คลังความรู้ Flow Controller
Flow Controllers
การควบคุมอัตราการไหล (Flow Control) เป็นองค์ประกอบสำคัญในกระบวนการทางชีวภาพ เคมี อาหาร และอุตสาหกรรมการผลิต รวมถึงงานด้านการวิเคราะห์ (Analytical Applications) ซึ่งในกระบวนการเหล่านี้ จำเป็นต้องมีการจ่ายของไหล (Fluids) ไม่ว่าจะเป็นก๊าซ ของเหลว หรือไอระเหย อย่างมีการควบคุมอย่างแม่นยำ
การควบคุมอัตราการไหลที่มีความแม่นยำ จะช่วยยกระดับคุณภาพของผลิตภัณฑ์ เพิ่มความเข้าใจในกระบวนการผ่านการวิเคราะห์พฤติกรรมการไหลที่แตกต่างกัน และยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการผลิตให้รวดเร็วมากยิ่งขึ้น
ท้ายที่สุด การควบคุมอัตราการไหลยังส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพด้านต้นทุนและความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ของกระบวนการ (Process Economics) ด้วยเหตุนี้ อุปกรณ์ควบคุมอัตราการไหล หรือ Flow Controllers จึงถูกนำมาใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม
Flow Controller คืออะไร
Flow Controller คืออุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุมการจ่ายสารหรือของไหลเข้าสู่กระบวนการ โดยสามารถจัดการได้ทั้งในรูปแบบก๊าซ ไอระเหย หรือของเหลว ผ่านการควบคุมอัตราการไหล (Flow Rate) ของสารนั้น ๆ ให้เป็นไปตามค่าที่กำหนด
อัตราการไหลสามารถแสดงได้ใน 2 รูปแบบ ได้แก่
Mass Flow Rate (อัตราการไหลเชิงมวล) เช่น กรัมต่อนาที
Volumetric Flow Rate (อัตราการไหลเชิงปริมาตร) เช่น ลิตรต่อชั่วโมง
อัตราการไหลเชิงมวลและเชิงปริมาตรมีความสัมพันธ์กัน โดยขึ้นอยู่กับความหนาแน่น (Density) ของสาร ซึ่งได้รับอิทธิพลจากอุณหภูมิและความดัน จึงสามารถแปลงค่าระหว่างกันได้
ในกระบวนการวิจัยและการผลิตส่วนใหญ่ การควบคุมแบบ Mass Flow มักได้รับความนิยมมากกว่า เนื่องจาก “มวล” เป็นตัวแปรที่มีความสำคัญต่อกระบวนการมากกว่าปริมาตร อย่างไรก็ตาม ผู้ใช้งานจำนวนมากยังคงคุ้นเคยกับหน่วยปริมาตร จึงเป็นที่มาของการใช้งาน Volumetric Flow Controller ในหลายแอปพลิเคชัน
Flow Controller ทำงานอย่างไร
Flow Controller คืออุปกรณ์ที่รวมการทำงานของ Flow Meter, Control Valve และ Control Firmware เข้าด้วยกันในอุปกรณ์เดียว โดย Flow Meter ทำหน้าที่วัดอัตราการไหลของสารที่จ่ายเข้าสู่กระบวนการ
เมื่อค่าอัตราการไหลที่วัดได้ (Measured Value) แตกต่างจากค่าที่ตั้งไว้ (Setpoint) ซึ่งเป็นอัตราการไหลเป้าหมาย ระบบจะสั่งให้ Control Valve เปิดหรือปิดในระดับที่เหมาะสม เพื่อปรับให้อัตราการไหลจริงเข้าใกล้และสอดคล้องกับค่า Setpoint อย่างต่อเนื่อง
เพื่อให้เห็นภาพการทำงานมากขึ้น โครงสร้างหลักของ Bronkhorst EL-FLOW mass flow controller สามารถอธิบายได้ดังนี้:
- Laminar flow element ภายในตัวอุปกรณ์ ทำหน้าที่แยกส่วนหนึ่งของของไหลไปยังเซนเซอร์
- Flow Sensor ใช้สำหรับวัดอัตราการไหลของของไหล
- Control Valve ซึ่งติดตั้งอยู่ในแนวเดียวกัน (Series) กับส่วนวัดค่า จะทำหน้าที่ปรับขนาดช่องทางการไหล โดยการเปิดหรือปิด เพื่อให้อัตราการไหลตรงกับ Setpoint
- แผงวงจร (PCB) ภายในตัวเครื่อง ทำหน้าที่ประมวลผลและควบคุมการทำงาน รวมถึงระบบ Feedback ระหว่าง Flow Meter และ Control Valve
ดูบทความเพิ่มเติม: “ควรเลือกใช้ Control Valve แบบใดสำหรับ Flow Meter?”
Control Valve สามารถเป็นส่วนหนึ่งของ Flow Controller ได้ หรือสามารถใช้งานแยกเพื่อทำงานร่วมกับ Flow Meter ได้ ขึ้นอยู่กับลักษณะของระบบและการออกแบบการควบคุม
Control Valve แบบขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetically Operated) ที่ติดตั้งแบบเชื่อมต่อโดยตรง (Direct-coupled) มีจุดเด่นคือ ตอบสนองรวดเร็ว มีต้นทุนไม่สูง และใช้พลังงานต่ำในการควบคุมการไหล
สำหรับการใช้งานที่ต้องรองรับความดัน (Pressure) และอัตราการไหล (Flow Rate) ที่สูงขึ้น สามารถเลือกใช้ Direct Valve ที่ออกแบบให้มีขนาดใหญ่ขึ้น หรือใช้วาล์วแบบ Indirect Control Valve เพื่อให้เหมาะสมกับเงื่อนไขของกระบวนการ
Flow Controllers มีกี่ประเภท
ประเภทของ Flow Controller จะขึ้นอยู่กับชนิดของ Sensor ที่ใช้ในการวัดอัตราการไหล.
Flow Controller ที่ใช้หลักการ Thermal
Flow Controller ที่ทำงานตามหลักการ thermal principle อาศัยคุณสมบัติด้านความจุความร้อน (Heat Capacity) ของก๊าซหรือของเหลวในการควบคุมอัตราการไหลเชิงมวล (Mass Flow Rate) โดย Bronkhorst มี Flow Controller ประเภทนี้หลายรุ่น ซึ่งใช้เทคนิคของ Sensor ที่แตกต่างกัน ดังนี้:
- Bypass sensor (เช่นในรุ่น EL-FLOW Select และ IN-FLOW series) เหมาะกับการใช้งานกับก๊าซที่สะอาดและแห้ง (Clean and Dry gases)
- Constant Temperature Anemometry (CTA) โดยติดตั้ง Sensor แบบ Inline ใน Main Flow (เช่นในรุ่น MASS-STREAM, MASS-VIEW และ LIQUI-FLOW series) เหมาะสำหรับงานที่ต้องการความทนทาน เช่น ก๊าซที่มีความชื้นเล็กน้อย หรือของเหลว
- MEMS chip-based sensor สำหรับการควบคุมการไหลของก๊าซ (เช่นในรุ่น FLEXI-FLOW IQ+FLOW และ IQ+ Flow) สามารถควบคุมอัตราการไหล พร้อมวัดอุณหภูมิและความดันได้ในอุปกรณ์เดียว เหมาะสำหรับการติดตั้งในพื้นที่จำกัด
Flow Controllers ที่ใช้หลักการ Coriolis
Flow controllers ที่ทำงานตามหลักการ Coriolis principle (เช่นในรุ่น mini CORI-FLOW series) ซึ่งอาศัยความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างอัตราการไหลเชิงมวล (Mass Flow Rate) และแรงเฉื่อยของของไหล (Mass Inertia)
จุดเด่นของการทำงาน คือสามารถวัดและควบคุมอัตราการไหลได้โดยไม่ขึ้นกับคุณสมบัติของของไหล (Fluid Independent) จึงเหมาะสำหรับการใช้งานกับของไหลที่มีองค์ประกอบเปลี่ยนแปลงหรือไม่ทราบแน่ชัด (Variable or Unknown Mixtures)
อีกทั้งยังไม่จำเป็นต้องแปลงค่า (Conversion) เมื่อเปลี่ยนไปใช้งานกับของเหลวชนิดอื่น ช่วยลดความซับซ้อนในการใช้งาน และเพิ่มความสะดวกในกระบวนการ
Flow Controllers ที่ใช้หลักการ Ultrasonic
Flow Controller ที่ใช้หลักการ Ultrasonic (เช่นในรุ่น ES-FLOW) โดยการใช้คลื่นเสียงในการวัดความเร็วการไหล (Flow Velocity) ของของเหลว จากนั้นนำมาคำนวณร่วมกับพื้นที่หน้าตัดภายในท่อ เพื่อให้ได้ค่าอัตราการไหลเชิงปริมาตร (Volumetric Flow Rate)
จุดเด่นของการทำงาน คือสามารถวัดการไหลได้โดยไม่ต้องมีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวภายใน (No Moving Parts) ช่วยลดการสึกหรอและเพิ่มความน่าเชื่อถือในการใช้งานระยะยาว
Flow Controllers ที่ใช้หลักการ Positive Displacement
Flow Controller ที่ทำงานด้วยหลักการ Positive Displacement สามารถพบได้ในอุปกรณ์ประเภท Gear Pump ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมอัตราการไหลเชิงปริมาตร (Volumetric Flow Controller) โดยอาศัยการหมุนของเฟืองที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ ระหว่างการทำงาน พื้นที่ว่างระหว่างฟันเฟืองที่หมุนประสานกันจะกำหนดปริมาตรของของไหลในแต่ละรอบ (Stroke Volume) และเมื่อเกิดการหมุนอย่างต่อเนื่อง จะทำให้ของไหลถูกส่งผ่านอย่างสม่ำเสมอ
จุดเด่นของการทำงาน คือสามารถควบคุมปริมาตรการไหลได้อย่างคงที่และต่อเนื่อง เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความสม่ำเสมอของการจ่ายของไหลในระบบ.
โดยสรุปแล้ว Flow Controller บางประเภทเหมาะสำหรับการใช้งานกับก๊าซโดยเฉพาะ ขณะที่บางประเภทออกแบบมาสำหรับของเหลว นอกจากนี้ยังมี Flow Controller บางชนิดที่ไม่ขึ้นกับคุณสมบัติของของไหล (Fluid Independent) ซึ่งสามารถใช้งานได้ทั้งกับก๊าซและของเหลว
ตัวอย่างการใช้งาน Flow Controller ในภาคอุตสาหกรรม
การใช้งาน Flow Controller สำหรับการจ่ายของเหลวในกระบวนการผลิตยา
สำหรับการควบคุมอัตราการไหลของของเหลวอย่างแม่นยำ ในการจ่ายสารเติมแต่ง (Liquid Additives) ภายในกระบวนการผลิตยาแบบต่อเนื่อง (Continuous Pharmaceutical Manufacturing) บริษัทชั้นนำในอุตสาหกรรมนี้ได้เลือกใช้โซลูชัน Liquid Dosing Skid แบบออกแบบเฉพาะ (Customised Solution) จาก Bronkhorst
โซลูชันดังกล่าวเป็นการผสานการทำงานระหว่าง mini CORI-FLOW Mass Flow Meter, Gear Pump และ Pressure Meter จากตระกูล IN-PRESS ทำให้สามารถควบคุมการจ่ายของเหลวได้อย่างรวดเร็ว แม่นยำ และมีความยืดหยุ่นในการใช้งานมากยิ่งขึ้น
ผลลัพธ์ที่ได้ คือกระบวนการผลิตที่มีความเสถียรและเชื่อถือได้มากขึ้น พร้อมทั้งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ
การใช้งาน Flow Controllers กับก๊าซไฮโดรเจน
ในการศึกษาการกักเก็บไฮโดรเจนในถัง Metal Hydride ศูนย์วิจัยด้านอวกาศของเยอรมนี (German Aerospace Center) ต้องการโซลูชันสำหรับการควบคุมการจ่ายก๊าซไฮโดรเจนเข้าสู่ระบบอย่างแม่นยำ
โซลูชันที่นำมาใช้คืออุปกรณ์จากตระกูล IN-FLOW Flow Meter ทำงานร่วมกับ Vary-P Valve เพื่อควบคุมการจ่ายก๊าซเข้าสู่ถังได้อย่างมีเสถียรภาพ
ในส่วนของการควบคุมความดันภายในถัง Metal Hydride ได้มีการใช้งาน Pressure Controller จาก IN-PRESS series ซึ่งทำงานร่วมกับ Vary-P Valve เพื่อควบคุมความดันให้เป็นไปตามค่าที่กำหนด
ผลลัพธ์ที่ได้ คือสามารถควบคุมทั้งอัตราการไหลและความดันของก๊าซไฮโดรเจนได้อย่างแม่นยำ ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของผลการทดลองและการวิเคราะห์
การใช้งาน Flow Controller ในกระบวนการเติมอากาศ (Aeration)
ในกระบวนการผลิตไอศกรีม การเติมอากาศ (Aeration) ถือเป็นขั้นตอนสำคัญ โดยเป็นการผสมอากาศเข้ากับส่วนผสมของของเหลวที่ประกอบด้วยวัตถุดิบต่าง ๆ เพื่อให้ได้เนื้อสัมผัสและโครงสร้างที่เหมาะสม ซึ่งไอศกรีมจำเป็นต้องมีปริมาณฟองอากาศในระดับที่ถูกต้องและสม่ำเสมอ
ผู้ผลิตเครื่องผสมแบบ Aeration จึงเลือกใช้ EL-FLOW Select Mass Flow Controller เพื่อควบคุมและจ่ายปริมาณอากาศเข้าสู่ เครื่องผสมแบบควบคุมอุณหภูมิ (Cooled Mixer) ได้อย่างแม่นยำ
ผลลัพธ์ที่ได้ คือสามารถควบคุมคุณภาพของเนื้อผลิตภัณฑ์ให้มีความสม่ำเสมอ และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการผลิต
