เซนเซอร์ (Sensor)
ทรานสดิวเซอร์ (Transducer) และ
ทรานสมิตเตอร์ (Transmitter)
เซนเซอร์ (Sensor) เป็นอุปกรณ์ตรวจจับ, รับรู้ หรือบ่งบอกสถานะการเปลี่ยนแปลงปริมาณทางกายภาพของตัวแปรต่างๆ ปริมาณในการวัดของการตรวจจับรับรู้หรือบ่งบอกสถานะของอุปกรณ์เหล่านั้นได้เช่น ค่าอุณหภูมิ(Temperature),ความชื้น (Humidity), ปริมาณอัตราการไหล (Flow Rates), ตำแหน่ง (Linear Displacement), ความดัน (Pressure) และยังมีเซนเซอร์แบบอื่น เช่นโฟโต้เซนเซอร์ (Photo Electric Sensor),พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Proximity Sensor) เพื่อบ่งบอกสถานะทำงาน เช่น สถานะ ON-OFF เป็นต้น
ทรานสดิวเซอร์ (Transducer) ทำหน้าที่ เปลี่ยนแปลงพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นพลังงานอีกรูปแบบหนึ่ง รูปแบบพลังงานดังกล่าว เช่น อุณหภูมิ (Temp), ความชื้น (Humidity), แรงกด (Pressure), electrical, chemical, mechanical, thermal energy, electromagnetic energy รวมถึง light, อัตราการไหล (Flow Rates), แรงตึงเครียด (Strain) ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปเป็นพลังงานในรูปแบบที่ต่างออกไป เช่น แรงดันไฟฟ้า (Voltage), กระแสไฟฟ้า (Current), ความร้อน (Thermal), แสงสว่าง (Light), ความต้านทาน (Resistance) เป็นต้น แต่โดยส่วนใหญ่แล้ว ทรานสดิวเซอร์จะแปลงพลังงานที่อยู่ในรูปแบบต่างๆ ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า เราจะพบว่าอาจอยู่ในรูป Sensor โดดๆ หรือรวมเอา Sensor เข้ากับ ทรานสดิวเซอร์แล้วเรียกรวมกันเป็น “ทรานสดิวเซอร์ (Transducer)” ก็ได้ อาจจะกล่าวได้ว่า "ทราสดิวเซอร์ก็คือเซนเซอร์ แต่เซนเซอร์ไม่ใช่ทรานสดิวเซอร์"
รูปที่ 1 Input และ Output ของทรานสดิวเซอร์ (Transducer)
Transducer Applications
การใช้งานอยู่บนพื้นฐานของ the electric parameter ที่ใช้และหลักการที่เกี่ยว แบ่งออก 2 ประเภทคือ
1. Passive Type Transducers
a. Resistance Variation Type เช่น Resistance Strain Gauge, Resistance Thermometer, Resistance Hygrometer, Hot Wire Meter, Thermistor, Potentiometer Type
b. Capacitance Variation Type เช่นVariable Capacitance Pressure Gauge, Dielectric Gauge, Capacitor Microphone
c. Inductance Variation Type เช่น Eddy Current Transducer, Variable Reluctance Type, Proximity Inductance Type, Differential Transformer, Magnetostrictive Transducer
d. Voltage and Current Type เช่น Photo-emissive Cell, Hall Effect, Ionisation Chamber
รูปที่ 2 Passive Type Transducers
2. Active Type Transducers เช่น Piezoelectric Type – เมื่อแรงภายนอกกระทำต่อ a quartz crystal ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนผิวหน้าสัมผัส การเปลี่ยนปลงดังกล่าวจะถูกวัดในลักษณะที่สอดคล้องกับค่าของเสียงหรือการสั่นสะเทือนที่วัดอยู่
รูปที่ 3 Active Type Transducers
จากเนื้อหาเบื้องต้นก็ถือว่าพอหอมปากหอมคอก่อน เราไม่ต้องลึกมากเอาแค่เบ็ดดอน ร้องกร๊าบๆๆๆ ก็พอรู้นี้นิดรู้นั้นหน่อยเพราะงานชั่งตวงวัดตามข้อกำหนดของกฏหมาย (Legal Metrology) เป็นงานสหวิชาชีพจริงๆขอรับท่าน ส่วนท่านจะให้รับหลายๆท่านจบปริญญาตรีโลจิสส์ติ๊กมาเป็นนักวิชาการชั่งตวงวัดก็ได้ๆๆๆ (ถ้าเส้นใหญ่ๆๆๆๆๆ พอๆๆๆๆ) กลับมาที่ตัวอย่างใกล้ตัว ตัวอย่างเช่น นำ Strain gauge ทั้ง 4 ตัวมีการต่อเชื่อมทางไฟฟ้าด้วยวงจรวีทสโตนบริด (Wheatstone Bridge Circuit) ติดตั้งเข้ากับแท่งโครงโลหะ (a metal frame) ซึ่งได้รับการออกแบบให้มีการถ่ายถอดแรงที่กระทำต่อแท่งโครงโลหะ (ที่อาจทำด้วยโลหะ เช่น อลูมิเนียม เหล็ก หรือ สแตนเลส) ไปยัง strain gauges ได้เต็มที่ เราเรียกรวมทั้งหมดว่า “โหลดเซล” ในที่นี้ Strain gauge ทั้ง 4 ตัวจึงทำหน้าที่เป็น “เซนเซอร์ (Sensor)” เพื่อตรวจจับภาระแรงที่มากระทำต่อแท่งโครงโลหะ จากนั้น Strain gauge ทั้ง 4 ซึ่งต่อเชื่อมทางไฟฟ้าด้วยวงจรวีทสโตนบริดจะแปลงภาระแรง (load) เป็นแรงดันไฟฟ้าระดับ mV (ดูรูปที่ 6) เราจึงเรียก Strain gauge ทั้ง 4 ตัวซึ่งต่อเชื่อมทางไฟฟ้าด้วยวงจรวีทสโตนบริดติดตั้งเข้ากับแท่งโครงโลหะซึ่งให้สัญญาณด้านทางออกเป็นแรงดันไฟฟ้าระดับ mV (กรณีนี้คือ Analog Load Cell) ว่า “Load Transducer”
รูปที่ 4 Strain Gauges ชนิดต่างๆ และการต่อเชื่อม Strain Gauges ด้วยวงจรวีทสโตนบริด
รูปที่ 5 ติดตั้ง Strain Gauges เข้ากับแท่งโครงโลหะ (a metal frame)
รูปที่ 6 Load Transducer หรือ Load Cell
รูปที่ 7 Analog Load Cell และ Digital Load Cell
ทรานสมิตเตอร์ (Transmitter) คือ ตัวที่ทำหน้าที่ในการแปลงสัญญาณจากอุปกรณ์เครื่องมือวัดต่าง ๆ (เซนเซอร์ หรือทรานสดิวเซอร์) เช่น อุณหภูมิ ความชื้น แรงดัน ให้เป็นสัญญาณมาตรฐานส่งออกทางด้านเอาต์พุต เช่น สัญญาณอนาล็อกมาตรฐานด้านเอาต์พุต 0-10 Vdc, 4-20 mA เป็นต้น เพื่อส่งไปยังส่วนควบคุม (Control Device), ส่วนประมวลผล (Calculator) หรือส่วนแสดงค่า (Indicating Device)ที่อยู่ห่างไกลออกไปจากเซนเซอร์หรือทรานสดิวเซอร์ แต่ก่อนที่ทรานสมิตเตอร์ (Transmitter) ส่งสัญญาณมาตรฐานส่งออกทางด้านเอาต์พุตออกไปอาจทำการปรับปรุงสัญญาณที่รับเข้ามาก่อนก็ได้ ซึ่งโดยทั่วไปลักษณะของปรับปรุงสัญญาณรวมถึง การขยายสัญญาณ (Amplification), Isolation, Linearization และกรองสัญญาณ (Filtering) ก่อนส่งไปยังส่วนประมวลผลและส่วนแสดงค่าต่อไป
รูปที่ 8 
(OIML R139-1)
แต่ทั้งทรานสดิวเซอร์และทรานสมิตเตอร์ต่างทำหน้าที่แปลงสัญญาณจากพลังงานรูปแบบหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่งเป็นสัญญาณด้านทางออก
รูปที่ 9 ตัวอย่างขั้นตอนทำงานของทรานสมิตเตอร์ ในการแปลงสัญญาณทางไฟฟ้าทางด้านเอาต์พุตที่ได้จากทรานสดิวเซอร์ (transducer) ให้เป็นสัญญาณมาตรฐาน
เราพอแบ่งทรานสมิตเตอร์ ออกตามสัญญาณมาตรฐานทางด้านเอาต์พุต เป็น 2 ประเภทได้แก่ สัญญาณนิวแมติกส์และสัญญาณทางไฟฟ้า
1. สัญญาณนิวแมติกส์ (pneumatics signal) เป็นสัญญาณมาตรฐานที่อยู่ในรูปของความดันลม ใช้ความดันของลมในการควบคุมกระบวนการ ตัวอย่างสัญญาณมาตรฐานชนิดนิวแมติกส์ ได้แก่ 3-15 psi (BS) 0.2-1 bar (SI) และ 0.2-1 kg/cm2 (Metric)
2. สัญญาณทางไฟฟ้า (electrical signal) เป็นสัญญาณมาตรฐานที่อยู่ในรูปของแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า แบ่งออกเป็น 2 ลักษณะ ได้แก่ แรงดันไฟฟ้า 1-5 V กระแสไฟฟ้า 4-20 mA และ แรงดันไฟฟ้า 0-10 V กระแสไฟฟ้า 0-100 mA
สัญญาณวัดมาตรฐานแบบ Analog สัญญาณมาตรฐานมี 2 ชนิดคือ
1. สัญญาณกระแสไฟฟ้ามาตรฐาน เป็นการส่งสัญญาณในรูปของกระแสตรง (DC. Current) มาตรฐานที่นิยมใช้คือ 4-20 mA หมายความว่า เมื่อค่าวัดเป็น 0% เท่ากับกระแส 4 mA และค่าวัดเป็น 100 % เท่ากับกระแส 20 mA และค่าวัดซึ่งอยู่ในช่วง 0-100 % จะสัมพันธ์เป็นเชิงเส้นกับกระแส 4-20 mA
ข้อดีของการส่งสัญญาณเป็นกระแส คือ สามารถส่งสัญญาณไปได้ระยะไกลๆ ความต้านทานของสายส่งสัญญาณ จะไม่ทำให้ค่าวัดผิดพลาด และการถูกสัญญาณรบกวนจะน้อยกว่าการส่งเป็นแรงดันไฟฟ้า นอกจากมาตรฐาน 4-20 mA แล้วยังมีมาตรฐานแบบอื่นอีกแต่คนนิยมใช้น้อย เช่น 0-20 mA, 10-50 mA, 0-1 mA
2. สัญญาณแรงดันไฟฟ้ามาตรฐาน เป็นการส่งสัญญาณในรูปของแรงดันไฟฟ้า (DC Voltage) มาตรฐานที่นิยมใช้คือ 1-5 Vdc หมายความว่า เมื่อค่าวัดเป็น 0% เท่ากับ แรงดัน 1 V และค่าวัด เป็น 100 % เท่ากับแรงดัน 5 V การใช้สัญญาณมาตรฐานแบบแรงดันนี้ไม่เหมาะกับการที่ต้องส่งสัญญาณระยะไกลเนื่องจากความต้านทานของสายสัญญาณจะทำให้ค่าวัดผิดไป และถูกสัญญาณรบกวนได้ง่าย สัญญาณแบบแรงดันนี้เหมาะกับการส่งสัญญาณระยะใกล้ และมีการต่อเข้ากับอุปกรณ์รับสัญญาณหลายแบบ เนื่องจากสะดวกในการติดตั้ง นอกจากสัญญาณมาตรฐาน 1-5 V แล้วยังมีมาตรฐานอื่นแต่นิยมใช้น้อย คือ 0-10 V, 0-5 V, 0-10 mV
ตัวอย่างต่อเนื่องมาจากความเดิมของตอนที่แล้ว ในกรณีเครื่องชั่งไม่อัตโนมัติต้องใช้โหลดเซล 4 ตัวทำการต่อเชื่อมด้วยระบบสายสัญญาณไฟฟ้าเข้าด้วยกันแบบ 6 wire load cell (ดูรูปที่ 11)เป็นระบบที่มีเสถียรภาพมากกว่าระบบสายสัญญาณแบบ 4 wire load cell ทั้งนี้เพราะสายสัญญาณ +Sense และ –Sense ตรวจสอบพบว่าแรงดันไฟฟ้าด้านทางเข้าโหลดเซลหรือด้านกระตุ้นโหลดเซลนั้นต่ำหรือสูงเกินกว่าที่กำหนด ก็จะการส่งสัญญาณไปยังแหล่งจ่ายไฟฟ้ากำลังเพื่อทำการปรับแรงดันกระตุ้น (excitation voltage) ให้เป็นไปตามที่กำหนด ด้วยเหตุนี้จึงส่งผลให้โหลดเซลที่เป็นแบบ “6 wire load cell” จึงสามารถติดตั้งโหลดเซลได้ระยะไกลเกินกว่า 20 เมตรห่างออกจากส่วนแสดงค่า (indicator) นอกจากนี้กล่องรวมสายสัญญาณไฟฟ้า (Junction Box) ระหว่างโหลดเซล 4 ตัวยังเป็นชิ้นส่วนอันสำคัญในการบริหารจัดการรวมทั้งคุณภาพของงระบบเครื่องชั่งอย่างยิ่ง เช่น ความเสถียรของแรงดันไฟฟ้าด้านทางเข้าโหลดเซลหรือด้านกระตุ้นโหลดเซล, การขยายสัญญาณ (Amplification), Isolation, Linearization และกรองสัญญาณ (Filtering) เป็นต้น ก่อนส่งไปยังส่วนควบคุม (Control Device), ส่วนประมวลผล (Calculator), หรือส่วนแสดงค่า (Indicating Device) ที่อยู่ห่างไกลออกไปจากเซนเซอร์ หรือทรานสดิวเซอร์ กล่องรวมสายสัญญาณไฟฟ้า (Junction Box) ของโหลดเซลดังกล่าวจึงทำหน้าที่ “Load Transmitter” นะครับ
ดังนั้นหวังเป็นอย่างยิ่งที่ผู้มีอุปการะคุณทุกท่านได้เข้าใจความแตกต่างและพอแยกแยะระหว่าง “Load Transducer” กับ “Load Transmitter” ให้ออกน่ะครับคุณท่าน
รูปที่ 10 การรวมสายสัญญาณไฟฟ้าระหว่างโหลดเซล 4 ตัวด้วย Junction Box
รูปที่ 11 การต่อเชื่อมโหลดเซลด้วยระบบสายสัญญาณไฟฟ้าแบบ 6 wire load cell
รูปที่ 12 กล่องรวมสายสัญญาณไฟฟ้า (Junction Box) ระหว่างโหลดเซล 4 ตัว แบบ 6 wire load cell
ชั่งตวงวัด; GOM MOC
นนทบุรี
5 มีนาคม 2562