โหลดเซลล์ (Load Cell) คืออะไร มีกี่ประเภท เลือกพิกัดอย่างไร และต่อเข้า PLC ได้อย่างไร
โหลดเซลล์ (Load Cell) คืออะไร มีกี่ประเภท เลือกพิกัดอย่างไร และต่อเข้า PLC ได้อย่างไร
โหลดเซลล์ (Load Cell) คือเซนเซอร์ที่แปลงน้ำหนักหรือแรงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า เป็นหัวใจของเครื่องชั่งทุกชนิด ตั้งแต่ตาชั่งในร้านค้าไปจนถึงระบบชั่งไซโลในโรงงาน บทความนี้อธิบายหลักการทำงานของโหลดเซลล์ ประเภทที่ใช้ในงานอุตสาหกรรม วิธีเลือกพิกัด และวิธีส่งค่าน้ำหนักเข้า PLC และระบบ IoT
โหลดเซลล์ คืออะไร
โหลดเซลล์คือเซนเซอร์วัดน้ำหนักและแรง ภายในมีโลหะรับแรงที่ติด สเตรนเกจ (Strain Gauge) ไว้ เมื่อมีน้ำหนักกด โลหะจะยืดหรือหดเล็กน้อย ทำให้ความต้านทานของสเตรนเกจเปลี่ยน วงจรวีทสโตนบริดจ์จะแปลงการเปลี่ยนแปลงนี้เป็นสัญญาณไฟฟ้าระดับมิลลิโวลต์ ซึ่งแปรผันตามน้ำหนักที่กระทำ
โหลดเซลล์ ทำงานอย่างไร
ภายใน Load Cell แบบสเตรนเกจ ซึ่งเป็นแบบที่ใช้มากที่สุดในงานอุตสาหกรรม มีโครงโลหะที่ออกแบบให้เสียรูปเพียงเล็กน้อยเมื่อรับแรง บนโครงโลหะนี้ติดสเตรนเกจ 4 ตัว ต่อกันเป็นวงจรวีทสโตนบริดจ์ (Wheatstone Bridge) เมื่อจ่ายแรงดันกระตุ้น (Excitation) เข้าวงจร เช่น 510 VDC เซนเซอร์จะให้สัญญาณขาออกเป็นมิลลิโวลต์ที่เพิ่มขึ้นตามน้ำหนัก
ค่าที่บอกความไวของโหลดเซลล์คือ mV/V เช่น 2 mV/V หมายความว่า เมื่อจ่ายไฟกระตุ้น 10 V และรับน้ำหนักเต็มพิกัด เซนเซอร์จะให้สัญญาณ 20 mV สัญญาณระดับนี้เล็กมาก จึงต้องใช้อุปกรณ์ขยายสัญญาณ เช่น หน้าจอแสดงผลน้ำหนัก (Weighing Indicator) หรือทรานสมิตเตอร์ Load Cell ก่อนส่งต่อให้ระบบควบคุม
ประเภทของ โหลดเซลล์ ที่ใช้ในงานอุตสาหกรรม
โหลดเซลล์แต่ละประเภทออกแบบมาให้รับแรงในทิศทางและรูปแบบการติดตั้งต่างกัน การเลือกประเภทให้ตรงกับงานสำคัญพอ ๆ กับการเลือกพิกัด
| ประเภท Load Cell | ลักษณะการรับแรง | งานที่เหมาะ |
|---|---|---|
| Single Point | รับน้ำหนักจากแท่นชั่งแผ่นเดียว วางของตรงไหนก็อ่านค่าได้ใกล้เคียงกัน | ตาชั่งดิจิทัล เครื่องชั่งตั้งโต๊ะ เครื่องบรรจุ |
| Shear Beam | คานยึดปลายด้านหนึ่ง รับแรงกดที่ปลายอีกด้าน | เครื่องชั่งพื้น (Floor Scale) ถังขนาดกลาง |
| S-Type | รูปตัว S รับได้ทั้งแรงดึงและแรงกด | ชั่งแบบแขวน ถังแขวน ทดสอบแรงดึง |
| Compression / Canister | ทรงกระบอก รับแรงกดในแนวดิ่งได้สูงมาก | เครื่องชั่งรถบรรทุก ไซโล ถังขนาดใหญ่ |
| Double Ended Shear Beam | ยึดสองปลาย รับแรงตรงกลาง ทนแรงด้านข้างได้ดี | เครื่องชั่งรถบรรทุก ถังผสม เครื่องชั่งปศุสัตว์ |
วิธีเลือกพิกัดโหลดเซลล์ให้เหมาะกับงาน
ความผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดคือการเลือกพิกัดโหลดเซลล์ไม่เหมาะ ถ้าพิกัดเล็กเกินไป ตัววัดจะรับน้ำหนักเกินจนเสียหาย ถ้าพิกัดใหญ่เกินไป ความละเอียดในการชั่งจะลดลง วิธีคำนวณเบื้องต้นมีดังนี้
สูตรคำนวณพิกัดโหลดเซลล์ต่อตัว
พิกัดต่อตัว = (น้ำหนักภาชนะเปล่า + น้ำหนักบรรจุสูงสุด) ÷ จำนวน Load Cell × ค่าเผื่อความปลอดภัย
ตัวอย่าง: ถังเปล่าหนัก 500 kg บรรจุสูงสุด 2,000 kg รองรับด้วย Load Cell 4 ตัว ใช้ค่าเผื่อ 1.5 เท่า จะได้ (500 + 2,000) ÷ 4 × 1.5 = 937.5 kg จึงควรเลือกโหลดเซลล์พิกัด 1,000 kg จำนวน 4 ตัว ค่าเผื่อที่เหมาะสมขึ้นกับแรงกระแทก การสั่นสะเทือน และแรงลมของหน้างาน
สเปกโหลดเซลล์ที่ควรตรวจสอบก่อนซื้อ
ระดับความแม่นยำ (Accuracy Class)
โหลดเซลล์สำหรับเครื่องชั่งที่ใช้ซื้อขายมักอ้างอิงมาตรฐาน OIML R60 เช่น Class C3 ส่วนงานควบคุมกระบวนการในโรงงานที่ไม่ใช้ซื้อขายอาจใช้ระดับความแม่นยำที่ต่ำกว่าได้ ช่วยลดต้นทุน
วัสดุและมาตรฐานกันน้ำ
โหลดเซลล์สแตนเลสพร้อมมาตรฐาน IP67 หรือ IP68 เหมาะกับโรงงานอาหารที่ต้องล้างด้วยน้ำบ่อย ส่วนรุ่นเหล็กกล้าชุบผิวเหมาะกับงานในร่มที่แห้ง
จำนวนสายสัญญาณ 4 สาย หรือ 6 สาย
รุ่น 6 สายมีสาย Sense เพิ่ม 2 เส้น ใช้ชดเชยแรงดันตกในสายที่ยาว เหมาะกับงานที่เดินสายไกลจากจุดชั่งไปถึงตู้ควบคุม แบบ 4 สายเหมาะกับงานที่สายสั้นและไม่ต้องการความแม่นยำสูงมาก
ต่อโหลดเซลล์เข้า PLC และระบบ IoT อย่างไร
สัญญาณมิลลิโวลต์จากโหลดเซลล์ไม่สามารถต่อเข้า PLC ได้โดยตรง ต้องผ่านอุปกรณ์แปลงสัญญาณก่อน ระบบชั่งน้ำหนักอัตโนมัติในโรงงานจึงมีลำดับการต่อดังนี้
ติดตั้งใต้ขาถัง ใต้แท่นชั่ง หรือแขวนกับโครงสร้าง ตามประเภทที่เลือก
รวมสัญญาณจาก Load Cell หลายตัวให้เป็นสัญญาณเดียว และปรับสมดุลมุม (Corner Adjustment) ให้ทุกจุดอ่านค่าเท่ากัน
ขยายสัญญาณมิลลิโวลต์ แล้วแปลงเป็นสัญญาณมาตรฐาน 4-20 mA, 0-10 V หรือ RS485 Modbus RTU
รับค่าน้ำหนักมาควบคุมกระบวนการ เช่น สั่งปิดวาล์วเมื่อเติมวัตถุดิบครบตามสูตร หรือหยุดสายพานเมื่อบรรจุถึงน้ำหนักที่กำหนด
ส่งค่าน้ำหนักขึ้น Dashboard ออนไลน์ ดูปริมาณวัตถุดิบคงเหลือในไซโลจากมือถือ บันทึกข้อมูลย้อนหลัง และแจ้งเตือนเมื่อถึงจุดสั่งซื้อ
ตัวอย่างการใช้งานโหลดเซลล์ในโรงงานและฟาร์ม
ชั่งน้ำหนักไซโลและถังเก็บ
ใช้โหลดเซลล์ใต้ขาไซโลวัดปริมาณอาหารสัตว์ ธัญพืช หรือของเหลวคงเหลือ แม่นยำกว่าการวัดระดับ เพราะไม่ขึ้นกับรูปทรงการกองของวัตถุดิบ
ระบบผสมตามสูตร (Batching)
PLC อ่านค่าน้ำหนักจาก Load Cell แล้วเติมวัตถุดิบแต่ละชนิดตามสูตรทีละรายการโดยอัตโนมัติ
เครื่องบรรจุและสายพาน
ตรวจน้ำหนักสินค้าระหว่างบรรจุ คัดแยกถุงที่น้ำหนักขาดหรือเกินออกจากสายการผลิต
ปัญหาที่พบบ่อยของโหลดเซลล์และวิธีป้องกัน
ค่าน้ำหนักลอยหรือไม่กลับศูนย์ มักเกิดจากความชื้นเข้าสายหรือตัวเซนเซอร์ ควรเลือกรุ่นที่มีมาตรฐานกันน้ำเหมาะกับหน้างาน และไม่ตัดหรือต่อสาย Load Cell เองโดยไม่จำเป็น
ค่าเพี้ยนเมื่อมีแรงด้านข้าง เกิดจากท่อหรือโครงสร้างที่ยึดติดกับถังชั่งไปดันหรือดึงถัง ควรใช้ข้อต่ออ่อน (Flexible Joint) กับท่อที่เข้าออกถัง และใช้ชุดติดตั้ง (Mounting Kit) ที่ออกแบบสำหรับ Load Cell รุ่นนั้น
โหลดเซลล์เสียหายจากแรงกระแทก เกิดจากการทิ้งของหนักลงบนแท่นชั่ง ควรเผื่อพิกัดให้เพียงพอและติดตั้งตัวกันน้ำหนักเกิน (Overload Stop)
เสียหายจากงานเชื่อม ห้ามเชื่อมไฟฟ้าบนโครงสร้างที่ติดตั้ง Load Cell อยู่ เพราะกระแสเชื่อมอาจไหลผ่านและทำลายสเตรนเกจ ควรถอดเซนเซอร์ออกหรือต่อสายดินข้ามจุดติดตั้งก่อนเชื่อม
การคาลิเบรตระบบโหลดเซลล์
หลังติดตั้งเสร็จ ต้องคาลิเบรตระบบชั่งทั้งชุดอย่างน้อย 2 จุด คือ จุดศูนย์ (Zero) เมื่อไม่มีน้ำหนัก และจุดช่วงวัด (Span) ด้วยตุ้มน้ำหนักมาตรฐานที่ทราบค่า ควรใช้ตุ้มน้ำหนักให้ใกล้เคียงน้ำหนักใช้งานจริงมากที่สุด และตรวจซ้ำตามรอบที่กำหนด โดยเฉพาะเครื่องชั่งที่ใช้ซื้อขาย ซึ่งต้องผ่านการตรวจรับรองตามกฎหมายชั่งตวงวัด
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับโหลดเซลล์
โหลดเซลล์มีหน้าที่อะไร
โหลดเซลล์ทำหน้าที่แปลงน้ำหนักหรือแรงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า เพื่อให้เครื่องชั่ง PLC หรือระบบควบคุมนำค่าไปแสดงผลและสั่งงานต่อได้
โหลดเซลล์ต่อเข้า PLC โดยตรงได้ไหม
โดยทั่วไปไม่ได้ เพราะสัญญาณเป็นมิลลิโวลต์ ต้องผ่านทรานสมิตเตอร์หรือหน้าจอแสดงผลน้ำหนักที่แปลงเป็น 4-20 mA หรือ RS485 Modbus ก่อน ยกเว้น PLC บางรุ่นที่มีโมดูลรับ Load Cell โดยเฉพาะ
ถังหนึ่งใบต้องใช้โหลดเซลล์กี่ตัว
ขึ้นกับจำนวนขาของถัง ถังที่มี 3 หรือ 4 ขามักใช้ Load Cell ตามจำนวนขา ถังขนาดเล็กที่แขวนได้อาจใช้โหลดเซลล์แบบ S-Type เพียงตัวเดียว
โหลดเซลล์มีอายุการใช้งานนานแค่ไหน
หากเลือกพิกัดเหมาะสมและไม่รับน้ำหนักเกิน ไม่โดนความชื้น และไม่ถูกกระแทก โหลดเซลล์ใช้งานได้หลายปี ปัจจัยที่ทำให้เสียก่อนเวลาส่วนใหญ่คือน้ำเข้า แรงกระแทก และงานเชื่อมใกล้จุดติดตั้ง
ต้องการระบบชั่งน้ำหนักอัตโนมัติด้วยโหลดเซลล์
E-Power ออกแบบระบบครบวงจร ตั้งแต่เลือกโหลดเซลล์และทรานสมิตเตอร์ ตู้ควบคุม PLC/HMI ไปจนถึงเชื่อมต่อ Dashboard IoT สำหรับดูปริมาณวัตถุดิบในไซโลและถังเก็บแบบ Real-time
ปรึกษาทีมวิศวกรทาง LINE
