เนื้อหาวันที่ : 2006-09-04 16:55:15 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 9854 views

การวัดความดันสูงและสุญญากาศ

ความดันสูงเป็นปริมาณเชิงเปรียบเทียบซึ่งขึ้นอยู่กับลักษณะงานที่นำไปใช้ เช่นในงานผลิตเครื่องเพชร ความดันจะอยู่ที่ประมาณ 100,000 ปอนด์/ตารางนิ้วความดันเกจ (6,900 บาร์) หรือมากกว่านี้ ในขณะที่งานขึ้นรูปพลาสติกจะใช้ความดันประมาณ 10,000 ปอนด์/ตารางนิ้วความดันเกจ (690 บาร์) โดยทั่ว ๆ ไปแล้วความดันที่เกิน 1,000 ปอนด์/ตารางนิ้วความดันเกจ (69 บาร์) จัดว่าเป็นความดันสูง

ความดันสูงเป็นปริมาณเชิงเปรียบเทียบซึ่งขึ้นอยู่กับลักษณะงานที่นำไปใช้ เช่นในงานผลิตเครื่องเพชร ความดันจะอยู่ที่ประมาณ 100,000 ปอนด์/ตารางนิ้วความดันเกจ (6,900 บาร์) หรือมากกว่านี้ ในขณะที่งานขึ้นรูปพลาสติกจะใช้ความดันประมาณ 10,000 ปอนด์/ตารางนิ้วความดันเกจ (690 บาร์) โดยทั่ว ๆ ไปแล้วความดันที่เกิน 1,000 ปอนด์/ตารางนิ้วความดันเกจ (69 บาร์) จัดว่าเป็นความดันสูง

.

..

ในงานอัดขึ้นรูป ความดันสูงที่ใช้มักจะเกิดขึ้นพร้อมกับอุณหภูมิสูงและวัสดุซึ่งมีความเหนียวมักจะอุดอยู่ตามรู ที่วัสดุเคลื่อนที่ผ่าน ดังนั้นอุปกรณ์วัดความดันซึ่งต้องติดตั้งให้ได้ระดับกับผิวภายในของท่อนั้น โดยปกติแล้วมักจะถูกหล่อเย็นอย่างต่อเนื่อง เพื่อป้องกันการเสียหาย

.

การออกแบบความดันสูง

ในกรณีของปุ่มกดแบบทวนสัญญาณ (รูปที่ 1A) แผ่นไดอะแฟรมสามารถที่จะใช้วัดความดันได้สูงถึง 10,000 ปอนด์/ตารางนิ้วความดันเกจ และสามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงถึง 8000 องศาฟาเรนไฮต์ (4300 องศาเซลเซียส) เนื่องจากมีระบบระบายความร้อนภายในตัว อุปกรณ์นี้ทำงานโดยให้การสมดุลของแรงที่เกิดขึ้นระหว่างความดันภายในระบบที่จะถูกวัด (P1) ซึ่งกระทำบนแผ่นไดอะแฟรมที่ใช้เป็นเซนเซอร์กับความดันที่ออกสู่อากาศภายนอก (P2) ที่กระทำบนไดอะแฟรมแบบคานชั่งน้ำหนัก ดังรูปที่ 1A ความดันที่ออกสู่อากาศภายนอกจะเปลี่ยนแปลงไปตามความดันภายในระบบตามอัตราส่วนพื้นที่ของแผ่นไดอะแฟรมทั้งสอง เช่น ในกรณีที่อัตราส่วนระหว่างพื้นที่ของแผ่นไดอะแฟรมทั้งสองเป็น 200 ต่อ 1  ถ้าความดันภายในระบบเพิ่มขึ้นเป็น 1000 ปอนด์/ตารางนิ้วความดันเกจ จะทำให้ความดันที่ออกสู่อากาศภายนอกสูงขึ้นเป็น 5 ปอนด์/ตารางนิ้วความดันเกจ ตัวปุ่มกดแบบทวนสัญญาณนั้นสามารถติดตั้งภายในท่อที่ปล่อยกระแสไฟฟ้าโดยให้แผ่นไดอะแฟรมซึ่งทำมาจากสแตนเลสเกรด 316 อยู่ในระดับเดียวกันกับผิวด้านในของท่อระบบหล่อเย็นภายในโดยการไหลผ่านของอากาศภายในตัวอุปกรณ์นั่นเอง

.

รูปที่ 1 อุปกรณ์วัดความดันแบบทางกล

.

อุปกรณ์วัดความดันที่เป็นระบบทางกลอีกประเภทหนึ่ง คือท่อบูร์ดองแบบเกลียว (Helical Bourdon) (รูปที่ 1B) อุปกรณ์ประกอบด้วยขดลวด ซึ่งอาจจะมากถึง 20 ขดและสามารถวัดความดันได้มากกว่า 10,000 ปอนด์/ตารางนิ้วความดันเกจ วัสดุมาตรฐานที่ใช้ทำขดลวดคือสแตนเลสที่ใช้สำหรับงานหนัก และมีความคลาดเคลื่อนในการวัดประมาณ 1 เปอร์เซ็นต์ของความยาวช่วงท่อบูร์ดองแบบเกลียว เหมาะสำหรับงานที่มีความดันเปลี่ยนแปลงเสมอ อย่างไรก็ตาม ต้องมีการป้องกันการอุดตันที่อาจจะเกิดขึ้นได้ อุปกรณ์ชนิดนี้สามารถตรวจจับการเคลื่อนที่ของปลายตำแหน่งการเคลื่อนที่ ด้วยวิธีใยแก้วนำแสงแทนการใช้ระบบทางกล ซึ่งจะลดข้อผิดพลาดหรือความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากความเสียดทานในระบบที่มีการเชื่อมโยงทางกล ในระบบใยแก้วนำแสงนั้นจะใช้ตัวไดโอดอ้างอิงเพื่อชดเชยความคลาดเคลื่อนที่เกิดขึ้นจากอายุการใช้งานของแหล่งกำเนิดลำแสง หลักการแปรผันของอุณหภูมิ และสิ่งสกปรกหรือฝุ่นละออง เนื่องจากการเคลื่อนที่ของปลายตำแหน่งการเคลื่อนที่นั้น โดยปกติแล้วจะเป็นระยะทางสั้น ๆ (0.02 นิ้ว) ความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากสมมุติฐานและความสามารถในการอ่านซ้ำ จึงมีน้อยและไม่ส่งผลต่อค่าที่วัดได้ อุปกรณ์แบบใยแก้วนี้สามารถวัดความดันได้สูงถึง 60,000 ปอนด์/ตารางนิ้วความดันเกจ

.

เครื่องทดสอบแบบใช้น้ำหนัก (รูปที่ 1C) มักจะถูกใช้เป็นอุปกรณ์มาตรฐานในการปรับเทียบอุปกรณ์วัดความดันแบบความดันสูง ตัวเครื่องทดสอบจะสร้างความดันในการทดสอบอ้างอิง เมื่อมีน้ำหนัก (ตามมาตรฐาน NIST) กระทำต่อกระบอกสูบ จะส่งผลให้เกิดความดันในของเหลวที่บรรจุภายใน NIST ได้พบว่าความดันที่สูงกว่า 40,000 ปอนด์/ตารางนิ้วความดันเกจ ค่าความถูกต้องของการทดสอบจะอยู่ที่ 1.5:10,000 ในขณะที่ความแม่นยำของตัวทดสอบในอุตสาหกรรมอยู่ที่ 1:1000 หรือ 0.1 เปอร์เซ็นต์

.

ในส่วนของอุปกรณ์วัดความดันสูงแบบอิเล็กทรอนิกส์นั้น สเตรนเกจสามารถที่จะวัดความดันได้สูงที่สุด โดยปกติแล้วสเตรนเกจ สามารถวัดความดันได้มากกว่า 100,000 ปอนด์/ตารางนิ้วความดันเกจ และให้ค่าความถูกต้องได้ถึง 0.1 เปอร์เซ็นต์ของช่วงการวัด หรือ 0.25 เปอร์เซ็นต์ของมาตรวัดบนหน้าปัด อย่างไรก็ตามต้องมีการปรับเทียบเพื่อชดเชยผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซึ่งอาจจะทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนในการวัดเพิ่มขึ้นได้ถึง 0.25 เปอร์เซ็นต์

.

อุปกรณ์วัดความดันแบบอิเล็กทรอนิกส์แบบอื่น ๆ เช่นเครื่องวัดระดับไฟฟ้า ตัวนำไฟฟ้า สามารถวัดความดันได้สูงถึง 10,000 ปอนด์/ตารางนิ้วความดันเกจ แต่ไม่สามารถวัดความดันได้สูงเท่าเทียมกับสเตรนเกจ

.

ความดันระดับสูง

ชุดตรวจวัดความดันแบบบัลบ์ประกอบด้วย ชุดตรวจวัดแบบทรงกระบอกและก้าน (รูปที่ 2) ในการวัดความดัน ตัวชุดตรวจวัดจะถูกกดและเคลื่อนที่ไปทางขวาและเกิดการหดตัว ทำให้ก้านชุดตรวจวัดเคลื่อนที่ออกไปมากขึ้น การเคลื่อนที่ของก้านชุดตรวจวัดจะถูกเปลี่ยนไปเป็นค่าความดันที่เกิดขึ้น และการไวต่ออุณหภูมิของอุปกรณ์นี้มีลักษณะเช่นเดียวกับอุปกรณ์วัดความดันแบบขยายตัวแบบอื่น ๆ ข้อได้เปรียบของอุปกรณ์ประเภทนี้คือ มีการตอบสนองต่อความดันรวดเร็วและมีความปลอดภัย ชุดตรวจวัดความดันแบบบัลบ์นั้นสามารถวัดความดันได้สูงถึง 200,000 psig ด้วยความคลาดเคลื่อน 1-2 เปอร์เซ็นต์ของมาตรวัด

.

รูปที่ 2 ชุดตรวจวัดความดันแบบบัลบ์

.

อุปกรณ์วัดความดันสูงแบบอื่น ๆ ที่ใช้ลวด แมงกานีส โครเมียมทอง ทองคำขาว หรือตัวนำไฟฟ้า พันรอบแกนกลาง ซึ่งความต้านทานทางไฟฟ้าของวัสดุที่ใช้ทำลวดนั้นจะเปลี่ยนแปลงไปตามสัดส่วนของความดันที่กระทำบนผิวของลวด วัสดุนี้จะไม่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิมากนัก ความสัมพันธ์ของความดันที่วัดกับค่าความต้านทานที่เปลี่ยนไปของแมงกานีสเป็นบวกและเป็นเชิงเส้น แมงกานีสสามารถวัดความดันได้ถึง 400,000 psig ด้วยความแม่นยำในการวัดได้ถึง 0.1–0.5 เปอร์เซ็นต์ของค่าสูงสุดที่สามารถวัดได้ ข้อจำกัดของการใช้แมงกานีสคือความเปราะบางของวัสดุ ทำให้ง่ายต่อการเสียหายจากคลื่นความดันและความหนืดของแข็งบางชนิดหลอมตัวที่ความดันสูง ๆ การเปลี่ยนสถานะนี้สามารถใช้เป็นตัวบ่งบอกความดันที่เกิดขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น บิสมัทหลอมตัวที่ความดัน 365,000–375,000 psig เมื่อเกิดการหลอมตัวทำให้ปริมาตรลดลง วัสดุอื่น ๆ เช่น ปรอท ก็มีลักษณะเช่นเดียวกันซึ่งสามารถใช้เป็นสัญญาณบ่งบอกถึงความดันเมื่อถึงค่า ๆ หนึ่งได้ โดยสังเกตการเปลี่ยนแปลงสถานะนั่นเอง

.

การวัดความดันที่ตำกว่าความดันบรรยากาศ

วิศวกรได้เริ่มสนใจการวัดความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศ เป็นครั้งแรกในปี ค..1600 เมื่อพวกเขาสังเกตว่าเขาไม่สามารถปั๊มน้ำขึ้นไปที่ระดับความสูงกว่า 30 ฟุตได้ ดยุคแห่งแคว้นทัสคานีในอิตาลี ได้สั่งการให้กาลิเลโอ (Galileo) ตรวจสอบปัญหาดังกล่าว กาลิเลโอและคนอื่น ๆ ในสมัยนั้นได้สร้างอุปกรณ์ทดลอง เพื่อตรวจสอบคุณสมบัติของอากาศขึ้น เครื่องมือชนิดหนึ่งที่ใช้ในการทดสอบคือ ชุดอุปกรณ์ลูกสูบที่ใช้วัดแรงและระดับน้ำบาร์โรมิเตอร์ซึ่งสูงประมาณ 34 ฟุต เพื่อใช้วัดความดันสุญญากาศ

.

หลังจากที่กาลิเลโอ ได้เสียชีวิตไปในปี ค.. 1642 เอเวียงเจลลิสตา ทอร์ริเซลล์ลิ (Evangelista Torricelli) ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับความดันสุญญากาศต่อ และได้สร้างบาร์โรมิเตอร์แบบปรอทขึ้น (รูปที่ 3) เขาได้ค้นพบว่าอากาศในชั้นบรรยากาศมีแรงกระทำ 14.7 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi) และในท่อที่ไม่มีอากาศความดันนี้สามารถดันปรอทภายในท่อให้ขึ้นสูงถึง 29.9 นิ้ว (760 มม.) ดังนั้นความสูงของปรอทจึงเป็นการวัดค่าความดันของชั้นบรรยากาศโดยตรงนั่นเอง ในปี ค.. 1644 เบลอิส ปาสคาล (Baise Pascal) ซึ่งเป็นนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้ขอให้กลุ่มของเขานำบาร์โรมิเตอร์ขึ้นไปบนเทือกเขาแอลป์และได้พิสูจน์ว่าความดันของบรรยากาศลดลงเมื่อความสูงจากระดับน้ำทะเลเพิ่มขึ้น ค่าเฉลี่ยความดันของบาร์โรมิเตอร์ที่ระดับน้ำทะเลน้ำหนักของลำปรอทที่มีความสูง 760 มม. และความดันนี้ได้ถูกนิยามให้เป็น ความดันบรรยากาศมาตรฐานค่าอัตราส่วนของ 1/760 ของความดันบรรยากาศได้ถูกเรียกว่า ทอร์ (Torr) เพื่อเป็นเกียรติแก่ ทอร์ลิเซลล์ลิ (Torricelli) ผู้ค้นพบนั่นเอง

.

รูปที่ 3 การทำงานของบาร์โรมิเตอร์

.

ในปี ค..1872 แมคลอยด์ (McLeod) ได้สร้างอุปกรณ์วัดความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศขึ้นเรียกว่า เกจวัดความดันแบบแมคลอยด์ อุปกรณ์ดังกล่าวใช้หลักการเปรียบเทียบปริมาณก๊าซที่วัดได้ โดยต้องมีการวัดปริมาณก๊าซ 2 ครั้ง ครั้งแรกวัดปริมาณที่ความดันต่ำที่ต้องการทราบค่าและครั้งที่ 2 วัดปริมาณที่ความดันอ้างอิงซึ่งมีค่าสูงกว่าในครั้งแรก ค่าปริมาณของก๊าซที่วัดได้ครั้งหลังจะเป็นการบ่งบอกความดันสัมบูรณ์ของความดันที่ต้องการทราบค่านั่นเอง เกจวัดความดันแบบแมคลอยด์ ได้ถูกใช้มาอย่างต่อเนื่องและใช้เป็นอุปกรณ์มาตรฐานในการเปรียบเทียบเกจวัดความดันต่ำกว่าบรรยากาศจนกระทั่งปัจจุบัน

.

การประยุกต์การใช้งาน

เกจวัดความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศ ที่ใช้ในปัจจุบันสามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภทคือ แบบใช้ระบบทางกล แบบใช้ระบบทางความร้อนและแบบประจุที่จับขั้วไฟฟ้า ช่วงการวัดความดันแต่ละประเภทได้แสดงไว้ในรูปที่ 4 โดยทั่วไปแล้วสำหรับการวัดความดันแบบที่ต่ำกว่าบรรยากาศมาก คือประมาณ 10-6 ทอร์ นั้นชุดอุปกรณ์แบบขั้วลบ หรือเกจขั้วลบแบบเบยาร์ดอัลเพิท (Bayard–Alpert) นั้นเป็นอุปกรณ์ที่มีความเหมาะสม อย่างไรก็ตามอุปกรณ์ทั้ง 2 แบบนั้นไม่มีความถูกต้องหรือเสถียรมากนัก และจะต้องทำการเปรียบเทียบหรือปรับเทียบอยู่เสมอ ๆ

.

รูปที่ 4 ตารางเกจวัดความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศ

.

สำหรับความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศในช่วงมิลลิทอร์ เราสามารถเลือกใช้เกจวัดประจุขั้วลบแบบร้อนได้ สำหรับการวัดที่ต้องการความถูกต้องมากขึ้นในช่วงความดันนี้เราสามารถเลือกใช้มาร์โนมิเตอร์ที่มีความสามารถสูง สำหรับความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศในช่วงปานกลาง คืออยู่ระหว่าง 10-4 ถึง 10-2 ทอร์ มาร์โนมิเตอร์ที่มีความสามารถสูง เป็นอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพดีที่สุดแต่แน่นอนว่ามีราคาแพงมากด้วยเช่นกัน เครื่องมือวัดที่มีราคาต่ำที่สุดคือ เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple) แต่ก็มีความคลาดเคลื่อนในการวัดมากที่สุดด้วยเช่นกัน เราสามารถเลือกที่จะใช้เกจวัดแบบพิรานิแบบตัวเลข ซึ่งมีความถูกต้องแม่นยำที่ต่ำกว่า เกจที่มีความสามารถสูงและสูงกว่าเทอร์โมคัปเปิล ได้เช่นเดียวกัน สำหรับช่วงความดันต่ำระหว่างความดันชั้นบรรยากาศกับ 10-6 ทอร์ นั้นเราสามารถเลือกใช้เซนเซอร์แบบ ท่อบูร์ดอง เบลโล สเตรนเกจ และเซนเซอร์แบบประจุไฟฟ้าได้

.
การออกแบบทางกล

เกจวัดทางกล หรือเกจที่ใช้ระบบทางกล สามารถวัดความดันหรือความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศ โดยใช้การยืดหรือหดตัวของแกนท่อหรือไดอะแฟรม เมื่อเกิดผลต่างของความดันที่เกิดขึ้น โดยทั่วไปแล้วด้านหนึ่งของแกนท่อหรือไดอะแฟรมจะสัมผัสกับความดันสุญญากาศอ้างอิง และอีกด้านหนึ่งจะวัดความดันที่ต้องการโดยการวัดการยืดหรือหดตัวของแกนท่อหรือไดอะแฟรม ซึ่งเกิดผลต่างของความดันขึ้นทั้ง 2 ด้าน

.
ท่อบูร์ดองแบบควอตซ์

ท่อบูร์ดองแบบควอตซ์ นั้นมีลักษณะคล้ายบูร์ดองแบบทั่วไป แต่ใช้ส่วนประกอบของเกลียวที่ทำจากผลึกหินและใช้การยืดหรือหดตัวของเกลียวในการหมุนแทนที่การใช้ระบบทางกล ที่ใช้ในท่อบูร์ดองทั่วไป เมื่อใช้ท่อบูร์ดองแบบควอตซ์ในการวัดความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศที่ปลายทั้ง 2 ด้านของเกลียวจะสามารถวัดความดันได้โดยปลายอ้างอิงจะมีความดันสุญญากาศอ้างอิง และปลายอีกด้านจะสัมผัสกับความดันที่ต้องการวัด ความดันที่แตกต่างกันของปลายทั้งสอง ทำให้เกิดมุมสะท้อนของแสงที่แตกต่างกันซึ่งจะถูกวัดด้วยวิธีใยแก้วนำแสง ค่าที่อ่านได้มีความละเอียดสูงถึงประมาณ 1:100,000 ข้อดีของเครื่องมือวัดประเภทนี้คือมีความแม่นยำสูงและทนต่อการกัดกร่อนซึ่งเป็นคุณสมบัติของควอตซ์ แต่มีข้อเสียคือราคาสูงนั่นเอง

.
มาร์โนมิเตอร์

มาร์โนมิเตอร์แบบพื้นฐานทั่วไปประกอบด้วยภาชนะที่บรรจุของเหลวและท่อในแนวตั้ง (รูปที่ 5) เมื่อต้องการวัดความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศ ปลายด้านบนของท่อในแนวตั้งจะถูกปิดและทำการดูดอากาศภายในออก มาร์โนมิเตอร์ที่ไม่มีถังบรรจุอากาศคือท่อตัวยู ซึ่งมีปลายด้านหนึ่งใช้ดูดอากาศออกส่วนปลายอีกด้านจะสัมผัสกับความดันที่ต้องการวัด (รูปที่ 5A) ความสูงของระดับของของเหลวที่แตกต่างกันในท่อตัวยูจะเป็นตัวบ่งชี้ความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศนั่นเอง มาร์โนมิเตอร์แบบลาดเอียง ประกอบด้วยท่อซึ่งต่อเป็นมุมเอียง (รูปที่ 5D) เมื่อความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศที่ต้องการวัดเปลี่ยนแปลงไปเล็กน้อย จะทำให้ระดับของของเหลวในท่อเอียงเคลื่อนที่ไปมากทำให้สามารถวัดความดันได้ละเอียดมากยิ่งขึ้น มาร์โนมิเตอร์เป็นอุปกรณ์วัดความดันอย่างง่ายมีราคาถูกและสามารถวัดความดันได้ละเอียดถึง 1 มิลลิทอร์

.

รูปที่ 5 การออกแบบมาร์โนมิเตอร์

.
มาร์โนมิเตอร์แบบประจุไฟฟ้า

เซนเซอร์แบบประจุไฟฟ้า ทำงานโดยการวัดการเปลี่ยนแปลงค่าประจุไฟฟ้าอันเนื่องมาจากการเคลื่อนที่ของแผ่นไดอะแฟรม เมื่อเทียบกับค่าที่อ้างอิงของขั้วประจุไฟฟ้าซึ่งถูกตรึงกับที่ (รูปที่ 6) ค่าความดันที่ต่ำกว่าสุญญากาศมาก ๆ ที่ต้องการวัดจะทำให้แผ่นไดอะแฟรมเคลื่อนที่ออกไปจากแผ่นขั้วประจุไฟฟ้าที่ถูกตรึงอยู่กับที่ บางระบบใช้แผ่นไดอะแฟรมซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้ บางระบบจะใช้แรงดันกระแสไฟฟ้าเพื่อควบคุมวงจรให้สะพานวีทสโตนมีความสมดุลอยู่ตลอดเวลา ปริมาณแรงดันไฟฟ้าที่ใช้จะเป็นตัวบ่งบอกถึงความดันที่ต้องการวัดนั่นเอง ข้อดีของเกจวัดแบบประจุไฟฟ้าก็คือมันสามารถตรวจจับการเคลื่อนที่ของแผ่นไดอะแฟรมได้อย่างละเอียดและมีความถูกต้องถึง 0.25–0.5 เปอร์เซ็นต์ของค่าที่วัดได้ ความหนาของแผ่นไดอะแฟรมมีผลต่อความละเอียดในการวัด แผ่นไดอะแฟรมบาง ๆ สามารถวัดความดันได้ละเอียดถึง 10-5 ทอร์ ในขณะที่ไดอะแฟรมแผ่นหนาสามารถวัดความดันในช่วงความดันที่ต่ำกว่าสุญญากาศเล็กน้อยถึงความดันบรรยากาศได้ ถ้าต้องการวัดความดันในช่วงกว้าง ๆ เราสามารถทำหัวตรวจจับแบบประจุไฟฟ้ามาต่อเข้าชุดเดียวกันได้ เกจวัดความดันแบบประจุไฟฟ้าชนิด ไดอะแฟรม ได้ถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) เนื่องจากสามารถทนการกัดกร่อนได้ดีและมีความแม่นยำสูง

.

รูปที่ 6 มาร์โนมิเตอร์แบบประจุไฟฟ้า

.

เกจวัดความดันแบบแมคลอยด์

เกจวัดความดันแบบแมคลอยด์ถูกสร้างขึ้นครั้งแรกในปี ค..1878 อุปกรณ์นี้วัดความดันโดยกดอัดปริมาตรที่รู้ค่าด้วยความดันคงที่ ซึ่งทำให้ปริมาตรเปลี่ยนแปลงไป ปริมาตรหลังการอัดสามารถบ่งบอกถึงความดันสมบูรณ์ที่ใช้ในการอัดได้ เกจวัดความดันแบบแมคลอยด์ใช้เป็นตัวเปรียบเทียบความดันเกจประเภทอื่น ๆ และสามารถใช้วัดความดันได้ในช่วง 1–10-6 ทอร์

.
เกจวัดความดันแบบการเคลื่อนที่ของโมเลกุล

เกจวัดชนิดนี้ทำงานด้วยการหมุนของโรเตอร์ภายในที่ความเร็วคงที่ โมเลกุลของก๊าซที่ต้องการจะวัดความดันจะสัมผัสกับโรเตอร์และถูกผลักเข้าไปสู่แกนควบคุม แรงที่ตกกระทบทำให้แกนควบคุมเคลื่อนที่เป็นสัดส่วนกับพลังงานที่ถูกถ่ายเท ซึ่งเป็นการวัดจำนวนของโมเลกุลของก๊าซ ขนาดจริงของอุปกรณ์นี้ขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซที่ต้องการวัดความดันและจะต้องมีการปรับเทียบทุกครั้งก่อนใช้งาน

.
เกจวัดความดันแบบแรงเสียดทาน
ที่ความดันที่ต่ำกว่าสุญญากาศมาก ๆ ความหนืดและความเสียดทานจะขึ้นอยู่กับความดัน เกจวัดความดันแบบแรงเสียดทานทำงานโดยใช้หลักการดังกล่าวโดยการตรวจจับอัตราหน่วงซึ่งเกิดจากความเสียดทานของโมเลกุลบนลูกบอลซึ่งหมุนอยู่ในสนามแม่เหล็ก ค่าความดันที่ต่ำว่าสุญญากาศจะถูกบ่งบอกโดยการวัดระยะเวลาที่ใช้ในการหมุนลูกบอลช้าลงจาก 425 ถึง 405 รอบต่อวินาทีหลังปิดสวิตช์ที่ใช้ในการหมุนลูกบอล ยิ่งความดันที่ต่ำกว่าสุญญากาศมาก ๆ ความเสียดทานก็จะลดลงซึ่งทำให้ต้องใช้เวลาในการหน่วงมากขึ้น อุปกรณ์ชนิดนี้สามารถวัดความดันที่ต่ำกว่าสุญญากาศได้ถึง 10-7 ทอร์ และมีความแม่นยำในการวัดถึง 1.5 เปอร์เซ็นต์ของค่าที่อ่านได้ มีความต้านทานการกัดกร่อนและสามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงถึง 7500 องศาฟาเรนไฮต์
.
การออกแบบเกจวัดความดันแบบใช้ค่าความร้อน

การทำงานของอุปกรณ์ชนิดนี้ใช้หลักที่ว่าค่าการนำความร้อนเปลี่ยนไปตามความดันของก๊าซ ถ้าวัตถุหนึ่งถูกให้ความร้อนคงที่และอยู่ภายใต้ก๊าซที่ต้องการจะวัดความดัน อุณหภูมิผิวของวัตถุนั้นจะเปลี่ยนแปลงไปตามความดันของก๊าซที่อยู่รอบ ๆ เนื่องจากเซนเซอร์ในอุปกรณ์เป็นแบบลวดความร้อน ดังนั้นมักจะถูกเรียกอีกชื่อหนึ่งว่าเกจลวดความร้อน ซึ่งสามารถใช้วัดความดันได้ถึง 10-3 mm Hg

.
เกจวัดความดันแบบพิรานิ (Pirani)

ในอุปกรณ์ชนิดนี้ลวดเซนเซอร์ถูกให้ความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้า และความร้อนของก๊าซจะถูกวัดด้วยปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ใช้ในการทำให้ลวดมีอุณหภูมิคงที่ เนื่องจากค่าการนำความร้อนของก๊าซแต่ละชนิดแตกต่างกัน ดังนั้นจะต้องมีการปรับเทียบสำหรับก๊าซแต่ละชนิดอื่น ๆ เกจวัดแบบพิรานิ (Pirani) ไม่สามารถใช้วัดความดันที่มีค่ามากกว่า 1.0 ทอร์ เนื่องจากที่ค่าความดันสูงกว่านี้ค่าการนำความร้อนของก๊าซจะไม่เปลี่ยนแปลง เกจวัดความดันแบบพิรานิให้ค่าเชิงเส้นในช่วง 10-12-10-14 ทอร์ และมีความสัมพันธ์เป็นแบบลอการิทึมที่ความดันมากขึ้น เกจวัดความดันแบบพิรานินั้นมีราคาไม่แพงมากนักและมีความแม่นยำในการวัดประมาณ 2 เปอร์เซ็นต์ที่จุดปรับเทียบและประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์ในช่วงการทำงาน

.
เกจวัดความดันแบบเทอร์โมคัปเปิล

เกจวัดความดันแบบเทอร์โมคัปเปิลทำงานโดยให้ความร้อนกับลวดขนาดเล็ก ด้วยกระแสไฟฟ้าคงที่ในช่วง 20–2000 มิลลิแอมป์ และเทอร์โมคัปเปิลให้สัญญาณการวัดที่ประมาณ 20 มิลลิโวลต์ อุณหภูมิของลวดขนาดเล็กมีค่าสูงขึ้นเมื่อความดันที่ต้องการวัดลดลง โดยทั่วไปแล้วเทอร์โมคัปเปิลสามารถใช้วัดความดันในช่วง 1 มิลลิทอร์ ถึง 2 ทอร์ ช่วงการทำงานนี้สามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการใช้ตัวควบคุมเกจ และตัวแปลงสัญญาณ จากอะนาลอกเป็นดิจิตอล ซึ่งสามารถเพิ่มการทำงานได้ถึงช่วง 10-3 ถึง 1,000 ทอร์ ดังนั้นจึงมีช่วงการทำงานใกล้เคียงกับเกจวัดความดันแบบพิรานิแต่จะมีราคาที่ถูกกว่า

.
เกจวัดความดันแบบใช้ค่านำพาความร้อน

เกจประเภทนี้ใช้เทคนิคการชดเชยอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไป สำหรับอุปกรณ์แบบนี้ลวดซึ่งทำมาจากทังสเตนเคลือบด้วยทองจะถูกใช้ในการตรวจจับการเย็นตัวลงเนื่องจากการเหนี่ยวนำและการพาความร้อนที่ความดันต่ำกว่าสุญญากาศมาก ๆ การเย็นตัวลงของขดลวดขึ้นอยู่กับการนำความร้อนของก๊าซในขณะที่ค่าความดันต่ำกว่าสุญญากาศเพียงเล็กน้อยจะขึ้นอยู่กับการพาความร้อนของโมเลกุลของก๊าซ การวัดโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 10-3 ถึง 1,000 ทอร์ แต่สามารถขยายออกไปจนถึงช่วงเดียวกับเกจวัดความดันแบบพิรานิ และเกจวัดความดันแบบเทอร์โมคัปเปิล

.
เกจวัดความดันแบบผสม
เพื่อที่จะหลีกเลี่ยงข้อจำกัดในช่วงการใช้งานของเซนเซอร์บางชนิด จึงได้มีการสร้างเซนเซอร์อิเล็กทรอนิกส์แบบหลายหัววัดขึ้น ตัวอย่างเช่น ได้มีการสร้างเซนเซอร์ที่มีช่วงการใช้งานกว้างขึ้นโดยการใช้เซนเซอร์ความดัน 2 ตัวในชุดเดียวกันนั้นคือใช้ไดอะแฟรม มาร์โนมิเตอร์ สำหรับการวัดความดันในช่วง 1500 ทอร์ ถึง 2 ทอร์ และใช้เกจวัดความดันแบบพิรานิ ในช่วงการวัดตั้งแต่ 2 ทอร์ ถึง 2 มิลลิทอร์ โดยจะมีตัวควบคุมทำการเลือกเกจอัตโนมัติ
.
เกจวัดความดันแบบไอออไนเซชัน

ตัวตรวจจับแบบไอออไนเซชันได้มีการใช้มาตั้งแต่ปี ค..1916 อุปกรณ์ประเภทนี้วัดความดันต่ำกว่าสุญญากาศ โดยการใช้กระแสไฟฟ้าซึ่งถูกนำพาโดยไอออนที่เกิดในก๊าซจากการชนของอิเล็กตรอน อุปกรณ์แบบนี้แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ แบบขั้วประจุไฟฟ้าลบแบบร้อน และแบบขั้วประจุไฟฟ้าลบแบบเย็น เทคนิคนี้ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นโดยเบยาร์ดอัลเพิท (Bayard–Alpert) ในปี ค..1950 ลวดร้อนในเกจวัดแบบขั้วประจุไฟฟ้าลบแบบร้อน แพร่อิเล็กตรอนเข้าไปในที่ที่ความดันต่ำกว่าสุญญากาศ ซึ่งไปชนกับโมเลกุลของก๊าซและทำให้เกิดไอออนขึ้น (รูปที่ 7) ไอออนประจุบวกนี้จะถูกเร่งเข้าไปในตัวเก็บประจุ ปริมาณของกระแสที่ถูกสร้างขึ้นเป็นสัดส่วนกับความหนาแน่นของก๊าซหรือความดันของก๊าซนั่นเอง เซนเซอร์แบบขั้วประจุไฟฟ้าลบแบบร้อน โดยส่วนมากใช้วัดความดันได้ในช่วง 10-2 ถึง 10-10 ทอร์ สำหรับอุปกรณ์สมัยใหม่ช่วงการวัดความดันของอุปกรณ์แบบขั้วประจุลบแบบร้อนได้รับการขยายออกไปอย่างมากโดยการใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเพื่อทำการวัดค่ากระแสไอออน 2 ค่าที่ต่างกันที่ความดันต่ำกว่า 10 –3 ทอร์ ค่าทั้งสองของกระแสมีค่าใกล้เคียงกัน แต่ที่ค่าความดันสูงขึ้นอัตราส่วนของค่าไอออนทั้งสองมีค่ามากขึ้น ทำให้เกจวัดแบบใหม่นี้สามารถอ่านค่าความดันที่ต่ำกว่าสุญญากาศได้ถึง 1 ทอร์

.

.

รูปที่ 7 เกจวัดความดันที่ต่ำกว่าสุญญากาศแบบขั้วประจุไฟฟ้าลบแบบร้อน

.

ในทศวรรษ 1950 ระบบความดันต่ำกว่าสุญญากาศมาก ๆ ส่วนใหญ่ทำจากแก้วและครอบขั้วประจุไฟฟ้าไว้ภายใน อย่างไรก็ตามในปัจจุบันระบบความดันที่ต่ำกว่าสุญญากาศ สามารถที่จะทำด้วยโลหะทั้งหมดได้ ข้อด้อยของระบบที่ทำจากแก้วคือ แก้วจะเกิดการแปลงสภาพในกระบวนการกำจักก๊าซภายในทำให้เกิดไอออนโซเดียมที่ไม่เป็นที่ต้องการขึ้น อย่างไรก็ดีเกจวัดแบบแก้วยังคงใช้กันอย่างกว้างขวางในระบบแบบขั้วประจุไฟฟ้าลบในปัจจุบัน

.
เกจวัดความดันแบบขั้วประจุไฟฟ้าลบแบบเย็น

ความแตกต่างหลัก ๆ ของเซนเซอร์ขั้วประจุไฟฟ้าลบแบบร้อนและเย็นคือ วิธีการที่ใช้ในการผลิตของอิเล็กตรอนนั่นเอง ในอุปกรณ์ขั้วประจุไฟฟ้าแบบเย็นนั้นอิเล็กตรอนถูกดึงมาจากผิวของขั้วไฟฟ้า โดยมีสนามพลังงานศักย์สูง ในระบบที่ถูกออกแบบขึ้นโดย บริษัท ฟิลิปส์ (รูปที่ 8) สนามแม่เหล็กรอบ ๆ หลอดแก้วทำให้เกิดการหักเหของอิเล็กตรอน ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นเกลียวในขณะที่มันเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กไปยังขั้วประจุไฟฟ้าบวก การเคลื่อนที่เป็นเกลียวเป็นการเพิ่มโอกาสให้อิเล็กตรอนได้เจอกับโมเลกุลของก๊าซและทำให้เกิดไอออนขึ้น ช่วงการใช้งานของอุปกรณ์ขั้วประจุไฟฟ้าแบบเย็นอยู่ระหว่าง 10-10 ถึง 10-12 ทอร์ ข้อดีของอุปกรณ์ขั้วประจุไฟฟ้าแบบเย็นก็คือ ไม่ใช้ขดลวดในการเผาไหม้ นอกจากนี้การไหลเข้าของอากาศภายนอกไม่มีผลกระทบต่อระบบ อีกทั้งยังไม่เกิดการเสียหายเนื่องจากการสั่นสะเทือนได้ง่ายอีกด้วย

.

รูปที่ 8 เกจวัดความดันที่ต่ำกว่าสุญญากาศแบบขั้วประจุไฟฟ้าลบแบบเย็น

.
ข้อมูลอ้างอิง

1. Omegadyne® Pressure, Force, Load, Torque Databoom, OMEGADYNE, Inc., 1996.

2. The Pressure, Strain, and Force Handbook, Omega Press LLC, 1996.

3. “Considerations In Selecting Pressure Calibrators,” L. Buckon, Paper91-0449, 1991.

4. “Dead weight Pressure Measurement,” G.F. Budenberg, I&CS, Feruary, 1971.

5. “Keeping Up With Pressure Sensors,” R. Merritt, I&CS, April, 1982.

6. “Strain Gages, Bonded Resistance” Nation Aerospace Standard 942, Revision 2, 1964.

7. “The strain Gage Primer,” C.C. Perry and H.R.Lisser, McGraw Hill, 1962.

8. Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995.

9. “Measuring High Pressure Above 20,000 psig,” R.K. Kaminski, Intech, August, 1968.

10. Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, 10th Edition, Eugene A.Avallone and Theodore Baumeister, McGraw – Hill, 1996.

11. McGraw – Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology, McGraw – Hill, 1998.

12. Process/Industrial Instrument and Controls Handbook, 4th Edition Douglas M. Considine, McGraw – Hill, 1993.

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