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")

"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

การวัดระดับของเหลวในถัง MO Memoir : Sunday 29 April 2555

เช้าวันศุกร์ที่ ๒๗ เมษายนที่ผ่านมา ก่อนจะเริ่มการบรรยายที่หน่วยงานแห่งหนึ่ง วิศวกรผู้หนึ่งของกลุ่มหน่วยงานนั้นได้เข้ามาถามปัญหาเรื่องเกี่ยวกับตัวเร่งปฏิกิริยา โรงงานของเขาทำการผลิตพอลิเอทิลีนความหนาแน่นสูงโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบถังกวนชนิด slurry reactor รายละเอียดของคำถามของเขาและความเห็นที่ผมให้ไปจะเล่าต่อใน Memoir ฉบับหน้า แต่เนื่องจากคำถามของเขามันเกี่ยวกับอุปกรณ์วัดระดับของเหลวในถัง ดังนั้นผมจึงเห็นว่าควรที่จะปูพื้นฐานให้พวกคุณที่ยังคงไม่ค่อยจะมีหรือไม่มีความรู้เกี่ยวกับอุปกรณ์วัดระดับของเหลวในถังก่อน โดยจะแนะนำให้รู้จักเพียงบางชนิดง่าย ๆ ก่อนเท่านั้น

รูปที่ ๑ (ซ้าย) หลักของของอุปกรณ์สำหรับดูระดับของเหลวในถังแบบง่าย ซึ่งของเหลวในท่อแก้ว (หรือท่อโลหะที่มีกระจกหน้าต่างเป็นแก้ว) จะเปลี่ยนแปลงตามระดับความสูงของของเหลวในถัง แต่ถ้าหากเกิดอุบัติเหตุที่ทำให้ท่อแก้วแตกก็จะทำให้ของเหลวในถังรั่วไหลออกมา บางบริษัท (รูปขวา) จึงได้ออกแบบให้มีลูกลอยที่เป็นแม่เหล็กลอย (Float) อยู่ในท่อโลหะ (Float chamber) ลูกลอยแม่เหล็กจะลอยขึ้นลงตามระดับความสูงของของเหลวในถัง และแรงแม่เหล็กจะไปทำให้ลูกลอยอีกตัวหนึ่ง (Indicator) ที่อยู่ในท่อบอกระดับ (Indicator tube) ลอยขึ้นลงตามไปด้วย ในการใช้งานนั้นจะต้องเปิดวาล์วเชื่อมต่อกับถังทั้งตัวบนและตัวล่าง ในกรณีที่ความสูงของของเหลวในถังมีการเปลี่ยนแปลงเกินกว่าที่จะใช้อุปกรณ์เพียงตัวเดียววัดได้ ก็จะใช้อุปกรณ์ดังกล่าวหลายตัวติดตั้งที่ระดับความสูงที่แตกต่างกัน

(รูปขวามาจาก http://www.babbittlevel.com/llg.html)

แบบแรกที่จะแนะนำให้รู้จักคือแบบท่อแก้ว อุปกรณ์ชนิดนี้เป็นอุปกรณ์วัดระดับความสูงของของเหลวโดยตรง ข้อเสียของอุปกรณ์ชนิดนี้คือมีส่วนที่เป็นกระจกซึ่งเป็นวัสดุที่แตกหักง่าย ดังนั้นจึงไม่เหมาะกับการวัดระดับถังความดันหรือบรรจุของเหลวอันตรายหรือสารที่เป็นของเหลวภายใต้ความดัน ในกรณีที่ต้องการวัดการเปลี่ยนแปลงระดังที่มากก็อาจทำการติดตั้งอุปกรณ์หลายตัวให้อยู่ในระดับความสูงที่แตกต่างกัน ตัวอย่างของอุปกรณ์ประเภทนี้ผมนำมาแสดงในรูปที่ ๑ และ ๒ แล้ว

รูปที่ ๒ ตัวอย่างอุปกรณ์ดูระดับของเหลวในถังชนิดที่เป็นท่อแก้ว 

(รูปจาก http://amonton.com/gpage8.html)

ในกรณีที่เป็นถังเก็บขนาดใหญ่ จะมีอุปกรณ์บอกระดับชนิดลูกลอย (ดูรูปที่ ๓ ประกอบ) อุปกรณ์นี้จะมีลูกลอยตัวหนึ่งลอยอยู่บนผิวของเหลวในถัง โดยจะลอยขึ้นลงตามระดับความสูงของของเหลว ลูกลอยนี้จะมีลวดผูกเชื่อมพาดผ่านระบบรอกเข้ากับตัวชี้ระดับที่แขวนห้อยอยู่ด้านนอกถัง เมื่อลูกลอยลอยสูงขึ้นตัวชี้ระดับก็จะเคลื่อนต่ำลง และเมื่อลูกลอยลดต่ำลงตัวชี้ระดับก็จะเคลื่อนสูงขึ้น อุปกรณ์ชนิดนี้ก็เป็นอุปกรณ์ที่วัดระดับของเหลวในถังโดยตรง

รูปที่ ๓ อุปกรณ์วัดระดับของเหลวในถังเก็บความดันบรรยากาศ

(รูปจาก http://www.tankgauging.com/products/6700lli.html)

ในกรณีของถังบรรจุของเหลวภายใต้ความดันและ/หรืออุณหภูมิที่แตกต่างไปจากอุณหภูมิห้องมาก (ทั้งร้อนและเย็น) จะไม่ทำการวัดระดับของเหลวในถังโดยตรง แต่จะทำการวัดแตกต่างระหว่างความดันด้านบนของถัง (ซึ่งเป็นความดันที่เกิดจากความดันของแก๊สที่อยู่เหนือผิวของเหลว) และความดันที่ก้นถัง (ซึ่งเป็นความดันที่เกิดจากความดันของแก๊สที่อยู่เหนือผิวของเหลวรวมกับความดันที่เกิดจากระดับความสูงของของเหลว) และถ้าทราบความหนาแน่นของของเหลวที่บรรจุอยู่ก็จะสามารถคำนวณหาระดับความสูงของของเหลวได้ อุปกรณ์ที่ใช้วัดความแตกต่างความดันนี้เรียกว่า differential pressure transmitter (หรือบางทีก็เรียกว่า dp cell) อุปกรณ์ประเภทนี้จะสามารถส่งสัญญาณความดันไปแสดงผลยังห้องควบคุมหรือไปยังระบบคอมพิวเตอร์ควบคุมได้

รูปที่ ๔ การวัดระดับของเหลวในถังด้วย Differential pressure transmitter

ในกรณีของการใช้ differential pressure transmitter ในการวัดความดันนั้น ควรที่จะพึงระลึกว่าความดันที่ก้นถังเปลี่ยนแปลงตาม 

 

(ก) ระดับความสูงของของเหลวภายในถัง และ/หรือ

(ข) ความหนาแน่นของของเหลวภายในถัง

ถ้าถังนั้นเป็นถังบรรจุสารบริสุทธิ์หรือสารผสมที่มีส่วนผสมคงที่และมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิไม่มาก ก็อาจถือได้ว่าความหนาแน่นของของเหลวภายในถังนั้นคงที่ แต่ถ้าเป็นถังบรรจุสารผสมที่ส่วนผสมนั้นมีการเปลี่ยนแปลงได้หรืออุณหภูมิของเหลวที่ป้อนเข้าถังนั้นมีการแตกต่างกันมาก ก็ต้องมีการพิจารณาว่าส่วนผสมและ/หรืออุณหภูมิของของเหลวที่เปลี่ยนแปลงไปนั้นส่งผลต่อความหนาแน่นของของเหลวหรือไม่ เพราะการเปลี่ยนแปลงที่ทำให้ความหนาแน่นสูงขึ้นจะทำให้อ่านระดับความสูงของของเหลวได้สูงเกินจริง และในทางกลับกันการเปลี่ยนแปลงที่ทำให้ความหนาแน่นลดลงจะทำให้อ่านระดับความสูงของของเหลวได้ต่ำเกินจริง

การใช้เทคนิคการดูดกลืนกัมมัตภาพรังสีก็สามารถนำมาใช้ในการวัดระดับได้ ซึ่งเทคนิคการวัดการดูดกลืนกัมมันตภาพรังสีอาศัยหลักการที่ว่าวัสดุที่มีความหนาแน่นสูงจะดูดกลืนรังสีได้มากกว่าวัสดุที่มีความหนาแน่นต่ำกว่า เทคนิคนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้กับการวัดระดับของเหลว การวัดระดับของแข็งในถัง และการวัดระดับความสูงของเบดฟลูอิไดซ์

การนำการวัดการดูดกลืนกัมมันตภาพรังสีไปใช้วัดระดับความสูงของของเหลวหรือเบดฟลูอิไดซ์นั้นไม่ค่อยมีปัญหาเรื่องระดับผิวบนสุด เพราะมันจะขนานไปกับพื้นโลกอยู่แล้ว แต่ในกรณีของของแข็งนั้นเวลาที่เราบรรจุของแข็งเข้าไปในถังเก็บหรือไซโล ระดับผิวบนสุดของชั้นของแข็งไม่จำเป็นต้องราบขนานไปกับพื้นโลก แต่อาจกองเป็นเนินสูงหรือเป็นหลุมยุบลงไปก็ได้ ซึ่งสามารถทำให้ผลการวัดระดับความสูงไม่ถูกต้องได้ (ดูรูปที่ ๕)

รูปที่ ๕ การวัดระดับของแข็งในถังเก็บด้วยกัมมันตภาพรังสี ในกรณีของรูปซ้ายนั้นจะให้ระดับที่ถูกต้อง แต่ถ้าผิวบนของชั้นของแข็งมีการลาดเทไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งหรือมีการยุบตัวลงตรงกลาง (ที่อาจเกิดเวลาที่ระบายของแข็งออกจากถังเก็บทางด้านล่าง การวัดระดับก็จะผิดพลาดได้ ดังนั้นวิธีที่ดีกว่าสำหรับการวัด "ปริมาณ" ของแข็งในถังเก็บคือการชั่งน้ำหนัก

เคยมีประสบการณ์ไปเยี่ยมวิศวกรรายหนึ่งที่โรงบำบัดน้ำเสียแห่งหนึ่งที่มีการใช้สารละลายกรดกำมะถันในการบำบัดน้ำเสีย ทางโรงบำบัดน้ำเสียพึ่งจะทำการติดตั้งถังเหล็กสำหรับเก็บกรดกำมะถันเข้มข้นและยังไม่มีการติดตั้งอุปกรณ์วัดระดับใด ๆ เอาไว้กลางแจ้ง หน้าที่หนึ่งของวิศวกรท่านนั้น (พึ่งจะจบมาใหม่) คือการหาว่าในแต่ละวันจะใช้กรดกำมะถันปริมาณเท่าใด เพื่อที่จะได้วางแผนการสั่งเข้ามาทดแทน ถังดังกล่าวสูงประมาณ ๒ เมตรเศษ

การหาปริมาณกรดกำมะถันที่ใช้ไปนั้นจะหาจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของกรดที่เหลืออยู่ในถัง จากการวัดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของถังก็จะหาพื้นที่หน้าตัดของถังได้ และถ้าทราบความสูงของระดับของเหลวในถังก็จะคำนวณหาปริมาณของกรดในถังได้ ปัญหาของเขาในขณะนั้นคือจะรู้ได้อย่างไรว่าระดับของเหลวในถังอยู่ที่ระดับใด

ผมก็บอกให้เขาพาผมไปที่ถังดังกล่าวแล้วผมก็เอาหลังมือแตะที่ถังนั้นที่ระดับความสูงต่าง ๆ แล้วในที่สุดผมก็บอกเขาว่าตอนนี้ระดับของกรดในถังอยู่ที่ตำแหน่งนี้

ถังที่ตั้งกลางแจ้งที่ตากแดดนั้น อุณหภูมิผิวโลหะส่วนที่ต่ำกว่าระดับของเหลวจะเย็นกว่าอุณหภูมิผิวโลหะส่วนที่อยู่เหนือระดับผิวของเหลว ความแตกต่างนี้แม้ไม่มากแต่หลังมือของเราก็รู้สึกได้ สิ่งที่ผมทำก็คือเอาหลังมือแตะผิวโลหะด้านนอกของถังเพื่อหาว่าที่ระดับใดอุณหภูมิของผิวโลหะแตกต่างกัน ตรงนั้นก็จะเป็นระดับผิวบนของของเหลวในถัง

บ่อยครั้งที่วิศวกรนั้นต้องทำงานโดยไม่มีอุปกรณ์ช่วยใด ๆ โดยเฉพาะการแก้ปัญหาเฉพาะหน้าหรือการแก้ปัญหาหน้างาน ซึ่งก็ต้องฝึกเอาไว้บ้างเผื่อจำเป็น

รูปที่ ๖ ถังที่วางตากแดดนั้นอุณหภูมิของผิวถังเหนือระดับของเหลวจะสูงกว่าอุณหภูมิของผิวถังใต้ระดับของเหลวอยู่เล็กน้อย แต่ก็มากพอที่มือของเราจะรู้สึกได้ ในกรณีที่ไม่มีอุปกรณ์วัดใด ๆ เลยเราก็สามารถใช้วิธีการนี้ระบุความสูงของของเหลวในถังได้