// บทที่ 20.10 · Sensors & Transducers · Level Measurement

การวัดระดับ: จากความดันน้ำหนักของเหลวถึงเรดาร์ 80 GHz

ระดับดูเป็นปริมาณง่าย แต่สิ่งที่โรงงานต้องการจริงมักเป็น ปริมาตร หรือ มวล ในถัง และสภาพในถังมีทั้งโฟม ไอ การกวน การเกาะติด และชั้นของเหลวสองชนิด หน้านี้เริ่มจากวิธีวัดที่อาศัยความดัน ไปสู่วิธีวัดระยะด้วยคลื่น และจบที่การแปลงระดับเป็นปริมาตร

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต 14 ต.ค. 2569

ความดันไฮโดรสแตติก ถังปิด · ขาเปียก เรดาร์ อัลตราโซนิก ปริมาตรถัง ตารางเลือก

สรุปใน 30 วินาที

ถังเปิด: $h = P/(\rho g)$ · น้ำ 1 m ≈ 9.8 kPa · ความหนาแน่นผิด 5 % = ระดับผิด 5 %
ถังปิด + ขาเปียก: $\Delta P = \rho g h - \rho_w g H$ → LRV ติดลบ (zero elevation)
เรดาร์ FMCW: $R = c f_b T/(2B)$ · 80 GHz ลำคลื่นแคบ แยกเป้าละเอียด · อัลตราโซนิกต้องชดเชยอุณหภูมิ
ระดับ 50 % ≠ ปริมาตร 50 % ในถังนอน — ใช้ตาราง strapping

ระดับจากความดันไฮโดรสแตติก (ถังเปิด) พื้นฐาน

L1 Hydrostatic level ระดับจากความดัน

h = \frac{P}{\rho\,g} \qquad \text{ทรานสมิตเตอร์ต่ำกว่าจุดต่อ } d:\; P = \rho g (h + d)

รูป 1 · ซ้าย: ถังเปิดกับทรานสมิตเตอร์เกจที่ก้นถัง · ขวา: ถังปิดกับทรานสมิตเตอร์ DP และขาเปียก

ตัวอย่าง L-1

ถังน้ำเปิด ช่วงวัด 0–5 m ระดับปัจจุบัน 3.2 m

URV: $998 \times 9.807 \times 5 = 48.94\ \text{kPa}$ · LRV = 0
ที่ 3.2 m: $P = 31.32\ \text{kPa}$ → $4 + 16(31.32/48.94) = 14.24\ \text{mA}$
ถ้าน้ำกลายเป็นน้ำเกลือ ρ สูงขึ้น 5 % โดยไม่แก้ค่า ระบบจะอ่าน 3.36 m ทั้งที่ระดับจริง 3.2 m — ความดันวัด "มวลต่อพื้นที่" ไม่ใช่ความสูงโดยตรง

วิธีฟองอากาศ (bubbler): ป้อนอากาศอัดไหลช้า ๆ ลงท่อจุ่มถึงก้นถัง ความดันที่ต้องใช้ดันฟองออกเท่ากับ ρgh เครื่องมือวัดอยู่นอกถังทั้งหมด เหมาะกับของเหลวกัดกร่อนหรือมีตะกอน แลกกับการใช้อากาศอัดตลอดเวลา

ถังปิด: DP ขาแห้ง ขาเปียก และการตั้งศูนย์ กลาง

L2 Closed tank, dry leg ถังปิดขาแห้ง

\Delta P = P_H - P_L = \rho g (h + d) \qquad LRV = \rho g d \;(\text{zero suppression})

L3 Closed tank, wet leg ถังปิดขาเปียก

\Delta P = \rho g (h + d) - \rho_w g (H + d) \qquad LRV = \rho g d - \rho_w g (H + d) < 0

ตัวอย่าง L-2

ช่วงระดับ 0–4 m รูวัดบนสูงกว่ารูวัดล่าง H = 5 m ทรานสมิตเตอร์ต่ำกว่ารูล่าง 0.5 m ขาเปียกเป็นน้ำ

L3 ที่ h = 0: $998(9.807)(0.5) - 1000(9.807)(5.5) = -49.04\ \text{kPa}$ = LRV
ที่ h = 4 m: $998(9.807)(4.5) - 53.94 = -9.90\ \text{kPa}$ = URV · span = 39.15 kPa
ระดับ 2 m: ΔP = −29.47 kPa → 12.00 mA พอดีกลางช่วง — ค่าทุกจุด "ติดลบ" แต่เป็นเชิงเส้น ถ้าตั้ง LRV = 0 ตามความเคยชิน ทรานสมิตเตอร์จะอยู่ที่ 3.8 mA ตลอดเวลา
ถ้าใช้ขาแห้ง (ไอไม่ควบแน่น) LRV = +4.89 kPa และ URV = 44.04 kPa (zero suppression)

ระบบ DP ยังใช้วัดความหนาแน่นและ ระดับรอยต่อ (interface) ระหว่างของเหลวสองชนิดได้ เช่น น้ำมันบนน้ำ โดยใช้ทรานสมิตเตอร์สองตัวหรือซีลสองจุด นอกจากนี้การวัดความดันสามจุดในถังน้ำมัน (hydrostatic tank gauging) ให้ทั้งความหนาแน่นและมวลโดยตรงสำหรับงานคลังสินค้า

เรดาร์: แบบไม่สัมผัส (FMCW) และเรดาร์นำคลื่น (GWR) ขั้นสูง

เรดาร์ระดับวัด ระยะ จากหน้าแปลนถึงผิวของเหลว แล้วลบออกจากความสูงอ้างอิงของถัง ข้อดีคือไม่ขึ้นกับความหนาแน่น อุณหภูมิ และความดันในถังเกือบทั้งหมด (คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางในไอได้ใกล้ความเร็วแสง) สิ่งที่ต้องดีคือ การสะท้อน ซึ่งขึ้นกับค่าคงตัวไดอิเล็กทริก ε_r ของของเหลว: น้ำ (ε_r ≈ 80) สะท้อนแรง น้ำมัน (ε_r ≈ 2) สะท้อนอ่อน

L4 Time of flight เวลาเดินทางไป–กลับ

R = \frac{c\,t}{2} \qquad h = H_\text{ref} - R

L5 FMCW radar เรดาร์คลื่นต่อเนื่องกวาดความถี่

f_b = \frac{2R}{c}\cdot\frac{B}{T} \;\Rightarrow\; R = \frac{c\,f_b\,T}{2B} \qquad \Delta R = \frac{c}{2B}

รูป 2 · การวัดเวลาระดับนาโนวินาทีโดยตรงทำได้ยาก FMCW จึงเปลี่ยนเวลาให้เป็นความถี่บีตระดับกิโลเฮิรตซ์ที่วัดได้ง่ายด้วย FFT

ตัวอย่าง L-3

เรดาร์ 80 GHz กวาด 4 GHz ใน 1 ms ผิวน้ำห่าง 6 m

ความชัน $S = B/T = 4\times10^{12}\ \text{Hz/s}$
L5: $f_b = 2(6)(4\times10^{12})/(2.998\times10^8) = 160.1\ \text{kHz}$ — ความถี่ที่ ADC ธรรมดาสุ่มได้สบาย
ความละเอียดแยกเป้า $\Delta R = c/2B = 3.75\ \text{cm}$ แต่ความแม่นของระยะดีกว่านี้มากด้วยการประมาณยอดและเฟส — ความแม่นระดับมิลลิเมตรพบได้ทั่วไป

เรดาร์นำคลื่น (guided wave radar, TDR) ส่งพัลส์ไปตามแท่งหรือสายโพรบที่จุ่มลงถัง พลังงานกระจุกตามโพรบจึงวัดของเหลว ε_r ต่ำ โฟม และไอหนาได้ดีกว่าเรดาร์แบบไม่สัมผัส และวัดรอยต่อสองของเหลวได้ เพราะพัลส์ส่วนหนึ่งทะลุชั้นบนลงไปสะท้อนที่ชั้นล่าง ความเร็วในชั้นบนลดลงเป็น $c/\sqrt{\varepsilon_r}$ ตัวอย่าง: น้ำมัน ε_r = 2 ความเร็วเหลือ 0.71c

เรดาร์ระดับเป็นอุปกรณ์ส่งคลื่นวิทยุ ในยุโรปกำหนดโดย ETSI EN 302 372 (ในถังปิด, TLPR) และ EN 302 729 (ในที่เปิด, LPR) ในประเทศอื่นมีข้อกำหนดของหน่วยงานกำกับคลื่นความถี่ของตน ควรตรวจการรับรองของรุ่นก่อนติดตั้งในถังเปิดหรือบ่อ

อัลตราโซนิก: ราคาประหยัดแต่ต้องเข้าใจอากาศเหนือของเหลว กลาง

L6 Speed of sound in air ความเร็วเสียงในอากาศ

c(T) = 331.3\sqrt{1 + \frac{T}{273.15}}\ \text{m/s} \approx 331.3 + 0.606\,T

ตัวอย่าง L-4

ระยะจริง 4 m อากาศในบ่อ 40 °C แต่เครื่องคำนวณด้วย 20 °C

L6: $c(40) = 354.7\ \text{m/s}$ , $c(20) = 343.2\ \text{m/s}$
เวลาไป–กลับจริง $2(4)/354.7 = 22.55\ \text{ms}$ → เครื่องคิดเป็น $343.2 \times 0.02255/2 = 3.87\ \text{m}$
ผิด 130 mm (3.3 %) — เซนเซอร์อัลตราโซนิกจึงมีเซนเซอร์อุณหภูมิในหัว แต่ชดเชยได้เฉพาะอุณหภูมิที่หัว ไม่ใช่ชั้นอากาศทั้งช่วง

ข้อจำกัดอื่น: ระยะบอด (dead band) ใกล้หัวเซนเซอร์ โฟมดูดซับเสียง ไอหนาและสุญญากาศ (เสียงเดินทางในสุญญากาศไม่ได้) งานที่เหมาะคือบ่อน้ำ บ่อบำบัด ราง Parshall (วัดอัตราไหลในรางเปิด) และไซโลวัสดุที่ไม่ฝุ่นจัด

ลูกลอย แมกนีโตสตริกทีฟ ดิสเพลเซอร์ คาปาซิแตนซ์ และสวิตช์ระดับ พื้นฐาน

วิธี	หลักการ	จุดเด่น	ข้อควรระวัง
ลูกลอยแม่เหล็ก + แผ่นแสดง (magnetic level gauge)	ลูกลอยมีแม่เหล็กพลิกแผ่นสี	อ่านด้วยตาได้แม้ไฟดับ	ลูกลอยติด ความหนาแน่นเปลี่ยน
แมกนีโตสตริกทีฟ	พัลส์กระแสในลวดนำคลื่นสร้างคลื่นบิดที่ตำแหน่งแม่เหล็กของลูกลอย วัดเวลาเดินทาง	ความละเอียดสูงมาก (ระดับมิลลิเมตรหรือดีกว่า) วัดรอยต่อได้	มีชิ้นส่วนในถัง ความยาวจำกัด
ดิสเพลเซอร์ (Archimedes)	แรงลอยตัวของทรงกระบอกจุ่ม ∝ ระดับ	ทนความดัน/อุณหภูมิสูง ใช้กับรอยต่อ	ไวต่อความหนาแน่น บำรุงรักษาเชิงกล
คาปาซิแตนซ์	ของเหลวเปลี่ยนความจุระหว่างโพรบกับผนัง	ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่ ใช้กับของแข็งได้	การเกาะติดและ ε_r เปลี่ยน
รังสี (radiometric)	รังสีแกมมาถูกดูดกลืนตามความหนาของวัสดุ	ไม่สัมผัสเลย วัดผ่านผนังหนาได้	ต้องมีใบอนุญาตทางรังสีและการจัดการความปลอดภัย
สวิตช์ส้อมสั่น (vibrating fork)	ความถี่สั่นเปลี่ยนเมื่อจุ่มของเหลว	เชื่อถือได้สูง ไม่ต้องปรับตั้ง	เป็นจุดเดียว (สูง/ต่ำ) ไม่ต่อเนื่อง
สวิตช์ลูกลอย · อิเล็กโทรด	ลูกลอยกดสวิตช์ · ของเหลวนำไฟต่อวงจร	ถูก ง่าย ใช้ควบคุมปั๊มน้ำ	สกปรกแล้วค้าง ใช้ได้เฉพาะของเหลวที่เหมาะ

การป้องกันล้นถัง ต้องแยกจากการวัดเพื่อควบคุม: สวิตช์ระดับสูงสุด (LSHH) เป็นอุปกรณ์อิสระที่สั่งตัดปั๊มหรือวาล์วผ่านวงจรความปลอดภัย ในคลังน้ำมันมีแนวปฏิบัติเฉพาะเช่น API 2350 และในงานกระบวนการกำหนดระดับความน่าเชื่อถือตาม IEC 61511 (SIL) — ดู SIL และความปลอดภัยเชิงหน้าที่

จากระดับเป็นปริมาตร: ถังนอนและตาราง strapping กลาง

L7 Horizontal cylindrical tank ปริมาตรในถังทรงกระบอกนอน

V(h) = L\left[r^2\cos^{-1}\!\left(\frac{r-h}{r}\right) - (r-h)\sqrt{2rh - h^2}\right]

ตัวอย่าง L-5

ถังนอนเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.5 m ยาว 6 m (ไม่คิดฝาโค้ง)

เต็มถัง $\pi(1.25)^2(6) = 29.45\ \text{m}^3$
ระดับ 0.8 m (32 %): L7 → 8.13 m³ = 27.6 % ของปริมาตร
ระดับ 2.0 m (80 %): 25.26 m³ = 85.8 % — ปลายบนและล่างเปลี่ยนช้า กลางถังเปลี่ยนเร็ว PLC จึงต้องใช้สมการหรือตาราง ไม่ใช่สเกลเชิงเส้น

ตารางเลือกวิธีวัดระดับ พื้นฐาน

สภาพงาน	ตัวเลือกแรก	ตัวเลือกรอง	หลีกเลี่ยง
น้ำ/ของเหลวทั่วไป ถังเปิด	ทรานสมิตเตอร์ความดันที่ก้นถัง · เรดาร์	อัลตราโซนิก	—
ถังปิดมีความดัน/ไอ	เรดาร์ FMCW · GWR	DP + ขาเปียก/ซีล	อัลตราโซนิก
โฟม ไอหนา ε_r ต่ำ	GWR	DP	อัลตราโซนิก
รอยต่อสองของเหลว	GWR · แมกนีโตสตริกทีฟ	ดิสเพลเซอร์ · DP สองจุด	เรดาร์ไม่สัมผัส
สารกัดกร่อน/สกปรก/ร้อนจัด	เรดาร์ไม่สัมผัส · รังสี	bubbler · ซีลไดอะแฟรม	ลูกลอย
แจ้งเตือน/ตัดปั๊มจุดเดียว	สวิตช์ส้อมสั่น	สวิตช์ลูกลอย	—

ลองควบคุมระดับด้วยทรานสมิตเตอร์ DP ที่ความหนาแน่นเปลี่ยนได้ใน แล็บวัดคุมเสมือน และอ่านลูปควบคุมระดับบนแผนผังที่ P&ID ตาม ISA-5.1

แหล่งอ้างอิง

IEC 62828 (ชุด) Reference conditions and procedures for testing industrial and process measurement transmitters (ส่วนทั่วไปและส่วนเฉพาะชนิด)
ETSI EN 302 372 (Tank Level Probing Radar) · ETSI EN 302 729 (Level Probing Radar)
API Standard 2350 Overfill Prevention for Storage Tanks in Petroleum Facilities
IEC 61511 Functional safety — Safety instrumented systems for the process industry sector

คำถามที่พบบ่อย

วัดระดับด้วยทรานสมิตเตอร์ความดันได้อย่างไร?

ของเหลวสูง h สร้างความดันที่ก้นถัง P = ρgh ทรานสมิตเตอร์ที่ก้นถังจึงวัดระดับได้จาก h = P/(ρg) ถังปิดที่มีความดันด้านบนต้องใช้ทรานสมิตเตอร์ความดันผลต่าง (DP) ต่อด้านต่ำเข้ากับช่องว่างด้านบนเพื่อหักความดันในถังออก ข้อควรระวังคือค่าที่ได้แปรตามความหนาแน่น ถ้าความหนาแน่นเปลี่ยน ระดับที่อ่านได้จะเพี้ยนตาม

ขาเปียก (wet leg) คืออะไร ทำไม LRV ติดลบ?

ขาเปียกคือท่ออ้างอิงด้านต่ำของทรานสมิตเตอร์ DP ที่เติมของเหลวจนเต็ม ใช้เมื่อไอในถังควบแน่นได้ ความดันอ้างอิงจึงคงที่ไม่แกว่งตามปริมาณน้ำที่ค้างในท่อ เนื่องจากขาเปียกสูงกว่าระดับของเหลวเกือบตลอด ด้านต่ำจึงมีความดันมากกว่าด้านสูง ทำให้ ΔP ติดลบที่ระดับศูนย์ ต้องตั้ง LRV เป็นค่าลบ เรียกว่าการยกศูนย์ลง (zero elevation)

เรดาร์ 80 GHz ดีกว่า 26 GHz อย่างไร?

ด้วยเสาอากาศขนาดเท่ากัน ความถี่สูงให้ลำคลื่นแคบกว่ามาก จึงหลบสิ่งกีดขวางภายในถัง เช่น ใบกวน บันได ท่อ ได้ดี และกวาดความถี่ได้แบนด์กว้างกว่า ทำให้แยกเป้าได้ละเอียดและวัดใกล้หน้าแปลนได้ดีขึ้น เหมาะกับถังเล็กและหัวต่อขนาดเล็ก แต่อาจไวต่อการเกาะสะสมที่เสาอากาศ