เครื่องมือวัดความดัน
Pressure Instrumentation
1. Introduction
ความดัน คือ แรงกระทำต่อพื้นที่
P = F/A
F คือ แรงกระทำซึ่งอาจเกิดจากของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ ก็ได้ มีหน่วยมาตรฐาน เป็น Newton : N
A คือ พื้นที่หน้าตัดที่ถูกแรงกระทำ มีหน่วยมาตรฐานเป็น ตารางเมตร
1.1 ความดันที่เกิดจากของเหลว (Liquid Pressure)
P = rgh
เมื่อ P คือ ความดัน (N/m2) ซึ่งเป็น Static Head
r คือ ความหนาแน่นของของเหลว (kg/m3)
h คือ ความสูงของของเหลว (m)
g คือ แรงโน้มถ่วงของโลก (m/s2)
สำหรับ Dynamic Head (Velocity Pressure) นั้นจะถูกกำหนดโดยสมการของ Bernoulli ซึ่งกล่าวไว้ในเรื่องการวัดอัตราการไหล
ความดันแบบ Static จากของเหลวเป็นรูปแบบที่จะพบเห็นมากที่สุดในระบบเครื่องมือวัดทางอุตสาหกรรม
Velocity Pressure = Total Pressure – Static Pressure
1.2 ความดันที่เกิดจากก๊าซ (Gas Pressure)
P = 1 nmv2
3
เมื่อ P คือ ความดัน (N/m2)
n คือ จำนวนโมเลกุลของก๊าซใน 1m3 (Number/m3)
v คือ ความเร็วเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก๊าซ (m/s)
m คือ มวลโมเลกุลของก๊าซ (kg)
ตัวอย่าง เช่น การวัดความดันของอากาศอัด (Compressed Air)
1.3 ประเภทของความดัน ( Types of Pressure ) มี 4 ประเภท คือ
· ความดันเกจ (Gauge Pressure)
· ความดันสัมบูรณ์ (Absolute pressure)
· ความดันแตกต่าง (Differential Pressure)
· สภาวะสุญญากาศ (Vacuum Pressure)
*** เพื่อให้การเรียกชื่อเป็นแบบสากล ควรเรียกเป็นภาษาอังกฤษ ดีกว่า เพราะสื่อความหมายได้มากกว่าการเรียกเป็นภาษาไทย การแปลเป็นไทยบางครั้งทำให้สูญเสียความหมายได้ เช่นคำว่า superheated steam บางคนแปลว่า ไอดง หรือไอน้ำยิ่งยวด หรือ Yield point บางคนแปลว่า จุดจำนน ซึ่งล้วนแต่ทำให้เสียความหมายทั้งสิ้น รวมทั้งทำให้ผู้ที่ศึกษาไม่รู้ความหมายที่แท้จริงไปด้วย จากประสบการณ์ของผู้เขียนเห็นว่าการแปลนั้นไม่ได้สื่อความหมายได้เลย ดังนั้นไม่ต้องแสดงความเก่งที่จะพยายามแปลศัพท์เทคนิคใดๆทั้งสิ้น ลองแปลคำว่า softwareหรือ windows จะแปลว่าอะไรที่สื่อความหมายได้
ถึงแปลได้ก็พูดกับใครไม่รู้เรื่อง
Type of pressure
ที่มา: Guide to the measurement of pressure and vacuum, The institute of measurement and control ,LONDON,ISBN: 090-445-729X ,Published 1998
ที่มา THEORY AND DESIGN FOR MECHANICAL MEASUREMENTS(THIRD EDITION)BY: RICHARD S. FIGLIOLA , DONALD E. BEASLEY, ISBN 047-135-0834
อธิบายเพิ่มเติม
1. ณ จุดความดันบรรยากาศหรือ Standard Atmospheric Pressure จะพบว่าเข็มของ Pressure Gauge จะชี้ที่เลขศูนย์ หมายความว่า ความดันเกจมีค่าเป็นศูนย์ ณ ที่บรรยากาศปกติ
2. Perfect Vacuum หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Zero Absolute (จุดศูนย์ความดันสัมบูรณ์) มีค่า Pabs=0 หรืออยู่ในสภาวะสูญญากาศสมบูรณ์นั่นเอง
Pabs = Patm + Pg ที่ Pabs = 0 Pg = -Patm หมายความว่า Pressure gauge จะชี้ค่าที่ -101325 kPa โดยประมาณ
1.3.1 ความดันเกจ (Gauge Pressure)
เป็นค่าที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมโดย Gauge Pressure มีค่าเป็นศูนย์ที่ความดันบรรยากาศ
สัญลักษณ์ที่ใช้ คือ Pg หน่วยวัดที่ใช้จะมีตัวอักษร g กำกับอยู่ เช่น Barg, Psig เป็นต้น
1.3.2 ความดันสัมบูรณ์ (Absolute Pressure)
สัญลักษณ์ที่ใช้ คือ Pa หรือ Pabs
หน่วยวัดที่ใช้จะมีอักษร abs หรือ a กำกับอยู่ เช่น bar(abs), Psia เป็นต้น
ความดันสัมบูรณ์มีค่า เท่ากับ 101.325 kPa ที่ความดันบรรยากาศ (1atm) ค่าความดันสัมบูรณ์จะใช้สำหรับในการคำนวณทาง Thermodynamic เป็นส่วนใหญ่ เช่น การหา Boiler Efficiency เป็นต้น
1.3.3 ความดันแตกต่าง (Differential Pressure)
สัญลักษณ์ที่ใช้ คือ ΔP หน่วยวัดที่ใช้มักมีอักษร d , D กำกับอยู่ เช่น Psid เป็นต้น
1.3.4 สภาวะสุญญากาศ (Vacuum Pressure)
สัญลักษณ์ที่ใช้ไม่ปรากฏแน่ชัด แต่ส่วนมากจะใช้เครื่องหมายลบกำกับหน้าตัวเลข นอกจากนี้ยังใช้ abs หรือ Pabs ได้ด้วยแต่อาจเกิดความสับสนได้ง่าย วิธีที่ดีที่สุดคือ ควรกำหนดเป็นค่าตัวเลขติดลบ เช่น P = -10 Psig
หน่วยวัดที่ใช้โดยทั่วไปจะมีอักษร Vac กำกับอยู่ เช่น 750 mmHg vac เป็นต้น
การกำหนดในรูปแบบของ Pabs เช่น 50 kPa (abs) หมายถึง อยู่ในสภาวะ Vacuum เท่ากับ 50 - 101.325 = - 50.325 Kpa หรือ 50.325 kPaVac จะเห็นว่า การกำหนดในรูปแบบ Pabs อาจสร้างความสับสนให้แก่ผู้ใช้งานได้ง่าย จากประสบการณ์ของผู้เขียนพบว่าการเรียกแบบมีเครื่องหมายลบ( - ) สามารถสื่อความหมายได้ดีกว่า
หมายเหตุ : จุดศูนย์ของความดันเกจหรือสภาวะบรรยากาศ จะมีค่าแตกต่างประมาณ 5% แต่ในทางปฏิบัติถือว่ามีค่าเท่ากัน ( average atmospheric pressure )
ระดับของสภาวะ Vacuum
Ø ระดับต่ำ (Low level) คือ อยู่ในช่วง –25 จนถึง –736 mmHg
Ø ระดับกลาง (Medium Level) อยู่ในช่วง 1 จนถึง –10-3 torr หรือ –759 mmHg จนถึง
–759.999 mmHg
Ø ระดับสูง (High Level) อยู่ในช่วง 10-3 จนถึง 10-7 torr หรือ –759.999 mmHg จนถึง –759.9999999 mmHg
Ø ระดับสูงพิเศษ (Extreme high Level) อยู่ในช่วง 10-7 torr ลงไป
1 torr มีค่าเท่ากับ 1 mmHg ส่วนมากใช้กับระบบที่เป็น Vacuum 1 บรรยากาศ ( 1 atm ) = 760 torr
2. Method of Pressure Measurement มีหลายวิธีการด้วยกัน คือ
2.1 Manometer method
2.2 Elastic pressure Transducer/Transmitter
2.3 Electrical Pressure Transmitter
2.4 Vacuum Pressure Measurement/Low Prossure Measurement
2.5 Balancing Force Ressure Measurement
รายละเอียดของแต่ละวิธีมีดังนี้
2.1 Manometer
เป็นอุปกรณ์วัดความดันเกจอย่างง่ายที่สุด โดยวัดที่ค่าความดันต่ำ ๆ มาโนมิเตอร์ อาศัยหลักการ Balance pressure กับน้ำหนักของของเหลวภายใน Column ดังนั้น การตอบสนองการวัดของ manometer ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนไหวของของเหลวใน Column
มาโนมิเตอร์มีด้วยกันหลายรูปแบบ แต่ละแบบมีข้อดี ข้อเสียและ Application ที่แตกต่างกัน ดังต่อไปนี้2.1.1 U-Tube Manometer
เป็นมาโนมิเตอร์ที่มีรูปแบบง่ายทีสุดในบรรดารูปแบบทั้งหลาย ส่วนมากนิยมใช้งานในห้องทดลอง เนื่องจากสามารถเลือกใช้ได้กับของเหลวเกือบทุกชนิด แต่ที่นิยมใช้คือ น้ำและปรอท ตลอดจนสามารถอ่านและบันทึกค่าได้ค่อนข้างแม่นยำด้วย
ลักษณะโครงสร้าง
เป็นหลอดแก้วรูปตัว U และต้องเติมของเหลวเข้าไปบ้างส่วน ซึ่งที่นิยมใช้ที่สุดคือ น้ำ, ปรอท เนื่องจากว่าทั้ง 2 ชนิดมีค่า Specific Weight คงที่แม้อุณหภูมิจะเปลี่ยนไปก็ตาม โดยอาจปล่อยปลายด้านหนึ่งไว้กับบรรยากาศและปลายด้านหนึ่งต่อเข้ากับจุดวัดความดัน หรืออาจต่อปลายทั้งสองเข้ากับจุดวัดความดันก็ได้
· หลักการในกรณีที่ต่อ U-Tube เข้ากับจุดวัดความดันทั้ง 2 ด้าน
อธิบายได้ด้วยสมการดังนี้
U-Tube Manometer
ที่มา: INDUSTRIAL INSTRUMENTATION AND CONTROL(SECOND EDITION) , SK SINGH , ISBN 007-048-290X , McGraw-Hill
P1-P2 = (r-r1) (h1-h 2)g
DP = (r-r1) gh
เมื่อ r คือ ความหนาแน่นของของเหลวใน U-Tube (ปกติแบบนี้จะใช้ปรอท)
r1 คือ ความหนาแน่นของของเหลวในท่อ (Main Pipe)
h คือ ความสูง แตกต่างที่เกิดจาก ความดันทั้ง 2 ด้าน ของ Manometer
g คือ แรงโน้มถ่วงของโลก
· ในกรณีที่ต่อ U-Tube เข้ากับจุดวัดความดัน 1 ด้าน อีกด้านหนึ่งปล่อยอิสระกับบรรยากาศ ดังรูป
ที่มา หลักการและการใช้งานเครื่องมือวัดอุตสาหกรรม โดย สมศักดิ์ กีรติวุฒิเศรษฐ์ , พิมพ์ครั้งที่ 18 -2546 , ISBN 974-8325-148
อธิบายได้ด้วยสมการดังนี้
P1-P2 = (r-r1) (h1-h 2)g
= (r-r1) g D h
เมื่อ P คือ ด้านที่ต่อเข้ากับความดัน r2 คือ บรรยากาศ
r คือ ความหนาแน่นของของเหลวใน U-Tube
r1 คือ ความหนาแน่นของ Fluid เหนือของเหลวด้าน r2 ในที่นี้คือ อากาศและเมื่อเทียบ r กับ r1 และ r1 มีค่าน้อยมาก จึงให้เท่ากับ 0
ดังนั้น DP = rg D h
จากสมการจะพบว่า DP แปรผันตรงกับค่า Dh และค่า r ดังนั้นสมการออกแบบหรือเลือกใช้งาน Manometer จึงต้องคำนึงถึงตัวแปร 2 ตัว เป็นหลัก เช่น หลอดแก้วที่มีความสูง 1 เมตร ใช้ของเหลวที่เป็นน้ำ จะสามารถวัดความดันได้ในย่าน 0-98.066 mbar
หากใช้ของเหลวเป็นปรอท จะสามารถวัดความดันได้ในย่าน 0-1329 mbar
คุณลักษณะที่สำคัญของ U-Tube Manometer
· มีค่า Error ประมาณ I 0.3% ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการอ่านค่าด้วย โดยอาจมีค่า Human Error เกิดขึ้นค่อนข้างมาก
· ค่า Liquid Purity, Temperature, Atmospheric Pressure ที่เปลี่ยนแปลงไป ล้วนส่งผลต่อค่า Density ของของไหล จึงต้องนำมาคำนวณเพื่อชดเชยค่า Error ด้วย
· ของเหลวที่เติมใน U-Tube ที่นิยมใช้คือน้ำ, ปรอท และน้ำมันผสม โดยคุณสมบัติที่สำคัญคือ ต้องไม่ทำปฏิกิริยากับ Fluid ที่ต้องการวัดความดันในระบบ ไม่กัดกร่อนไม่เป็นสารพิษ ไม่แข็งตัว ไม่เดือดง่าย ไม่ระเหยง่าย
· ผลของ Surface Tension หรือ ค่าแรงตึงผิวของของเหลวที่เติมใน U-Tube จะทำให้การอ่านค่าผิดพลาดได้ การอ่านค่าที่ถูกต้องคือ ต้องอ่านค่า ณ จุดกึ่งกลาง Tube ไม่ว่าจะอยู่จุดสูงสุดหรือต่ำสุดก็ตาม ดังรูป
