เนื้อหาวันที่ : 2007-01-18 16:34:36 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 4376 views

การพัฒนาเครื่องวิเคราะห์ขนาดอนุภาคแขวนลอยในอากาศแบบใช้หลักการเคลื่อนตัวทางไฟฟ้า

ฝุ่นละอองหรืออนุภาคจุลสารขนาดเล็กที่ลอยอยู่ในบรรยากาศมีผลกระทบต่อทัศนวิสัย สุขภาพและคุณภาพชีวิตของมนุษย์ และในกระบวนการอุตสาหกรรมมากมาย ซึ่งสามารถป้องกันได้โดยมีการตรวจสอบ วิเคราะห์

ฝุ่นละอองหรืออนุภาคจุลสารขนาดเล็กที่ลอยอยู่ในบรรยากาศมีผลกระทบต่อทัศนวิสัย สุขภาพและคุณภาพชีวิตของมนุษย์ และในกระบวนการอุตสาหกรรมมากมาย เช่น อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และสารกึ่งตัวนำ ซึ่งสามารถป้องกันได้โดยมีการตรวจสอบ วิเคราะห์ และควบคุม เพื่อที่จะบ่งชี้ถึงปริมาณและแหล่งที่มาของอนุภาคเหล่านี้ เครื่องมือวัดขนาดอนุภาคจึงมีความสำคัญอย่างมากในการทำงานข้างต้น เครื่องวัดขนาดอนุภาคมีวิธีการและหลักการทำงานอยู่หลายอย่าง เช่น วิธีการแพร่ของอนุภาค เช่น Diffusion Battery วิธีการจากแรงเฉื่อย เช่น Cascade Impactor วิธีการการเคลื่อนตัวตามหลักการอากาศพลศาสตร์ภายใต้แรงโน้มถ่วง เช่น Aerodynamic Particle Sizer วิธีการกระจายแสงของอนุภาค เช่น Optical Particle Sizer และวิธีการเคลื่อนตัวทางไฟฟ้า เช่น Electrical Mobility Spectrometer ซึ่งแต่ละวิธีมีข้อดีข้อด้อยแตกต่างกันออกไป อย่างไรก็ตาม หากพิจารณาขนาดอนุภาคในช่วงขนาดเล็กกว่า 1 ไมโครเมตร การใช้วิธีการเคลื่อนตัวทางไฟฟ้าจะเป็นวิธีที่ใช้แพร่หลาย รวดเร็ว และให้ความถูกต้องมากที่สุดวิธี หนึ่ง ในช่วงขนาดนี้ ซึ่งเป็นช่วงขนาดอนุภาคที่มีผลกระทบต่อสุขภาพและคุณภาพชีวิตของมนุษย์มากที่สุด เพราะมันสามารถทะลุทะลวงลงไปถึงบริเวณส่วนลึกที่สุดของปอดในการหายใจได้ เครื่องมือวัดอนุภาคในช่วงขนาดเล็กกว่า 1 ไมโครเมตร จึงมีความสำคัญอย่างมากต่อการศึกษามลพิษทางอากาศ และการวัดเพื่อควบคุมการปนเปื้อนของอนุภาคในผลิตภัณฑ์ ในต่างประเทศมีการประยุกต์ใช้เครื่องวัดอนุภาคลักษณะนี้ในงานหลาย ๆ ประเภท เช่น คุณภาพอากาศภายในอาคาร (Indoor air quality) การตรวจวัดปริมาณอนุภาคที่เปิดตรงต่อมนุษย์ (Exposure monitoring) การตรวจควบคุมสภาพการระบายอากาศ (HVAC control) การวัดปริมาณมลพิษจากแหล่งเคลื่อนที่และไม่เคลื่อนที่

.

ประเทศไทยเป็นประเทศที่มีอุตสาหกรรมและเทคโนโลยีการผลิตที่เข้มแข็ง ซึ่งมีศักยภาพในการผลิตวัตถุดิบและอุปกรณ์ชิ้นส่วนต่าง ๆ สำหรับการสร้างเครื่องมือและอุปกรณ์พื้นฐานที่จำเป็นทางด้านงานวิศวกรรม การแพทย์สาธารณสุขวิทยาศาสตร์สุขภาพ หรืออุตสาหกรรมอาหารและยาขึ้นได้เองภายในประเทศ ตัวอย่างอุปกรณ์เครื่องมือวัด หนึ่ง ที่สำคัญต่อระบบตรวจวัดสภาพแวดล้อม คือ เครื่องมือขนาดอนุภาคขนาดเล็กแขวนลอยในอากาศ เครื่องมือประเภทนี้ที่มีใช้กันอยู่ในปัจจุบัน โดยเฉพาะในงานวิจัยหรืองานควบคุมคุณภาพมีราคาสูงมากอยู่ในหลักหลายแสนถึงกว่าล้านบาท อีกทั้งยังต้องพึ่งพาการนำเข้าเครื่องมือและบริการจากต่างประเทศเกือบทั้งหมดซึ่งเป็นการเสียดุลทางการค้าอย่างเห็นได้ชัด เนื่องจากข้อจำกัดในงบประมาณค่าใช้จ่ายเกี่ยวกับเครื่องมือเเละครุภัณฑ์ดังกล่าวทำให้การทำงานวิจัยเเละศึกษาที่ต้องใช้เครื่องมือเหล่านี้จึงมีอยู่น้อยในวงจำกัดหรือไม่มีเลย หากมีการพัฒนาและประยุกต์เครื่องมือเหล่านี้โดยใช้เทคโนโลยีและวัสดุที่เหมาะสมให้ทำงานได้จริงส่วนใหญ่ในประเทศจะทำให้มีราคาสมเหตุสมผล การทำงานการศึกษาและวิจัยที่เกี่ยวข้องกับเรื่องเทคโนโลยีอนุภาคจะทำได้เเพร่หลายกว้างขวางมากยิ่งขึ้นในวงการวิชาการ สถาบันที่เกี่ยวข้องกับมลพิษอนุภาค และอุตสาหกรรมการผลิตของประเทศ

.

จุดมุ่งหมายของโครงการนี้จะทำการศึกษาและพัฒนาเครื่องมือดังกล่าวโดยใช้หลักการการเคลื่อนตัวทางไฟฟ้าแบบใช้หลักการเคลื่อนตัวทางไฟฟ้าสำหรับวัดการกระจายตัวขนาดอนุภาคเชิงจำนวนสำหรับอนุภาคในช่วงขนาดระหว่าง 10 – 1000 นาโนเมตร ขึ้นเองภายในประเทศ ซึ่งการพัฒนาเครื่องมือวิเคราะห์ดังกล่าวจะเป็นประโยชน์ต่อการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีอนุภาคขนาดเล็ก และการใช้เครื่องมือทันสมัยในการตรวจวิเคราะห์ ควบคุมปริมาณอนุภาคในบรรยากาศ และสภาพแวดล้อม ในอุตสาหกรรมการผลิต อิเล็กทรอนิกส์ อาหาร เภสัชกรรมและการแพทย์สาธารณสุข การศึกษาวิจัยประกอบด้วยการวิจัยเอกสารและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง การศึกษาทั้งภาคทฤษฎีและปฏิบัติของการวิเคราะห์ขนาดอนุภาค การออกแบบ สร้าง และทดสอบสมรรถนะการทำงานของต้นแบบอุปกรณ์และระบบส่วนประกอบย่อยต่าง ๆ ได้แก่ ชุดคัดแยกสิ่งปนเปื้อนขนาดใหญ่ขาเข้า ชุดให้ประจุไฟฟ้ากับอนุภาค ชุดวัดแยกขนาดอนุภาค ชุดตรวจวัดและเรียบเรียงลำดับการประมวลสัญญาณ ชุดจ่ายและควบคุมไฟฟ้าแรงสูง และชุดประมวลและควบคุมข้อมูลเข้าออกด้วยคอมพิวเตอร์ โดยมีการเทียบเคียงสมรรถนะกับเครื่องมือลักษณะคล้ายกันที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ที่นำเข้าจากต่างประเทศ

.

หลักการของเครื่องวัดขนาดอนุภาคแบบใช้หลักการเคลื่อนตัวทางไฟฟ้า

เครื่องวัดขนาดอนุภาคแบบใช้หลักการการเคลื่อนตัวทางไฟฟ้าโดยทั่วไปจะประกอบด้วย 3 ส่วนหลักด้วยกัน คือ เครื่องอัดประจุอนุภาค (Particle Charger) เครื่องคัดแยกขนาดอนุภาค (Particle Classifier) และตัวตรวจวัดสัญญาณ (Particle Detector) ลักษณะโครงสร้างของเครื่องอัดประจุอนุภาค และเครื่องคัดแยกขนาดและตัวตรวจวัดสัญญาณแสดงไว้ในรูปที่ 1 และ 2 รูปที่ 3 แสดงลักษณะโครงสร้างของระบบเครื่องวัดขนาดอนุภาคแบบใช้หลักการการเคลื่อนตัวทางไฟฟ้า

.

.

.

.

การทำงานของเครื่องวัดขนาดอนุภาคนี้เริ่มต้นโดยการใช้เครื่องอัดประจุโคโรนา (Corona Charger) เป็นตัวอัดประจุให้กับอนุภาคตัวอย่างจากนั้นอนุภาคที่ได้รับการอัดประจุจะถูกนำเข้าในเครื่องคัดแยกขนาดอนุภาคที่มีความเข้มสนามไฟฟ้าสูงใกล้กับขั้วไฟฟ้าแรงสูง (High Voltage Electrode) อนุภาคจะถูกผลักออกและเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้งเข้าหาอาร์เรย์ของวงแหวนอิเล็กโทรมิเตอร์ (Electrometer Rings) ที่ติดตั้งอยู่ผนังด้านในของทรงกระบอกด้านนอก เนื่องจากความแตกต่างของแรงเสียดลากอากาศพลศาสตร์ของอนุภาคทำให้อนุภาคที่มีขนาดต่างกันจะถูกสะสมตัวในตำแหน่งที่ต่างกันของอาร์เรย์นี้ โดยวงแหวนอิเล็กโทรมิเตอร์ทั้งหมดจะถูกต่อเข้าเครื่องวัดกระแสไฟฟ้าระดับต่ำหรืออิเล็กโทรมิเตอร์ เพื่อวัดหาค่ากระแสไฟฟ้าที่ได้จากการสะสมตัวของอนุภาคที่วงแหวนอิเล็กโทรมิเตอร์ โดยค่ากระแสไฟฟ้าที่ได้นี้จะถูกนำไปประมวลผลด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์เพื่อให้ได้ข้อมูลของการกระจายขนาดของอนุภาคเชิงจำนวนออกมา (Number-Weighted Particle Size Distribution)

.
ระเบียบวิธีวิจัย

ในการออกแบบเครื่องวัดขนาดอนุภาค เงื่อนไขของการไหลและรูปร่างของสนามไฟฟ้าภายในเครื่องวัดขนาดอนุภาคเป็นปัจจัยที่สำคัญต่อความถูกต้องของการวัดการกระจายขนาดของอนุภาค โดยการไหลของของไหลภายในเครื่องวัดขนาดอนุภาคจะต้องเป็นแบบราบเรียบ ไม่ยุบตัวตามความดัน และสนามไฟฟ้าจะต้องมีการกระจายตัวสม่ำเสมอ ดังนั้นในงานวิจัยนี้ จึงได้สร้างแบบจำลองวิเคราะห์การคำนวณเชิงตัวเลขของเครื่องวัดขนาดอนุภาคดังรูปที่ 2 เพื่อทำนายรูปร่างลักษณะของสนามการไหลและสนามไฟฟ้าภายในเครื่องคัดแยกขนาดอนุภาค โดยสมการ Navier-Stokes แบบไม่ยุบตัวตามความดันและสมการ Maxwell’s ใช้ในการคำนวณเชิงตัวเลขสำหรับสนามการไหลและสนามไฟฟ้า ตามลำดับ ด้วยโปรแกรมสำเร็จรูป CFDRC ที่ใช้ระเบียบวิธีการหาปริมาตรสืบเนื่อง (Finite Volume Method, FVD) ซึ่งเป็นโปรแกรมแก้ไขปัญหาทางด้านพลศาสตร์ของไหล (Computational Fluid Dynamic) โดยแบ่งแบบจำลองออกเป็น 3 ส่วน คือ สนามการไหล (Flow Field) สนามไฟฟ้า (Electric Field) และระยะการเคลื่อนที่ของอนุภาค (Particle Trajectory) ดังแสดงไว้ในรูปที่ 4 -6

.

.

.

.
ผลการวิจัย

ผลจากการคำนวณเชิงตัวเลขพบว่าลักษณะการไหลของของไหลเป็นการไหลแบบราบเรียบที่อัตราการไหลต่ำกว่า 55 ลิตร ต่อ นาที ดังแสดงไว้ในรูปที่ 7 และลักษณะของสนามไฟฟ้ามีการกระจายตัวค่อนข้างสม่ำเสมอดังแสดงไว้ในรูปที่ 8

.

.

.

.

.

รูปที่ 9 แสดงลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคในเครื่องวัดขนาดอนุภาคที่มีขนาดอยู่ในช่วง 10 – 1000 นาโนเมตร ภายใต้สนามไฟฟ้า ที่แรงดันไฟฟ้า 1 กิโลโวลต์ อัตราการไหลของของไหลภายในท่อ 11 ลิตร ต่อนาที และตัวเลขเรย์โนลด์ของของไหล 217 จากการเปรียบเทียบพบว่า ที่แรงดันไฟฟ้าและอัตราการไหลเดียวกัน อนุภาคที่มีขนาดเล็กจะมีระยะการเคลื่อนที่จากทางเข้าไปจนถึงขั้วอิเล็กโทรดด้านนอกใกล้กว่าอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่า เนื่องจากอนุภาคขนาดเล็กมีความสามารถในการเคลื่อนตัวเชิงไฟฟ้าสูงกว่าอนุภาคใหญ่ และจะสังเกตได้ว่าอนุภาคขนาด 1000 นาโนเมตร จะมีระยะการเคลื่อนที่ใกล้กว่าอนุภาคขนาด 500 นาโนเมตร เนื่องจากความสามารถในการเคลื่อนตัวเชิงไฟฟ้าของอนุภาคที่มีขนาดมากกว่า 500 นาโนเมตร จะไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งพฤติกรรมที่เกิดขึ้นคาดว่าจะส่งผลกระทบต่อความถูกต้องในการวัดขนาดของอนุภาคในช่วงขนาดที่มากกว่า 500 นาโนเมตร

.

.

.
สรุป

คุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญของอนุภาคที่ลอยอยู่ในอากาศมีความสำคัญมากในการศึกษาที่เกี่ยวข้องกับวิทยาการของอนุภาค การควบคุมมลพิษทางอากาศ และกิจกรรมอนามัย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการศึกษาคุณสมบัติต่าง ๆ ของอนุภาคมวลสารขนาดเล็กที่ลอยอยู่ในอากาศ เพื่อทำการตรวจสอบวิเคราะห์และควบคุมคุณภาพอากาศและสิ่งปนเปื้อนจากอนุภาคขนาดเล็ก และเพื่อทำการควบคุมปริมาณของอนุภาคไม่ให้มีผลกระทบต่อสุขภาพและสิ่งแวดล้อม เครื่องวัดขนาดอนุภาคเป็นเครื่องมือที่มีความจำเป็นในการศึกษาคุณสมบัติและลักษณะทางกายภาพของอนุภาค เครื่องวัดขนาดอนุภาคแบบใช้หลักการเคลื่อนตัวทางไฟฟ้าเป็นเครื่องมือสำหรับวัดความสามารถในการเคลื่อนตัวทางไฟฟ้าของอนุภาคในช่วงขนาด 10 – 1000 นาโนเมตร ภายใต้สนามไฟฟ้า สำหรับในประเทศไทย เครื่องวัดอนุภาคจุลสารขนาดเล็กกว่า 1 ไมโครเมตร ยังไม่มีการนำมาใช้อย่างแพร่หลาย หรือยังไม่มีการศึกษาและพัฒนาเกี่ยวกับเครื่องวัดลักษณะดังกล่าวนี้อย่างจริงจัง ซึ่งอาจจะมีสาเหตุมาจากราคาเครื่องมือที่แพงมาก แม้แต่เครื่องวิเคราะห์ขนาดอนุภาคที่มีการใช้งานและจำหน่ายเป็นส่วนมากภายในประเทศ ส่วนใหญ่ล้วนนำเข้ามาจากต่างประเทศแทบทั้งสิ้น และเป็นเทคนิคและเครื่องมือที่วัดได้ความละเอียดของขนาดระดับ หนึ่ง เท่านั้น ทั้งยังมีราคาจำหน่ายในราคาสูงโดยประมาณในหลักหลายแสนถึงหลายล้านบาทต่อชุดอุปกรณ์เมื่อเทียบกับราคาวัสดุที่ใช้ ในงานวิจัยนี้เป็นการนำเสนอการพัฒนาเครื่องวัดขนาดอนุภาคแบบใช้หลักการการเคลื่อนตัวทางไฟฟ้า ขึ้นเองภายในประเทศ ซึ่งการพัฒนาเครื่องมือวิเคราะห์ดังกล่าวจะเป็นประโยชน์ต่อการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีอนุภาคขนาดเล็ก และการใช้เครื่องมือทันสมัยในการตรวจวิเคราะห์ ควบคุมปริมาณอนุภาคในบรรยากาศ และสภาพแวดล้อม ในอุตสาหกรรมการผลิต อิเล็กทรอนิกส์ อาหาร เภสัชกรรมและการแพทย์สาธารณสุข การศึกษาวิจัยประกอบด้วยการวิจัยเอกสารและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง

.

โดยในงานวิจัยนี้ได้นำเสนอผลการออกแบบสนามการไหล สนามไฟฟ้า และขนาดสัดส่วนเบื้องต้น ผลการทดสอบชุดทดลองในเบื้องต้นออกมาดี ซึ่งในช่วงการศึกษาต่อไป จะทำการทดสอบลักษณะการทำงานของอุปกรณ์ย่อยแต่ละชิ้น และการประมวลผลการวัดเทียบกับวิธีวัดตามมาตรฐานอื่น

.
กิตติกรรมประกาศ

ผลการวิจัย พัฒนาและวิศวกรรมภายใต้โครงการนี้ได้รับการสนับสนุนจากเงินทุนอุดหนุนโครงการวิจัย พัฒนา และวิศวกรรม สาขาเทคโนโลยีอีเล็กทรอนิกส์ งานวิจัยระบบตรวจวัดสิ่งแวดล้อม ของศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ

.
เอกสารอ้างอิง

 1.  Brimili, W., Stramann, F., Wiedensohler, A., Covert, D., Russel, L. M. and Berg, O., “Determination of differential mobility analyzer transfer function using identical instruments in series”, Journal of Aerosol Science, 27, 215-223, 1997.

2. Chen, D. R. and Pui, D.Y.H., “Numerical modeling of the performance of differential mobility analyzer for nanometer aerosol measurements”, Journal of Aerosol Science, 28(6), 985-1004, 1997.

3. Chen, D. R., Pui, D.Y.H., Hummes, D., Fissan, H., Quant, F. R., and Sem, G. J. “Design and evaluation of a nanometer aerosol differential mobility analyzer (nano-DMA)”, Journal of Aerosol Science, 29(5/6), 497-509, 1998.

4. Chen, D. R., Pui, D.Y.H., Mulholland, G. W. and Fernandez, M. “Design and testing of an aerosol/sheath inlet for high resolution measurements with a DMA”, Journal of Aerosol Science, 30(8), 983-999, 1999.

5. Fissan, H., Hummes, D., Stratmann, F., Buscher, P., Neumann, S., Pui, D. Y. H. and Chen, D., “Experimental comparison of four differential mobility analyzers for nanometer aerosol measurements”, Aerosol Science and Technology, 24, 1-13, 1996.

6. Graskow, B.R., “Design and development of a fast aerosol size spectrometer”, Ph.D. thesis, University of Cambridge , 2001. 

7. Hummes, D., Stratmann, F., Neumann, S. and  Fissan, S., “Experimental determination of the transfer function of a differential mobility analyzer (DMA) in the nanometer size range”, Particle and Particle System Characterization, 13, 327-332, 1996.

8. Karlsson, N.A., Martinsson, G., “Methods to measure and predict the transfer function size dependence of individual DMAs”, Journal of Aerosol Science, 34, 603-625, 2003.

9. Knutson, E. O. and Whutby, K. T., “Aerosol classification by electric mobility: apparatus, theory, and applications”, Journal of Aerosol Science, 6, 443-451, 1975.

10. Kousaka, Y., Adachi, M., Okuyama, K., Kitaka, N. and Motouchi, T., “Bipolar charging of ultrafine aerosol particles”, Aerosol Science and Technology, 2, 421-427, 1983.

11. Kulon, J., Hrabar, S., Machowski, W. and Balachandran, W., “The bipolar charge measurement system for aerosol classification. IEEE Transactions on Industry Applications, 37(2), 472-479, 2001.

12. Liu, B.Y. and Pui, D.Y.H., “On the performance of the electrical aerosol analyzer”, Journal of Aerosol Science, 6, 249-264, 1975.

13. Lehtimaki, M., “New current measuring technique for electrical aerosol analyzers”, Journal of Aerosol Science, 18(4), 401 – 407, 1987.  

14. Martinsson, B. G., Karlsson, M. N. A. and Frank, G., “Methodology to estimate the transfer function of individual differential mobility analyzers”, Aerosol Science and Technology, 35, 815-823, 2001.

15. Seol, K. S., Yabumoto, J. and Takeuchi, K., “A differential mobility analyzer with adjustable column length for wide particle-size-range measurements”, Journal of Aerosol Science, 33, 1481-1492, 2002.

16. Stolzenburg, M. R., “An ultrafine aerosol size distribution measuring system”, Ph.D. thesis, University of Minnesota , 1988.

17. Tammet, H. F., Jakobson, A. F. and Salm, J. J., “Multichannel automatic air ion spectrometer”, Acta Commentat. Univ. Tartu , 320, 48-75, 1973.

18. Tammet, H., Mirme, A., and Tamm, E., “Electrical aerosol spectrometer of Tartu university”, Atmospheric Research, 62, 315-324, 2002.

19. Whitby, K. T. and Clake, W. E., “Electric aerosol particle counting and size  distribution measuring system for the 0.015 to 1 μm size range”, Tellus, 18, 573-586, 1966.

20. Winklmayr, W., Reischl, G. P., Lindner, A. O. and Berner, A., “A new electromobility spectrometer for the measurement of aerosol size distributions in the size range from 1 to 1000 nm” Journal of Aerosol Science, 22(3), 289 – 296, 1991.

 

 

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด