Ultrasonic Sensor

Ultrasonic sensor (อ่านว่า: อัลตร้าโซนิคเซ็นเซอร์) คือ อุปกรณ์สำหรับวัดระดับหรือระยะทางชนิดหนึ่งโดยใช้คลื่น Ultrasonic ซึ่งอาศัยหลักการสะท้อนของคลื่นความถี่สูง Ultrasonic โดยอุปกรณ์จะปล่อยคลื่น Ultrasonic ให้กระทบกับวัตถุ จากนั้นรอคลื่น Ultrasonic สะท้อนกับมาที่เซ็นเซอร์เพื่อคำนวณหาระยะทางที่วัดได้ นอกเหนือจาก Ultrasonic sensor แล้ว ยังมีเซ็นเซอร์ชนิดอื่นๆอีกที่ใช้ในการวัดระยะได้แก่ Radar sensor, Hydrostatic sensor เป็นต้น

ประวัติของ Ultrasonic sensor

ย้อนกลับไปในปี 1790 เมื่อ Lazzaro Spallanzani นักธรรมชาติวิทยาชาวอิตาเลี่ยน ได้ค้นพบเป็นครั้งแรกว่าค้างคาวบินโดยใช้คลื่นความถี่สูงหรือคลื่น Ultrasonic ในการบอกทิศทางซึ่งไม่ได้ใช้สายตาในการบอกทิศทางอย่างที่เข้าใจมาแต่โบราณ และต่อมาในปี 1826 Jean-Daniel Colladon นักฟิสิกส์ชาวสวิส ประสบความสำเร็จในการหาความเร็วเสียงในน้ำได้ โดยใช้คลื่นความถี่สูง Ultrasonic จากการใช้กระดิ่งใต้น้ำ ซึ่งถือเป็นอีกเหตุการณ์ที่มีการการใช้คลื่น Ultrasonic ถัดมาในปี 1881 Pierre Curie’sนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้ทำการทดลองและค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและความดันบนผลึก เรียกว่า “ปิแอร์โซอิเล็กทริซิตี้ (Pierre so Electricity)” เขาได้ค้นพบเพิ่มเติมว่าถ้ามีการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าให้มากขึ้น จะทำให้ผิวผลึกเกิดการสั่นสะเทือนและเกิดคลื่นความถี่สูง Ultrasonic ด้วยหลักการและทฤษฎีนี้ จึงเป็นจุดเริ่มต้นของการพัฒนามาเป็น Ultrasonic sensor เพื่อใช้วัดระดับที่ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน

จุดประสงค์ของ Ultrasonic sensor

จุดประสงค์การใช้งาน Ultrasonic sensor นั้น ถูกแบ่งออกเป็น 2 ลักษณะการใช้งานหลัก ๆ คือ
1. ใช้เพื่องานตรวจสอบ (Monitoring) และดูผลลัพธ์ของข้อมูล เช่น ใช้แสดงผลของระดับน้ำในถัง, แสดงผลปริมาณข้าวเปลือกใน Silo หรือ ระดับน้ำแม่น้ำ เป็นต้น
2. ใช้เพื่อการควบคุม (Control) อะไรบางอย่าง ยกตัวอย่างเช่น การควบคุมระดับสารเคมีในถังให้อยู่ในระดับที่ต้องการตลอดเวลา เป็นต้น

หลักการทำงานของ Ultrasonic sensor

เซ็นเซอร์วัดระดับ (Level sensor) ประเภท Ultrasonic หรือ Ultrasonic sensor เป็นเซ็นเซอร์ที่ต้องอาศัยหลักการของการสะท้อนคลื่นความถี่ Ultrasonic ในการตรวจจับวัตถุต่าง ๆ Ultrasonic sensor นั้นจำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการเดินทาง เช่น อากาศ แก๊ส หรือของเหลว จึงทำให้ Ultrasonic sensor สามารถใช้งานตรวจจับวัตุได้หลากหลายชนิด ซึ่งวัตถุที่มีสถานะของเหลวโดยที่เป็นสารเคมีหรือมีความหนืดก็สามารถใช้ Ultrasonic sensor ในการตรวจจับได้ และ Ultrasonic sensor มีความถี่ไปตั้งแต่ 20000Hz ขึ้นไปซึ่งเป็นความถี่ที่สูงเกินกว่ามนุษย์จะสามารถรับรู้ได้ โดยการคำนวณหาระยะของคลื่น Ultrasonic จะเป็นไปตามสูตรการเคลื่อนที่แนวราบดังนี้

โดยที่                = ระยะทาง (m)
                         = ความเร็วเสียง (m/s)
                         = เวลาในการเดินทางของคลื่น Ultrasonic ทั้งขาไป-ขากลับ (s)

การทำงานภายใน Ultrasonic sensor

ในการทำงานของ Ultrasonic sensor จะมีส่วนประกอบสำคัญที่มีสัมพันธ์กัน ซึ่งแต่ละอุปกรณ์นั้นจะมีหน้าที่แตกต่างกัน ส่วนแรกคือวงจรกำเนิดสัญญาณความถี่ (Oscillator) จะเป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ผลิตสัญญาณออกมาซ้ำ ๆ กันคือความถี่สั่นพ้อง (resonance) และถูกส่งไปยัง Piezoelectic Ceramics ดังภาพ (A) เพื่อให้เกิดการสั่นเท่ากับความถี่ธรรมชาติของ Piezoelectic Ceramics ส่งผลทำให้เกิดค่าแอมพลิจูดสูงสุดเท่าที่จะสามารถเกิดขึ้นได้ และส่งคลื่น Ultrasonic ออกไป

ภาพ (A) ตำแหน่งของ Piezoelectic Ceramics

วงจร output จะมีอยู่ด้วยกัน 3 ประเภท

จากนั้นเมื่อวงจรกำเนิดสัญญาณความถี่ (Oscillator) สร้างสัญญาณขึ้นมา จะถูกส่งไปยัง Ultrasonic Transceiver ดังภาพ (B) จะทำหน้าที่แปลงสัญญาณที่ได้จาก Oscillator ในรูปแบบแรงดันไฟฟ้าไปเป็นคลื่น Ultrasonic และส่งออกไปยังวัตถุที่ต้องการตรวจจับหรือวัดระดับ และ Ultrasonic Transceiver ยังทำหน้าที่เป็นตัวรับคลื่น Ultrasonic ที่สะท้อนกลับมาจากวัตถุและแปลงเป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้าเพื่อนำไปใช้งานต่อไป ซึ่งหลังจาก Ultrasonic Transceiver ได้รับคลื่น Ultrasonic ที่สะท้อนมาจากวัตถุ จะแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าแต่มีขนาดเล็ก ดังนั้นแล้วจึงต้องขยายสัญญาณแรงดันไฟฟ้าด้วย Amplifier ดังภาพ (B) ก่อนที่จะนำไปใช้งาน และในกระบวนการสุดท้ายของ Ultrasonic sensor สัญญาณที่ถูกขยายจาก Amplifier จะถูกส่งเข้ามามาที่วงจร output ดังภาพ (B) เพื่อแปลงเป็นสัญญาณมาตรฐานเช่น 4-20mA, 0-10V หรืออื่นๆ และนำสัญญาณเหล่านี้ไปเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ภายนอกอีกที เช่น PLC, indicator, Controller, Relay หรือตัวควบคุมอื่น ๆ

ประเภทวงจร output 

      วงจร output ของ Ultrasonic sensor จะมีอยู่ด้วยกัน 3 ประเภท ดังนี้

 1. วงจร output แบบไม่ต่อเนื่อง (Discrete Output)

      ทำงานแบบเปิดปิดเหมาะกับการตรวจจับวัตถุภายในถังเก็บเป็นจุด (ตรวจสอบภายในถังเก็บว่ามีปริมารมาก น้อย หรือไม่มี)

 2. วงจร output แบบต่อเนื่อง (Continuous Output)

     จะมี output เป็น Analog Output สัญญาณแรงดันฟ้าหรือกระแสฟ้ามาตราฐาน เช่น 4-20mA, 0-10V เป็นต้น เหมาะกับกับการตรวจจับที่อยากทราบตำแหน่ง ระยะทาง เช่น ระดับน้ำภายในถังเก็บ

 3. วงจร output สำหรับส่งข้อมูล (Communication Data Output)

      จะทำงานคล้ายวงจร output แบบต่อเนื่อง แต่แตกต่างกับที่สัญญาณที่ส่งออกมาเป็นสัญญาณดิจิตอล เช่น IO Link, CC Link, PROFIBUS ที่ใช้สื่อสารกับอุปกรณ์พิเศษ เช่น PLC

ภาพ (B) โครงสร้างภายใน Ultrasonic sensor

ปัจจัยที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของ Ultrasonic sensor

1. ระยะจำกัดของการตรวจจับ (Blind zone)

     Ultrasonic sensor จะมีระยะจำกัดของการตรวจจับอยู่ ซึ่งจะทำให้เซนเซอร์ตรวจจับไม่ได้โดยสามารถดูค่า Blind zone ของ Ultrasonic sensor จากคู่มือของตัวเซนเซอร์ เช่น Ultrasonic sensor รุ่น UD800 จะมี Blind zone อยู่ที่ 0.4 ถึง 1.8 เมตร

2. ผลกระทบด้านอุณหภูมิ (Effect of Temperature)

      อุณหภูมิจะส่งผลของคลื่น Ultrasonic ดังนั้นในการใช้งานของ Ultrasonic sensor จะต้องมีอุณหภูมิที่เหมาะสม เช่น Ultrasonic sensor รุ่น UD800 มีช่วงการใช้งานอุณหภูมิอยู่ที่ 0°c ถึง 80°c และ Ultrasonic sensor รุ่น UD800 นั้นมีการชดเชยอุณหภูมิภายใน ซึ่งจะช่วยเพิ่มความแม่นยำ

3. มุมตกกระทบวัตถุภายในและวัตถุภายใน

     การใช้งานของ Ultrasonic sensor ได้ดีที่สุดนั้นวัตถุที่กระทบต้องมีลักษณะตั้งฉากกับ Ultrasonic sensor ดังนั้นแล้วถ้ามุมของวัตถุมีองศาเพิ่มขึ้นจะทำให้ประสิทธิภาพของการใช้งาน Ultrasonic sensor ลดลง โดยส่วนใหญ่มุมของวัตถุนั้นจะต้องมีค่าเอียงน้อยกว่า 10 องศา และวัตถุที่จะทำการสะท้อนจากคลื่น Ultrasonic ควรจะมีลักษณะเป็นแนวราบ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการตรวจจับดีที่สุด ถ้าวัตถุที่ทำการตรวจจับเป็นชิ้นเล็กๆ หรือมีรูปร่างที่ไม่แน่นอน จะทำให้ความแม่นยำลดลง

4. ตำแหน่งการติดตั้งของ Ultrasonic sensor ที่เหมาะสม

     การติดตั้งของ Ultrasonic sensor นั้นจะส่งผลต่อการวัดค่าและความแม่นยำ ดังนั้นตำแหน่งของการติดตั้ง Ultrasonic sensor จะมี 4 ประเภทดังนี้ 

      4.1 การติดตั้ง Ultrasonic Sensor บริเวณที่โดนแสงแดด

               การติดตั้ง Ultrasnic Sensor ควรมีอุปกรณ์ป้องกันเซ็นเซอร์ที่จะได้รับความเสียหายจากความร้อน ซึ่งจะส่งต่อความแม่นยำ

      4.2 การติดตั้ง Ultrasonic ในกรณีที่มีการเติมวัตถุ เข้าไปในถังแบบอาศัยแรงโน้มถ่วงของโลก

               จุดที่เหมาะกับการติดตั้ง Ultrasonic Sensor นั้นควรอยู่ให้ห่างจากจุดเติม เพื่อป้องกันการทำงานผิดพลาดหรือความเสียหายแก่ตัวเซ็นเซอร์

      4.3 การติดตั้ง Ultrasonic ในกรณีที่มีการปล่อยของออกด้านล่างตรงจุดกลางของถัง

               ควรดูค่ามุมส่งสัญญาณ (Emission Angle) ของ Ultrasonic sensor เพื่อให้การวัดมีความแม่นยำที่สุด

      4.4 การติดตั้ง Ultrasonic ที่มี อุปกรณ์ประเภท Pneumatic Equipment

               Pneumatic Equipment จะสามารถรบกวนการส่งคลื่น Ultrasonic ได้ซึ่งจะทำให้ Ultrasonic sensor มีความแม่นยำลดลง ดังนั้นไม่ควรติดตั้ง Ultrasonic sensor ใกล้กับจุดที่โดนลม

5. วัสดุที่ใช้ทำ Ultrasonic Sensor

เนื่องจากตัว Ultrasonic Sensor ที่ใช้ในกระบวนการผลิตนั้นมีโอกาสที่ต้องสัมผัสกับสารเคมี มีการกัดกร่อน หรือต้องทนอุณหภูมิสูง ดังนั้นควรจะเลือกวัสดุที่ใช้ทำ Ultrasonic Sensor ที่เหมาะสมกับงานที่ใช้ เช่น Ultrasonic Sensor รุ่น UD800 มีมาตรฐานการป้องกันฝุ่นและน้ำที่ IP68 (เซ็นเซอร์) และ IP65 (อุปกรณ์) โดยวัสดุที่ใช้อยู่บ่อย ๆ ได้แก่ PP, PVDF, PTFE, stainless steel หรือ foam faced transducer เป็นต้น

การประยุกต์ใช้ Ultrasonic sensor

Ultrasonic Sensor สามารถประยุกต์การใช้งานได้หลากหลายในอุตสาหกรรม โดยไม่ได้จำกัดการใช้ในงานวัดระดับความสูงของวัตถุเท่านั้น ดังนั้น Ultrasonic Sensor ประยุกต์ใช้งานได้ดังนี้

1. การใช้งาน Ultrasonic Sensor สำหรับงานเครน

2. การใช้งาน Ultrasonic Sensor สำหรับตรวจจับความตึงหรือหย่อนในกระบวนการรีด

3. การใช้งาน Ultrasonic Sensor สำหรับการป้อนกลับตำแหน่ง

4. การใช้งาน Ultrasonic Sensor สำหรับตรวจจับของเหลวในภาชนะใส

5. การใช้งาน Ultrasonic Sensor สำหรับการขนถ่ายสิ่งของ

ข้อดีของ Ultrasonic Sensor

1. สามารถใช้วัดระดับของวัตถุในสถานะของเหลวและของแข็ง เช่น ฝุ่นผง เมล็ดพืช เม็ดพลาสติก น้ำมัน สารเคมี เป็นต้น
2. สามารถวัดระดับของวัตถุได้ทั้งแบบจุดและแบบต่อเนื่อง ขึ้นอยู่กับลักษณะการออกแบบของ Ultrasonic Sensor
3. Ultrasonic Sensor สามารถทำงานโดยไม่ต้องสัมผัสกับของเหลว

ข้อจำกัด Ultrasonic Sensor

1. ไม่เหมาะกับวัตถุที่สามารถดูดซับเสียง หรือมีซึ่งจะทำให้การสะท้อนเกิดความผิดพลาด
2. การติดตั้งของ Ultrasonic Sensor ด้านบนอาจทำให้การใช้งานเกิดความผิดพลาด ถ้าหากอากาศมีความชื้นสูง
3. ไม่สามารถใช้ในถังปิดหรือพื้นที่สุญญากาศได้
4. ใช้ในพื้นที่อุณหภูมิสูงมากไม่ได้
5. ใช้ในพื้นที่ที่มีความดันสูงไม่ได้ ส่วนใหญ่ผู้ผลิตออกแบบให้ในความดันบรรยากาศและเต็มที่ไม่เกิน 2 bar (แล้วแต่แบรนด์)
6. ไม่สามารถใช้ในพื้นที่หรือถังที่มีวัตถุที่ทำให้เกิดฝุ่นฟุ้งกระจายในถัง หรือสารเคมีบางชนิดที่มีการระเหยไอ เกิดโฟม หรือเกิดฟองได้