Hydrostatic Level Sensor

Hydrostatic level sensor (อ่านว่า: ไฮโดรสแตติกเลเวลเซ็นเซอร์) คือ อุปกรณ์สำหรับวัดระดับความสูงของเหลวภายในถังเก็บหรือระดับแหล่งน้ำตามธรรมชาติ เช่น แม่น้ำ อ่างเก็บน้ำ เป็นต้น Hydrostatic sensor นั้นจะวัดระดับโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงแรงดันของเหลว นอกเหนือจาก Hydrostatic sensor แล้ว ยังมีเซ็นเซอร์ชนิดอื่นๆอีกที่ใช้ในการวัดระยะได้แก่ Ultrasonic sensor, Radar sensor เป็นต้น

ประวัติของ Hydrostatic level sensor

ก่อนศตวรรษที่ 17 ในประเทศอิตาลีประสบปัญญาเกี่ยวกับการสูบน้ำ และในปี 1594 Galileo Galilei นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี ได้รับสิทธิบัตรสำหรับเครื่องสูบน้ำจากแม่น้ำเพื่อชลประทาน โดยหลักสำคัญของเครื่องสูบน้ำคือไซลิงก์ ต่อมาในปี 1644 Evangelista Torricelli (torr) นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีได้ทำการทดลองเกี่ยวกับเรื่อง สุญญากาศของ ของเหลวภายในท่อเปิดหนึ่งด้าน ที่จุ่มลงในอ่างของเหลว ของน้ำและปรอท และเขาได้ค้นพบว่าความดันบรรยากาศมีผลต่อการลดลงของของเหลว ถัดมาในปี 1648 Blaise Pascal นักฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้นำการทดลองของ Evangelista Torricelli ไปพิสูจน์บนยอดเขาจนเขาพบว่า บนยอดเขามีความดันบรรยากาศต่ำทำให้ปรอทลดลงกว่าบริเวณภาคพื้น ซึ่งต่อมามีนักวิทยศาสตร์และนักประดิษฐ์มากมายได้นำแนวคิดดังกล่าว มาประดิษฐ์อุปกรณ์หรือเซ็นเซอร์ที่ใช้ในงานวัดระดับของเหลว จนปัจจุบันมีเซ็นเซอร์ชื่อว่า Hydrostatic sensor ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์วัดระดับที่ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม

จุดประสงค์ของ Hydrostatic level sensor

จุดประสงค์การใช้งาน Hydrostatic sensor ถูกแบ่งออกเป็น 2 ลักษณะการใช้งานหลัก ๆ คือ
1. ใช้เพื่องานตรวจสอบ (Monitoring) และดูผลลัพธ์ของข้อมูล เช่น ใช้ Hydrostatic sensor แสดงผลของระดับของเหลวในถัง หรือ ระดับน้ำแม่น้ำ เป็นต้น
2. ใช้เพื่อการควบคุม (Control) อะไรบางอย่าง ยกตัวอย่าง เช่น ใช้ Hydrostatic sensor การควบคุมระดับน้ำหรือสารเคมีในถังให้อยู่ในระดับที่ต้องการตลอดเวลา เป็นต้น

หลักการทำงานที่ใช้วัดของ Hydrostatic level sensor

เซ็นเซอร์วัดระดับ (Level sensor) ประเภท Hydrostatic หรือ Hydrostatic sensor เป็นเซ็นเซอร์ที่อาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงแรงดันของเหลว เนื่องจากความสูงของเหลวสัมพันธ์กันกับแรงดัน กล่าวคือ เมื่อความสูงของเหลวเพิ่มขึ้น แรงดันของเหลวก็จะเพิ่มขึ้นตาม (Pของเหลว ∝ hของเหลว) โดยถ้าบริเวณผิวของเหลวสัมผัสกับความดันบรรยากาศ จะทำให้แรงดันสูงสุดอยู่บริเวณด้านล่างสุดของจัดวัดระดับ จึงเป็นเหตุให้การติดตั้ง Hydrostatic sensor ต้องติดตั้งบริเวณด้านล่างของจุดวัดระดับ ซึ่งเราสามารถคำนวณหาค่าแรงดันได้จากสมการดังนี้

โดยที่           = แรงดันของเหลว (Pa)
                     = ความหนาแน่นของเหลวชนิดนั้น ๆ 
                    = ความเร่งแรงโน้มถ่วงโลก ซึ่งมีค่าประมาณ 3.81 
                    = ความสูงของของเหลวนั้น ๆ ซึ่งวัดจากผิวของเหลว (m)

การทำงานภายใน Hydrostatic level sensor

     อย่างที่ทราบกันดีว่า Hydrostatic sensor มีหลักการที่ใช้แรงดันของเหลว ซึ่งใน Hydrostatic sensor จะมีอุปกรณ์ชนิดหนึ่งที่เป็นตัวแปรสำคัญสำหรับการค่าวัดค่าความสูงของของเหลว นั่นคือ Pressure Transmitter กล่าวง่าย ๆ คือ Hydrostatic sensor เป็นอุปกรณ์ที่จะเปลี่ยนแปลงค่าแรงดันที่มาจากของเหลวไปเป็นสัญญาณไฟฟ้า หลังจากนั้นก็เปลี่ยนจากสัญญาณไฟฟ้าเป็นระดับความสูงของของเหลว โดยปกติแล้ว Pressure Transmitter ที่อยู่ใน Hydrostatic sensor จะมีส่วนประกอบหลักอยู่ 2 ส่วน คือ ตัวโครงสร้างสร้างหลักและไดอะแฟรม (Diaphragm)

     ไดอะแฟรมจะเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดของ Hydrostatic sensor เนื่องจากมีสมบัติที่เกี่ยวกับความต้านทาน ซึ่งไวต่อความเครียดและการบีบอัด ถูกเรียกเรียกว่า Stain Gauge (ดังภาพ A) และจะเกิดการเปลี่ยนแปลงเมื่อมีแรงมากระทำ ซึ่งส่วนนี้จะทำให้ Hydrostatic sensor วัดค่าออกมาได้

ภาพ A Strain Gauge

     เมื่อใช้งาน Hydrostatic sensor หย่อนลงไปในถังเก็บหรือแหล่งน้ำธรรมชาติ จนกระทั่งถึงจุดล่างสุด (Reference point) จะมีแรงดันของเหลวรวมกับความดันบรรยากาศ (ดังภาพ B) กระทำต่อ Hydrostatic sensor แรงดันเหล่านั้นจะเข้าไปยังไดอะแฟรมที่อยู่ใน Hydrostatic sensor ซึ่งแรงดันดังกล่าวจะทำให้ Strain Gauge เกิดการขยายหรือถูกบีบอัด (ดังภาพ C)

      เมื่อ Strain gauge เกิดการเปลี่ยนแปลง จะทำให้ความต้านทานไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามด้วย สัญญาณไฟฟ้าที่ถูกส่งมาจาก Pressure Transmitter ที่อยู่ใน Hydrostatic sensor ก็จะเปลี่ยนแปลง หลังจากที่เปลี่ยนความดันเป็นสัญญาณไฟฟ้าแล้ว สัญญาณไฟฟ้าจะถูกส่งไปยัง Voltage Amplifier ออกเป็น Output เช่น 0-10V เป็นต้น แต่ Hydrostatic sensor สามารถส่งสัญญาณ Output ได้หลากหลาย

     ในกรณีที่ต้องการส่งสัญญาณออกเป็นกระแสไฟฟ้า สัญญาณที่ออกจาก Voltage Amplifier จะถูกส่งไปยัง Converter เพื่อแปลงสัญญาณเป็นกระแสไฟฟ้า จากนั้นจะส่งสัญญาณ Output ออกมา เช่น Hydrostatic sensor ที่ส่งสัญญาณ Output เป็น 4-20mA (มีลักษณะดังภาพ D)

ภาพ B โครงสร้าง Hydrostatic sensor

ภาพ C ผลกระทบที่เกิดจากแรงดัน

ภาพ D อัตราส่วนระหว่างความสูงของเหลวกับ output

ปัจจัยที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของ Hydrostatic level sensor

1. ความหนืดของเหลว (Effect of Viscosity)

     ความหนืดของเหลวจะส่งผลต่อ Hydrostatic sensor ก็ต่อเมื่อของเหลวที่วัดระดับนั้น อยู่ในสถานะกึ่งเหลวกึ่งแข็ง เช่น จาระบี (Grease) จะทำให้ Hydrostatic sensor ไม่สามารถวัดแรงดันของเหลวชนิดนั้นได้

2. สมบัติการกัดกร่อนของเหลว (Corrosion)

      เนื่องจากสมบัติของเหลวบางชนิดส่งผลต่อ Hydrostatic sensor ซึ่งอาจทำให้เกิดความเสียหายในส่วนของไดอะแฟรม ที่อยู่ใน Hydrostatic sensor ได้ ดังนั้นแล้ว ของเหลวที่วัดระดับจึงไม่ควรมีสมบัติการกัดกร่อน

3. ความดันบรรยากาศ (Atmospheric Pressure)

      ของเหลวที่ใช้ Hydrostatic sensor ในการวัดระดับนั้น จะต้องเป็นของเหลวที่สัมผัสกับความดันบรรยากาศ เช่น หากของเหลวเก็บไว้ในถัง ถังเก็บนั้นจะต้องเป็นถังเปิดเพื่อให้มีความดันบรรยากาศ

4. ความหนาแน่นของเหลว (Effect of Density)

      เนื่องจากของเหลวแต่ละชนิดมีความหนาแน่นไม่เท่ากัน ทำให้ต้องมีการสอบเทียบหรือปรับค่า Hydrostatic sensor ให้เหมาะสมกับของเหลวชนิดนั้น ๆ เพื่อให้ Hydrostatic sensor สามารถวัดค่าได้ถูกต้องและแม่นยำ

5. อุณหภูมิ (Effect of Tempareture)

      อุณหภูมิมีผลต่อประสิทธิภาพของ Hydrostatic sensor เนื่องจากอุณหภูมิมีผลกระทบต่อความหนาแน่นของของเหลวเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นทำให้ความหนาแน่นลดลง ดังภาพ ซึ่งจะทำให้การวัดค่าของ Hydrostatic sensor มีความคลาดเคลื่อน

6. ตำแหน่งของ Hydrostatic sensor

      Hydrostatic sensor จำเป็นต้องอยู่จุดอ้างอิง (ด้านล่างสุด) เพื่อให้สามารถวัดค่าแรงดันของเหลวได้ถูกต้องที่สุด เมื่อต้องวัดระดับที่ด้านล่างสุดจึงต้องมีการป้องกัน Hydrostatic sensor ให้เหมาะกับสภาวะการใช้งาน ซึ่ง Hydrostatic sensor รุ่น LS-260 มีมาตรฐานการป้องกันฝุ่นและน้ำที่ IP68

ข้อดีของ Hydrostatic level sensor

1. Hydrostatic sensor เป็นเซ็นเซอร์ที่ราคาถูกที่สุดเมื่อเทียบกับเซ็นเซอร์วัดระดับประเภทอื่น ๆ
2. หลักการวัดของ Hydrostatic sensor มีความน่าเชื่อถือสูงและเป็นที่ยอมรับ
3. Hydrostatic sensor ไม่ได้รับผลกระทบจากสิ่งปนเปื้อนในของเหลว เช่น ฝุ่น ไอน้ำ โฟม เป็นต้น
4. ค่าการนำไฟฟ้าหรือค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กทรอนิกส์ ไม่ส่งผลกระทบต่อ Hydrostatic sensor
5. รูปร่างของถังเก็บไม่มีผลกระทบต่อ Hydrostatic sensor เนื่องจากติดตั้งเซ็นเซอร์ด้านล่างสุดของถังเก็บ

ข้อจำกัด Hydrostatic level sensor

1. ความหนาแน่นของเหลวแต่ละชนิดจะไม่เท่ากัน ดังนั้นการใช้งาน Hydrostatic sensor จะต้องมีการสอบเทียบหรือปรับค่าให้เหมาะสมกับความหนาแน่นของเหลวชนิดนั้น ๆ
2. ของเหลวที่มีการกัดกร่อน อาจทำให้ Hydrostatic sensor เกิดความเสียหายได้
3. การวัดระดับของเหลวโดย Hydrostatic sensor ใช้ได้กับถังเก็บที่มีความดันบรรยากาศ
4. Hydrostatic sensor สามารถวัดระดับได้เพียงสสารที่มีสถานะเป็นของเหลวเท่านั้น