เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple)
เทอร์โมคัปเปิลถูกคิดค้นขึ้นไปปี ค.ศ. 1821 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ที่มีชื่อว่า Thomus Seebeck
เทอร์โมคัปเปิลที่ใช้ในการทำงานครั้งนี้คือ Type K เนื่องจากเป็นประเภทที่นิยมและหาซื้ออุปกรณ์ในการทำได้ง่าย โลหะที่ใช้ทำเทอร์โมคัปเปิล Type K คือ โครเมียมและอลูมิเนียม
คุณลักษณะของเทอร์โมคัปเปิล คือ ช่วงของการวัดอุณหภูมิคือ -270 ถึง 1,370 องศาเซลเซียล และ ที่อุณหภูมิสูงๆ คือช่วงอุณหภูมิ 200-300 องศาเซลเซียลนั้น เทอร์โมคัปเปิลชนิด K จะมีลักษณะเป็นฮีสเตอร์รีซีส คือ จะมีค่าความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและค่าความต่างศักย์ที่ได้นั้นไม่เป็นเชิงเส้น แต่เนื่องจากค่าอุณหภูมิที่เราจะใช้ในการทำงานครั้งนี้คือ 0-50 องศาเซลเซียล ผลกระทบนี้จึงไม่มีผลใดๆ ต่อการทำงานครั้งนี้เนื่องจาก rage ที่ใช้นั้นต่างกัน
ข้อดีของเทอร์โมคัปเปิล Type K คือ (ไม่ใช่ข้อดีทั้งหมดแต่เป็นข้อดีที่มีผลต่อการทำงาน)
- ผลของค่าความสัมพันธ์ระหว่างค่าความต่างศักย์และค่าของอุณหภูมิมีความเป็นเชิงเส้นมากที่สุดในบรรดาเทอร์โมคัปเปิลทั้งหมด
- เป็นแบบที่นิยมแพร่หลาย ง่ายต่อการซื้อและศึกษาอุปกรณ์
ข้อเสียของเทอร์โมคัปเปิล Type K คือ (ไม่ใช่ข้อเสียทั้งหมดแต่เป็นข้อดีที่มีผลต่อการทำงาน)
- หลังการใช้งานเป็นเวลา 30 ปี ทำให้ส่วนผสมทางเคมีเปลี่ยนไปส่งผลให้คุณสมบัติทางแรงเคลื่อนไฟฟ้าเปลี่ยนไปด้วย
หลักการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล
เทอร์โมคัปเปิลสามารถวัดอุณหภูมิได้ โดยอาศัยหลักการการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิให้เป็นแรงเคลื่อนทางไฟฟ้า ซึ่งเทอร์โมคัปเปิลทำจากโลหะสองชนิดที่แตกต่างกัน จะนำมาเชื่อมต่อปลายทั้งสองเข้าด้วยกันด้านหนึ่ง ซึ่งจะเป็นจุดวัดอุณหภูมิ และปลายอีกด้านหนึ่งจะปล่อยให้เปิดไว้ไม่ต้องเชื่อมต่อกัน ซึ่งจะเป็นจุดอ้างอิง ถ้าเราไม่มีจุดอ้างอิงเราก็สามารถที่จะวัดอุณหภูมิได้เลยเช่นกันเพราะจะมีค่าความต่างศักย์ไหลผ่านโลหะ แต่อย่างไรเสียจุดอ้างอิงก็เป็นสิ่งที่จำเป็นจะต้องมี เพราะจุดอ้างอิงจะต้องเป็นจุดที่มีอุณหภูมิที่คงที่ มิเช่นนั้นแล้วค่าความต่างศักย์ที่ได้ออกมาจะมีค่าไม่คงที่ เปลี่ยนไปเปลี่ยนมาเพราะค่าความต่างศักย์เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาทั้งสองข้างไม่มีข้างใดข้างหนึ่งอ้างอิงไว้ เมื่อเรานำโลหะทั้งสองชนิดนี้มาวัดถ้าทั้งสองด้านมีอุณหภูมิที่แตกต่างกันก็เกิดค่าความต่างศักย์ทางไฟฟ้าตกคร่อมโลหะนั้น ซึ่งค่าความต่างศักย์นี้จะสัมพันธ์กับเรื่องที่ว่า อิเล็กตรอนในปลายของโลหะด้านที่ร้อนจะมีพลังงานมากกว่าในปลายของโลหะด้านที่เย็น จึงทำให้อิเล็กตรอนวิ่งจากปลายของโลหะด้านที่ร้อนไปหาปลายของโลหะด้านที่เย็น จึงเกิดเป็นค่าความต่างศักย์ขึ้น
อธิบายผลของซีแบ็ค
จากผลของซีแบ็ค (Seebeck Effect) จะทำให้เราเห็นได้ว่า ถ้าเราใช้โลหะชนิดเดียวกันนั้นค่า Q ก็จะออกมาเท่ากันทำให้ค่า emf. ที่เราได้ออกมาเป็น 0 และค่าอุณหภูมิในจุดที่เราวัดและจุดที่เราอ้างอิงถ้ามีค่าเท่ากันค่า emf. ก็จะเป็น 0 จากสมการ
เมื่อเราคิดย้อนกลับจากผลของซีแบ็ค นั่นคือการที่เราใช้โลหะที่แตกต่างกันสองชนิดมาเชื่อมต่อกันทั้งสองด้าน หลังจากนั้นจ่ายพลังงานให้โดยจ่ายจากภายนอก ป้อนไฟให้วงจรจากภายนอก ด้วยเหตุนี้จะส่งผลให้เกิดกระแสไหลได้ในวงจร เพราะจากคุณสมบัติของโลหะที่ว่า การส่งกระแสไฟฟ้าและความร้อนของโลหะนั้น พบว่าขั้วด้านหนึ่งจะเกิดความร้อน ให้เป็น T2 และอีกขั้วหนึ่งจะเกิดความเย็น ให้เป็น T1 โดยเรียกผลดังกล่าวว่า ผลของเพลเทียร์ (Peltier effect)
แสดงผลของเพลเทียร์
Reference Junction
ในการทำงานของเทอร์โมคัปเปิลนั้นจะต้องมีค่าอุณหภูมิเป็นค่าอ้างอิง มิเช่นนั้นแล้วถ้าไม่มีอุณหภูมิอ้างอิงจะทำให้ได้ค่าที่อ่านได้ไม่ถูกต้อง
วิธีการควบคุม Reference Junction
วิธีที่ 1 Fixed reference temperature คือการรักษาอุณหภูมิที่ reference ให้คงที่
วิธีที่ 2 Electrical reference compensate คือการใช้วงจรบริดจ์ไปต่ออนุกรม โดยในตัวต้านทานในวงจรบริดจ์ตัวใดตัวหนึ่งนั้นให้เป็นตัวต้านทานที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ และเมื่ออุณหภูมิที่จุดอ้างอิงเปลี่ยนแปลงไปนั้น จะทำให้วงจรบริดจ์เสียสมดุล จึงทำให้มีแรงดันไฟฟ้าไปเสริมวงจร จึงทำให้เราวัดค่าได้
วิธีที่ 3 Mechanical reference compensate ใช้แสดงค่าที่มี reference อยู่ที่เครื่องแสดงค่า คือเมื่อ reference junction อุณหภูมิสูงขึ้น Bimetalic จะโก่งดึงเข็มเข้าชี้อุณหภูมิตามจุดวัดตลอดเวลา
Thermocouple Table
ค่าจากตารางด้านล่างนี้เป็นค่าระหว่างความสัมพันธ์ของ reference และค่า output ที่ออกมาเป็นค่าความต่างศักย์ ซึ่งมีขนาดน้อยมาก และในบางครั้งค่าที่ออกมานั้นมีค่าไม่ตรงกันกับตารางที่เราต้องการที่จะทราบค่า เราจึงจะต้องมีการจินตนาการเอาเองว่ามีการแบ่งสเกลค่าในตารางนั้น ซึงเราสามารถที่จะหาได้จากสมการแบ่งสเกล ดังนี้
TM= TL + [(TH - TL)/ (VH - VL)] (VM - VL)
เมื่อ
VM = คือแรงเคลื่อนที่วัดได้จากมิเตอร์
VH และ VL = ค่าแรงเคลื่อนของ TH และ TL อ่านได้จากตารางโดย VH อยู่สูงกว่า VM และ VL ต่ำกว่า VM
TH และ TL = ค่าอุณหภูมิที่ตรงกับค่าแรงเคลื่อน VH และ VL ตามลำดับ
Chromel vs Alumel (0ºC to 640ºC) EMF in Millivolts - Reference Junction 0ºC
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
การตรวจวัดระดับ (Level Sensor)
โดยความเป็นจริงการวัดระดับของของเหลวหรือของแข็ง ก็คือการเซ็นเซอร์ระยะ (ในแนวตั้ง) จะเห็นว่าระดับจะมีความเกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิตหลาย ๆ อย่าง เช่นระดับของวัสดุที่อยู่ในยุ้งเก็บ (hopper) ระดับของของเหลวในถัง เป็นต้นระดับของวัตถุที่ต้องการวัดไม่จำเป็นว่าต้องเป็นเนื้อเดียวกัน ขึ้นอยู่กับกระบวนการเช่นอาจจะเป็น แป้ง ข้าว น้ำมันเชื้อเพลิง อาหาร หรืออื่น ๆ โดยปกติถ้าเราแบ่งตัวเซ็นเซอร์วัดระดับโดยดูความต่อเนื่องของสัญญาณต่อเวลาก็พบว่ามีอยู่ 2 แบบใหญ่ ๆ ได้แก่ 1.แบบต่อเนื่อง (continuous) จะให้สัญญาณออกมาเป็นสัดส่วนกับความสูงของวัตถุที่อยู่ในถังตลอดเวลา เช่นการเปลี่ยนแปลงค่าการเก็บประจุ เป็นต้น 2.แบบไม่ต่อเนื่อง (discrete) เอาต์พุตที่ออกมาจากเซ็นเซอร์แบบนี้ทำงานที่สองสภาวะคือ เปิดและปิด (หรือตัดกับต่อวงจร) แบบนี้จะใช้งานกับเครื่องควบคุมกระบวนการได้ง่ายกว่า ตัวอย่างของเซ็นเซอร์แบบนี้ได้แก่ สวิตช์ลูกลอย หลักการอิเล็กโทรดตัวนำ เป็นต้น อุปกรณ์วัดระดับทางกล (Mechanical Sensor)ที่เห็นกันโดยทั่วไปได้แก่สวิตช์ลูกลอย ตัวอย่างการใช้งานของสวิตช์แบลูกลอย เช่นในถังชักโครกซึ่งใช่ลูกลอยเป็นตัวปิดเปิดวาล์ว ถังเก็บน้ำประปา เป็นต้น หลักการทำงานของลูกลอยจะพบว่าตำแหน่งของวาล์วจะเป็นสัดส่วนกับระดับน้ำ นั่นคือ หากระดับน้ำต่ำลงลูกลอยก็จะตกลงและเปิดวาล์ว เมื่อระดับน้ำสูงขึ้นลูกลอยก็จะลอยขึ้นไปผลักให้วาล์วปิด การทำงานดังกล่าวนี้จะเห็นว่าแขนและจุดหมุน (pivot) จะเป็นระบบการขยายแรงทางกล
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
มอเตอร์กระแสตรง ( DC MOTOR )
มอเตอร์กระแสตรงจะมีหลักการทำงานโดยวิธีการผ่านกระแสให้กับขดลวดในสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะทำให้เกิดแรงแม่เหล็ก โดยส่วนของแรงนี้จะขึ้นอยู่กับกระแสและกำลังของสนามแม่เหล็ก
การขับและกลับทิศทางของมอเตอร์กระแสตรง ( DC MOTOR)
ในการใช้ไอซีไมโครคอนโทรเลอร์เป็นตัวควบคุมการหมุน และทิศทางของมอเตอร์กระแสตรงนั้น เราจะต้องมีส่วนของวงจร ที่เรียกว่าวงจรขับมอเตอร์ (Driver) ในส่วนของวงจรกลับทิศทางของมอเตอร์นั้น สามารถที่จะใช้รีเลย์ต่อวงจร สวิตซ์เพื่อกลับทิศทางของขั้วไฟกระแสตรง หรืออาจใช้อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่เป็นวงจรขับกำลังเช่น ทรานซิสเตอร์ มอสเฟต แล้วแต่วิธีที่เราจะเลือกใช้งาน จากรูปเป็นการใช้รีเลย์ควบคุมการเปลี่ยนทิศทางการหมุนของมอเตอร์ โดยการควบคุมการปิด - เปิดที่รีเลย์ 2 ตัว ซึ่งจะทำหน้าที่กลับทิศทางของขั้วไฟที่ป้อนให้กับมอเตอร์ โดยการสลับการทำงานของรีเลย์ เช่นให้รีเลย์ตัวที่ 1 ทำงาน (ON) และรีเลย์ตัวที่ 2 หยุดทำงาน (OFF) จะทำให้มอเตอร์หมุนไปทางซ้าย และในทำนองเดียวกันถ้าหากรีเลย์ตัวที่ 1 หยุดทำงาน (OFF) และรีเลย์ตัวที่ 2 ทำงาน (ON) ก็จะทำให้มอเตอร์หมุนไปทางขวา
รูปแสดงการกลับทิศทางของมอเตอร์กระแสตรงโดยใช้รีเลย์
รูปแสดงการใช้ทรานซิสเตอร์เพื่อขับรีเลย์ให้ทำงาน
จากรูปเป็นวงจรขับรีเลย์โดยใช้ทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่ขยายกระแส ด้วยเหตุผลเพราะไม่สามารถจะใช้ขา เอาต์พุตของไมโครคอนโทรลเลอร์ป้อนกระแสไฟที่ขดลวดของรีเลย์โดยตรงได้ เนื่องจากว่ากระแสที่จ่ายออกมาจากขา เอาต์พุตของไมโครคอนโทรลเลอร์มีค่าน้อยเกินไป ดังนั้นเราจึงต้องมีส่วนของวงจรทรานซิสเตอร์เพื่อที่จะทำการขยายกระแสให้เพียงพอในการป้อนให้กับขดลวดของรีเลย์ ส่วนไดโอดนำมาต่อไว้สำหรับป้องกันแรงดันย้อนกลับที่เกิดจากการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กในขณะเกิดการยุบตัว ซึ่งอาจจะทำให้ทรานซิสเตอร์เสียหายได้
รูปแสดงการใช้ทรานซิสเตอร์เป็นวงจรขับและกำหนดทิศทางของมอเตอร์กระแสตรง
จากรูปเป็นวงจรลิเนียร์บริดจ์แอมป์ ซึ่งจะประกอบไปด้วยทรานซิสเตอร์กำลัง 4 ตัวที่ทำหน้าที่ขับ และควบคุมทิศทางการหมุนของมอเตอร์ ถ้าหากกำหนดให้ทรานซิสเตอร์ Q1 และ Q4 อยู่ในสภาวะทำงาน (Active) กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านทรานซิสเตอร์จากซ้ายไปขวา โดยผ่านมอเตอร์กระแสตรงทำให้มอเตอร์หมุนไปทางขวา ในทำนองเดียวกันถ้าหากเราทำให้ทรานซิสเตอร์ Q2 และ Q3 อยูในสภาวะทำงาน (Active) กระแสไฟฟ้าก็จะไหลจากทางขวาไปทางซ้ายซึ่งจะส่งผลให้มอเตอร์กลับทิศทางการหมุนจากทางขวาไปทางซ้าย
การควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรง
การควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรงมีหลายวิธีด้วยกัน ซึ่งอาจจะใช้วิธีการควบคุมแบบพื้นฐานทั้วไปเช่นการควบคุมด้วยวิธีการใช้ตัวต้านทานปรับค่าโดยต่ออนุกรมกับมอเตอร์ หรือใช้วิธีการการควบคุมโดยการเปลี่ยนค่าของระดับแรงดันที่ป้อนให้กับมอเตอร์ แต่การควบคุมในวิธีดังกล่าวถึงแม้ว่าจะควบคุมความเร็วมอเตอร์ให้คงที่ได้ แต่ที่ความเร็วต่ำจะส่งผลให้แรงบิดต่ำไปด้วย ดังนั้นเราจึงเลือกใช้วิธีการควบคุมโดยการจ่ายกระแสไฟให้กับมอเตอร์เป็นช่วงๆ โดยอาศัยกระแสไฟที่ป้อนให้กับมอเตอร์ให้เป็นค่าเฉลี่ยที่เกิดขึ้นในแต่ละช่วง ซึ่งเราเรียกว่าวิธีการของการมอดูเลชั่นทางความกว้างของพัลส์ PWM (Pulse Width Modulation)
วิธีการมอดูเลชั่นทางความกว้างของพัลส์ (PWM)
การมอดูเลชั่นทางความกว้างของพัลส์ PWM (Pulse Width Modulation) จะเป็นการปรับเปลี่ยนที่สัดส่วน และความกว้างของสัญญาณพัลส์ โดยความถี่ของสัญญาณพัลส์จะไม่มีการเปลี่ยนแปลง หรือเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ค่าของดิวตี้ไซเกิล (duty cycle) นั้นเอง ซึ่งค่าของดิวตี้ไซเคิล คือช่วงความกว้างของพัลส์ที่มีสถานะลอจิกสูง โดยคิดสัดส่วนเป็นเปอร์เซตน์จากความกว้างของพัลส์ทั้งหมด ยกตัวอย่างเช่น ถ้าหากค่าดิวตี้ไซเคิลมีค่าเท่ากับเท่ากับ 50% ก็หมายถึงใน 1 รูปสัญญาณพัลส์จะมีช่วงของสัญญาณที่เป็นสถานะลอจิกสูงอยู่ครึ่งหนึ่ง และสถานะลอจิกต่ำอยู่อีกครึ่งหนึ่ง ดังรูป 6.27 และในทำนองเดียวกันถ้าหากค่าดิวตี้ไซเคิลมีค่ามาก หมายความว่าความกว้างของพัลส์ที่เป็นสถานะลอจิกสูงจะมีความกว้างมากขึ้น หากค่าดิวตี้ไซเคิลมีค่าเท่ากับ 100% ก็หมายความว่าจะไม่มีสถานะลอจิกต่ำเลย ซึ่งค่าดิวตี้ไซเคิลสามารถ จะหาได้จากค่าความสัมพันธ์ดังนี้
ค่าดิวตี้ไซเคิล = (ช่วงของสัญญาณพัลส์/คาบเวลาทั้งหมดของสัญญาณ) X100%
|
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
Stepping Motor Control
Stepping Motor เป็น Electronical Transducer ซึ่งเป็น input เป็นกลุ่มของ Binary Voltage และ Output การเคลื่อนที่ในเชิงมุม(หมุน) แกนหมุน(Shalf) เป็น step
โครงสร้างการทำงานของ Stepping Motor มีลักษณะดังรูปที่ 1 ซึ่งประกอบด้วยขดลวด stator 4 ขดสำหรับชนิด 4 phase ล้อมรอบแกน(Shalt) Rotor ซึ่งเป็นแม่เหล็กถาวร
หลักการทำงาน คือ เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับขดลวด stator Coil a,b,c,d ไม่พร้อมกันนั่นคือ ถ้าเราจ่ายกระแสให้ a ก่อนโดยไม่จ่ายให้ขออื่น แล้วตามด้วย b,c และd เรียงตามลำดับ จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก หมุนวนในลักษณะทวนเข็มนาฬิกา ซึ่งส่วนของ Rotor ที่เป็นแม่เหล็กถาวรก็จะหมุนตามสนามแม่เหล็กไปด้วย คือ ทวนเข็มนาฬิกา
ในทำนองเดียวกันถ้าเราจ่ายกระแสให้ขด d,c,b,a…. ก็จะให้ สนามแม่เหล็กหมุนในทิศทางตามเข็มนาฬิกา ซึ่งส่งผลให้ Rotor หมุนตามเข็มนาฬิกาด้วย
การกำหนดความเร็วของ stepping Motor ทำได้โดยการเปลี่ยนแปลง ความเร็วของการเปลี่ยนการจ่ายกระแสจากขดลวดหนึ่งไปยังอีกขดหนึ่งให้เร็วขึ้น
การควบคุม stepping Motor ดังที่กล่าวมาแล้ว เป็นแบบ 4 phase 1 exilation ซึ่งมีลักษณะตามตารางที่ 1 (ตัวเลข 1 หมายถึง มีการจ่ายแรงดันให้กับขดลวด 0 คือไม่จ่ายแรงดันให้กับขดลวด
ตารางที่ 1 การควบคุม Stepping Motor แบบ 4 phase 1 exilation
จากวงจรของรูปตัวอย่าง Stepping Motor ในรูปที่ 1 จะเห็นว่าการกระตุ้น 1 ครั้ง (1 step) จะทำให้ Motor หมุนไป 90 องศา ซึ่งในกรณีของ Stepping Motor จริงๆจะซับซ้อนกว่านี้ โดยแต่ละ step ของการ exite แกนของ Motor หมุนไปในมุมนเอยกว่านี้ซึ่งโดยทั่งไปจะเป็น 0.1 องศาถึง 30 องศา ขึ้นอยู่กับแต่ละ Stepping Motor
เราสามารถควบคุมให้ Stepping Motor หมุนครั้งละ ½ step ได้โดยเปลี่ยนการควบคุมใหม่ดังตารางที่ 2การควบคุม Stepping Motor 4 phase ½ exilation(half- step)
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
Ball Valve
Ball Valve (วาล์วบอล) คือ วาล์วที่มีทรงกลมที่มีรูหรือพอร์ตผ่านตรงกลาง เมื่อวาล์วปิดหลุมก็จะเกิดการตั้งฉากกับปลายลิ้นและไหลจนถูกบล็อคกับตำแหน่งพอร์ต บอลวาล์วที่แข็งแรงมักจะทำงานให้ shutoff สมบูรณ์ บอลวาล์วมีการใช้งานในอุตสาหกรรมอย่างกว้างขวาง มีการทำงานของความดันได้ถึง 700 บาร์ อุณหภูมิสูงถึง 200 °C และมีขนาดปกติตั้งแต่ 0.5 ซม. ถึง 30 ซม. บอลวาล์วอาจจะทำจากโลหะ , พลาสติก หรือโลหะกับเซรามิก ส่วนมากวาล์วบอลมักจะชุบโครเมี่ยมเพื่อให้คงทนมากขึ้น
การควบคุม control valve โดยใช้สัญญาณ 1-5 Vควบคุมการทำงานของ control valveให้เปิด 0-100% โดยใช้ potentiometer หรือ ตัวต้านทานปรับค่าได้ ซึ่งจะนำ potentiometer ไปต่อกับ control valve บริเวณแกนหมุน เมื่อ มอเตอร์ทำการหมุน control valve ตัว potentiometer จะทำการหมุนไปด้วย ทำให้เกิดค่าความต้านทานขึ้น ซึ่งค่าความต้านทานจะเปลี่ยนไปตามการหมุนของ control valve ซึ่งมีความสัมพันธ์ดังนี้ * แล้วทำการต่อ divider ค่าความต้านทานเพื่อเปลี่ยนค่าความต้านทานเป็น voltage เพื่อให้สามารถเข้า microcontroller ได้โดยการต่อ divider และ zero-span เพื่อปรับ range เป็น 1-5V เพื่อเข้า micro เมื่อเข้า micro แล้วจะทำการเปรียบเทียบว่า control valve เปิดไปเท่าไหร่แล้ว เมื่อทำการประมวลผลแล้วว่าเปิดไปมุมที่ต้องการ micro จะสั่งให้มอเตอร์ทำการหยุดหมุน
|