เครื่องส่งสัญญาณระดับคืออะไร?

เครื่องส่งสัญญาณระดับเป็นเซ็นเซอร์ที่ใช้ในการวัดและตรวจสอบระดับของของเหลวหรือวัสดุแข็งในถัง ไซโล น้ำในแม่น้ำ และสภาพแวดล้อมที่มีน้ำขึ้นน้ำลง (ระดับน้ำทะเล)

มีเครื่องส่งสัญญาณระดับหลายประเภท แต่ละประเภทใช้หลักการวัดที่แตกต่างกันและมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับผู้ผลิต

การเลือกเครื่องส่งสัญญาณระดับที่เหมาะสมต้องพิจารณาอย่างรอบคอบถึงเงื่อนไขสำคัญต่างๆ เช่น คุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุ สภาพแวดล้อมในการวัด สภาพการติดตั้ง และการรบกวนที่อาจเกิดขึ้น

บทความนี้จะแนะนำหลักการทำงาน คุณสมบัติ และข้อจำกัดของวิธีการวัดแต่ละวิธี

เครื่องวัดระดับใช้ในโรงงานผลิตจำนวนมาก เช่น อุตสาหกรรมวัสดุ เพื่อวัดปริมาณที่เก็บไว้ในไซโลและถังเก็บวัตถุดิบและผลิตภัณฑ์

ในโรงงาน จำเป็นต้องส่งวัตถุดิบไปยังกระบวนการถัดไปอย่างต่อเนื่อง เพื่อไม่ให้การผลิตหยุดชะงัก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเติมวัตถุดิบก่อนที่ความจุในไซโลจะหมดลง เพื่อให้การผลิตดำเนินต่อไปได้

การตรวจสอบระดับของแต่ละสถานที่เหล่านี้ทีละแห่งนั้นไม่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่ง ดังนั้นจึงมีการใช้เครื่องวัดระดับเพื่อตรวจสอบและควบคุมระดับการจัดเก็บโดยอัตโนมัติ

เซ็นเซอร์วัดระดับมีสองประเภทหลัก ได้แก่ "ตัวส่งสัญญาณระดับ" และ "สวิตช์ระดับ"

ปริมาณที่เก็บไว้ในภาชนะจะถูกวัดอย่างต่อเนื่องและแสดงผลเป็น ***%, ระดับ ***m เป็นต้น และใช้เป็นระดับการจัดเก็บโดยประมาณ

ค่าที่วัดได้จะถูกแปลงจาก 0 ถึง 100% เป็นสัญญาณเครื่องมือวัดขนาด 4 ถึง 20 mA DC หรือ 1 ถึง 5 V และส่งออก ซึ่งใช้สำหรับการตรวจสอบและควบคุม

นี่คือสวิตช์ที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับสถานะเต็มหรือว่างเปล่า โดยติดตั้งเซ็นเซอร์ไว้ที่ระดับที่กำหนดไว้ล่วงหน้าภายในภาชนะ

โดยทั่วไปจะใช้ในการควบคุมการเริ่มต้นและหยุดกระบวนการขนถ่ายวัสดุ เมื่อถึงระดับที่ตั้งไว้ สวิตช์จะส่งสัญญาณเปิด/ปิด

โดยทั่วไปแล้ว ภาชนะขนาดเล็กจะถูกควบคุมด้วยสวิตช์ระดับเพียงอย่างเดียว แต่สำหรับภาชนะขนาดกลางและขนาดใหญ่ แทนที่จะติดตั้งสวิตช์ระดับหลายตัวที่ด้านบน กลาง และด้านล่าง จะใช้ตัวส่งสัญญาณระดับ (Level Transmitter) เพื่อวัดระดับการจัดเก็บอย่างต่อเนื่องและคำนวณระดับการจัดเก็บโดยประมาณแบบเรียลไทม์

โดยปกติแล้วจะมีการแสดงผลและใช้งาน

ในบางกรณี ตัวส่งสัญญาณระดับยังใช้เพื่อตรวจสอบปริมาณการจัดเก็บระหว่างทางในขณะที่ควบคุมด้วยสวิตช์ระดับ

นอกจากนี้ยังมีข้อดีคือทำให้สังเกตได้ง่ายขึ้นหากมีปัญหาเกี่ยวกับเซ็นเซอร์บางตัว

เนื่องจากสามารถตรวจพบได้ตั้งแต่เนิ่นๆ จึงสามารถลดผลกระทบต่อกระบวนการผลิตและป้องกันความเครียดของอุปกรณ์ได้

มีเครื่องวัดระดับและสวิตช์ระดับหลายประเภท ขึ้นอยู่กับวัตถุที่จะวัดและสภาพแวดล้อมในการวัด

โปรดตรวจสอบวัตถุที่จะวัดและสภาพแวดล้อมที่จะใช้ และเลือกเครื่องที่เหมาะสม

นอกจากนี้ อาจไม่ตรงกันทุกอย่าง ในกรณีเช่นนั้น มีหลายกรณีที่ต้องการเครื่องที่มีคุณสมบัติเฉพาะ โปรดติดต่อผู้ผลิต

โปรดดูข้อมูลด้านล่างเพื่อช่วยในการเลือกเครื่องที่เหมาะสม

มีเครื่องส่งสัญญาณระดับหลายประเภทวางจำหน่ายในตลาด

คุณอาจรู้สึกว่าเข้าใจลักษณะเฉพาะของแต่ละประเภทแล้ว แต่ก็ยังตัดสินใจได้ยากว่าจะเลือกใช้รุ่นใดเมื่อต้องใช้งานจริง

เพื่อช่วยในเรื่องนี้ บทความนี้จะอธิบายไม่เพียงแต่ประเภทและคุณสมบัติของเครื่องส่งสัญญาณระดับเท่านั้น แต่ยังรวมถึงข้อจำกัดของแต่ละประเภทด้วย

เครื่องส่งสัญญาณระดับมีความแตกต่างกันในหลักการวัดและคุณสมบัติเฉพาะของผู้ผลิต การเลือกอุปกรณ์ที่เหมาะสมต้องพิจารณาอย่างรอบคอบถึงคุณสมบัติของวัสดุ สภาพกระบวนการ ข้อกำหนดในการติดตั้ง และการรบกวนจากภายนอก

วิธีการวัดสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภทหลักๆ คือ การวัดตามระยะทางและการวัดระดับโดยตรง

บทความนี้จะอธิบายหลักการ คุณสมบัติ และข้อจำกัดของแต่ละวิธี โดยเน้นที่การใช้งานกับวัสดุผง วัสดุเม็ด และวัสดุจำนวนมาก

ตุ้มน้ำหนักตรวจจับจะถูกมอเตอร์ไฟฟ้าดึงลงจนกระทั่งสัมผัสกับพื้นผิววัสดุ ระยะทางเปล่าจะคำนวณจากเวลาที่วัดได้และความเร็วในการดึงลง (ระยะทาง = ความเร็ว x เวลา)

• เข้าใจง่าย อิงตามหลักการวัดทางกายภาพโดยตรง
• ไม่ได้รับผลกระทบจากฝุ่นละอองหรือการเกิดไอน้ำ
• เหมาะสำหรับการตรวจจับตะกอนในของเหลว

• ต้องมีการบำรุงรักษาเป็นระยะเนื่องจากมีชิ้นส่วนสิ้นเปลือง เช่น ลวดสลิง
• ไม่เหมาะสำหรับใช้งานในสถานที่ที่ห้ามสัมผัสกับวัตถุแปลกปลอม เนื่องจากเซ็นเซอร์สัมผัสกับวัสดุ

นี่คือเครื่องวัดระดับแบบไม่สัมผัสที่วัดระยะห่างโดยการส่งคลื่นอัลตราโซนิกไปยังพื้นผิววัสดุ และตรวจจับเวลาที่สัญญาณสะท้อนกลับมายังเซ็นเซอร์

• การวัดระดับแบบไม่สัมผัสที่คุ้มค่า
• ทิศทางที่แม่นยำสูงช่วยให้วัดได้อย่างน่าเชื่อถือในพื้นที่แคบ

• การวัดอาจได้รับผลกระทบในสภาพแวดล้อมที่มีฝุ่นหรือไอน้ำ
• ความแตกต่างของอุณหภูมิหรือการเกิดก๊าซอาจเปลี่ยนแปลงความเร็วของเสียงและเพิ่มข้อผิดพลาดในการวัด

เครื่องส่งสัญญาณวัดระดับเรดาร์ทำงานโดยการปล่อยคลื่นไมโครเวฟไปยังพื้นผิววัสดุ และคำนวณระยะทางที่ว่างเปล่าโดยอาศัยเวลาเดินทางไปกลับของสัญญาณสะท้อน

• ไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือก๊าซ
• วัดได้อย่างแม่นยำแม้ในสภาพแวดล้อมที่มีฝุ่นหรือไอน้ำ

วัสดุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำอาจตรวจจับไม่ได้เนื่องจากการสะท้อนสัญญาณเรดาร์อ่อน

ตัวอย่าง: ซิลิกา

เครื่องวัดระดับแบบไม่สัมผัสที่ใช้เทคโนโลยีเรดาร์ FMCW โดยจะส่งคลื่นไมโครเวฟแบบต่อเนื่องที่มีการปรับความถี่จากเซ็นเซอร์ และวัดระยะทางโดยการวิเคราะห์ความแตกต่างของความถี่ระหว่างสัญญาณที่ส่งออกไปกับสัญญาณที่สะท้อนจากพื้นผิววัสดุ

• ไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือก๊าซ
• วัดได้อย่างแม่นยำแม้ในสภาพแวดล้อมที่มีฝุ่นหรือไอน้ำ
• ทิศทางการรับแสงสูงช่วยให้สามารถวัดในพื้นที่แคบได้

วัสดุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำอาจตรวจจับไม่ได้เนื่องจากการสะท้อนสัญญาณเรดาร์อ่อน

ตัวอย่าง: ซิลิกา

คลื่นไมโครเวฟจะแพร่กระจายไปตามเชือกนำทางที่ติดตั้งจากเพดานของถัง เซ็นเซอร์จะวัดเวลาเดินทางไปกลับของสัญญาณสะท้อนและแปลงเป็นระยะทางในอากาศไปยังวัตถุที่ต้องการวัด

• แตกต่างจากเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกและเครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์แบบไม่สัมผัส วิธีนี้แทบไม่มีมุมลำแสง ทำให้เหมาะสำหรับการติดตั้งในพื้นที่แคบ

• การยึดเกาะของวัสดุกับหัววัดอย่างรุนแรงอาจส่งผลให้การวัดผิดพลาดได้
• การบิดงอหรือการขาดของสายไฟ รวมถึงการสะสมของวัสดุบนหัววัด อาจทำให้เกิดการสะท้อนที่ไม่พึงประสงค์ (สัญญาณรบกวน) ซึ่งเพิ่มโอกาสในการวัดผิดพลาด

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องวัดระดับแบบไม่สัมผัสจะใช้หลักการวัดสองอย่าง ได้แก่ การวัดเวลาในการเดินทางของแสง และการตรวจจับความแตกต่างของเฟส

• วิธี TOF (Time of Flight): วัดเวลาเดินทางไปกลับของพัลส์เลเซอร์สะท้อนเพื่อคำนวณระยะทางไปยังเป้าหมาย
• วิธีความแตกต่างของเฟส: คำนวณระยะทางโดยการตรวจจับความแตกต่างของเฟสระหว่างสัญญาณเลเซอร์แบบมอดูเลตที่ส่งผ่านและสะท้อนกลับ

• ทิศทางการวัดที่แม่นยำสูงช่วยให้สามารถวัดในพื้นที่แคบและระยะทางหลายร้อยเมตรได้
• วิธี TOF: ใช้เลเซอร์คลาส 1 และให้การตอบสนองที่รวดเร็ว
• วิธีความแตกต่างของเฟส: ให้ความแม่นยำและความละเอียดสูง

• ในสภาพแวดล้อมที่มีฝุ่นละอองหรือไอน้ำมาก ลำแสงเลเซอร์อาจกระจัดกระจายหรือลดทอนลง ทำให้การวัดที่เชื่อถือได้ทำได้ยาก
• เนื่องจากเลเซอร์มีทิศทางเฉพาะสูง หากพื้นผิวเป้าหมายเรียบหรือเหมือนกระจกและเอียง สัญญาณสะท้อนอาจอ่อนและอาจไม่กลับมาถึงเซ็นเซอร์อย่างเพียงพอ
• โปรดทราบว่าวิธีการตรวจจับความแตกต่างของเฟสมักใช้เลเซอร์ที่มีระดับสูงกว่า ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการจัดการความปลอดภัยของเลเซอร์ที่เหมาะสมในหลายๆ การใช้งาน

ลูกลอยที่ติดอยู่กับเทปสแตนเลสจะคอยตรวจสอบระดับของเหลว และความยาวของเทปจะถูกวัดอย่างต่อเนื่องเพื่อกำหนดระยะทางที่ว่างเปล่า ประเภทของอุปกรณ์นี้ได้แก่ แบบใช้สปริง แบบท่อปิดผนึก และแบบใช้ตุ้มถ่วง

• ด้วยโครงสร้างที่เรียบง่ายและแข็งแรง วิธีการนี้ให้ความแม่นยำในการวัดสูงและทนทานในระยะยาว ทำให้เหมาะสำหรับการตรวจวัดระดับของเหลวในถังขนาดใหญ่และขนาดเล็ก

• มีแนวโน้มที่จะเกิดการสะสมของวัสดุ
• การบำรุงรักษาทำได้จำกัดในสถานที่ที่มีอุปกรณ์ป้องกันอัคคีภัยหนาแน่น
• การสะสมของของแข็งบนลูกลอยอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัด
• การยึดเกาะภายในท่อกันคลื่น/ท่อลดแรงกระแทกอาจขัดขวางการเคลื่อนที่ของลูกลอยและทำให้ทำงานผิดปกติ

เครื่องส่งสัญญาณระดับแบบดิสเพลเซอร์ใช้ดิสเพลเซอร์ที่มีความหนาแน่นมากกว่าของเหลวในกระบวนการ การเปลี่ยนแปลงระดับของเหลวจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงตามสัดส่วนของแรงลอยตัวที่กระทำต่อดิสเพลเซอร์ที่แขวนอยู่ ซึ่งจะถูกส่งผ่านทางกลและแปลงเป็นสัญญาณระดับ

• เหมาะสำหรับการวัดของเหลวที่มีความหนาแน่นจำเพาะต่ำ และมีประสิทธิภาพในการวัดระดับของเหลวในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันสูง

• ช่วงการวัดจำกัด (ประมาณ 300–3,000 มม.)
• อาจทำงานผิดพลาดได้หากมีสิ่งกีดขวาง เช่น คราบสกปรกหรือตะกอน
• สปริงเป็นชิ้นส่วนที่สึกหรอได้
• ต้องทำการปรับเทียบใหม่เมื่อความหนาแน่นของของเหลวเปลี่ยนแปลง

ตัวเก็บประจุถูกสร้างขึ้นระหว่างขั้วไฟฟ้าที่แขวนอยู่จากเพดานถังและผนังถัง เมื่อวัสดุที่วัดได้ไหลเข้าสู่ช่องว่างระหว่างขั้วไฟฟ้า ค่าความจุจะเปลี่ยนแปลงตามสัดส่วนของระดับ การเปลี่ยนแปลงนี้จะถูกวัดและแปลงเป็นค่าการวัดระดับ

• เหมาะสำหรับการวัดในพื้นที่แคบ

• เนื่องจากเป็นเซ็นเซอร์แบบสัมผัส จึงมีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนจากสิ่งแปลกปลอม
• ต้องเทของเหลวออกจากถังหรือระบายออกให้หมดก่อนทำการปรับค่าศูนย์
• อาจเกิดข้อผิดพลาดในการวัดเมื่อค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าสัมพัทธ์ของตัวกลางที่วัดเปลี่ยนแปลง

ไดอะแฟรมจะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความดันของเหลวที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงระดับของเหลว และแปลงค่าเหล่านั้นเป็นการวัดระดับ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ต้องใช้ภายใต้สภาวะความดันบรรยากาศภายในถังเท่านั้น

• ติดตั้งง่ายแม้ในพื้นที่จำกัด

• ฟองมากเกินไปอาจทำให้แรงดันของเหลวไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้ความแม่นยำในการวัดลดลง
• การเกาะติดหรือการตกตะกอนของของแข็งบนพื้นผิวเซ็นเซอร์มากเกินไปอาจทำให้ความแม่นยำลดลง
• แรงดันของเหลวแปรผันตามความหนาแน่นจำเพาะของของเหลว จึงจำเป็นต้องปรับเทียบหรือปรับแต่งใหม่
• ต้องระบายของเหลวออกจากถังเมื่อทำการบำรุงรักษา

อุปกรณ์นี้ประกอบด้วยไดอะแฟรมสองชิ้น ชิ้นหนึ่งใช้วัดความดันของของเหลว และอีกชิ้นใช้วัดความดันภายในถัง ระดับของเหลวจะคำนวณได้โดยการลบความดันภายในถังออกจากความดันของของเหลวที่วัดได้

• สามารถทำการวัดได้โดยไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงความดันภายในถัง

• ฟองมากเกินไปอาจทำให้แรงดันของเหลวไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้ความแม่นยำในการวัดลดลง
• การเกาะติดหรือการตกตะกอนของของแข็งมากเกินไปอาจทำให้ความแม่นยำในการวัดลดลง
• แรงดันของเหลวจะแปรผันตามความหนาแน่นจำเพาะของของเหลว จึงจำเป็นต้องปรับหรือสอบเทียบใหม่
• ต้องระบายของเหลวออกจากถังเมื่อทำการบำรุงรักษา