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

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

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

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