// บทที่ 20.8 · Sensors & Transducers · Pressure Measurement

การวัดความดัน: Absolute · Gauge · DP จากเบอร์ดองถึงทรานสมิตเตอร์อัจฉริยะ

ความดันเป็นปริมาณ "สองหน้าที่": วัดเพื่อดูความดันเอง และเป็นทางผ่านไปสู่การวัดระดับ (ความดันของน้ำหนักของเหลว) และอัตราการไหล (ความดันผลต่างข้ามตัวจำกัดการไหล) ทรานสมิตเตอร์ความดันผลต่างจึงเป็นเครื่องมือวัดที่มีจำนวนติดตั้งมากที่สุดชนิดหนึ่งในโรงงานกระบวนการ

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต 14 ต.ค. 2569

Absolute · Gauge · DP หลักการเซนเซอร์ ทรานสมิตเตอร์ ช่วงและ turndown ซีลไดอะแฟรม

สรุปใน 30 วินาที

$P_\text{abs} = P_g + P_\text{atm}$ · DP วัดผลต่างของสองพอร์ต · 1 bar = 100 kPa ≈ 10.2 m ของน้ำ
เซนเซอร์หลัก: ไดอะแฟรม + สเตรนเกจ/ไพอีโซรีซิสทีฟ/คาปาซิทีฟ/เรโซแนนต์ — ทุกแบบแปลงความดันเป็นการเปลี่ยนรูปเล็ก ๆ ก่อน
turndown = URL/span · ความคลาดจากอุณหภูมิและ drift มักเป็น % URL → อย่าเลือกรุ่นใหญ่เกินงาน
ซีลไดอะแฟรมกับ capillary ทำให้ศูนย์เลื่อนตามระยะสูงต่ำ $\rho_\text{fill}\,g\,\Delta h$ ต้องตั้งค่าแก้

ความดันเทียบกับอะไร: Absolute · Gauge · Differential พื้นฐาน

P1 Pressure ความดัน

P = \frac{F}{A} \qquad 1\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2 \qquad 1\ \text{bar} = 10^5\ \text{Pa}

P2 Absolute and gauge สัมบูรณ์กับเกจ

P_\text{abs} = P_g + P_\text{atm} \qquad P_\text{atm,std} = 101.325\ \text{kPa} \qquad \Delta P = P_1 - P_2

P3 Hydrostatic pressure ความดันจากของเหลวสูง h

P = \rho\,g\,h \qquad 10\ \text{m H}_2\text{O} \approx 98.07\ \text{kPa} \approx 0.98\ \text{bar}

รูป 1 · จุด A อยู่เหนือบรรยากาศ (เกจเป็นบวก) จุด B ต่ำกว่าบรรยากาศ (สุญญากาศ) ส่วน DP วัดผลต่างระหว่างสองจุดใดก็ได้

กับดักในดาต้าชีต: หน่วย "psig" กับ "psia" ต่างกัน 14.7 psi และ "bar(g)" กับ "bar(a)" ต่างกันราว 1 bar ทรานสมิตเตอร์เกจรุ่นที่ปิดผนึก (sealed gauge) อ้างอิงบรรยากาศมาตรฐานคงที่แทนบรรยากาศจริง ส่วนหน่วยหัวน้ำ mmH₂O และ inH₂O ต้องระบุอุณหภูมิอ้างอิงของน้ำด้วย (4 °C, 20 °C หรือ 68 °F ให้ค่าต่างกันเล็กน้อย) แปลงหน่วยได้ที่ เครื่องมือแปลงหน่วย

หลักการเซนเซอร์ความดัน กลาง

เส้นทางประวัติศาสตร์ของการวัดความดันคือการหาวิธี "เห็น" การเปลี่ยนรูปที่เล็กลงเรื่อย ๆ: ค.ศ. 1643 Torricelli ใช้คอลัมน์ปรอท ค.ศ. 1849 Eugène Bourdon ชาวฝรั่งเศสจดสิทธิบัตรท่อโค้งที่ยืดตัวเมื่อมีความดัน ซึ่งยังเป็นเกจหน้าปัดส่วนใหญ่ในปัจจุบัน ปี 1938 สเตรนเกจแบบลวดถูกคิดค้นในสหรัฐฯ และปี 1954 C. S. Smith แห่ง Bell Labs รายงานผลไพอีโซรีซิสทีฟในซิลิคอนและเจอร์เมเนียมที่แรงกว่าโลหะหลายสิบเท่า เปิดทางสู่เซนเซอร์ MEMS ที่ใช้กันในรถยนต์ เครื่องมือแพทย์ และทรานสมิตเตอร์

รูป 2 · ทุกแบบแปลงความดันเป็นการเปลี่ยนรูปก่อน แล้วจึงอ่านการเปลี่ยนรูปด้วยกลไก ความต้านทาน ความจุ หรือความถี่

หลักการ	สิ่งที่วัด	จุดเด่น	ข้อจำกัด	ใช้ที่ไหน
ท่อเบอร์ดอง · ไดอะแฟรม · เบลโลว์ (กลไก)	การเคลื่อนที่ → เข็ม	ไม่ใช้ไฟ ทน ถูก	อ่านด้วยตา คลาส 0.6–2.5 ตาม EN 837	เกจหน้างาน
ไดอะแฟรมโลหะ + สเตรนเกจฟอยล์/ฟิล์มบาง	$\Delta R/R = GF\,\varepsilon$	ทนความดันสูง ทนสั่น	สัญญาณ mV ต้องขยาย	ไฮดรอลิก เครื่องจักร
ไพอีโซรีซิสทีฟซิลิคอน (MEMS)	ΔR จากความเค้นในผลึก	ไว เล็ก ราคาต่ำในปริมาณมาก	ไวต่ออุณหภูมิ ต้องชดเชย	OEM รถยนต์ HVAC ทรานสมิตเตอร์
คาปาซิทีฟ (เซลล์ DP)	ระยะห่างระหว่างแผ่น → C	ความละเอียดสูง ทนการรับความดันเกิน	วงจรวัดซับซ้อนกว่า	ทรานสมิตเตอร์ DP กระบวนการ
ซิลิคอนเรโซแนนต์	ความถี่ธรรมชาติเปลี่ยนตามความเค้น	เอาต์พุตเป็นความถี่ (ดิจิทัลโดยธรรมชาติ) เสถียรมาก	ซับซ้อน ราคาสูง	ทรานสมิตเตอร์แม่นยำสูง
ไพอีโซอิเล็กทริก	ประจุ ∝ แรงที่เปลี่ยน	เร็วมาก (kHz–MHz)	วัดค่าคงที่ (สถิต) ไม่ได้	ความดันในห้องเผาไหม้ การระเบิด

P4 Differential capacitive cell เซลล์ความจุผลต่าง

C = \frac{\varepsilon A}{d} \qquad \frac{C_H - C_L}{C_H + C_L} \;\propto\; \Delta P

แผ่นไดอะแฟรมกลางเคลื่อนเข้าหาแผ่นหนึ่งและออกจากอีกแผ่น อัตราส่วน (C_H − C_L)/(C_H + C_L) ทำให้ค่าคงตัว ε และ A ตัดกันเอง ผลของอุณหภูมิต่อของเหลวในเซลล์จึงลดลง แผ่นขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 mm ห่าง 0.1 mm มีความจุเพียงราว 7 pF วงจรต้องวัดการเปลี่ยนระดับเฟมโตฟารัด — เหตุที่ภาคอิเล็กทรอนิกส์ต้องอยู่ติดเซลล์

กายวิภาคของทรานสมิตเตอร์ความดันและการติดตั้ง กลาง

ไดอะแฟรมแยก (isolating diaphragm) สัมผัสของไหล เลือกวัสดุตามความกัดกร่อน (316L, Hastelloy C, Tantalum) แล้วถ่ายความดันผ่าน ของเหลวบรรจุ (fill fluid) เช่น ซิลิโคนออยล์ ไปยังเซนเซอร์
โมดูลเซนเซอร์ มีเซนเซอร์ความดันและเซนเซอร์อุณหภูมิสำหรับชดเชย ค่าคงตัวการชดเชยถูกวัดและบันทึกในหน่วยความจำตั้งแต่โรงงาน
ภาคอิเล็กทรอนิกส์ แปลงเป็นค่าดิจิทัล ทำ linearization, damping, จัดช่วง LRV/URV และส่งออก 4–20 mA + HART หรือฟิลด์บัส

แมนิโฟลด์ 3 วาล์ว (ด้านสูง · สมดุล · ด้านต่ำ) คืออุปกรณ์คู่กับทรานสมิตเตอร์ DP ลำดับการเปิดใช้งานที่ปลอดภัย: เปิดวาล์วสมดุล → เปิดด้านสูงช้า ๆ → ปิดวาล์วสมดุล → เปิดด้านต่ำ การปิดให้ทำย้อนกลับ ลำดับนี้ป้องกันไม่ให้ไดอะแฟรมรับความดันสถิตเต็มที่จากด้านเดียว ระบบแก๊สที่เป็นพิษหรือไอน้ำใช้แมนิโฟลด์ 5 วาล์ว (มีวาล์วระบายและทดสอบเพิ่ม)

ของเหลว: ติดทรานสมิตเตอร์ต่ำกว่าจุดต่อ ท่อลาดลงหาเครื่องเพื่อไล่ฟองแก๊สออก
แก๊ส: ติดสูงกว่าจุดต่อ ท่อลาดลงกลับสู่ท่อหลักเพื่อให้น้ำที่ควบแน่นไหลกลับ
ไอน้ำ: ใช้ท่อขดหางหมู (siphon) ให้น้ำควบแน่นขังเป็นตัวกั้นความร้อน และเติมน้ำทั้งสองขาของ DP ให้ระดับเท่ากัน
ความดันกระเพื่อม (pulsation) จากปั๊มลูกสูบ: ใช้ snubber หรือ damping อย่าตั้ง damping ยาวจนลูปควบคุมช้าเกิน

เลือกช่วงวัดและ turndown ด้วยงบความคลาดเคลื่อน ขั้นสูง

P5 Turndown อัตราส่วนการลดช่วง

TD = \frac{URL}{\text{span}} \qquad \text{span} = URV - LRV

P6 Total probable error (RSS) ความคลาดรวมแบบรากกำลังสองของผลบวกกำลังสอง

e_\text{tot} = \sqrt{e_\text{ref}^2 + e_\text{temp}^2 + e_\text{static}^2 + e_\text{stab}^2 + \cdots}

P7 % of span vs % of URL แปลงสเปกให้หน่วยเดียวกัน

e\ [\%\,\text{span}] = e\ [\%\,URL] \times TD

ตัวอย่าง P-1

ใช้งาน 0–10 bar: เลือกรุ่น URL 40 bar หรือ 16 bar ดี?

สเปกสมมติ: ความแม่นอ้างอิง ±0.075 % span · ผลอุณหภูมิ ±0.05 % URL ต่อ 28 °C (ใช้งานเปลี่ยน 20 °C) · เสถียรภาพ ±0.1 % URL/ปี สอบเทียบทุกปี
URL 40 bar (TD 4:1): $0.0075,\ 0.0143,\ 0.0400$ bar → P6: $e = 0.0431\ \text{bar} = 0.43\,\%$ ของ span
URL 16 bar (TD 1.6:1): $0.0075,\ 0.0057,\ 0.0160$ bar → $e = 0.0186\ \text{bar} = 0.19\,\%$ ของ span
สรุป: รุ่นที่ช่วงใกล้งานแม่นกว่าสองเท่าแม้ตัวเลข "ความแม่นอ้างอิง" บนหน้าปกเท่ากัน ส่วนที่ครอบงำคือเสถียรภาพซึ่งคิดเป็น % URL

สำหรับเกจหน้าปัด EN 837-1 กำหนดคลาสความแม่น (เช่น 0.6, 1.0, 1.6, 2.5 % ของเต็มสเกล) แนวปฏิบัติทั่วไปคือเลือกสเกลให้ความดันใช้งานปกติอยู่ราวครึ่งถึงสองในสามของหน้าปัด เพื่อให้อ่านง่ายและมีที่เหลือรับความดันกระชาก

ซีลไดอะแฟรมและ capillary: เมื่อของไหลแตะเครื่องโดยตรงไม่ได้ ขั้นสูง

ของไหลที่หนืด กัดกร่อน ตกผลึก ร้อนจัด หรือต้องรักษาความสะอาด (อาหาร ยา) ใช้ ซีลไดอะแฟรมระยะไกล: ไดอะแฟรมติดที่ท่อหรือถัง ต่อกับทรานสมิตเตอร์ด้วยท่อ capillary ที่บรรจุของเหลว ข้อแลกเปลี่ยนคือเวลาตอบสนองช้าลง ผลอุณหภูมิของน้ำมันในท่อ และ ความดันจากคอลัมน์ของเหลวบรรจุ

P8 Seal head correction การแก้ศูนย์จากของเหลวบรรจุ

\Delta P_\text{head} = \rho_\text{fill}\,g\,\Delta h \qquad \Delta h = \text{ซีลอยู่สูงกว่าทรานสมิตเตอร์ (+)}

ตัวอย่าง P-2

ซีลอยู่สูงกว่าทรานสมิตเตอร์ 5 m ของเหลวบรรจุ ρ = 934 kg/m³

P8: $934 \times 9.807 \times 5 = 45.8\ \text{kPa} = 0.458\ \text{bar}$
ทรานสมิตเตอร์เห็นความดันเพิ่มขึ้นคงที่ 0.458 bar ตลอดเวลา ต้องตั้งค่าแก้ศูนย์ (zero elevation/suppression) หรือทำ zero trim หลังติดตั้ง
ถ้าช่วงใช้งานคือ 0–1 bar ค่าผิดนี้คือ 46 % ของ span — ความผิดที่พบจริงเมื่อย้ายตำแหน่งทรานสมิตเตอร์โดยไม่ตั้งค่าใหม่

หลักการเดียวกันนี้คือหัวใจของการวัดระดับด้วย DP ในถังปิด อ่านต่อที่ การวัดระดับ: ขาเปียกและขาแห้ง และการวัดอัตราการไหลด้วย DP ที่ แผ่นออริฟิซ ISO 5167

แหล่งอ้างอิง

IEC 61298 (ชุด) Process measurement and control devices — General methods and procedures for evaluating performance · IEC 60770 Transmitters for use in industrial-process control systems
EN 837-1/-2/-3 Pressure gauges (Bourdon tube, selection and installation, diaphragm and capsule gauges)
Smith, C. S. (1954) Piezoresistance Effect in Germanium and Silicon, Physical Review 94, 42
BIPM — The International System of Units (หน่วย Pa)

คำถามที่พบบ่อย

ความดันเกจกับความดันสัมบูรณ์ต่างกันอย่างไร?

ความดันสัมบูรณ์ (absolute) วัดเทียบกับสุญญากาศสมบูรณ์ ส่วนความดันเกจ (gauge) วัดเทียบกับความดันบรรยากาศ ณ ที่นั้น ความสัมพันธ์คือ P_abs = P_gauge + P_atm โดย P_atm ประมาณ 101.325 kPa ที่ระดับน้ำทะเลแต่เปลี่ยนตามอากาศและความสูง งานถังเปิด ปั๊ม ท่อทั่วไปใช้เกจ งานสุญญากาศ การกลั่น และการชดเชยแก๊สใช้สัมบูรณ์

turndown ของทรานสมิตเตอร์ความดันคืออะไร?

คืออัตราส่วนระหว่างช่วงสูงสุดของรุ่น (URL) กับ span ที่ตั้งใช้งาน เช่น รุ่น 40 bar ตั้ง 0–10 bar ได้ turndown 4:1 ทรานสมิตเตอร์อัจฉริยะตั้ง span ได้แคบลงหลายสิบเท่า แต่ความคลาดจากอุณหภูมิและเสถียรภาพมักกำหนดเป็น % ของ URL จึงโตขึ้นเมื่อคิดเป็น % ของ span ควรเลือกรุ่นที่ URL ใกล้ช่วงใช้งาน

แมนิโฟลด์ 3 วาล์วใช้ทำอะไร?

ใช้กับทรานสมิตเตอร์ความดันผลต่าง ประกอบด้วยวาล์วตัดด้านสูง วาล์วตัดด้านต่ำ และวาล์วปรับสมดุล (equalizing) ตรงกลาง ใช้ตรวจศูนย์โดยไม่ถอดเครื่อง และป้องกันไม่ให้ไดอะแฟรมรับความดันจากด้านเดียวระหว่างเปิดใช้งาน ลำดับที่ถูกคือเปิดวาล์วสมดุลก่อน แล้วเปิดด้านสูง ปิดวาล์วสมดุล จากนั้นเปิดด้านต่ำ