างวัลนักเทคโนโลยีรุ่นใหม่ ประจำปี 2545
  Young Technologist Award 2002  

รศ.ดร.ณรงค์ฤทธิ์ สมบัติสมภพ คุณนริศ อินต๊ะวงค์ และคุณนเรศ อินต๊ะวงค์

การออกแบบและพัฒนาเครื่องมือวัดความดันไลท์ดีเพนเดนดีเทคเตอร์
สำหรับวัดความดันของของไหลพอลิเมอร์ความหนืดสูง

รูปแบบของเทคโนโลยีที่พัฒนา - การออกแบบและผลิตเครื่องมือวัด และการควบคุมกระบวนการผลิต
ในอุตสาหกรรมการผลิตชิ้นส่วนพลาสติกและยาง เครื่องมือวัดความดันที่นิยมใช้กันมาก จะเป็นแบบไดอะแฟรมสเตนเกจ (Strain-Gauge Diaphragm Transducers) ทั้งนี้เพราะสามารถให้ค่าการวัดที่แม่นยำ และสามารถวัดได้ในสภาวะที่มีการเปลี่ยนแปลงความดันอย่างต่อเนื่อง หลักการทำงานของการวัดความดันชนิดนี้ อาศัยการวัดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่เกิดขึ้น ในวงจรความต้านทานที่เรียกว่า สเตรนเกจ (Strain Gauge) เครื่องมือวัดชนิดนี้มีข้อจำกัดอยู่ที่ว่าไม่สามารถยอมให้สเตรนเกจสัมผัสของเหลวที่กำลังวัดได้ นั้นหมายความว่า ต้องมีระบบทางกลที่ต้องส่งผ่านความดันในระบบของเหลวไปสู่สเตรนเกจ โดยทั่วไปใช้ระบบการส่งผ่านความดันโดยอาศัยการเสียรูปแบบอีลาสติก (Elastic Deformation) ของไดอะแฟมที่ติดตั้งอยู่กับสเตรนเกจ ซึ่งแผ่นไดอะแกรมนี้ไม่คงทนแข็งแรงมากนัก อาจเกิดการชำรุดเสียหาย นั้นก็หมายถึงว่า เครื่องมือวัดความดันชนิดนี้ ไม่สามารถใช้งานได้ เหตุการณ์นี้ พบบ่อยครั้ง เช่นในกรณีที่ของไหลเกิดการเย็นตัวในขณะที่ยังสัมผัสอยู่กับแผ่นไดอแฟรม และถูกแยกออกอย่างไม่ระมัดระวัง สำหรับในแง่ของราคาของเครื่องมือวัดชนิดนี้ โดยปกติมีราคาค่อนข้างสูง (ที่ใช้อยู่ทั่วไป มีราคาสำหรับเครื่องขนาดเล็ก ประมาณ 50,000-150,000 บาท) เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องมือวัดชนิดอื่น ๆ ในย่านการวัดเดียวกัน ทั้งนี้เนื่องจากใช้เทคโนโลยีชั้นสูงและซับซ้อนในการผลิต
เครื่องมือวัดที่ดีนอกจากจะมีประสิทธิภาพในการวัดสูงและถูกต้องแม่ยำแล้ว ควรมีหลักการและระบบการทำงานที่ไม่ซับซ้อนมากนัก มีความเข็งแรงคงทน ใช้งบประมาณและต้นทุนการจัดสร้างไม่สูงและสามารถหาวัสดุทดแทนได้ง่าย เครื่องมือวัดความดันนี้เรียกว่าเครื่องมือวัดความดันแบบไลท์ดีเพนเดนดีเทคเตอร์สำหรับความดันของของไหลความหนืดสูง (เช่น พอลิเมอร์หลอมเหลว) (รูปที่ 1) เครื่องมือวัดความดันนี้มีส่วนประกอบสำคัญคือ เข็มวัดความดัน (Pin) สปริง (Spring) อุปกรณ์กำเนิดแสง (Light Emitting Diode, LED) และอุปกรณ์ตรวจจับปริมาณของแสง (Light Dependent Resistor, LDR) เครื่องมือวัดความดันนี้จะติดตั้งเข้ากับท่อหรืออุปกรณ์ที่มีของไหลไหลอยู่และต้องการวัดความดัน หลักการของเครื่องมือวัดความดันคือ เมื่อมีความดันในห้องทรงกระบอกของไหลที่อยู่ในห้องทรงกระบอกจะทำหน้าที่ส่งผ่านความดันไปยังเข็มวัดความดัน ทำให้เข็มวัดความดันเคลื่อนที่ ในเวลาเดียวกันสปริงเกิดการยุบตัว ซึ่งการเคลื่อนที่ของเข็มวัดความดันนี้จะถูกสปริงต้านทานการเคลื่อนในเวลาเดียวกัน ผลของการเคลื่อนที่ของเข็มวัดความดันจะทำให้แผ่นกรองแสงที่ติดอยู่ในส่วนท้ายเคลื่อนที่ตามไปด้วย ซึ่งการเคลื่อนของแผ่นกรองแสงนี้ส่งผลให้ปริมาณแสงจาก LED ที่มาตกกระทบบนตัว LDR เปลี่ยนแปลงไปตามไปด้วย เนื่องจากลักษณะการออกแบบเฉพาะของแผ่นกรองแสง ปริมาณของแสงที่ตกกระทบบน LDR ที่ไม่เท่ากันในแต่ละระยะทางการเคลื่อนที่ของแผ่นกรองแสง (สัมพันธ์กับปริมาณความดันที่เกิดขึ้น) ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานในตัว LDR และความต้านทานที่เปลี่ยนไปนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นแรงดันไฟฟ้า แล้วแปลงให้เป็นสัญญาณดิจิตอลผ่านการ์ดอินเตอร์เฟส เพื่อนำไปสอบเทียบเป็นค่าความดันจริงโดยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ และเก็บบันทึกค่าความดันด้วยความเร็วสูง (High Speed Data logger) ในรูปแบบของ Text File ลงในคอมพิวเตอร์

รูปที่ 1 : เครื่องมือวัดความดันแบบไลท์ดีเพนเดนดีเทคเตอร์สำหรับความดันของของไหลความหนืดสูง

ตารางที่ 1 เป็นข้อมูลแสดงสมบัติและความสามารถในการใช้งานของการนำครื่องมือวัดความดันแบบไลท์ดีเพนเดนดีเทคเตอร์ ที่เสนอไปสอบเทียบและใช้งานจริงแล้ว เช่นการวัดความดันในเครื่องอัดรีดแบบเกลียวหนอนเดี่ยวและคู่และใช้วัดความดันในเครื่องคาปิลารี่รีโอมิเตอร์ เป็นต้น นอกจากนี้ยังพบว่า ต้นทุนการจัดสร้างเครื่องมือวัดดังกล่าวอยู่ประมาณ 4,500 บาท/หน่วย มีย่านการวัดที่สามารถปรับได้ภายในเครื่องเดียวกัน โดยการปรับเปลี่ยนขนาดค่า k ของสปริงที่ใช้ และมีความเป็นไปได้สูงในการนำไปใช้เชิงพานิชย์ โดยภาพรวมจะเห็นได้ว่า ผลงานดังกล่าวนี้เป็นการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีแบบง่ายๆ เพื่อตรวจจับค่าความดันซึ่งเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการควบุมกระบวนการผลิต

ตารางที่ 1: สมบัติและความสามารถของเครื่องมือวัดความดันแบบไลท์ดีเพนเดนดีเทคเตอร์

Parameter Performance
Output signal 0.680mV
Maximum pressure 100 Bar
Repeatability 0.9% FS
Accuracy 0.6% FS
Hysteresis error ±1.85% FS
Sensitivity 6.62 mV/Bar
Sensitivity error 0.15% FS
Response time 1.66 seconds
Temperature drift Less than 0.05% FS
Non-linearity <0.5% FS