ในปัจจุบันเครื่องมือวัดน้ำหนักที่นิยมใช้ในงานอุตสาหกรรมคือโหลดเซลล์ (Load Cell) แบบสเตรนเกจ (Strain Gage) อย่างไรก็ดี ก่อนที่โหลดเซลล์จะเป็นที่นิยม เราใช้ตาชั่งแบบคานเป็นเครื่องมือวัดน้ำหนักในงานอุตสาหกรรม โดยใช้ชั่งวัดตั้งแต่ยาเม็ดเล็ก ๆ จนกระทั่งในงานอุตสาหกรรมรถยนต์ ตาชั่งแบบคานเป็นเครื่องมือที่มีความแม่นยำและเชื่อถือได้ หากได้รับการสอบเทียบและบำรุงรักษาอย่างเหมาะสม อย่างไรก็ดี ในปัจจุบันได้มีการใช้ระบบชั่งวัดที่มีความทันสมัยมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งโหลดเซลล์แบบสเตรนเกจ ซึ่งวิวัฒนาการของโหลดเซลล์ได้เริ่มขึ้นจากการคิดค้นวงจรสะพานไฟฟ้าของ เซอร์ชาลส์วีทสโตน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ วงจรที่เขาได้คิดค้นขึ้นเหมาะสำหรับใช้วัดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์วัดความเครียดหรือสเตรนเกจ ซึ่งได้รับการพัฒนาต่อมาในคริสต์ศตวรรษ 1940 แม้ในยุคเริ่มต้นการใช้สเตรนเกจมีความยุ่งยาก แต่ต่อมาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้สเตรนเกจกลายเป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานได้ง่ายขึ้นในขณะที่มีราคาถูกลง ปัจจุบันนี้แม้ในระดับห้องปฏิบัติการที่ต้องการวัดด้วยความแม่นยำสูง ยังคงมีความจำเป็นต้องใช้ตาชั่งแบบคานในการชั่งวัดอยู่ แต่ในงานอุตสาหกรรม ได้มีการใช้โหลดเซลล์แบบสเตรนเกจอย่างแพร่หลาย โหลดเซลล์แบบนิวแมติกมักจะใช้ในกรณีที่ต้องการความปลอดภัยและความสะอาดของสภาพการทำงาน ส่วนโหลดเซลล์แบบไฮดรอลิกมักจะมีการใช้ในที่ที่เข้าถึงได้ยากเนื่องจากโหลดเซลล์แบบนี้ไม่ต้องการแหล่งจ่ายพลังงานแต่อย่างใด อุปกรณ์ตรวจวัดแบบโหลดเซลล์ที่มีสเตรนเกจนี้มีความแม่นยำอยู่ในช่วง 0.03-0.25 % ของช่วงการวัดแบบเต็มสเกล (Full Scale) และเหมาะสมที่จะใช้ในงานอุตสาหกรรมเกือบทุกรูปแบบ ในการใช้งานที่ไม่ต้องการความแม่นยำมากนัก เช่น ในการขนถ่ายวัสดุที่เป็นก้อน ๆ หรือการตรึงหรือดึงน้ำหนักรถบรรทุก แท่นชั่งน้ำหนักแบบที่มีขีดสเกลยังคงมีใช้อยู่อย่างกว้างขวาง อย่างไรก็ตามในการใช้งานแบบนี้ แรงที่กระทำต่อคานกลไกมักจะถูกวัดโดยโหลดเซลล์ ทั้งนี้เป็นเพราะโหลดเซลล์มีความเหมาะสมกับการใช้งานในระบบดิจิตอลซึ่งอาจถูกควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์อีกทีหนึ่ง ข้อดีและสมรรถนะของโหลดเซลล์แบบต่าง ๆ แสดงอย่างย่อในตารางที่ 1

การออกแบบโหลดเซลล์จะขึ้นอยู่กับชนิดของสัญญาณที่จะออกจากตัวโหลดเซลล์เป็นสำคัญ เช่น สัญญาณออกที่ต่อเข้ากับระบบนิวแมติก ไฮดรอลิก หรือไฟฟ้า นอกจากนี้ยังต้องคำนึงถึงชนิดของแรงที่ต้องการวัด แรงบิด แรงเฉือน แรงกด  แรงดัด เป็นต้น

โหลดเซลล์แบบไฮดรอลิก วัดน้ำหนักจากการเปลี่ยนแปลงความดันของของเหลวภายในระบบเมื่อมีแรงมากระทำที่แท่นรับน้ำหนักในโหลดเซลล์แบบไฮดรอลิกที่มีแผ่นไดอะแฟรมม้วน แรงจะถูกส่งผ่านลูกสูบเป็นผลให้ของเหลวภายในช่องแผ่นไดอะแฟรมถูกกดอัด การวัดแรงที่เกิดขึ้นสามารถวัดได้จากความดันของของเหลว ความสัมพันธ์ระหว่างแรงกระทำกับแรงดันของของเหลวนี้ มีลักษณะเป็นแบบเชิงเส้น โดยไม่ขึ้นกับอุณหภูมิและปริมาณของของเหลวในกระบอกสูบ ถ้าโหลดเซลล์แบบนี้ได้รับการติดตั้งหรือสอบเทียบที่เหมาะสม ความแม่นยำในการวัดควรจะอยู่ที่ 0.25% ของช่วงการวัดเต็มสเกลหรือดีกว่านั้น ระดับความแม่นยำนี้เป็นที่ยอมรับได้ในงานอุตสาหกรรมทั่วไป เนื่องจากเครื่องมือวัดแบบนี้ไม่ต้องใช้ไฟฟ้า จึงเหมาะที่จะใช้ในพื้นที่ที่อันตราย ข้อเสียของโหลดเซลล์แบบไดอะแฟรมนี้ คือสามารถรับแรงสูงสุดได้ไม่เกิน 1000 psig ในงานที่ต้องการวัดแรงดันสูงจะต้องใช้โหลดเซลล์แบบที่มีไดอะแฟรมทำด้วยโลหะซึ่งสามารถรับน้ำหนักได้ถึง 10,000,000 ปอนด์

รูปที่ 1  โหลดเซลล์แบบรับแรงกดแบบปุ่ม

โดยทั่วไปแล้วโหลดเซลล์แบบไฮดรอลิกมักจะใช้ในการวัดน้ำหนักถังเก็บวัสดุหรือแทงก์ สำหรับกรณีที่ต้องการความแม่นยำสูงสุด การวัดควรจะใช้โหลดเซลล์หลายตัวมาวัดที่จุดรองรับแต่ละตำแหน่ง เนื่องจากการกำหนดระนาบจะต้องใช้จุด 3 จุด ดังนั้นการวัดน้ำหนักวัตถุที่มีขนาดใหญ่จึงควรจะใช้โหลดเซลล์ 3 ตัวเพื่อวัดน้ำหนัก ณ จุดรองรับวัตถุทั้ง 3 จุด น้ำหนักของวัตถุจะหาได้จากผลรวมของค่าน้ำหนักที่อ่านได้จากโหลดเซลล์ทั้งสามนั่นเอง

โหลดเซลล์แบบนิวแมติก ทำงานโดยใช้หลักการสมดุลแรงเช่นเดียวกับแบบไฮดรอลิก โหลดเซลล์แบบนี้มีความแม่นยำกว่าแบบไฮดรอลิก เพราะมีการใช้ช่องว่างหลายช่องในการหน่วงความดันของของเหลวและลดการสั่นสะเทือน โหลดเซลล์แบบนิวแมติกนี้มักจะใช้วัดสิ่งของที่มีน้ำหนักไม่มากนักในงานอุตสาหกรรมที่ต้องการความสะอาดและความปลอดภัยสูง จุดเด่นของโหลดเซลล์แบบนี้คือสามารถทนแรงกระแทกได้สูงและไม่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ นอกจากนี้ระบบนิวเมติกไม่ใช้ของเหลวในเครื่องมือวัดเหมือนระบบไฮดรอลิกทำให้มั่นใจได้ว่าจะไม่มีของเหลวมาปนเปื้อนสิ่งที่ต้องการจะวัดถ้าไดอะแฟรมมีการแตกร้าว อย่างไรก็ตาม โหลดเซลล์แบบนี้มีข้อเสียคือความเร็วในการตอบสนองต่ำและต้องใช้งานในสภาวะแวดล้อมที่สะอาดปลอดความชื้นและจะต้องมีการควบคุมอากาศหรือไนโตรเจนภายในเครื่องให้เหมาะสม

รูปที่ 2  โหลดเซลล์แบบรูปตัว “S” สำหรับการใช้งานตรวจวัดแรงกดหรือแรงดึง

โหลดเซลล์แบบสเตรนเกจ จะเปลี่ยนแรงที่มากระทำเป็นสัญญาณไฟฟ้า เครื่องมือวัดแบบนี้ยึดติดกับโครงสร้างที่มีการเปลี่ยนรูปเมื่อมีแรงหรือน้ำหนักมากระทำ ส่วนใหญ่แล้วมักจะใช้เกจวัดความเครียด 4 ตัว ในการวัดเพื่อให้ได้ความไวสูงสุดและมีการชดเชยผลของอุณหภูมิขณะทำการวัดด้วย เกจทั้งสี่จะเชื่อมต่อเข้าด้วยกันเพื่อช่วยในการปรับตั้งค่าชดเชยวงจร โดยทั่วไปเกจ 2 ตัวจะอยู่ในสภาพถูกดึงและอีก 2 ตัวอยู่ในสภาพถูกกด ดังแสดงในรูปที่ 3 เมื่อมีน้ำหนักมากระทำ ความเครียดจะเปลี่ยนเป็นความต้านทานทางไฟฟ้าในสัดส่วนโดยตรงกับแรงที่มากระทำ อุปกรณ์โหลดเซลล์แบบนี้ยังมีการเพิ่มความแม่นยำให้สูงขึ้นในขณะที่ราคาต่ำลง

รูปที่ 3 วงจรวีทสโตนที่มีการชดเชยอุณหภูมิ                   

ไพโซรีซิสทีฟ (Piezoresistive) มีการทำงานเหมือนกับเกจวัดความเครียด แต่ไพโซรีซิสทีฟ สามารถผลิตสัญญาณออกมาได้ในระดับสูงจึงเหมาะสำหรับเครื่องชั่งน้ำหนักที่ไม่ซับซ้อนในการวัด เนื่องจากสามารถต่อเข้าโดยตรงกับส่วนแสดงผล อย่างไรก็ตามเครื่องมือวัดลักษณะนี้ได้รับความนิยมลดลงเรื่อย ๆ เพราะตัวขยายสัญญาณที่มีคุณภาพดีนั้นมีราคาถูกลง นอกจากนี้ ไพโซรีซิสทีฟยังมีข้อเสียคือความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณที่ออกกับน้ำหนักที่วัดมีลักษณะไม่เป็นเชิงเส้น       

อุปกรณ์ที่ใช้หลักการการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก อุปกรณ์ลักษณะนี้จะตรวจวัดการเคลื่อนที่ของแกนแม่เหล็ก โดยวัดการเหนี่ยวนำของขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปลี่ยนไป ในที่นี้การเคลื่อนที่ของแกนเหล็กจะแปรผันโดยตรงกับน้ำหนักที่วัดนั่นเอง   

แมกเนโตสเตร็กทีฟ (Magnetostrictive) การทำงานของเซนเซอร์แบบนี้ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงในการแผ่สัญญาณแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรที่อยู่ภายใต้แรงที่มากระทำ แรงทำให้เกิดการผิดรูปของสนามแม่เหล็กและจะให้เกิดสัญญาณที่เป็นสัดส่วนโดยตรงต่อแรงที่มากระทำ อุปกรณ์ตรวจวัดนี้มีความทนทานมากและยังคงมีใช้อยู่มากโดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมที่มีการรีดโลหะแผ่น           

ในการพัฒนาเซนเซอร์แบบใหม่ โหลดเซลล์แบบใยแก้วนำแสงได้รับความนิยมมากเนื่องจากผลการวัดมิได้ถูกรบกวนโดยสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าและสัญญาณคลื่นความถี่วิทยุ (EMI/RFI) จึงเหมาะที่จะใช้ในที่ที่มีอุณหภูมิสูง ปัจจุบันนี้ยังคงมีการพัฒนาโหลดเซลล์แบบที่ใช้แสงในการวัด เทคนิคในการวัดมีอยู่ 2 แบบ คือการวัดผลกระทบจากการดัดตัวของใยแก้วนำแสง และการวัดแรงที่มากระทำจาก Fiber Bragg Grating (FBG) อุปกรณ์ตรวจวัดที่ใช้หลักการของเทคโนโลยีทั้งสองอย่างนี้ได้มีการนำมาทดลองใช้งานจริงในเมืองฮอกไกโด ประเทศญี่ปุ่น โดยใช้ในการวัดน้ำหนักของหิมะบนสายส่งไฟฟ้า ปัจจุบันนี้อุปกรณ์วัดน้ำหนักแบบใยแก้วนำแสงมีอยู่น้อย เครื่องมือวัดแบบใยแก้วนำแสงสามารถสอดผ่านรูขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5 มิลลิเมตรเพื่อวัดแรงที่มากระทำในแนวแกนของรู โดยที่ไม่ต้องพะวงถึงแรงอื่น ๆ ที่มิได้มากระทำในแนวแกนรวมทั้งแรงบิดด้วย

รูปที่ 4 ส่วนประกอบของโหลดเซลล์แบบสปริง           

โหลดเซลล์แบบที่เป็นแผ่นวงจรซิลิกอน อยู่ในระหว่างการพัฒนาที่มหาวิทยาลัย Twente ประเทศเนเธอร์แลนด์ ได้มีการสร้างแผงวงจรโหลดเซลล์ซิลิกอนโดยใช้เทคนิคไมโครแมชินนิ่ง เป็นไปได้ว่าโหลดเซลล์แบบซิลิกอนนี้จะได้รับความนิยมมากในงานอุตสาหกรรมในอนาคต       

ส่วนประกอบที่เป็นสปริงในโหลดเซลล์มีลักษณะเป็นคาน สามารถตอบสนองโดยตรงต่อความเค้นที่มาจากการดึง การกด การดัด หรือการเฉือน โดยทั่วไปแล้วจะเรียกชื่อตามลักษณะของการวัด เช่น คานดัด คานเฉือน เสาสูง ทรงกระบอก เกลียวและอื่น ๆ ดังที่แสดงในรูปที่ 4 แบบที่นิยมที่สุดในการวัดน้ำหนักในอุตสาหกรรมมีอยู่ 2 ชนิด คือแบบวัดแรงดัด และ แบบวัดแรงเฉือน

เซนเซอร์แบบคานดัด เป็นหนึ่งในการออกแบบโหลดเซลล์ที่นิยมที่สุด เนื่องจากการใช้งานไม่ซับซ้อนและมีราคาไม่แพง รูปร่างเป็นแบบคานยื่นแบบลำกล้องคู่ดังรูปที่ 4(A) หรือออกแบบเป็นวงแหวนดังรูปที่ 4(B) อุปกรณ์ตรวจวัดความเครียดจะติดอยู่ทั้งด้านบนและด้านล่างเพื่อวัดแรงดึงและแรงกด จึงมีการใช้ยางยืดคลุมเพื่อป้องกันตัวคานที่ทำจากโลหะผสมซึ่งมีความทนทานสูงและเคลือบด้วยนิเกิล ในการวัดน้ำหนักหรือแรง เช่น ในเครื่องมือทางการแพทย์ หุ่นยนต์ คานของเครื่องมือวัดจะมีขนาดเล็กและสามารถใช้วัดแรงสูงสุดถึง 40 ปอนด์ (18 กิโลกรัม) ในกรณีที่แรงไม่เกิน 230 กรัม ตัวคานจะทำจากโลหะผสมทองแดงกับเบอริลเลี่ยม ในกรณีที่ภาระมากกว่านั้นคานจะทำจากสเตนเลสเคลือบผิวด้วยยูรีเทน

เซนเซอร์แบบแหวน อุปกรณ์ตรวจวัดแบบนี้จะใช้คานที่มีรูปร่างกลมแบนประกอบด้วยอุปกรณ์ตรวจวัดความเครียดที่ติดอยู่กับกล่องสเตนเลส รูปร่างของเครื่องมือวัดมีลักษณะแบบแผ่นเค้กดังรูปที่ 4(B) เครื่องมือวัดจะมีกลไกเพื่อจำกัดการเคลื่อนที่ของแรงและควบคุมให้แนวแรงผ่านไปยังจุดกึ่งกลางของแผ่นวงกลม เครื่องมือที่วัดแรงกดอัดและแรงดึงจะมีเกลียวที่จุดกึ่งกลางของตัวเครื่องมือวัด ส่วนแผ่นไดอะแฟรมจะติดอยู่ที่บริเวณเซนเซอร์ที่รับแรง

เซนเซอร์แบบวัดแรงเฉือน ใช้วัดแรงเฉือน ส่วนเซนเซอร์ใช้วัดแรงดัดไม่สามารถใช้วัดแรงเฉือนได้เนื่องจากความเค้นเฉือนจะมีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามระดับความลึกของพื้นที่หน้าตัดของคาน คานสำหรับวัดแรงเฉือนจะเป็นคานรูปตัวไอ (I-beam) ดังรูปที่ 4(C) อุปกรณ์ตรวจวัดความเครียดจะติดอยู่บนคานและใต้คานด้านละ 1 คู่ โดยที่แนวของอุปกรณ์ตรวจวัดความเครียดจะยาวตามแกนหลัก ข้อดีเซนเซอร์แบบวัดแรงเฉือนเมื่อเทียบกับเซนเซอร์แบบวัดแรงดัด คือสามารถตรวจวัดแรงด้านข้างและแรงพลวัตรได้เพราะสามารถกลับสู่จุดศูนย์ได้เร็วกว่า

รูปที่ 5 ตัวอย่างปริมาตรความจุของโหลดเซลล์

โหลดเซลล์แบบวัดความเค้นโดยตรง ใช้คานแบบที่วัดแรงดัดนั่นเอง แต่ติดตั้งอยู่ภายในแนวของเสาหรือสิ่งที่ต้องรับแรงดังที่แสดงในรูป 4(D) คานจะจับยึดในแนวตั้งพร้อมด้วยอุปกรณ์ตรวจวัดความเครียด 2 ตัวที่ติดอยู่ในแนวเดียวกับเสา และอีก 2 ตัวจะติดอยู่ในแนวขวางของเสา เสาอาจจะเป็นสี่เหลี่ยม วงกลมหรือวงกลมที่มีการแต่งผิวให้เรียบเพื่อให้เหมาะกับการติดอุปกรณ์วัดความเครียดก็ได้ นอกจากนี้ตัวกล่องยังป้องกันอุปกรณ์ตรวจวัดความเครียดไม่ให้เกิดความเสียหายจาสภาพแวดล้อม กล่องของเซลล์จะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 1–1/2 นิ้ว ซึ่งรับแรงได้ 100-500 ปอนด์ สำหรับเส้นผ่านศูนย์กลาง 6-1/2 นิ้วซึ่งเหมาะสำหรับการชั่งรถบรรทุก ถังและถังเก็บที่รับน้ำหนักได้ถึง 500,000 ปอนด์

โหลดเซลล์แบบเกลียว เหมาะสำหรับรับแรงอัดนอกแนวแกน ดังแสดงในรูปที่ 4(E) การทำงานของโหลดเซลล์แบบเกลียวมีพื้นฐานมาจากการใช้สปริง โดยสปริงจะเป็นตัวสมดุลแรงโมเมนต์ความตึงในตัวของมันเอง แรงปฏิกิริยาของความตึงจะเคลื่อนที่จากด้านบนของเกลียวไปสู่ด้านล่าง ซึ่งการวัดโมเมนต์ของความตึงจะใช้สเตรนเกจติดเข้ากับตัวสปริง โหลดเซลล์แบบเกลียวจะให้ความเที่ยงตรงในการวัดที่เชื่อถือได้มาก โดยที่ไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายมากในการทำโครงสร้างยึดติด แรงที่กระทำแบบไม่สมมาตรหรือเป็นแรงนอกแนวแกนให้ผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อสปริงและเซนเซอร์สเตรนเกจสามารถวัดได้ทั้งแรงตึงและแรงอัด

โหลดเซลล์แบบเกลียวสามารถติดตั้งได้แม้พื้นผิวจะขรุขระหรือพื้นผิวด้านบนและล่างที่ไม่ขนานกัน ซึ่งความผิดพลาดทั้งหมดไม่เกิน 0.5% ของความต้านทานแรงสั่นสะเทือนหรือแรงที่เกิน (รับแรงได้ถึงพันเท่าที่กำหนด) จึงทำให้เหมาะที่จะนำมาใช้วัดแรงในแนวแกน ยานพาหนะ ที่นั่งหรือในงานรถยกได้ดี

บริเวณด้านล่างของแหวนรองจะติดโหลดเซลล์สเตรนเกจซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใช้งานตั้งแต่ 1/4 ถึง 1-1/2 นิ้ว เซนเซอร์ที่มีขนาดเล็กนั้นจะเหมาะสำหรับการใช้งานในแบบการอัด แต่เซลล์ขนาดใหญ่จะมีรูที่ทำเกลียวไว้เพื่อใช้วัดแรงตึงได้ สำหรับเซนเซอร์ขนาดเล็กสุดจะรับภาระได้ประมาณ 200 ปอนด์ แต่บางประเภทก็สามารถวัดได้ถึง 50,000 ปอนด์ เพราะว่าโหลดเซลล์เล็ก ๆ นี้มีความยืดหยุ่นต่อแรงนอกแกนและแรงที่เคลื่อนที่ซึ่งจะไม่มีผลต่อพิกัดความคลาดเคลื่อน

ในอีกทางหนึ่งบริเวณด้านล่างของแหวนรองนั้นมีความสะดวกและง่ายต่อการใช้งาน อีกทั้งเซนเซอร์ขนาดเล็กที่ทำมาจากสเตนเลส ซึ่งทำเป็นวงจรวีทสโตนบริดจ์แบบสี่แขนสามารถวัดแรงได้ถึง 200 ปอนด์ที่อุณหภูมิสูงถึง 1500 องศาฟาเรนไฮต์

เอกสารอ้างอิง

· OmegadyneÒPressure, Force, Load, Torque Databook, OMEGADYNE, Inc.,1996

· The Pressure, Strain, and Force HandbookÔ  ,Omega Press LLC, 1996.

· Elements of Electronic Instrumentation and Measurements, 3rd Edition, Joseph J. Carr, Prentice Hall, 1996.

· Industrial Control Handbook, E.A. Parr, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995.

· Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, 4th Edition, Douglas M. Considine, McGraw-Hill, 1

· Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia, Douglas M. Considine and Glenn D. Considine, Van Nostrand, 1997