวอุปกรณ์และตัวอย่างทดสอบ
ตัวเชื่อมโยงสำหรับการสอบย้อนกลับทางเมตรวลีย์
ตาม ISO/IEC 17025 และ GB/T 19022 ห้องทดสอบต้องได้รับการสอบเทียบค่าคลาดเคลื่อน ค่าสั่น และความสม่ำเสมอเป็นระยะ เซ็นเซอร์ในฐานะสะพานระหว่างหน่วยที่ถูกทดสอบกับมาตรฐาน ความสมบูรณ์ของโซ่การสอบย้อนกลับเป็นตัวกำหนดผลการยอมรับร่วมกันระดับสากล
เซ็นเซอร์ชนิดหลักและหลักการวัด
3.1 เทอร์โมคัปเปิล
a. เอฟเฟกต์ซีเบ็ค (Seebeck)
ตัวนำไฟฟ้าคนละชนิด A และ B สร้างวงจรปิด เมื่อจุดเชื่อมอยู่ที่อุณหภูมิต่างกัน T₁ และ T₂ จะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าความร้อน E_AB
E_AB = α(T₁ – T₂) + 0.5β(T₁² – T₂²)
โดย α และ β เป็นสัมประสิทธิ์เฉพาะวัสดุ
b. ชนิดและช่วงที่ใช้ทั่วไป
แบบ K (–200 °C ถึง +1 250 °C) แบบ N (–200 °C ถึง +1 300 °C) และแบบ T (–200 °C ถึง +350 °C) เป็นแบบหลักในห้องช็อกความร้อน-เย็น แบบ K มีคุณสมบัติต้านออกซิเดชันได้ดี เส้นตรงปานกลาง และต้นทุนต่ำ ใช้มากกว่า 70 %
c. การชดเชยจุดเย็น
ตามกฎของอุณหภูมิกลาง เมื่อจุดเย็นเปลี่ยนแปลงจะเกิดออฟเซตระบบ โมดูลเก็บข้อมูลสมัยใหม่ใช้ PT1000 พร้อมชิปอุณหภูมิดิจิทัล ควบคุมค่าคลาดเคลื่อนการชดเชยได้ใน ±0.1 °C
3.2 เทอร์โมมิเตอร์ต้านทานแพลตินั่ม (RTD, Pt100/Pt1000)
ตาม IEC 60751:
R(t) = R₀(1 + At + Bt² + Ct³)
โดย R₀ คือความต้านทานที่ 0 °C Pt100 มีความสามารถในการทำซ้ำและเสถียรภาพระยะยาวดีเยี่ยม (ค่าเคลื่อนต่อปี ≤ 0.05 °C) ในช่วง –70 °C ถึง +200 °C เหมาะสำหรับ “ช่องอ้างอิง” ของห้องแม่นยำสูง
3.3 ไพโรมิเตอร์รังสีอินฟราเรด (IRT)
สำหรับผิวตัวอย่างที่เคลื่อนที่เร็วและไม่ต้องสัมผัส (เช่น วาเฟอร์กึ่งตัวถ่าย ฝาครอบรีเลย์) ใช้เทอร์โมไพล์ย่าน 8–14 µm เวลาตอบสนอง t₉₀ ≤ 50 ms หลีกเลี่ยงค่าคลาดเคลื่อนความเฉื่อยจากมวลเทอร์โมคัปเปิล ข้อผิดพลาดหลัก ได้แก่ การตั้งค่าอัตราการแผ่รังสี การปนเปื้อนในสนามมอง และการสะท้อนจากแวดล้อม จำเป็นต้องสอบเทียบกับบอดี้ดำและแก้ด้วยอัลกอริทึม
3.4 เซ็นเซอร์บัสดิจิทัล (I²C, RS-485, CAN)
เซ็นเซอร์รุ่นใหม่รวม ADC สัมประสิทธิ์การสอบเทียบ และอัลกอริทึมเชิงเส้นไว้ในหัววัด ส่งค่าอุณหภูมิดิจิทัลออกมาโดยตรง กำจัดเสียงจากการส่งสายยาวและความไม่สม่ำเสมอของโลหะเทอร์โมคัปเปิล รองรับ TEDS เพื่อจดจำอัตโนมัติ เอื้อต่อการสร้างห้องปฏิบัติการอัจฉริยะ
กลไกที่เซ็นเซอร์มีผลต่อความแม่นยำของการทดสอบ
4.1 ค่าคงที่เวลา τ และการล่วงเกินอุณหภูมิ
τ = ρcₚV/(hA) ค่า τ มากแปลว่าตอบสนองช้า ทำให้ตัวควบคุม “เข้าใจ”ว่ายังไม่ถึงค่าเป้าหมายและยังคงให้ความร้อน/ความเย็นต่อไป เกิดการล่วงเกิน รอบเปลี่ยนในห้องช็อกมัก ≤ 5 นาที จึงต้องการ τ ≤ 10 s ใช้เทอร์โมคัปเปิลแบบโผล่ φ0.5 มม. หรือ Pt100 แบบฟิล์มบาง และลด τ ด้วยการลดเส้นผ่านศูนย์กลางชีทและเพิ่มความเร็วลม
4.2 ค่าคลาดเคลื่อนการนำความร้อน
หากหัววัดแนบกำแพงหรือติดบนแบร็กโลหะจะเกิดสะพานความร้อนเพิ่มเติม ทำให้อุณหภูมิที่แสดงเบี่ยงเบนจากอากาศ ควรใช้แบร็ก PEEK หรือ PTFE ที่มีความนำความร้อนต่ำ และให้จุดวัดห่างจากผนัง ≥ 20 มม.
4.3 ค่าคลาดเคลื่อนการให้ความร้อนตนเอง
สำหรับ RTD กระแสกระตุ้น I สร้างความร้อนจูล Q = I²R หากการระบายความร้อนไม่ดี ค่าอ่านจะสูงเกิน IEC 60751 แนะนำให้สัมประสิทธิ์ความร้อนตนเอง ≤ 0.2 °C/mW แหล่งกระแสคงที่ 1 mA จึงตอบความต้องการแม่นยำ ±0.05 °C
4.4 ความเข้ากันได้แม่เหล็กไฟฟ้า (EMC)
คอมเพรสเซอร์กำลังสูงและรีเลย์สเตติกสร้าง dv/dt, di/dt ขณะสวิตช์ ซึ่งจะคู่ผ่านความจุระหว่างสายและความเหนี่ยวนำร่วมกันเข้าสู่สัญญาณเทอร์โมคัปเปิลระดับมิลลิโวลต์ ทำให้เกิดสปายค์ วิธีแก้ ได้แก่ สายคู่บิดเกลียวหุ้มฉนวน การขยายแบบดิฟเฟอร์เรนเชียล ตัวกรอง RC สองขั้น + FIR ดิจิทัล และเทคนิคลอยกราวด์
4.5 ความสม่ำเสมอและผลของโหลด
GB/T 2423.22 ต้องการความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ ≤ 2 °C (–65 °C ถึง +150 °C) การวางเซ็นเซอร์ต้องครอบคลุมสามระดับ แต่ละระดับสี่มุมและศูนย์กลาง รวมเก้าจุด หากเซ็นเซอร์ไม่สม่ำเสมอกันเอง จะขยายหรือปกปิดข้อบกพร่องสนามลมของห้องผิดพลาด
การปฏิบัติทางวิศวกรรมสำหรับการเลือกและการวางตำแหน่งเซ็นเซอร์
ระดับความแม่นยำ
ความไม่แน่นอนขยาย (k = 2) หลังการสอบเทียบควร ≤ 1/3 ของค่าคลาดเคลื่อนที่อนุญาตในการทดสอบ เช่น หากข้อกำหนดอนุญาต ±2 °C ความไม่แน่นอนของเซ็นเซอร์ต้อง ≤ 0.7 °C
กลยุทธ์สำรอง
การทดสอบสำคัญ (ชิ้นส่วนอากาศ-อวกาศ) ใช้ตรรกะ “สองใน three” ติดตั้งเทอร์โมคัปเปิลแบบเดียวกันสามตัวข้าง ๆ กัน ตัวควบคุมเปรียบเทียบแบบเรียลไทม์และหยุดทันทีหากตัวใดตัวหนึ่งเบี่ยงเกิน
โครงสร้างเสียบถอนเร็ว
ต่อเข้ากับตัวเชื่อมต่อการบิน M12 สแตนเลส + สายขยายชดเชย สะดวกต่อการสอบเทียบรอบและหลีกเลี่ยงการเคลื่อนค่าซีเบ็คจากการขันเทอร์มินัลซ้ำ ๆ
กันการเกิดฝ้าและทนแรงดัน
ช่วงช็อกเย็นมักมีความต่างจุดน้ำค้าง > 30 °C ชีทเซ็นเซอร์ต้องซีล IP67 และใส่ตัวดูดความชื้นในตู้ต่อสาย ห้องที่ใช้ไนโตรเจนเหลวต้องทนแรงดัน 0.4 MPa ความหนาผนังชีท ≥ 0.3 มม.
มาตรฐานล่าสุดและแนวโน้มด้านเมตรวลีย์
GB/T 5170.10-2021 “วิธีการตรวจสอบอุปกรณ์ทดสอบสิ่งแวดล้อม—ห้องทดสอบแบบช็อกความร้อน-เย็น” กำหนด:
a) จุดสอบเทียบต้องครอบคลุมค่าต่ำสุด สูงสุด และกลาง
b) ความถี่สุ่มตัวอย่างเซ็นเซอร์ ≥ 1 Hz ช่วงบันทึก ≤ 30 s
c) ต้องระบุวิธีชดเชยจุดเย็นและตารางประเมินความไม่แน่นอน
IEC 60584-1:2021 ปรับฟังก์ชันอ้างอิงของเทอร์โมคัปเปิล ลดค่าคลาดเคลื่อนสูงสุดของแบบ K ในช่วง –200 °C ถึง 0 °C จาก ±2.2 °C เหลือ ±1.5 °C มีผลบังคับ 1 ม.ค. 2023
JJG (อากาศ-อวกาส) ×××-2025 (ร่าง) นำเสนอแนวคิด “ค่าคลาดเคลื่อนเชิงพลศาสตร์”: ที่อัตรา 5 °C/นาที ค่าเฉลี่ยเลื่อน 30 s ต้อง ≤ ±1 °C กำหนดความต้องการตอบสนองและกรองดิจิทัลที่เข้มงวดขึ้น
ตัวอย่างความล้มเหลวและมาตรการแก้ไข
กรณีที่ 1: แล็บภายนอกพบตัวอย่างเสียหายก่อนกำหนดในการหมุน –55 °C ↔ +125 °C สาเหตุ: รอยแตกเล็กในชีทเทอร์โมคัปเปิล K ให้ความชื้นแทรก ก่อให้เกิดการเคลื่อนของแรงเคลื่อนไฟฟ้า +1.8 °C การแก้: เปลี่ยนเป็นสายรัด 316 L + ฉนวน MgO และตรวจรั่วฮีเลียม 10 MPa
กรณีที่ 2: ขณะทดสอบโมดูลจ่ายไฟสื่อสาร ตัวควบคุมแสดงสปายค์ ±6 °C ณ จุดสวิตช์ พบว่าเป็นความถี่รบกวนระหว่างคลื่นพาหะอินเวอร์เตอร์คอมเพรสเซอร์กับการสุ่มตัวอย่างการ์ด การแก้: เพิ่มตัวกรอง RC สองขั้น (f_c = 10 Hz) ที่ขาเข้าเทอร์โมคัปเปิล และเปลี่ยนความถี่สุ่มเป็น 9.7 Hz ไม่เป็นจำนวนเต็ม ลดสปายค์เหลือ ±0.3 °C
บทสรุป
เซ็นเซอร์ในห้องทดสอบแบบช็อกความร้อน-เย็นไม่ใช่ “หัววัดอุณหภูมิ” อย่างง่าย หากเป็นหน้าจับเชิงแม่นยำที่รวมวิทยาศาสตร์วัสดุ พลศาสตร์ของความร้อน การวัดอิเล็กทรอนิกส์ และวิทยาการข้อมูลเข้าด้วยกัน ทั้งนี้ เนื่องจากแอปพลิเคชันระดับไฮเอนด์ เช่น สารกึ่งตัวถ่ายรุ่นที่สาม ชิปเกรดยานยนต์ ดาวเทียมวงโคจรต่ำ และอื่น ๆ กำหนดให้ความถูกต้องของโปรไฟล์อุณหภูมิ ≤ ±0.5 °C หรือแม้แต่ ±0.3 °C การเลือก การวางตำแหน่ง การสอบเทียบ และการบำรุงรักษาเซ็นเซอร์จึงต้องถูกฝังอยู่ในหัวใจของการบริหารคุณภาพตลอดอายุการใช้งานของห้องทดสอบ ในอนาคเซ็นเซอร์มีความสม่ำเสมอไม่ดีจะขยายหรือปกปิดข้อบกพร่องของสนามลมในห้อง ทำให้ตัดสินใจผิด
การปฏิบัติทางวิศวกรรมสำหรับการเลือกและวางเซ็นเซอร์
ระดับความแม่นยำ
ความไม่แน่นอนขยาย (k = 2) หลังการสอบเทียบควร ≤ 1/3 ของค่าผิดที่อนุญาตในการทดสอบ เช่น หากข้อกำหนดอนุญาตค่าเบี่ยงเบน ±2 °C ความไม่แน่นอนจากการสอบเทียบเซ็นเซอร์ต้อง ≤ 0.7 °C
กลยุทธ์สำรอง
สำหรับการทดสอบวิกฤต (ชิ้นส่วนอากาศอวกาศ) ใช้ตรรกะ “สองในามองสาม” ติดตั้งเทอร์โมคัปเปิลรุ่นเดียวกันสามตัวข้าง ๆ กัน ควบคุมเปรียบเทียบแบบเรียลไทม์ หากตัวใดตัวหนึ่งเบี่ยงเกินขีดจำกัดจะหยุดทันที
โครงสร้างล็อกด่วน
ใช้ตัวเชื่อมต่อการบินสแตนเลส M12 พร้อมสายขยายชดเชย สะดวกต่อการสอบเทียบรอบและหลีกเลี่ยงการเคลื่อนของสัมประสิทธิ์เซ็บเบคจากการขันเทอร์มินัลซ้ำ ๆ
ป้องกันการเกิดฝ้าและทนแรงดัน
ขณะช็อกความเย็น ความแตกต่างจุดน้ำค้างมักเกิน 30 °C ชีทเซ็นเซอร์ต้องซีล IP67 และใส่ดีไซแคนท์โมเลกุลซีฟในตู่ต่อสาย ห้องเย็นไนโตรเจนเหลวต้องทนแรงดัน 0.4 MPa ผนังชีท ≥ 0.3 มม.
มาตรฐานล่าสุดและแนวโน้มการวัด
GB/T 5170.10-2021 “Methods for Verification of Environmental Testing Equipment—Thermal Shock Test Chambers” กำหนด:
a) จุดสอบเทียบต้องครอบคลุมค่าต่ำสุด สูงสุด และกลาง
b) ความถี่สุ่มตัวอย่างเซ็นเซอร์ ≥ 1 Hz ช่วงบันทึก ≤ 30 s
c) ต้องระบุวิธีชดเชยจุดเย็นและตารางประเมินความไม่แน่นอน
IEC 60584-1:2021 ปรับฟังก์ชันอ้างอิงสำหรับเทอร์โมคัปเปิล ช่วง –200 °C ถึง 0 °C ของแบบ K ลดค่าเบี่ยงเบนสูงสุดจาก ±2.2 °C เหลือ ±1.5 °C ตารางใหม่บังคับใช้ 1 ม.ค. 2023
JJG (Aerospace) ×××-2025 (ร่าง) เสนอแนวคิด “ค่าเบี่ยงเบนอุณหภูมิเชิงพลวัต” ภายใต้อัตรา 5 °C/นาที ค่าเฉลี่ยเลื่อน 30 s ต้อง ≤ ±1 °C กำหนดความต้องการตอบสนองเซ็นเซอร์และตัวกรองดิจิทัลที่เข้มงวดขึ้น
กรณีความล้มเหลวและมาตรการปรับปรุง
กรณีที่ 1: ห้องปฏิบัติการภายนอกพบว่าตัวอย่างเสียหายก่อนเวลาในรอบ –55 °C ↔ +125 °C สาเหตุ: รอยแตกเล็กในชีทแบบ K ให้น้ำซึมเข้า ทำให้เกิดการเคลื่อนของแรงเคลื่อนไฟฟ้า +1.8 °C การปรับปรุง: เปลี่ยนเป็นสายฉนวนแร่ MgO แบบ 316 L และตรวจรั่วด้วยฮีเลียม 10 MPa
กรณีที่ 2: ขณะทดสอบโมดูลจ่ายไฟสื่อสาร หน้าจอแสดง ±6 °C ชั่วขณะเมื่อสลับ พบว่าเกิดการรบกวนความถี่บีตจากคลื่นพาห์ของอินเวอร์เตอร์คอมเพรสเซอร์กับความถี่สุ่มของการ์ดเก็บข้อมูล การปรับปรุง: เพิ่มตัวกรอง RC แบบไม่มีแหล่งจ่ายสองขั้น (f_c = 10 Hz) ที่ขาเข้าเทอร์โมคัปเปิล และเปลี่ยนความถี่สุ่มเป็น 9.7 Hz ไม่เต็มจำนวน ลดสปายค์เหลือ ±0.3 °C
บทสรุป
เซ็นเซอร์ในห้องช็อกความร้อน-เย็นไม่ใช่ “หัววัดอุณหภูมิ” อย่างง่าย แต่เป็นส่วนปลายแม่นยำที่รวมวัสดุศาสตร์ พลศาสตร์ของความร้อน การวัดอิเล็กทรอนิกส์ และวิทยาการข้อมูลเข้าด้วยกัน เมื่อสมาร์ทโฟน ชิปยานยนต์ ดาวเทียมวงโคจรต่ำ และการใช้งานระดับไฮเอนด์อื่น ๆ กำหนดให้ความคลาดเคลื่อนของเส้นอุณหภูมิ ≤ ±0.5 °C หรือแม้แต่ ±0.3 °C การเลือก การวางตำแหน่ง การสอบเทียบ และการดูแลรักษาเซ็นเซอร์ต้องถูกบรรจุไว้ในหัวใจของการจัดการคุณภาพตลอดอายุห้อง ในอนาคต เทคโนโลยีใหม่ เช่น อาร์เรย์ไมโครเทอร์โมคัปเปิลแบบ MEMS พร้อมการสอบเทียบตนเองด้วย AI, สเปกโทรสโกปีดูดกลืนเลเซอร์ควอนตัมคาสเคด (QCLAS) สำหรับการวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัส และการแมปแบบเรียลไทม์ของดิจิทัลทวินจะผลักดันการทดสอบช็อกความร้อนให้ก้าวจาก “การเลียนแบบเชิงประสบการณ์” สู่ “ความแม่นยำเชิงตัวเลข” เพื่อมอบหลักประกันเชิงการวัดที่มั่นคงให้แก่การตรวจสอบความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์ต่อไป