บทความทางวิชาการ

เรื่อง

โครงงานเครื่องวัดค่าความน าไฟฟ้า pH และ อุณหภูมิของน า โดยใช้ ไมโครคอนโทรเลอร์ควบคุมการแสดงผล

โดย

นายชาญชัย จรัสบุญเสรี พนักงานช่างระดับ 7

แผนกบ ารุงรักษาอุปกรณ์ควบคุมและเคร่ืองวัด กองบ ารุงรักษาโรงไฟฟ้า

โรงไฟฟ้าวังน้อย

โครงงานเครื่องวัดค่าความน าไฟฟ้า pH และ อุณหภูมิของน า

โดยใช้ ไมโครคอนโทรเลอร์ควบคุมการแสดงผล

Conductivity Measurement pH and Temperature Control Display by Microcontroller

ก ฟ ผ

บทคัดย่อ

ในโครงงานชิ้นนี้จะเป็นการแสดงผลค่าที่วัดได้จากหัว Sensor ชนิด Conductivity ซ่ึงสามารถวัดค่าได้ไม่เกิน 2000 µs/cm วัดค่า Conductivity หรือการวัดค่าความน าไฟฟ้าของ ของเหลว โดยหลักการแล้วคือการวัดค่าความต้านทานของของเหลว เปอร์เซ็นต์ของความผิดพลาดไม่มากกว่า 10 % ตัว Sensorวัดค่า pH ได้ไม่เกิน 14 คือการความเป็นกรดและความเป็นด่างของของเหลว และหัว Sensorวัดค่าอุณหภูมิของน้ าระหว่าง 5°C-98°C ค่าท่ีวัดได้มีค่าความผิดพลาด

5 % โดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC16F877 ท าหน้าที่ในการควบคุมการแสดงผลการวัด Sensor ให้แสดงผลตามที่ก าหนดไว้ในโปรแกรมท่ีเขียนขึ้นโดยโปรแกรม PIC C Compiler จากบริษัท Custom Computer Service Instrument Amplifier .. IA ซึ่งมีค่าอิมพีแดนซ์ทางด้าน Input สูงจากผลการทดลองวัดค่าระดับสัญญาณทางด้าน Output ของตัว Sensor จะถูกขยายสัญญาณด้วยวงจร Instrument Amplifier.. IA แรงดันทางดา้น Vo มีค่าใกล้เคียงกับค่าค านวณ ซึ่งมีค่าผิดพลาดไม่เกิน 10 % โครงงานนี้สามารถน ามาประยุกต์ใช้กับระบบวัดคุณภาพน้ า ในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนหรือโรงไฟฟ้าพลังความร้อนร่วม จะต้องมีการปรับแต่งให้มีความผิดพลาดให้น้อยกว่านี้ ซึ่งถ้ามีการค้นคว้าและมีการทดลองต่อไป ก็จะน ามาใช้งานได้อันจะเป็นประโยชน์กับองค์กรเป็นอย่างมาก

กิตติกรรมประกาศ

โครงงานนี้ได้รับความร่วมมือจากคณาจารย์มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรีทุกท่านที่ให้ความอนุเคราะห์ ในการให้ค าแนะน าจนได้น ามาคิดค้นและประดิษฐ์ให้เกิดโครงงานนี้ได้ และได้รับความช่วยเหลืออย่างดียิ่งจากอาจารย์ธนะพงศ์ นพวงศ์ ณ อยุธยา ซึ่งเป็นอาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานที่ได้ให้ค าแนะน าและข้อคิดเห็นต่าง ๆ ของการท าโครงงานด้วยดีเสมอมา จึงขอขอบพระคุณคณาจารย์ทุกท่านเป็นอย่างสูง เนื้อหาโครงงานเล่มนี้มีความสมบูรณ์และถูกต้อง ส่วนหนึ่งก็ได้รับความอนุเคราะห์จากเพ่ือนร่วมงาน นายพิสุทธ์ ทัศนอนันชัย วศ. 7 แผนก หคฟ-ผป กคม.ผป อบฟ และ นายพูนลาภ บุญสนอง พนักงานบริษัท True จ ากัด (มหาชน) เพ่ือให้เนื้อหามีความสมบูรณ์และถูกต้องมากข้ึน ขอขอบพระคุณ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรีที่เอ้ือเฟ้ืออุปกรณ์คอมพิวเตอร์ และเครื่องมือต่าง ๆ ในการท าโครงงานเป็นอย่างดี ผู้จัดท าจึงขอขอบพระคุณมา ณ โอกาสนี้ ท้ายนี้ใคร่ขอกราบขอบพระคุณคณาจารย์ทุกท่าน และพระคุณบิดา มารดา ซึ่งให้การสนับสนุนในทุก ๆ ด้าน จนโครงงานส าเร็จลุล่วงด้วยดีตลอดมา

บทน า

1.1 ความเป็นมาและความส าคัญของปัญหา ในการวัดค่าคุณภาพน้ า น้ าทิ้งจากกระบวนการ การผลิตซึ่งมีการวัดคุณภาพน้ าอยู่หลายค่า เครื่องวัดคุณภาพน้ ามีความจ าเป็นอย่างยิ่ง ค่าที่วัดได้ ต้องถูกต้องและแม่นย า มีเสถียรภาพ คุณภาพน้ าจึงจะเป็นที่เชื่อถือของหน่วยงานที่จะมาตรวจสอบ เครื่องวัดคุณภาพน้ าที่เบิกซื้อมาใช้งานจะมีราคาแพงและยุ่งยากในการบ ารุงรักษา ทางคณะท างานท าโครงงาน จึงเห็นความส าคัญในการคิดค้นและประดิษฐ์เพื่อน ามาทดแทนของเดิมที่ใช้งานอยู่ และเป็นการศึกษาหลักการท างานของหัว Sensor ชุด Analyzer อันจะน ามาให้เกิดประโยชน์กับหน่วยงานที่ท างานด้านนี้ 1.2 วัตถุประสงค์ของโครงงาน 1.2.1 เพ่ือน าไปประยุกต์ใช้ในงานวัดคุณภาพน้ าเช่นสถานีตรวจวัดสิ่งแวดล้อมโรงไฟฟ้า 1.2.2 เพ่ือศึกษาการใช้งานของ Sensor ชนิดวัดค่า Conductivity, pH และTemperature 1.2.3 เพ่ือศึกษาหลักการควบคุมด้วยระบบไมโครคอนโทรลเลอร์ 1.3 ขอบเขตของโครงงาน 1.3.1 แสดงผลการวัดด้วย LCD 1.3.2 วัดค่า Conductivity ได้ไม่เกิน 2000 s/cm 1.3.3 วัดค่า pH ได้ไม่เกิน 14 1.3.4 วัดค่าอุณหภูมิของน้ า 5°C - 95°C ผิดพลาด 5 % 1.4 ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ 1.4.1 เครื่องวัด Conductivity, pH Temperature สามารถอ่านค่าได้ใกล้เคียงกับเครื่องวัดที่ ใช้งานอยู่แล้ว 1.4.2 ได้ต้นแบบเครื่องวัด Conductivity, pH, Temperature 1.4.3 สามารถน าไปประยุกต์ใช้งานเก็บข้อมูลที่เป็นสัญญาณ Analog ได้

การออกแบบและเขียนโปรแกรม

2.1 ออกแบบการท างานโดยรวม เนื่องจากโครงงานนี้ เป็นการศึกษาการท างานของ Conductivity Sensor , pH Sensor , Temperature Sensor และออกแบบวงจรขยายสัญญาณท่ีรับมาจากตัว Sensor ชนดิต่าง ๆ ที่กล่าวมา ซึ่งวงจรขยายสัญญาณจะส่งสัญญาณและแปลงสัญญาณให้ชุด Controller แสดงผลและเก็บข้อมูล และยังสามารถส่งข้อมูลแสดงผลพร้อมเก็บข้อมูลใน Personal Computer (PC) หรือ Notebook Computer ได้อีกด้วย ซึ่งการออกแบบได้ออกแบบให้สามารถประยุกต์ให้ใช้งานได้มากมาย รายละเอียดจะได้กล่าวต่อไป 2.2 ขั้นตอนการท างาน ค านวณหาค่าแรงดันที่ป้อนเข้าภาคขยายของวงจรขยาย Sensor น าค่าแรงดันที่ขยายมาท าการปรับความชันและต าแหน่งศูนย์เพื่อให้ค่าแรงดันที่ ป้อนเข้ายังวงจรไมโครคอนโทรเลอร์มีค่าอยู่ระหว่าง 0 – 5V ซึ่งวงจรไมโครคอนโทรเลอร์จะท างานตามขั้นตอนที่โปรแกรมไว้ และแสดงผลออกทาง Liquid Crystal Display.. LCD 2.3 การออกแบบ 2.3.1 แสดงการออกแบบวงจรขยายสัญญาณที่รับมาจากหัว Sensor แต่ละ ชนิด วงจรในส่วนนี้ จะแสดงการท างานของชุดขยายสัญญาณที่รับมาจากหัว Sensor จะเห็นว่าเป็นการยากล าบากพอสมควร เนื่องจากหัว Sensor แต่ละชนิด Generate สัญญาณออกมาคนละแบบกัน อย่างเช่น หัว Sensor วัดค่า Conductivity ะจGenerate เป็นความต้านทาน (ค่าประมาณ 0 ถึง 1m ) หัว pH จะGenerate เป็นแรงดัน (ค่าประมาณ -170 mv ถึง 170 mv)

1 2 3 4 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

B

A

Title

Num ber RevisionSize

B

Date: 16-Mar-2006 Sheet of

File: C:\Program Files\Design Explorer 99 SE\Examples\BACKUP~32.DDBDrawn By:

VCC=(-12V)

VCC=12V

VCC=(-12V)

VCC=12V

R3

100

R4

10K

R6

217K

R7

217K

VCC=12V

VCC=-12V

D1

6.2V

R2

30.9K

R1

680

R5

10K

รูปที่ 2.1 แสดงวงจรขยายสัญญาณ จากหัว SENSOR pH

จะGenerate เป็นความต้านทาน (ค่าประมาณ 100 ถึง 150 ) จะเห็นตัว Sensor แต่ละตัว Generate ค่าท่ีวัดได้ไม่เท่ากัน แต่การออกแบบวงจรขยายสัญญาณ จึงมีหลักการค านวณที่คล้ายกัน อาจจะติดปัญหาบางที่ ส่วนหัว Sensor pH เนื่องจากหัว Sensor pH ไม่ Generate ค่าแรงดันตามทฤษฎีซึ่งจะศึกษาในโอกาสต่อไป

1 2 3 4 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

B

A

Title

Num ber RevisionSize

B

Date: 16-Mar-2006 Sheet of

File: C:\Program Files\Design Explorer 99 SE\Examples\BACKUP~8.DDBDrawn By:

1

2

3

4

R(1-2)

220

AR2

OPAMP

AR1

OPAMP

AR3

OPAMP

R1

20K

RG

5K

R320K

R2

20K

R3

20K

R2

20K

R1

20K

GND

GND

5V

12V

-12V

12V

12V

-12V

-12V

รูปที่ 2.2 แสดงวงจรขยายสัญญาณจากหัว SENSOR CONDUCTIVITY TEMPERATURE

อธิบายความแตกต่างของระดับสัญญาณ จะถูกป้อนเข้าไปวงจรขยายของ OP-AMP จะได้ค่าสัญญาณที่มีขนาด Amplitude เพ่ิมข้ึนจ าเป็นต้องมีการปรับต าแหน่งความชันและต าแหน่งศูนย์ของวงจร เพ่ือให้ระดับสัญญาณ Output มีระดับแรงดัน 0-5V 2.3.2 ส่วนที่ใช้ในการแสดงผล ในการแสดงจะแสดงผลด้วย LCD แสดงผลที่หน้าจอ Personal Computer และ Notebook Computer ซ่ึงสามารถติดต่อด้วยสาย RS232 สามารถ Set รากScan ข้อมูลจากการวัดได้ด้วย

P O W E R O N

R E A D R T C & C H E C K P R E S S K E Y

R E A D A N A L O G IN P U T A 0 -A 3

S H O W T O L C D D IS P L A Y

S A V ES A V E T O E E P R O M

R O O M 0 1 -9 9S A V E

S E L E C T

R O O M 0 1 -9 9

N O

Y E S

V IE WR E A D F R O M E E P R O M

S H O W T O L C DV IE W

S E L E C T

R O O M 0 1 -9 9

Y E S

N O

S E T S E T D A T E & T IM E O K S E TN O

Y E S

W R IT E T O

E E P R O M

W R IT E T O R T C

C O N N E C T S E N D D A T A T O P C

R T C : R E A L T IM E C L O C K

P C : P E R S O N E L C O M P U T E R

Y E S

N O

Y E S

N O

Y E S

Y E S

N O

N O

รูปที่ 2.3 รูป Flow Chart การท างานของโปรแกรมแสดงผล

รูปที่ 2.4 วงจรแสดงผลจากไมโครคอนโทรเลอร์ PIC16F877

ผลการทดลอง

3.1 ค าน า ท าการทดลองโดยมีตารางเปรียบเทียบการวัดด้วยเครื่องวัดมาตรฐานที่มีการ Calibrate มาแล้วด้วย Buffer Standard และเครื่องควบคุมอุณหภูมิ (0-100 °C) Temperature Control Box วัดเปรียบเทียบ 3.2 ผลการทดลองอ่านค่าอุณหภูมิ ผลการทดลองปรับแต่ง Temperature กรณี R (RTD = 100 ) Gain 10า่ทเ

Va Vb Vout

1.99 1.58 -4.08 V

ผลการทดลองกรณี R(RTD = 138.50 ) Gain 10 า่ทเ

Va Vb Vout

1.99 1.96 -280mv

กรณีการปรับต าแหน่ง (0V-5V)

VA1 VA2

-4.93 V 4.95 V

กรณี R (RTD = 100 ) Gain 10 เท่า

VA1 VA2

0.11V -0.10V

ตารางบันทึกผลการทดลองวัด Conductivity

ค่าท่ี (ohm)

ค่า Conductivity ( s/cm)

1M 200K 100K 20K 10K 2K 1K

1 5 10 50 100 500 1000

การค านวณภาคขยายสัญญาณของหัว Sensor Conductivity Cell Constant (k=1m))

Va = (E * R3 )/ R1 R3 .……..……………………………………(3.1) = [5 × 141 ]/220+141 = 1.95 V

Vb = (E* R4 )/ R2+R4 ………………………………………………………………….....(3.2) = [5 × 1 × 106]/ 220 + (1× 106) = 4.99

V = Va - Vb

………………………………………….........................…….…….. (3.2) = 1.95 – 4.99 V = 3.04 V ให้ RG = 20 k ขยาย 3 เท่า

Vou = [1 + 2R1 ] [R3]/ RG (Va - Vb) /R2................……………………………………(3.3) = [1 + (2 × 20k)]/20 k [20k] ×(-3.04V)/ 20 k = 3 × (-3.04V) = -9.04 V

b = Rf / Ros ……………………………………….(3.4) M = Rf / Ri………………………………………….. (3.5)

Y = MX + B……………………...……………….…..(3.6) V0 = [(Rf / Ri)* Vi] + [(Rf / Rof) ]* V …………… …….. (3.7)

การปรับสเกลก าหนดให้ Rf = 1.66K ค านวณหาค่า Ros ได้จากสูต

b = Rf ( V) /Ros ………………………………………….(3.8) = [(1.66k)(-12)]/ - 3.154 Ros = 6.31k

และ Rcom = Rf // Ri // Ros ………………………………...(3.9) =1.66k // 10k // 6.31k = 1.42k // 6.31k = 1.16 k

ตารางบันทึกผลการทดลอง การป้อนกระแสไฟฟ้าให้กับชุดทดลองไมโครคอนโทรลเลอร์

ค่ากระแสที่ป้อนให้กับวงจร ADC ( mA ) 0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20

ค่าความน าไฟฟ้า (Conductivity)

ค่ามาตรฐาน ( s/cm)

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

ค่าท่ีอ่านได้ ( s/cm)

0 202 450 705 953 1206 1452 1700 1926

ค่ากรด เบส (pH) ค่ามาตรฐาน

0 1.75 3.5 5.25 7.0 8.75 10.5 12.25 14.0

pH ค่าท่ีอ่านได้

0 1.75 3.4 5.20 6.90 8.70 10.5 12.20 13.30

ค่าอุณหภูมิ Temperature ค่ามาตรฐาน

0

12.5

25.0

37.5

5.

62.5

75

87.5

100

ค่าท่ีอ่านได้ 0 12.5 25.1 37.8 50.3 63.7 75.4 88.0 95.4 ตารางบันทึกผลการทดลองข้อมูลจาก pH meter ที่อุณหภูมิ 25 °C

Buffer 4 7 10 ค่า pH ที่อ่านได้จาก

pH meter pH 3.81

pH 6.93

pH 9.98

ค่าแรงดันที่อ่านได้จาก pH meter

150.6 mv -26.3 mv -199.4 mv

รูปที่ 3.1 แสดงการวัดค่า pH 4 บักBuffer standard ด้วยวัดเครื่องมาตรฐาน

รูปที่ 3.2 แสดงการวัดค่า pH7 Buffer standard รูปที่ 3.3 แสดงการวัดค่า conductivity กับอากาศด้วยเครื่องวัดมาตรฐาน

รูปที่ 3.4 แสดงค่าท่ีวัดได้ด้วย ตัวแสดงผล LCD

รูปที่ 3.5 แสดงการวัดค่า ที่ได้จาก SENSOR ต่างๆไปแสดงที่ PERSONAL COMPUTER

สรุปผลการทดลอง 4.1 ค าน า โครงงานนี้เป็นการน าเอาหลักการของทฤษฎีด้านไฟฟ้า , ทฤษฎีด้านเคมีมาประยุกต์ใช้งานวัดค่าความน าไฟฟ้า , กรดเบสและอุณหภูมิเครื่องวัด วัดได้ถูกต้องและแม้นย าจะเป็นการเพิ่มความสะดวกและรวดเร็วในการปฏิบัติงานโครงงานนี้เมื่อท าส าเร็จแล้ว ยังสามารถน าไปประยุกต์ใช้งานด้านการบันทึกสัญญาณ ANALOG ต่าง ๆได้ ซึ่งจะเป็นประโยชน์อย่างมากในการวิเคราะห์ ปัญหาต่างๆ ที่เกิดจากกระบวนการผลิต 4.2 สรุปผลการทดลอง จากการทดลองจะเห็นว่าการออกแบบเครื่องวัดค่า CONDUCTIVITY pH, TEMPERATURE สามารถสร้างข้ึนมาเองได้ ซึ่งเป็นไปตามทฤษฎีและหลักการต่างๆ 4.3 ปัญหาในการท าโครงงาน จากการทดลองพบปัญหาหลายอย่างเช่น การเบิกซ้ืออุปกรณ์ไม่สามารถเบิกซ้ืออุปกรณ์ตาม Spec. ที่ใช้งานได้ กล่าวคือ IC ขยายสัญญาณ NO. TXR101ที่ใช้เฉพาะงานด้าน High input impedance ไม่สามารถเบิกซื้อได้ แต่การออกแบบก็สามารถแก้ไขได้ โดยการปรับแต่งวงจรขยายสัญญาณค่าที่อ่านได้ค่าจะใกล้เคียงกับค่าท่ีค านวณได้

เอกสารอ้างอิง 1. ธีรบูลย์ หล่อวิเชียรรุ่ง. ปฏิบัติการไมโครคอนโทรลเลอร์ MCS-51 ด้วยโปรแกรมภาษาC กรุงเทพมหานคร. บริษัท อินโนเวตีฟ เอ็กเพอริเมนต์ จ ากัด, 2521. 2. บัณฑิต จามรภูติ. คู่มือการใช้งาน Protel 99; เชียงใหม่. บัณฑิตเพลส, 2544. 3. ประจิน พลังสันติกุล. เรียนรู้และใช้การใช้งาน CCS C คอมไพเลอร์; กรุงเทพมหานคร. บริษัท อินโนเวตีฟ เอ็กเพอริเมนต์ จ ากัด, 2521. 4. พจนาฎ สุวรรณมณี. เซนเซอร์และทรานสดิวเซอร์เบื้องต้น; กรุงเทพมหานคร. สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี (ไทย-ญี่ปุ่น), 2548. 5. วงพงศ์ ตั้งศรีรัตน์. เซนเซอร์และทรานสดิวเซอร์; กรุงเทพมหานคร. สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี (ไทย-ญี่ปุ่น), 2548.