การควบคุมแบบอัตโนมัติ (Automatic Control)

---

การควบคุมแบบดั้งเดิมที่เป็น Manual Control คือ ใช้มนุษย์เป็นผู้ควบคุมทั้งหมด เช่น ปิด-เปิด วาล์วเองกดสวิตช์ หรือ ปุ่มจ่ายไฟเอง ในบัจจุบันได้ถูกแทนที่ด้วยการควบคุมแบบอัตโนมัตแล้วทั้งสิ้นเนื่องจากมีต้นทุนต่ำกว่า และมีเสถียรภาพสูงกว่า การควบคุมดังกล่าวจะเป็นลักษณะของการควบคุมแบบป้อนกลับ (Feedback Control) คือ มีการวัดและส่งค่าที่วัดกลับมายังส่วนควบคุม เพื่อคำนวณ และจ่ายสัญญาณควบคุมที่เหมาะสมไปยังอุปกรณ์ใช้งาน จากที่กล่าวมาการควบคุมแบบอัตโนมัติ จะต้องประกอบด้วย 3 ภาคเสมอ คือ

1. ภาคการวัด
   เช่น เทอร์โมคัปเปิล, หัววัดความชื้น มีหน้าที่วัดค่าที่โพรเซสแล้วส่งมายังภาคควบคุม
2. ภาคควบคุม
   เช่น เครื่องควบคุมอุณหภูมิ มีหน้าที่รับค่าจากภาควัด นำมาคำนวณแล้วส่งให้ภาคจ่าย
3. ภาคจ่าย
   เช่น ระบบทำความร้อน ตัวจ่าย คือ ฮีตเตอร์ ในระบบควบคุมอัตราการไหล ตัวจ่ายคือ วาล์วเป็นต้น มีหน้าที่เพีอหรือลดค่าที่ควบคุมอยู่ บางครั้งก็เรียกตัวจ่ายเหล่านี้ว่า Final Element

กำหนดให้

• SP คือ Setpoint หรือ ค่าที่ต้องการควบคุม เช่น ต้องการต้มน้ำที่ 100 C
• PV คือ Process Variable หรือ ค่าที่วัดมาจาก โพรเซส เช่น อุณหภูมิในถังน้ำที่อุณหภูมิปกติเป็น 30 C
• MV คือ Manipulated Variable หรือ สัญญาณควบคุมที่เครื่องควบคุมคำนวณได้มีหน่วยเป็น % (0-100 %)
• E คือ Error หรือ ผลต่างระหว่างค่าที่ต้องการควบคุมกับค่าที่วัดได้ (E = SP-PV)

---

การควบคุม

1. การควบคุมแบบ ON/OFF
   ใช้การ On/Off เมื่ออุณภูมิต่ำหรือสูงกว่า Set Point ค่า Error ของอุณหภูมิของค่า Pv จากค่า Set Point เพียงเล็กน้อย
2. การควบคุมแบบ PID
   ทำให้ค่า PV เกิด ค่า Error จาก Set Point น้อยมาก
3. การควบคุมแบบ PD
   มีลักษณะคล้าย PID แต่ประสิทธิภาพด้อยกว่า
4. การควบคุมแบบ 2-PD
   ควบคุมคล้าย PID เพิ่มความาสามารถคาดเดาค่าอุณหภูมิจริงที่เกิดขึ้นได้ ค่า PV ทำให้สามารถควบคุม ค่า PV ได้แม่นยำขึ้น
5. การควบคุมแบบ FUZZY
   ค่า PV มีค่าใกล้เคียงค่า Set Point หากมีการเปลี่ยนแปลงจากปัจจัยอื่น ๆ ที่ทำให้ค่า PV เปลี่ยนแปลงจากค่า Set Point ฟังก์ชั่นนี้จะช่วยปรับค่า PV ใกล้เคียงกับค่า Set Point

เทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple)

---

เทอร์โมคัปเปิล คือ อุปกรณ์วัดอุณหภูมิโดยใช้หลักการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือความร้อนเป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้า เทอร์โมคัปเปิลทำมาจากโลหะตัวนำที่ต่างชนิดกัน 2 ตัว นำมาเชื่อมต่อปลายทั้งสองเข้าด้วยกันที่ปลายด้านหนึ่ง เรียกว่าจุดวัดอุณหภูมิส่วนปลายอีกด้านหนึ่งปล่อยเปิดไว้ เรียกว่าจุดอ้างอิงหากจุดวัดอุณหภูมิ และจุดอ้างอิงมีอุณหภูมิต่างกันก็จะทำให้มีการนำกระแสในวงจรเทอร์โมคัปเปิลทั้งสองข้าง โดยเรียกอุณหภูมิคงที่ที่ใช้อ้างอิงนี้ว่า Reference Junction และได้มีการกำหนด Reference Junction ให้เป็น 0 °C

หลักการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล Reference Junction

หลักการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล คือ อาศัยความแตกต่างของอุณหภูมิในการสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าขึ้น การที่แรงเคลื่อนไฟฟ้าค่าหนึ่งจะอ้างอิงเป็นอุณหภูมิค่าหนึ่งได้ แสดงว่าความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นนั้นจะต้องอ้างอิงกับอุณหภูมิค่าคงที่ค่าหนึ่งเสมอ โดยเรียกอุณหภูมิคงที่ที่ใช้อ้างอิงนี้ว่า Reference Junction และได้มีการกำหนด Reference Junction ให้เป็น 0 °C เพื่อให้การวัดอุณหภูมิเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เป็นมาตรฐานเดียวกัน และกำหนดเป็นตารางมาตรฐานแสดงค่าอุณหภูมิเทียบกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่วัดได้ แต่โดยทั่วไป เทอร์โมคัปเปิลจะทำการวัดที่อุณหภูมิห้อง (เช่น 25°C) นั่นคือไม่ได้เทียบกับ 0 °C แสดงว่าค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ได้ยังไม่ถูกต้อง หากนำไปอ่านค่าอุณหภูมิจากตารางมาตรฐานจะผิดพลาด จึงจำเป็นต้องมีการรักษา Reference Junction เพื่อให้การวัดอุณหภูมิเทียบกับ 0 °C ตลอดเวลา การรักษา Reference Junction ด้วยน้ำแข็งบริสุทธิ์

นำจุดต่อจุ่มลงในน้ำแข็งก่อนนำเข้าอุปกรณ์อ่านค่าอุณหภูมิ เพื่อให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ได้ เกิดจากการวัดอุณหภูมิเทียบกับ 0 °C จริงๆ แต่วิธีนี้เหมาะสำหรับการทดลองในห้องปฏิบัติการ ควรถ่ายน้ำออกเป็นระยะๆ และเติมน้ำแข็งไปด้วย ไม่สามารถใช้ในงานอุตสาหกรรมได้เนื่องจากการวัดอุณหภูมิในอุตสาหกรรม เป็นการวัดที่ต่อเนื่องตลอดเวลา และวิธีนี้ไม่สามารถทำให้มั่นใจได้ว่าอุณหภูมิ ณ จุดต่อ เป็น 0 °C จริงๆ ได้ตลอด

---

การรักษา Reference Junction ด้วยวงจรไฟฟ้าแบบ Bridge

วิธีนี้ใช้ความต้านทานที่เปลี่ยนค่าตามอุณหภูมิ (Temperature Sensitive Resistor) Rt เช่น RTD หรือ Thermistor ต่อไว้ในวงจร Bridge เป็นตัวชดเชยอุณหภูมิห้องที่เปลี่ยนไป ค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่อุปกรณ์อ่านค่าอุณหภูมิได้รับจะมาจาก 2 ส่วนรวมกัน คือ แรงเคลื่อนไฟฟ้าจากเทอร์โมคัปเปิล ที่เกิดจากผลต่างอุณหภูมิระหว่างอุณหภูมิที่จะวัดกับอุณหภูมิห้อง และแรงเคลื่อนไฟฟ้าชดเชยอุณหภูมิห้องจาก Rt ซึ่งเสมือนกับเป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดจากผลต่างอุณหภูมิระหว่างอุณหภูมิห้องกับ 0 °C นั่นคือ แรงเคลื่อนไฟฟ้ารวม จะมีค่าเท่ากับอุณหภูมิที่จะวัดเทียบกับ 0 °C นั่นเอง

หมายเหตุ : วงจรไฟฟ้าแบบ Bridge ดังกล่าวจะมีอยู่ในเครื่องวัดอุณหภูมิที่รับเทอร์โมคัปเปิลได้ทุกยี่ห้ออยู่แล้ว ผู้ใช้งานสามารถต่อเทอร์โมคัปเปิลเข้ากับขั้วต่อสายได้เลย

เครื่องมือที่ใช้วัดความกดอากาศ คือ "บาโรมิเตอร์ (Barometer)"

แบ่งออกเป็น

• บาโรมิเตอร์แบบปรอท (Mercury Barometer) เป็นบาโรมิเตอร์มาตราฐานที่ใช้กันอยู่ทั่วไป แบ่งออกเป็น
  • บาโรมิเตอร์แบบคิว (Kew Barometer) เป็นแบบที่กะปุกปรอทติดแน่นตายตัวอยู่กับลำหลอดแก้ว ไม่สามารถปรับแต่งระดับปรอทได้ จะแบ่งออกเป็นแบบใช้บนบกคือแบบ Kew Station และแบบที่ใช้ในทะเล Kew Marine
  • บาโรมิเตอร์แบบฟอร์ติน (Fortin Barometer) เป็นแบบสามารถปรับแต่งระดับปรอทให้ผิวหน้ามาสัมผัสกับเข็มงาช้าง (Ivory Pointer) พอดี
  • บาโรมิเตอร์แบบแอนเนอรอยด์ (Aneroid Barometer) เป็นบาโรมิเตอร์แบบเคลื่อนไหวสะดวก และพกพาได้อย่างสบาย เนื่องจากมีลักษณะเป็นกะปุกลูกฟูก เพราะภายในเป็นสูญญากาศ ไม่ใช่ปรอท

---

เครื่องมือวัดอุณหภูมิของอากาศ เรียกว่า "ไซโครมิเตอร์ (Dry-Wet Bulbs psychrometer)"

แบ่งออกเป็น

• เธอร์โมมิเตอร์แบบธรรมดาหรือแบบปรอท (Ordinary Thermometer) ใช้วัดอุณหภูมิทั่วไปของอากาศ อุณหภูมิตุ้มแห้ง
• เธอร์โมมิเตอร์แบบแกว่ง (Whirling or Sling Thermometer)
• เธอร์โมมิเตอร์แบบถ่ายอากาศ (Ventilated Thermometer)
• เธอร์โมมิเตอร์สูงสุด (Maximum Thermometer) เป็นแบบปรอทใช้วัดอุณภูมิสูงที่สุดประจำวัน ตัวเธอร์โมมิเตอร์ จะมีคอตีบด้านใต้สเกลล่างสุด เมื่ออุณหภูมิลดลงปรอทจะไม่สามารถไหลย้อนกลับ และต้องวางตัวเธอร์โมมิเตอร์ ให้ทางตุ้มปรอทอยู่ต่ำกว่าปลายเล็กน้อย เพื่อกันลำปรอทไหลกลับ เนื่องจากการสั่นสะเทือน เพื่อที่จะวัดให้ได้ค่า อุณหภูมิสูงที่สุดประจำวันจริงๆ
• เธอร์โมมิเตอร์ต่ำสุด (Minimum Thermometer) ใช้วัดอุณภูมิต่ำที่สุดประจำวัน เป็นแบบวัตถุเหลวภายใน เช่นพวกแอลกอฮอร์ หรือ น้ำมันใส โดยมีก้านชี้ (Index) อยู่ภายใน เมื่ออุณหภูมิต่ำลงแอลกอฮอร์จะดูดผิวก้านชี้ลงไปด้วย แต่ถ้าอุณหภูมิสูงสุดแอลกอฮอร์จะไหลผ่านก้านชี้ไปได้ ลักษณะการวางตัวเธอร์โมมิเตอร์ จะวางให้อยู่ในระดับแนวนอนจริงๆ
• เธอร์โมมิเตอร์ต่ำสุดยอดหญ้า (Grass Minimum Thermometer) หรือเธอร์โมมิเตอร์สำหรับวัดเรดิเอชั่นของพื้นโลก (Terrestrial Radiation Thermometer) เป็นเธอร์โมมิเตอร์ต่ำสุดธรรมดานี่เอง ใช้วัดอุณหภูมิที่เกิดจากการแผ่รังสีความร้อน จากตุ้มของๆเหลวภายในกะปุกของเหลว ไปสู่ท้องฟ้า เพื่อทราบเกล็ดน้ำค้าง (Ground Frosts) ในเวลากลางคืน "ไม่ใช่วัดอุณหภูมิของอากาศ" โดยจะวางให้เป็นแนวนอนบนพื้นหญ้าสั้นให้สัมผัสยอดหญ้าพอดี
• เธอร์โมมิเตอร์สำหรับวัดเรดิเอชั่นจากดวงอาทิตย์ (Actinometer) ใช้วัดค่าความแรงของเรดิเอชั่นจากดวงอาทิตย์ ซึ่งบรรลุสู่ผิวโลกในวันหนึ่งๆ โดยใช้เธอร์โมมิเตอร์แบบ เธอร์โมมิเตอร์ตุ้มดำ ใช้เขม่าไฟสีดำอาบเคลือบไว้รอบๆกะปุกปรอทให้ล้ำขึ้นมาทางหลอดแก้ว 1 นิ้ว ซึ่งสีดำจะดูดความร้อนได้ดีที่สุด เธอร์โมมิเตอร์ตุ้มขาว วางไว้เฉยๆ โดยมีแก้วหุ้มตัวเธอร์โมมิเตอร์อีกชั้นหนึ่ง โดยสีขาวจะสะท้อนความร้อนออกได้ดี นำค่าของตุ้มดำและตุ้มขาวมาหาค่าผลเฉลี่ยเรดิเอชั่นจากดวงอาทิตย์ที่บรรลุสู่ผิวโลก

ฮีตเตอร์อินฟราเรด Infrared Heater

---

อินฟราเรด คืออะไร?

อินฟราเรด เป็นรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง ซึ่งมีความยาวคลื่น 0.7 ไมโครเมตร ถึง 80 ไมโครเมตร โดยในธรรมชาติเราจะคุ้นเคยหรือสัมผัสกับอินฟราเรดอยู่เสมอ ๆ เช่น ในแสงแดดหรือแสงอาทิตย์จะมีอินฟราเรดรวมอยู่ด้วย ทำให้เรารู้สึกร้อน อินฟราเรดที่ส่งออกมาจากดวงอาทิตย์นั้นไม่จำเป็นต้องใช้ตัวกลาง หรือตัวพาความร้อนจึงสามารถผ่านมาสู่โลกได้ด้วยวิธีการแผ่รังสี

อินฟราเรด มีประโยขน์อย่างไร?

ตั้งแต่โบราณกาล มนุษย์รู้จักใช้ประโยชน์จากอินฟราเรดอยู่แล้ว เช่น ใช้ในการถนอมอาหารก็คืออาหารตากแห้งใช้แสงอาทิตย์ซึ่งก็อาศัยอินฟราเรดนั่นเอง, ใช้ตากผ้าให้แห้ง, ใช้ไล่ความชื้น, ให้ความอบอุ่น อินฟราเรดเป็นพลังงานบริสุทธิ์ไม่ก่อให้เกิดมลพิษ

เราจะนำอินฟราเรดมาใช้ และควบคุมอย่างไร

การใช้อินฟราเรดจากแสงอาทิตย์ตามธรรมชาตินั้น เราไม่สามารถที่จะควบคุมได้ ยิ่งถ้าเป็นฤดูฝนมีเมฆมากปริมาณอินฟราเรดก็จะน้อยจนไม่สามารถนำมาใช้งานตามวัตถุประสงค์ ทำอย่างไรจึงจะควบคุมอินฟราเรดได้ จริงๆแล้วเราอาจเรียกอินฟราเรดด้วยภาษาง่ายๆ ต่อความเข้าใจว่าคลื่นความร้อนก็คงจะผิดเพี้ยนไปไม่มาก สิ่งแวดล้อมรอบตัวเราทุกชนิดจะมีอินฟราเรดหรือคลื่นความร้อนออกมาทั้งสิ้น ถ้าเราจะต้องการทำแหล่งกำเนิดอินฟราเรด หรือแหล่งกำเนิดความร้อน เราก็คงจะนึกถึงฮีตเตอร์ ซึ่งก็จะมีลวดความร้อนเป็นหัวใจหลายคนคงจะสงสัยแล้วว่าฮีตเตอร์มีอยู่เยอะแยะมากมายทั้งคาร์ทริดจ์ฮีตเตอร์, ฮีตเตอร์ต้มน้ำ, ฮีตเตอร์แท่ง ทำไมไม่เรียกว่าอินฟราเรดฮีตเตอร์ ทั้ง ๆ ที่เป็นแหล่งกำเนิดความร้อนเหมือนกัน คำตอบก็คือฮีตเตอร์เหล่านี้ต้องอาศัยตัวกลางในการพาความร้อนออกจากผิวตัวฮีตเตอร์ มิฉะนั้นตัวฮีตเตอร์จะหลอมและเสียในที่สุด แต่ถ้าเราใช้วัสดุอื่นที่สามารถทนความร้อนได้สูง จนไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางพาความร้อนออกไปจากพื้นผิวตัวฮีตเตอร์ นั่นก็คือ อินฟราเรดฮีตเตอร์ ซึ่งวัสดุที่ว่านี้ก็คือเซรามิก กล่าวโดยสรุปได้ว่า อินฟราเรดฮีตเตอร์จะมีขดลวดความร้อนฝังอยู่ในเนื้อเซรามิก โดยขดลวดความร้อนจะทำให้เกิดความร้อนและถ่ายเทความร้อนไปสู่เซรามิก เมื่อเซรามิกร้อนจะเกิดอินฟราเรดขึ้น จะเห็นได้ว่าคุณภาพของอินฟราเรดฮีตเตอร์จะขึ้นอยู่กับคุณสุมบัติของเซรามิกซึ่งเป็นความลับของแต่ละยี้ห้อที่จะผสมสารอะไรลงไปเพื่อให้เซรามิกมีคุณสมบัติกำเนิดอินฟราเรดได้ดีมีความยาวคลื่นเหมาะสม

แนะนำฮีตเตอร์อินฟราเรด

ฮีตเตอร์อินฟราเรด เป็นตัวกำเนิดแสงอินฟราเรด ซึ่งเป็นแสงที่มีคลื่นยาวที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตามนุษย์ ซึ่งรังสีคลื่นยาวนี้จะทำให้โมเลกุลของวัตถุที่ได้รับรังสีนี้เข้าไปเกิดอาการสั่น ซึ่งก่อให้เกิดความร้อนขึ้น ซึ่งหลักนี้จะมีประสิทธิภาพมากเมื่อนำไปประยุกต์ใช้กับวัตถุที่มีโครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ หรือวัตถุที่มีโมเลกุลเกาะเรียงกันเป็นแถวยาว เช่น สี, กาว, อาหาร, พลาสติก, แลกเกอร์