เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ และ เซนเซอร์วัดความดัน
(Temperature Sensor and Pressure Sensor)
เรียบเรียงโดย
ณัฐพล มีพงษ์
ภัทรศักดิ์ ชุณหะมณีวัฒน์

สารบัญ

บทนำ
อุณหภูมิและความดัน เป็นตัวแปรทางด้านกายภาพ ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงโดยเพิ่มขึ้นหรือลดลงได้ตลอดเวลา ซึ่งส่งผลกระทบต่อระบบต่างๆ ที่เราสนใจ ไม่ว่าจะเป็นการทดลอง หรือในระบบอุตสาหกรรม จึงจำเป็นต้องควบคุม
และ สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรเหล่านี้ เซนเซอร์ เป็นอุปกรณ์ซึ่งสามารถใช้ตรวจจับการเปลี่ยนต่างๆ รวมทั้งอุณหภูมิ และความดัน ด้วย ซึ่งผลที่ได้จากเซนเซอร์ สามารถนำมาควบคุมการทำงานของระบบได้
 
                                                                                                                                                                                     กดที่นี่ เพื่อกลับไปหน้าจอสารบัญ

 เซนเซอร์ตรวจวัดอุณหภูมิ (Temperature Sensor)
        การตรวจวัดอุณหภูมิใช้รูปแบบการเปลี่ยนแปลงระดับแรงดันไฟฟ้าจากสัญญาณอนาล็อกไปสู่ สัญญาณดิจิตอล
โดยสัมพันธ์กับอุณภูมิ โดยมีรูปแบบใหญ่ ๆ ของ เซนเซอร์ f อยู่ด้วยกัน 3 รูปแบบ คือ
    1. Thermocouples  เป็นอุปกรณ์เบื้องต้นในการวัดอุณหภูมิซึ่งสามารถเก็บอุณหภูมิได้ 273 องศาเคลวิน  วัสดุที่ใช้
ทำ  thermocouples เป็นวัสดุที่มีคุณภาพ     ทำให้ระดับแรงดันไฟฟ้าที่ได้มีความถูกต้องสูง  อย่างไรก็ตามปัญหาของ
thermocouples ที่ทำให้ยากต่อการใช้งาน มีดังนี้
        - จุดอ้างอิงของ thermocouples อยู่ที่อุณหภูมิ 273 องศาเคลวิน (จุดเยือกแข็งของน้ำ) ซึ่งเป็นจุดสามสถานะ
ยากในการปรับแต่งให้เป็นจุดอ้างอิง
        - ผลของระดับแรงดันไฟฟ้าที่ thermocouples วัดได้     จะอยู่ในหน่วย มิลลิโวลท์ (mV)  แต่ถ้าจะวัดเป็นไมโคร
โวลท์  จะต้องใช้กระบวนการแปลงสัญญาณให้เป็นอนาล็อกก่อนแล้วจึงแปลงให้อยู่ในรูปของสัญญาณดิจิตอล
        - วัสดุในการสร้างอุปกรณ์ต้องมีคุณภาพสูง
        - ถ้าแนวโน้มของค่าที่วัดได้ไม่เป็นเส้นตรง จะใช้การประมาณค่าผลลัพธ์ซึ่งทำให้ไม่สะดวกในการใช้งาน
 

2. Resistance thermometers       ลดข้อเสียของ thermocouple บางอย่างลงไป และสามารถปรับแต่งจุดอ้างอิงที่ใด
ก็ได้(ไม่จำเป็นต้องไปทำที่องค์กร เหมือน thermocouples)      แต่ข้อเสียคือ จุดอ้างอิงไม่ได้มาตรฐานและมีข้อเสีย
อีกสองข้อ คือ
         - ต้องการวัดค่าการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของความต้านทานค่ามาก ๆ ตรงข้ามกับ thermocouples ซึ่งต้องการ
วัดค่าที่อยู่ในช่วงเล็ก ๆ  แต่ทั้งสองแบบยังต้องอาศัยกระบวนการการขยายสัญญาณ     นั่นหมายถึงยังต้องการการ
แปลงสัญญาณทางอนาล็อกอยู่
        - ปัญหาของวัสดุที่ใช้  เพราะว่าภายในวงจรต้องระวังค่าความต้านทานบางอย่าง
         จากรูปแสดงให้เห็นว่ารูปแบบพิเศษของการเปลี่ยนจากสัญญาณอนาล็อกเป็นสัญญาณดิจิตอล สามารถทำงาน
เหมือนกับวงจรไฟฟ้าแบบบริดจ์(bridge) เพื่อใช้ในการวัดค่าความต้านทานได้โดยตรง    สังเกตว่าระดับแรงดันไฟ
ฟ้าอ้างอิงไม่จำเป็นสำหรับวงจรนี้ ในขณะที่วงจร comparator และ ladder   อาจต้องใช้ระดับแรงดันทางไฟฟ้าอ้าง
อิงนี้  บางทีเทคนิคนี้สามารถนำไปใช้เป็นเครื่องวัดความต้านทานเนื่องจากสามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเพียง
เล็กน้อยของความต้านทานได้
 

3.Thermistor ค่าความต้านทานภายในมีความไวต่อการวัดอุณหภูมิอย่างมาก     ซึ่งข้อดีของ thermistor คือ สัญญาณ
กว้าง ไม่ต้องการการอ้างอิง แต่ข้อเสียคือค่าที่ได้ไม่ถูกต้องหรือแน่นอน    ซึ่งค่าความสัมพันธ์ของอุณหภูมิกับความ
ต้านทานคือ  ซึ่งเป็นความสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้นโดยจะเพิ่ม thermistor ลงไปในวงจรดังรูป
     

จากวงจรดังรูป การวัดจะได้ผลที่ดี ถ้า Rt มีค่าอยู่ในย่านใกล้เคียงกับ Rref และจะค่อยๆ แย่ลง สำหรับ R ที่มีค่าห่างออกไป
ดังนั้นโดยปกติใน การใช้งาน จึงมักจะเซตให้วงจร มีการตอบสนองค่า  ที่อยู่ในช่วงกลางๆ    การหาค่าที่แท้จริงที่วัดได้   ซึ่งต้อง
แปลงมาจากปริมาณทางไฟฟ้า เป็นเรื่องที่ยุ่งยากเพราะต้อง มีการวัด และเปรียบเทียบมากมาย เพื่อการหา table look-up โดยทั่วไป เทอร์มิสเตอร์มักจะไม่ได้ถูกออกแบบมา เพื่อให้สเปคสามารถแทนกันได้โดยสมบูรณ์ ดังนั้นในการใช้งาน เทอร์มิสเตอร์แต่ละตัว
 จึงต้องทำการวัด  เพื่อหาตารางเปรียบเทียบค่าตัวต่อตัว อย่างไรก็ตาม ยังมีเทอร์มิสเตอร์เฉพาะบางแบบ ที่ถูกออกแบบมา  ให้
สามารถแทนกันได้ ทำให้การใช้งานสะดวกขึ้นมาก

                                                                                                                                                                                     กดที่นี่ เพื่อกลับไปหน้าจอสารบัญ

การคำนวณเชิงเส้นตรง

       เซนเซอร์โดยปกติมักจะมีการทำงานที่ไม่เป็นเชิงเส้น  แต่ในการใช้งานจะสะดวกกว่ามาก ถ้าผลลัพธ์ที่ได้ เป็นปริมาณที่มี
ความสัมพันธ์เป็นเส้นตรง คือจะทำให้ตัววงจร สำหรับประมวลผลมีความสลับซับซ้อนน้อยลง    มีหลายวิธีที่ใช้ในการแก้ปัญ
หานี้ ยกตัวอย่างเช่น
       1. Analytic Equation     ถ้าความสัมพันธ์ในลักษณะที่ไม่เป็นเส้นตรงนี้   สามารถเขียนอยู่ในรูปของสมการได้   การแปลง
ค่าที่ได้ก็่จะง่าย  เช่น การหาค่าพลังงานความร้อน ขึ้นกับยกกำลังสองของความต่างศักย์ที่คล่อมมัน
        2. Look-Up Table    เป็นวิธีที่ดีและรวดเร็ว ถ้าระบบมีส่วนเก็บข้อมูลที่เพียงพอ มันสามารถจัดการกับข้อมูลแบบที่ไม่เป็น
เส้นตรงที่ไม่สามารถหาเป็นสมการออกมาได้ด้วย    แต่วิธีนี้ จะยุ่งยากในการหาตารางเปรียบเทียบเริ่มต้น  และต้องการที่เก็บ
ข้อมูลมาก ในกรณีที่ต้องการได้ผลลัพธ์ที่ละเอียดขึ้น
        3. Piece-Wise Linearisation     เหมาะสำหรับระบบที่ไม่เป็นเส้นตรงขนาดเล็ก โดยจะแบ่งช่วงให้เป็นช่วงเล็กๆ พอที่จะ
ประมาณได้ว่า ในช่วงนั้นมีความสัมพันธ์เป็นเส้นตรง   มีข้อดี คือ ไม่จำเป็นต้องใช้ที่เก็บข้อมูล และเร็วกว่าวิธีทั้ง 2 ข้างต้น

                                                                                                                                                                                     กดที่นี่ เพื่อกลับไปหน้าจอสารบัญ

การใช้ไดโอดทำงานเป็นเซนเซอร์วัดอุณหภูมิ

     อุณหภูมิ เป็น ตัวแปรทางด้านกายภาพ ซึ่งส่วนมากต้องมีการวัด อุณหภูมิ เพื่อใช้ในการทดลอง  การใช้ sensor วัดอุณหภูมิเป็นอีกวิธีหนึ่ง  และ  วิธีนี้จะกล่าวถึงการใช้ไดโอด  เบอร์ 1N914 เพื่อทำเป็น  UPC/UNB sensor

     ไดโอดที่ทำจากซิลิกอน  จะมีแรงดัน  forward  voltage  ตกคร่อมปกติที่ค่า 0.7 Vdc ที่อุณหภูมิปกติทั่วไป  แต่จะแปรผกผันกับอุณหภูมิสัมบูรณ์  หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้น  แรงดันที่ตกคร่อมไดโอดจะค่อยๆลดลง  โดยจะมีความสัมพันธ์เชิงเส้นกับอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง  และเราสามารถใช้อุปกรณ์ที่เป็น sensor card เพื่อวัดหาค่าและสามารถเปลี่ยนอัตราส่วน และตัวประกอบ  เพื่อปรับให้เป็น sensor วัดอุณหภูมิในหน่วยที่เป็น องศาเซลเซียส , องศาฟาเรนไÎด์  และสามารถใช้วัดได้ละเอียดถึง 0.1 องศาเซลเซียส

     ไดโอดประกอบด้วย 2 ขั้ว คือ  แอโนด  และ คาโทด  ซึ่งเป็นขั้วบวกและลบตามลำดับ  ไดโอดจะได้รับกระแส   1 mA  จากการต่อใช้งานกับ  sensor card และแรงดันตกคร่อม  ที่วัดได้จะเป็นค่าอินพุต ของ sensor card  ดูจากไดอะแกรม

     การปรับมาตราส่วนจากค่าที่ได้จากอินพุต  โดยรับอินพุต ได้เป็นแรงดันกระแสตรง  และตั้งค่า แรงดัน สูงสุด-ต่ำสุด  ให้เท่ากับ  +/- 1.28 Vdc  มีตัวประกอบ (factor) สำหรับองศาเซลเซียส เท่ากับ -0.5  แต่สำหรับองศาฟาเรนไÎต์ เท่ากับ -0.9  เมื่อต้องการจะแสดงผล  ก็นำค่าที่ได้มาเปรียบเทียบกับเทอร์โมมิเตอร์  ปรับตั้งมาตราส่วนให้คงที่จนกว่า ค่าที่อ่านได้จะสอดคล้องตรงกับ  เทอร์โมมิเตอร์

                                                                                                                                                                                     กดที่นี่ เพื่อกลับไปหน้าจอสารบัญ
 
 เซนเซอร์ตรวจวัดความดัน (Pressure Sensor)

    การวัดความดันที่มีค่าต่ำมากๆ  จะให้ผลค่อนข้องคลาดเคลื่อน  ซึ่งต้องปรับปรุงขอบเขตความสามารถในการวัด  รวมไปถึงผลตอบสนองต่อความถี่สูง (high frequency response) และความทนทาน  ซึ่งทั้งหมดที่ขึ้นอยู่กับขั้นตอนและกรรมวิธีในการผลิตส่วนที่ใช้วัดความดัน  ซึ่งไม่มีส่วนเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ส่วนอื่น  โดยมีหลัการดังนี้

    ตัวแปรที่ใช้วัดการเปลี่ยนแปลงของความดัน  อธิบายได้โดยดูจากการนำไฟฟ้าของส่วนที่เป็นไดอะแฟรมวัดความดันกับขดลวดทั้ง 2  ขดลวดถูกพันและติดตั้ง  โดยมีแนวแกนทั้ง 2 ขัดกับระนาบของไดอะเฟรม  ขดลวดทั้ง 2 ต่อกันส่วนไดอะแฟรมจะสามารถเคลื่อนที่ได้อิสระเพื่อตอบสนองผลของการเปลี่ยนแปลงความดัน

    ขอลวดได้รับกระแสสลับขนาด 5 Vrms ที่มีความถี่ 3 หรือ 4 KHz  ขดลวดทั้ง  ต่อเข้าสายสัญญาน  สายเดียวกัน จึงถือว่าไม่มีความต้านทานความดัน  ไดอะแฟรมจะเคลื่อนจากขดลวดอันใดอันหนึ่ง  เมื่อ sensor ได้รับการเปลี่ยนแปลงความดัน  ไดอะแฟรมจะเลื่อนจากขดลวดหนึ่ง  ไปยังอีกอันหนึ่ง  ไดอะแฟรมเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติทางด้านสนามแม่เหล็ก  เมื่ออยู่ใกล้ขดลวดใดจะทำให้ความหนาแน่นของฟักซ์แม่เหล็กรอบๆขดลวดสูงขึ้น  เมื่อสนามแม่เหล็กรอบขดลวดสูงขึ้น  จะส่งผลให้  เพิ่มความสามารถในการนำไฟฟ้า  ในขณะเดียวกันขดลวดอีกอันก็ลดความต้านทาน  เป็นผลให้ขดลวดทั้ง 2 มีคุณสมบัติ  ไม่สมดุลกัน  ส่งผลให้มีสัญญาณขนาดเล็ก  ส่งมาจากสายสัญญาณ

    การเปลี่ยนแปลงของความต้านทานของขดลวด  มีผลเป็นสัดส่วนกับการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของไดอะแฟรม  ดังนั้น  แอมพลิจูดของสัญญาน  ซึ่งเป็นผลที่ได้จากการเปลี่ยนแปลงความดัน  เฟสของสัญญาณ  จะบอกให้รู้ถึงทิศทางการเคลื่อนที่ของไดอะแฟรม  ดั้งนั้น  แอมพลิจูดของสัญญาณ จึงเป็นผลที่ได้จากการเปลี่ยนแปลงความดัน  เฟสของสัญญาณ  จะบอกให้รู้ถึงทิศทางการเคลื่อนที่ของไดอะแฟรม  เอาท์พุตที่ได้จากวงจรวัดการเปลี่ยนแปลง  มีขนาดเต็มสเกลได้ 20 mV/V  หรืออาจมากกว่า

    เนื่องจากเอาพุตที่ได้ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนนีของไดอะแฟรม  สเกลของค่าความดันที่วัดได้จะขึ้นอยู่กับความกว้างของพื้นที่ที่ไดอะแฟรมเคลื่อนที่

    ในบางครั้งจำเป็นต้องวัดแรงดันของไหลที่อุณหภูมิซึ่งต่างไปจากปกติ  อาจมากหรือน้อยกว่าปกติ  เราหลีกเลี่ยงวิธีการที่จะสร้างอุปกรณ์ตรวจวัดความดันชนิดพิเศษ  ที่ทนต่ออุณหภูมิได้โดยการ  แยก sensor วัดความดันออกห่างจากจุดที่ต้องการวัด  โดยให้แรงดันผ่านหลอดหรือท่อสั้นๆ

จากกราฟแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ของขนาดความยาวของท่อกับอุณหภูมิเมื่อต้องการวัดความดันที่อุณหภูมิต่างกัน

มีข้อสรุปในการใช้งานดังนี้

    ในการวัดความดัน จะไม่มีของไหลผ่านท่อมายังเครื่องมือและเนื่องจากการควบคุมอุณหภูมิที่ปลายท่อ  เครื่องมือวัดจึงไม่ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมินอกจากว่าของไหลที่จะวัดมีอุณหภูมิสูงมากเกินไป

                                                                                                                                                                                     กดที่นี่ เพื่อกลับไปหน้าจอสารบัญ

บทสรุป
จากประโยชน์ของเซนเซอร์ทั้งสองชนิด สามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการทดลอง หรืองานอุตสาหกรรมได้อย่างมากมาย อีกทั้งยังให้ผลลัพท์ซึ่งมีความถูกต้องโดยขึ้นอยู่กับกรรมวิธีการผลิต และการเลือกใช้งาน ซึ่งมีประโยชน์เพราะสามารถลดแรงงานของมนุษย์ลงได้

เอกสารอ้างอิง

                                                                                                                                                                                     กดที่นี่ เพื่อกลับไปหน้าจอสารบัญ



[ บทเรียน ] [ 204471 ] [ รายวิชา ]
[ ภาควิชาวิศวกรรมคอมพิวเตอร์ ] [ คณะวิศวกรรมศาสตร์ ] [ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ]