Differential pressure transmitter, Pressure transmitter และ Thermocouple MO Memoir : Wednesday 1 February 2560

ในเมื่อยังมีอุปกรณ์ที่ถูกถอดออกมากองทิ้งไว้อีกหลายชนิด ก็เลยถือโอกาสถ่ายรูปเอามาให้ดูกัน วันนี้ก็ขอเริ่มจากอุปกรณ์วัดความดันที่มีชื่อว่า "Differential pressure transmitter" ที่ทำหน้าที่วัดผลต่างค่าความดันระหว่างตำแหน่งสองตำแหน่งและส่งค่าที่วัดได้ออกในรูปของสัญญาณไฟฟ้า ตัวที่สองคือ "Pressure transmitter" ที่เป็นอุปกรณ์วัดความดันและส่งค่าที่วัดได้ออกในรูปสัญญาณไฟฟ้าเช่นกัน และตัวที่สามคือ "Thermocouple" ที่ใช้วัดอุณหภูมิ อุปกรณ์ ๓ ชิ้นนี้เป็นสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไปใน โรงกลั่นน้ำมัน โรงงานอุตสาหกรรมเคมีและปิโตรเคมี แถมท้ายด้วยข้อต่อท่อและชื่อเรียกประแจ
  

รูปที่ ๑ ตัวบนคือ differential pressure transmitter ที่วัดผลต่างความดันระหว่างสองตำแหน่ง จากนั้นจึงแปลงค่าผลต่างความดันนั้นเป็นสัญญาณไฟฟ้าส่งออกไป อุปกรณ์ตัวนี้ใช้ในการวัดอัตราไหลของของไหลโดยคำนวณจากผลต่างความดันระหว่างตำแหน่งสองตำแหน่งบนเส้นทางการไหล (เช่นความดันด้านหน้าและด้านหลังแผ่น orifice โดยผลต่างความดันจะเพิ่มขึ้นตามค่าอัตราการไหลที่สูงขึ้น แต่มีข้อแม้ว่ารูของแผ่น orifice จะต้องไม่อุดตันนะ) และวัดระดับของเหลวในถังความดัน (โดยวัดความดันเหนือผิวของเหลวและที่ก้นถัง ผลต่างความดันระหว่างสองตำแหน่งจะขึ้นอยู่กับระดับความสูงและความหนาแน่นของของเหลวในถัง ปัญหาการวัดระดับของเหลวที่ความหนาแน่นมีการเปลี่ยนแปลงนั้นเคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๔๔๓ วันพุธที่ ๒ พฤษภาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "เมื่อระดับตัวทำละลายใน polymerisation reactor เพิ่มสูงขึ้น") ส่วนตัวล่างคือ pressure transmitter (มีจอแสดงผลในตัว) ที่วัดความดัน ณ ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง แล้วแปลงค่าความดันนั้นเป็นสัญญาณไฟฟ้าส่งออกไป ท่อที่เห็นขดเป็นวงกลมก็เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวระบายความร้อน เพื่อลดความร้อนของของไหลที่ทำการวัดความดันไม่ให้ทำความเสียหายต่อตัวอุปกรณ์

รูปที่ ๒ ภาพด้านข้างของอุปกรณ์ในรูปที่ ๑

รูปที่ ๓ name plate ของตัว differential pressure transmitter บอกว่าเป็นยี่ห้อ Yamatake-Honeywell (ญี่ปุ่นร่วมกับสหรัฐ) สัญญาณขาออกเป็นสัญญาณไฟฟ้าในช่วง 4-20 mA ซึ่งเป็นช่วงสัญญาณมาตรฐานที่ครอบคลุมช่วง 0-100% ของค่าที่วัดได้ ซึ่งตรงนี้ขึ้นอยู่กับว่าอุปกรณ์นั้นวัดความดันได้ในช่วงเท่าใด เช่นสมมุติว่าวัดความดันได้ในช่วง 0-5 kg/cm²g ที่ความดัน 0 kg/cm²g ก็จะส่งสัญญาณออกไป 4 mA และที่ความดัน 5 kg/cm²g ก็จะส่งสัญญาณออกไป 20 mA 

รูปที่ ๔ name plate ของตัว pressure transmitter ตัวนี้เป็นยี่ห้อ CHINO วัดความดันได้ในช่วง 0-10 kg/cm²g และส่งสัญญาณขาออกเป็นสัญญาณไฟฟ้า 4-20 mA เช่นกัน โดยที่ความดัน 0 kg/cm²g ก็จะส่งสัญญาณออกไป 4 mA และที่ความดัน 10 kg/cm²g ก็จะส่งสัญญาณออกไป 20 mA ที่ต้องตั้งสัญญาณขาออกขั้นต่ำไม่ให้เป็น 0 mA ก็เพื่อจะได้รู้ว่าอุปกรณ์นั้นเสียหรือไม่ คือถ้าค่าที่วัดได้คือ 0 kg/cm²g และอุปกรณ์ยังทำหน้าที่ปรกติ ต้องจะสัญญาณออกมา 4 mA) แต่ถ้าพบว่าสัญญาณขาออกมีค่าเป็น 0 mA แสดงว่าอุปกรณ์วัดมีปัญหา

รูปที่ ๕ ตัวนี้เป็นเทอร์โมคัปเปิล ขาที่เห็นด้านล่างเป็นด้านต่อสายสัญญาณ ส่วนขาที่เห็นทางด้านขวาเป็นด้านสำหรับสอดขันเข้าไปในระบบเพื่อวัดอุณหภูมิ

รูปที่ ๖ ภาพฝาปิดด้านบนที่ระบุว่าอุปกรณ์ชิ้นนี้คือเทอร์โมคับเปิล (thermocouple) ชนิด type K ที่ต้องระบุว่าเป็นเทอร์โมคับเปิลก็เพราะยังมีอุปกรณ์แบบอื่นที่หน้าตาคล้ายกันคือ resistance temperature detector หรือ RTD (ตัวที่เป็นที่รู้จักกันแพร่หลายคือ PT100 ที่อาศัยหลักการที่ว่าความต้านทานโลหะพลาทินัมจะเปลี่ยนไปเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน) และที่ต้องระบุว่าเป็นชนิด type K ก็เพราะคู่โลหะที่นำมาทำเป็นเทอร์โมคับเปิลมีหลายคู่ แต่ที่ใช้กันแพร่หลายที่สุดจะเป็น type K

รูปที่ ๗ เปิดฝาอุปกรณ์ออกมาดูพบว่ามีขั้วต่อสายสัญญาณเรียบร้อย พึงสังเกตว่าตรงขั้วต่อมีเครื่องหมาย + และ - ดังนั้นการต่อสายจึงต้องต่อให้ถูกขั้วด้วย

รูปที่ ๘ ถอดแยกชิ้นส่วน ตัวบนคือ thermowell มีลักษณะเป็นท่อปลายตัน เป็นส่วนที่สัมผัสกับของไหลโดยตรง ที่เห็นเป็นสายไฟตัวล่างคือเทอร์โมคับเปิล ปลายด้านที่เห็นไหม้ดำคือปลายด้านวัดอุณหภูมิ
 

รูปที่ ๙ รูปนี้เป็นข้องอชนิด butt weld fitting (เชื่อมด้วยการต่อชน) ขนาด 1/2 นิ้ว (หรือท่อ 4 หุน) ความหนา schedule no 10 (ที่เขียนย่อว่า SCH 10) ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม 316L ตัว L ที่ต่อท้ายตัวเลขหมายถึงมีปริมาณคาร์บอนต่ำ ปรกติเหล็กกล้าไร้สนิมหรือที่เราเรียกว่าเหล็กสแตนเลสนั้นจะมีคาร์บอนผสมอยู่ในปริมาณหนึ่ง ในขณะการเฃื่อมเหล็กด้วยความร้อนสูงนั้น คาร์บอนในเนื้อโลหะจะไปดึงเอาโครเมียมออกมาให้อยู่ในรูปสารประกอบคาร์ไบด์ เป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่า carbide precipitation ทำให้โลหะตรงรอยเชื่อมนั้นสูญเสียความเป็นเหล็กกล้าไร้สนิมไป การใช้เหล็กกล้าไร้สนิมที่มีปริมาณคาร์บอนปนอยู่ต่ำก็เป็นวิธีการหนึ่งในการป้องกันปัญหาดังกล่าว

รูปที่ ๑๐ แถมท้ายด้วยเครื่องมือช่างธรรมดาที่พักหลัง ๆ พบว่าเป็นสิ่งที่ผู้เรียนวิศวกรรมศาสตร์ (รวมทั้งผู้สอนส่วนหนึ่งด้วย) เรียกชื่อภาษาไทยไม่ถูก บอกชื่อภาษาอังกฤษไม่ได้ ตัวบนคือประแจเลื่อน (adjustable wrench) ส่วนตัวล่างคือประแจคอม้า (pipe wrench) หรือที่ช่างบางคนเรียกประแจแป๊ป ตัวล่างเนี่ยถ้าเจออาจารย์วิศวใหม่ ๆ ไม่รู้จักหรือใช้ไม่เป็นก็ไม่ต้องแปลกใจนะครับ

ความหนาแน่นของของไหลเป็นปัจจัยสำคัญปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลต่อความถูกต้องของค่าที่วัดได้ของอุปกรณ์วัดอัตราการไหลของของไหล แม้ว่าจะเป็นกรณีของการใช้ rotameter ที่ใช้ลูกลอยก็ตาม เพราะแรงลอยตัวที่ทำให้ลูกลอยลอยสูงเท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของของไหลที่ไหลผ่านลูกลอยนั้น ในกรณีของของเหลวนั้นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความหนาแน่นของของเหลวคืออุณหภูมิ แต่ถ้าอุณหภูมิไม่มีการเปลี่ยนแปลงมากนักก็จะไม่มีปัญหาอะไร แต่ถ้าเป็นแก๊ส จะมีเรื่องของความดันเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย ประสบการณ์หนึ่งที่เคยเจอในการใช้ rotameter วัดอัตราการไหลของอากาศคือ เมื่อ back pressure ด้านปลายทางเพิ่มขึ้น ลูกลอยของ rotameter แสดงอัตราการไหลที่ต่ำลง แม้ว่าตัวแหล่งจ่ายนั้นจะจ่ายออกมาคงที่ แต่เมื่อนำเอาค่าความดันแก๊สที่ไหลผ่านตัว rotameter ที่พบว่าเพิ่มขึ้นด้วยนั้นมาทำการปรับแก้ พบว่าเมื่อปรับค่ามาที่ความดันเดียวกันแล้วจะได้ค่าเดียวกัน
 

ในกรณีของการวัดระดับของเหลวในถังความดันบรรยากาศที่ใช้การวัดความดันที่ก้นถังเพียงตำแหน่งเดียวก็เคยพบปัญหาระดับของเหลวในถังมีการเปลี่ยนแปลง แม้ว่าจะไม่มีการถ่ายเทของเหลวเข้า-ออกถังก็ตาม การตรวจสอบสาเหตุพบว่าเป็นเพราะถังดังกล่าวตั้งตากแดด และมีการใช้ breather valve ลดการรั่วไหลของไอของเหลว (จุดเดือดต่ำกว่าน้ำ) ออกจากถังและลดการรั่วไหลของอากาศภายนอกเข้ามาในถัง สิ่งที่เกิดขึ้นคือเมื่อของเหลวในถังร้อนขึ้น ความดันในถังจะเพิ่มขึ้นสูงกว่าความดันบรรยากาศภายนอกจนถึงระดับหนึ่งก่อนที่ breather valve จะเปิด ทำให้เห็นระดับของเหลวเพิ่มขึ้น ในทางกลับกันเมื่อของเหลวในถังเย็นลง ความดันในถังจะต้องลดต่ำลงจนต่ำกว่าความดันบรรยากาศระดับหนึ่งก่อน breather valve จึงจะเปิดให้อากาศภายนอกไหลเข้ามาในถังได้ และในกรณีของถังเก็บที่เป็น drum หรือ vessel ที่วางตั้ง ก็ควรต้องทำความเข้าใจด้วยว่าระดับของเหลวที่เป็น "ศูนย์" นั้นอยู่ตรงไหน เพราะปรากฏว่าเคยเจอนิยามของตำแหน่ง "ศูยน์" ว่าเป็นก้นถัง และเป็นตรงตำแหน่งส่วนล่างสุดของลำตัวทรงกระบอก (คือฝาก้นถังและหัวถังเป็นฝาโค้ง) ในกรณีหลังนี้เมื่ออุปกรณ์บอกว่าระดับของเหลวในถังเป็นศูนย์ จะยังคงมีของเหลวเหลืออยู่ในถังในส่วนของฝาก้นถังที่อยู่ต่ำกว่าตำแหน่งติดตั้งอุปกรณ์ เหตุผลหนึ่งที่ทำการติดตั้งรูปแบบหลังนี้ก็เพื่อป้องกันไม่ให้ปั๊มสูบของเหลวออกจนแห้งหมดถัง เพราะจะทำให้ปั๊มพังได้อันเป็นผลของการ run dry (ดูปัญหาเรื่องปั๊มหอยโข่ง run dry นี้เพิ่มเติมได้ใน Memoir ปีที่ ๙ ฉบับที่ ๑๒๒๐ วันจันทร์ที่ ๑๕ สิงหาคม ๒๕๕๙ เรื่อง "ผิดที่ Installation หรือ Operation")