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")

การสอด Thermocouple เข้า Thermowell และการแก้ไขปัญหาท่อฉีดแก๊สตัวอย่างเข้า GC อุดตัน (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๗๙) MO Memoir : Wednesday 17 February 2559

เหตุการณ์มันเริ่มจากการตรวจพบพีคประหลาดระหว่างการวัดความเข้มข้น NO ทำให้สงสัยว่าน่าจะเกิดจากสารประกอบ oxygenate ที่ค้างอยู่ในระบบท่อจากการทดลองก่อนหน้า ตรงตำแหน่งข้อต่อสามทางที่ใช้สอด thermowell เข้าไปยังด้านใต้ catalyst bed ของ reactor (รูปที่ ๑)
 

ในระบบนั้นแก๊สไหลผ่าน catalyst bed จากบนลงล่าง แล้วหักเลี้ยวเป็นมุมฉากที่ข้อต่อสามทาง ข้อต่อสามทางนี้ใช้สำหรับสอดท่อ thermowell (ทำจาก tube O.D. 1/8") เข้าไปยังด้านล่างของ reactor (ทำจาก tube O.D. 1/4") ดังนั้นจุดต่อด้านที่สอด thermowell เข้ามาจะมีลักษณะเป็นปลายตันช่วงสั้น ในกรณีที่ผลิตภัณฑ์จากการทำปฏิกิริยาทั้งหมดนั้นเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้อง ปริมาตรของปลายตันนี้ก็ไม่ได้ก่อให้เกิดปัญหาอะไร ทางกลุ่มเราสงสัยว่ามันจะก่อปัญหาเมื่อเราพบว่าผลิตภัณฑ์จากการทำปฏิกิริยานั้น บางตัวเป็นสารประกอบ oxygenate ที่เป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง (แต่ระเหิดได้) และของแข็งที่สะสมอยู่ ณ บริเวณนี้ค่อย ๆ ระเหิดออกมาอย่างช้า ๆ ปะปนไปกับแก๊สตัวอย่างที่ฉีดเข้าเครื่อง GC-2014 ECD ทำให้เกิดพีคประหลาดปรากฏขึ้นในระหว่างการวัดความเข้มข้น NO
 

นอกจากนี้มันยังไปควบแน่นในระบบท่อรับแก๊สตัวอย่างของเครื่อง GC (ท่อขนาด 1/16") ทำให้ไม่สามารถฉีดแก๊สตัวอย่างเข้าเครื่องได้

รูปที่ ๑ จุดที่เกิดปัญหาสารประกอบ oxygenate ตกค้างในระบบ
 

และเมื่อวันจันทร์เมื่อถอดข้อต่อดังกล่าวออกมาดูก็พบว่ามีของแข็งสะสมอยู่จริง ทำให้ต้องทำการรื้อระบบท่อด้านขาออกทางหมดมาล้างทำความสะอาด ปัญหาแรกที่เกิดขึ้นตอนประกอบกลับก็คือการสอด thermocouple กลับเข้า thermowell ที่เมื่อใช้มือสอดเข้าไปได้ถึงระดับหนึ่งแล้วจะดันไม่เข้า คือพอออกแรงดัน ตัว thermocouple จะงอ แทนที่จะเคลื่อนที่เข้าไปใน thermowell
 

การแก้ปัญหาก็ทำได้ไม่ยากด้วยการใช้คีบจับ thermocouple ตรงบริเวณใกล้ ๆ ปลาย thermowell แล้วค่อย ๆ ดันเข้าไป ก็จะทำให้สามารถดัน thermocouple เข้าไปจนสุดปลายท่อ thermowell ได้ (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ (บน) thermowell ทำจาก tube ขนาด O.D. 1/8" ส่วน thermocouple มีขนาด O.D. 1 mm (ล่าง) เมื่อสอดเข้าไปด้วยมือจนรู้สึกว่าไม่สามารถดัน thermocouple เข้าไปได้อีก ให้ใช้คีบจับ thermocouple ตรงตำแหน่งใกล้ ๆ กับปลายท่อแล้วดันเข้าไป

ปัญหาที่สองที่ทำการแก้ไขกันเมื่อเช้าวันวานคือการตรวจหาตำแหน่งที่เกิดการอุดตันของระบบท่อเก็บแก๊สตัวอย่างของเครื่อง GC-2014 ECD โชคดีที่พบว่าเกิดการอุดตันเฉพาะตรงตำแหน่งท่อชิ้นแรก (เป็น tube ขนาด O.D. 1/16" ดูรูปที่ ๓) เนื่องจากเราคาดการณ์ว่าสิ่งอุดตันเป็นสารประกอบ oxygenate ที่มีจุดหลอมเหลวไม่สูงและยังระเหิดได้ง่าย จึงทำการแก้ปัญหาด้วยการนำเอาชิ้นส่วนท่อดังกล่าวไปอบในตู้อบที่อุณหภูมิ 120ºC (ใส่ในบีกเกอร์โดยจับท่อดังกล่าววางตั้ง เพื่อให้สารอินทรีย์ที่อุดตันท่อนั้นไหลออกหรือระเหยออกไปได้ง่าย) ซึ่งก็พบว่าวิธีการดังกล่าวสามารถกำจัดสิ่งอุดตันได้ จากนั้นจึงทำการล้างท่อดังกล่าวด้วยน้ำ (หรือตัวทำละลายที่เหมาะสม) เพื่อล้างสารอินทรีย์ที่อาจจะยังคงค้างอยู่ตามผิวท่อด้านในออก เพราะถ้าไม่ล้างมันออก มันอาจจะระเหิดและเข้าไปเกาะลึกยังระบบท่อและวาล์วข้างในได้อีก ซึ่งถ้าปัญหานี้มันเกิดขึ้นจะทำให้การแก้ไขปัญหาวุ่นวายมากขึ้นไปอีก

ดังนั้นสิ่งต่อไปที่ทางกลุ่มเราต้องพิจารณากันก็คือ จะหาทางดักสารประกอบ oxygenate อย่างใดโดยไม่ไปรบกวนการวิเคราะห์ความเข้มข้นสารตัวอื่นในแก๊สตัวอย่าง และดูเหมือนว่างานนี้จะเป็นงานเร่งด่วนซะด้วย

รูปที่ ๓ เส้นประสีเหลืองคือท่อรับแก๊สตัวอย่าง (ขนาด 1/16"\) ที่พบว่าอุดตัน ส่วนที่อยู่ในวงกลมสีเหลืองคือวาล์วปิด-เปิดด้านขาเข้าของระบบท่อรับแก๊สตัวอย่าง (Relay 5)