พิมพ์คำที่ต้องการค้นหา ทั้งภาษาไทยและอังกฤษ
  1. หน้าแรก
  2. คลังความรู้
  3. เซนเซอร์และทรานส์ดิวเซอร์
  4. 20.2 ประวัติและวิวัฒนาการ

// บทที่ 20.2 · Sensors & Transducers · History & Evolution

ประวัติและวิวัฒนาการ: จากเทอร์โมสโคปถึง Ethernet-APL

มาตรฐานและสัญญาณที่เราใช้วันนี้ไม่ได้ถูกออกแบบใหม่ทั้งหมดในคราวเดียว แต่ละรุ่นต้องอยู่ร่วมกับรุ่นก่อน 4–20 mA สืบทอด live zero จากลม HART ซ้อนบน 4–20 mA และ Ethernet-APL ใช้สายคู่เดิมของฟิลด์บัส การรู้ที่มาจึงช่วยให้เข้าใจว่าทำไมตัวเลขเหล่านั้นจึงเป็นแบบนั้น

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต
เส้นเวลา ปรากฏการณ์ที่ค้นพบ ห้ายุคของเครื่องมือวัดคุม ประเทศต้นกำเนิด ทิศทางเทคโนโลยี

เส้นเวลาของเครื่องมือวัดคุมอุตสาหกรรม

ยุคนิวแมติก 3–15 psiแอนะล็อก 4–20 mAอัจฉริยะ HART · ฟิลด์บัสIndustrial Ethernet · IIoT · APL193019401950196019701980199020002010202020301940 PID นิวแมติก1958 ทรานซิสเตอร์ในเครื่องมือวัด1969 PLC (Modicon)1975 ISA S50.1: 4–20 mA1979 Modbus1986 HART1989 PROFIBUS1994 FOUNDATION Fieldbus2003 PROFINET · EtherCAT2008 OPC UA2010 WirelessHART IEC 625912013 IO-Link IEC 61131-92019 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L2022 Ethernet-APL
รูป 1 · ยุคเทคโนโลยีซ้อนทับกัน โรงงานจำนวนมากยังมีอุปกรณ์จากสามยุคทำงานพร้อมกัน

ปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่กลายเป็นเซนเซอร์ พื้นฐาน

เซนเซอร์เกือบทุกชนิดในบทนี้อาศัยการค้นพบในศตวรรษที่ 17–19 ช่องว่างระหว่าง "ค้นพบ" กับ "ใช้ในโรงงาน" มักยาวหลายสิบถึงร้อยปี จนกว่าจะมีวัสดุและอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำให้ใช้งานได้จริง

  1. ราว 1593Galileo Galilei ทำเทอร์โมสโคป (อากาศขยายตัวดันน้ำในหลอด) · อิตาลี
  2. 1643Evangelista Torricelli วัดความดันบรรยากาศด้วยคอลัมน์ปรอท · อิตาลี
  3. 1714 · 1742Fahrenheit ทำเทอร์โมมิเตอร์ปรอท · Anders Celsius เสนอสเกลร้อยองศา · เนเธอร์แลนด์ · สวีเดน
  4. 1738 · 1797Daniel Bernoulli อธิบายความเร็วกับความดัน · Venturi ศึกษาการไหลผ่านท่อคอด · สวิตเซอร์แลนด์ · อิตาลี
  5. 1821Thomas Johann Seebeck พบแรงเคลื่อนไฟฟ้าจากผลต่างอุณหภูมิ → เทอร์โมคัปเปิล · เยอรมนี (ปรัสเซีย)
  6. 1831–1832Michael Faraday ค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า และทดลองวัดแรงดันจากแม่น้ำเทมส์ → CT, magmeter · สหราชอาณาจักร
  7. 1835Gaspard-Gustave de Coriolis อธิบายแรงในกรอบหมุน → มิเตอร์คอริโอลิส · ฝรั่งเศส
  8. 1843Charles Wheatstone เผยแพร่วงจรสะพานวัดความต้านทาน (ที่ Samuel Christie คิดไว้ก่อนในปี 1833) · สหราชอาณาจักร
  9. 1849Eugène Bourdon จดสิทธิบัตรท่อโค้งวัดความดัน · ฝรั่งเศส
  10. 1856William Thomson (Lord Kelvin) พบว่าความต้านทานโลหะเปลี่ยนเมื่อถูกดึง → พื้นฐานสเตรนเกจ · สหราชอาณาจักร
  11. 1871 · 1887William Siemens เสนอเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทานแพลตตินัม · H. L. Callendar ทำให้แม่นยำ · สหราชอาณาจักร
  12. 1879 · 1880Edwin Hall พบปรากฏการณ์ฮอลล์ · Pierre และ Jacques Curie พบปรากฏการณ์ไพอีโซอิเล็กทริก · สหรัฐฯ · ฝรั่งเศส
  13. 1912Walter Rogowski อธิบายขดลวดวัดกระแสแบบแกนอากาศ · เยอรมนี
  14. 1938Edward Simmons และ Arthur Ruge พัฒนาสเตรนเกจแบบติดผิว · สหรัฐฯ
  15. 1954C. S. Smith (Bell Labs) รายงานผลไพอีโซรีซิสทีฟในซิลิคอน → เซนเซอร์ความดัน MEMS · สหรัฐฯ

ห้ายุคของเครื่องมือวัดคุมในโรงงาน กลาง

1 · ยุคนิวแมติก (ทศวรรษ 1930–1960)

ตัวควบคุม PID แบบลมจากผู้ผลิตอย่าง Taylor และ Foxboro ในสหรัฐฯ ทำให้ควบคุมกระบวนการอัตโนมัติได้จริง ปี 1942 Ziegler และ Nichols ตีพิมพ์วิธีจูนที่ยังสอนกันถึงวันนี้ (ดู การจูน PID) สัญญาณมาตรฐานคือ 3–15 psi ข้อดีคือปลอดภัยในพื้นที่ไวไฟโดยธรรมชาติ ข้อเสียคือท่อลมยาวทำให้ตอบสนองช้า

H1 Pneumatic ↔ current signal แปลงสัญญาณลมกับกระแส (ตัวแปลง I/P)

P=3+12 I−416 psi20 kPa↔4 mA,    100 kPa↔20 mAP = 3 + 12\,\frac{I - 4}{16}\ \text{psi} \qquad 20\ \text{kPa} \leftrightarrow 4\ \text{mA},\;\; 100\ \text{kPa} \leftrightarrow 20\ \text{mA}
ตัวอย่าง H-1

PLC สั่งวาล์วด้วย 12 mA ผ่านตัวแปลง I/P

  1. H1: P=3+12(8/16)=9 psiP = 3 + 12(8/16) = 9\ \text{psi} (60 kPa) = 50 % ของช่วงลม

  2. วาล์วแบบ air-to-open เปิด 50 % ส่วนแบบ air-to-close ปิด 50 % — การเลือกแบบขึ้นกับว่าถ้าลมหายวาล์วควรอยู่ที่ใด (fail-safe)

2 · ยุคอิเล็กทรอนิกส์แอนะล็อก (ทศวรรษ 1950–1980)

ทรานซิสเตอร์ทำให้ทรานสมิตเตอร์อิเล็กทรอนิกส์เป็นไปได้ ผู้ผลิตแต่ละรายใช้ช่วงกระแสต่างกันจนมาตรฐาน ISA S50.1 และ IEC 60381 ทำให้ 4–20 mA เป็นภาษากลาง ปี 1969 PLC รุ่นแรกจาก Modicon แทนที่ตู้รีเลย์ในอุตสาหกรรมรถยนต์สหรัฐฯ และปี 1975 ระบบควบคุมแบบกระจาย (DCS) รุ่นแรกออกสู่ตลาดเกือบพร้อมกันทั้งในสหรัฐฯ และญี่ปุ่น

3 · ยุคทรานสมิตเตอร์อัจฉริยะ (ทศวรรษ 1980)

ไมโครโปรเซสเซอร์ที่กินไฟต่ำพอจะอยู่ในงบ 3.6 mA ทำให้ทรานสมิตเตอร์ชดเชยอุณหภูมิและความไม่เชิงเส้นด้วยตัวเลข ตั้งช่วงจากระยะไกล และรายงานความผิดปกติได้ ทรานสมิตเตอร์ความดันอัจฉริยะเชิงพาณิชย์รุ่นแรก ๆ ออกในปี 1983 และ HART (กลางทศวรรษ 1980) กลายเป็นวิธีพูดคุยกับทรานสมิตเตอร์ผ่านสายเดิม ซึ่งยังเป็นทรานสมิตเตอร์ที่ติดตั้งมากที่สุดในโลกจนถึงวันนี้

4 · ยุคฟิลด์บัส (ทศวรรษ 1990)

ความหวังคือสายคู่เดียวต่อทุกอุปกรณ์แบบดิจิทัลล้วน แต่ค่ายเยอรมนี (PROFIBUS) ค่ายฝรั่งเศส (FIP/WorldFIP) และค่ายสหรัฐฯ (ISP แล้วกลายเป็น FOUNDATION Fieldbus) แข่งกันจนมาตรฐานสากลไม่สามารถเลือกโปรโตคอลเดียวได้ ผลประนีประนอมคือ IEC 61158 ที่บรรจุหลายโปรโตคอลเป็น "ชนิด" ต่าง ๆ บทเรียนสำคัญคือความเข้ากันได้ (interoperability) และเครื่องมือวินิจฉัยสำคัญพอ ๆ กับความเร็ว

5 · ยุคอีเทอร์เน็ต ไร้สาย และ IIoT (2000 ถึงปัจจุบัน)

Industrial Ethernet (PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT) ครองงานโรงงานผลิต WirelessHART (IEC 62591) และ ISA100.11a (IEC 62734) นำเซนเซอร์ไร้สายเข้าสู่กระบวนการ OPC UA ให้ข้อมูลมีความหมายข้ามระบบ คำว่า Industrie 4.0 ถูกนำเสนอในเยอรมนีปี 2011 และหน่วย SI ถูกนิยามใหม่ด้วยค่าคงตัวธรรมชาติในปี 2019 (ดู มาตรวิทยา) ล่าสุด Ethernet-APL นำอีเทอร์เน็ตสองสายลงไปถึงทรานสมิตเตอร์ในพื้นที่อันตราย

ประเทศต้นกำเนิด: ใครวางรากฐานอะไร พื้นฐาน

ประเทศองค์กร/ผู้ผลิตสำคัญสิ่งที่วางรากฐาน
สวิตเซอร์แลนด์IEC, ISO (เจนีวา)มาตรฐานสากลเกือบทั้งหมดในบทนี้ (IEC 60751, 60584, 61158, 61508, ISO 5167)
ฝรั่งเศสBIPM (Sèvres)ระบบหน่วย SI ต้นแบบกิโลกรัมเดิม · Bourdon · Coriolis
เยอรมนีDIN, PTB, NAMUR, PI, VDI/VDEPROFIBUS/PROFINET · NE 43 · FISCO · เส้นโค้ง Pt100 (DIN) · Industrie 4.0 · EtherCAT
สหรัฐอเมริกาISA, NIST, IEEE, ODVA, FieldComm Group, API, ASMEISA-5.1 P&ID · 4–20 mA (S50.1) · HART · FOUNDATION Fieldbus · Modbus · EtherNet/IP · ตาราง TC ของ NIST
สหราชอาณาจักรNPL, BSIFaraday · Wheatstone · Kelvin · Siemens/Callendar (RTD)
ญี่ปุ่นJISC, CLPAJIS C 1602/1604 · DCS ยุคแรก · CC-Link · เซนเซอร์ซิลิคอนเรโซแนนต์
ไทยมว. (NIMT), สมอ. (TISI), วสท.มาตรฐานการวัดแห่งชาติ · มอก. · มาตรฐานการติดตั้งทางไฟฟ้า

รายการมาตรฐานพร้อมเมืองที่ตั้งองค์กรและตัวกรองตามชนิดเซนเซอร์อยู่ที่ ฐานข้อมูลมาตรฐาน

เซนเซอร์บอกสุขภาพตัวเอง

ทรานสมิตเตอร์รุ่นใหม่ตรวจท่อตัน การเกาะติด การสั่น และความเสื่อมของเซนเซอร์ แล้วรายงานตามหมวด NAMUR NE 107 (ล้มเหลว · ตรวจสอบ · นอกสเปก · ต้องบำรุงรักษา)

MEMS และการรวมหลายปริมาณ

ชิปเดียววัดความดัน อุณหภูมิ และความเร่ง ราคาลดลงจนเซนเซอร์กลายเป็น "ของถูก" และสิ่งที่มีค่าคือข้อมูลที่ได้

ดิจิทัลถึงปลายทาง

IO-Link และ Ethernet-APL ทำให้ข้อมูลดิจิทัลเดินทางจากเซนเซอร์ถึงคลาวด์โดยไม่ผ่านการแปลงเป็นแอนะล็อก

ข้อมูลช่องทางที่สองและ AI

NAMUR Open Architecture แยกการเฝ้าดูและวิเคราะห์ออกจากลูปควบคุม ทำให้ใช้ AI พยากรณ์ความเสียหายได้โดยไม่เสี่ยงต่อการควบคุม

อ่านรายละเอียดเชิงเทคนิคที่ เซนเซอร์อัจฉริยะและ IIoT

แหล่งอ้างอิง

  • Ziegler, J. G. & Nichols, N. B. (1942) Optimum Settings for Automatic Controllers, Transactions of the ASME 64
  • ANSI/ISA-50.1 · IEC 60381-1 · IEC 60382 (สัญญาณแอนะล็อกไฟฟ้าและนิวแมติก)
  • IEC 61158 / IEC 61784 · NAMUR NE 107 Self-monitoring and diagnosis of field devices
  • BIPM — The 2019 redefinition of the SI base units

คำถามที่พบบ่อย

ทำไมสัญญาณลมใช้ 3–15 psi?

ช่วง 3–15 psi (ประมาณ 20–100 kPa) กลายเป็นมาตรฐานของเครื่องมือวัดคุมแบบนิวแมติกตั้งแต่ก่อนยุคอิเล็กทรอนิกส์ จุดเริ่มที่ 3 psi แทนศูนย์ทำให้แยกท่อลมรั่วหรือขาดออกจากค่า 0 % ได้ และช่วยให้กลไกอยู่ในย่านที่ทำงานเป็นเชิงเส้น แนวคิดนี้ส่งต่อมาเป็น live zero ของ 4–20 mA และยังใช้กับตัวขับวาล์วจนถึงปัจจุบัน

ทรานสมิตเตอร์อัจฉริยะ (smart transmitter) เริ่มเมื่อไร?

ต้นทศวรรษ 1980 เมื่อไมโครโปรเซสเซอร์เล็กและกินไฟน้อยพอจะอยู่ในทรานสมิตเตอร์สองสาย ทรานสมิตเตอร์ความดันอัจฉริยะรุ่นแรก ๆ ออกสู่ตลาดในปี 1983 ทำให้ชดเชยอุณหภูมิและความไม่เชิงเส้นด้วยตัวเลข ตั้งช่วงจากระยะไกล และวินิจฉัยตัวเองได้ ตามมาด้วยโปรโตคอล HART ที่ให้สื่อสารกับทรานสมิตเตอร์ผ่านสาย 4–20 mA เดิม