Rotameter กับ Drag force (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๙๗) MO Memoir : Friday 11 January 2562

เมื่อวัตถุมีความเร็วสัมพัทธ์กับของไหล (fluid ที่อาจเป็นของเหลวหรือแก๊สก็ได้) ไม่ว่าจะเป็นของไหลเคลื่อนที่ผ่านวัตถุหรือวัตถุเคลื่อนที่ผ่านของไหล จะมีแรงกระทำต่อวัตถุนั้น แรงนั้นคือแรงต้านหรือ drag force (F_d)
 

ขนาดของแรงต้านขึ้นอยู่กับ ความหนาแน่นของของไหล (ที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดันของของไหล) ความเร็วสัมพัทธ์ พื้นที่หน้าตัดที่เข้าปะทะ และรูปร่างของวัตถุ ถ้าว่ากันตามสมการคณิตศาสตร์ก็จะได้ว่า F_d = (C_d (rho) v²A)/2 เมื่อ F_d คือแรงต้าน rho คือความหนาแน่นของของไหล v คือความเร็วสัมพัทธ์ A คือพื้นที่หน้าตัดที่ขวางทิศทางการไหล และ C_d คือค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านหรือ drag coefficient ที่ขึ้นอยู่กับรูปทรงของวัตถุนั้น

ในกรณีของวัตถุที่ตกลงในแนวดิ่งอันเป็นผลจากแรงดึงดูดของโลก (ซึ่งเท่ากับ mg เมื่อ m คือมวลของวัตถุและ g คือค่าความเร่งเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก) สวนทางกับของไหลที่ไหลขึ้น แรงที่กระทำต่อวัตถุนั้นประกอบด้วยแรงต้าน (drag force) และแรงลอยตัว (buoyance force ซึ่งมีค่าเท่ากับน้ำหนักของของไหลที่มีปริมาตรเท่าวัตถุนั้น) วัตถุนั้นจะตกลงสู่พื้นล่าง อยู่กับที่ หรือลอยขึ้นบน ก็ขึ้นอยู่กับผลรวมของแรงต้านและแรงลอยตัวว่ามากหรือน้อยกว่าแรงดึงดูดของโลก ในกรณีที่ของไหลนั้นเป็นของเหลว แรงลอยตัวจะมีบทบาทที่มีนัยสำคัญ แต่ในกรณีที่ของไหลนั้นเป็นแก๊ส แรงลอยตัวจะมีบทบาทต่ำกว่ามากจนในงานส่วนใหญ่นั้นสามารถตัดทิ้งไปได้ (เว้นแต่ในงานที่มีความละเอียดสูงในการชั่งน้ำหนัก ที่อาจเห็นผลของแรงลอยตัวนี้ เช่นในการวิเคราะห์ด้วยเทคนิค thermogravimetric analysis)
 

Rotameter เป็นอุปกรณ์วัดอัตราการไหลของของไหลที่นำเอาหลักการนี้มาใช้ ตัวอุปกรณ์มีลักษณะเป็นท่อแก้วที่รูภายในมีลักษณะบานขึ้นเล็กน้อย อุปกรณ์นี้ใช้วัดได้ทั้งของเหลวและแก๊สปรับแต่งช่วงการวัดได้ด้วยการปรับน้ำหนักและ/หรือรูปล่างของลูกลอย เช่นถ้าต้องการวัดอัตราการไหลแก๊สที่ต่ำก็ใช้ลูกลอยที่เบา (เช่นทำจากพลาสติก) แต่ถ้าต้องการวัดอัตราการไหลแก๊สที่สูงก็ใช้ลูกลอยที่หนัก (เช่นทำจากโลหะ) ดังตัวอย่างที่นำมาแสดงในรูปที่ ๑
 

ในการวัดอัตราการไหลของแก๊สนั้น ความหนาแน่นของแก๊สแปรผันตามอุณหภูมิและความดันได้ค่อนข้างมาก ดังนั้นแม้แต่แก๊สชนิดเดียวกันที่อุณหภูมิเดียวกัน ถ้าความต้านทานด้านขาออกไม่เท่ากัน จะส่งผลต่อระดับความสูงของลูกลอยได้ กล่าวคือถ้าเราให้ความดันด้านขาเข้าคงที่ ถ้าแรงต้านทานด้านขาออกของ rotameter มาก จะทำให้ความดันในตัว rotameter เพิ่มสูงขึ้น ความหนาแน่นแก๊สสูงขึ้นและความเร็วลดต่ำลง ที่ค่าอัตราการไหลเท่ากัน (เมื่อคิดเทียบที่สภาวะเดียวกัน) ลูกลอยจะลอยต่ำกว่ากรณีที่แรงต้านทานด้านขาออกต่ำกว่า
 

ดังนั้นตัวเลขบนสเกลของ rotameter จึงไม่จำเป็นต้องตรงกับอัตราการไหลที่แท้จริง เว้นแต่แก๊สที่ไหลผ่านนั้นเป็นแก๊สที่ไหลผ่านด้วยค่าความดันและอุณหภูมิเดียวกันกับแก๊สที่ใช้สอบเทียบ (calibrate) ในกรณีที่แก๊สที่ไหลผ่านนั้นเป็นแก๊สต่างชนิดกันและ/หรือไหลผ่านด้วยค่าความดันและอุณหภูมิที่แตกต่างไปจากแก๊สที่ใช้สอบเทียบ ก็ต้องสร้าง calibration curve ขึ้นมาใหม่ (เช่นด้วยการใช้ bubble flow meter) เพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่างระดับความสูงของลูกลอยและค่าอัตราการไหลที่แท้จริง
 

rotameter ที่สอบเทียบโดยใช้อากาศ เมื่อนำมาใช้กับแก๊สไนโตรเจนที่อัตราการไหลเดียวกัน ระดับลูกลอยก็จะลดต่ำลงเล็กน้อย เพราะความหนาแน่นแก๊สไนโตรเจนนั้นต่ำกว่าอากาศเล็กน้อย และถ้านำมาใช้กับแก๊สไฮโดรเจนที่อัตราการไหลเดียวกัน ก็จะเห็นระดับลูกลอยลดต่ำลงไปมาก เพราะความหนาแน่นของแก๊สไฮโดรเจนนั้นเพียงแค่ 7% ของความหนาแน่นอากาศเท่านั้นเอง

รูปที่ ๑ Rotameter ที่ใช้วัดอัตราการไหลของแก๊ส Rotameter ในรูปซ้ายและกลาง (ของเครื่อง Micromeritics ChemiSorb 2750) ได้รับการสอบเทียบด้วยอากาศที่สภาวะมาตรฐาน (ในรูปซ้ายจะเห็นว่ามีระบุเอาไว้ว่า SCCM ที่ย่อมาจาก Standard Cubic Centimetre per Minute) พึงสังเกตว่าระยะห่างระหว่างสเกลที่ค่าอัตราการไหลต่ำจะมากกว่าที่ค่าอัตราการไหลสูง ทั้งนี้เป็นเพราะขนาดรูให้แก๊สไหลผ่านนั้นมีลักษณะที่บานขึ้นบนเล็กน้อย (เพื่อลดความเร็วของแก๊สที่ไหลผ่านลูกลอยไม่ให้พัดลูกลอยลอยขึ้นไปติดด้านบน) ส่วนรูปขวานั้นเป็น rotameter ที่มีลูกลอยสองตัว ตัวบนจะมีน้ำหนักเบาไว้สำหรับอ่านค่าอัตราการไหลต่ำ ตัวล่างจะมีน้ำหนักมากกว่าไว้สำหรับอ่านค่าอัตราการไหลสูง

อุปกรณ์บางชนิดเช่นเครื่อง Micromeritics ChemiSorb 2750 ใช้ rotameter เพียงตัวเดียว (ที่สอบเทียบโดยใช้อากาศ - รูปที่ ๑) วัดอัตราการไหลของแก๊สทุกชนิด (ไม่ว่าจะเป็น N₂ NH₃ H₂ หรือ He) ที่เลือกให้ไหลผ่านตัวอย่าง ดังนั้นการแปลค่าตัวเลขระดับความสูงของลูกลอยที่เห็นกับอัตราการไหลที่แท้จริงของแก๊สจึงต้องใช้ความระมัดระวัง ว่าขณะนั้นกำลังให้แก๊สชนิดใดไหลผ่านอยู่

เครื่องอาจไม่ได้เสียก็ได้นะ นั่นอาจเป็นอาการปรกติของมันก็ได้ :) :) :)

ใบไหนน้ำเต็มก่อน MO Memoir 2559 Nov 14 Mon

เห็นรูปคำถามข้างล่างมันโผล่มาบนหน้า facebook เห็นว่ามันน่าสนใจดี ก็เลยอยากลองให้พิจารณากันเล่น ๆ ดูก่อน (ได้คำตอบอะไรก็เก็บเอาไว้ในใจก็แล้วกันครับ)

รูปที่ ๑

ทีนี้อยากให้ลองพิจารณารูปที่ ๒ ข้างล่าง โดยสมมุติว่าคุณมีถังน้ำอยู่ในหนึ่ง มีรูรั่วเล็ก ๆ อยู่ที่ก้นถัง ถ้าคุณเอาถังใบนี้ไปรองน้ำที่เปิดให้ไหลจากก๊อก คำถามก็คือคุณสามารถเติมน้ำให้ "ล้น" ถังใบนี้ได้หรือไม่ (เปิดก๊อกน้ำเอาไว้คงที่ตลอดเวลาที่เติม) ได้คำตอบอะไรก็เก็บเอาไว้ในใจก็แล้วกันนะครับ

อัตราการไหลของน้ำที่รั่วออกทางก้นถังขึ้นอยู่กับความสูงของระดับน้ำในถัง (เมื่อกำหนดให้รูรั่วมีขนาดคงที่) ดังนั้นอัตราการไหลรั่วออกของน้ำจะสูงที่สุดเมื่อระดับน้ำในถังนั้นสูงถึงขอบบนของถัง ดังนั้นถ้าอัตราการไหลเข้าของน้ำต่ำกว่าอัตราการไหลรั่วออกสูงสุด น้ำก็จะไม่ล้นถัง แต่ถ้าอัตราการไหลเข้านั้นสู่กว่าอัตราการไหลรั่วออกสูงสุด น้ำก็จะล้นถังได้
 

ทีนี้ลองมาพิจารณารูปที่ ๓ ถัดไปกันหน่อยดีไหนครับ คล้าย ๆ กับรูปก่อนหน้านี้ แต่มีถังสองใบที่เหมือนกัน โดยน้ำที่รั่วออกจากถังใบบนไหลลงสู่ถังใบล่างที่อยู่ต่ำกว่า (และไม่รั่ว) คำถามก็คือถังใบไหนจะมีน้ำเต็มก่อน

จากกรณีก่อนหน้า ถ้าอัตราการไหลเข้าของน้ำที่ไหลเข้าถังใบบนนั้น "ต่ำกว่า" อัตราการไหลรั่วออกสูงสุด เมื่อระดับน้ำในถังใบบนสูงถึงระดับหนึ่ง ระดับน้ำในถังก็จะคงที่ (ไม่เต็มถัง) เนื่องจากอัตราการไหลเข้าเท่ากับอัตราการไหลออก แต่ถังใบล่างนั้นไม่มีรูรั่วให้น้ำไหลออก ดังนั้นถังใบล่างก็จะมีน้ำเต็มจนล้น แต่ถังใบบนจะไม่มีทางเติมน้ำให้เต็ม
 

ประเด็นที่น่าสนใจก็คือ ถ้าอัตราการไหลเข้าของน้ำที่ไหลเข้าถังใบบนนั้น "สูงกว่า" อัตราการไหลรั่วออกสูงสุด ถังใบบนมีสิทธิที่จะมีน้ำเต็มถังจนล้นถังแน่ ถังใบล่างก็เช่นเดียวกัน คำถามก็คือถังใบไหนจะมีน้ำเต็มถังจนล้นก่อน
 

เพื่อที่จะตอบคำถามดังกล่าวผมก็เลยลองตั้งสมการดุลมวลสารของถังทั้งสองใบในรูปที่ ๒ ขึ้นมาเล่น ๆ ดังนี้ (เป็นกรณีที่ความสูงของระดับน้ำในถังที่ 2 ไม่ส่งผลต่ออัตราการไหลรั่วออกจากถังใบที่ 1)

เมื่อ A คือพื้นที่หน้าตัดของถังทั้งสองใบ (ให้เท่ากับ 0.05 และคงที่ตลอดความสูง) h₁ และ h₂ คือระดับความสูงของน้ำในถังใบที่ 1 และ 2 ตามลำดับ Q คืออัตราการไหลของน้ำเข้าถังใบที่ 1 g คือค่าความเร่งเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก (9.81 m/s²) และ C คือค่าคงที่ของการไหลผ่านรู (ในที่นี้ให้เท่ากับ 0.1) สมมุติว่าถังมีความสูง 1 หน่วย ดังนั้นที่ระดังความสูง 1 หน่วยอัตราการไหลรั่วออกจากถังใบที่ 1 จะเท่ากับ 0.443 (คำนวจากเทอมขวาสุดในสมการของถังใบที่ 1 โดยให้ h₁ = 1)
 

ผมลองแก้สมการทั้งสองด้วยวิธี Explicit Euler บนโปรแกรม Spreadsheet ของ OpenOffice 4.1.3 โดยใช้ค่า step size ของการอินทริเกรต (∆t) เท่ากับ 0.005 ทำการคำนวณไปเรื่อย ๆ ถังใบใดมีค่า h ถึง 1.0 ก่อนก็แสดงว่าน้ำล้นถังใบนั้นก่อน การคำนวณโดยใช้ค่า Q เท่ากับ 0.5 และ 0.65 แสดงไว้ในรูปที่ ๔ และ ๕ ในหน้าถัดไป จะเห็นว่าที่ค่า Q เท่ากับ 0.5 (หรือต่ำกว่า) ถังใบที่ 2 จะมีระดับน้ำสูงถึง 1.0 หน่วยก่อน (จุดที่น้ำล้นถัง) แต่ที่ค่า Q เท่ากับ 0.65 (หรือสูงกว่า) ถังใบที่ 1 จะมีระดับน้ำสูงถึง 1.0 หน่วยก่อน
 

กรณีของการเชื่อมต่อที่ทำให้ระดับน้ำในถังใบที่ 2 ส่งผลต่ออัตราการไหลรั่วออกจากถังใบที่ 1 (เช่นในรูปที่ ๑) อัตราการรั่วไหลออกจากถังใบที่ 1 จะลดต่ำลงเมื่อระดับน้ำในถังใบที่ 2 สูงถึงระดับรูรั่วออก เพราะระดับความสูง h ที่เป็นแรงผลักดันให้น้ำไหลออกจากถังใบที่ 1 นั้นลดต่ำลง (มีค่าเท่ากับระดับผิวบนของน้ำในถังใบที่ 1 ลบด้วยระดับผิวบนของน้ำในถังใบที่ 2) โอกาสที่น้ำในถังใบที่ 1 จะเต็มก่อนก็จะเพิ่มมากไปอีก
 

ถึงตรงนี้ คำถามในรูปที่ ๑ นั้นควรตอบว่าอย่างไร ก็ขอให้ลองพิจารณากันเอาเองก็แล้วกันครับ :) :) :)

"Lead pipe" เรื่องของท่อที่ไม่ใช่ท่อตะกั่ว MO Memoir : Friday 2 January 2558

"Lead" คำ ๆ นี้ในภาษาอังกฤษจะแปลว่าอะไรนั้นขึ้นอยู่กับว่าอ่านออกเสียงอย่างไร
  

ถ้าออกเสียงไปทาง "ลีด" ก็จะแปลว่า นำ นำทาง หรืออะไรทำนองนี้ เช่น cheer leader ที่เราอ่านว่าเชียร์ลีดเดอร์ที่หมายถึงผู้นำการเชียร์
  

ถ้าออกเสียงไปทาง "เลด" ก็จะแปลว่า ตะกั่ว ที่เป็นโลหะชนิดหนึ่ง เช่น unleaded gasoline ที่หมายถึงน้ำมันเบนซินไรสารตะกั่ว
  

แล้วคำว่า "Lead pipe" นี้จะหมายถึงอะไรได้บ้างล่ะ ความหมายเท่าที่ผมรู้จักนั้นก็มีอยู่ ๓ ความหมาย
  

ความหมายแรกคือท่อตะกั่ว (ต้องอ่านเป็น "เลดไปป์") คือท่อที่ทำจากโลหะตะกั่ว ในอดีตตามบ้านเรือนของฝรั่งนั้นจะมีการใช้ท่อตะกั่วทำท่อน้ำในบ้านแต่ในปัจจุบันถูกห้ามใช้แล้วเนื่องจากมีตะกั่วปนเปื้อนในน้ำประปาได้
  

ความหมายที่สองคือส่วนของท่อลมที่ใช้สำหรับการสวมต่อ mouth piece หรือที่เรียกว่า "กำพวด" ในภาษาไทย ในกลุ่มเครื่องดนตรีพวก brass instrument ต่าง ๆ (เช่น ทรัมเปต ทรอมโบน ฯลฯ) (ต้องอ่านเป็น "ลีดไปป์")
  

แต่ที่จะเล่าในที่นี้คือตัว "ลีดไปป์" ที่เป็นท่อสำหรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์วัดเข้ากับ process equipment ของโรงงาน

รูปที่ ๑ ตัวอย่างการต่อท่อ lead pipe จากหน้าแปลน orifice ที่ใช้วัดอัตราการไหลในท่อแนวราบ (อันที่จริงมันวัดความดันลดคร่อมแผ่น orifice แล้วค่อยแปลงความแตกต่างดังกล่าวเป็นอัตราการไหลอีกที) ในกรณีนี้ระดับของท่อ lead pipe จุดต่อเข้า pressure transmitter และแนวแกนของท่อที่ต้องการวัดอัตราการไหลควรต้องอยู่ที่ระดับเดียวกัน

  

การควบคุมการผลิตในโรงงานนั้นจะมีการวัดค่าพารามิเตอร์ที่สำคัญต่าง ๆ ที่เห็นวัดกันทั่วไปก็ได้แก่ อุณหภูมิ ระดับ อัตราการไหล และองค์ประกอบ อุปกรณ์ตัวหนึ่งที่มีการใช้กันมากคืออุปกรณ์วัด "ความดัน" เพราะถูกนำไปใช้เมื่อต้องการทราบค่า "ความดัน" ในกระบวนการ ใช้เมื่อต้องการทราบค่า "อัตราการไหล" ของ process fluid ในกระบวนการ โดยคำนวณจากค่าความดันลดระหว่างสองตำแหน่งเมื่อของไหลไหลผ่านสิ่งกีดขวาง (เช่นแผ่น orifice) หรือใช้ในการวัด "ระดับ" ของเหลวในถัง โดยคำนวณจากผลต่างระหว่างค่าความดันที่ก้นถังและเหนือผิวของเหลว

รูปที่ ๒ ตัวอย่างการติดตั้ง differential pressure transmitter (DPT) เพื่อวัดความดันลดคร่อมแผ่น orifice โดยในรูปแบบนี้เป็นกรณีที่ process pipe อยู่สูงแล้วต้องการติดตั้ง DPT ในตำแหน่งที่ต่ำลงมาเพื่อความสะดวกในการตรวจสอบและซ่อมบำรุง ท่อที่ระบุว่า "purge line" นั้นอาจมีการติดตั้งในกรณีที่เกรงว่าท่อ lead pipe อาจะเกิดการอุดตันได้ เช่นกรณีที่มีของแข็งแขวนลอยอยู่ใน process fluid ที่ไหลอยู่ใน process pipe ในกรณีนี้ก็จะมีการติดตั้ง purge line โดยใช้ fluid ชนิดเดียวกับที่ไหลอยู่ใน process pipe อัดสวนกลับเข้าไป เพื่อไม่ให้ของแข็งนั้นเข้ามาใน lead pipe ได้
  

อุปกรณ์วัดความดันหลักที่ใช้ทำหน้าที่นี้เห็นจะได้แก่ differential pressure cell (หรือเรียกย่อว่า DP cell) ที่วัดผลต่างความดันระหว่างสองตำแหน่ง ถ้าหากอุปกรณ์วัดความดันนี้สามารถส่งต่อค่าที่วัดได้ไปยังอุปกรณ์อ่าน/บันทึกค่าที่อยู่ในห้องควบคุม ก็จะเรียกอุปกรณ์วัดความดันนี้ว่า differential pressure transmitter (DPT) การทำงานของ DP cell นี้ใช้การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของแผ่นไดอะแฟรมที่ทำจากวัสดุที่มีความยืดหยุ่น ด้านหนึ่งของแผ่นไดอะแฟรมจะต่อเข้ากับด้านความดันสูงของระบบ อีกด้านหนึ่งจะต่อเข้ากับด้านความดันต่ำของระบบ ถ้าความดันระหว่างสองด้านของแผ่นไดอะแฟรมแตกต่างกันมาก แผ่นไดอะแฟรมก็จะเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปมาก และขนาดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของแผ่นไดอะแฟรมนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นผลต่างความดัน
  

รูปที่ ๓ ตัวอย่างการติดตั้ง lead pipe สำหรับ DPT ที่ใช้วัดระดับผงอนุภาคใน drum โดยด้านหนึ่งของ DPT ต่อเข้ากับตัว drum โดยตรง อีกด้านต่อผ่าน lead pipe เข้ากับทางด้านบนของ drum ท่อ purge line จะมีแก๊ส (ชนิดเดียวกับใน drum) ไหลผ่านเข้าไปใน drum เพื่อป้องกันไม่ให้ผงของแข็งลอยเข้ามาอุดตันท่อ lead pipe ได้
  

การนำ DPT ไปใช้ในการวัดอัตราการไหลนั้นเราไม่สามารถติดตั้ง DPT เข้ากับตัวท่อได้โดยตรง ต้องมีท่อต่อเชื่อมระหว่าง DPT กับตัวท่อที่จุดที่ต้องการวัดความดัน ท่อเชื่อมต่อระหว่าง DPT (หรืออุปกรณ์วัดคุมตัวอื่น) เข้ากับจุดที่ต้องการวัดความดันนี้เรียกว่า "Lead pipe" ส่วนจะทำจากวัสดุชนิดใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับกระบวนการ และบ่อครั้งที่เห็นใช้ tube แทน pipe แต่ก็ยังเรียก lead pipe อยู่ดี ไม่ยักเรียก lead tube รูปที่นำมาให้ดูนั้นเป็นตัวอย่างที่นำมาจากเอกสาร Technical requirements สำหรับการติดตั้ง DPT ของกระบวนการผลิตหนึ่ง ซึ่งรูปแบบการติดตั้งอาจเปลี่ยนแปลงไปตามกระบวนการผลิตได้ แต่หลักการพื้นฐานนั้นยังคงเดิมอยู่
  

รูปที่ ๔ ตัวอย่างการติดตั้ง DPT โดยใช้ lead pipe เพื่อใช้วัดระดับของเหลวในถัง การจะมี purge line หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับของเหลวที่ทำการวัดว่ามีโอกาสทำให้ lead pipe อุดตันหรือไม่ ถ้าต้องมีการใช้ purge line lead pipe ด้านความดันต่ำควรที่จะ purge ด้วยแก๊ส (แบบเดียวกับที่อยู่ใน drum หรือผสมเข้าด้วยกันได้) และด้านความดันสูงก็ควรที่จะ purge ด้วยของเหลว (แบบเดียวกับที่อยู่ใน drum หรือผสมเข้าด้วยกันได้)
  

ท่อ lead pipe ไม่เพียงแต่ช่วยในการเชื่อมต่อ DPT เข้ากับระบบ แต่ยังช่วยป้องกัน DPT จากอุณหภูมิที่สูงของ process fluid ที่ไหลอยู่ภายในท่อหรือบรรจุอยู่ใน drum ด้วย เช่นในกรณีของท่อไอน้ำที่มีการติดตั้ง lead pipe ตามแบบในรูปที่ ๒ ในส่วนของท่อ lead pipe จะมีน้ำที่เป็นของเหลวที่เกิดจากไอน้ำที่ควบแน่นสะสมอยู่ และน้ำส่วนนี้จะเป็นตัวป้องกันไม่ให้ความร้อนของไอน้ำทำอันตรายแก่โครงสร้างของ DPT (แต่ระดับน้ำในท่อด้านความดันสูงและต่ำต้องเท่ากันนะ)
  

และที่สำคัญก็คือท่อ lead pipe นี้ต้องไม่อุดตัน ซึ่งอาจเกิดจากการที่ของเหลวในท่อเกิดการแข็งตัวหรือมีของแข็งสะสมจนอุดตัน ซึ่งอาจทำได้ด้วยการให้ความร้อนแก่ lead pipe (เพื่อการป้องกันการแข็งตัวของของเหลว) หรือด้วยการใช้ purge line ที่ทำการป้อน fluid ที่สะอาด (ที่เป็นของเหลวหรือแก๊สที่เข้ากับระบบได้) เข้าไปในท่อ lead pipe
  

รูปที่ ๕ การเดินท่อ lead pipe สำหรับวัดความดันภายในถังที่มีไอระเหยที่ควบแน่นได้ ด้านหนึ่งของ DPT ต่อเข้ากับ lead pipe ที่ต่อกับ drum ส่วนอีกด้านวัดเทียบกับความดันบรรยากาศภายนอก drum ในกรณีนี้ท่อ lead pipe ต้องมีความลาดเอียงที่เพียงพอที่จะทำให้ของเหลวที่เกิดการควบแน่นในท่อ lead pipe ไหลกลับคืนสู่ drum ได้สะดวก
  

ในรูปที่ ๑ ๒ และ ๔ นั้นจะเห็นว่าก่อนการเชื่อมต่อ lead pipe เข้ากับ DPT จะมีวาล์วอยู่ ๓ ตัว ระบบวาล์ว ๓ ตัวนี้เรียกว่า 3-way maifold โดยวาล์วสองตัวที่อยู่ในท่อ lead pipe ด้านความดันสูงและความดันต่ำนั้นคือ block valve และวาล์วที่อยู่ในท่อเชื่อมต่อระหว่างท่อ lead pipe ด้านความดันสูงและด้านความดันต่ำคือ equalizer valve (ดูรูปที่ ๒) ในระหว่างการใช้งานตามปรกตินั้น block valve ทั้งสองตัวจะเปิดอยู่ ในขณะที่ equalizer valve จะปิด 3-way manifold นี้ใช้ในการ set zero ตัว DPT ถอด DPT ออกจากระบบ และใช้ในการนำ DPT เข้าสู่การทำงาน
  

การ set zero DPT นั้นทำได้ด้วยการปิด block valve ทั้งสองตัวของ 3-way manifold ซึ่งจะเป็นการแยก DPT ออกจากระบบ จากนั้นก็เปิด equalizer valve ซึ่งจะทำให้ความดันทางท่อด้านความดันสูงและท่อความดันต่ำนั้นเท่ากัน ซึ่งควรทำให้ DPT อ่านค่าเป็นศูนย์ ส่วนการถอด DPT ออกจากระบบ (เช่นเมื่อต้องการถอดมาเพื่อการบำรุงรักษาหรือเปลี่ยนตัวใหม่) ก็ทำได้ด้วยการปิด block valve และระบายความดันออกทางด้าน drain valve
  

ในการนำ DPT เข้าสู่การทำงานนั้นขอเริ่มจากการที่ block valve ทั้งสองตัวและ equalizer valve อยู่ในตำแหน่งปิด จากนั้นทำการเปิด equalizer valve จากนั้นให้เปิด block valve "ด้านความดันสูง" อย่างช้า ๆ ซึ่งจะทำให้ความดันทั้งสองด้านของ DPT นั้นเพิ่มสูงขึ้นโดยมีระดับที่เท่ากัน ซึ่ง DPT ควรที่จะอ่านค่าเป็นศูนย์ การทำเช่นนี้ไม่เพียงแค่ช่วยทำให้ตัวแผ่นไดอะแฟรมไม่ต้องเผชิญหน้ากับความดันที่เพิ่มขึ้นสูงอย่างกระทันหัน และยังใช้เป็นการทดสอบด้วยว่าระบบมีการรั่วซึมหรือไม่ หลังจากนั้นจึงปิด equalizer valve (โดยที่ block valve ด้านความดันสูงยังคงเปิดค้างอยู่) และเปิด block valve ด้านความดันต่ำ ก็จะทำให้ DPT เข้าสู่สภาวะการทำงาน
  
เมื่อต้นสัปดาห์ที่ผ่านมามีโอกาสไปลงสังเกตการณ์ภาคสนาม ๒ วัน มีโอกาสได้ร่วมงานกับวิศวกรต่างสาขาและผู้ที่ไม่ได้จบมาทางด้านวิศวกรรมศาสตร์ ได้อะไรต่อมิอะไรกลับมาเล่าให้ฟังหลายอย่าง แต่คิดว่าถ้าเล่าไปเลยก็คงมีจำนวนไม่น้อยที่ไม่เข้าใจ เพราะจำเป็นต้องมีพื้นฐานความรู้ในบางเรื่องก่อนจึงจะฟังรู้เรื่อง เรื่องที่เขียนในบันทึกฉบับนี้ก็เป็นเรื่องหนึ่งของพื้นฐานความรู้ที่จะช่วยในการทำความเข้าใจในเรื่องเล่าถัดไปที่จะตามมา

การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๑๘ เมื่อ Mass Flow Controller คุมการไหลไม่ได้ MO Memoir : Friday 1 April 2554

เหตุการณ์ใน Memoir ฉบับนี้เป็นเหตุการณ์ต่อเนื่องจากที่ได้เล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๗ วันเสาร์ที่ ๒๖ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง สรุปปัญหาระบบ DeNOx (ภาค ๒)

บ่ายวันวาน ระหว่างที่ยืนดูสาวน้อย ๑๘๐ เซนติเมตรเตรียมการทดลองโดยใช้ระบบ DeNOx ผมก็สังเกตเห็นตัวเลขบนหน้าจอ Mass Flow Controller ของไนโตรเจนเต้นไปเต้นมา ผมก็เลยถามเขาดูว่าตัวเลขมันเต้นอย่างนี้แล้วจะทำยังไง เขาก็บอกมาว่าเขาพยายามค่อย ๆ เปิด On-off valve ที่ทางเข้า Mass Flow Controller ของไนโตรเจนแล้ว แต่ตัวเลขหน้าจอก็ยังไม่นิ่ง ผมก็บอกเขาไปว่าก็อาทิตย์ที่แล้วคุณไม่ได้อยู่ดู ถ้าอยากรู้ว่าจะแก้ปัญหานี้ได้อย่างไรก็ให้ไปตามสาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรมาทำให้ดู

พอสาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรมาถึง ผมก็ชี้ให้ดูหน้าจอ Mass Flow Controller ที่ตัวเลขมันเต้นอยู่ พอเห็นดังนั้นสาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรก็ลงมือสาธิตวิธีการทำให้ตัวเลขหน้าจอ Mass Flow Controller มันนิ่งให้สาวน้อย ๑๘๐ เซนติเมตรดูเป็นตัวอย่าง (วิธีการเดียวกันกับที่ผมเคยสาธิตให้สาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรดูเป็นตัวอย่างเมื่อสัปดาห์ที่แล้ว)

รูปที่ ๑ ระบบจ่ายแก๊สให้กับ Reactor ผ่านทาง Mass Flow Controller

ระบบจ่ายแก๊สให้กับ Reactor ผ่านทาง Mass Flow Controller ที่เราใช้อยู่นั้น (ที่แสดงในรูปที่ ๑) เราจะใช้ Pressure regulator ลดความดันภายในท่อแก๊สให้เหลือระดับต่ำที่เราต้องการ แก๊สดังกล่าวจะไหลผ่าน On-off valve ที่อยู่ทางด้านขาเข้าของ Mass Flow Controller ก่อนที่จะไหลเข้า Mass Flow Controller และต่อไปยัง reactor

โดยปรกติเมื่อเราสิ้นสุดการทดลองนั้น เราก็จะปิดหัวถังแก๊สและรอให้ความดันในระบบท่อเป็นศูนย์ จากนั้นจึงคลาย Pressure regulator และปิด On-off valve และตัดไฟฟ้าที่จ่ายเข้า Mass Flow Controller

ในการตัดไฟฟ้าที่จ่ายเข้า Mass Flow Controller นั้น เราไม่ได้ลดค่า set point ของ Mass Flow Controller ให้เป็นศูนย์ แต่จะใช้วิธีคงไว้ที่ค่าที่ใช้ในการทดลองครั้งสุดท้าย เพื่อที่ว่าเวลาเปิดเครื่องใหม่อีกครั้งจะได้ไม่ต้องมาปรับอัตราไหลกันใหม่

วิธีการดังกล่าวช่วยอำนวยความสะดวกในการเริ่มการทดลองใหม่อีกครั้ง แต่มักทำให้เกิดปัญหาค่าตัวเลขที่แสดงบนหน้าจอของ Mass Flow Controller ไม่นิ่ง ซึ่งหมายความ Mass Flow Controller ไม่สามารถควบคุมอัตราการไหลของแก๊สที่ไหลผ่านให้คงที่ได้

ปัญหาตัวเลขบนหน้าจอของ Mass Flow Controller ไม่นิ่งมักเกิดขึ้นเมื่อเราเปิด Pressure regulator ที่ท่อแก๊สให้ได้ความดันด้านขาออกตามต้องการก่อน จากนั้นจึงเปิด On-off valve สิ่งที่เกิดขึ้นคือจะมีแก๊สไหลผ่าน Mass Flow Controller อย่างรวดเร็วกระทันหัน ทำให้ระบบควบคุมของ Mass Flow Controller ไม่สามารถปรับให้อัตราการไหลมีเสถียรภาพได้ ส่วนสาเหตุเป็นเพราะอะไรนั้นเอาไว้ว่าง ๆ จะค่อยเล่าภายหลัง แต่ถ้ามีเวลาก็ควรไปอ่านเรื่อง PID controller เป็นพื้นฐานเอาไว้ก่อน

สาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรเจอปัญหานี้ก่อนแล้วเมื่อสัปดาห์ที่แล้ว หลังจากที่เราแก้ปัญหาเรื่องความเข้มข้นของ NO ในแก๊สผสมเสร็จ ตอนแรกก็ทำเอาผมงงไปเหมือนกัน ก่อนจะนึกขึ้นได้ว่าควรทำอย่างไร

สิ่งที่ผมทำในวันนั้นคือปิด Pressure regulator และระบายแก๊สในท่อด้านขาออก ให้ความดันด้านขาออกของ Pressure regulator เป็นศูนย์ โดยที่ยังคงเปิด On-off valve เอาไว้ จากนั้นจึงค่อย ๆ เพิ่มความดันด้านขาออกของ Pressure regulator ขึ้นอย่างช้า ๆ ในระหว่างนี้ก็สังเกตตัวเลขหน้าจอของ Mass Flow Controller ไปด้วย ซึ่งจะเห็นในขณะที่เราค่อย ๆ เพิ่มความดันด้านของออกของ Pressure regulator นั้น ตัวเลขอัตราการไหลจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนในที่สุดจะไปหยุดนิ่ง ณ ค่าที่เราตั้งเอาไว้ จากจุดนี้เมื่อเราเพิ่มความดันด้านของออกของ Pressure regulator ไปจนถึงค่าที่เราต้องการ เราอาจจะเห็นตัวเลขหน้าจอเปลี่ยนไปมาเพียงเล็กน้อย แต่ก็จะกลับคืนมายังค่าที่เรากำหนดไว้อย่างรวดเร็ว ซึ่งแสดงว่า Mass Flow Controller สามารถควบคุมอัตราการไหลเอาไว้ได้

โดยปรกติตัววาล์วของ Mass Flow Controller จะเปิดมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับอัตราการไหลของแก๊สที่ไหลผ่าน ถ้าต้องการให้แก๊สไหลผ่านเร็ว ตัววาล์วก็จะเปิดมาก ถ้าต้องการให้แก๊สไหลผ่านน้อย ตัววาล์วก็จะเปิดน้อย

ทีนี้ถ้าเรากำหนดค่าอัตราการไหลของแก๊สให้กับ Mass Flow Controller แต่เล่นตัดแก๊สออก ตัววาล์วของ Mass Flow Controller ก็จะเปิดเต็มที่ 100% Mass Flow Controller ก็จะตรวจพบว่าอัตราการไหลนั้นต่ำกว่าค่าที่ต้องการ ก็จะค้างตัววาล์วไว้ที่ 100%

พอเราค่อย ๆ เพิ่มความดันด้านขาออกของ Pressure regulator ให้สูงขึ้น แก๊สก็จะไหลผ่าน Mass Flow Controller มากขึ้น แต่ตราบเท่าที่ค่าอัตราการไหลยังต่ำกว่าค่าที่กำหนด ตัววาล์วก็จะยังคงเปิดกว้าง 100% อยู่ ในช่วงขณะนี้เมื่อเราเพิ่มความดันด้านขาออกของ Pressure regulator เราจะเห็นตัวเลขค่าการไหลที่หน้าจอของ Mass Flow Controller เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ

พอเราเพิ่มความดันด้านขาออกของ Pressure regulator สูงจนกระทั่ง Mass Flow Controller พบว่าอัตราการไหลผ่านเป็นไปตามค่าที่กำหนดแล้ว และเรายังเพิ่มความดันต่อไปอีก Mass Flow Controller ก็จะค่อย ๆ ปิดตัวลงทีละน้อย เพื่อป้องกันไม่ให้แก๊สไหลผ่านเกินค่ากำหนด ในช่วงขณะนี้เราจะเห็นว่าตัวเลขค่าการไหลบนหน้าจอของ Mass Flow Controller อาจมีการขยับเล็กน้อยเมื่อเพิ่มความดัน แต่ท้ายที่สุดจะกลับคืนมายังค่าเดิม

ระบบควบคุมแบบ PID นั้นจะทำงานได้ดีก็ต่อเมื่อ ค่า set point และ process value นั้นไม่แตกต่างกันมากเกินไป เรื่องทำนองนี้เคยเกริ่นเอาไว้คร่าว ๆ ที่หนึ่งแล้วตอนที่เล่าเรื่องเกี่ยวกับการควบคุมอุณหภูมิ Autoclave

การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติตอนที่ ๕ ความดันกับการควบคุมอัตราการไหล MO Memoir : Friday 22 October 2553

เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน ไม่นำเผยแพร่ลง blog

การปิด control valve MO Memoir : Thursday 27 May 2553

ใน memoir ฉบับที่แล้วได้กล่าวถึงวิธีแก้ขัดในกรณีที่ประสบปัญหา control valve มีขนาดเล็กเกินไป ทำให้ไม่สามารถให้อัตราการไหลสูงดังต้องการได้ ฉบับนี้ก็เลยขอแถมเรื่องเกี่ยวกับ control valve อีกเรื่องหนึ่ง คือการปิด control valve เพื่อนำเอา control valve ออกมาซ่อมแซม (หรือเปลี่ยนตัวใหม่) โดยที่กระบวนการผลิตยังคงทำงานอยู่

รูปที่ 1 ข้างล่างแสดงตัวอย่างระบบ piping ของการติดตั้ง control valve

รูปที่ 1 การติดตั้งวาล์วควบคุมการไหล (flow control valve)

โดยปรกติแล้วตัว control valve (1) จะมี block valve (มักใช้วาล์วชนิด on-off เช่น gate valve หรือ ball valve) อยู่ทางด้านขาเข้าและขาออก (block valve (2) และ (3)) และมี bypass line ที่มักติดตั้งวาล์ว (bypass valve (4)) ชนิดที่ควบคุมการไหลได้ (เช่น globe valve) เอาไว้ และมี drain valve (5) สำหรับระบายของเหลวหรือแก๊สที่ตกค้างอยู่ในระบบท่อเมื่อต้องการถอด control valve (1) ไปซ่อม

ในระหว่างการทำงานปรกตินั้น block valve (2) และ (3) จะเปิดเต็มที่ bypass valve (4) จะปิดสนิท และ drain valve (5) จะปิดสนิท ส่วน control valve (1) จะเปิดมากหรือน้อยนั้นขึ้นอยู่กับคำสั่งที่ส่งมาจาก Flow controller (FC)

ถ้าหากว่า control valve (1) มีปัญหา ทำให้จำเป็นต้องมีการถอดเอาออกไปซ่อม เราก็สามารถทำได้โดยที่ไม่จำเป็นต้องหยุดการเดินเครื่องกระบวนการผลิต ขั้นตอนการถอด control valve (1) ออกไปซ่อมทำได้โดย

(ก) ค่อย ๆ เปิด bypass valve (5) ซึ่งจะทำให้มีการไหลผ่าน bypass line เมื่อเริ่มเปิด bypass valve (5) จะทำให้อัตราการไหลเพิ่มสูงขึ้น FC จะส่งสัญญาณไปทำให้ control valve (1) ค่อย ๆ ปิดตัวลงเพื่อลดอัตราการไหลให้คงเดิม

(ข) เมื่อเปิด bypass valve (5) มากพอจนพบว่า control valve (1) ปิดสนิทแล้ว ก็ให้หยุดการเปิด bypass valve (5) ในขณะนี้การไหลทั้งหมดจะไหลผ่านทาง bypass line

(ค) ปิด block valve (2) และ (3) ให้สนิท

(ง) เปิด drain valve (5) เพื่อระบายของเหลวหรือแก๊สที่ตกค้างอยู่ในท่อช่วงระหว่าง block valve (2) และ (3) ออกให้หมด

(จ) จากนั้นก็สามารถถอดเอา control valve (1) ออกไปทำการซ่อมบำรุงได้

และเมื่อทำการซ่อม control valve (1) เสร็จเรียบร้อยแล้ว ก็ให้นำ control valve (1) มาติดตั้งคืนเดิม และทำการเปลี่ยนเส้นทางการไหลให้ไหลผ่าน control valve (1) แทนการไหลผ่าน bypass line ดังนี้

(ก) เปิด block valve (3) และค่อย ๆ เปิด block valve (2) ให้เต็มที่ ในขณะนี้ FC ควรสั่งให้ control valve (1) ปิดสนิท

(ในการติดตั้ง control valve กลับคืนเดิมนั้น ระบบท่อที่อยู่ระหว่าง block valve (2) และ (3) จะมีอากาศอยู่ภายใน ถ้าเราไม่ต้องการให้มีอากาศปนเข้าไปในกระบวนการผลิต ก็ต้องทำการไล่อากาศออกจากระบบท่อช่วงนี้ก่อนที่จะทำการเปิด block valve (2) และ (3))

(ข) ค่อย ๆ ปิด bypass valve (4) ซึ่งจะทำให้อัตราการไหลลดลง FC จะไปสั่งเปิด control valve (1) เพื่อให้อัตราการไหลกลับมาคงเดิม

(ค) ปิด bypass valve (4) ต่อไปเรื่อย ๆ จนวาล์วปิดสนิท ในขณะนี้ control valve (1) ก็จะกลับมาควบคุมอัตราการไหลเหมือนเดิม

วิธีการที่กล่าวมาข้างต้นนั้นเป็นเพียงพื้นฐานเท่านั้น ก่อนนำไปปฏิบัติควรตรวจสอบก่อนว่าต้องทำการปรับเปลี่ยนหรือเพิ่มเติมขั้นตอนอะไรบ้าง เพื่อให้เข้ากับระบบ piping ที่ทำงานจริงและกระบวนการผลิตที่เกี่ยวข้อง