Pressure Gauges เกจวัดแรงดัน หรือ เกจวัดความดัน

ความดันเป็นตัวแปรที่มีการวัดมากเป็นอันดับสองรองจากอุณหภูมิในกระบวนการอุตสาหกรรมและการใช้งานเชิงพาณิชย์ แม้แต่ในบ้าน การเติมลมยางหรือการตรวจสอบสถานะของระบบหม้อน้ำ การทราบค่าความดันอย่างถูกต้องและทันทีเป็นสิ่งสำคัญ เกจวัดความดัน เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดและตรงที่สุดในการวัดและแสดงค่าความดัน

ในขณะที่อุปกรณ์วัดความดันอื่น ๆ เช่น เซ็นเซอร์ ทรานสมิตเตอร์ และทรานสดิวเซอร์ ทำหน้าที่แปลงค่าความดันให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าเพื่อส่งไปยังคอนโทรลเลอร์ เครื่องบันทึกข้อมูล หรืออุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลประเภทอื่น ๆ เกจวัดความดันนั้นถูกออกแบบมาเพื่อแสดงค่าความดันในพื้นที่โดยตรง ทำให้สามารถตรวจสอบได้ทันที เช่น ความดันภายในถังดับเพลิง ยางรถยนต์ หม้อน้ำ หม้อแรงดัน หรือกระบวนการที่สำคัญในโรงงานอุตสาหกรรม

ความเข้าใจเกี่ยวกับความดัน

ความดันถูกนิยามว่าเป็นปริมาณแรงที่กระทำต่อพื้นที่หนึ่งหน่วย โดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับของเหลวและก๊าซ ความดันถือเป็นส่วนสำคัญในหลากหลายการใช้งาน ทั้งในงานที่ต้องการการควบคุมความดันอย่างแม่นยำ และงานที่ใช้ค่าความดันในการคำนวณค่าที่เกี่ยวข้องอื่น ๆ เช่น ความลึก/ระดับ หรืออัตราการไหล

หน่วยวัดความดัน
การวัดความดันสามารถทำได้ในหลายหน่วย เช่น

• PSI (pounds per square inch)
• บาร์ (bar)
• หน่วยอื่น ๆ ได้แก่ kg/cm², inH₂O, mmHg, Pa และอื่น ๆ อีกมากมาย

ประเภทของความดัน
ประเภทของความดันถูกกำหนดตามจุดอ้างอิงของการวัด เช่น

ความดันเกจ (Gauge Pressure)
ความดันแบบเกจอ้างอิงกับความดันบรรยากาศ (Atmospheric Pressure) ดังนั้นจึงไม่รวมผลของความดันบรรยากาศ ทำให้ค่าความดันเกจเท่ากับความดันสัมบูรณ์ลบด้วยความดันบรรยากาศ เกจที่มีการปิดผนึกอาจใช้อ้างอิงความดันคงที่ที่ต่างจากความดันบรรยากาศ
ความดันสัมบูรณ์ (Absolute Pressure):
ความดันแบบสัมบูรณ์อ้างอิงกับสุญญากาศสมบูรณ์ ดังนั้นจึงรวมผลของความดันบรรยากาศ ทำให้ค่าความดันสัมบูรณ์เท่ากับความดันเกจบวกความดันบรรยากาศ
ความดันเชิงต่าง (Differential Pressure):
ความดันแบบเชิงต่างจะมีการเชื่อมต่อกับกระบวนการสองตำแหน่งเพื่อวัดความแตกต่างระหว่างสองความดัน เช่น ความดันที่สองฝั่งของตัวกรองเพื่อวัดการลดลงของความดัน (Pressure Drop)

เทคโนโลยีเกจวัดความดัน

เกจวัดความดันเป็นอุปกรณ์ที่มีความเรียบง่าย แต่มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกใช้เกจวัดความดันให้เหมาะสมกับการใช้งาน ความแตกต่างที่เห็นได้ชัดที่สุดระหว่างเกจวัดความดันคือ มีทั้งแบบ ดิจิทัล และ แอนะล็อก ซึ่งแม้ทั้งสองแบบมีหน้าที่พื้นฐานเหมือนกัน แต่ใช้เทคโนโลยีที่แตกต่างและมีความเหมาะสมในเงื่อนไขที่ต่างกัน

เกจวัดความดันแบบแอนะล็อก (Analog Pressure Gauge)

เกจวัดความดันแบบแอนะล็อก หรือที่มักเรียกว่าเกจวัดแบบกลไก ใช้เข็มที่ชี้ไปยังตัวเลขบนสเกลซึ่งสัมพันธ์กับค่าความดันที่วัดได้จากส่วนตรวจวัด เกจแบบแอนะล็อกมีการใช้งานอย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีความแม่นยำ ราคาไม่แพง ไม่ต้องใช้พลังงาน และต้องการการบำรุงรักษาเพียงเล็กน้อย หรืออาจไม่ต้องบำรุงรักษาเลย

เกจวัดความดันแบบแอนะล็อกสามารถปรับแต่งให้เหมาะสมกับการใช้งานได้หลากหลาย ตั้งแต่การใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น เกจทดสอบ (Test Gauge) ไปจนถึงการใช้งานในกระบวนการที่ซับซ้อน มีความทนทานสำหรับงานอุตสาหกรรม และราคาย่อมเยาสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์

หลักการทำงานหลักของเกจวัดความดันแบบแอนะล็อก

เกจวัดความดันแบบแอนะล็อกส่วนใหญ่ทำงานโดยใช้หลักการดังต่อไปนี้:

1. ท่อบอร์ดอน (Bourdon Tube):
   ท่อบอร์ดอนเป็นกลไกที่ใช้ในเกจวัดความดันแบบแอนะล็อกที่พบได้มากที่สุด หลักการทำงานคือ ท่อโค้งจะมีแนวโน้มที่จะคลายตัวออกเมื่อได้รับแรงดัน ท่อดังกล่าวเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ที่ควบคุมการเคลื่อนไหวของเข็ม ทำให้การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยจากแรงดันสะท้อนผลลัพธ์บนหน้าปัดที่มีสเกลค่าความดัน

ข้อดีของเกจวัดความดันแบบท่อบอร์ดอน

• เหมาะสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ โดยเฉพาะในงานที่มีแรงดันตั้งแต่ปานกลางจนถึงแรงดันสูงมาก
• โครงสร้างเรียบง่าย ทำให้มีราคาประหยัดและใช้งานง่าย
• มีความเป็นเชิงเส้นที่ดี (Linearity) และมีความแม่นยำสูงสุดถึง ±0.1% จึงเหมาะกับการวัดที่ต้องการความแม่นยำ

ข้อจำกัดของเกจวัดความดันแบบท่อบอร์ดอน

• ความแม่นยำต่ำในงานที่ใช้แรงดันต่ำ
• มีความไวต่อแรงกระแทกและการสั่นสะเทือน และอาจเกิดปัญหาฮิสเทอรีซิส (Hysteresis)
• ตอบสนองช้าในงานที่มีการเปลี่ยนแปลงแรงดันอย่างรวดเร็ว
• ไม่สามารถวัดความดันสัมบูรณ์ (Absolute Pressure) ได้
• ไม่เหมาะสำหรับการวัดที่ต้องการความแม่นยำในระดับสูงมาก

เกจแบบท่อบอร์ดอนเหมาะสำหรับการใช้งานทั่วไปที่ไม่ต้องการการตอบสนองที่รวดเร็วหรือการวัดความดันสัมบูรณ์ แต่ยังคงเป็นตัวเลือกที่คุ้มค่าและเชื่อถือได้สำหรับการใช้งานที่หลากหลายในอุตสาหกรรม

เกจวัดความดันแบบเบลโลวส์ (Bellows Gauges)
เกจวัดความดันแบบเบลโลวส์เป็นตัวเลือกที่ดีเมื่อวัดช่วงความดันต่ำ ซึ่งไม่เหมาะสำหรับเกจแบบท่อบอร์ดอน (Bourdon Tube) โดยเกจประเภทนี้ใช้ส่วนประกอบยืดหยุ่นที่สามารถขยายตัวและหดตัวในแนวรัศมีเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของความดัน ส่วนเบลโลวส์ภายในจะเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ชี้ตำแหน่ง ทำให้การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยจากแรงดันสะท้อนผลลัพธ์บนหน้าปัดที่มีสเกลค่าความดัน

ข้อดีของเกจวัดความดันแบบเบลโลวส์

• เหมาะสำหรับการใช้งานในช่วงความดันต่ำ
• มีความแม่นยำและความไวสูง จึงเหมาะสำหรับการวัดที่ต้องการความละเอียด
• ทนทานและเชื่อถือได้ พร้อมทั้งมีค่าฮิสเทอรีซิส (Hysteresis) และการคืบตัว (Creep) ต่ำ

ข้อจำกัดของเกจวัดความดันแบบเบลโลวส์

• ไวต่อแรงสั่นสะเทือนและแรงกระแทก เช่นเดียวกับเกจแบบท่อบอร์ดอน

ความนิยมของเกจวัดความดันแบบแอนะล็อก

เกจวัดความดันแบบแอนะล็อกได้รับความนิยมอย่างกว้างขวาง เนื่องจากสามารถให้ค่าที่แม่นยำในช่วงความดันที่หลากหลายในราคาย่อมเยา แม้ว่าเกจแบบแอนะล็อกจะไม่สามารถเทียบคุณสมบัติบางอย่างของเกจแบบดิจิทัลได้ แต่ยังมีฟีเจอร์เสริมหลายประการ เช่น:

• การชดเชยอุณหภูมิ (Temperature Compensation) เพื่อเพิ่มความแม่นยำ
• การเติมของเหลวภายใน (Liquid Fill) เพื่อลดการเคลื่อนไหวของเข็มและลดการสั่นสะเทือน
• มีขนาดหน้าปัดหลากหลายเพื่อตอบสนองความต้องการด้านการมองเห็นและข้อจำกัดพื้นที่

เกจวัดความดันแบบแอนะล็อกจึงยังคงเป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์ที่หลากหลาย

เกจวัดความดันแบบดิจิทัล (Digital Gauges)

เกจวัดความดันแบบดิจิทัลใช้เซ็นเซอร์ขั้นสูงและไมโครโปรเซสเซอร์ในการแสดงผลค่าความดันอย่างแม่นยำบนหน้าจอดิจิทัล แม้จะมีราคาสูงกว่าเกจแบบแอนะล็อก แต่เกจดิจิทัลมีฟีเจอร์ที่น่าสนใจซึ่งทำให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานในหลายสถานการณ์

ข้อดีของเกจวัดความดันแบบดิจิทัล

• การอ่านค่าที่รวดเร็วและง่ายดาย:
  เกจดิจิทัลสามารถแสดงค่าความดันที่ละเอียดถึง 0.01 หรือ 0.001 ทำให้เหมาะสำหรับงานที่เกี่ยวข้องกับความดันต่ำมากหรือการเปลี่ยนแปลงความดันเล็กน้อย เช่น การทดสอบการรั่ว (Leak Testing) ซึ่งเกจแอนะล็อกไม่สามารถตรวจจับได้
• ความน่าเชื่อถือสูง:
  ด้วยการออกแบบที่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวน้อยกว่าเกจแอนะล็อก เกจดิจิทัลมีความทนทานและลดโอกาสเกิดความล้มเหลวของกลไก
• ความสามารถในการตั้งโปรแกรม:
  ผู้ใช้สามารถตั้งค่าการวัดได้หลายหน่วยความดัน และยังมีการเชื่อมต่อเพื่อส่งผลลัพธ์ไปยังคอมพิวเตอร์ เครื่องบันทึกข้อมูล (Data Logger) หรืออุปกรณ์อื่น ๆ เพื่อการจัดเก็บหรือวิเคราะห์

เทคโนโลยีการวัดในเกจดิจิทัล

เกจวัดความดันแบบดิจิทัลส่วนใหญ่พึ่งพาเทคโนโลยีการวัดสองประเภทดังนี้:

1. Strain Gauge:

   • ใช้ปรากฏการณ์ Piezoresistive ซึ่งแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุกึ่งตัวนำหรือโลหะ เช่น ซิลิคอน, โพลีซิลิคอน, ฟิล์มบาง, ฟอยล์โลหะ, หรือวัสดุหนาเมื่อมีแรงดันเชิงกลกระทำ
   • เซ็นเซอร์ประเภทนี้มักมีแผ่นไดอะแฟรมที่ฝังลวดลายของเซ็นเซอร์ความต้านทาน เมื่อมีแรงดันเพิ่มขึ้น แผ่นไดอะแฟรมจะเปลี่ยนรูป ส่งผลต่อค่าความต้านทาน การเปลี่ยนแปลงนี้จะถูกวัดและแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าสัมพันธ์กับแรงดัน
   • เซ็นเซอร์ Strain Gauge มักถูกออกแบบในวงจร Wheatstone Bridge เพื่อเพิ่มผลลัพธ์ของเซ็นเซอร์และลดความไวต่อความผิดพลาด

2. Piezoelectric:

   • ใช้ปรากฏการณ์ Piezoelectric ในวัสดุเฉพาะ เช่น ควอตซ์ ในการวัดการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน
   • เมื่อมีแรงดันกระทำ จะเกิดประจุไฟฟ้าขึ้นในเซ็นเซอร์โดยสัดส่วนกับแรงที่กระทำ

ข้อดีเพิ่มเติมของเกจดิจิทัล

• การตั้งค่าและใช้งานง่าย
• การเปลี่ยนหน่วยวัดได้ทันที
• ความแม่นยำสูงและเหมาะสำหรับการบันทึกข้อมูลแบบต่อเนื่อง

เกจวัดความดันแบบดิจิทัลจึงเป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานที่ต้องการความละเอียดสูง ความแม่นยำ และความสามารถในการวิเคราะห์ข้อมูลอย่างละเอียด

ปัจจัยที่ต้องพิจารณาในการเลือกเกจวัดความดัน

เมื่อเลือกเกจวัดความดันให้เหมาะสมกับการใช้งาน ควรพิจารณาปัจจัยดังต่อไปนี้:

1. ประเภทและช่วงของความดัน:

   • เกจจะวัดความดันประเภทใด (เกจ, สัมบูรณ์ หรือเชิงต่าง)?
   • ช่วงค่าความดันที่ต้องการวัดคือเท่าไร?

2. ความต้องการเอาต์พุต:

   • ต้องการสัญญาณเอาต์พุตหรือไม่?
   • หากต้องการ ควรเป็นประเภทใด (เช่น 4-20 mA, 0-10 V, RS485)?

3. ความแม่นยำที่ต้องการ:

   • ระดับความแม่นยำที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน เช่น ±0.1%, ±1.0%

4. หน่วยวัดที่ต้องการ:

   • หน่วยวัดความดันที่ใช้งาน เช่น PSI, บาร์, kg/cm², Pa

5. การเชื่อมต่อกับกระบวนการ (Process Connection):

   • ขนาดและประเภทของการเชื่อมต่อ เช่น NPT, BSPT, หน้าแปลน

6. ความเข้ากันได้ของวัสดุหรือความต้านทานเคมี:

   • วัสดุของเกจต้องทนต่อสารเคมีหรือของไหลที่เกี่ยวข้องหรือไม่?
   • การเลือกวัสดุ เช่น สแตนเลส, ทองเหลือง

7. ช่วงอุณหภูมิและการชดเชย:

   • อุณหภูมิที่เกจจะทำงานอยู่ในช่วงใด?
   • จำเป็นต้องมีการชดเชยอุณหภูมิหรือไม่?

8. ความดันระเบิด (Burst Pressure):

   • ความดันสูงสุดที่เกจต้องรองรับได้ในกรณีฉุกเฉินคือเท่าไร?

9. การรับรองมาตรฐาน (Agency Approvals):

   • จำเป็นต้องมีการรับรองตามมาตรฐานอุตสาหกรรม เช่น UL, CE, ATEX หรือไม่?

10. ขนาดหน้าปัดที่ต้องการ:

    • ขนาดหน้าปัดที่เหมาะสมกับพื้นที่ใช้งานและความต้องการการมองเห็น เช่น 2 นิ้ว, 4 นิ้ว

การพิจารณาปัจจัยเหล่านี้อย่างรอบคอบจะช่วยให้คุณเลือกเกจวัดความดันที่เหมาะสมและตอบสนองความต้องการของงานได้ดีที่สุด