เนื้อหาวันที่ : 2009-09-09 17:46:38 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 10616 views

Magnetrostrictive Sensor เทคโนโลยีเซนเซอร์วัดระดับ

เซนเซอร์วัดระดับของเหลวในถังเก็บที่ใช้งานกันในปัจจุบันมีหลายชนิดให้เลือก และมีคุณสมบัติเหมาะกับการใช้งานต่าง ๆ กัน ที่นำมาเสนอนี้มีคุณสมบัติที่โดดเด่น คือ เซนเซอร์ Magnetrostrictive ถูกเลือกใช้กันเฉพาะงานที่ต้องการความแม่นยำสูง ความเที่ยงตรงสูง เนื่องจากอุตสาหกรรมดังกล่าวนี้ต้องการเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสูง ๆ และเชื่อถือได้แม้ในสภาวะแวดล้อมที่เลวร้าย เช่น เมื่อความดันในถังเก็บของเหลวหรืออุณหภูมิเปลี่ยนไป

สุภัทรชัย สิงห์บาง
engineer2000@engineer.com

.

.

เซนเซอร์วัดระดับของเหลวในถังเก็บที่ใช้งานกันในปัจจุบันมีหลายชนิดให้เลือก และมีคุณสมบัติเหมาะกับการใช้งานต่าง ๆ กัน ที่นำมาเสนอนี้มีคุณสมบัติที่โดดเด่น คือ เซนเซอร์ Magnetrostrictive ถูกเลือกใช้กันเฉพาะงานที่ต้องการความแม่นยำสูง ความเที่ยงตรงสูง ซึ่งก็ได้แก่งานอุตสาหกรรมปิโตรเลียม, ในอุตสาหกรรมยา, ใช้สำหรับวัดระดับก๊าซโพรเพรนในถังเก็บ, วัดระดับอาหาร/เครื่องดื่มในอุตสาหกรรมอาหาร เป็นต้น เนื่องจากอุตสาหกรรมดังกล่าวนี้ต้องการเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสูง ๆ และเชื่อถือได้แม้ในสภาวะแวดล้อมที่เลวร้าย เช่น เมื่อความดันในถังเก็บของเหลวหรืออุณหภูมิเปลี่ยนไป

.
เทคโนโลยีของเซนเซอร์วัดระดับ (Level Sensor)

มีตัวเลือกของเซนเซอร์ที่เราอาจเลือกใช้เป็นอุปกรณ์วัดระดับในถังเก็บของเหลวได้หลายตัวเลือก ดังแสดงในตารางที่ 1 เป็นการรวบรวมและเปรียบเทียบชนิดต่าง ๆ ของเซนเซอร์วัดระดับ และคุณลักษณะการใช้งานต่าง ๆ

.

ตารางที่ 1 ข้อเปรียบเทียบระหว่างเซนเซอร์ชนิดต่าง ๆ

.

หมายเหตุ: ความไม่เป็นเชิงเส้น (Nonlinearity) ค่านี้ต่ำถือว่าดีกว่า และก็หมายถึงความแตกต่างระหว่าง ค่าในแนวเส้นตรง กับเอาท์พุตที่เซนเซอร์ส่งออกมา

.

เซนเซอร์ชนิดที่ใช้ค่าความจุไฟฟ้า (Capacitance) หรือที่เรียกว่า RF หรือ Admittance จะไม่ตัวเลือกที่ดีใช้ได้หากนำไปใช้วัดระดับของเหลวที่ไม่นำไฟฟ้า เพราะเซนเซอร์ชนิดนี้ใช้ไม่ได้กับของเหลวที่ไม่นำไฟฟ้า หรือนำไฟฟ้าได้ไม่ดี จะเกิดความผิดพลาดได้เนื่องจากเซนเซอร์อาศัยหลักการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงค่าไดอิเล็กตริก (Dielectric)

.

เซนเซอร์ชนิดอัลตร้าโซนิก (Ultrasonic) มักจะเป็นปัญหาเมื่อนำไปใช้กับงานวัดระดับของเหลวภายใต้อุณหภูมิ 300 องศาฟาเรนไฮต์ และที่ความดันต่ำกว่า 50 psi นอกจากนี้ผลกระทบของไอน้ำ หรือวัตถุอื่น ๆ เช่น ตะกอน ฝุ่น ซึ่งเจือปนอยู่ในของเหลวก็จะส่งผลต่อการทำงานของเซนเซอร์

.

เซนเซอร์แบบใช้เรดาร์ทำงานโดยอาศัยหลักการสะท้อนสัญญาณที่ระดับผิวของของเหลวที่ต้องการตรวจวัด จะเกิดปัญหาได้หากของเหลวนั้นเกิดฟองลอยเหนือผิว หรือกรณีของเหลวมีการกระเพื่อม จะทำให้การสะท้อนสัญญาณของเซนเซอร์ถูกเบี่ยงเบนไป

.

เลือกใช้เซนเซอร์แบบ Magnetrostrictive

รูปที่ 1 แสดงโครงสร้าง/รูปร่างหน้าตาของ เซนเซอร์แบบ Magnetrostrictive

.

เซนเซอร์วัดระดับแบบนี้มีหน้าตาและโครงสร้าง ดังแสดงในรูปที่ 1 โดยอาจประกอบไปด้วยชิ้นส่วนที่จะลอยตัวบนผิวของเหลวหรืออาจเรียกว่าลูกลอยก็ได้ โดยในแต่ละลูกลอยรูปทรงวงแหวนจะมีแม่เหล็กถาวรบรรจุอยู่ ชิ้นส่วนอื่น ๆ ของเซนเซอร์ทำหน้าที่ต่าง ๆ กัน คือทำหน้าที่ส่งผ่านคลื่นสัญญาณ, ชิ้นส่วนทำหน้าที่ตรวจจับสัญญาณความเครียด (Strain Wave), ชิ้นส่วนทำหน้าที่ลดทอนสัญญาณสอดแทรก และโมดูลอิเล็กทรอนิกส์

.

เซนเซอร์ที่มีความแม่นยำนี้สามารถวัดระดับได้ในสภาวะแวดล้อม อย่างเช่นอุณหภูมิมีการเปลี่ยนแปลงมาก หรือความดันมีการเปลี่ยนแปลง เนื่องจากเซนเซอร์อาศัยคุณสมบัติการตอบสนองของวัตถุแม่เหล็ก (Ferromagnetic Material) ซึ่งจะยืดตัว หรือหดตัวเมื่อถูกวางอยู่ในบริเวณสนามแม่เหล็ก (ดูรูปที่ 2)

.

รูปที่ 2 เซนเซอร์ตรวจจับวัดระดับแบบ Magnetrostrictive

.

เซนเซอร์ตรวจจับวัดระดับแบบ Magnetrostrictive จะมีการส่งสัญญาณพัลส์ที่เหนี่ยวนำขึ้นในชิ้นส่วน Waveguide ซึ่งเป็นผลมาจากการสอดแทรกของสนามแม่เหล็ก 2 ส่วน คือสนามแม่เหล็กจากแท่งแม่เหล็กอ้างอิง (เรียกว่า Reference Magnet) และสนามแม่เหล็กจากการที่พัลส์กระแสไฟฟ้าส่งผ่านออกไปตามชิ้นส่วนที่เรียกว่า Waveguide (ชิ้นส่วนที่ทำหน้าที่ตรวจจับ (Sensing Element) มีลักษณะเป็นท่อ หรือแท่งแม่เหล็กยาว) การสอดแทรกดังกล่าวนี้จะสร้างพัลส์ความเครียดขึ้นมา (Strain Pulse)

.

จากนั้นส่วนหัวของเซนเซอร์จะทำหน้าที่ตรวจจับคลื่นสัญญาณพัลส์ดังกล่าวนี้ และตำแหน่งของแม่เหล็กถาวรซึ่งลอยอยู่เหนือผิวของเหลวจะถูกวัดออกมาได้ โดยการคำนวณเวลาที่แตกต่างกันตั้งแต่เริ่มส่งสัญญาณพัลส์ออกไป กับเวลาที่สัญญาณตอบสนองถูกส่งกลับมา การเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นจากพฤติกรรมของแม่เหล็ก กับวัตถุแม่เหล็ก ดังแสดงในรูปที่ 3

.

รูปที่ 3 แสดงผลกระทบจาก Magetrostrictive โดย L เกิดขึ้นจากการเรียงตัวของอะตอมแม่เหล็กในชิ้นวัตถุ จากการ     ได้รับผลกระทบของสนามแม่เหล็ก H

.

เมื่อวัตถุไม่ได้อยู่ภายใต้ของเขตสนามแม่เหล็ก อะตอมแม่เหล็กจะเรียงตัวกันอย่างไม่เป็นระเบียบ แต่หากอยู่ภายใต้ขอบเขตของสนามแม่เหล็กเมื่อใด อะตอมแม่เหล็ก จะเรียงตัวไปในแนวเดียวกันอย่างเป็นระเบียบ ดังแสดงในรูปที่ 4 

.

รูปที่ 4 ลักษณะการเรียงตัวของอะตอมแม่เหล็กเมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็ก

.

คุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งของเซนเซอร์ Magnetrostrictive ก็คือ ปรากฏการณ์ Wiedemann โดยเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านไปตามแท่ง Waveguide ในขณะที่อยู่ในแนวสนามแม่เหล็กจะเกิดการสร้างแรง (Tensional Force) ขึ้นมาบน Waveguide ดังแสดงในรูปที่ 5

.

รูปที่ 5 แสดงให้เห็นถึงปรากฏการณ์ Wiedemann

.
จากที่กล่าวมาตั้งแต่ต้นสามารถสรุปการทำงานหลักของเซนเซอร์ได้เป็นข้อ ๆ ดังนี้

1. พัลส์กระแสไฟฟ้า หรือที่เรียกว่า Interrogation Pulse จะถูกจ่ายให้กับ waveguide (จะครบวงจรด้วย "Return Wire") และตอนนี้ไทเมอร์ (Timer) จะเริ่มนับเวลา

.

2. เกิดปรากฏการณ์ Wiedemann และแรงบิดขึ้นในตำแหน่งที่ตรงกับแท่งแม่เหล็กลอยอยู่ แรงนี้จะสร้างคลื่นความเครียดความถี่สูงขึ้นมา และคลื่นเดินทางเร็วกับความเร็วเสียงไปตามแท่ง Waveguide

.

3. เมื่อคลื่นความเครียด หรือเรียกอีกอย่างว่า  Return Pulse เดินทางกลับไปถึงหัวของเซนเซอร์ซึ่งเป็นโมดูลอิเล็กทรอนิกส์ มันก็จะถูกตรวจจับโดยชิ้นส่วนตรวจจับสัญญาณ (Pickup Device) ถึงตอนนี้ไทเมอร์ก็จะหยุดนับเวลา อย่างไรก็ตามอาจจะมีคลื่นอื่น ๆ เดินทางปะปนมาด้วย ซึ่งเป็นเหมือนคลื่นสัญญาณรบกวน จะถูกกำจัดออกโดย Damper เพื่อป้องกันการสอดแทรกกับสัญญาณหลัก

.

4. เวลาที่นับได้ที่ไทเมอร์ จะบอกถึงระยะระหว่างตำแหน่งที่แม่เหล็กถาวรอยู่ กับตำแหน่งของหัวเซนเซอร์ สำหรับค่าของของเสถียรภาพระยะยาว กับความไว/ตอบสนองต่ออุณหภูมินั้น ได้ถูกควบคุมไว้แล้วด้วยความเร็วคลื่นในย่านความเร็วเสียงใน Waveguide

.
5. คาบเวลา (Time Period) คือสัดส่วนระหว่างระยะที่แม่เหล็กถาวรลอยอยู่กับ ตำแหน่งของชิ้นส่วนตรวจจับ
.
ตัวอย่าง

ที่ระยะวัดได้ 1 เมตร ในขณะที่คลื่นเดินทางใน Waveguide เท่ากับ 2,850 m/s ช่วงเวลาหน่วง (Time Delay) จะเท่ากับ 1m หารด้วย 2,850 m/s ซึ่งก็เท่ากับ 0.35ms ค่านี้จะใช้เพื่อสร้างเอาต์พุตตอบสนองต่อไป อย่างเช่น เป็นเอาต์พุตส่งต่อไปยังตัวแปลงสัญญาณแรงดัน, 4-20 mA, Pulse width Modulation หรือ CAN Bus เป็นต้น

.

สำหรับค่าอัพเดตในการวัดของเซนเซอร์นั้น มีอัตราอยู่ที่ 1 ถึง 4 ครั้งต่อวินาที ซึ่งค่านี้หมายถึงความถี่ในการอ่านค่า เมื่อตำแหน่ง หรือระดับของของเหลวเปลี่ยนไป โดยอัตราการอัพเดตยังขึ้นอยู่กับโปรโตคอลสื่อสารที่เลือกใช้อีกด้วย

.

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