ทำไมอุณหภูมิสิ่งแวดล้อมจึงมีผลต่อการวัด? เข้าใจ Thermal Expansion, Temperature Drift และ Measurement Uncertainty

หลายครั้งผู้ใช้งานอาจคิดว่า ถ้าเครื่องมือผ่านการสอบเทียบแล้ว ไม่ว่าจะนำไปวัดในสภาพแวดล้อมใดก็ควรได้ผลเหมือนเดิม

แต่ในความเป็นจริง อุณหภูมิของเครื่องมือ ชิ้นงาน มาตรฐานอ้างอิง และสภาพแวดล้อม สามารถส่งผลต่อผลการวัดได้

โดยเฉพาะงานที่ต้องการความละเอียดสูง ความแตกต่างของอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยอาจทำให้เกิด

การขยายตัว/หดตัวของวัสดุ + Drift ของเครื่องมือ + การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้า + ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเครื่องมือกับชิ้นงาน

และท้ายที่สุดกลายเป็น Error หรือองค์ประกอบของ Measurement Uncertainty ได้ค่ะ

สำหรับงานด้านมิติ ISO 1:2022 กำหนดแนวคิดเรื่อง Standard Reference Temperature สำหรับคุณสมบัติทางมิติ และมาตรฐานอ้างอิงปัจจุบันยังคงใช้ 20 °C เป็นอุณหภูมิอ้างอิงสำหรับงานลักษณะนี้ค่ะ

อุณหภูมิสิ่งแวดล้อมมีผลต่อการวัดอย่างไร?

อุณหภูมิสามารถมีผลต่อระบบการวัดหลายส่วนพร้อมกัน ได้แก่

เครื่องมือวัด
คุณสมบัติของส่วนประกอบทางกลและทางไฟฟ้าอาจเปลี่ยนตามอุณหภูมิ

ชิ้นงาน
วัสดุสามารถขยายหรือหดตัว

มาตรฐานอ้างอิง
Reference Standard เองก็สามารถได้รับผลจาก Temperature

ระบบ Electronics
องค์ประกอบไฟฟ้าบางชนิดมี Temperature Coefficient

ตัวกลางที่วัด
Density, Volume หรือคุณสมบัติอื่นของของเหลวและก๊าซอาจเปลี่ยนตาม Temperature

ดังนั้นผลที่เห็นบนหน้าจอไม่ได้เกิดจากเครื่องมือเพียงอย่างเดียว แต่เกิดจาก Measurement System ทั้งระบบ ค่ะ

Thermal Expansion คืออะไร?

Thermal Expansion คือการเปลี่ยนแปลงขนาดของวัสดุเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน

แนวคิดพื้นฐานสำหรับการเปลี่ยนแปลงความยาวสามารถเขียนได้ว่า

ΔL ≈ α × L × ΔT

โดย

ΔL = การเปลี่ยนแปลงความยาว
α = Coefficient of Thermal Expansion
L = ความยาวเริ่มต้น
ΔT = การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

NIST อธิบายว่าขนาดของวัตถุเปลี่ยนตามอุณหภูมิเนื่องจาก Thermal Expansion และวัสดุแต่ละชนิดมี Coefficient of Thermal Expansion แตกต่างกันค่ะ

ตัวอย่าง

สมมติชิ้นงานเหล็กยาว

1,000 mm

และใช้ค่าตัวอย่าง Coefficient of Thermal Expansion ประมาณ

11.5 µm/(m·°C)

ถ้าอุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 20 °C เป็น 25 °C

ΔT = 5 °C

การเปลี่ยนความยาวโดยประมาณจะอยู่ที่

11.5 × 1 × 5 ≈ 57.5 µm

หรือประมาณ

0.0575 mm

ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่า หาก Tolerance ของงานอยู่ระดับไมโครเมตร ผลของอุณหภูมิอาจไม่สามารถละเลยได้ค่ะ ตัวเลข Coefficient นี้เป็นค่าตัวอย่างทั่วไปจากงานศึกษาของ NIST ไม่ควรใช้แทนค่าจริงของวัสดุทุกชนิดค่ะ

ทำไมงานวัดมิติจึงอ้างอิงที่ 20 °C?

สำหรับงาน Dimensional Measurement จำเป็นต้องมี Reference Temperature เดียวกัน เพราะชิ้นงานสามารถมีขนาดต่างกันเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน

ISO 1:2022 กำหนด Standard Reference Temperature สำหรับการระบุคุณสมบัติด้านมิติและเรขาคณิต และใช้กับการนิยาม Measurand ในงาน Verification หรือ Calibration ได้ด้วยค่ะ ISO

NIST อธิบายว่าอุณหภูมิอ้างอิงสากลสำหรับ Dimensional Measurements คือ 20 °C และแนวคิดนี้มีความสำคัญเพราะวัสดุทุกชนิดมีการเปลี่ยนขนาดตามอุณหภูมิค่ะ Engineering Metrology Toolbox

แต่มีจุดที่ต้องแยกให้ชัด:

20 °C เป็น Reference Temperature ไม่ได้หมายความว่าการวัดทุกชนิดทุกสาขาต้องทำที่ 20.000 °C เสมอ

ค่ะ

เครื่องมือวัดเองได้รับผลจากอุณหภูมิหรือไม่?

ได้รับผลได้ค่ะ

ตัวเครื่องมืออาจประกอบด้วย

โลหะ
แก้ว
พลาสติก
Electronic Components
Resistance Element
Sensor
Mechanical Structure

ซึ่งแต่ละส่วนตอบสนองต่อ Temperature ต่างกัน

ตัวอย่างเช่น Vernier Caliper หรือ Micrometer มีโครงสร้างโลหะ เมื่อตัวเครื่องมือมีอุณหภูมิแตกต่างจาก Reference Condition ขนาดของโครงสร้างเองก็สามารถเปลี่ยนได้

จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมงานวัดละเอียดควรให้

ชิ้นงาน + เครื่องมือ + Reference Standard

อยู่ในสภาวะที่เหมาะสมก่อนเริ่มวัดค่ะ

Temperature Drift คืออะไร?

Temperature Drift คือการเปลี่ยนแปลงค่าหรือพฤติกรรมของเครื่องมือเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน

ตัวอย่างเช่นเครื่องมือ Electronic อาจมี

• • Zero Drift
  • Gain Drift
  • Sensor Drift
  • Reference Voltage Drift

เมื่ออุณหภูมิภายในเครื่องเปลี่ยนหลังเปิดใช้งาน

นี่เป็นสาเหตุหนึ่งที่เครื่องมือบางประเภทมีคำแนะนำเรื่อง

Warm-up Time

ก่อนใช้งานค่ะ

ดังนั้นการเปิดเครื่องแล้วเริ่มวัดทันทีอาจไม่เหมาะกับเครื่องมือทุกประเภท ต้องตรวจคู่มือของรุ่นจริง