วิศวกรรมการวัดคุม

เสาควบคุมของกังหันไอน้ำชนิดหนึ่ง

ตัวควบคุมลมแบบ PID

แผนภาพแบบกล่องแสดงตัวควบคุมแบบ PID ในฟีดแบคลูป

วิศวกรรมการวัดคุม (อังกฤษ: instrumentation engineering) คือวิศวกรที่มีความเชี่ยวชาญด้านวิศวกรรมที่เน้นหลักการและการทำงานของ เครื่องมือวัด ที่ใช้ในการออกแบบและการกำหนดค่าของระบบอัตโนมัติในระบบไฟฟ้าและระบบนิวเมติก ฯลฯ พวกเขามักจะทำงานกับอุตสาหกรรมที่มีกระบวนการแบบอัตโนมัติเช่นในโรงงานผลิต ด้วยเป้าหมายเพื่อการปรับปรุงระบบการผลิต, ความน่าเชื่อถือ, ด้านความปลอดภัย, การเพิ่มประสิทธิภาพและความมีเสถียรภาพ ในการควบคุมพารามิเตอร์ในกระบวนการหรือในระบบเฉพาะกิจใด ๆ อุปกรณ์เช่น Microprocessor, Microcontroller หรือ Programmable Logic Controll (PLC) จะถูกนำมาใช้ แต่จุดมุ่งหมายสูงสุดของวิศวกรการวัดคุมก็คือการควบคุมพารามิเตอร์ของระบบ วิศวกรการวัดคุมปกติจะรับผิดชอบกับการบูรณาการ ตัวรับรู้ ทั้งหลายที่จะส่งสัญญาณที่ถูกบันทึกไว้, จอแสดงผลและระบบควบคุมให้ทำงานเข้าด้วยกัน วิศวกรวัดคุมอาจจะออกแบบ/ติดตั้งสายไฟและปรับแต่งสัญญาณ พวกเขาอาจจะต้องรับผิดชอบสำหรับการสอบเทียบเครื่องมือวัด, การทดสอบและการบำรุงรักษาระบบ

คำจำกัดความของการวัดคุม

พจนานุกรมภาษาอังกฤษของอ๊อกฟอร์ดระบุว่า (ตามความหมายสุดท้ายของคำว่าการวัดคุม หรือ instrumentation ไว้ดังนี้) "การออกแบบ, การก่อสร้าง, และการจัดหาเครื่องมือที่ใช้ในการวัด, การควบคุม ฯลฯ, สถานะของการนำไปติดตั้งหรือถูกควบคุมโดยเครื่องมือดังกล่าวรวมกัน" มันยังตั้งข้อสังเกตว่าการใช้คำนี้มีต้นกำเนิดในสหรัฐอเมริกาในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 การใช้งานแบบดั้งเดิมยิ่งขึ้นของคำนี้เกี่ยวข้องกับเครื่องดนตรีหรือเครื่องผ่าตัด ในขณะที่คำนี้ตามประเพณีเป็นคำนาม มันยังถูกนำมาใช้เป็นคำคุณศัพท์อีกด้วย (เช่นวิศวกรการวัดคุม (อังกฤษ: instrumentation engineer) และวงจรขยายสัญญาณการวัดคุม (อังกฤษ: instrumentation amplifier) และระบบการวัดคุม (อังกฤษ: instrumentation system)) พจนานุกรมอื่น ๆ หมายเหตุไว้ว่าเป็นคำที่พบมากที่สุดในการอธิบายถึงการวัดคุมทางการบิน, ทางวิทยาศาสตร์หรือทางอุตสาหกรรม

การวัดคุมมีสามระดับของการใช้งานแบบดั้งเดิม:

• การเฝ้าดูกระบวนการและการดำเนินงานต่าง ๆ
• การควบคุมกระบวนการและการดำเนินงานต่าง ๆ
• การวิเคราะห์การทดลองทางวิศวกรรม

ในขณะที่การใช้งานเหล่านี้จะแตกต่างกันไป แต่ในทางปฏิบัติพวกมันแตกต่างกันน้อยมาก การวัดคุมทั้งหมดอาจจะต้องมีการตัดสินใจและมีการควบคุม เช่นเจ้าของบ้านอาจมีการเปลี่ยนแปลงการตั้งค่าของเครื่องมือวัดอุณหภูมิที่เรียกว่า thermostat ในการตอบสนองต่อใบเรียกเก็บเงินค่าไฟฟ้าที่คำนวณจากเครื่องมือวัดไฟที่เรียกว่ามิเตอร์

การวัดคุมถูกจัดให้เป็นศาสตร์ทางด้านวิทยาศาสตร์ของการวัดและควบคุมของการควบคุมตัวแปรกระบวนการภายในการผลิตหรือพื้นที่การผลิต เป็นเครื่องมือที่ใช้วัดหรือควบคุมตัวแปรปริมาณกระบวนการทางกายภาพเช่น การไหล อุณหภูมิ ระดับ หรือความดัน เครื่องมือวัดประกอบด้วยหลาย ๆ สิ่งประดิษฐ์ที่แตกต่างกัน โดยสามารถเป็นเครื่องส่งสัญญาณให้วาล์วแบบง่าย ๆ และการวิเคราะห์แบบซับซ้อนเครื่องมือวัดมักจะประกอบด้วยระบบควบคุมของตัวแปรกระบวนการที่แตกต่างกัน เช่น โรงกลั่น โรงงานอุตสาหกรรม และยานพาหนะ การควบคุมกระบวนการเป็นหนึ่งในสาขาหลักของการใช้เครื่องมือวัด ตัวอย่าง smoke detector คือเครื่องมือวัดทั่วไปที่พบในบ้านของชาวตะวันตกส่วนใหญ่ เครื่องมือวัดประกอบไปด้วยอุปกรณ์ต่าง เช่น โซลินอยด์, วาล์ว, regulators, ตัวตัดวงจร และ รีเลย์ อุปกรณ์เหล่านี้จะควบคุมตัวแปรเอาต์พุต และให้ความสามารถในการควบคุมอัตโนมัติระยะไกล อุปกรณ์เหล่านี้มักจะถูกเรียกว่าอุปกรณ์ควบคุมตัวสุดท้าย เครื่องส่งสัญญาณเป็นอุปกรณ์ที่ส่งสัญญาณเอาต์พุต มักจะอยู่ในช่วงสัญญาณกระแสไฟฟ้า 4–20 mA อย่างไรก็ตามหลาย ๆ ตัวเลือกอื่น ๆ จะเป็นแรงดันไฟฟ้า, ความถี่, ความดันหรือเทคโนโลยีเครือข่ายคอมพิวเตอร์เท่าที่เป็นไปได้ สัญญาณนี้สามารถนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลหรือส่งข้อมูลไปยัง ระบบ PLC, DCS, SCADA, LabView หรือชนิดอื่น ๆ ของตัวควบคุมด้วยระบบคอมพิวเตอร์ ที่สามารถอ่านค่าได้การควบคุมเครื่องมือวัดมีบทบาทสำคัญในการรวบรวมข้อมูลจากภาคสนามและการเปลี่ยนพารามิเตอร์การปฏิบัติงาน

ประวัติวิศวกรรมการวัดคุม

องค์ประกอบของเครื่องมืออุตสาหกรรมมีประวัติศาสตร์ยาวนาน ตาชั่งสำหรับการเปรียบเทียบน้ำหนักเป็นตัวชี้ที่ง่ายต่อการระบุตำแหน่งเป็นเทคโนโลนีโบราณ หนึ่งในการวัดที่เก่าแก่ที่สุดในประวัติศาสตร์ คือนาฬิกาน้ำเก่าแก่ที่ถูกพบในหลุมฝังศพของฟาโรห์อียิปต์ Amenhotep ฝังอยู่ประมาณ 1500 ปีก่อนคริสต์ศักราช โดยคริสต์ศักราช 270 ชาวอียิปย์มีพื้นฐานของอุปกรณ์ระบบควบคุมอัตโนมัติ การใช้แรงงานสัตว์ในการกัดและนวดเมล็ด โรงสีใช้กำลังน้ำกว่า 2000 มาแล้ว ในปี 1663 Christopher Wren ได้เสนอกับสมาคมสำหรับออกแบบ weather clock สำหรับเป็น เซ็นเซอร์อุตุนิยมวิทยา โดยเครื่องไขลาน อุปกรณ์ดังกล่าวได้กลายเป็นมาตรฐานในอุตุนิยมวิทยาสองศตวรรษ ประเทศทีมีการเปิดหลีกสูตรวิศวกรรมการวัดคุม เช่น สหรัฐอเมริกา ในมหาวิทยาลัยแห่งรัฐไอดาโฮ, มหาวิทยาลัยอลาสกาแฟร์แบงค์ส, มหาวิทยาลัยแห่งรัฐบอยซี ฯลฯ ในอินเดีย เช่น มหาวิทยาลัยมุมไบ, มหาวิทยาลัยเดลี, มหาวิทยาลัยนาคปุร ฯลฯ

ประวัติวิศวกรรมการวัดคุมในประเทศไทย

ในอุตสาหกรรมต่างๆในประเทศไทย เช่น โรงกลั่นน้ำมัน โรงงาน โรงไฟฟ้า โรงปิโตรเคมี ล้วนแล้วต้องใช้ความรู้ในด้านอินสตรูเมนเตชั่น ซึ่งในขณะนั้นประเทศไทยยังขาดแคลนความรู้ในด้านนี้เป็นอย่างมาก ทางคณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง มีแนวคิดที่จะเปิดภาควิชาอื่นที่เกี่ยวข้องกับทางด้านอุตสาหกรรม จึงดำเนินการจัดทำหลักสูตรขึ้นในปี พ.ศ. 2520 เป็นหลักสูตร อุตสาหกรรมศาสตรบัณฑิต (อสบ.) ขึ้น เพื่อรองรับนักศึกษาที่จบ ปวส. (อนุปริญญา) เข้าศึกษาต่อ ซึ่งจัดตั้งโดย รศ. ประกิจ ตังติสานนท์ ในสมัยนั้นเรียกว่า ภาคเทคโนโลยีการวัดคุมทางอุตสาหกรรม ซึ่งเปิดสอนเฉพาะภาคค่ำ รศ. ประกิจ ตังติสานนท์ มอบหมายงานให้กับ รศ.กิตติ ตรีเศรษฐ์ เป็นผู้ดูแล ต่อมาได้รับอนุมัติเป็นภาควิชา และได้มีโครงการของ UNDP (United Nation Development Program) ซึ่งเป็นโครงการของสหประชาชาติ ที่จะเข้ามาช่วยเหลือ ทางด้านเครื่องมือ ผู้เชี่ยวชาญ และฝึกอบรม อาจารย์ให้มีประสบการณ์มากขึ้น ซึ่งในขณะนั้น รศ.ดร.โกศล เพ็ชร์สุวรรณ์ เป็นอธิการบดีและ รศ.กิตติ ตรีเศรษฐ์ เป็นผู้ให้การสนับสนุนเจรจาที่จะรับโครงการนี้ ช่วงดังกล่าว มีหลายสถาบันที่จะได้รับความช่วยเหลือ ซึ่ง UNDP ได้สำรวจความพร้อมในด้านบุคคลากร และด้านอื่น ๆ จนเห็นสมควรสนับสนุนสถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง และในปี พ.ศ. 2543 ได้เปลี่ยนชื่อภาคเป็น ภาควิชาวิศวกรรมการวัดคุม คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง จนถึงปัจจุบันมหาวิทยาลัยที่มีการเปิดสอนในประเทศไทย ได้แก่

• มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
• มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ
• มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร
• สถาบันเทคโนโลยีปทุมวัน
• มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลรัตนโกสินทร์ วิทยาเขตศาลายา

หลักสูตร

วิศวกรรมการวัดคุมจะมีการนำหลากหลายศาสตร์มาประยุกต์ใช้ร่วมกัน เนื้อหาที่เรียนในมหาลัยอาจจะเป็นเพียงพื้นฐานในการใช้งานจริงในอนาคตวิชาที่เรียนก็จะเรียนวิชาเช่น เนื้อหาส่วนใหญ่จะเรียนเกี่ยวกับไฟฟ้า เครื่องมือวัดและการควบคุม วิชาที่เรียน เช่น

• วงจรไฟฟ้า
• ทฤษฎีระบบควบคุม
• วาล์วควบคุมและตัวขับเคลื่อน
• อุณหพลศาสตร์
• กลศาสตร์ของไหลและเทอร์โมไดนามิกส์
• เครื่องมือวัด
• ระบบควบคุมแบบลำดับที่โปรแกรมได้
• ตัวรับรู้
• พีแอลซี
• หลักการวัดคุมทางอุตสาหกรรม
• มาตรวิทยาและการสอบเทียบ

อ้างอิง

• http://www.kmitl.ac.th/instrumentation/ เก็บถาวร 2012-01-26 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน