เนื้อหาวันที่ : 2013-05-02 16:38:37 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 1759 views

ระบบวินิจฉัยความบกพร่องในเซนเซอร์วัดอุณหภูมิ

อุณหภูมิเป็นตัวแปรทางกระบวนการผลิตที่สำคัญตัวหนึ่งที่มีผลต่อการควบคุมกระบวนการผลิต ดังนั้นจึงต้องมีเครื่องมือวัดและเซนเซอร์ที่เหมาะสมและมีความสมบูรณ์ในการติดตั้งเพื่อให้ได้ค่าการวัดที่ถูกต้องแม่นยำ

ระบบวินิจฉัยความบกพร่องในเซนเซอร์วัดอุณหภูมิ
ทวิช ชูเมือง

   อุณหภูมิเป็นตัวแปรทางกระบวนการผลิตที่สำคัญตัวหนึ่งที่มีผลต่อการควบคุมกระบวนการผลิต ดังนั้นจึงต้องมีเครื่องมือวัดและเซนเซอร์ที่เหมาะสมและมีความสมบูรณ์ในการติดตั้งเพื่อให้ได้ค่าการวัดที่ถูกต้องแม่นยำ นอกจากการเลือกใช้เครื่องมือวัดอุณหภูมิให้เหมาะสมกับบริเวณที่ต้องการวัดแล้ว การวินิจฉัยความบกพร่องในตัวเครื่องมือวัดเองหรือจากการติดตั้งที่ไม่เหมาะสม หรืออาจเกิดความบกพร่องมาจากการใช้งานมาเป็นเวลานาน ก็จะเป็นอีกหนทางหนึ่งที่จะช่วยให้ระบบการวัดอุณหภูมิมีความสมบูรณ์แบบมากยิ่งขึ้น

ระบบวินิจฉัยความบกพร่องต่าง ๆ ได้ถูกนำเสนอขึ้นมาเพื่อความสะดวกและสามารถหาสาเหตุของความบกพร่องได้อย่างถูกต้องและรวดเร็ว เทคนิคการวินิจฉัยความบกพร่องรูปแบบหนึ่งที่อยู่บนพื้นฐานการตอบสนองจากสัญญาณกระแสหรือ LCSR (Loop Current Step Response) ก็จะเป็นวิธีการหนึ่งที่ถูกนำมาใช้งานในการวิเคราะห์หรือค้นหาความบกพร่องของการใช้งานเซนเซอร์วัดอุณหภูมิทั้งในแบบ RTD และเทอร์โมคัปเปิล

 

การวัดอุณหภูมิในอุตสาหกรรมด้วยเทอร์โมคัปเปิล
   หลักการทำงานพื้นฐานของการวัดอุณหภูมิด้วยเทอร์โมคัปเปิล เกิดขึ้นจากการนำโลหะต่างชนิดกันมาเชื่อมต่อกันที่ปลายทั้งสองข้าง และเมื่อให้ความร้อนที่ปลายด้านใดด้านหนึ่งจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลอย่างต่อเนื่อง ซึ่งการไหลของกระแสจะเป็นไปตามความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนกับไฟฟ้า เป็นปรากฏการณ์ที่ค้นพบโดย Thomas Seebeck ในปี ค.ศ.1821 วงจรของการเชื่อมต่อโลหะต่างชนิดกันแสดงได้ดังรูปที่ 1

รูปที่ 1 ปรากฏการณ์ของ Seebeck

 

จากรูปที่ 1 ถ้าทำการตัดแยกวงจรนี้ที่จุดกึ่งกลาง จะพบว่าแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตที่จุดปลายทั้งสองของโลหะจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิที่บริเวณจุดต่อและองค์ประกอบของโลหะทั้งสองชนิดดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 แรงดันไฟฟ้า Seebeck


 
จากรูปที่ 2 แรงดันไฟฟ้า Seebeck จะมีการเปลี่ยนแปลงเป็นเชิงเส้นกับอุณหภูมิหรือสามารถเขียนสมการของแรงดันไฟฟ้า Seebeck ได้ดังนี้

 เมื่อ  = ค่าสัมประสิทธิ์ของ Seebeck (Seebeck Coefficient)

 

การวัดอุณหภูมิในอุตสาหกรรมด้วย RTD (Resistance Temperature Detector)
 RTD เป็นความต้านทานที่มีความไวในการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทาน เมื่ออุณหภูมิรอบตัวเปลี่ยนไป โดยจะมีค่าสัมประสิทธิ์ (Coefficient) การเปลี่ยนแปลงความต้านทานต่ออุณหภูมิมีค่าเป็นบวก นั่นคือค่าความต้านทานของวัสดุจะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น


 ค่าความต้านทานจะถูกกำหนดด้วยความยาวและพื้นที่หน้าตัดของวัสดุที่ใช้ทำตัว RTD ซึ่งจะเป็นอัตราส่วนโดยตรงกับความยาวและจะเป็นอัตราส่วนกลับกับพื้นที่หน้าตัด ดังแสดงความสัมพันธ์ได้ดังสมการดังนี้

     
RTD มีการออกแบบง่ายและเป็นรูปแบบที่สามารถนำมาใช้กับเส้นวัสดุที่เป็น Copper, Nickel, Nickel/Iron และ Platinum เส้นวัสดุเหล่านี้จะถูกพันรอบอยู่บนแกนที่เป็นฉนวนและจะถูกปิดทับด้วยฉนวนอีกชั้นหนึ่ง ดังแสดงในรูปที่ 3
    

รูปที่ 3 RTD แบบ Wire-wound

 

 สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางอุณหภูมิของวัสดุที่ใช้ทำแกนต้องมีความเหมาะสมกับการขยายตัวของเส้นวัสดุ RTD เพื่อป้องกันการตึงตัวเส้นวัสดุ RTD ที่พันอยู่บนแกน ความตึงตัวของเส้นวัสดุจะมีผลต่อความแม่นยำในการวัด

 การเลือกใช้งานเซนเซอร์วัดอุณหภูมิแบบ RTD (Resistance Temperature Detector)
และเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouples)


  เครื่องมือวัดอุณหภูมิที่เป็นแบบ RTD (Resistance Temperature Detector) และเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouples) มีการใช้งานในบริเวณที่เฉพาะหรือเหมาะสมสำหรับการนำไปวัดอุณหภูมิในอุตสาหกรรมประเภทต่าง ๆ เครื่องมือวัดอุณหภูมิแบบเทอร์โมคัปเปิลเกือบทั้งหมดจะถูกนำไปใช้ในการวัดอุณหภูมิของอากาศหรือก๊าซ เพราะว่าจะมีค่าความผิดพลาดจากความร้อนของตัวเอง (Self Heating Error) น้อยกว่าเครื่องมือวัดอุณหภูมิแบบ RTD

ซึ่งจะเป็นคุณสมบัติประจำตัวของการวัดอุณหภูมิด้วย RTD จากข้อมูลการใช้งานตั้งแต่ปี 2002 เป็นต้นมา จะมีการใช้เทอร์โมคัปเปิลในการวัดอุณหภูมิในอุตสาหกรรมประมาณ 50–60%, RTD ประมาณ 30-40% และเทอร์มิสเตอร์หรือไพโรมิเตอร์ใช้สำหรับวัดอุณหภูมิที่ต่ำมากและสูงมากตามลำดับ เปอร์เซ็นต์ส่วนแบ่งการใช้งานของ RTD เทียบกับเทอร์โมคัปเปิลมีการเติบโตอย่างต่อเนื่องในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา เนื่องจากผู้ใช้งานมองเห็นว่า RTD มีข้อดีมากกว่าเทอร์โมคัปเปิลในการใช้งานเกือบทั้งหมด

 สำหรับในการใช้งานที่ต้องการความถูกต้องสูง ๆ เป็นความต้องการแรกในการวัดอุณหภูมิ RTD จะเป็นตัวเลือกที่ดีมากกว่าเทอร์โมคัปเปิล ถ้าอุณหภูมิอยู่ในย่านการทำงานของ RTD ซึ่งในการใช้งานสามารถปรับเทียบให้มีผลลัพธ์ ความถูกต้องที่ดีจนถึงน้อยกว่า 1 ใน 10 ขององศา ขณะที่เทอร์โมคัปเปิลไม่สามารถเชื่อถือได้ในความถูกต้องที่ดีกว่า 1 องศา โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูง ๆ

  ผู้วิจัยได้มีความก้าวหน้าในการพัฒนาเครื่องมือวัดใหม่ ๆ ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา รวมไปถึงการผลิตเซนเซอร์อุณหภูมิแบบชาญฉลาด (Smart Temperature Sensor) และระบบอิเล็กทรอนิกส์แบบดิจิตอลในการปรับสภาวะของสัญญาณจากเซนเซอร์และจัดเตรียมการอ่านข้อมูลดิจิตอลออกมา, การควบคุมระบบคอมพิวเตอร์ทำให้ RTD มีข้อดีกว่าเครื่องมือวัดอุณหภูมิแบบทั่วไป (Conventional Industrial Temperature)

  ในภาคทฤษฎีสามารถใช้ RTD ในการวัดอุณหภูมิได้ถึง 1000 องศาเซลเซียส แต่ในการใช้งานจริงแล้ว เป็นเรื่องยากที่จะได้ค่าความถูกต้องในการวัดค่าอุณหภูมิถ้ามีค่ามากกว่า 400 องศาเซลเซียส ในทางคล้ายคลึงกัน สามารถใช้เทอร์โมคัปเปิลในการวัดอุณหภูมิได้ถึง 3000 องศาเซลเซียสหรือมากกว่า แต่ค่าความถูกต้องในการวัดอุณหภูมิจนถึง 1000 องศาเซลเซียสเป็นสิ่งที่ท้าทาย ในการใช้งานการวัดอุณหภูมิหลักในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่การวัดอุณหภูมิจะมีค่าอยู่ระหว่าง 200-400 องศาเซลเซียส เมื่อทั้ง RTD และเทอร์โมคัปเปิลยั้งคงสามารถใช้งานได้และให้สมรรถนะการวัดที่ดีเยี่ยม


   ปัญหาหลักของเซนเซอร์ทั้งสองแบบจะเกิดขึ้นที่การวัดอุณหภูมิสูง ๆ มาก ซึ่งจะเป็นข้อจำกัดของส่วนประกอบวัสดุในการสร้างเซนเซอร์ วัสดุเกือบทั้งหมดจะมีสมรรถนะลดลง (Degrade) หรือมีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติที่อุณหภูมิสูง ๆ และเป็นสาเหตุของเซนเซอร์ในการเกิดความผิดพลาดในการอ่านค่า และอีกส่วนหนึ่งจะเป็นวัสดุฉนวนของเซนเซอร์อุณหภูมิในอุตสาหกรรม จะไม่สามารถทนความร้อนที่ใกล้ 1000 องศาเซลเซียสได้ในช่วงเวลาใด ๆ


   RTD สามารถประกอบด้วย Platinum, Copper, Nickel และสารอื่น ๆ ที่มีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานสูง Nickel มีความไวดีเยี่ยมแต่มีความเป็นเชิงเส้นน้อย และ Copper มีความเป็นเชิงเส้นที่ดี แต่มีย่านการวัดอุณหภูมิที่น้อย ในปัจจุบัน RTD ในอุตสาหกรรมเกือบทั้งหมดจะใช้สาย Platinum ในปัจจุบันมีค่าใช้จ่ายไม่มากกว่าการวัดอุณหภูมิในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิต เป็นข้อโต้เถียงที่เหมือนกันในการใช้เทอร์โมคัปเปิล

 

ปัญหาความร้อนในตัวของ RTD (Self Heating Problem in RTD)
     ในการใช้งานควรจะใช้กระแสน้อย ๆ (ประมาณ 1 ma) ในการวัดความต้านทานของ RTD กระแสค่านี้มีค่าน้อย แต่ก็ยังคงเป็นสาเหตุที่ทำให้ส่วนประกอบ Platinum ในตัว RTD มีค่าความร้อนเพิ่มขึ้นเหนืออุณหภูมิรอบตัว RTD โดยความร้อนจะเป็นสัดส่วนกับกระแส (P=IR2) ใน RTD นอกจากนั้นยังมีตัวแปรในการถ่ายเทความร้อนระหว่างตัว RTD กับสิ่งแวดล้อม ถ้า RTD อยู่ในของไหลที่มีการถ่ายเทความร้อนที่ไม่ดี ดังเช่นอากาศ จะมีความร้อนเพิ่มมากขึ้นกว่าในของไหลที่ถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่าดังเช่น น้ำ


     บางครั้ง RTD ไม่ได้เป็นทางเลือกที่ดีที่สุดในการวัดอุณหภูมิ ในของไหลที่มีการถ่ายเทความร้อนที่ไม่ดีดังเช่น ก๊าซ ในกระบวนการผลิต เพราะว่าความร้อนที่เกิดขึ้นเป็นสาเหตุให้เกิดความผิดพลาดในการวัดอุณหภูมิด้วย RTD ซึ่งเป็นคุณสมบัติประจำตัวของ RTD ทั้งหมด สำหรับการใช้งานในลักษณะนี้เทอร์โมคัปเปิลเป็นทางเลือกที่ดี ถ้าสภาวะของกระบวนการเหมาะสมกับการใช้เทอร์โมคัปเปิล


ความผิดพลาดจากความร้อนในตัวเองของ RTD ปกติน้อยกว่า 1 ใน 10 ขององศาในของไหล แต่มันจะมีค่ามากกว่า 1 องศาหรือมากกว่าในอากาศหรือก๊าซในกระบวนการผลิต

เทอร์โมคัปเปิลสามารถทำให้เกิดจุดต่อที่ไม่จำเป็นหรือจุดต่อที่สองได้ตลอดสายไฟของมันเพราะว่ามีสายไฟในส่วนที่มีอุณหภูมิต่ำ, ความแตกต่างระหว่างส่วนของเทอร์โมคัปเปิลที่อยู่ในกระบวนการผลิตและส่วนที่เหลือของส่วนประกอบเทอร์โมคัปเปิล

ผลกระทบเหล่านี้สามารถทำให้เกิดความไม่เป็นเนื้อเดียวกันตลอดทั้งสายเส้นหนึ่งหรือทั้งสองเส้นของเทอร์โมคัปเปิล ถ้ามีความไม่เป็นเนื้อเดียวกันเกิดขึ้น จะเป็นผลทำให้ความชันสัญญาณเอาต์พุตลดลง ทำให้เกิดแรงดันเอาต์พุตที่ผิดพลาด ซึ่งแรงดันเอาต์พุตนี้อาจจะถูกเพิ่มเข้าไปในสัญญาณเอาต์พุตปกติหรือลบออกจากมัน ขึ้นอยู่กับความลาดชันของอุณหภูมิและตำแหน่งของความไม่เป็นเนื้อเดียว นี้หมายความว่าเทอร์โมคัปเปิลสามารถแสดงค่าความผิดพลาดของอุณหภูมิ บางครั้งเป็นอุณหภูมิลบ นั่นคือในบางครั้งอาจจะเป็นสิ่งที่ทำให้เกิดเหตุการณ์อันตรายขึ้นได้ในโรงงานอุตสาหกรรม

 

ความทนทานต่อการสั่น (Vibration Tolerance)
    โดยปกติ RTD จะประกอบไปด้วยสาย Platinum บาง ๆ พันอยู่รอบ ๆ โครงสร้างที่รองรับ สายที่ขยายออกมาจะถูกเชื่อมต่อที่สาย Platinum RTD จะมีความเสียหายจากความตึงเครียดทางกลที่เกิดขึ้นกับสาย Platinum อาจจะเกิดขึ้นในระหว่างการสร้าง เนื่องจากส่วนประกอบจะต้องมีการดัดและทำให้แน่นหนาอยู่บนด้ามจับ ซึ่งมันจะช่วยให้ RTD อ่อนตัวและผ่อนคลายความตรึงเครียดหลังจากการสร้าง เพราะว่าส่วนประกอบของ RTD มีความอ่อนแอต่อแรงทางกล


  เทอร์โมคัปเปิลโดยทั่วไปมีข้อดีมากกว่าในการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการสั่นสะเทือนหรือความตรึงเครียดจากแรงทางกลหรือทางความร้อน (Thermal Shock) ที่เกิดขึ้นกับเซนเซอร์อุณหภูมิ


     RTD มีการป้องกันสัญญาณรบกวนได้ดีกว่าเทอร์โมคัปเปิลเพราะมันมีเอาต์พุตที่กว้าง ซึ่งสามารถขยายหรือควบคุมได้ดีกว่าในด้านของการเกิดสัญญาณรบกวน บางครั้งเทอร์โมคัปเปิลสามารถทำตัวเหมือนเสารับสัญญาณและสัญญาณเอาต์พุตสามารถถูกรบกวนไปด้วยสัญญาณรบกวน ตัวกรองสัญญาณสามารถช่วยกรองสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นได้ ถ้าความต้องการเวลาตอบสนองจากเทอร์โมคัปเปิลไม่ได้เป็นจุดวิกฤติในการวัดอุณหภูมิ


     เทอร์โมคัปเปิลโดยปกติจะมีเวลาตอบสนองที่ดีกว่า RTD แต่ไม่เสมอไป โดยทั่วไปเทอร์โมคัปเปิลเปลือยจะมีเวลาตอบสนองที่ดีกว่า RTD เปลือย เมื่อใช้งานในเทอร์โมเวลส์ เวลาตอบสนองที่ได้จากเซนเซอร์จะขึ้นอยู่กับระยะช่องว่างอากาศระหว่างเซนเซอร์กับเทอร์โมเวลส์

 

ระบบวินิจฉัยความบกพร่องของเซนเซอร์วัดอุณหภูมิ (Temperature Sensor Diagnostics)
     จากหัวข้อที่ผ่านมาจะเห็นได้ว่าการใช้งาน เครื่องมือวัดอุณหภูมิที่เป็นแบบ RTD และเทอร์โมคัปเปิล จะมีโอกาสในการเกิดความบกพร่องจากการใช้งานได้หลายประการ ในปัจจุบันได้มีการนำเสนอเทคนิคการวินิจฉัยความบกพร่องของเซนเซอร์วัดอุณหภูมิโดยตรงในการวัดอุณหภูมิในโรงงานอุตสาหกรรมการผลิตที่ใช้เซนเซอร์เป็น RTD และเทอร์โมคัปเปิล เทคนิคการวินิจฉัยนี้จะอยู่บนพื้นฐานการตอบสนองจากสัญญาณกระแสหรือ LCSR (Loop Current Step Response) สำหรับใช้งานในการวิเคราะห์หรือค้นหาความบกพร่องของการใช้งานดังต่อไปนี้


1. ทำอย่างไรในการตรวจสอบเซนเซอร์วัดอุณหภูมิที่ติดอยู่กับพื้นผิวในการใช้งานกับยานอวกาศ

2. ตรวจจับจุดต่อที่สอง (Second Connection) ของเทอร์โมคัปเปิลที่ถูกติดตั้งในกระบวนการผลิตขณะกำลังทำงาน

3. การทดสอบจากระยะไกล (Remote) ในการจำแนกตัวเทอร์โมคัปเปิลที่ต่อสลับขั้วกัน

4. การตรวจสอบความเพียงพอในการใส่ RTD และเทอร์โมคัปเปิลในเทอร์โมเวลส์

5. แบ่งแยกปัญหาในเซนเซอร์วัดอุณหภูมิจากปัญหาของสายไฟ

6. การใช้ RTD ในการตรวจจับระดับน้ำในท่อหรือในถัง

7. ตรวจสอบโดยตรงสำหรับการไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (In Homogeneity) ของเทอร์โมคัปเปิล


    ในหัวข้อนี้จะแสดงรายละเอียดการใช้งานเหล่านี้และแสดงว่าจะมีประโยชน์อย่างไรในการนำไปใช้งานกับยานอวกาศและอุตสาหกรรมประเภทอื่น ๆ การทดสอบด้วยวิธี LCSR จะเป็นวิธีการที่เกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนที่เซนเซอร์วัดอุณหภูมิด้วยกระแสไฟฟ้า

    สำหรับ RTD จะใช้ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current) ที่ไหลเข้าไปยัง RTD เป็นสาเหตุให้เกิดความร้อนภายใน RTD วงจร Wheatstone Bridge จะเป็นส่วนหนึ่งของการทดสอบ RTD และระดับสัญญาณกระแสจะเพิ่มจากกระแสเล็กน้อยไปยัง 4–20 มิลลิแอมป์ เพื่อใช้ในการทดสอบด้วยวิธี LCSR

ผลลัพธ์ชั่วขณะจากความร้อนภายในถูกบันทึกที่เอาต์พุตของ Wheatstone Bridge และหลังจากการประมวลผลทางดิจิตอลจะได้การตอบสนองต่อเวลาของ RTD และผลลัพธ์ที่ได้จะใช้เพื่อวินิจฉัย RTD

 สำหรับเทอร์โมคัปเปิล จะใช้ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current) ประมาณ 0.2–2 แอมป์ ขึ้นอยู่กับชนิดของเทอร์โมคัปเปิลและการใช้งาน กระแสไฟฟ้าจะถูกต่อไปยังจุดปลายสายไฟที่ต่อเพิ่มออกมาจากเทอร์โมคัปเปิลและจากนั้น หยุดจ่ายกระแสไฟและทำการบันทึกเอาต์พุตจากเทอร์โมคัปเปิล

สัญญาณเอาต์พุตจะผ่านการวิเคราะห์ในการค้นหาเวลาตอบสนองจากเทอร์โมคัปเปิลหรือวินิจฉัยปัญหาในการติดตั้งเทอร์โมคัปเปิล

การทดสอบด้วยวิธี LCSR จะเป็นสาเหตุให้ RTD หรือเทอร์โมคัปเปิล มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นไป 10–20 องศาเซลเซียส เหนืออุณหภูมิแวดล้อมขึ้นอยู่กับกระแสทั้งหมดที่ใส่เข้าไปและความสามารถของเซนเซอร์ในการกระจายความร้อน

 

ตรวจสอบการยึดติด (Verifying the Attachment)
 เซนเซอร์วัดอุณหภูมิที่ถูกยึดติดและฝังอยู่กับวัสดุของแข็งในการใช้งานหลายรูปแบบและหลาย ๆ ความหมาย การใช้งานเหล่านี้ มีความเกรงกลัวว่าตัวเซนเซอร์สามารถหลวมหลุดหรือแยกออกจากวัสดุของแข็ง เป็นผลทำให้การวัดอุณหภูมิมีความผิดพลาดและมีเวลาการตอบสนองที่ยาวนานกว่าที่ต้องการ การทำงานของวิธี LCSR จะช่วยในการค้นหาว่าเซนเซอร์มีการสัมผัสที่ดีอยู่กับวัสดุของแข็ง วิธีการนี้เป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับการใช้งานกับ RTD, เทอร์โมคัปเปิลและ Strain Gauges ดังแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 แสดงการตอบสนองชั่วขณะของสัญญาณเอาต์พุตจากวิธี LCSR


     
     จากรูปที่ 4 จะเป็นการแสดงการตอบสนองชั่วขณะของสัญญาณเอาต์พุตจากวิธี LCSR สำหรับการทดสอบในห้องทดลองของ RTD แบบ Thin-Film กับระดับความแน่นในการยึดติด จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าสัญญาณจากวิธี LCSR มีความไวในการแสดงระดับความแน่นในการยึดติดระหว่างเซนเซอร์กับวัสดุของแข็ง ต่อไปนี้จะเป็นตัวอย่างในการใช้งานด้วยวิธีดังกล่าว


1)  ในยานอวกาศขององค์การ NASA’s (National Aeronautics and Space Administrations) จะมีระบบการตรวจจับการรั่วในท่อเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์หลักในยานอวกาศ ใช้การวัดอุณหภูมิจาก RTD ที่ถูกติดตั้งอยู่บนพื้นผิวท่อเชื้อเพลิงในระหว่างการใช้งานยานอวกาศ RTD เหล่านี้สามารถเกิดหลวมและส่งผลให้การวัดอุณหภูมิมีค่าต่ำ ซึ่งสามารถใช้วิธี LCSR ในการตรวจสอบการติดตั้งที่เหมาะสมได้

2)  การบุภายในปลายท่อของยานอวกาศทำจากส่วนประกอบวัสดุที่ถูกออกแบบให้สามารถทนความร้อนสูง ๆ ได้ในระหว่างการทำงาน ในการตรวจสอบสมรรถนะของวัสดุใหม่ที่ประกอบขึ้นของปลายท่อ เทอร์โมคัปเปิลจะถูกฝังลงในวัสดุ เพื่อใช้ในการจัดเตรียมข้อมูลอุณหภูมิในระหว่างการใช้งาน ในการทดสอบว่าเทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้ยังคงถูกติดตั้งอยู่ในระหว่างการใช้งาน สามารถใช้วิธี LCSR เพื่อใช้ในการตรวจสอบ รูปที่ 5 เป็นการแสดงผลลัพธ์การทดสอบก่อนและหลังการใช้งานเป็นการแสดงให้เห็นว่าเทอร์โมคัปเปิลไม่อยู่ในตำแหน่งเดิมหลังจากการใช้งาน

รูปที่ 5 การตอบสนองก่อนและหลังการใช้งาน

 

การตรวจจับในเทอร์โมคัปเปิล (Detecting in Thermocouples)
 เมื่อการเชื่อมหรือวิธีการอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการทำให้เกิดความร้อนสูงที่จุดต่อของเทอร์โมคัปเปิลหรือที่จุดวัด อาจจะเกิดจุดต่อที่สองซึ่งเป็นผลลัพธ์จากบริเวณที่สายไฟสองชุดมารวมกันที่บริเวณอื่นที่ไม่ใช่บริเวณที่จุดวัดเนื่องจากอุณหภูมิที่ต่ำกว่า โดยปกติผู้ผลิตเทอร์โมคัปเปิล จะแสดงขั้นตอนที่จะหลีกเลี่ยงปัญหานี้ ถึงอย่างนั้นก็ตาม จุดต่อที่สองก็ยังคงเกิดขึ้นในการใช้งานเทอร์โมคัปเปิล


ผลลัพธ์การวัดเวลาตอบสนองจากการทดสอบด้วยวิธี LCSR ของกลุ่มเทอร์โมคัปเปิลที่ถูกติดตั้งเป็นระบบสำรองในเครื่องจักรทดสอบสำหรับยานอวกาศในส่วนสนับสนุนขององค์การ NASA ถ้าเวลาการตอบสองสำหรับเทอร์โมคัปเปิลตัวหนึ่งมีค่ามากกว่าเทอร์โมคัปเปิลตัวอื่น ๆ ผลลัพธ์จากการสังเกตการณ์นี้หลังจากการสืบสวนพบว่ามีความผิดพลาดในเทอร์โมคัปเปิลที่มีการตอบสนองช้า

ถ้าดูในรายละเอียดที่เฉพาะเจาะจง เทอร์โมคัปเปิลนี้มีจุดต่อสองจุด จุดที่หนึ่งบริเวณหัววัด (Tip) ซึ่งเป็นการตั้งใจและจุดต่อที่สองบริเวณเหนือจุดวัดที่ความยาวหนึ่ง จุดต่อที่สองนี้เองเป็นตัวอย่างปัญหาเพราะว่าจะให้กำเนิดค่าอุณหภูมิที่ผิดพลาดจากผลกระทบเทอร์โมคัปเปิล ในกรณีที่แสดงนี้มันทำให้เกิดผลลัพธ์ที่ไม่ดีของสมรรถนะด้านไดนามิกส์

 

ตรวจจับการสลับขั้ว (Detecting Reverse-connections)
 มีรายงานหลายฉบับที่รายงานถึงการใช้งานเทอร์โมคัปเปิลกลับขั้วในการวัดอุณหภูมิสำหรับโรงงานอุตสาหกรรม เป็นผลทำให้ค่าผลลัพธ์ในการแสดงค่าอุณหภูมิผิดพลาดไปและทำให้เกิดสถานการณ์ที่ไม่ปลอดภัยได้ ดังตัวอย่างหนึ่งการต่อเทอร์โมคัปเปิลกลับขั้วเป็นสาเหตุให้เกิดเพลิงไหม้ในอุตสาหกรรมการประกอบเชื้อเพลิงนิวเคลียร์


 มันเป็นไปได้ในการแสดงให้เห็นการต่อสายเทอร์โมคัปเปิลกลับขั้วด้วยวิธี LCSR เมื่อไม่มีทางอื่นในการแสดงขั้วของเทอร์โมคัปเปิล การใช้งานการทดสอบด้วยวิธี LCSR เป็นสิ่งสำคัญ เพราะว่าขั้วของสายเทอร์โมคัปเปิลเปลือยไม่ง่ายในการจำแนกระหว่างหรือหลังจากการติดตั้งที่อุณหภูมิแวดล้อม ดังเช่นเทอร์โมคัปเปิลชนิด K (Chromel-Alumel) สาย Alumel มีคุณสมบัติเป็นสารแม่เหล็ก ดังนั้นเทอร์โมคัปเปิลชนิดนี้ สามารถใช้แม่เหล็กในการในการตรวจสอบขั้วของสายเทอร์โมคัปเปิล

ส่วนในเทอร์โมคัปเปิลชนิดอื่น ๆ และในบริเวณที่สายเทอร์โมคัปเปิลเปลือยไม่สามารถเข้าถึงหรือมองเห็นได้ วิธี LCSR จะเป็นเครื่องมือที่เป็นประโยชน์อย่างมากในการแสดงขั้วของสายเทอร์โมคัปเปิล


     ช่างเทคนิคแสดงการสลับขั้วของสายเทอร์โมคัปเปิลในการประกอบ ทำการตรวจสอบด้วยการฉายรังสีในห้องทดลอง ในการตรวจสอบแบบนี้ วิธี LCSR วัดเวลาการตอบสนองของเทอร์โมคัปเปิล เพื่อใช้แสดงเทอร์โมคัปเปิลที่ถูกต่อสลับขั้ว เป็นการตรวจพบที่มีความสำคัญมาก เพราะจะช่วยลดค่าใช้จ่ายและความพยายามว่ามีความต้องการในการทำการทดสอบฉายรังสีซ้ำอีกครั้ง


    
การตรวจสอบความเพียงพอในการใส่ RTD และเทอร์โมคัปเปิลในเทอร์โมเวลส์
 เซนเซอร์วัดอุณหภูมิทั้งที่เป็นแบบ RTD หรือเทอร์โมคัปเปิล โดยทั่วไปจะอยู่ในตำแหน่งที่ใกล้บริเวณจุดวัดให้มากที่สุด ดังนั้นมันจึงมีความสำคัญสำหรับ RTD หรือเทอร์โมคัปเปิลที่ถูกติดตั้งในเทอร์โมเวลส์ ซึ่งต้องให้เซนเซอร์เข้าไปถึงปลายสุดของเทอร์โมเวลส์ สาเหตุต่าง ๆ ที่มีความสำคัญต่อการตอบสนองทางไดนามิกส์ของเซนเซอร์วัดอุณหภูมิจะเป็นดังนี้


- ช่องว่างอากาศ
- การติดขัดในเทอร์โมเวลส์
- ความสกปรกของเซนเซอร์
- การเชื่อมต่อกันของทั้งสองส่วนที่บริเวณจุดวัด


     ถ้าเซนเซอร์อยู่ห่างจากบริเวณจุดที่ต้องการวัด ผลลัพธ์การแสดงค่าอุณหภูมิจากเซนเซอร์สามารถเกิดความผิดพลาดได้ ดังนั้นการตรวจสอบความยาวเซนเซอร์ที่ใส่เข้าไปในเทอร์โมเวลส์จึงเป็นประโยชน์อย่างมาก วิธี LCSR สามารถดำเนินการตรวจสอบดังกล่าวได้ นั่นคือการทดสอบด้วยวิธี LCSR สามารถบอกได้ว่า ถ้า RTD หรือเทอร์โมคัปเปิลถูกใส่เข้าไปไม่ถึงปลายของเทอร์โมเวลส์ และไม่ว่าจะเป็นการขัดขวางหรือความสกปรกในจุดเชื่อมต่อกันของทั้งสองส่วนที่บริเวณจุดวัด ต่อไปเป็นตัวอย่างผลลัพธ์จากการทดสอบ


1)  ตารางแสดงผลลัพธ์การทดสอบด้วยวิธี LCSR ที่ถูกดำเนินการสำหรับแสดงและแก้ไขปัญหาการใส่ RTD ในเทอร์โมเวลส์ ผลลัพธ์เหล่านี้มาจากการใช้งานในโรงงานนิวเคลียร์ เมื่อผู้ปฏิบัติงานใช้วิธี LCSR ที่สภาวะการหยุดทำงาน (Cold Shutdown Condition) ในการตรวจสอบความเหมาะสมในการติดตั้ง RTD ในเทอร์โมเวลส์ ในตารางแสดงค่าเวลาตอบสนอง 2 ค่าสำหรับในแต่ละ RTD ที่สภาวะการหยุดทำงาน


     ค่าแรก (AS Found) ถูกวัดในระหว่างการเริ่มต้นทดสอบ RTD ในการตรวจสอบการติดตั้งที่เหมาะสม สำหรับ RTD ที่มีปัญหาในการติดตั้ง การทดสอบครั้งที่สองเกิดขึ้นหลังจากปัญหาได้ถูกแก้ไขไปแล้ว


     ค่าที่สอง (As Left) เป็นเวลาตอบสนองหลังจากที่ได้แก้ไขปัญญาไปแล้ว สาเหตุของปัญหาได้ถูกแสดงในตารางพร้อมกับการแก้ไขที่ถูกต้อง ในบางกรณีปัญหาได้ถูกแก้ไขโดยการทำความสะอาดที่เทอร์โมเวลส์และในกรณีอื่น ๆ การทำความสะอาดอย่างเดียวไม่สามารถทำให้ค่าการตอบสนองกลับสู่ค่าที่ยอมรับได้ ในกรณีเหล่านี้มีความจำเป็นที่ต้องเปลี่ยน RTD หรือเทอร์โมเวลส์

สิ่งสังเกตเวลาตอบสนองที่แสดงที่สภาวะการหยุดทำงานจะไม่เหมือนกับเวลาตอบสนองที่ได้มาจากในระหว่างที่กระบวนการผลิตทำงานปกติ เนื่องจากผลกระทบสภาวะกระบวนการผลิตบนเวลาตอบสนองของ RTD


2)  ในบางกระบวนการผลิตจะใช้เทอร์โมคัปเปิลที่มีความยาวใส่เข้าไปในเทอร์โมเวลส์ ให้เข้าไปถึงบริเวณที่อุณหภูมิสูงในกระบวนการผลิต ในการใช้งานแบบนี้ การทดสอบด้วยวิธี LCSR สามารถทำให้แน่ใจว่าเทอร์โมคัปเปิลใส่เข้าไปถึงปลายเทอร์โมเวลส์ ผลลัพธ์เพิ่มเติมที่ได้จากการตรวจสอบการติดตั้งเทอร์โมคัปเปิล กลุ่มของเทอร์โมคัปเปิลที่คล้ายคลึงกันในเทอร์โมเวลส์เดียวกันถูกทดสอบภายใต้สภาวะกระบวนการผลิตเดียวกัน เทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้ควรจะมีผลตอบสนองที่ใกล้เคียงกัน

เนื่องจากทั้งหมดถูกติดตั้งในสภาวะกระบวนการผลิตเดียวกัน อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์จากการทดสอบด้วยวิธี LCSR สำหรับเทอร์โมคัปเปิลที่มีความแตกต่างกัน นั่นคือเทอร์โมคัปเปิลมีเวลาการตอบสนองที่แตกต่างกันมาก ความหลากหลายในเวลาการตอบสนองเนื่องจากความแตกต่างกันในขนาดของเซนเซอร์และเทอร์โมเวลส์ และขนาดที่แตกต่างกันของช่องว่างอากาศที่จุดวัดของเทอร์โมคัปเปิลและเทอร์โมเวลส์ในการประกอบ

 

ปัญหาใน RTD หรือปัญหาในสายไฟ (RTD or Cable Problem)
     เมื่อดำเนินการแก้ไขปัญหาการติดตั้ง RTD ด้วยวิธีการ TDR (Time Domain Reflectometry) และวิธี LCSR ในเวลาเดียวกัน สามารถเป็นประโยชน์อย่างมากในด้านการค้นหาปัญหาที่เกิดขึ้นใน RTD หรือในสายไฟ ในการใช้งานการทดสอบ LCSR สามารถเป็นส่วนส่งเสริมผลลัพธ์ ของวิธีการ TDR ในการแสดงจุดต่อที่หลวม, ความชื้นใน RTD, ความชื้นในหัวต่อหรือการสั่นของส่วนประกอบ RTD ตัวอย่างของการทดสอบด้วยวิธี TDRและวิธี LCSR

ในเวลาเดียวกันมีผลดีอย่างไรในการตรวจจับความชื้นใน RTD ถ้ามีความชื้นเข้าไปใน RTD จะมีผลต่อรูปแบบผลลัพธ์ของวิธี TDR และวิธี LCSR โดยเฉพาะอย่างยิ่งเวลาการตอบสนองของ RTD โดยทั่วไปจะลดลงเมื่อมีความชื้นเข้าไปและผลลัพธ์จากการทดสอบด้วยวิธี LCSR จะมีสัญญาณรบกวนหรือความไม่แน่นอน

การทดสอบด้วยวิธี TDR ดำเนินการด้วยการส่งพัลส์ผ่านเข้าไปยังสายไฟในตำแหน่งที่มีการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ตลอดความยาวสายไฟ ถ้าปัญหาไม่ได้เกิดขึ้นในสายไฟแต่เกิดขึ้นในเซนเซอร์ การทดสอบด้วย วิธี LCSR สามารถช่วยได้อย่างยอดเยี่ยมระหว่างปัญหาในสายไฟและปัญหาในเซนเซอร์

 

ระดับน้ำในถัง (Water Level in Vessel)
     ในกระบวนการผลิตเมื่อ RTD หรือเทอร์โมคัปเปิลถูกติดตั้งอยู่ในตำแหน่งที่จมอยู่ในของเหลวในสภาวะการใช้งานปกติ การทดสอบด้วย วิธี LCSR จะสามารถช่วยค้นหาได้ว่ามีหรือไม่มีของเหลวในท่อหรือในถัง การใช้งานในรูปแบบนี้ด้วยการทดสอบด้วย วิธี LCSRจะมีประโยชน์อย่างมากในความพยามยามให้กระบวนการผลิตกลับมาใช้งานได้อีกในระหว่างการเกิดอุบัติเหตุที่โรงงานนิวเคลียร์ Three Mile Island ในอเมริกาในปี 1979

 สำหรับรายละเอียดของการทดสอบ ดำเนินการโดยช่างเทคนิคใช้การทดสอบด้วย วิธี LCSRบน RTD ที่ถูกติดตั้งไปแล้วในระบบหล่อเย็นหลักของโรงงานนิวเคลียร์

ในการค้นหาว่ามีอากาศหรือมีน้ำในท่อ โดยในท่อที่ทำการตรวจสอบจะติดตั้ง RTD จำนวน 3 ตัวมีระยะห่างกัน 120 องศารอบ ๆ ท่อ ค่าอุณหภูมิเฉลี่ยที่อ่านได้จากRTD ทั้ง 3 ตัวจะถูกใช้เป็นประโยชน์ในการแสดงค่าอุณหภูมิกระบวนการผลิต RTD ที่ด้านบนของท่อที่อยู่ในอากาศจะมีค่าเวลาตอบสนองที่ช้า เมื่อทดสอบด้วย วิธี LCSR นี้เป็นเพียงหนึ่งตัวอย่างที่แสดงว่าการทดสอบด้วย วิธี LCSR ทำงานอย่างไรกับ RTD ที่ถูกติดตั้งไปแล้วในกระบวนการผลิตในการค้นหาอุณหภูมิล้อมรอบ เมื่อไม่มีหนทางในการค้นหาค่าเหล่านี้

 

รอยร้าวในเทอร์โมคัปเปิล (Flaws in Thermocouples)
     รอยร้าวที่อาจเกิดขึ้นบนตัวเทอร์โมคัปเปิลจะเป็นสาเหตุของความไม่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้ในเทอร์โมคัปเปิล ถ้าสายเทอร์โมคัปเปิลเกิดความตึงเครียดทางกลหรือทางความร้อน และจะเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่า Seebeck Coefficient ของวัสดุเทอร์โมคัปเปิล ผลลัพธ์ที่ตามมาจะทำให้เกิดความผิดพลาดในการอ่านค่าอุณหภูมิได้


 ปัญหานี้สามารถถูกตรวจจับได้โดยใช้หลายวิธีการ สำหรับเทอร์โมคัปเปิลที่ยังไม่ถูกติดตั้งหรืออยู่ในระหว่างการผลิต วิธีการง่าย ๆ โดยใช้ปืนความร้อนส่องไปที่ตัวเทอร์โมคัปเปิลและเคลื่อนไปตลอดความยาวของเทอร์โมคัปเปิล ขณะเดียวกันก็ทำการสังเกตค่าสัญญาณเอาต์พุตที่ได้จากตัวเทอร์คัปเปิลที่ทำการทดสอบ การเปลี่ยนแปลงสัญญาณเอาต์พุตอย่างทันทีทันใดจะเกิดขึ้นเมื่อถึงบริเวณที่เทอร์โมคัปเปิลมีความไม่เป็นเนื้อเดียวกันถูกให้ความร้อน

นอกจากนั้นสามารถตรวจสอบได้โดยใช้ของเหลวร้อนแทนการใช้ปืนความร้อน สำหรับการตรวจสอบด้วยวิธีแบบนี้ ตัวเทอร์โมคัปเปิลจะถูกจุ่มลงช้า ๆ ในอ่างของเหลวร้อน ขณะที่สังเกตค่าเอาต์พุตที่ได้จากตัวเทอร์โมคัปเปิล การทดสอบต้องอาศัยความชำนาญในการทดสอบบนเทอร์โมคัปเปิล รวมไปถึงอุปกรณ์ที่ให้ค่าเอาต์พุตสูงๆในระยะความยาวสั้นๆ


 สำหรับเทอร์โมคัปเปิลที่ถูกติดตั้งไปแล้ว การทดสอบด้วย วิธี LCSR อาจจะมีความเสี่ยงในการจัดเตรียมเพื่อใช้ค้นหาความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งจะทำงานได้ไม่ดีสำหรับความไม่เป็นเนื้อเดียวกันขนาดเล็กๆ

 เอกสารอ้างอิง
[1] H.M. Hashemian,”RTDs VS Themocouples: Measuring industrial temperatures”, Intech, September 2003
[2] H.M. Hashemian,”Temperature sensor diagnostics”, Intech, June 2006
[3] ทวิช ชูเมือง, “Industrial Instrumentation Engineering and Design Part II: Instrument Engineering and Selection, Chapter 7 Temperature instrument,” บริษัท ดวงกมลสมัย จำกัด, 2549.

 

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