Proceedings FEAT7

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

7. ทดลองอปุ กรณ์ตวั ดดู ซบั การสนั่ สะเทือน

ภาพท่ี 6 แสดงเคร่อื งมอื วดั ความสนั่ สะเทอื น ภาพที่ 9 แสดตาแหน่งการตดิ ตงั้ ตวั ดดู ซบั การสนั่
การวดั ค่าความถ่ีธรรมชาติ โดยวิธีทดสอบ
จากตารางผลการการทดลองค่าความสนั่ สะเทอื น
แบบแรงดล ของรถตดั หญ้าแบบรถเขน็ หลงั ติดตงั้ อุปกรณ์ดูดซบั
ใช้เคร่ือง Sound & Vibration Analysis รุ่น โมเดลท่ี 5 โดยวัดค่าความสัน่ สะเทือน 5 ระดับ
ความเรว็ รอบ เปรยี บเทยี บกบั ความเรว็ รอบเคร่อื งตดั
DT9837 มหี น่วยเป็น mm/s/N ดงั แสดงในรปู ท่ี 7 หญ้าและตาแหน่งการตดิ ตงั้ อปุ กรณ์ดดู ซบั ทค่ี วามเรว็
รอบ 2,500 RPM เป็นความเร็วท่ีเหมาะสมในการใช้
ภาพที่ 7 แสดงเครอ่ื งมอื วดั ความถธ่ี รรมชาติ งานจริง และพิจารณาการติดตัง้ อุปกรณ์ดูดซับใน
การวดั ค่าความเรว็ ของการทดลองใช้เคร่อื ง ตาแหน่งท่ี 5 พบว่ามีค่าความสัน่ สะเทือนเท่ากับ
21.38 mm/s RMS ท่ีมกี ารสนั่ สะเทือนน้อยท่สี ุด เม่ือ
Laser Photo/contact Tachometer รุ่ น Extech เปรียบเทียบกับก่อนติดตัง้ อุปกรณ์ดูดซับลดการ
461995 มหี น่วยเป็น RPM ดงั แสดงในรปู ท่ี 8 สนั่ สะเทอื นทม่ี คี า่ ความสนั่ สะเทอื น 32.32 mm/s RMS
ทาให้ค่าความสนั่ สะเทือนในตาแหน่งหางจับลดลง
ร้อยละ 33.85 ซ่ึงสามารถลดการสัน่ สะเทือนตาม
ขอบเขตทก่ี าหนดไวไ้ ด้

ภาพที่ 8 แสดงเคร่อื งมอื วดั ความเรว็ รอบ ภาพท่ี 10 กราฟความสมั พนั ธข์ องความเรว็ รอบความ
สนั่ สะเทอื น และตาแหน่งของการตดิ ตงั้ โมเดลท่ี 5

76

8. การวิเคราะหผ์ ลการทดลอง Hz(1,054 RPM )มคี ่าแอมพรจิ ดู สงู สุดเทา่ กบั 0.0116
mm/N
จากกราฟจะเหน็ ไดว้ า่ ในการเปรยี บเทยี บรอ้ ย
ละของความสนั่ สะเทอื นในตาแหน่งท่ี 5 บรเิ วณหางจบั ความเร็วรอบของรถตัดหญ้าแบบรถเข็นท่ีเรา
แต่ละความเรว็ รอบในขณะเคร่อื งยนต์ทางานจะมีค่า สน ใจและใช้งาน จริงอยู่ใน ย่ าน ความ ถ่ี 35-50
ความสนั่ สะเทือนลดลงสูงสุดท่ีความเร็วรอบ 2,500 Hz(2,100-3,000 RPM) และเราได้เลือกท่ีความเร็ว
RPM ร้อยละ 33 แต่ท่ีความเร็วอ่ืนจะมีค่าร้อยละใน รอบท่ี 2,500 RPM (41.67 Hz)และ 2,664 RPM
การลดลงแตกต่างกัน เน่ืองจากค่าความถ่ีในการ (44.4 Hz) ใน การออกแบ บ อุป กรณ์ ดูดซับ การ
สนั่ สะเทือนมีค่าแตกต่างกนั ไปในแต่ละความเรว็ รอบ สนั่ สะเทอื นแบบไม่มตี วั หน่วง
ของเครอ่ื งยนต์ สว่ นค่าตวั เลขทเ่ี ป็นลบจะเป็นคา่ ความ
สนั่ สะเทอื นทเ่ี พมิ่ ขน้ึ เน่ืองจากค่าความสนั่ สะเทอื นไม่ เลอื กอปุ กรณ์ดูดซบั การสนั่ สะเทอื นโมเดลท่ี 5 ทม่ี ี
อยใู่ นย่านความถท่ี ก่ี าหนดไว้ ค่าความถ่ีธรรมชาติเท่ากับ 44.4 Hz(2,664 RPM)
เน่ืองจากความถน่ี ้ีไปตรงกบั ความถ่หี รอื ความเรว็ รอบ
ของเคร่ืองยนต์ของรถตัดหญ้าแบบรถเข็นในขณะ
ทางานและสามารถลดความสนั่ สะเทอื นทต่ี าแหน่งท่ี 5
ลงไดไ้ ม่น้อยกวา่ รอ้ ยละ 30

ภาพที่ 11 กราฟแสดงเปรยี บเทยี บกอ่ น-หลงั การ 10. ขอ้ เสนอแนะ
ทดสอบการสนั่ สะเทอื น
ในการศึกษาต่ออาจจะเลอื กอุปกรณ์ดูดซบั ความ
สั่น ส ะ เทื อ น แ บ บ มี ตั ว ห น่ ว ง (damper) เพ่ื อ
เปรียบเทยี บผลการลดการสนั่ สะเทือนของเคร่อื งตัด
หญา้ แบบรถเขน็ ทเ่ี กดิ นาไปการพฒั นาอุปกรณ์ดดู ซบั
การสนั่ สะเทอื นทม่ี ปี ระสทิ ธภิ าพสงู สุดและนาไปใชง้ าน
ได้จริงในอนาคต อนั จะเป็นประโยนช์ต่อการทางาน
ของเกษตรกรตอ่ ไป

9 สรปุ ผล 11. กิตติกรรมประกาศ
งานวิจัยน้ีเป็ นส่วนหน่ึงของวิทยานิพนธ์ตาม
ค่าความถ่ีธรรมชาติของโครงสร้างทัง้ หมดของ
ตวั เคร่อื งและอุปกรณ์ดดู ซบั การสนั่ สะเทอื นโดยวธิ กี าร หลักสูตรปริญญาวิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต
ท ด ส อบ แ บ บ แ รงด ล (Impact Test) ได้ ก าห น ด สาขาวิชาวิศวกรรมเมคคาทรอนิกส์ มหาวิทยาลัย
ตาแหน่งของการทดสอบไว้ 3 ตาแหน่งคอื ตาแหน่งท่ี เทคโนโลยสี ุรนารี
1 ส่วนหัว ตาแหน่งท่ี 2 ส่วนกลาง ตาแหน่งท่ี 3
ส่วนทา้ ยของเคร่อื ง ผลจากการทดสอบหาค่าความถ่ี 12. เอกสารอ้างอิง
ธรรมชาติของโครงสร้าง พบว่าบริเวณส่วนหัวท่ี Reiher, H. and Meister,F.J.1931. The effect of
ความถ่ี 11.64 Hz( 698.4 RPM )มคี ่าแอมพรจิ ดู สงู สุด vibration on people. U.S. Air Materal Command,
เท่ากับ 0.0043 mm/N บริเวณส่วนกลางท่ีความถ่ี 2(11),pp. 381-6
25.19 Hz(1,511.4 RPM)มคี ่าแอมพรจิ ดู สงู สุดเทา่ กบั
0.0079 mm/N และบรเิ วณส่วนท้ายท่ีความถ่ี 17.58

77

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

Ying, Y., L. Zhang, F. Xu and Dong M.1998.
Vibratory characteristics and hand transmitted
vibration reduction of walking tractor. Transaction
of ASAE,41(4):917-922
จิ ร ะ พ ล ศ รีเส ริฐ ผ ล . (2 5 5 6 ). MACHANICAL
VIBRATION. วิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัย
เท ค โน โล ยี สุ ร น า รี. ฉ บั บ ป รับ ป รุ ง ค รั้ง ท่ี 2 .
นครราชสมี า
รุ่งเรือง กาลศิรศิ ิลป์ และ เกียรติศักดิ ์ แสงประดษิ ฐ์.
(2552). การศึกษาค่าการสนั่ สะเทือนของเคร่อื งตัด
หญ้าวางราย, รายงานการวจิ ยั ,วศิ กรรมเคร่อื งจกั รกล
การเกษตร คณะครุ ุศาสตร์อุตศาหกรรมและเทคโนโลยี
มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยพี ระจอมเกลา้ ธนบุรี
สิริพงศ์ เอ่ืยมชัยมงคล. (2553). การศึกษาเชิง
ทดลองการลดการสนั่ สะเทือนโดยใช้ตัวดูดซับการ
สัน่ ส ะเทือน , ราย งาน การวิจัย , ม ห าวิท ย าลัย
เทคโนโลยรี าชมงคลกรุงเทพ
สุวิพงษ์ เหมะธุลิน และ ณัฐดนย์ พรรณุเจริญวงษ์.
(2561). การพัฒ นาเคร่ืองตัดใบข้าว เพ่ือลดการ
สัน่ สะเทือน , วารสารวิจัย งานประชุมวิชาการ
ระดับชาติเชิงสร้างสรรค์ ครงั้ ท่ี 2 ราชมงคลกรุงเทพ
วชิ าการ
วชิ าญ ใจสุข, วนั เฉลมิ มงั คละครี ี และจริ ะพล ศรเี สรฐิ
ผล (2564). การวิเคราะห์ความถ่ีธรรชาติของรถตดั
หญ้าแบบรถเข็นเพ่ือออกแบบอุปกรณ์ดูดซับความ
สนั่ สะเทอื น, งานประชมุ วชิ าการระดบั ชาตนิ นทรอี สี าน
ครงั้ ท่ี 9 (ออนไลย)์ มหาวทิ ยาลยั เกษตรศาสตร์ วทิ ยา
เขตเฉลมิ พระเกยี ติ จงั หวดั สกลนคร, หน้า 819-828

78

รหสั บทความ : AMA10

การศึกษาสมรรถนะเคร่อื งสบู น้าพลงั งานแสงอาทิตยข์ นาดเลก็ สาหรบั ครวั เรือน
Study on Performance of Small Solar Water Pump for Household

กติ ตยิ าพร พงคพ์ รี ะ1, ทรงสุภา พุม่ ชมุ พล1, อาไพศกั ดิ ์ ทบี ญุ มา1, อภนิ นั ต์ นามเขต1*
และประพนั ธพ์ งษ์ สมศลิ า2

1ภาควชิ าวศิ วกรรมเคร่อื งกล คณะวศิ วกรรมศาสตร์ มหาวทิ ยาลยั อุบลราชธานี
85 ถนนถลมารค์ ตาบลเมอื งศรไี ค อาเภอวารนิ ชาราบ จงั หวดั อุบลราชธานี 34190
2สาขาวศิ วกรรมเครอ่ื งกล คณะเกษตรศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน วทิ ยาเขตสรุ นิ ทร์

145 ตาบลนอกเมอื ง อาเภอเมอื งสรุ นิ ทร์ จงั หวดั สรุ นิ ทร์ 32000
*ตดิ ตอ่ : E-mail: [email protected], เบอรโ์ ทรศพั ท:์ 045-353-309, เบอรโ์ ทรสาร: 045-353-308

บทคดั ยอ่
การทาการเกษตรในพน้ื ทป่ี ระเทศไทยส่วนใหญข่ าดแคลนแหลง่ น้า ทาให้เกษตรกรเจาะบาดาลเพ่อื ใชเ้ ป็นแหลง่ น้า
ในการเพาะปลูก นอกจากนัน้ พ้ืนท่ีการเกษตรส่วนใหญ่เป็นเขตสายส่งไฟฟ้าเข้าไม่ถึง ด้วยเหตุน้ีทาให้การ
ประยุกตใ์ ชเ้ คร่อื งสูบน้าพลงั งานแสงอาทติ ยไ์ ดร้ บั ความสนใจอย่างแพร่หลาย อย่างไรกต็ ามสมรรถนะเคร่อื งสูบน้า
พลงั งานแสงอาทติ ยก์ ย็ งั คงเป็นขอ้ มลู สาคญั ทต่ี อ้ งใชใ้ นการพจิ ารณาออกแบบระบบเคร่อื งสบู น้าพลงั งานแสงอาทติ ย์
ดงั นัน้ งานวจิ ยั น้ีจงึ ได้สรา้ งชุดทดสอบสมรรถนะเคร่อื งสูบน้าพลงั งานแสงอาทติ ยแ์ บบจุ่ม มอเตอร์เคร่อื งสูบน้าใช้
ไฟฟ้ากระแสตรงขนาดกาลงั ไฟฟ้า 300W และเลอื กใช้แผงเซลลแ์ สงอาทติ ยข์ นาด 340Wp เป็นแหล่งผลติ พลงั งาน
ไฟฟ้า ความดันตกคร่อมเคร่ืองสูบน้าพลังงานแสงอาทิตย์ท่ีศึกษา ได้แก่ 10, 15 และ 20 เมตร การทดสอบ
ดาเนินการภายใต้สภาวะพลงั งานแสงอาทติ ยต์ กกระทบจรงิ ซ่งึ พลงั งานตกกระทบอยู่ระหว่าง 400-1,000W/m2
สาหรบั เกณฑ์ทใ่ี ช้ในการประเมนิ สมรรถนะระบบเคร่อื งสูบน้าพลงั งานแสงอาทติ ย์ ได้แก่ ประสทิ ธภิ าพแผงเซลล์
แสงอาทติ ย์ สดั ส่วนการผลติ กาลงั ไฟฟ้า ประสทิ ธภิ าพเคร่อื งสูบน้าพลงั งานแสงอาทติ ย์ และประสทิ ธภิ าพระบบ
เคร่อื งสูบน้าพลงั งานแสงอาทติ ย์ ผลจากทดลองพบว่า ประสทิ ธภิ าพแผงเซลล์แสงอาทติ ย์ และสดั ส่วนการผลติ
กาลงั ไฟฟ้ามคี ่าเฉลย่ี เท่ากบั 15% และ 0.64 ตามลาดบั นอกจากนัน้ ยงั พบวา่ เคร่อื งสูบน้าพลงั งานแสงอาทติ ย์และ
ระบบเครอ่ื งสบู น้าพลงั งานแสงอาทติ ยม์ ปี ระสทิ ธภิ าพอย่ใู นช่วง 22—27% และ 3.3-4.0% ตามลาดบั
คาหลกั : เคร่อื งสบู น้าพลงั งานแสงอาทติ ย;์ สมรรถนะเครอ่ื งสบู น้า; ประสทิ ธภิ าพ

Abstract
Most of the agriculture area in Thailand lacks water resources, causing farmers to drill groundwater to use
as a source of water for cultivation. In addition, most of the agricultural areas are inaccessible to electrical
transmission lines. For this reason, the application of solar water pump is widely interested. However, the
performance of the solar pump is still an importance information that must be considered for designing the
system of solar water pump. Therefore, submersible solar water pump, DC motor of 300W, was constructed
for testing its performance. Photovoltaic panel of 340Wp was selected as electrical energy source. Pressure

79

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

drop of solar water pump studied in this work were 10, 15 and 20m. The experiments were conducted
under real conditions of solar irradiance varied ranging 400-1,000 W/m2. The criteria for evaluating the
performance of solar water pump system were photovoltaic panel efficiency, electrical power ratio, efficiency
of solar water pump and efficiency of solar water pump system. It was found from experimental results that
photovoltaic panel efficiency and electrical power ratio are 15% and 0.64, respectively. Additionally, it was
also revealed that solar water pump and system of solar water pump provide the efficiency in the range of
22-27% and 3.3-4.0%, respectively.
Keywords: Solar water pump; Pump performance; Efficiency

1. บทนา เคร่ืองยน ต์ท่ีเป ล่ียน พ ลังงา น จ า กเช้ือเพ ลิง มา เป็ น
พลงั งานกลนัน้ กย็ งั มปี ระสทิ ธภิ าพทต่ี ่า รวมทงั้ ยงั สรา้ ง
ประเทศไทยมีพ้ืนท่ีเอ้ือต่อการประกอบอาชีพ มลพษิ ต่อสงิ่ แวดลอ้ ม [1-5] และก่อใหเ้ กดิ เสยี งทส่ี ร้าง
เกษตรกรรมทวั่ ทงั้ ประเทศ เป็นผลให้ประชากรส่วน ความราคาญต่อคนและสงิ่ มชี วี ติ ในระบบนิเวศน์ จาก
ใหญ่ของประเทศประกอบอาชีพท่เี ก่ยี วเน่ืองกบั การ ผลกระทบด้านต้นทุนและมลภาวะท่กี ล่าวมาข้างต้น
เกษตรกรรม ผลดีท่ีเกิดข้นึ คือทาให้ประเทศไทยมี เกษตรกรจงึ ได้เล็งเหน็ ถึงความสาคญั ของเทคโนโลยี
ความสมบูรณ์ทางอาหารมาโดยตลอด อีกทัง้ ยัง พลงั งานแสงอาทติ ย์ท่สี ามารถนามาใช้ในการเกษตร
ผลผลติ ทส่ี ามารถนาไปเป็นสนิ คา้ ส่งออก สรา้ งรายได้ เน่ืองจากประเทศไทยมีพ้นื ท่ตี งั้ อยู่ใกล้แนวเส้นศูนย์
ให้กับประเทศเป็นมูลค่ามหาศาลในแต่ละปี ปัจจัย สูตรของโลก ซ่งึ จะไดร้ บั พลงั งานแสงอาทติ ย์ค่อนขา้ ง
สาคญั ในการทาการเกษตรท่เี กษตรกรขาดไม่ได้คือ สูงตลอดทัง้ ปี และยังนับเป็ นแหล่งพลังงานท่ีมี
น้า เน่ืองจากพืชทุกประเภทต้องการน้าเพ่ือการ ศักยภาพสูงขนาดใหญ่ อีกทัง้ สามารถใช้โดยไม่มี
เจรญิ เตบิ โต อย่างไรกต็ ามในหลายพน้ื ท่ขี องประเทศ ต้นทุนด้านพลงั งานตลอดอายุการใชอ้ ุปกรณ์ รวมทงั้
ไทยยงั เป็นพน้ื ทน่ี อกเขตชลประทาน ทาใหต้ อ้ งอาศยั ไม่ก่อใหเ้ กดิ มลภาวะและเป็นมติ รกบั สง่ิ แวดล้อม ซ่งึ
เพยี งน้าฝนทม่ี ตี ามธรรมชาตใิ นการเพาะปลกู สง่ ผลให้ พลงั งานแสงอาทิตย์สามารถเปล่ยี นรูปเป็นพลังงาน
ผลผลติ ทไ่ี ดล้ ดลงและมบี างสว่ นเกดิ ความเสยี หายหรอื ไฟฟ้ าโดยผ่านเซลล์แสงอาทิตย์เพ่ือใช้เป็ นแหล่ง
เจรญิ เตบิ โตได้ไม่เตม็ ท่ี ซ่งึ ส่งผลต่อราคาท่จี าหน่าย พลงั งานสาหรบั มอเตอรข์ บั เครอ่ื งสบู น้าทางการเกษตร
จงึ ทาให้เกษตรกรพยายามหาแหล่งน้าเพ่อื ใช้สาหรบั สาหรับมอเตอร์ต้นกาลังเคร่ืองสูบน้า จาแนกได้ 2
กจิ กรรมเกษตรของตนเอง โดยมที งั้ การขดุ บ่อเพ่อื กกั หลกั ๆ ดงั น้ี [1-3 ] 1) มอเตอรไ์ ฟฟ้ากระแสตรง ซง่ึ จะ
เกบ็ น้าไวใ้ ชใ้ นช่วงฤดแู ลง้ หรอื เจาะบ่อบาดาลเพ่อื นา สามารถต่อใชง้ านกบั แผงเซลล์แสงอาทติ ย์หรอื ต่อใช้
น้าใตด้ นิ มาใชป้ ระโยชน์ จากทก่ี ล่าวมาขา้ งตน้ ยงั เป็น งานผ่านแบตเตอร่ีได้โดยตรง และ 2) มอเตอร์ไฟฟ้า
เพยี งสว่ นหน่ึงของปัญหาเท่านัน้ เกษตรกรยงั ประสบ กระแสสลบั การใชง้ านจะอาศยั กระแสไฟฟ้าจากเซลล์
ปัญหาอกี ประเดน็ คอื พน้ื ทก่ี ารเกษตรอยู่ห่างไกลจาก แสงอาทิตย์หรือแบตเตอรี ซ่ึงจะต้อง ต่อผ่ า น
ระบบสายสง่ ของการไฟฟ้า จงึ จาเป็นต้องใชเ้ ครอ่ื งสบู อินเวอร์เตอร์เพ่ือเปล่ียนจากไฟฟ้ ากระแสตรงเป็ น
น้าทม่ี ตี ้นกาลงั จากเคร่อื งยนต์ สง่ ผลใหต้ น้ ทุนในการ ไฟฟ้ากระแสสลบั ก่อนจ่ายใหก้ บั มอเตอรเ์ พอ่ื ขบั เครอ่ื ง
ผ ลิ ต สู ง ข้ึน เ น่ื อ ง จ า ก ค่ า น้ า มัน เ ช้ื อ เ พ ลิ ง ท่ี มี ร า ค า สูบน้าต่อไป ในส่วนของการพจิ ารณาเลอื กใช้เคร่ือง
ค่อนขา้ งสูงและผนั ผวน จงึ ส่งผลให้เกษตรกรมกี าไร สบู น้าใหม้ คี วามเหมาะสมกบั กจิ การของเกษตรกรนัน้
หรอื รายไดล้ ดลงตามไปดว้ ย อกี ทงั้ ประสทิ ธภิ าพของ

80

มีความสาคญั เป็นอย่างมาก เน่ืองจากรูปแบบของ ประชาชนส่วนใหญ่หนั มาเพาะปลูกพชื ผกั เพ่อื ใช้ใน

เคร่อื งสบู น้าแต่ละประเภทนัน้ จะมคี วามเหมาะสมการ การอุปโภคบริโภคในครัวเรือนและจาหน่ายหากมี

ใชง้ านในรปู แบบทแ่ี ตกต่างกนั ซง่ึ สง่ ผลต่ออายุการใช้ ปรมิ าณมากเกนิ โดยทาการเพาะปลกู ในพน้ื ทบ่ี างสว่ น

งานรวมทั้งค่าใช้จ่ายและความยากง่ายในการ ของพน้ื ทท่ี านาในช่วงหลงั ฤดกู ารเกบ็ เกย่ี ว และทาการ

บารุงรกั ษาตลอดอายุการใชง้ าน จากงานวจิ ยั ผ่านมา ขุดเจาะบาดาลเพ่ือให้เป็ นแหล่งน้ าในการ ทา

[6-9] ได้ให้ความสาคญั ของการเลอื กใช้งานเคร่อื งสูบ การเกษตร ซง่ึ เป็นพน้ื ทห่ี ่างไกลจากสายสง่ ไฟฟ้า ทา

น้าเป็นอย่างมาก เน่ืองจากจะส่งให้เกิดการใช้งาน ใหร้ ะบบสบู น้าเพ่อื การเกษตรจากพลงั งานแสงอาทติ ย์

อย่างคุ้มค่าและมีความต่อเน่ือง โดยส่วนใหญ่แล้ว กาลงั ได้รบั ความนิยมกันอย่างแพร่หลายในปัจจุบนั

เกษตรกรจะใช้น้าจากใต้ดินหรือบาดาลเป็ นหลัก ด้วยเหตุน้ี งานวิจัยน้ีจึงได้ทาการศึกษาสมรรถนะ

เน่ืองจากประหยดั พน้ื ทใ่ี ชส้ อยและค่าใชจ้ ่ายในการขดุ เคร่ืองสูบน้าพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดเล็กสาหรบั

บ่อบาดาลเมอ่ื เปรยี บเทยี บกบั การขดุ บ่อเพ่อื กกั เกบ็ น้า ครวั เรอื นเพ่อื ใชเ้ ป็นขอ้ มูลในการพัฒนาและปรบั ปรุง

จากธรรมชาติ การขดุ เจาะบาดาลในพน้ื ทก่ี ารเกษตร ระบบสูบน้าพลังงานแสงอาทิตย์เพ่ือการเกษตรให้

ส่วนใหญ่จะมคี วามลกึ ไม่น้อยกว่า 20 เมตร จงึ ทาให้ สามารถทางานไดด้ ยี งิ่ ขน้ึ

เคร่อื งสบู น้าแบบจุ่ม (Submersible pump) ถูกนามาใช้ 2. อปุ กรณ์และวิธีการทดลอง
งานกนั อยา่ งกวา้ งขวาง เน่ืองจากสามารถดดู และสง่ น้า 2.1 ชุดทดลอง
ในบ่อน้าลกึ ไดด้ ี มขี นาดเลก็ สรา้ งแรงดนั ในการส่งน้า

ได้สูง ไม่มีปัญหาการเกิดคาวเิ ตชนั ่ (Cavitation) ซ่ึง

เม่อื พจิ ารณาเปรยี บเทยี บกบั เครอ่ื งสบู น้าแบบหอยโข่ง

ทัว่ ไปท่ีสามารถสร้างแรงดันน้าได้สูงเช่นกัน แต่มี

ข้อจากัดทางด้านดูด เน่ืองจากต้องอาศัยความดัน

บรรยากาศช่วยในการยกน้าข้นึ หาเคร่อื งสูบน้า ซ่ึงมี

ขดี จากดั ประมาณ 10 เมตรเทา่ นนั้ และหากระบบทอ่ มี

ความเสียดทานรวมทัง้ ใช้งานในพ้ืนท่ีซ่ึงสูงกว่า

ระดับน้าทะเลค่อนข้างมาก อาทิเช่น พ้ืนท่ีภาค

ตะวนั ออกเฉียงเหนือ หรอื พน้ื ทส่ี ่วนใหญ่ของประเทศ รปู ที่ 1 แผนผงั ชดุ ทดสอบเคร่อื งสบู น้า
ไทย จึงทาให้เคร่ืองสูบน้าปริมาตรแทนท่ีเชิงบวก พลงั งานแสงอาทติ ยข์ นาด 300 W
(Positive displacement pump) มขี อ้ จากดั สามารถดดู

น้าลกึ ไดไ้ ม่เกนิ 8 เมตร ซ่ึงไม่เหมาะสมสาหรบั สูบน้า รูปท่ี 1 แสดงแผนผังชุดทดลองเคร่ืองสูบน้า
จากบ่อบาดาลท่มี ีระดบั น้านิ่งมากกว่า 8 เมตร ด้วย พลังงานแสงอาทิตย์ โดยมีองค์ประกอบท่ีสาคญั 3
เหตุน้ีเคร่ืองสูบน้าแบบจุ่มจึงถูกเลือกมาใช้ทดแทน ส่วน คอื 1) แผงเซลล์แสงอาทติ ย์ โดยในการทดลอง
เน่ืองจากตวั เคร่อื งสูบน้าแบบจุ่มจะถูกติดตงั้ ในระดบั ได้เลือกใช้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกรวมขนาด
เดยี วกบั ระดบั น้าหรอื ต่ากว่ากว่าระดบั น้าน่ิงไม่น้อย 340Wp 2) ชุดควบคุมและเคร่ืองสูบน้าแบบจุ่มท่ใี ช้
กว่า 2 เมตร และด้วยในสภาวะเศรษฐกิจถดถอย ไฟฟ้ากระแสตรง ขนาด 300W มคี ่าความดนั ตกคร่อม
รวมทงั้ การได้รบั ผลกระทบเน่ืองจากสถานการณ์การ สูงสุดเท่ากบั 35 เมตร และอตั ราการไหลสงู สดุ เท่ากบั
แพร่ระบาดของโรคติดเช้อื ไวรสั โคโรนา 2019 ทาให้ 3 m3/h และ 3) ส่วนสรา้ งแรงดนั ตกคร่อมเคร่อื งสบู น้า

81

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

ซ่ึงประกอบด้วยวาล์วสร้างแรงดันตกคร่อมและท่อ
PVC ซ่ึงสามารถเพ่ิมหรือลดความสูงได้โดยการต่อ
ผ่านข้อต่อแบบยูเนียน เพ่อื สร้างความดนั ตกคร่อม
เสมอื นจรงิ ใหก้ บั เครอ่ื งสบู น้าพลงั งานแสงอาทติ ย์

2.2 วิธีการทดลอง รปู ที่ 2 การเปลย่ี นรปู พลงั งาน

ส า ห รับ ก า ร ท ด ส อ บ ส ม ร ร ถ น ะ เ ค ร่ื อ ง สู บ น้ า สาหรับรายละเอียดความสัมพันธ์ท่ีใช้ในการ
พลงั งานแสงอาทติ ย์ เรมิ่ ต้นจากตดิ ตงั้ ท่อส่งน้าให้ได้ วเิ คราะหแ์ ตล่ ะพารามเิ ตอรม์ ดี งั น้ี
ความสูงตกคร่อมตามท่กี าหนด ซ่งึ ในการทดสอบได้
ปรับเปล่ียน 3 ระดับ คือ 10, 15 และ 20 เมตร ประสทิ ธภิ าพแผงเซลลแ์ สงอาทติ ย์ (Efficiency of
ตามลาดบั โดยมกี ารตดิ ตงั้ เคร่อื งวดั ความดนั เพ่อื สอบ photovoltaic panel, pv) คอื ความสามารถการแปลง
เทยี บและบนั ทกึ ค่าในระหว่างการทดลองทุกๆ 5 นาที
สาหรับพลังงานแสงอาทิตย์ตกกระทบ ได้ใช้ พลงั งานแสงอาทติ ย์เป็นพลงั งานไฟฟ้าของแผงเซลล์
แสงอาทิตย์จริง ซ่ึงเปล่ียนแปลงตามช่วงเวลาและ แสงอาทติ ย์ ซ่งึ สามารถวเิ คราะห์ได้จากสมการท่ี (1)
สภาพภูมิอากาศในแต่วนั ในการทดลองได้วดั และ [9-12]
บนั ทกึ ขอ้ มูลพลงั งานตกกระทบโดยใชไ้ พรานอมเิ ตอร์
ในส่วนของกาลงั ไฟฟ้าจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์และ pv = Ppv 100% (1)
กาลงั ไฟฟ้าทจ่ี ่ายเขา้ เคร่อื งสูบน้าวดั และบนั ทกึ ค่าโดย GA pv
ใชว้ ตั ตม์ เิ ตอร์ และสดุ ทา้ ยในสว่ นของอตั ราการไหลน้า
ถูกวดั และบนั ทกึ ทุกๆ 5 นาทเี ช่นเดยี วกบั ขอ้ มูลด้าน เม่อื pv คอื ประสทิ ธภิ าพเซลลแ์ สงอาทติ ย,์ %
อน่ื ๆ โดยตาแหน่งการตดิ ตงั้ เคร่อื งมอื วดั มรี ายละเอยี ด
ดงั แสดงในรปู ท่ี 1 นอกจากนนั้ ในการทดลองยงั ไดเ้ กบ็ Ppv คอื กาลงั ไฟฟ้าจากเซลลแ์ สงอาทติ ย,์ W
และบนั ทกึ ขอ้ มูลอุณหภูมแิ วดล้อมและอุณหภูมเิ ซลล์ G คอื พลงั งานแสงอาทติ ยต์ กกระทบ, W/m2
แ ส ง อ า ทิ ต ย์ ต ล อ ด ช่ ว ง ก า ร ท ด ล อ ง เ พ่ือ ใ ช้ ใ น ก า ร Apv คอื พน้ื ทเ่ี ซลลแ์ สงอาทติ ย,์ m2
วเิ คราะห์ผลกระทบของอุณหภูมแิ ผงเซลลแ์ สงอาทติ ย์
ทม่ี ตี ่อประสทิ ธภิ าพภายใตเ้ งอ่ื นไขสภาพแวดลอ้ มจรงิ สัดส่วนการผลิตกาลังไฟฟ้า (Electrical power
ratio, PR) คอื ความสามารถการผลติ กาลงั ไฟฟ้าจรงิ
2.2 การวิเคราะห์ข้อมลู ของแผงเซลล์แสงอาทติ ย์ต่อกาลงั ไฟฟ้าสูงสุดท่รี ะบุ
ซง่ึ สามารถวเิ คราะหไ์ ดจ้ ากสมการท่ี (2)
ขอ้ มลู ทเ่ี กบ็ และบนั ทกึ จากการทดลองจะถูกนามา
วิเคราะห์และประเมินหาค่าประสิทธิภาพแผงเซลล์ PR = Ppv (2)
แสงอาทติ ย์ สดั สว่ นการผลติ กาลงั ไฟฟ้า ประสทิ ธภิ าพ Pmax
เคร่ืองสูบน้า และประสิทธิภาพระบบสูบน้า ซ่ึงมี
แนวคดิ การวเิ คราะหใ์ นแตล่ ะสว่ นดงั รปู ท่ี 2 เมอ่ื PR คอื สดั สว่ นการผลติ กาลงั ไฟฟ้า, -

Ppv คอื กาลงั ไฟฟ้าจากเซลลแ์ สงอาทติ ย,์ W
Pmaxคอื กาลงั ไฟฟ้าระบุสงู สุดของแผงเซลล์

แสงอาทติ ย,์ W

82

ประสิทธิภาพเคร่ืองสูบน้าพลังงานแสงอาทิตย์ sys = 9,810QH 100% (6)
(Efficiency of solar water pump, )pump คื อ GA pv

ความสามารถการแปลงกาลงั ไฟฟ้าขาเขา้ เครอ่ื งสบู น้า สาหรับการทดลองในงานวิจัย กาลังไฟ้ฟ้าท่ี
ใ ห้เ ป็ น กาลังไฮดร อลิกส์ ( Hydraulic power) ซ่ึง เซลล์แสงอาทิตย์ผลติ ไดถ้ ูกจ่ายใหก้ บั มอเตอร์เคร่อื ง
สามารถวเิ คราะหไ์ ดโ้ ดยใชค้ วามสมั พนั ธต์ ามสมการท่ี สูบน้าผ่านชุดควบคุมซ่ึงเกิดการสูญเสยี น้อยมาก จึง
(3) [9-12] ทาให้กาลังไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ (Ppv) มีค่า
เท่ากบั กาลงั ไฟฟ้ามอเตอร์เคร่อื งสูบน้า (Pmotor) ดงั นัน้
pump = gQH 100% (3) จึงสามารถเขียนความสัมพันธ์ประสิทธิภาพระบบ
Pmotor เคร่อื งสูบน้าพลงั งานแสงอาทิตย์ในอีกรูปแบบได้ดัง
สมการท่ี (7)
เมอ่ื pumpคอื ประสทิ ธภิ าพเคร่อื งสบู น้าพลงั งาน
sys = pvpump (7)
แสงอาทติ ย,์ %
 คอื ความหนาแน่นน้าเทา่ กบั 1,000 kg/m3 3. ผลการทดลองและวิจารณ์
g คอื แรงโน้มถว่ งเท่ากบั 9.81 m/s2
Q คอื อตั ราการไหลน้า, m3/s จากการทดลองเพ่อื ประเมนิ ประสทิ ธภิ าพระบบ
H คอื ความดนั ตกคร่อมเคร่อื งสบู น้า, m เครอ่ื งสบู น้าพลงั งานแสงอาทติ ยแ์ บบจมุ่ ขนาด 300 W
Pmotorคอื กาลงั ไฟฟ้ามอเตอรเ์ คร่อื งสบู น้า, W สามารถนาเสนอผลการศกึ ษาในกรณีเงอ่ื นไขความดนั
ตกคร่อมเคร่อื งสูบน้า (H) เท่ากบั 15 เมตรไดด้ งั รปู ท่ี
จากความสมั พนั ธ์ขา้ งต้น สามารถเขยี นสมการท่ี 3-6
(3) ใหอ้ ย่ใู นรปู แบบอย่างงา่ ยไดด้ งั สมการท่ี (4)

pump = 9,810QH 100% (4)
Pmotor

ป ร ะ สิท ธิภ า พ ร ะ บ บ สูบ น้ า พ ลัง ง า น แ ส ง อ า ทิต ย์
(Efficiency of solar water pump system, )sys คือ

ความสามารถการแปลงกาลงั ไฟฟ้าจากแสงอาทติ ยใ์ ห้
เ ป็ น กา ลังไฮ ดรอลิกส์ ซ่ึงวิเ คร า ะ ห์ได้โดยใช้
ความสมั พนั ธต์ ามสมการท่ี (5) [9,10]

sys = gQH 100% (5) รปู ที่ 3 ขอ้ มลู พลงั งานแสงอาทติ ยต์ กกระทบ อุณหภมู ิ
GA pv เซลลแ์ สงอาทติ ยแ์ ละอุณหภมู แิ วดลอ้ ม
ทเ่ี งอ่ื นไข H เท่ากบั 15 เมตร
เมอ่ื sysคอื ประสทิ ธภิ าพระบบสบู น้าพลงั งาน
แสงอาทติ ย,์ % รูปท่ี 3 นาเสนอขอ้ มูลการทดลองภายใต้เง่อื นไข
H เทา่ กบั 15 เมตรหรอื 1.47 Bar ในวนั ทาการทดลอง
สมการท่ี (5) สามารถเขยี นความสมั พนั ธใ์ หอ้ ยใู่ น สภาพท้องฟ้าแจ่มใส ดังนัน้ พลงั งานแสงอาทิตย์ตก
รปู สมการท่ี (6) กระทบจึงเปล่ยี นตามช่วงเวลาในลกั ษณะระฆงั คว่า

83

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

โดยมคี ่าสูงสุดอยู่ในช่วงเวลา 12:00-13:00 น. และมี จากการทดลองยงั พบว่าประสทิ ธภิ าพแผงเซลล์
พลงั งานแสงอาทติ ยต์ กกระทบเฉลย่ี ในช่วงการทดลอง แสงอาทิตย์ท่ีใช้มีค่าเฉล่ียประมาณ 15% และเม่ือ
เท่ากับ 848 W/m2 อุณหภูมิแวดล้อมและอุณหภูมิ วิเคราะห์ข้อมูลเพม่ิ เดมิ ในประเด็นกาลงั ไฟฟ้าท่แี ผง
เซลลแ์ สงอาทติ ยเ์ ฉลย่ี เทา่ กบั 31 และ 45๐C ตามลาดบั เซลล์แสงอาทิตย์ผลิต ได้จริง ต่ อ กาลัง ไฟฟ้ า อ้า ง อิง
(กาลังไฟฟ้ าท่ีระบุใน name plate ของแผงเซลล์
จากข้อมูลท่ีแสดงในรูปท่ี 3 เม่ือนาไปวิเคราะห์ แสงอาทิตย์ เท่ากับ 340Wp) พบว่ามีค่าสดั ส่วนการ
ประสทิ ธภิ าพแผงเซลล์แสงอาทิตย์ พบว่ามแี นวโน้ม ผลติ กาลงั ไฟฟ้า (PR) เปลย่ี นแปลงอยู่ระหว่าง 0.43-
การเปลย่ี นประสทิ ธภิ าพดงั แสดงในรูปท่ี 4 จากขอ้ มลู 0.74 ดังแสดงในรูปท่ี 5 จากข้อมูลยังพบว่ามีการ
จะสงั เกตเห็นได้อย่างชดั คือ เม่ืออุณหภูมิแผงเซลล์ เปลย่ี นค่อนขา้ งน้อยในช่วงเวลา 11:00 -13:30 น. ซ่งึ
แสงอาทิตย์เพ่ิมข้ึน (ช่วงเวลา 11:00-14:00น.) จะ เป็นช่วงเวลาทพ่ี ลงั งานตกกระทบเฉลย่ี ค่อนสูง (950
สง่ ผลใหป้ ระสทิ ธภิ าพลดลง ซง่ึ สอดคลอ้ งกบั งานวจิ ยั ท่ี W/m2) สง่ ผลให้ PR ไม่ลดลงตามการเปลย่ี นแปลงของ
ผา่ นมา [9-11] ประสทิ ธภิ าพแผงเซลล์แสงอาทติ ย์ และพบว่า PR มี
คา่ เฉลย่ี ประมาณ 0.64
รปู ท่ี 4 ประสทิ ธภิ าพเซลลแ์ สงอาทติ ย์ อุณหภมู เิ ซลล์
แสงอาทติ ยแ์ ละอุณหภมู แิ วดลอ้ ม รูปท่ี 6 นาเสนอประสทิ ธภิ าพเซลล์แสงอาทิตย์
ทเ่ี งอ่ื นไข H เทา่ กบั 15 เมตร เคร่ืองสูบน้าพลังงานแสงอาทิตย์ และระบบสูบน้า
พ ลัง ง า น แ ส ง อ า ทิต ย์ จ า ก ก า ร ท ด ล อ ง พ บ ว่ า
ประสิทธิภาพแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ประสิทธิภาพ
เคร่อื งสูบน้า และประสทิ ธภิ าพระบบสูบน้าพลังงาน
แสงอาทิตย์มีค่าเฉล่ียเท่ากับ 15%, 27% และ 4%
ตามลาดบั โดยพบวา่ ในชว่ งทป่ี ระสทิ ธภิ าพระบบมกี าร
เปล่ียนแปลงค่อนข้างน้อย คือ ช่วงเวลา 10:00 –
14:30 น. ซง่ึ มคี า่ เฉลย่ี เทา่ กบั 5%

รปู ท่ี 5 ประสทิ ธภิ าพเซลลแ์ สงอาทติ ย์ และสดั สว่ นการ รปู ท่ี 6 ประสทิ ธภิ าพเซลลแ์ สงอาทติ ย์ เคร่อื งสบู น้า
ผลติ กาลงั ไฟฟ้าของแผลเซลลแ์ สงอาทติ ย์ และระบบสบู น้าพลงั งานแสงอาทติ ย์
ทเ่ี งอ่ื นไข H เท่ากบั 15 เมตร ทเ่ี งอ่ื นไข H เทา่ กบั 15 เมตร

84

กรณีความดนั ตกคร่อมเท่ากบั 20 เมตร ซ่งึ ปัจจยั ทท่ี า

ให้ประสิทธิภาพระบบต่ากว่าเง่อื นไขอ่ืนก็เน่ืองจาก

ระบบจะเรมิ่ สบู และสง่ น้าไดเ้ ม่อื มพี ลงั งานแสงอาทติ ย์
ตกกระทบมากกว่า 600 W/m2 ดงั ขอ้ มูลทแ่ี สดงในรปู

ท่ี 7 และจากการทดลองพบวา่ ประสทิ ธภิ าพแผงเซลล์

แสงอาทติ ย์ และสดั สว่ นการผลติ กาลงั ไฟฟ้ามคี ่าเฉลย่ี

เท่ากบั 15% และ 0.64 ตามลาดบั โดยเคร่อื งสูบน้า

พลงั งานแสงอาทิตย์และระบบเคร่ืองสูบน้าพลงั งาน

รปู ท่ี 7 ความสมั พนั ธร์ ะหว่างพลงั งานแสงอาทติ ยต์ ก แสงอาทติ ย์มปี ระสทิ ธภิ าพอยู่ในช่วง 22—27% และ
3.3-4.0% ตามลาดบั

กระทบและอตั ราการสบู น้าทแ่ี ต่ละความดนั ตกครอ่ ม ตารางท่ี 1 ขอ้ มลู สรุปผลการวเิ คราะห์แตล่ ะเงอ่ื นไข

ผลจากการทดลองเกบ็ ขอ้ มลู อตั ราการสบู น้าทแ่ี ต่ รายการ ความดนั ตกครอ่ ม H,
ละความดันตกคร่อม เม่ือพลังงานแสงอาทิตย์ตก เมตร
กระทบเปลย่ี นแปลง สามารถนาเสนอขอ้ มลู ไดด้ งั รปู ท่ี พลงั งานแสงอาทติ ยต์ กกระทบ
7 จากขอ้ มลู พบว่า ทค่ี วามดนั ตกคร่อมเทา่ กบั 20, 15 เฉลย่ี (G), W/m2 10 15 20
และ 10 เมตร ระบบสูบน้าพลงั งานแสงอาทิตย์จะมี อุณหภูมแิ วดลอ้ มเฉลย่ี (Tamb), ๐C 845 848 850
อัต ร า ก า ร สู ง สุ ด เ ท่ า กับ 1.0, 1.8 แ ล ะ 2.1 m3/h อณุ หภมู เิ ซลลแ์ สงอาทติ ยเ์ ฉลย่ี
ตามลาดบั ซ่ึงเกิดข้นึ ในช่วงพลงั งานแสงอาทิตย์ตก (Tpv), ๐C 32 31 33
กระทบระหว่าง 900-1,000 W/m2 นอกจากนัน้ ยัง ประสทิ ธภิ าพแผงเซลลแ์ สงอาทติ ย์ 45 45 46
พบว่า ท่แี ต่ละความดนั ตกคร่อมระบบจะเริม่ ทางาน เฉลย่ี ( pv ), %
หรอื ส่งน้าได้ท่คี ่าพลงั งานตกกระทบแตกต่างกนั เช่น สดั สว่ นการผลติ กาลงั ไฟฟ้าเฉลย่ี 15 15 15
ทค่ี วามดนั ตกครอ่ ม H เท่ากบั 20 และ 15 เมตร ระบบ (PR), -
จ ะ ส า ม า ร ถ ส่ ง น้ า ไ ด้ เ ม่ือ มีพ ลัง ง า น ต ก แ ผ ง เ ซ ล ล์ ประสทิ ธภิ าพเคร่อื งสบู น้าพลงั งาน 0.64 0.64 0.64
แสงอาทติ ย์ประมาณ 600 และ 450 W/m2 ตามลาดบั แสงอาทติ ยเ์ ฉลย่ี ( pump ), %
และเม่ือพิจารณาท่ีพลังงานแสงอาทิตย์ตกกระทบ ประสทิ ธภิ าพระบบสบู น้าพลงั งาน 26 27 22
เท่ากนั จะพบว่า ระบบจะมอี ตั ราการสูบน้าเพมิ่ สูงขน้ึ แสงอาทติ ยเ์ ฉลย่ี ( sys ), %
3.9 4.0 3.3

เม่ือความดันตกคร่อมลดลง ซ่ึงสอดคล้องตาม 4. สรปุ ผล
ค ว า ม สัม พัน ธ์ ข อ ง ส ม ก า ร ก า ลัง ไ ฮ ด ร อ ลิ ก ส์ แ ล ะ
สอดคลอ้ งกบั งานวจิ ยั ท่ผี ่านมา[8,9] ในส่วนของขอ้ มลู งานวจิ ยั น้ีไดส้ รา้ งชุดทดสอบระบบสบู น้าพลงั งาน
ทแ่ี สดงในตารางท่ี 1 ไดส้ รุปผลการวเิ คราะหภ์ าพรวม แสงอาทติ ยข์ นาดกาลงั ไฟฟ้าเคร่อื งสบู น้า 300 W เป็น
ของระบบในแต่ละเง่อื นไข ข้อมูลในตารางท่ี 1 ได้ เคร่อื งสูบน้าชนิดจุ่ม ใช้กาลงั ไฟฟ้ากระแสตรงท่ีผลิต
เลอื กเง่อื นไขสภาพสงิ่ แวดลอ้ มทใ่ี กลเ้ คยี งกนั มากทส่ี ุด จากแผงเซลลแ์ สงอาทติ ยข์ นาด 340 Wp ในการศกึ ษา
เพ่อื นาข้อมูลมาวิเคราะห์เปรียบเทียบแสดงผลการ ได้ทดลองเพ่ือหาประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์
วเิ คราะห์ภาพรวมในแต่ละเง่อื นไข จากขอ้ มูลทส่ี รุป สดั สว่ นการผลติ กาลงั ไฟฟ้า ประสทิ ธภิ าพเคร่อื งสูบน้า
ในตารางจะพบว่า เงอ่ื นไขทม่ี ปี ระสทิ ธภิ าพต่าทส่ี ดุ คอื และประสทิ ธภิ าพระบบสบู น้าพลงั งานแสงอาทติ ย์ ผล
จากการทดลองพบว่า ระบบเคร่ืองสูบน้าพลังงาน

85

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

แสงอาทิตย์สามารถสูบน้าได้สูงเท่ากับ2.1 m3/h ท่ี pumping system, IJSRD - International Journal for
ความดนั ตกคร่อมเท่ากบั 10 เมตร นอกจากนัน้ ยงั Scientific Research & Development, vol. 5(1),
พบว่า ประสทิ ธภิ าพแผงเซลลแ์ สงอาทติ ย์ และสดั สว่ น pp.1042-1045.
การผลิตกาลังไฟฟ้ามีค่าเฉล่ียประมาณ 15% และ [6] Kedar, M. and Robin, R. (2017). Design and
0.64 ตามลาดบั โดยเครอ่ื งสบู น้าพลงั งานแสงอาทติ ย์ development of solar water pump, International
และระบบเคร่ืองสูบน้ าพลังงานแสงอาทิตย์มี Journal of Mechanical and Production Engineering,
ประสิทธิภาพอยู่ในช่วง 22—27% และ 3.3-4.0% vol. 5(4), pp.126-129.
ตามลาดบั [7] Said, M.A.I., El-Ghetanyb, H.H. and Shabaka,
A.G.M. (2020). Comprehensive design tool for
5. กิตติกรรมประกาศ sizing solar water pumping system in Egypt,
ขอขอบคุณ ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล คณะ Applied Solar Energy, vol. 56(1), pp.18–29.
วิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี ท่ี [8] Ben, G.B. (2012). Performance of submersible
สนบั สนุนทนุ และอปุ กรณ์ในการวจิ ยั ในครงั้ น้ี
PV water pumping systems in Tunisia, Energy for
6. เอกสารอ้างอิง
[1] Shrey, V., Shubham, M.., Subhankar, C., Ambar, Sustainable Development, vol.16(4), pp.415-420.
G., Subhashree, M., Archana, S. and Puneet, V.
(2021). Solar PV powered water pumping system [9] Korpalea, V.S., Kokatea, D.H. and Deshmukha,
– A review, Materials Today: Proceedings, pp. S.P. (2016). Performance assessment of solar
5601-5606. agricultural water pumping system, Energy
[2] Olga, V.S., Alexander, T.B. and Sergei, V.C. Procedia, vol. 90, pp.518–524.
(2020). Review of photovoltaic water pumping [10] Ahmed, M., Djamila, R. and Nabil, M. (2013).
system research, Energy Reports, vol. 6(6), pp. Experimental study of a PV water pumping system,
306-324. Journal Electrical Systems, vol. 9(2), pp.212-222.
[3] Shinde, V.B. and Wandre, S.S. (2015). Solar [11] Ibrahim, S.M.A., El-Ghetany, H.H. and
photovoltaic water pumping system for irrigation: A Shabak, A.G.M. (2018). Mathematical modeling
review, African Journal of Agricultural Research, and performance evaluation for a solar water
vol. 10(22), pp. 2267-2273. pumping system in Egypt, Journal of Al Azhar
[4] Kala, M., Sadru, l. and Steven, B. (2008). Solar University Engineering Sector, vol. 13(48), pp.946-
photovoltaic water pumping—opportunities and 957.
challenges, Renewable and Sustainable Energy [12] Allouhi, A., Buker, M.S., El-houari, H., Boharb,
Reviews, vol. 12(4), pp. 1162-1175. A., Benzakour, M.A, Kousksou, T. and Jamil, A.
[5] Mangesh, R.D., Vaibhav, S.G., Chetan, P.P. (2019). PV water pumping systems for domestic
(2017). Review on solar photovoltaic water uses in remote areas: sizing process, simulation
and economic evaluation, Renewable Energy,
vol.132, pp.798-812.

86

รหสั บทความ : AMA11

การศึกษาสมรรถนะเคร่อื งอบแห้งปัม๊ ความรอ้ นที่ใช้สารทาความเยน็ ชนิด R32

Study on performance of heat pump dryer using R32 refrigerant

ประพนั ธพ์ งษ์ สมศลิ า, ทรงสุภา พมุ่ ชมุ พล, ชาครติ โพธงิ์ าม, อาไพศกั ดิ ์ ทบี ุญมา และอภนิ นั ต์ นามเขต*

ภาควชิ าวศิ วกรรมเครอ่ื งกล คณะวศิ วกรรมศาสตร์ มหาวทิ ยาลยั อุบลราชธานี
85 ถนนถลมารค์ ตาบลเมอื งศรไี ค อาเภอวารนิ ชาราบ จงั หวดั อบุ ลราชธานี 34190
*ตดิ ตอ่ : E-mail: [email protected], เบอรโ์ ทรศพั ท:์ 045-353-309, เบอรโ์ ทรสาร: 045-353-308

บทคดั ยอ่
การอบแหง้ เป็นกระบวนการลดความชน้ื ผลติ ภณั ฑเ์ พอ่ื ยดื อายุการเกบ็ รกั ษาและสรา้ งมลู คา่ เพม่ิ ซง่ึ เป็นทท่ี ราบกนั ดี
วา่ กระบวนการอบแหง้ การใชพ้ ลงั งานคอ่ นขา้ งสงู ดงั นนั้ การพฒั นาเทคนิคการอบแหง้ ใหป้ ระหยดั พลงั งานจงึ มคี วาม
จาเป็น ดว้ ยเหตุน้ีงานวจิ ยั น้ีจงึ ไดศ้ กึ ษาเทคนิคการอบแหง้ ดว้ ยปัม๊ ความรอ้ น ซง่ึ ในการศกึ ษาไดส้ รา้ งเคร่อื งอบแหง้
ปัม๊ ความร้อนท่ใี ชส้ ารทาความเยน็ R32 เพ่อื ประเมนิ สมรรถนะและไดเ้ ลอื กใชก้ ลว้ ยเป็นผลติ ภณั ฑใ์ นการทดสอบ
โดยทดลองภายใต้เง่อื นไขดงั น้ี อุณหภูมอิ บแห้งเท่ากบั 50, 55 และ 60๐C และความเรว็ ลมเท่ากบั 1.0, 1.5 และ
2.0 m/s ซ่ึงมีเกณฑ์ท่ีใช้ในการประเมินสมรรถนะเคร่ืองอบแห้งปัม๊ ความร้อน ได้แก่ อตั ราการอบแห้ง ความ
ส้นิ เปลอื งพลงั งานจาเพาะ อตั ราการดงึ ออกน้าจาเพาะ และค่าสมั ประสทิ ธสิ์ มรรถนะปัม๊ ความรอ้ น ผลการศกึ ษา
พบว่า การเพม่ิ อุณหภูมอิ บแหง้ และความเรว็ ลมมผี ลทาใหอ้ ตั ราการอบแหง้ และอตั ราการระเหยน้าจาเพาะเพมิ่ ขน้ึ
ในขณะท่คี วามส้นิ เปลอื งพลงั งานจาเพาะลดลง นอกจากน้ี ยงั พบว่าอุณหภูมอิ บแหง้ และความเรว็ ลมไม่มีผลต่อ
สมั ประสทิ ธสิ์ มรรถนะปัม๊ ความรอ้ น และสุดทา้ ยจากการทดลองพบวา่ สมั ประสทิ ธสิ์ มรรถนะปัม๊ ความรอ้ นทศ่ี กึ ษามี
ค่าอย่ใู นชว่ ง 4.24-4.45
คาหลกั : การอบแหง้ ; เคร่อื งอบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ น; สารทาความเยน็ R32

Abstract
Drying is process of reduce moisture content of the product to shelf life long and increasing product value
It is well known that energy consumption of drying is rather high. Therefore, development of drying technique
for energy saving is necessary. For this reason, heat pump drying techniques was investigated in this
research. Heat pump dryer using R32 refrigerant, in this study, was constructed for evaluating it performance
and banana was selected as testing product. The experiments were conducted under the following
conditions: dying temperature of 50, 55 and 60֯ C and air velocity of 1.0, 1.5 and 2.0 m/s. The criteria used
to evaluate the performance heat pump dryer consisting of drying rate, specific energy consumption, specific
moisture extraction rate and coefficient of performance of heat pump. It was from form the experiment
results that increment of drying temperature and air velocity result in increment of drying rate and specific
moisture extraction rate, whereas, decrement of specific energy consumption. Moreover, it was also found

87

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

that drying temperature and air velocity did not affect significantly on coefficient of performance of heat
pump. Finally, it was revealed from the experimental results that coefficient of performance of heat pump
show in the range of 4.24-4.45.
Keywords: Drying; Heat Pump Dyer; Refrigerant R32

1. บทนา กลางคืน หรือช่วงท่ีไม่มีแสงอาทิตย์เป็ นต้น การ
อบแห้งด้วยเคร่ืองอบแห้งจึงถือเป็ นแนวทางการ
กลว้ ยเป็นผลไมท้ ม่ี คี นปลูกกนั มาก และมกี ารบรโิ ภค แก้ปัญหาน้ีได้เป็ นอย่างดี สาหรับการอบแห้งด้วย
กนั มากเป็นอนั ดบั หน่งึ ของทกุ ประเทศ สาหรบั ประเทศ เคร่ืองอบแห้งมีด้วยกันในหลายวิธีเช่น การอบแห้ง
ไทยมพี ้นื ทเ่ี พาะปลูกกล้วยน้าว้าในประเทศประมาณ ดว้ ยรงั สอี นิ ฟราเรด การอบแหง้ ดว้ ยไอน้ารอ้ นยวดยิ่ง
455,929 ไร่ สามารถผลิตออกสู่ตลาดได้ตลอดทัง้ ปี การอบแห้งด้วยฮีตเตอร์ไฟฟ้ า การอบแห้งด้วย
ผลผลิต 1,115,101 ตันต่อปี ปัจจุบันประเทศไทย สุญญากาศ และการอบแหง้ ดว้ ยปัม๊ ความรอ้ น เป็นตน้
ส่งออกสนิ คา้ กล้วยเป็นอนั ดบั ท่ี 2 ของอาเซียน (รอง โดยเป็นท่ที ราบกนั ดวี ่ากระบวนการอบแห้งมกี ารใช้
จากฟิลิปปินส์) และเป็นอันดับ 18 ของโลก ตลาด พลงั งานค่อนข้างสูง [1] อย่างไรก็ตามก็ได้มีนักวิจยั
ส่งออกสาคญั ได้แก่ จนี ญ่ีปุ่น และอาเซียน สาหรบั ท า ก า ร ศึ ก ษ า แ ล ะ ท ด ส อ บ เ ท ค นิ ค ก า ร อ บ แ ห้ ง ท่ี มี
ประโยชน์และสรรพคุณกล้วยน้าว้า ใช้เป็ นยาใน ประสทิ ธภิ าพการใชพ้ ลงั งานใหไ้ ดใ้ นระดบั สงู พร้อมกบั
รูปแบบของผงสาหรบั ชงด่มื และผลติ เป็นเมด็ สาหรบั การได้มาซ่ึงผลิตภัณฑ์หลังการอบแห้งท่ีมีคุณภาพ
รบั ประทานเพ่อื รกั ษาอาการของผทู้ ม่ี อี จุ จาระแขง็ หรอื ดว้ ยเช่นกนั เช่น การศกึ ษาการอบแห้งดว้ ยปัม๊ ความ
เป็นรดิ สดี วงทวาร ลดปัญหาการเกดิ มะเรง็ ลาไส้ ช่วย รอ้ นมรี ายละเอยี ดดงั ต่อไปน้ี Wang et al.,[2] ไดศ้ กึ ษา
ยบั ยงั้ การหลงั่ น้าย่อยในกระเพาะอาหาร รกั ษาอาการ เคร่อื งอบแห้งปัม๊ ความร้อนในงานอุตสาหกรรมด้วย
ทอ้ งเสยี บดิ มกู เลอื ด ลดระดบั คอเลสเตอรอล ช่วยลด สารทาความเยน็ R134a ประกอบกบั การนาความรอ้ น
น้าหนัก ซ่งึ ถอื ได้ว่าเป็นแนวทางท่จี ะช่วยใหส้ ามารถ กลบั มาใชใ้ หมด่ ว้ ยเครอ่ื งแลกเปลย่ี นความรอ้ น Levent
เพิ่มมูลค่าให้กับกล้วยน้ าว้าได้เป็ นอย่างมาก et al.,[3] ศึกษาการใช้สารทาความเย็น R410a ใน
นอกจากนัน้ ยังสามารถนาผงแป้งท่ีผลิตจากกล้วย เคร่อื งอบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ นสามารถลดการใชพ้ ลงั งาน
น้าว้ามาใช้สาหรบั การทาผลิตภณั ฑ์อาหารเส้น เช่น ได้มากถึง 51% และระยะเวลาการอบแห้ง 69%
เส้นพาสต้า รวมทงั้ สูตรผลติ ภัณฑ์ท่ีได้ไปพฒั นาต่อ นอกจากน้ยี งั มกี ารศกึ ษาปัม๊ ความรอ้ นรว่ มกบั พลงั งาน
ยอดเพ่ือใช้ในอาหารสาหรบั การบาบัดโรคในกลุ่ม แสงอาทิตย์ประกอบด้วย [4] ต่อมา Niklas et al.,[5]
ผู้ป่ วยต่างๆ ด้วยเช่นกนั แต่กระบวนการผลติ กล้วย ศกึ ษาการอบแห้งดว้ ยปัม๊ ความร้อนท่ใี ชส้ ารทาความ
น้าว้าตากแห้งเพ่อื ใช้สาหรบั เป็นวตั ถุดิบในการผลิต เย็น R744 ผนวกกบั การออกแบบระบบแลกเปล่ยี น
กล้วยน้าว้าผงนัน้ ในปัจจุบันเกษตรกรยงั คงใช้การ ความรอ้ นใหม่ ผลทไ่ี ดส้ ามารถลดใชพ้ ลงั งานได้ 7.2%
ตากแดดด้วยแสงอาทิตย์เป็ นส่วนมาก ก่อให้เกิด Quancheng et al.,[6] ได้ศึกษาออกแบบท่อการไหล
ปั ญ ห า ค ว า ม ไ ม่ ส ะ อ า ด ห รือ มีส่ิง ส ก ป ร ก ป ะ ป น ใ น อากาศระบบปิดใหม่ และมีการใช้สารทาความเย็น
ผลิตภัณฑ์ ประกอบกบั ไม่สามารถควบคุมคุณภาพ R134a ผลท่ีได้สามารถลดการใช้พลังงานได้มาก
ของกลว้ ยน้าวา้ ตากแหง้ ได้ เน่ืองดว้ ยจาเป็นต้องอาศยั Rony et al.,[7] ศึกษาการใช้ CO2 และ R134a ใน
พ ลัง ง า น แ ส ง อ า ทิต ย์ท่ีป ร ะ ส บ ปั ญ ห า ใ น ช่ ว ง เ ว ล า

88

เคร่ืองอบแห้งแบบปัม๊ ความร้อน สามารถเพ่ิมอัตรา การใช้สารทาความเยน็ ในเคร่อื งอบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ น

การระเหยน้าจาเพาะ (SMER) และ COP ได้ 13% ชนิด R32 ใหค้ ่าอตั ราการดงึ น้าออกจาเพาะสูงสดุ และ

แ ล ะ 8% ต า ม ล า ดับ Akhilesh et al.,[8] ศึก ษ า สงู กวา่ สารทาความเยน็ R134a ถงึ 8%

เปรยี บเทยี บผลของการอบแหง้ ดว้ ยปัม๊ ความรอ้ นกรณี จากงานวิจัยท่ีผ่านมาพบว่า การศึกษา

ใช้และไม่ใชพ้ ลงั งานแสงอาทติ ย์ช่วยโดยมกี ารใชส้ าร สมรรถนะเคร่อื งอบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ นทม่ี กี ารใชส้ ารทา

ทาความเยน็ R134a Kuan et al.,[9] ศกึ ษาในลกั ษณะ ความเยน็ R32 ยงั คงมจี านวนน้อย ดงั นนั้ งานวจิ ยั น้ีจงึ

คลา้ ยกนั กบั Akhileash et al.,[8] โดยใชช้ ุดแสงอาทติ ย์ มวี ตั ถุประสงค์เพ่อื ศกึ ษาและทดสอบสมรรถนะเคร่อื ง

ช่วย และใชส้ ารทาความเยน็ R134a เช่นกนั จากการ อบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ นท่มี กี ารใชส้ ารทาความเยน็ R32

ทดลองได้อตั ราการดึงน้าออกจาเพาะ (SMER) และ ซ่ึงถือได้ว่ามีค่า GWP ต่าเม่ือเทียบกับสารทาความ

COP ประมาณ 0.6 kg/kWh และ 2.72 ตามลาดับ เยน็ อ่นื ทม่ี ใี ชอ้ ย่ใู นปัจจุบนั โดยเลอื กใชก้ ลว้ ยน้าวา้ ดบิ

นอกจากนัน้ ยงั มกี ารศกึ ษาเคร่อื งอบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ น แก่เต็มท่เี ป็นผลิตภณั ฑ์ท่ใี ช้ในการทดสอบพร้อมกับ

[10,11,12] จากงานวจิ ยั ทผ่ี า่ นมาพบวา่ สว่ นใหญเ่ คร่อื ง ทาการศกึ ษาคุณสมบตั ขิ องผลติ ภณั ฑห์ ลงั การอบแหง้

อบแห้งปัม๊ ความร้อนจะมีการใช้สารทาความเย็นท่ี ดว้ ยเช่นกนั

ก่อให้เกิดปัญหาภาวะโลกร้อนสูง (Global Warming 2. อปุ กรณ์และวิธีการทดลอง
Potential, GPW) เ ช่ น R22 R134a R407C แ ล ะ
R410a ซง่ึ มคี า่ GWP เทา่ กบั 1,810 1,430 และ 1,774 2.1 ชุดทดลอง
และ 2,090 ตามลาดับ [13] ปัจจุบันได้มีการสารทา
ความเยน็ ทก่ี ่อใหเ้ กดิ ภาวะโลกรอ้ นต่านนั้ คอื คา่ GWP ชุดทดลองเคร่อื งอบแห้งปัม๊ ความรอ้ นท่ใี ชใ้ นการ
เท่ากบั 675 นัน้ คือสารทาความเย็นชนิด R32 ซ่ึงท่ี ทดลองสามารถแสดงได้ดังรูปท่ี 1 ซ่ึงจะสามารถ
ผ่านมาไดม้ งี านวจิ ยั ทเ่ี กย่ี วขอ้ งกบั การใชส้ ารทาความ อธบิ ายส่วนประกอบในแต่ละสว่ น และหลกั การทางาน
เยน็ R32 ในเคร่อื งอบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ นอาทเิ ช่น In et ของเคร่อื งอบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ นทม่ี กี ารเลอื กใชส้ ารทา
ความเยน็ R32 ดงั รายละเอยี ดตอ่ ไปน้ี

al.,[14] ไดศ้ กึ ษาเปรยี บเทยี บสมั ประสทิ ธสิ์ มรรถนะปัม๊

ความร้อนในแต่ละสารทาความเย็นซ่ึงประกอบด้วย

R410a, R32 และ L41b พบว่าสารทาความเย็น R32

จะให้สมั ประสทิ ธสิ์ มรรถนะปัม๊ ความร้อนสูงสุด และ

มากกว่าสารทาความเยน็ R410a เฉลย่ี ประมาณ 5%

ต่ อม า Abdullah et al.,[15] ได้ทา กา ร ศึกษ า แ ละ

ทดสอบการใชส้ ารทาความเยน็ ทเ่ี หมาะสมทดแทนการ

ใชส้ ารทาความเยน็ R410a นัน้ คอื R32 ในเวลาต่อมา

Akhilesh et al.,[16] ไ ด้ท า ก า ร ส ร้า ง แ บ บ จ า ล อง รปู ท่ี 1 ชดุ ทดลองเคร่อื งอบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ น
คณิตศาส ตร์เพ่ือศึกษ าส มรรถนะ เคร่ืองอบ แ ห้ง ปั ม๊

ความร้อนกรณีใช้สารทาความเย็น R290, R600a, ชุ ด ท ด ล อ ง เ ค ร่ือ ง อ บ แ ห้ง ปั๊ม ค ว า ม ร้อ น มี
R32, R152a และ R1234yf โดยมีวัตถุประสงค์เพ่ือ ส่วนประกอบหลักประกอบด้วย คอมเพรสเซอร์
นามาทดแทนสารทาความเย็น R134a ผลจาก คอน เ ด น เ ซ อร์ คอน เ ด น เ ซ อร์ส าห รับควบคุม
การศกึ ษาดว้ ยแบบจาลองทางคณิตศาสตรพ์ บว่า กรณี อุณหภูมหิ อ้ งอบแหง้ (External condenser) แคปปิลา

89

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

รท่ี ้วิ อวิ าโปเรเตอร์ พดั ลมสาหรบั ไหลเวยี นอากาศ ชุด สามารถดงึ ความชน้ื ของอากาศทไ่ี ดจ้ ากผลติ ภณั ฑอ์ อก
เครอ่ื งมอื วดั และชดุ ควบคุมการทางาน ดงั แสดงในรปู ท่ี ไดด้ ว้ ยอวิ าโปเรเตอร์ ทาใหอ้ ากาศในระบบเป็นอากาศ
2 สาหรับกระบวนการทางานสามารถอธิบายโดย ทแ่ี หง้ เกดิ การถ่ายเทความรอ้ นใหก้ บั ผลติ ภณั ฑ์ได้สูง
เรม่ิ ตน้ จากอากาศทใ่ี ชใ้ นการอบแหง้ ไหลผ่านคอนเดอ เช่นเดียวกนั ประกอบกบั ระบบท่ไี ด้ออกแบบให้เป็น
เซอร์เพ่ือรับความร้อนจากสารทาความเย็นด้วย ระบบปิดทงั้ หมดไม่ได้มกี ารเติมอากาศจากภายนอก
ก ร ะ บ ว น ก า ร แ ล ก เ ป ล่ี ย น ค ว า ม ร้ อ น ผ่ า น อุ ป ก ร ณ์ แต่อย่างใด นอกจากนั้นสาหรับหลักการควบคุม
ดังกล่าว จะทาให้อากาศท่ีใช้สาหรับการอบแห้งมี อุณหภูมิภายในห้องอบแห้งท่ีได้ออกแบบสาหรับ
อณุ หภมู ทิ ส่ี งู มากยง่ิ ขน้ึ ประกอบกบั สารทาความเยน็ ได้ เคร่อื งอบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ นน้ีคอื การเลอื กใช้ External
มกี ารควบแน่นเช่นกนั จากนนั้ อากาศรอ้ นสว่ นน้ีจะไหล condenser สาหรบั การควบคุมความร้อนส่วนเกินใน
ผ่านไปยงั บรเิ วณหอ้ งอบแหง้ ทม่ี กี ารวางผลติ ภณั ฑน์ ัน้ หอ้ งอบแหง้ โดยชุดอุปกรณ์ท่เี รยี กว่า โซลนิ อยดว์ าลว์
คอื กล้วยน้าว้าดบิ ไว้บนตะแกรง เพ่อื ทาการถ่ายเท ซง่ึ ถูกตดิ ตงั้ อย่จู านวน 3 ตาแหน่ง
ความร้อนให้กบั กล้วยน้าว้าดิบบนตะแกรงดังกล่าว
เป็นผลทาใหก้ ลว้ ยน้าว้าดบิ มอี ุณหภูมทิ ่สี ูงมากข้นึ จน รูปท่ี 2 แผนผงั แสดงทศิ ทางการไหลของอากาศ สาร
ท า ใ ห้ ป ริม า ณ น้ า ท่ีอ ยู่ ภ า ย ใ น ร ะ เ ห ย อ อ ก ม า สู่ ผิ ว ทาความเยน็ การวดั และการควบคุม
ภายนอกของผลติ ภณั ฑ์ ประกอบกบั บรเิ วณดงั กล่าวมี
ความเร็วลมระดับหน่ึงจึงส่งผลทาให้ความเร็วลม สาหรบั การควบคุมทิศทางการไหลของสารทาความ
ดั ง ก ล่ า ว พั ด พ า ค ว า ม ช้ื น ท่ี บ ริ เ ว ณ ผิ ว น อ ก ข อ ง เยน็ กล่าวคอื เม่อื อุณหภูมใิ นหอ้ งอบแหง้ อย่ใู นระดบั ท่ี
ผลิตภัณฑ์ออกจากห้องอบแห้งในท่ีสุด หลงั จากนัน้ มกี ารกาหนดไวแ้ ลว้ นัน้ โซลนิ อยด์วาล์วจะทาการปิด
อากาศร้อนท่ีออกจากห้องอบแห้งท่ีมีการรวมตวั กนั กนั้ สารทาความเย็นไม่ให้เข้าไปในคอนเดนเซอร์ตวั
ของความช้ืนท่ีได้จากผลิตภัณฑ์จะมีการไหลผ่าน หลัก แต่จะเปิดวาล์วให้สารทาความเย็นไปทาการ
มายงั อิวาโปเตอร์ ซ่ึงอากาศช้ืนดังกล่าวจะเกิดการ ควบแน่นในตาแหน่งของ External condenser แทน
ควบแน่นเกิดเป็นหยดน้า เน่ืองด้วยบรเิ วณอวิ าโปเร ประกอบกบั เม่อื อุณหภูมใิ นหอ้ งอบแห้งน้อยกว่าระดบั
เตอร์จะมอี ุณหภูมทิ ค่ี ่อนขา้ งต่า และหยดน้าเกดิ ขน้ึ จะ อุณหภูมิต่าสุดท่ีได้กาหนดไว้ โซลินอยด์วาล์วจะ
ถูกปล่อยออกทด่ี า้ นนอกของระบบอบแห้งและสาหรบั ทางานดว้ ยการเปิดทางการไหลของสารทาความเยน็
ในส่วนของสารทาความเยน็ ทต่ี าแหน่งอวิ าโปเรเตอรน์ ้ี ใหเ้ ขา้ ไปสู่คอนเดนเซอร์หลกั และปิดกนั้ เส้นการไหล
จะเกิดการระเหยกลายเป็ นไอเน่ืองจากอากาศร้อนท่ี ไปยงั External condenser ทนั ที แล้วจึงเกดิ การเพมิ่
ไหลออกจากหอ้ งอบแหง้ โดยไอดงั กลา่ วจะถกู สง่ ไปส่ง
ยงั คอมเพรสเซอรเ์ พอ่ื สรา้ งความดนั ใหก้ บั สารทาความ
เยน็ ทาใหส้ ารทาความเยน็ มอี ุณหภูมทิ ส่ี งู ขน้ึ หลงั จาก
นั้นอากาศท่ีไหลผ่านอิวาโปเรเตอร์จะไหลมายัง
คอนเดนเซอร์เพ่ือรับความร้อนและไหลเข้าสู่ห้อง
อบแหง้ อย่างน้ีเร่อื ยไปจนกว่าจะไดร้ ะดบั ความช้นื ของ
ผลติ ภณั ฑ์หลงั การอบแห้งตามทต่ี ้องการ จะพบไดว้ ่า
กระบวนการอบแห้งด้วยปัม๊ ความร้อนจะมีจุดเด่นท่ี

90

อุณหภูมิของอากาศก่อนเข้าห้องอบแห้งทันที ตารางที่ 1 เครอ่ื งมอื วดั ทใ่ี ชใ้ นการทดลอง
เชน่ เดยี วกนั
Devices Technical properties Accuracy
2.2 วิธีการทดลอง -
สาหรบั วิธีการทดลองเพ่ือทดสอบสมรรถนะเคร่ือง Heat pump 3.5 kW, 50 Hz,
อบแห้งปัม๊ ความร้อนท่ีมีคอมเพรสเซอร์ขนาด 0.75 -
kW และมีการเลอื กใช้สารทาความเย็น R32 ภายใต้ Compressor power 0.75
เ ง่ือ น ไ ข ข อ ง ปั จ จัย ท่ีไ ด้ท า ก า ร ศึก ษ า ป ร ะ ก อ บ ด้ว ย ±1%
อุณหภูมอิ บแหง้ 45, 50 และ 55 C֯ และความเรว็ ลมท่ี kW, R32 refrigerant ±2 C֯ /±0.01
1.0, 1.5 และ 2.0 m/s ตามลาดบั ซ่ึงในแต่ละเง่อื งไข
ของการศกึ ษาไดม้ อี บแหง้ กลว้ ยน้าวา้ ดบิ แก่เตม็ ทด่ี ว้ ย Fan 0.125 kW (Sum all fan), C֯
การกาหนดความช้นื และน้าหนักเรมิ่ ต้นใหเ้ ท่ากนั ทุก ±4 %RH
เงอ่ื นไขการศกึ ษา ประกอบกบั ไดม้ กี ารกาหนดตวั แปร 50 Hz, Speed ± 0.01m/s
ทใ่ี ชใ้ นการวดั และบนั ทกึ ผลการทดลองด้วยเซ็นเซอร์ ±0.02%
ตวั วดั พรอ้ มกบั เช่อื มตอ่ เพอ่ื บนั ทกึ ค่าในอุปกรณ์บนั ทกึ adjustment
ผลได้แก่ อุณหภูมิของอากาศ อุณหภูมิของสารทา ±3%
ความเยน็ ความดนั ของสารทาความเยน็ น้าหนักของ Electricity meter Power, Amp, Volt, PF, ±0.0001
ผลติ ภณั ฑท์ เ่ี ปลย่ี นแปลงตลอดการอบแหง้ และคา่ การ
ใช้พลงั งานไฟฟ้า นอกจากนัน้ ยงั ใช้กระบวนการหา Hz, Supply 220V, 50Hz Aw
ความช้ืนเร่ิมต้นและความช้ืนสุดท้ายด้วยวิธีการหา ±0.003%
ความช้ืนตามมาตรฐาน AOAC ในทุกเง่ือนไขของ Temperature/Thermo Temperature: -40 -
การศกึ ษา สาหรบั วิธีการทดลองอบแห้งกล้วยน้าว้า ±0.1% FS
ด้วยเคร่ืองอบแห้งปัม๊ ความร้อนนัน้ เริ่มต้นด้วยการ couple +120 ֯C/Type K -200 –
จดั เตรยี มผลติ ภณั ฑน์ ัน้ คอื กลว้ ยน้าวา้ ดบิ ทม่ี คี วามแก่
เต็มท่โี ดยไม่มคี วามสุกปนอยู่แต่อย่างใดทาการปอก 1300 C֯
เปลือกและหนั่ เป็นแผ่นตามแนวยาวให้มคี วามหนา
ประมาณ 2-3 mm ให้มีน้าหนักรวมกันเท่ากับ 1 kg Relative Humidity Relative humidity: 0% -
ประกอบกบั เตรยี มเคร่อื งมอื วดั ตา่ งๆ ใหเ้ รยี บรอ้ ย
(%RH) 100%

Anemometer Range 0 – 20 m/s

Load cell Output (mV/V) 2.0, 5-

12V, 10kg

Pressure gauge Measuring pressure

maximum 55 bar

Water activity (aw) Water activity meter,
tester 0.0300 – 1.0000 Aw

Coloring measure UltraScan VIS

Spectrophotometer,

Wavelength range 360

nm - 780 nm,

Texture tester Machine Capacity:

1 KN, Extension

Resolution: 0.005 mm

หลงั จากนัน้ ทาการเปิดเครอ่ื งอบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ น
และทาการปรบั ตงั้ อุณหภูมหิ ้องอบแห้งและความเรว็
ลมตามเง่อื นไขท่ที าการศึกษา พร้อมกบั ทาการเปิด
เคร่ืองบนั ทึกผลเพ่อื ทาการวดั และบนั ทึกค่าตวั แปร
ต่างๆ ทต่ี ้องการวดั ทนั ทเี ช่นกนั และทาการเดนิ เคร่อื ง
อบแห้งปัม๊ ความร้อนจนกระทัง่ ระบบเข้าสู่สภาวะ
สมดุลโดยพจิ ารณาจากคา่ การเปลย่ี นแปลงของตวั แปร

91

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

ทท่ี าการวดั ค่าต่างๆ ทไ่ี ดท้ าการบนั ทกึ ไวต้ งั้ แต่เรมิ่ ตน้ กบั ความชน้ื เรม่ิ ตน้ หรอื ความชน้ื ทเ่ี วลาใดๆ ซง่ึ สดั สว่ น
ดว้ ยเคร่อื งมอื วดั ดงั แสดงในตารางท่ี 1 เม่อื ระบบเขา้ สู่ ความชน้ื คานวณไดจ้ ากสมการท่ี (2)
สภาวะสมดลุ แลว้ จงึ ไดท้ าการนากลว้ ยน้าวา้ ดบิ ทไ่ี ดท้ า
การหนั่ เป็นแผ่นหลงั จากนัน้ ใส่เข้าไปในห้องอบแห้ง MR = Mt (2)
และดาเนนิ การทดลองต่อเน่ืองตลอดจนครบระยะเวลา M in
8 ชวั ่ โมงในทุกกรณี
เม่อื MR คอื สดั สว่ นความชน้ื Min คอื ความช้นื เรม่ิ ต้น
สาหรบั วธิ ที ดสอบหาคุณสมบตั ขิ องผลติ ภณั ฑท์ ไ่ี ด้ , %d.b. Mt คอื ความชน้ื ทเ่ี วลาใดๆ, %d.b.
หลังจากการอบแห้งซ่ึงประกอบด้วย ควา มช้ืน
มาตรฐานแห้ง (M, %d.b.) ปริมาณน้าอิสระ (Aw) 2.3.3 อัตราการอบแห้ง (Drying rate, DR) เป็น
ลกั ษณะเน้ือสมั ผสั (Texture) ในการทดลองน้ีเลอื กใช้ ตัวแปรอีกตัวหน่ึงท่ีสามารถบอกให้เราทราบถึง
วธิ แี รงกด และการวเิ คราะห์สี โดยนากลว้ ยน้าวา้ ทไ่ี ด้ ระยะเวลาทใ่ี ชใ้ นการอบแห้ง ซ่งึ เป็นค่าท่แี สดงถึงค่า
หลงั การอบแห้งไปทาการทดสอบคุณสมบตั ดิ งั กล่าว ความช้นื ท่รี ะเหยออกไปได้ต่อหน่วยเวลา อตั ราการ
ด้วยเคร่อื งมือขา้ งต้นตามมาตรฐานการทดสอบท่ีได้ อบแหง้ เป็นค่าบ่งบอกถงึ ความสามารถในการอบแหง้
กาหนดไว้ในคู่มอื การทางานของเคร่อื งมอื แต่ละชนิด ของระบบแสดงไดด้ ้วยความสามารถในการระเหยน้า
โดยเคร่ืองมือท่ีใช้ดังแสดงในตารางท่ี 1 ซ่ึงใน ออกจากเน้ือวสั ดุต่อหน่วยเวลา โดยมคี วามสมั พนั ธด์ งั
ก ร ะ บ ว น ก า ร น้ี ช่ ว ง เ ว ล า ท่ี อ บ แ ห้ ง จ ะ ใ ช้ ค ว า ม ช้ื น สมการท่ี (3)
มาตรฐานแหง้ ทว่ี ดั จากผลติ ภณั ฑก์ ลว้ ยน้าวา้ อบแหง้ ท่ี
มีจาหน่ายในตลาดมาใช้เป็นเกณฑ์เวลาสาหรบั การ DR = Mo − MT (3)
อบแหง้ ดว้ ยเคร่อื งอบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ น T

2.3 การวิเคราะห์ขอ้ มลู เม่ือ DR คือ อัตราการอบแห้ง (g water/g dry solid-
min) Mo คอื ปรมิ าณความชน้ื เรมิ่ ตน้ ในวสั ดุ (g water/g
2.3.1 ความชน้ื (Moisture content, M) หมายถงึ dry solid) MT คอื ปรมิ าณความช้นื ในวสั ดุ ณ เวลา T
ปรมิ าณสารทร่ี ะเหยไดท้ งั้ หมด ความชน้ื ในผลติ ภณั ฑ์ (g water/g dry solid) T คือ เวลาท่ใี ช้ในการอบแห้ง,
จะเป็ นปริมาณของน้าท่ีอยู่ในผลิตภัณฑ์นัน้ ๆ ซ่ึง min
สามารถหาคา่ ความชน้ื มาตรฐาน ดงั สมการท่ี (1)
2.3.4 ความสน้ิ เปลอื งพลงั งานจาเพาะ (Specific
M = mt − md 100% (1) energy consumption, SEC) ความสน้ิ เปลอื งพลงั งาน
md จาเพาะ เป็ นค่าท่ีแสดงถึงประสิทธิภาพในการใช้
พลงั งานของระบบ แสดงไดด้ ้วยปรมิ าณพลงั งานทใ่ี ช้
เม่ือ M คือ ค่าความช้ืน, %d.b. mt คือ น้าหนักของ ในการอบแห้ง ต่อปริมาณน้าท่ีระเหยออกจากวสั ดุ
ผลิตภณั ฑ์ ณ เวลาใดๆ, kg md คือน้าหนักแห้งของ อบแหง้ โดยความสมั พนั ธส์ มการท่ี (4)
ผลติ ภณั ฑ,์ kg
SEC = E (4)
2.3.2 สดั ส่วนความช้ืน (Moisture ratio, MR) การ mw
คานวณ เป็ นการคานวณโดยประมาณค่า โดย
ตงั้ สมมตฐิ านว่าความชน้ื สมดุลมคี า่ น้อยมาก เม่อื เทยี บ เม่ือ SEC คือ ความส้ินเปลืองพลังงานจาเพาะ
(kWh/kg) E คือ ปริมาณพลงั งานไฟฟ้าท่ีใช้ (kWh)
mW คอื ปรมิ าณน้าทร่ี ะเหยออกจากเน้อื วสั ดุ (kg)

92

2.3.5 อัตราการดึงน้าออกจาเพาะ (Specific มากต่อการยอมรบั ของผบู้ รโิ ภควธิ กี ารวดั ในงานวจิ ยั น้ี
moisture extraction rate, SMER) ปรมิ าณน้าทร่ี ะเหย จะใช้วิธีของแรงกดอดั (Compression extrusion) ใน
ออกจากวสั ดุต่อพลงั งานท่ใี ช้ผลิตการอบแห้ง เขยี น การทดสอบ
สมการความสมั พนั ธด์ งั สมการท่ี (5)
3. ผลการทดลองและวิจารณ์
SMER = mw (5)
E การศกึ ษาการอบแห้งกล้วยด้วยเคร่อื งอบแห้งปัม๊
ความร้อนท่ีมีการเลือกใช้สารทาความเย็นเป็ นชนิด
2.3.6 สัมประสิทธิส์ มรรณนะ ปั๊มความร้อน R32 ภายใต้เงอ่ื นไขการทดลองทอ่ี ุณหภูมกิ ารอบแห้ง
3 อุณหภูมิประกอบด้วย 50, 55 และ 60 ֯C และ
( Coefficient of performance of heat pump, COPh) ความเร็วลม 3 ความเร็วประกอบด้วย 1.0, 1.5 และ
ซ่ึ ง นิ ย า ม ด้ ว ย อัต ร า ส่ ว น ข อ ง พ ลัง ง า น ค ว า ม ร้ อ น ท่ี 2.0 m/s ซ่ึงผลท่ีได้จากการทดลองสามารถแสดงได้
ดงั ต่อไปน้ี
คอนเดนเซอร์ต่อพลงั งานไฟฟ้าทร่ี ะบบใช้ ดงั สมการท่ี
รูปท่ี 3 แสดงความช้ืนมาตรฐานแห้งของ
(6) ผลิตภัณฑ์ในแต่ละเง่ือนไขการทดลอง จากข้อมูล
ความช้นื เรม่ิ ต้นของกล้วยน้าว้าดบิ กรณีแก่เตม็ ทจ่ี ะมี
COPh = Qc (6) ค่ า เ ฉ ล่ี ย ใ น ทุ ก เ ง่ื อ น ไ ข ข อ ง ก า ร ท ด ล อ ง ป ร ะ ม า ณ
Pc 210 %d.b. จากนัน้ ทาการอบแห้งด้วยเคร่ืองอบแห้ง
ปัม๊ ความรอ้ นจนเหลอื ความชน้ื ประมาณ 10.35 %d.b.
เม่ือ QC คือ ความร้อนท่ีคอนเดนเซอร์ (kW) Pc คือ โดยค่าดงั กล่าวได้อ้างองิ จากความช้นื กล้วยน้าว้าดิบ
กาลงั ไฟฟ้าทค่ี อมเพรสเซอร์ (kW) ตากแห้งท่มี ีจาหน่ายในท้องตลาด ผลดงั กล่าวพบว่า
การเพม่ิ อุณหภูมิอบแห้งและความเรว็ ลมจะส่งผลต่อ
2.3.7 คุณภาพด้านสขี องแป้งทดสอบดว้ ยเคร่ือง เวลาทใ่ี ชใ้ นการอบแหง้ น้อย เน่ืองดว้ ยการเพมิ่ ขน้ึ ของ
Spectrophotometer Wavelength range 360 nm - อุณหภูมอิ บแหง้ จะเพม่ิ ผลต่างอุณหภูมริ ะหว่างอากาศ
780 nm เป็นการทดสอบสแี บบ L, a, b รอ้ นและกลว้ ยน้าวา้ ดบิ ทาใหเ้ กดิ การถา่ ยเทความร้อน
มากขน้ึ ส่งผลต่อความสามารถในการระเหยความช้นื
E = (L)2 + (a)2 + (b)2 (7) ในผลิตภัณฑ์เร็วมากข้นึ จนเป็นเหตุให้เวลาในการ
อบแห้งท่ีสัน้ ลง และในทานองเดียวกันการเพิ่ม
โดยท่ี E คอื ความแตกต่างของสโี ดยรวม L คือ ความเร็วลมจะสามารถเพม่ิ สมั ประสทิ ธกิ์ ารพาความ
ความแตกต่างของความสว่าง a คอื ความแตกต่าง รอ้ นส่งผลให้เกดิ การถ่ายเทความร้อนระหว่างอากาศ
ของความเป็นสีแดงถึงสีเขียว และ b คือ ความ รอ้ นและกลว้ ยน้าว้าดบิ ไดเ้ รว็ มากยง่ิ ขน้ึ จากขอ้ มูลจะ
แตกต่างของความเป็นสเี หลอื งถงึ สนี ้าเงนิ พบว่า เง่อื นไขอุณหภูมอิ บแหง้ 60 ֯C และความเรว็ ลม
2.0 m/s จะใช้เวลาในการอบแหง้ เพ่อื ให้ไดค้ วามชน้ื ท่ี
2.3.8 ปริมาณน้าอิสระหรือแอคทิวิต้ีของน้ า 10.35 %d.b. สัน้ ท่ีสุดเท่ากับ 206 นาที และในทาง
(Water activity, aw) เป็นค่าทแ่ี สดงระดบั ความชน้ื ทม่ี ี กลับกันของเง่ือนไขอุณหภูมิอบแห้ง 50 ֯C และ
ผลต่อการเจรญิ ของจุลนิ ทรยี ์ ซ่งึ มคี วามสาคญั ต่ออายุ ความเรว็ ลม 1.0 m/s จะใชเ้ วลาประมาณ 440 นาที
การเกบ็ รกั ษา และความปลอดภยั ของอาหาร

2.3.9 ลกั ษณะทางเน้ือสมั ผสั (Texture) ในอาหาร
เป็ นผลประกอบกันของคุณสมบัติทางเคมี และ
กายภาพ ซ่งึ รวมไปถงึ ขนาดรูปร่าง จานวน และการ
จดั เรยี งตวั ของโครงสร้างของสารนัน้ ๆ ซ่ึงเป็นผลมา
จากโครงสรา้ งธรรมชาตเิ รมิ่ ตน้ ของสาร ดงั นนั้ ลกั ษณะ
เน้ือสมั ผสั ของอาหารจงึ มคี วามจาเป็นและสาคญั อย่าง

93

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

รปู ที่ 3 ความชน้ื มาตรฐานแหง้ ของผลติ ภณั ฑ์ อุณหภูมผิ ลิตภณั ฑ์และอุณหภูมอิ ากาศรอ้ นมีค่าเพม่ิ
ในแต่ละเงอ่ื นไขการทดลอง มากขน้ึ ทาใหเ้ กดิ การถ่ายเทความรอ้ นระหวา่ งอากาศ
ร้อนและผลติ ภณั ฑเ์ พม่ิ มากข้นึ ในทิศทางจากอากาศ
รอ้ นไปยงั ผลติ ภณั ฑ์ ผลดงั กล่าวจะทาใหค้ วามช้นื ทอ่ี ยู่
ภายในผลิตภัณฑ์ท่ีได้รบั ความร้อนเพ่มิ มากข้นึ เกิด
การระเหยออกจากผลติ ภณั ฑเ์ พมิ่ มากขน้ึ จงึ เป็นผลทา
ใหอ้ ตั ราการอบแหง้ เพม่ิ มากขน้ึ และสาหรบั ปัจจยั ท่ี 2
การเพมิ่ ขน้ึ ของความเรว็ ลม กล่าวคอื การเพมิ่ ขน้ึ ของ
ความเรว็ ลมในการอบแหง้ จะสง่ ผลต่อการเพมิ่ ขน้ึ ของ
ถา่ ยเทความรอ้ นจากอากาศรอ้ นไปยงั ผลติ ภณั ฑ์ เน่ือง
ด้วยการถ่ายเทความร้อนในกระบวนการอบแห้งจะ
เป็ นการถ่ายเทความร้อนประเภทการพาความร้อน
เป็นหลกั ส่งผลต่อการเพมิ่ ขน้ึ ของสมั ประสทิ ธกิ์ ารพา
ความร้อน ทาใหผ้ ลติ ภณั ฑไ์ ดร้ บั ความรอ้ นท่เี พม่ิ มาก
ยิ่งข้นึ ดงั นัน้ จงึ ทาให้อตั ราการอบแห้งท่เี พม่ิ ข้นึ ด้วย
เช่นกนั

รปู ท่ี 4 การเปลย่ี นแปลงสดั สว่ นความชน้ื
แตล่ ะเงอ่ื นไขการทดลอง

รูปท่ี 4 แสดงการเปล่ยี นแปลงสดั ส่วนความช้ืน
ของแต่ละเง่อื นไขการทดลอง จากขอ้ มูลดงั กล่าวไดม้ ี

การพจิ ารณาท่สี ดั ส่วนความช้นื เท่ากบั 0.2 จะพบว่า
สดั สว่ นความชน้ื จะมคี วามสมั พนั ธก์ นั โดยตรงกบั อตั รา รปู ท่ี 5 อตั ราการอบแหง้ ของแตล่ ะเงอ่ื นไขการทดลอง

การอบแหง้ ดงั แสดงในรูปท่ี 5 โดยอตั ราการลดลงของ ภายใตเ้ งอ่ื นไขสดั สว่ นความชน้ื 0.2
ความชน้ื ในผลติ ภณั ฑม์ คี า่ เพมิ่ มากขน้ึ หรอื กลา่ วอกี นัย

หน่ึงว่าอัตราการอบแห้งมีค่าเพ่ิมมากข้ึน จากการ จากข้อมูลของอัตราการอบแห้งในรูปท่ี 5 หาก
เ พิ่ม ข้ึน ข อ ง อุ ณ ห ภู มิ อ บ แ ห้ ง แ ล ะ ก า ร เ พ่ิม ข้ึน ข อ ง พจิ ารณาภายใต้เง่อื นไขของความเรว็ ลมคงทจ่ี ะพบว่า
ความเร็วลมนั้น ซ่ึงสาเหตุท่ีทาให้เกิดพฤติกรรม การเพมิ่ ขน้ึ ของอุณหภูมอิ บแหง้ 10 % จะทาให้อตั รา
ดังกล่าวข้ึนสามารถพิจารณาได้จาก 2 ปั จจัย การอบแห้งเพมิ่ ขน้ึ 10 % และในทานองเดยี วกนั หาก
ดังต่อไปน้ีคือ ปัจจัยท่ี 1 การเพ่ิมข้ึนของอุณหภูมิ พจิ ารณาภายใต้เง่อื นไขของอุณหภูมิอบแห้งคงท่ีจะ
อบแห้ง กล่าวคือ เม่ือมีการเพิ่มข้ึนของอุณหภูมิ พบว่า การเพิ่มข้ึนของความเร็วลม 50 % จะทาให้
อ บ แ ห้ ง จ ะ ส่ ง ผ ล ท า ใ ห้ ค่ า ค ว า ม แ ต ก ต่ า ง ร ะ ห ว่ า ง อัตราการอบแห้งเพิ่มข้ึน 10 % จากเง่ือนไขการ

94

พจิ ารณาทงั้ สองกรณีจึงสามารถสรุปได้ว่า อุณหภูมิ เพ่ิมข้ึนของอุณหภูมิอบแห้ง เป็ นสาเหตุทาให้
อบแหง้ มผี ลตอ่ อตั ราการอบแหง้ มากกว่าความเรว็ ลม คอมเพรสเซอรจ์ ะตอ้ งมกี ารฉดี สารทาความเยน็ ไปยงั อี
วาโปเรเตอร์ในปรมิ าณทม่ี ากเพยี งพอเช่นเดยี วกนั จงึ
รปู ท่ี 6 กาลงั ไฟฟ้าเครอ่ื งอบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ น เป็นสาเหตุของกาลงั ไฟฟ้าเคร่อื งอบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ น
ทแ่ี ตล่ ะเงอ่ื นไขการทดลอง เ พ่ิ ม ม า ก ข้ึ น จ า ก ก ร ณี ข อ ง ก า ร เ พิ่ ม ค ว า ม เ ร็ ว ล ม
นอกจากนัน้ หากทาการเปรียบเทียบเพ่ือวิเคราะห์
ความมากน้อยของอุณหภูมอิ บแหง้ และความเร็วลมท่ี
มีต่อกาลังไฟฟ้าจากข้อมูลในรูปท่ี 6 เม่ืออุณหภูมิ
เพม่ิ ข้นึ 10% จะมผี ลทาใหIกาลงั ไฟฟ้าเพมิ่ ขน้ึ 6-9%
ในขณะท่ีเม่ือเพ่ิมความเร็วลม 50% จะมีผลทาใหI
กาลงั ไฟฟ้าเพม่ิ ขน้ึ 4-6% นัน้ แสดงใหเ้ หน็ ว่าอุณหภูมิ
อบแหง้ มผี ลต่อกาลงั ไฟฟ้าเคร่อื งอบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ น
มากกว่าความเรว็ ลม

รูปท่ี 6 แสดงกาลงั ไฟฟ้าเคร่อื งอบแห้งปัม๊ ความ รปู ที่ 7 อตั ราการดงึ น้าออกจาเพาะทแ่ี ต่ละเงอ่ื นไข
ร้อนท่ีแต่ละเง่อื นไขการทดลอง จากข้อมูลดงั กล่าว การทดลอง ภายใตเ้ งอ่ื นไขสดั สว่ นความชน้ื 0.2
พบว่า กาลังไฟฟ้ าเคร่ืองอบแห้งปัม๊ ความร้อนจะ
เพมิ่ ขน้ึ เม่อื มกี ารเพม่ิ อุณหภูมอิ บแหง้ และความเรว็ ลม รูปท่ี 7 แสดงอตั ราการดงึ น้าออกจะเพาะทแ่ี ต่ละ
โดยพจิ ารณาสาเหตุในแต่ละปัจจยั ประกอบดว้ ยปัจจยั เง่อื นไขการทดลอง ภายใต้เง่อื นไขสดั ส่วนความช้ืน
ท่ี 1 คือ กา ร เ พ่ิม อุ ณ ห ภู มิอบ แ ห้งจ ะ ส่งผล ให้ เท่ากบั 0.2 จะพบไดว้ ่า อตั ราการดงึ น้าออกจาเพาะมี
คอมเพรสเซอร์มีการทางานท่ีเพม่ิ มากข้นึ เพ่อื สร้าง ค่าเพมิ่ มากขน้ึ เม่อื มกี ารเพมิ่ ของอุณหภูมอิ บแห้งหรือ
ความดันให้กับสารทาความเย็นให้อยู่ในระดับสูง ความเร็วลม ซ่ึงแสดงให้เห็นถึงประสทิ ธภิ าพการใช้
เพียงพอและมีความสอดคล้องกับอุณหภูมิไออ่ิมตวั พลงั งานทเ่ี พมิ่ มากขน้ึ โดยค่าอตั ราสว่ นการดงึ น้าออก
เพ่อื ใหส้ ามารถสรา้ งอุณหภูมอิ บแหง้ (อุณหภูมภิ ายใน จาเพาะอยู่ระหว่าง 0.13 – 0.22 kg/kWh ของเง่อื นไข
หอ้ งอบแหง้ ) ตามทต่ี ้องการกาหนด และกระบวนการ การทดลองทงั้ หมด ซ่ึงสอดคล้องกบั ความส้นิ เปลือง
ดังกล่าวจะส่งผลต่อการเพ่มิ ข้นึ ของภาระทางความ พลงั งานจาเพาะทไ่ี ดแ้ สดงไวใ้ นรปู ท่ี 8
ร้อนของอีวาโปเรเตอร์จากอุณหภูมอิ บแห้งท่สี ูงมาก
ขน้ึ ผลทต่ี ามมานัน้ คอื คอมเพรสเซอรจ์ ะตอ้ งมกี ารฉีด
สารทาความเยน็ ไปยงั อวี าโปเรเตอร์ในปรมิ าณทม่ี าก
เพยี งพอ จากเหตกุ ารณ์ดงั กล่าวทส่ี อดคลอ้ งกนั จงึ เป็น
สาเหตุให้กาลงั ไฟฟ้าเคร่อื งอบแห้งปัม๊ ความร้อนเพ่ิม
มากข้นึ จากกรณีของการเพม่ิ อุณหภูมอิ บแห้ง และใน
ทานองเดยี วกนั สาหรบั ปัจจยั ท่ี 2 นัน้ คอื การเพมิ่ ข้นึ
ของความเรว็ ลมจะสง่ ผลต่อการเพม่ิ ข้นึ ของภาระทาง
ความร้อนของอีวาโปเรเตอร์เช่นเดียวกันกับการ

95

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

ส่วนท่ีใกล้เคียงกันมาก จึงส่งผลทาให้สมั ประสิทธิ์
สมรรถนะปัม๊ ความร้อนในแต่ละเง่อื นไขการทดลองมี
ค่าทใ่ี กล้เคยี งกนั ดงั นัน้ จงึ สามารถกล่าวได้ว่าผลของ
อุณหภูมอิ บแห้งและความเรว็ ลมสง่ ผลต่อสมั ประสทิ ธิ์
สมรรถนะปัม๊ ความรอ้ นในระดบั ทค่ี ่อนขา้ งน้อย

รปู ที่ 8 ความสน้ิ เปลอื งพลงั งานจาเพาะทแ่ี ต่ละ
เงอ่ื นไขการทดลอง ภายใตเ้ งอ่ื นไขสดั สว่ นความชน้ื

0.2

รปู ที่ 9 สมั ประสทิ ธสิ์ มรรถนะปัม๊ ความรอ้ น รปู ที่ 10 ลกั ษณะทางกายภาพของกลว้ ยน้าวา้ ก่อน
ในแต่ละเงอ่ื นไขการทดลอง และหลงั อบแหง้ ในแตล่ ะเงอ่ื นไขการศกึ ษา

รูปท่ี 9 แสดงสมั ประสทิ ธสิ์ มรรถนะปัม๊ ความรอ้ น รูปท่ี 10 แสดงลักษณะทางกายภาพของกล้วย
ในแต่ละเง่อื นไขการทดลอง โดยพบว่าค่าสมั ประสทิ ธิ์ น้าว้าก่อนและหลงั อบแหง้ ในแต่ละเง่อื นไขการศึกษา
สมรรถนะปัม๊ ความรอ้ นในแต่ละเง่อื นไขการทดลองมี จากรปู ดงั กล่าวจะพบว่า การเพม่ิ อุณหภูมอิ บแหง้ และ
ค่าของความเปล่ยี นแปลงในปรมิ าณท่ีค่อนขา้ งน้อย ความเรว็ ลมจะก่อนให้เกดิ ลกั ษณะของสผี วิ ของกลว้ ย
มาก ซง่ึ พบว่าค่าเฉลย่ี ของแตล่ ะเงอ่ื นไขการทดลองอยู่ น้าว้าดิบแก่เต็มท่ีหลังการอบแห้งเป็ นสีค่อนข้าง
ระหว่าง 4.25 – 4.45 เน่ืองด้วยพบว่า จากสมการท่ี น้าตาลมากขน้ึ ในตาแหน่งของขอบกลว้ ยน้าวา้ ในส่วน
(7) แสดงความสมั พนั ธ์ของสมั ประสทิ ธสิ์ มรรถนะปัม๊ ของผลต่างอุณหภูมิของอากาศร้อนและผลิตภณั ฑ์
ความรอ้ นดว้ ยผลของความรอ้ นทค่ี อนเดนเซอรน์ ัน้ คอื และสมั ประสทิ ธกิ์ ารพาความรอ้ น
พลังงานความร้อนท่ีได้รับหารด้วยกาลังไฟฟ้ าท่ี
คอมเพรสเซอร์นัน้ คือความร้อนท่ีจ่ายเข้าไป ซ่ึง ตารางท่ี 2 พบว่ากลว้ ยตลาดมคี ่าความสว่าง (L)
พลงั งานทงั้ สองชนิดน้ีพบว่ามกี ารแปรผนั ในอตั ราการ เท่ากบั 83.39±2.06 และผลของการอบแหง้ ทอ่ี ณุ หภมู ิ
50 55 และ60 °C ตามลาดบั ซง่ึ ค่าสที ว่ี ดั ไดม้ แี นวโน้ม

96

ทล่ี ดลงเม่อื ใชร้ ะยะเวลาการอบแหง้ ซง่ึ มคี า่ ความสว่าง พบว่า เน้ือสัมผัสมีค่าเฉล่ียท่ี 154.4 ซ่ึงจากผลการ
อยู่ในช่วง 79.54±0.69 ถึง 78.26±0.93 ตามลาดบั ทดลองยงั พบวา่ เมอ่ื ใชอ้ ุณหภูมอิ บแหง้ เพมิ่ ขน้ึ สง่ ผลให้
ลดลงคดิ เป็นรอ้ ยละ 4.62 และ 6.15 ตามลาดบั ส่วน กล้วยมีค่าความแข็งตัวท่ีสูงข้ึนและในทางกลับกัน
ค่าสแี ดง (a) พบว่ากล้วยตลาด มคี ่าความเป็นสแี ดง อุณหภมู อิ บแหง้ ทล่ี ดลงจะทาใหเ้ น้ือสมั ผสั ลดลงและยงั
เฉลย่ี 2.44±0.46 เม่อื เทยี บกบั หลงั อบแหง้ จะมคี ่าเฉลย่ี มผี ลต่อค่าความช้นื และค่าปรมิ าณน้าอสิ ระดว้ ยเช่นกนั
อยู่ในช่วง 2.65±0.44 ถึง 3.66±0.96 ตามลาดับ มี และสาหรับในส่วนค่าความช้ืนของกล้วยตลาดมี
แนวโน้มท่ีเพ่ิมข้ึนคิดเป็นร้อยละ 7.92 และ 33.33 คา่ เฉลย่ี 10.35±0.78 และหลงั การอบแหง้ พบวา่ พบวา่
ตามลาดับ และความเป็นสีเหลือง (b) พบว่ากล้วย กลว้ ยท่ผี ่านการอบแห้งท่อี ุณหภูมิ 50, 55 และ60 °C
ตลาด มคี ่าความเป็นสเี หลอื งเฉล่ยี 17.75±1.31 เม่อื ตามลาดบั ค่าความช้นื เฉล่ยี 7.05±0.58 เม่อื ทาการ
เ ทีย บ กับ ห ลัง อ บ แ ห้ง จ ะ มีค่ า เ ฉ ล่ีย อ ยู่ ใ น ช่ ว ง เทยี บกบั ค่าความช้นื ของตลาดแลว้ พบว่ามคี ่าท่ลี ดลง
10.56±0.28 ถึง 17.71±1.31 ตามลาดบั มแี นวโน้มท่ี จากท้องตลาดร้อยละ 31.88 ซ่ึงถือว่ามีค่าท่ีต่า
ลดลงคดิ เป็นรอ้ ยละ 40.51 และ 0.23 ตามลาดบั ทงั้ น้ี คอ่ นขา้ งมาก
ความแตกต่างของสีโดยรวมหลังการอบแห้งพบว่า
เ ม่ือ ใ ช้ อุ ณ ห ภู มิอ บ แ ห้ ง ท่ีล ด ล ง จ ะ ส่ ง ผ ล ต่ อ ค ว า ม 4. สรปุ ผล
แตกต่างของสีโดยรวมท่ีต่าลงและเม่ือใช้อุณหภูมิ
อบแห้งสูงข้นึ ส่งผลต่อความแตกต่างของสเี พ่ิมตาม งานวจิ ยั น้ีทไ่ี ดท้ าการศกึ ษาและทดสอบสมรรถนะ
ด้ ว ย เ ช่ น กัน เ น่ื อ ง จ า ก อุ ณ ห ภู มิมีผ ล ต่ อ ก า ร ของเคร่อื งอบแห้งปัม๊ ความร้อนท่ใี ชส้ ารทาความเยน็
เปลย่ี นแปลงของค่าสหี ลงั การอบแหง้ ค่อนขา้ งสงู ชนิด R32 โดยใช้กล้วยน้าว้าดิบแก่เต็มท่ีในการ
ทดสอบ รวมทงั้ วเิ คราะหค์ ุณสมบตั ขิ องกลว้ ยน้าวา้ ดบิ
ตารางท่ี 2 คุณสมบตั ขิ องกลว้ ยน้าว้าหลงั หลงั การอบแห้งเปรียบเทียบกบั กล้วยน้าว้าดิบตาม
การอบแหง้ ในแตล่ ะเงอ่ื นไขการศกึ ษา แหง้ ทม่ี จี าหน่ายในทอ้ งตลาด ผลจากการศกึ ษาพบว่า
การเพมิ่ ข้นึ ของอุณหภูมอิ บแหง้ และความเรว็ ลมจะมี
สาหรบั ในส่วนค่าปริมาณน้าอิสระของกล้วยตลาดมี ผลทาให้อัตราการอบแห้ง กาลังไฟฟ้าของเคร่ือง
ค่าเฉลย่ี 0.68±0.05 และหลงั การอบแหง้ พบว่า กลว้ ย อบแหง้ ปัม๊ ความรอ้ น และอตั ราการดงึ น้าออกจาเพาะ
ท่ีผ่านการอบแห้งท่ีอุณหภูมิ 50 55 และ60 °C มีค่าเพม่ิ มากข้นึ ในขณะท่ีความส้นิ เปลืองพลังงาน
ตามลาดับ ซ่ึงมีค่าปริมาณน้ าอิสระอยู่ในช่วง จาเพาะมีค่าท่ลี ดลง นอกจกนัน้ ยงั พบว่าการเพม่ิ ข้นึ
0.546±0.01 ถึง 0.680±0.00 ซ่ึงมีค่าอยู่ในเ กณฑ์ ของอุณหภูมิอบแห้งและความเร็วลมมีผลต่อการ
มาตรฐานของอาหารทก่ี าหนด (≤0.6) สาหรบั ในสว่ น เปล่ยี นแปลงสมั ประสทิ ธสิ์ มรรถนะของเคร่อื งอบแหง้
เน้ือสมั ผสั ของกล้วยตลาดมีค่าเฉล่ียท่ี 167.0±11.8 ปัม๊ ความรอ้ นค่อนขา้ งน้อย และยงั พบอกี ว่าคุณสมบตั ิ
และหลงั การอบแห้งคือค่าความแขง็ ของกล้วยท่ผี ่าน ของผลติ ภณั ฑห์ ลงั การอบแห้งอนั ประกอบด้วยความ
การอบแห้งท่ีอุณหภูมิ 50 55 และ60 °C ตามลาดบั แตกต่างของสี ปริมาณน้าอิสระ เน้ือสัมผัส และ
ค ว า ม ช้ื น เ ป ล่ี ย น แ ป ล ง ต า ม อุ ณ ห ภู มิ อ บ แ ห้ ง แ ล ะ
ความเรว็ ลม

97

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

5. กิตติกรรมประกาศ system, Applied Thermal Engineering, vol.1 5 5 ,
pp.206–216.
ขอขอบคุณ ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล คณะ [7] Rony A.S. and Chi, C.W. (2019). Comparative
วิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี ท่ี study for CO2 and R-134a heat pump tumble dryer
สนับสนุนทนุ และอุปกรณ์ในการวจิ ยั ในครงั้ น้ี – A rational approach, International Journal of
Refrigeration, vol.106, pp.474–491.
6. เอกสารอ้างอิง [8] Akhilesh, S., Jahar, S. and Rashmi, R.S.
( 2 0 2 0 ) . Experimental energy, exergy, economic
[1] Huelsz, G., Urbiola-Soto, L., Lopez-Alquicira, and exergy economic analyses of batch-type solar-
F., Rechtman, R., Hernandez-Cruz, G. (2 0 1 3 ) . assisted heat pump dryer, Renewable Energy,
Total energy balance method for venting electric vol.156, pp.1107-1116.
clothes dryers, Drying Technology, vol.31, pp.576– [9] Kuan, M., Shakir, Y., Mohanraj, M., Belyayev,
586. Y., Jayaraj, S. and Kaltayev, A. (2019). Numerical
[2] Wang, J.F., Brown, C. and Cleland, D.J. (2018). simulation of a heat pump assisted solar dryer for
Heat pump heat recovery options for food industry continental climates, Renewable Energy, vol.1 4 3 ,
dryers, International Journal of Refrigeration, vol. pp.214-225.
86, pp.48–55. [10] Michael, J., Michael, B., Christian, K. and
[3] Levent, T., Mustafa, A., Seyfi, S., Mehmet, G., Espen, H.V. (2020). Modelica-based modelling of
Gamze, U.S. and Burak, A. (2018). Determination heat pump-assisted apple drying for varied drying
of drying kinetics and quality parameters of grape temperatures and bypass ratios, Thermal Science
pomace dried with a heat pump dryer, Food and Engineering Progress, vol.19, pp.100-111.
Chemistry, vol.260, pp.152–159. [11] Haonan, H., Qinqin, C., Jinfeng, B., Xinye, W.,
[4] Norhaida, H., Ahmad, T., Siti, M.T., Wei, L.A., Xinwen, J., Xiao, L., Yening, Q. and Ying, L.
Masli, I.R. and Law, C.L. (2 0 1 9 ). Comparison of (2020). Understanding appearance quality
drying kinetics and product quality from convective improvement of jujube slices during heat pump
heat pump and solar drying of Roselle calyx, Food drying via water state and glass transition, Journal
and Bioproducts Processing, vol.118, pp.40–49. of Food Engineering, vol.272, pp.109-121.
[5] Niklas, B., Thomas, A., Wilhelm, T., Marcos, B.t, [12] Cuneyt, T. and Ibrahim, D. (2020).
Andreas, M. and Jurgen, K. ( 2 0 1 9 ) . Exergetic Performance analysis and mathematical modelling
analysis of different R744 heat pump tumble dryer of banana slices in a heat pump drying system,
system topologies, Applied Thermal Engineering, Renewable Energy, vol.150, pp.918-923.
vol.161, pp.107-114. [13] Jing, W., and Zhou, M.W. (2 0 20). A
[6] Quancheng, D., Dechang, W., Xuerui, L., comprehensive assessment of refrigerants for
Yanhui, L. and Shaohong, Z. (2 0 1 9 ). Thermal
characteristics of a novel enclosed cascade-like
heat pump dryer used in a tunnel type drying

98

cabin heating and cooling on electric vehicles.
Applied Thermal Engineering, vol.174, pp.1-11.
[14] In, S., Cho, K., Lim, B., Kim, H. and Youn, B.
(2014). Performance test of residential heat pump
after partial optimization using low GWP
refrigerants, Applied Thermal Engineering, vol.7 2 ,
pp.315–322.
[15] Abdullah, A., Radia, E., Yunho, H., Vikrant, A.
and Reinhard, R. (2015). Testing, simulation and
soft-optimization of R410A low-GWP alternatives in
heat pump system, International Journal of
Refrigeration, vol.60, pp.106–117.
[16] Akhilesh, S., Jahar, S. and Rashmi, R.S.
(2019). Comparative analyses on a batch-type
heat pump dryer using low GWP refrigerants, Food
and Bioproducts Processing, vol.117, pp.1–13.

99

บทความฉบบั เต็ม

Material Sciences and Farm Engineering & Technologies

รหสั บทความ : MSFE01

การเทียบมาตรฐานในระดบั ห้องปฏิบตั ิการเซนเซอรว์ ดั ความชืน้ ในดินชนิดคาปาซิทีฟ
แบบต้นทนุ ตา่

Laboratory Calibration of Low-cost Capacitive Soil Moisture Sensor

นภสั กร ชุล1ี และ ชพู นั ธุ์ ชมภจู นั ทร์ 1*

1 ภาควชิ าวศิ วกรรมชลประทาน คณะวศิ วกรรมศาสตร์ กาแพงแสน มหาวทิ ยาลยั เกษตรศาสตร์ วทิ ยาเขตกาแพงแสน
อ.กาแพงแสน จ. นครปฐม 73140

*Email: [email protected] เบอรโ์ ทรศพั ท์ 081-7652503

บทคดั ย่อ
การใช้เซนเซอร์แบบ IoT ในการตรวจวดั และติดตามความช้นื ดนิ ในแปลงเพาะปลูกเป็นเทคโนโลยสี าคญั ในการ
ควบคุมระบบการให้น้าชลประทานแบบแม่นยาแก่พชื อย่างไรก็ตามเซนเซอร์ท่มี กี ารปรบั เทียบมาตรฐานจาก
โรงงานผลติ จะตอ้ งนาเขา้ จากต่างประเทศซง่ึ มมี ูลค่าค่อนขา้ งสูง งานวจิ ยั น้ีไดเ้ ลอื กใชเ้ ซนเซอร์ SoilStick ซ่งึ เป็น
เซนเซอรว์ ดั ความชน้ื ดนิ ชนดิ คาปาซทิ ฟี แบบตน้ ทนุ ต่า มจี าหน่ายในประเทศ ทาการปรบั เทยี บมาตรฐานโดยอา่ นคา่
แรงดนั ไฟฟ้าจากเซนเซอร์ทต่ี ่อกบั บอร์ด NodeMCU กบั ค่าความชน้ื ในดนิ โดยปรมิ าตรช่วงระหว่าง 0.06 ถงึ 0.46
cm3.cm-3 เพ่อื หาสมการปรบั เทยี บจาเพาะเจาะจงสาหรบั เน้ือดนิ ประเภทดนิ ร่วนเหนียว จากนัน้ ตรวจสอบความ
สมเหตุสมผลโดยวดั ค่าความช้นื ดนิ ด้วยเซนเซอร์ SoilStick เปรียบเทียบผลกบั เซนเซอร์ SM100 ท่ีใช้สมการ
ปรบั เทยี บมาตรฐานจากโรงงานผลติ ผลการทดลองพบว่าเซนเซอร์ SoilStick ตรวจวดั ความช้นื ดนิ ไดใ้ กลเ้ คยี งกบั
วธิ กี ารวดั โดยตรง โดยมคี า่ RMSE เทา่ กบั 0.079 cm3. cm-3 ในขณะทเ่ี ซนเซอร์ SM100 ตรวจวดั ความชน้ื ดนิ ไดส้ งู
กว่าวธิ กี ารวดั โดยตรงโดยเฉพาะช่วงใกล้จุดอมิ่ ตวั ดว้ ยน้า โดยมคี ่า RMSE เท่ากบั 0.149 cm3. cm-3 ผลจากการ
ปรับเทียบสามารถนาเซนเซอร์ไปใช้จัดทากาหนดการให้น้าชลประทานได้อย่างแม่นยาซ่ึงจะช่วยให้เพ่ิม
ประสทิ ธภิ าพการใหน้ ้าชลประทานในระดบั แปลงไดด้ ยี งิ่ ขน้ึ
คาหลกั : เซนเซอรช์ นดิ คาปาซทิ ฟี ; การปรบั เทยี บมาตรฐานเซนเซอร;์ ความชน้ื ในดนิ โดยปรมิ าตร

Abstract
The application of IoT sensors to measure and monitor soil moisture in cultivated plots is an essential
technology for the precise control of crop irrigation systems. However, factory-calibrated sensors are
relatively expensive and must be imported from abroad. SoilStick sensor, a low-cost capacitive soil moisture
sensor with domestic distribution, was selected in this research. The calibration procedure was performed
by measuring the output voltage from the sensors connected to the NodeMCU microcontroller board to the
volumetric soil moisture content in the range of 0.06 to 0.46 cm3.cm-3. Soil-specific calibration equation for
clay loam soil was determined. Then, the calibrated SoilStick sensors were validated and compared to the
SM100 sensor, which was based on a factory-calibrated equation. The results showed that the SoilStick
sensors measured volumetric soil moisture content similar to that of the direct measurement method, with

149

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

an RMSE value of 0.079 cm3. cm-3. The SM100 sensor measured volumetric soil moisture content higher
than the direct measurement method's, especially near the saturation point, with an RMSE of 0.149 cm3.
cm-3. As a result of the sensor calibration, the sensor can accurately determine the irrigation schedule and
thus improve the water application efficiency at the plot level.
Keywords: Capacitance Probe; Sensor Calibration; Volumetric Soil Moisture Content

1. บทนา บ่งบอกค่าความช้นื ในดนิ ไดอ้ อกมาโดยตรง [4] ดงั นัน้
จึงต้องสอบเทียบมาตรฐาน (Calibration) เพ่ือหา
ในปัจจุบนั ประเทศไทยได้ก้าวสู่ยุคประเทศไทย สมการความสมั พนั ธ์ระหว่างค่าตรวจวดั จากเซนเซอร์
4.0 ท่เี ทคโนโลยพี ฒั นาเขา้ สู่ยุคทเ่ี รยี กว่า Internet of กบั ค่าความชน้ื ในดนิ จงึ จะนาไปใชง้ านได้
Things (IoT) โดยมเี ครอ่ื งมอื เคร่อื งใชแ้ ละระบบต่าง ๆ
ถูกพัฒนาให้เช่ือมต่อถึงกันเป็ นเครือข่ายเพ่ือ เซนเซอร์วดั ความช้นื ในดนิ ชนิดคาปาซทิ ฟี ย่หี อ้ ท่ี
แลกเปลย่ี นขอ้ มลู ระหวา่ งกนั บนระบบอนิ เทอร์เน็ต [1] มีจาหน่ายในท้องตลาดทัว่ ไปจะมีการสอบเทียบ
การนา IoT มาใช้กบั เกษตรกรรมจงึ เป็นแนวทางหน่ึง มาตรฐานจากทางโรงงานผลติ (Factory Calibration)
ในการพัฒนาระบบเกษตรกรรมอัจฉริยะ (Smart ซ่ึงสามารถวัดค่าความช้ืนในดินโดยป ริมาตร
Farm) โดยปัจจุบนั มอี ุปกรณ์ตรวจวดั และควบคุมท่ใี ช้ (Volumetric Soil Moisture Content, cm3.cm-3) อาทิ
ระบบ IoT ในกลุ่ม Smart Farm หลายอย่าง เช่น WaterScout SM100 (Spectrum Technologies,
เซนเซอรว์ ดั อุณหภมู ิ ความชน้ื ความชน้ื ในดนิ เป็นตน้ USA), 10HS SWC (METER Group Inc., USA),
[2] ทาให้กิจกรรมด้านการเกษตรมีประสิทธิภาพใน DEC-GS1 (METER Group Inc., USA) อย่างไรกต็ าม
การผลิตมากข้นึ รวมทงั้ ช่วยให้ประหยดั แรงงานและ เซนเซอร์ดงั กล่าวยงั มรี าคาค่อนขา้ งสงู (มากกว่า 100
เวลาในการทางาน เหรียญสหรฐั ต่อช้นิ ) ดงั นัน้ เซนเซอร์ชนิดคาปาซทิ ฟี
แบบต้นทุนต่ า อาทิ SKU:SEN0193 (DF Robot,
เซนเซอร์วดั ความช้นื ในดินท่ไี ด้รบั ความนิยมใน China), SoilStick เกษตรไทย IoT (บริษัทดูอินไทย
ทวั่ ไปสามารถหาซ้อื ไดต้ ามท้องตลาดและมรี าคาท่ไี ม่ จากดั , ประเทศไทย) ซง่ึ มรี าคาถูก (ต่ากวา่ 20 เหรยี ญ
แพงมากนักกค็ อื เซนเซอรว์ ดั ความชน้ื ในดนิ ชนิดคาปา สหรฐั ต่อช้นิ ) จงึ เป็นอกี ทางเลอื กทเ่ี หมาะสาหรบั ใชใ้ น
ซิ ที ฟ ( Capacitive Soil Moisture Sensor) ซ่ึ ง ใ ช้ งานดา้ น IoT สาหรบั เกษตรกรในประเทศไทย

เทคนิคการตรวจวดั จากค่าไดอิเล็กทรคิ () โดยวธิ ี อย่างไรกต็ ามเซนเซอรช์ นดิ คาปาซทิ ฟี แบบตน้ ทุน
โดเมนความถ่ี (Frequency - Domain) พจิ ารณาจาก ต่าจาเป็นต้องสอบเทยี บมาตรฐานค่าตรวจวดั ให้เป็น
ความแตกต่างระหว่างค่าคงทไ่ี ดอเิ ล็คทรคิ ของอากาศ ค่าความช้นื ในดนิ รวมทงั้ ทดสอบสมรรถนะในการใช้
งาน งานวจิ ยั น้ีไดท้ ดลองปรบั เทยี บมาตรฐานในระดบั
(εr ≈ 1) และน้า (εr ≈ 80) เมอ่ื นามาใชใ้ นการตรวจวดั หอ้ งปฏบิ ตั กิ ารเพ่อื หาสมการความสมั พนั ธร์ ะหว่างค่า
ความช้นื ในดนิ การเปล่ยี นแปลงปริมาณน้าในดนิ จะ ตรวจวดั จากเซนเซอร์วดั ความชน้ื ในดนิ SoilStick ให้
ส่ ง ผ ล ใ ห้ค่ า แ ร ง ต้ า น ส น า ม ไ ฟ ฟ้ า ใ น ดิน ( Soil เป็นค่าความช้ืนในดินโดยปริมาตร และตรวจสอบ
Permittivity) เปล่ยี นแปลงไป ซ่งึ สามารถแปลผลเป็น ความสมเหตุสมผลเทยี บกบั เซนเซอร์วดั ความช้นื ใน
ค่าความช้ืนในดินได้ [3] โดยค่าท่ีตรวจวัดได้จาก ดิน WaterScout SM100 เพ่อื ให้มคี วามน่าเช่อื ถือใน
เซนเซอร์จะออกมาในรูปของค่าแรงดันไฟฟ้า (Vout)
หรอื ในรปู ของคา่ Sensor Response ซง่ึ ยงั ไม่สามารถ

150

การนาไปใช้กาหนดการให้น้าชลประทาน(Irrigation Soil Stick จานวน 3 ชุด (รูปท่ี 1) เช่อื มต่อเซนเซอร์
Scheduling) ไดอ้ ยา่ งแม่นยามากขน้ึ กับอุปกรณ์ Microcontroller ชนิดบอร์ด NodeMCU
ESP8266
2. วิธีการศึกษา
2.1. หลกั การตรวจวดั ความชื้นในดินของเซนเซอร์ รปู ท่ี 1 เซนเซอรว์ ดั ความชน้ื ในดนิ ชนดิ คาปาซทิ ฟี
(A) SoilStick และ (B) SM100
เซนเซอร์วดั ความช้นื ในดนิ ชนิดคาปาซิทฟี จะทา
การตรวจวดั ค่าความจุไฟฟ้า (Capacitance) ออกมา เซนเซอร์วัดความช้ืนในดินย่ีห้อ Soil Stick มี
ดว้ ยการสรา้ งสนามไฟฟ้าระหว่างตวั นาทงั้ สองฝัง่ ของ คุณสมบตั ิต่าง ๆ ได้แก่ แรงดนั ไฟฟ้าหล่อเล้ยี ง (Vin)
เซนเซอร์ สง่ ผลใหใ้ นระดบั โมเลกลุ ของดนิ ทอ่ี ย่ใู นพน้ื ท่ี ใชช้ ่วงระหว่าง 3.3 - 6 โวลต์, อุณหภูมใิ นการทางาน
ของสนามไฟฟ้าเกดิ การแบ่งประจุไฟฟ้าเป็นสองขวั้ อยู่ในช่วง 0 - 70 องศาเซลเซียส, ทนทานต่อการกดั
(Dipole) ได้แก่ ประจุบวกและประจุลบ โดยวสั ดุทุก กร่อนและกันน้าได้ ผลลัพธ์ท่ีได้จากการตรวจวัด
ชนิดจะมีค่าความต้านทานในการถูกกระทาให้เกิด โดยตรงเป็นค่าแรงดนั ไฟฟ้า (Vout) ซ่งึ ในทน่ี ้ีจะทาการ
Dipole จ า ก ส น า ม ไ ฟ ฟ้ า เ รีย ก ว่ า ค่ า แ ร ง ต้ า น ปรบั เทียบมาตรฐานกับความช้ืนในดนิ โดยปรมิ าตร
สนามไฟฟ้า (Permittivity: εr) ซ่ึงเม่ือเปรียบเทียบ (Volumetric Soil Moisture Content)
ค่าแรงตา้ นสนามไฟฟ้าของเน้ือดนิ ทุกชนดิ นัน้ พบวา่ มี
ค่าน้อย εr มาก ในขณะท่ีน้าจะมีค่า εr สูงมาก
กล่าวคือ สสารท่ีจะมีผลต่อค่าแรงต้านสนามไฟฟ้า
อย่างมีนัยสาคัญในดินก็คือน้า โดยค่าแรงต้าน
สนามไฟฟ้าน้ีจะแปรฝันตรงกบั ค่าความจุไฟฟ้าเสมอ
ดงั นัน้ เซนเซอร์วดั ความช้นื ในดนิ ชนิดคาปาซิทฟี จะ
อาศยั หลกั การตรวจวดั ค่าความจุไฟฟ้าเม่อื มนี ้าในดนิ
ผา่ นคา่ แรงตา้ นสนามไฟฟ้าของน้าในดนิ

2.2. วสั ดแุ ละอปุ กรณ์ 2.3. วิธีการวิจยั

1) ดนิ ตวั อย่างทร่ี ะดบั ความลกึ 15-20 ซม. จาก 1) นาดินตัวอย่างไปอบในตู้อบท่ีอุณหภูมิ 105
บริเวณพ้นื ท่ีปลูกอ้อยในแปลงทดลองของภาควชิ า องศาเซลเซยี ส เป็นเวลา 24 ชม. จากนัน้ นาดนิ ไปบด
วิศวกรรมชลประทานมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ให้ละเอียดแล้วร่อนผ่านตะแกรงเบอร์ 200 ทาการ
วทิ ยาเขตกาแพงแสน จ.นครปฐม จาแนกประเภทอนุภาคเมด็ ดนิ ของดนิ ตวั อย่างโดยใช้
วิธีวิเคราะห์เชิงกลโดยไฮโดรมิเตอร์ และทาการ
2) อุปกรณ์ในหอ้ งปฏบิ ตั ิการ ได้แก่ ภาชนะแกว้ ประมาณค่าความช้ืนท่ีจุดอิ่มตัว (Saturate Point:
ใสบรรจุดนิ เส้นผ่านศูนยก์ ลาง 6 ซม. ความสูง 13.5 SAT) ค่าความช้ืนชลประทาน (Field Capacity: FC)
ซม. เคร่อื งชงั ่ น้าหนักแบบดจิ ิทลั ความละเอยี ดระดบั และค่าความช้ืนท่ีจุดเห่ียวเฉาถาวร (Permanent
0.01 กรมั และเตาอบสาหรบั อบดินท่ีอุณหภูมิ 105 Wilting Point: PWP) โดยวธิ ขี อง Saxton [5]
องศาเซลเซยี ส
2) บรรจุดินแห้งลงภาชนะแก้วใส ใช้วิธีหาค่า
3) เซนเซอร์วัดความช้ืนในดิน WaterScout ความช้ืนในดินโดยตรง (Direct Measurement) จาก
SM100 จานวน 1 ชุด และเซนเซอรว์ ดั ความชน้ื ในดนิ

151

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

ค่าความช้ืนในดินโดยน้าหนัก (Gravimetric Soil H0 = ค่าเฉล่ยี ของแรงดนั ไฟฟ้าจากเซนเซอร์ทงั้
Moisture Content) เน่ืองจากสามารถเทียบสดั ส่วน 35 ตวั ไมแ่ ตกต่างกนั
น้าหนักของน้าท่จี ะเติมลงไปในดนิ กบั น้าหนักของดนิ
แหง้ ไดง้ า่ ย โดยสามารถคานวณเป็นค่าความชน้ื ในดนิ H1 = ค่าเฉลย่ี ของแรงดนั ไฟฟ้าจากเซนเซอร์ 35
โดยปรมิ าตร (Volumetric Soil Moisture Content) ได้ ตวั มคี วามแตกต่างกนั อยา่ งน้อย 1 คู่
จากสมการดงั ตอ่ ไปน้ี
4) ทาการปรับเทียบมาตรฐาน (Calibration)
V = Vw = b x m = b x mw (1) ระหว่างค่าสดั สว่ นแรงดนั ไฟฟ้า (Vout/Vin) กบั ความชน้ื
Vt w w ในดนิ โดยปรมิ าตร (V) ท่รี ะดบั ความช้นื ตงั้ แต่ 0.06
ms ถงึ 0.46 cm3.cm-3 โดยใช้เซนเซอร์ SoilStick จานวน
3 ชุด จากนั้นพล็อตกราฟหาสมการ ปรับเทียบ
เมอ่ื มาตรฐาน ค่า Coefficient of Determination (R2) และ
คา่ Root Mean Square Error (RMSE) แลว้ นาสมการ
V = ความชน้ื โดยปรมิ าตรของดนิ (cm3.cm-3) ท่ี ป รั บ เ ที ย บ แ ล้ ว บั น ทึ ก ล ง ใ น บ อ ร์ ด
m = ความชน้ื โดยน้าหนักของดนิ (g.g-1) ไมโครคอนโทรลเลอร์เพ่ือทาการตรวจสอบความ
b = ความหนาแน่นรวมของดนิ (g.cm-3) สมเหตสุ มผล (Validation) โดยทดสอบการตรวจวดั ค่า
w = ความหนาแน่นรวมของน้า (g.cm-3) ความช้ืนดินโดยปริมาตรในระดับต่าง ๆ เทียบกับ
Vw = ปรมิ าตรของน้าในดนิ (cm3) เซนเซอร์ WaterScout SM100 ทใ่ี ช้สมการปรบั เทยี บ
Vt = ปรมิ าตรรวมของดนิ (cm3) มาตรฐานจากโรงงานผลติ (Factory Calibration) ดงั
แสดงในรปู ท่ี 2
mw = มวลของน้าในดนิ (g)
รปู ท่ี 2 การตรวจวดั ความชน้ื ในดนิ ดว้ ยเซนเซอรช์ นดิ
ms = มวลของดนิ แหง้ (g) คาปาซทิ ฟี ทงั้ 2 แบบ

ทัง้ น้ีโดยทัว่ ไป ความหนาแน่นรวมของน้ามี 3. ผลการวิจยั และอภิปรายผล
ค่าประมาณ 1 g.cm-3 ดงั นัน้ หากต้องการแปลงหน่วย จากการวิเคราะห์ตวั อย่างดนิ ท่ใี ช้ในการทดลอง
ความช้ืนในดินโดยน้ าหนัก เป็ นความช้ืนในดินโดย พบว่า มสี ว่ นประกอบเป็นอนุภาค Sand 43.54%, Silt
ปรมิ าตร สามารถคูณด้วยค่าความหนาแน่นรวมของ 23.53% และ Clay 32.93% เน้ือดินเป็นประเภทดิน
ดนิ (Soil Bulk Density) ได้ ร่วนเหนียว (Clay Loam) ค่าความช้ืนท่ีจุดอ่ิมตัว,
ความช้ืนชลประทาน และจุดเห่ียวเฉาถาวร มี
3) ทดสอบความแตกต่างของเซนเซอร์ SoilStick
โดยนาเซนเซอรจ์ านวน 35 ตวั มาทดสอบการอ่านค่า
ค่าแรงดันไฟฟ้ า ( Vout) จาก 5 กรณี ได้แก่ ค่า
แรงดนั ไฟฟ้าเม่อื เซนเซอรแ์ ขวนในอากาศ (Dry Soil),
ดนิ แหง้ (Dry Soil), ดนิ ทค่ี วามช้นื 20% โดยปรมิ าตร,
ดินท่ีความช้ืน 40% โดยปริมาตร และในน้าสะอาด
โดยอ่านค่าแตล่ ะกรณเี ป็นจานวน 3 ครงั้ ทดสอบความ
แตกต่างทางสถิติของค่าแรงดนั ไฟฟ้าท่ีอ่านได้ โดย
วิเคราะห์ความแปรปรวนทางเดียว ( One-way
ANOVA) ทร่ี ะดบั นัยสาคญั ทางสถติ ิ 0.01 โดยกาหนด
สมมตฐิ าน ดงั น้ี

152

ค่าประมาณ 0.4939, 0.3021 และ 0.1845 cm3.cm-3 ผลการทดสอบปรบั เทยี บมาตรฐานดงั แสดงในรูป
ตามลาดบั และมคี ่าความหนาแน่นรวมของดนิ เท่ากบั ท่ี 3 พบว่าความสมั พนั ธร์ ะหว่างความชน้ื โดยปรมิ าตร
1.356 g.cm-3 และอตั ราสว่ นแรงดนั ไฟฟ้า Voutput และ Vinput อย่ใู นรูป
สมการเส้นตรง ดังสมการท่ี 2 โดยมีค่า R2 เท่ากบั
ผลการทดสอบความแตกต่างของเซนเซอร์วัด 0.86
ความช้นื ในดิน SoilStick จานวน 35 ตวั เม่อื อ่านค่า
แรงดนั ไฟฟ้า (Vout) ทเ่ี งอ่ื นไขการตรวจวดั 5 กรณีโดย V = - 3.72(Vout/Vin) + 2.50 (2)
วิธี One-way ANOVA ดังแสดงในตารางท่ี 1 พบว่า
ค่า Fcritical เท่ากับ 1.5963 โดยในทุกเง่ือนไขการ ส มกา ร ดังกล่า ว สา มาร ถปรับ ใ ช้กับ บอร์ด
ทดลองมคี ่า F สงู กวา่ Fcritical และมคี า่ P-value < 0.01 ไมโครคอนโทรลเลอร์โดยพจิ ารณาค่าแรงดนั ไฟฟ้าใช้
ดงั นัน้ จงึ ปฏเิ สธสมมตฐิ าน H0 และยอมรบั สมมตฐิ าน ง า น ( Vin) ห า ร ป รับ แ ก้ใ น ส ม ก า ร อ า ทิ บ อ ร์ด
H1 คือ ค่าเฉล่ียของแรงดันไฟฟ้ าจากเซนเซอร์ NodeMCU มคี ่า Vin เท่ากบั 3.3 โวลต์ บอรด์ Arduino
SoilStick 35 ตวั มอี ยา่ งน้อย 1 คทู่ ม่ี คี วามแตกตา่ งกนั มคี ่า Vin เท่ากบั 5 โวลต์ ดงั นัน้ สมการทจ่ี ะใชส้ าหรบั
บอร์ด NodeMCU และบอร์ด Arduino ได้แก่สมการท่ี
ตารางที่ 1 ผลการวเิ คราะหค์ วามแปรปรวนทางเดยี ว 3 และ 4 ดงั น้ี

(One-way ANOVA) ของค่าแรงดนั ไฟฟ้าทต่ี รวจวดั NodeMCU: V = - 1.13(Vout) + 2.50 (3)

โดยเซนเซอร์ SoilStick Arduino: V = - 0.74(Vout) + 2.50 (4)

Condition Source of SS df MS F จากสมการท่ี 3 เม่อื พจิ ารณาขอบเขตการคานวณ
Variation Value
พบว่าเม่อื แรงดนั ไฟฟ้า Vout มคี ่าประมาณ 2.21 โวลต์
Dry Air Between 0.1299 34 0.0038 48.93 ค่าความช้นื ในดนิ โดยปรมิ าตรมคี ่าต่าสุดเท่ากบั 0.00
Groups 0.0055 70 0.0001 cm3.cm-3 ในขณะท่คี วามช้นื ในดินท่จี ุดอิ่มตวั (SAT)
Within ป ร ะ ม า ณ 0.49 cm3.cm-3 แ ร ง ดัน ไ ฟ ฟ้ า Vout มี
Groups ค่าประมาณ 1.76 โวลต์

Dry Soil Between 0.1599 34 0.0047 17.75
Groups 0.0185 70 0.0003
Within
Groups

V = 0.2 Between 0.3345 34 0.0098 10.61
cm3• cm-3 Groups 0.0649 70 0.0009

Within
Groups

V = 0.4 Between 0.1325 34 0.0039 37.19
cm3• cm-3 Groups 0.0073 70 0.0001

Within
Groups

Between 0.0635 34 0.0019 6.53
Groups 0.0200 70 0.0003
Water Within
Groups

153

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

รปู ท่ี 3 กราฟแสดงความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งคา่ อตั ราสว่ น รปู ท่ี 4 กราฟแสดงผลการตรวจสอบความถกู ตอ้ ง
แรงดนั ไฟฟ้า (Vout/Vin) และความชน้ื ในดนิ โดย (Validation) ของเซนเซอรต์ รวจวดั ความชน้ื ในดนิ
ปรมิ าตร (V)
เม่อื เปรยี บเทยี บผลการวจิ ยั กบั งานวจิ ยั อ่นื ๆ ดงั
เม่ือนาสมการดังกล่าวไปใช้กับเซนเซอร์วัด แสดงในตารางท่ี 2 พบว่า รูปแบบสมการในงานวจิ ยั น้ี
ความช้ืนในดิน SoilStick ร่วมกับบอร์ด NodeMCU อยู่ในรูปแบบของสมการแบบ Linear สอดคล้องกับ
แลว้ ทาการตรวจสอบความสมเหตุสมผล (Validation) รูปแบบสมการในงานวจิ ยั ของ Chen et al. (2020) ท่ี
โดยเปรียบเทียบกับเซนเซอร์ WaterScout SM100 ปรบั เทียบค่าแรงดนั ไฟฟ้ากบั ค่าความช้ืนในดินโดย
ดงั แสดงผลในรูปท่ี 4 พบว่า เซนเซอร์ SM100 มีค่า ปริมาตร [7] ในขณะท่ีสมการของ Nagahage et al.
RMSE เท่ากบั 0.149 cm3. cm-3 (14.9%) โดยตรวจวดั (2019) [3] และ Domínguez-Niño et al. (2019) [8] อยู่
ในรปู ของสมการแบบ Non–linear ซง่ึ ใชก้ ารปรบั เทยี บ
ค่าความช้ืนได้สูงกว่าค่าท่ีได้จากการวัดโดยตรง กับค่าความช้ืนในดินโดยปริมาตรจากค่า Sensor
(Overestimate) โดยเฉพาะในชว่ งความชน้ื ทส่ี งู กวา่ ค่า Response สาหรับค่า RMSE จากผลการทดสอบ
ความช้ืนชลประทาน (ความช้ืนมีค่าสูงกว่า 0.30 เซนเซอร์แบบต้นทุนต่าในงานวิจัยน้ีมีค่าประมาณ
cm3.cm-3) จะเหน็ วา่ เซนเซอร์ SM100 อา่ นค่าความชน้ื 7.9% ซ่ึงใกล้เคียงกับงานวิจัยของ Nagahage et al.
ไดป้ ระมาณ 0.5 cm3.cm-3 สอดคล้องกบั งานวจิ ยั ของ (2019) ซ่ึงได้ปรับเทียบเซนเซอร์แบบต้นทุนต่าใน
Datta et al. (2018) ซง่ึ พบวา่ เซนเซอร์ SM100 จะอ่าน ระดับห้องปฏิบัติการมีค่า RMSE ประมาณ 9% [3]
ค่าความช้ืนดินได้สูงกว่าความจริงในช่วงท่ีใกล้ค่า ในขณะท่ีเซนเซอร์ท่ีมีการปรบั เทียบมาตรฐานจาก
ความช้ืนท่ีจุดอิ่มตวั โดยมีค่า RMSE เท่ากบั 0.110 โรงงานเม่อื ทาการตรวจวดั มคี า่ RMSE ประมาณ 5 ถงึ
cm3. cm-3 [6] ในขณะท่ีเซนเซอร์ SoilStick ตรวจวดั 8% [7] [8] ดงั นัน้ จะเห็นว่าค่าความคลาดเคล่อื นจาก
การปรบั เทียบมาตรฐานของเซนเซอร์ SoilStick ใน
ความช้นื ได้ใกล้เคียงกบั วธิ ีการวดั โดยตรง โดยมคี ่า ระดบั หอ้ งปฏบิ ตั กิ ารอย่ใู นระดบั ทใ่ี กลเ้ คยี งกบั งานวจิ ยั
RMSE เทา่ กบั 0.079 cm3. cm-3 (7.9%) อน่ื ๆ

154

ตารางท่ี 2 ตารางเปรยี บเทยี บผลงานวจิ ยั อ่นื ๆ 4. สรปุ ผลและข้อเสนอแนะ
จากการทดลองน้ีสามารถหาสมการปรบั เทยี บ
ผวู้ ิจยั ผลท่ีได้จากการวิจยั ค ว า ม ช้ืน ใ น ดิน โ ด ย ป ริม า ต ร ส า ห รับ เ ซ น เ ซ อ ร์ วัด
ความช้นื ในดนิ SoilStick ซ่งึ เป็นเซนเซอร์ชนิดคาปาซิ
Laboratory calibrated equation ทฟี แบบต้นทุนต่า โดยมคี ่าความคลาดเคล่อื นในการ
ตรวจวดั เท่ากบั 0.079 หรอื คดิ เป็นเปอรเ์ ซน็ ตค์ วามชน้ื
Nagahage θV = 13.248 − 2.576 × 10−3 (RAW) เท่ากับ 7.9% โดยปริมาตร ผลจากงานวิจัยน้ีจะ
et al. (2019) + 1.726 × 10−7 (RAW2) − 3.839 × สามารถนาไปใช้ตรวจวัดความช้ืนดินและจัดทา
Sensor: 10−12 (RAW3) ก า ห น ด ก า ร ใ ห้น้ า ช ล ป ร ะ ท า น ใ น แ ป ล ง ท ด ล อ ง ข อ ง
SKU: RAW = Raw Sensor Response ภาควชิ าวศิ วกรรมชลประทานได้อย่างแม่นยา ซ่งึ จะ
SEN0193 R2 = 0.98 ช่วยใหเ้ พม่ิ ประสทิ ธภิ าพการใหน้ ้าชลประทานในระดบั
แปลงไดด้ ยี ง่ิ ขน้ึ
RMSE = 9% สาหรบั ขอ้ เสนอแนะเพม่ิ เตมิ จากงานวจิ ยั น้ีคอื ควร
มี ก า ร ท ด ส อ บ เ พิ่ม เ ติ ม โ ด ย ป ร ับ เ ที ย บ ส ม ก า ร จ า ก
Domínguez- Factory calibrated equation ตัวอย่างกลุ่มดินท่ีมีเน้ือดินแตกต่างกัน เพ่ือให้ได้
Niño et al. θV = (1.16 × 10−9 (RAW3) − 3.95 × สมการสาหรบั เซนเซอรท์ ส่ี ามารถใช้ตรวจวดั ความชน้ื
(2019) 10−6 (RAW2) + 4.89 × 10−3 (RAW) ดินในพ้ืนท่ีอ่ืน ๆ ได้อย่างถูกต้องและแม่นยาข้ึน
Sensor: − 1.92) × 100 รวมทงั้ หาแนวทางในการพฒั นาสมการปรบั เทยี บเพ่อื
10HS SWC RAW = Raw Sensor Count ช ด เ ช ย ควา มคลาด เคล่ือนเ น่ืองจากอุณหภูมิ
(Temperature Compensation) ต่อไป
RMSE = 5.33%
5. กิตติกรรมประกาศ
Chen et al. Factory calibrated equation ง า น วิ จั ย ค รั้ง น้ี ไ ด้ รั บ ทุ น ส นั บ ส นุ น จ า ก
(2020) θV = 3.62 × 10−4 (RAW) – 0.554 คณะวิศวกรรมศาสตร์กาแพงแสน ม.เกษตรศาสตร์
Sensor: RAW = milli Volt วิทยาเขตกาแพงแสน และขอขอบคุณ คุณจุลมนิ ทร์
DEC-GS1 RMSE = 5.6% - 8.5% วงศ์นิกร และคุณพชรพล รงรอง จากบรษิ ทั ดูอนิ ไทย
จากดั ผู้ผลิตและจาหน่ายเซนเซอร์ความช้นื ดนิ Soil
อย่างไรก็ตาม เน้ือดินจะมีผลต่อความสัมพนั ธ์ Stick เกษตรไทย IoT ท่อี นุญาตให้นาเซนเซอร์มาใช้
ระหว่างปรมิ าณน้าในดนิ โดยปรมิ าตรและค่าแรงต้าน ในการศกึ ษาวจิ ยั น้ี
สนามไฟฟ้าในดิน (Soil Permittivity) แม้ว่าจะเป็ น
เซนเซอรท์ ม่ี กี ารปรบั เทยี บมาตรฐานจากโรงงานผลติ ก็ 6. เอกสารอ้างอิง
ตาม เม่ือนาไปใช้ในเน้ือดินท่ีแตกต่างกันก็จะมีค่า [1] ณฐั พงศ์ พลสยม, และ จกั รพนั ธุ์ ศริ บิ รู ณ์. (2563).
ความคลาดเคล่ือนแตกต่างกันไปด้วย ดังนัน้ การ การพฒั นาระบบชุดเซนเซอร์วดั ความช้นื และแร่ธาตุ
ปรบั เทยี บเซนเซอรใ์ หม้ คี วามแม่นยาสงู จงึ ควรทาการ NPK ในดนิ แบบไร้สายควบคุมผ่านแอปพลเิ คชนั ดว้ ย
ปรบั เทยี บแบบเฉพาะเจาะจงไปตามแต่ละชนิดเน้ือดนิ เทคโนโลยอี นิ เทอรเ์ น็ตออฟธงิ ส์. วารสารวชิ าการการ
นัน้ ๆ [9] [10] นอกจากน้ี อุณหภูมิสภาพแวดล้อม
โดยรอบจะมีผลต่อประสิทธิภาพการตรวจวัดค่า
ความช้ืนในดิน [4] ดังนัน้ หากสามารถตรวจวดั ค่า
อุณหภูมิร่วมกับค่าความช้ืนในดินได้ จะสามารถ
พัฒนาสมการเพ่ือหาค่าชดเชยความคลาดเคล่ือน
เน่ืองจากอณุ หภมู ไิ ด้ (Temperature Compensation)

155

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

ป ร ะ ยุ ก ต์ ใ ช้เ ท ค โ น โ ล ยีส า ร ส น เ ท ศ , vol. 6 (2), Applied Engineering in Agriculture, vol. 36(1), pp:
กรกฎาคม-ธนั วาคม 2563, หน้า 50-60. 39-54.
[2] Navarro E., Costa N., and Pereira A. (2020). [8] Domínguez-Niño J.M., H.R. Bogena, J.A.
Systematic Review of IoT Solutions for Smart Huisman, B. Schilling and J. Casadesús (2019).
Farming. Sensors, vol. 20(15), July 2020, pp: On the Accuracy of Factory-Calibrated Low-Cost
4231. Soil Water Content Sensors. Sensors, vol. 19(14),
[3] Nagahage, E. A., Nagahage, I. S., and Fujino, July 2019, pp: 3101.
T. (2019). Calibration and Validation of a Low-Cost [9] González-Teruel, J.D., R. Torres-Sánchez,
Capacitive Moisture Sensor to Integrate the P.J. Blaya-Ros, A.B. Toledo-Moreo, M. Jiménez-
Automated Soil Moisture Monitoring System. Buendía and F. Soto-Valles (2019). Design and
Agriculture, vol. 9(7), July 2019, pp: 141. Calibration of a Low - Cost SDI - 12 Soil Moisture
[4] Radi, Muzdrukah, F.S., Murtiningrum, Sensor. Sensors, vol. 19(3), January 2019,
M.Shohibun Nuha, Ngadisih and Rizqi, F.A. No.491.
(2018). Calibration of Capacitive Soil Moisture [10] Campora M., A. Palla, I. Gnecco, R. Bovolenta
Sensor (SKU:SEN0193), paper presented in and R. Passalacqua (2020) The Laboratory
Proceedings of the 4th International Conference on Calibration of a Soil Moisture Capacitance Probe
Science and Technology (ICST), Yogyakarta, in Sandy Soils. Soil and Water Research, vol.
Indonesia. 15(2), pp: 75-84.
[5] Saxton, K.E., W.J. Rawls, J.S. Romberger and
R.I. Papendick (1986). Estimating Generalized Soil
Water Characteristics from Soil Texture. Soil
Science Society of America Journal, vol. 50(4),
July-August 1986, pp: 1031-1036.
[6] Datta, S., S. Taghvaeian, T. E. Ochsner, D.
Moriasi, P. Gowda and J. L. Steiner. (2018).
Performance Assessment of Five Different Soil
Moisture Sensors under Irrigated Field Conditions
in Oklahoma. Sensors, vol. 18(11), November
2018, pp: 3786.
[7] Chen, Y., G. W. Marek, T. H. Marek, K. R.
Heflin, D. O. Porter, J. E. Moorhead, R. C.
Schwartz and D. K. Brauer. (2020). Factory-
Calibrated Soil Water Sensor Performance using
Multiple Installation Orientations and Depths.

156

รหสั บทความ : MSFE02

การศึกษาการกระจายตวั ของความร้อนในเหลก็ ที่เช่ือมด้วยแรงเสียดทาน
โดยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์

The Study of Thermal Distribution in Steel Rods Welded by Friction Welding
Using Finite Element Method

ปกรณ์ อุ่นไธสง

วทิ ยาลยั ธาตุพนม มหาวทิ ยาลยั นครพนม
ทอ่ี ยู่ 457 ถนนพนมพนารกั ษ์ ตาบลธาตพุ นม อาเภอธาตพุ นม จงั หวดั นครพนม 48110

*ตดิ ต่อ: [email protected], 09-7338-1782

บทคดั ย่อ
งานวจิ ยั น้ีเป็นการศกึ ษาการกระจายตวั ของความรอ้ นบรเิ วณรอยเช่อื มของเหลก็ คาร์บอนต่าทเ่ี ช่อื มดว้ ยแรงเสยี ด
ทาน ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 15 มลิ ลเิ มตร ยาว 100 มลิ ลเิ มตร ทาการวดั อุณหภูมหิ ่างจากบรเิ วณพ้นื ท่หี น้าตดั
เสยี ดทาน ทร่ี ะยะ 5 มลิ ลเิ มตร และ 10 มลิ ลเิ มตร ตามลาดบั แลว้ เปรยี บเทยี บและวเิ คราะหผ์ ลกบั การคานวณของ
แบบจาลองในซอฟแวรส์ าเรจ็ รปู ดว้ ยวธิ ไี ฟไนตเ์ อลเิ มนต์ ทม่ี พี น้ื ฐานมาจากเอลเิ มนตร์ ปู ทรงสามเหลย่ี มและสเ่ี หลย่ี ม
แผ่นบาง ชนิด 2D Axisymmetric ซ่งึ เป็นวธิ ที ่ใี ช้ในการหาค่าการกระจายตวั ของอุณหภูมใิ นเหลก็ ผลการทดลอง
พบวา่ การคานวณของแบบจาลองในซอฟแวรส์ าเรจ็ รปู ดว้ ยวธิ ไี ฟไนต์เอลเิ มนต์ สามารถอธบิ ายการกระจายตวั ของ
ความรอ้ นไดเ้ ม่อื เทยี บกบั ผลการทดลอง ซ่งึ ปรากฏการณ์น้ีใหผ้ ลทใ่ี กลเ้ คยี งและสอดคลอ้ งกนั
คาหลกั : การกระจายตวั ของความรอ้ น; เช่อื มดว้ ยแรงเสยี ดทาน; วธิ ไี ฟไนตเ์ อลเิ มนต์

Abstract
The research is studied the thermal distribution in steel rod welded by friction welding. The study is
conducted by experiment and finite element method (FEM) simulation and conditions for calculations are
from shell 2D Axisymmetric. The experiment is conducted using low carbon steel rods with a diameter 15
mm. and 100 mm. long. The temperature is measured at the distance of 5 mm. and 10 mm. away from
the frictional area. The experimental result is compared with finite element method (FEM). The method
used to find the temperature distribution in steel rods is the finite element method (FEM) based on
triangular element and square element. It is found that the result from experiment is agreed very well with
the finite element method (FEM) result. The phenomena is similar for both finite element method (FEM)
and experiment. This implies that the finite element method (FEM) model can be used predict the thermal
distribution in welding process.
Keywords: Thermal distribution; Friction welding; Finite element method

157

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

1. บทนา ประมาณ 1,000 °C และเพม่ิ ขน้ึ ถงึ ประมาณ 1,200 °C
ทเ่ี วลา 3.5 sec
การเช่ือมด้วยแรงเสียดทาน (Friction Welding)
เป็นการเช่อื มท่มี คี วามแขง็ แรงและมคี ุณภาพสูง และ 2. เคร่อื งมือและวิธีการทดลอง
เป็นท่แี พร่หลายในอุตสาหกรรม เพราะสามารถเช่อื ม 2.1 หลักการเบื้องต้นของการเชื่อมด้วยวิธี
วสั ดตุ า่ งชนดิ กนั ได้ ประหยดั เวลา ไมใ่ ชว้ สั ดอุ ่นื เป็นตวั
ช่วยประสาน ไม่ต้องใช้ช่างฝีมือในการเช่อื ม ไร้ควนั เสียดทาน
และเป็นมติ รต่อสง่ิ แวดล้อม เป็นต้น โดยงานวจิ ยั น้ีจะ หลักการเช่ือมเสียดทาน อาศยั หลักการเปล่ียน
ทาการศึกษาการกระจายตัวของความร้อนบริเวณ
พ้ืน ท่ีเสียดทาน ด้วยการวัดอุณ ห ภู มิและสร้าง แรงเสยี ดทานเป็นพลงั งานความรอ้ นใหพ้ น้ื ทเ่ี สยี ดทาน
แบบจาลองในซอฟแวร์สาเรจ็ รูปแล้วประมวลผลด้วย ของช้นิ งานหลอมตดิ กนั โดยทาการหมุนช้นิ งานด้วย
วธิ ไี ฟไนตเ์ อลเิ มนต์ จากนัน้ ทาการเปรยี บเทยี บผลการ ความเรว็ และแรงบดิ ค่าหน่ึง ดงั ได้แสดงในรูปท่ี 1 (A)
ทดลองและวเิ คราะหผ์ ล จากนัน้ เพมิ่ แรงดนั (Pressure) ดนั ช้นิ งานอกี ช้นิ งาน
หน่ึงให้สมั ผสั และเสยี ดสกี นั โดยกาหนดเวลาในการ
จากการศกึ ษางานวจิ ยั ทเ่ี กย่ี วขอ้ ง มดี งั น้ี เสยี ดทานทเ่ี หมาะสมขน้ึ มา กระทงั่ ช้นิ งานทงั้ สองเกดิ
Hazman Seli , Ahmad Izani Md. [1] ได้ทาการ ความร้อนและหลอมละลาย ในรูปท่ี 1 (B) ขนั้ ตอน
ทดลองวดั อุณหภูมกิ ารเช่อื มดว้ ยวธิ เี สยี ดทาน ระหวา่ ง ต่อมาเป็ นขัน้ ตอนของการเพิ่มแรงดันอัด (Upset
เหลก็ กลา้ คารบ์ อนต่ากบั อลูมเิ นยี ม ทาการทดลองโดย pressure) อัดช้ินงานอีกครงั้ หน่ึงเพ่ือให้ช้ินงานเกิด
ใช้ Thermo couple (Typ-k) โดยเช่ือมสาย Thermo การเช่อื มตดิ กนั มากขน้ึ ดงั แสดงในรปู ท่ี 1 (C) และ 1
couple ติดกับอลูมิเนียมซ่ึงเป็ นช้ินงานท่ีอยู่กับท่ี มี (D) หลกั การดงั กล่าวอาศยั ตวั แปรท่ีเก่ยี วข้อง ได้แก่
ระยะห่างจากจุดเสียดทาน 2 mm และ 10 mm ความเร็วรอบ แรงบิด ระยะเวลาในการเสียดทาน
เง่อื นไขในการทดลอง ไดแ้ ก่ ความเรว็ รอบ 900 rpm ระยะเวลาในการอัด แรงดันในการเสียดทาน และ
แรงดันในการเสยี ดทาน 15 MPa เวลาในการเสียด แรงดนั ในการอดั เป็นตน้
ทาน 3.15 sec เวลาในการอัด 0.86 sec แรงดันใน
การอัด 25 MPa ผลการทดลองพบว่า การถ่ายเท รปู ที่ 1 หลกั การเช่อื มดว้ ยวธิ เี สยี ดทาน [3]
ความร้อนจากการเช่ือมเสยี ดทานมีอุณหภูมิเพ่ิมข้นึ
สูงสุด 568 °C ท่ีเวลา 3.15 sec ระยะ 2 mm และ 2.2 เคร่อื งเช่ือมด้วยวิธีเสียดทาน
อุณหภูมคิ ่อยๆลดลงเหลอื 112 °C ทเ่ี วลา 6.3 sec ใน เคร่อื งเช่ือมด้วยวิธีเสยี ดทานมีหลักการทางาน
ระยะ 10 mm Wen-Ya Li , Tiejun Ma , Jinglong Li. ตามขัน้ ตอนต่างๆท่ีได้แสดงไว้แล้วในตอนต้น ซ่ึง
[2] ได้ทาการศึกษาทดลอง โดย การใช้โปรแกรม เกอื บจะทงั้ หมดของเคร่อื งเช่อื มท่ใี ช้ในการศกึ ษานัน้
ABAQUS ออกแบบทดลองการเช่ือมเสียดทานโดย อาศยั วธิ กี ารควบคุมแบบปรบั ตงั้ ค่าดว้ ยมอื (Manual)
เหล็กกล้าคาร์บอนต่า ในแบบ 2D มเี ง่อื นไขดงั น้ี คอื
เวลาในการเสยี ดทาน 3.5 sec เวลาในการอดั 0.1 sec
แรงดนั ในการเสยี ดทาน 200 MPa แรงดนั ในการอดั
400 MPa และความเร็วรอบ 1,200 rpm ผลการ
ทดลองพบว่า อุณหภมู เิ พม่ิ ขน้ึ อย่างรวดเรว็ ทช่ี ว่ งเวลา
ต่างๆ โดยท่ีเวลา 0.1 – 1.5 sec อุณ หภูมิอยู่ท่ี

158

และเป็ น เคร่ืองต้น แบบ ท่ีได้พัฒ นาตามแนวคิดและ ตารางท่ี 1 เงอ่ื นเงอ่ื นไขการทดลอง
หลกั การทางานของเคร่อื งเช่อื มดว้ ยวธิ เี สยี ดทานแบบ
มาตรฐาน รายละเอยี ดของอุปกรณ์ต่างๆของเคร่อื ง Exp Friction Friction Upset Upset Speed
เช่อื ม ได้แก่ มอเตอร์ขนาด 5 แรงมา้ เป็นต้นกาลงั ใน Pressure Time Pressure Time (rpm)
ก ารขับ ห มุ น ช้ิน งา น แ ล ะ ค ว บ คุ ม ค ว าม เร็ว รอ บ โด ย (bar) (sec) (sec)
อนิ เวอร์เตอร์ (Inverter) ขนาด 7.5 แรงมา้ มรี ะบบไฮ 18 (bar) 1,300
ดรอลิกส์ในการสร้างแรงดันเสียดทาน (Friction 1 20 21 60 5 1.300
pressure) แ ล ะแ รงดัน อัด (Upset pressure) ซ่ึ ง 2 30 24 60 5 1,300
ควบคุมโดยมอเตอร์ขนาด 3 แรงม้า ควบคุมแรงดนั 3 40 60 5
โดยชุดวาล์วปรบั แรงดนั (Solenoid valve) และระบบ
ควบคุมเวลา (Timer) เป็นตัวควบคุมเวลาเสยี ดทาน 2.4 วิธีการทดลอง
และอดั ชน้ิ งาน ดงั แสดงในรปู ท่ี 2
วดั อุณหภูมิของรอยเช่อื มโดยการเจาะช้นิ งานให้
ลกึ 3 mm ห่างจากหน้าสมั ผสั เป็นระยะ 3 mm, 6 mm
และ 9 mm รวม 3 จุด เจาะเป็ นแนวรอบช้ินงาน 3
แนว รวมทงั้ หมด 9 จดุ แสดงในรปู ท่ี 3 (A) แลว้ บดั กรี
สายวดั อณุ หภูมิ (เทอรโ์ มคบั เป้ิล ชนดิ K) ตามรทู เ่ี จาะ
ซ่ึงเป็นช้ินงานท่ีไม่ได้หมุน โดยทาการทดลองซ้า 3
ครงั้ ต่อหน่ึงเง่อื นไขแล้วเฉล่ยี ผลการทดลอง ทาการ
บันทึกผลโดยเคร่ืองบันทึกอุณหภูมิ (Data logger)
ลกั ษณะการบดั กรสี ายวดั อุณหภูมิ แสดงในรูปท่ี 3 (B)
ลกั ษณะของช้ินงานทผ่ี ่านการทดลอง แสดงในภาพท่ี
3 (C) และ 3 (D)

รปู ที่ 2 เคร่อื งเชอ่ื มดว้ ยวธิ เี สยี ดทาน

2.3 เงื่อนไขการทดลอง รปู ที่ 3 กระบวนการทดลองวดั อณุ หภูมิ

เง่อื นไขการทดลองมที งั้ เง่อื นไขทเ่ี ป็นตวั แปรและ 2.5 การสรา้ งแบบจาลอง
เงอ่ื นไขทเ่ี ป็นค่าคงท่ี โดยเงอ่ื นไขทเ่ี ป็นตวั แปร ไดแ้ ก่ แบบจาลองท่ใี ชใ้ นการวเิ คราะห์ผลจะจาลองตาม
แรงดนั เสยี ดทาน (Friction pressure) มขี นาด 20, 30 ลกั ษณะสดั ส่วนของชน้ิ งานจรงิ ชนิดของแบบจาลองท่ี
และ 40 bar เวลาเสยี ดทาน (Friction time) มีขนาด สร้างในซอฟแวร์เป็นแบบแผ่นบาง (Shell) ชนิด 2D
18, 21 และ 24 วินาที ส่วนเง่ือนไขท่ีคงท่ี ได้แก่ Axisymetric และแบ่งช้นิ งานออกเป็นสองส่วน ได้แก่
แรงดันอัด (Upset pressure) เวลาอัด (Upset time)
และ ความเรว็ รอบ (Speed) สาหรบั เง่อื นไขท่เี ป็นตวั
แปรนัน้ จะเป็นส่วนท่ใี ชว้ เิ คราะห์การกระจายตวั ของ
อุณหภูมิ เง่อื นไขท่ใี ชใ้ นแบบจาลองดว้ ยคอมพวิ เตอร์
เป็ นเง่อื นไขเดียวกันกับการทดลอง ดังแสดงไว้ใน
ตารางท่ี 1 เงอ่ื นไขการทดลอง

159

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

ส่วนท่จี ะเกดิ การเสยี รูปแบบพลาสตกิ (Plastic zone) 2.6 คณุ สมบตั ิของวสั ดุ
และสว่ นทไ่ี มเ่ กดิ การเสยี รปู (Rigid zone) โดยใชค้ าสงั่
การแบ่งส่วน (Partition face) เป็ นตัวแบ่งส่วน ดัง จากผลการวิเคราะห์ส่วนประกอบทางเคมีของ
แสดงในรปู ท่ี 4 เห ล็ ก ค า ร์ บ อ น ต่ า AISI 1 0 1 5 โ ด ย เค ร่ื อ ง
Spectrometer พบว่า มธี าตุคาร์บอนผสมอยู่ 0.12%
ซ่งึ มีความสอดคล้องกบั งานวจิ ยั ของ Li และคณะ [4]
กับ Kimura และคณะ [5] ท่ีได้สร้างแบบจาลองและ
คานวณอุณหภูมิจากการเช่อื มเสยี ดทานโดยใช้เหล็ก
คาร์บอนต่า โดยใช้ค่าสัมประสิทธิแ์ รงเสียดทาน
(Friction Coefficient) และค่าคุณสมบตั ทิ างความรอ้ น
(Thermal properties) โดยมีค่าการนาความรอ้ น และ
(Thermal conductivity) ค่ า ค ว า ม ร้ อ น จ า เพ า ะ
(Specific heat) ในการคานวณดว้ ยคอมพวิ เตอร์

รปู ที่ 4 ลกั ษณะการสรา้ งแบบจาลอง 3. ผลการวิจยั และอภิปรายผล

ส า ห รับ ก า ร ค า น ว ณ ผ ล ข อ งแ บ บ จ า ล อ งด้ว ย การกระจายตวั ของอุณหภูมทิ ่ไี ด้จากการทดลอง
คอมพิวเตอร์นัน้ จะกาหนดให้คานวณผลท่ีโหนด และแบบจาลองด้วยคอมพิวเตอร์ จะได้รบั อิทธิพล
(Node) ซ่ึงอยู่บรเิ วณขอบของช้นิ งาน ตามระยะท่ที า ภายใต้เงอ่ื นไขหรอื ตวั แปรหลกั ซง่ึ ไดแ้ ก่ แรงดนั เสยี ด
การทดลองวดั อุณหภูมิ คือ ห่างจากหน้าสมั ผสั เป็น ทาน (Friction pressure) เวลาเสียดทาน (Friction
ระยะ 3 mm 6 mm และ 9 mm ดงั แสดงในรปู ท่ี 5 time) แรงดันอัด (Upset pressure) เวลาอัด (Upset
time) และความเร็วรอบ (Speed) ซ่ึงแบ่งเง่ือนไข
ออกเป็น 3 ชดุ ตามรายละเอยี ดในตารางท่ี 1

รปู ที่ 5 การกาหนดจดุ คานวณอุณหภูมิ รปู ท่ี 6 กราฟเปรยี บเทยี บผลการกระจายตวั ของ
อุ ณ ห ภู มิร ะ ห ว่ า ง ก า ร ท ด ล อ ง กับ ก า ร ค า น ว ณ ด้ ว ย
คอมพวิ เตอร์ ในเงอ่ื นไขชุดท่ี 1

160

แล้ว จะสงั เกตได้ว่าอุณหภูมิท่ีวดั ได้จากการทดลอง
เร่ิมพุ่งสูงข้ึนจนเกือบใกล้เคียงกับแบบจาลองด้วย
คอมพิวเตอร์ โดยเฉพาะในช่วงท้ายของการเช่ือม
โดยเฉพาะอย่างยง่ิ ในเงอ่ื นไขชดุ ท่ี 3 ซง่ึ เป็นเงอ่ื นไขท่ี
เพ่ิมตัวแปรแรงดันเสียดทานมากท่ีสุด ส่งผลให้
อุณหภูมพิ ุ่งขน้ึ เรว็ กว่าและสงู กว่าเง่อื นไขชุดท่ี 1 และ
ชุดท่ี 2

รปู ที่ 7 กราฟเปรยี บเทยี บผลการกระจายตวั ของ 5. สรปุ
อุ ณ ห ภู มิร ะ ห ว่ า งก า ร ท ด ล อ ง กับ ก า ร ค า น ว ณ ด้ ว ย
คอมพวิ เตอร์ ในเงอ่ื นไขชดุ ท่ี 2 งานวิจัยน้ีเป็ นการศึกษาการกระจายตัวของ
อุณ หภู มิในเหล็กคาร์บอนต่ า AISI 1015 (Low
รปู ท่ี 8 กราฟเปรยี บเทยี บผลการกระจายตวั ของ carbon steel) ท่เี ช่อื มด้วยวธิ เี สยี ดทาน ทาการศกึ ษา
อุ ณ ห ภู มิร ะ ห ว่ า ง ก า ร ท ด ล อ ง กับ ก า ร ค า น ว ณ ด้ ว ย จากการสรา้ งแบบจาลองดว้ ยคอมพวิ เตอร์ และเทยี บ
คอมพวิ เตอร์ ในเงอ่ื นไขชดุ ท่ี 3 ผลกบั การทดลอง เงอ่ื นไขทใ่ี ชเ้ ป็นเง่อื นไขเดยี วกนั กบั
การทดลอง ซง่ึ แบ่งเง่อื นไขการทดลองออกเป็น 3 ชุด
จากกราฟในรปู ท่ี 6, 7 และ 8 เม่อื พจิ ารณาเทยี บ โดยแต่ละชุดมีความแตกต่างกนั ท่ีแรงดันเสียดทาน
ผลกัน ระหว่างการทดลองและแบบจาลองด้วย (Friction pressure) และเวลาเสียด ท าน (Friction
คอมพวิ เตอร์ พบว่า ในช่วงแรกของกระบวนการ (0-5 time) ท่ีมีการเพิ่มข้ึนตามลาดับ ทั้งน้ีก็เพ่ือให้ผล
วิน าที ) อุ ณ ห ภู มิท่ี วัด ได้จ าก ก ารท ด ล องแ ล ะ แบบจาลองด้วยคอมพิวเตอร์ และการทดลองมี
แบบจาลองด้วยคอมพิวเตอร์ นัน้ มผี ลค่อนขา้ งท่จี ะ แนวโน้มทใ่ี กลเ้ คยี งกนั และมที ศิ ทางทส่ี อดคลอ้ งกนั
แตกต่างกนั พอสมควร เน่ืองจากในการทดลองจรงิ ๆ
นัน้ เครอ่ื งเช่อื มตอ้ งใชเ้ วลาในการทาความเรว็ รอบและ ผลการศกึ ษา พบว่า แบบจาลองดว้ ยคอมพวิ เตอร์
สร้างแรงดนั เพ่อื ให้เกดิ ความร้อนท่ีผิวสมั ผสั ดงั นัน้ สามารถทานายผลการกระจายตัวของอุณหภูมิได้
ในช่วงแรกๆอุณหภูมิท่ไี ด้จากการทดลอง จึงมคี ่าต่า ใกล้เคยี งกบั ผลการทดลองในระดบั ท่ียอมรบั ได้ โดย
กว่าอุณหภูมิท่ีได้จากแบบจาลองด้วยคอมพิวเตอร์ ในช่วงแรกพบว่า ผลแบบจาลองด้วยคอมพวิ เตอร์ มี
อย่างไรก็ตามหลงั จากผ่านช่วงแรกของการเช่อื มไป ความแตกต่างกันกับผลการทดลองอยู่พอสมควร
เน่ืองจาก ในการทดลองนัน้ เคร่อื งเช่อื มตอ้ งใชเ้ วลาใน
การเพม่ิ ความเรว็ รอบและแรงดนั อย่างไรกต็ าม เม่อื
เคร่อื งเช่อื มเขา้ สสู่ ภาวะการทางานไดเ้ ตม็ ทแ่ี ลว้ พบว่า
ผลการทดลองและแบบจาลองดว้ ยคอมพวิ เตอร์ ใหค้ ่า
อุณหภูมิท่ใี กล้เคียงกนั มาก และมีความใกล้เคียงกนั
มากย่ิงข้นึ เม่ือแรงดนั เสยี ดทานและเวลาเสยี ดทาน
เพม่ิ ขน้ึ โดยการเพ่มิ แรงดนั เสยี ดทานเป็นการเร่งให้
การเช่ือมผลติ ความร้อนได้สูงข้ึน และการเพิ่มเวลา
เสยี ดทานเป็นการเพม่ิ เวลาใหค้ วามรอ้ นจากการเช่อื ม

161

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

กระจายตัวออกไปตามความยาวของช้ินงานได้มาก
และนานขน้ึ

6. กิตติกรรมประกาศ
ขอขอบคุณ วิทยาลัยธาตุพนม มหาวิทยาลัย

นครพนม ท่ีให้การสนับสนุนทุนวจิ ยั และขอขอบคุณ
คณะวศิ วกรรมศาสตร์ มหาวทิ ยาลยั อุบลราชธานี ท่ี
สนับสนุนอุปกรณ์การทดลอง รวมถึงคณาจารย์ทุก
ท่าน ทใ่ี หค้ าปรกึ ษาและคาแนะนาเป็นอย่างดี

เอกสารอ้างอิง
[1] Hazman Seli, Ahmad Izani Md., (2010).

Mechanical evalution and thermal modeling of
friction welding of mild steel and aluminium,
Journal of Materials Processing Technology
210(2010) 1209-1216

[2] Wen-Ya Li , Tiejun Ma , Jinglong
Li.,(2009). Numerical simulation of linear friction
welding of titanium alloy : Effect of processing
parameter, Material and Design 31 (2010) 1497-
1507

[3] Weldguru.com. “Guide to the Friction
WeldingProcess”Process.www.weldguru.com/fricti
on-weld.html. 2557.

[4] Wenya Li , Feifan Wang.,(2 0 1 1 ) .
Modeling of continuous drive friction welding of
mild steel, Materials Science and Engineering A
528(2011) 5921-5926

[5] Kimura, M., Kimura, M., Inoue, H.,
Kusaka, M.,Kaizu, K. and Fuji, A. “Analysis of
friction welding torque and weld interface
temperature during friction process of steel friction
welding”, Journal of Solid Mechanics and
Materials Engineering. 4(3): 401-413; 2010.

162

รหสั บทความ : MSFE03

การเพ่ิมอตั ราขยายของสายอากาศโมโนโพลในระบบลอรา่ แวน
โดยใช้ช่องว่างแถบแม่เหลก็ ไฟฟ้าสาหรบั ประยกุ ต์ใช้งานในฟารม์
Gain Enhancement of a Monopole Antenna in LoRaWAN system

Using Electromagnetic Band Gap for Farm Application

ศรนั ย์ คมั ภรี ภ์ ทั ร1* เภาภทั รา คาพกิ ลุ 2 วชิ ชพุ งษ์ วบิ ูลเจรญิ 1 ธนาฒน์ สกุ นวล1 ไมตรี ธรรมมา1

1สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละสถาปัตยกรรมศาสตร์ มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน
744 ถนนสุรนารายณ์ ตาบลในเมอื ง อาเภอเมอื ง จงั หวดั นครราชสมี า 30000 โทรศพั ท์ 044-233000 ตอ่ 3124
2ภาควชิ าวศิ วกรรมไฟฟ้า คณะวศิ วกรรมศาสตร์ มหาวทิ ยาลยั เชยี งใหม่
239 ถนนหว้ ยแกว้ ตาบลสุเทพ อาเภอเมอื ง จงั หวดั เชยี งใหม่ 50200 โทรศพั ท์ 053-944140 ตอ่ 102
* E-mail: [email protected], 096-954-5154

บทคดั ยอ่
งานวจิ ยั น้ีไดอ้ ธบิ ายการออกแบบและปรบั ปรงุ การเพมิ่ อตั ราขยายสายอากาศโมโนโพลในลอรา่ แวนความยาวสส่ี ว่ น
ของความยาวคล่นื สาหรบั การส่อื สารประยุกต์ใชง้ านในฟารม์ ด้วยโครงสรา้ งตวั กลางครอบเจาะรูรูปสเ่ี หลย่ี มใน
แนวตงั้ ซ่ึงจดั เป็นอภิวสั ดุชนิดหน่ึง ท่สี ามารถช่วยเพิ่มประสทิ ธิภาพของสายอากาศในเร่อื งการเพมิ่ อตั ราขยาย
ระดบั โหลบขา้ งและหลงั และคล่นื ผวิ โดยงานวจิ ยั น้ีไดท้ าการออกแบบและจาลองผลสายอากาศและมคี วามกวา้ ง
แถบครอบคลุมช่วงความถ่ี 920-925 MHz ซ่ึงสามารถรองรบั การประยุกต์ใช้งานลอร่าแวนได้ จากการจาลองผล
ด้วยโปรแกรมสาเร็จรูป พบว่าสายอากาศโมโนโพลท่ีมีโครงสร้างตัวกลางครอบเจาะรูรูปส่ีเหล่ียมล้อมรอบ
สายอากาศ มอี ตั ราขยายเท่ากบั 10.98 dB หรอื เพม่ิ ขน้ึ จากเดมิ ประมาณ 6.45 dB
คาหลกั : การเพมิ่ อตั ราขยาย; สายอากาศโมโนโพล; ลอร่าแวน

Abstract
This paper proposed the gain improvement for a  / 4 Monopole Antenna in LoRaWAN for Farm
application using a structure of the center covers the rectangular holes in the vertical direction, a one type
of the metamaterial. It is capable to improve the performance of the antennas in term of the bandwidth,
side and back lobes levels, and surface wave. Furthermore, this proposed antenna is designed and
simulated at the bandwidth is between 920-925 MHz, that can support the LoRaWAN applications. From
the simulated results with a simulation program, we found that a monopole antenna encircled with a
structure of the center covers the rectangular holes in the vertical direction can achieve 10.98 dB of gain
or higher than the gain, which is obtained using a basic monopole antenna at around 6.45 dB.
Keywords: Gain enhancement; Monopole Antenna; Long Range Wide Area Network (LoRaWAN)

163

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

1. บทนา ประเภทเส้นลวดตวั นาท่ีประกอบด้วยเส้นลวดตวั นา
ซ่ึงทาหน้าท่ีเป็ นเรโซเนเตอร์สาหรับการแผ่คล่ืน
ววิ ฒั นาการใหม่ๆ ทางดา้ นการตดิ ต่อส่อื สารแบบ แม่เหล็กไฟ ฟ้ า โดยติดตัง้ อยู่บนระนาบกราวด์
ไร้สายนัน้ ได้มีการพัฒนาเพ่ิมมากข้ึนเร่ือยๆ อย่าง เน่ืองจากเส้นลวดตวั นาท่ีมลี กั ษณะเป็นเรโซเนเตอร์
ต่อเน่ื องตั้งแต่ครัง้ อดีต จน กระทั้งถึงปั จจุบัน น้ี แบบเปิด การแผ่คล่นื จงึ เกิดข้นึ ตลอดความยาวของ
เทคโนโลยหี น่ึงทถ่ี ูกมุ่งเน้นและดูแลว้ มแี นวโน้มวา่ จะมี เสน้ ลวด ดงั นนั้ ความยาวของเสน้ ลวดทถ่ี ูกกาหนดดว้ ย
ความต้องการในการใช้งานมากย่ิงข้ึน นั้นก็คือ ความยาวคล่นื จงึ เป็นพารามเิ ตอรส์ าคญั ในการกาหนด
เทคโนโลยีการส่ือสารทางด้านอินเตอร์เน็ตของทุก คุณสมบตั ขิ องโมโพล [2-3] สายอากาศโมโนโพลแบบ
สรรพสิ่ง (Internet of Things: IoT) ท่ีได้ความนิยม
และมกี ารพฒั นาอย่างแพร่หลาย การเขา้ มาของ IoT หน่ึงในส่ขี องความยาวคล่นื (λ/4) นิยมนามาใช้งาน
ทาใหเ้ กดิ การพฒั นาเทคโนโลยตี ่างๆ มากมาย ไม่ว่า มากท่ีสุดอกี ประเภทหน่ึง [4] ลกั ษณสมบตั ิของการ
จะเป็นการผลิตชิปและอุปกรณ์ท่ีใช้กาลังต่า เพ่ือสิ่ง
ต่างๆ สามารถตดิ ต่อสอ่ื สารกนั ไดผ้ ่านอนิ เตอรเ์ น็ต แต่ แผ่กระจายคล่นื แม่เหล็กไฟฟ้าของโมโนโพล λ/4 จะ
ยงั มขี อ้ จากดั ทางดา้ นกาลงั งานทใ่ี ชจ้ ากแบตเตอรห่ี รอื แตกต่างจากไดโพล คอื มกี ารแผ่คล่นื บนระนาบกราวด์
สญั ญาณวทิ ยุท่ตี ่า ไม่สามารถครอบคลุมพ้นื ท่กี ารใช้ เท่านัน้ ไม่มกี ารแผ่คล่นื ใต้ระนาบกราวด์ [5] ดังนัน้
งานได้ ทาใหก้ ารสอ่ื สารยงั ไมม่ ปี ระสทิ ธภิ าพเท่าทค่ี วร
จงึ ได้มีการเร่งพฒั นาเทคโนโลยี LoRa ข้นึ มาซ่ึงเป็น อตั ราขยายของสายอากาศโมโนโพล λ/4 จงึ ขน้ึ อย่กู บั
โป รโต คอล ไร้ส าย แ บ บ ให ม่ ท่ีออก แ บ บ ม าเพ่ือ กา ร ความยาวของเส้นลวดตัวนา และขนาดของระนาบ
ส่อื สารระยะไกล (Long-range) และใชก้ าลงั ต่า (Low- กราวด์ ซ่ึงพบว่าระนาบกราวด์ท่มี ีขนาดใหญ่ก็จะให้
power) เพ่อื ให้เทคโนโลยี LoRa มปี ระสทิ ธภิ าพมาก อัตราขยายท่ีสูงกว่า [6] แต่จากการศึกษาพบว่า
ยง่ิ ขน้ึ สามารถใชง้ านได้ครอบคลุมพน้ื ทร่ี ะยะไกล ทา ระนาบกราวด์ท่ีมีขนาดใหญ่จะมีความยุ่งยากและ
ใหเ้ กดิ ความทา้ ทายในการออกแบบสายอากาศ ซ่งึ จดั ซับ ซ้อน ใน การออกแบ บ และติดตั้งใช้งาน ใน
ได้ว่าเป็นอุปกรณ์ท่สี าคญั อย่างหน่ึงท่ีจะขาดไปไม่ได้ ข ณ ะ เดีย ว กัน ร ะ น า บ ก ร า ว ด์ ท่ีมีข น า ด เล็ก ก็ จ ะ ล ด
ในระบบการส่อื สารแบบไรส้ าย ดงั นัน้ สายอากาศเป็น ประสทิ ธภิ าพของสายอากาศโมโนโพล
อุปกรณ์ท่ีสาคัญในระบบส่ือสารซ่ึงทาหน้าท่ีในการ
เปล่ยี นพลงั งานไฟฟ้าให้เป็นคล่นื แม่เหล็กไฟฟ้าแล้ว อภิวสั ดุ (Metamaterial) [7] ซ่งึ เป็นวสั ดุประดษิ ฐ์
สง่ ออกไป และคล่นื แม่เหลก็ ไฟฟ้าทร่ี บั มาเป็นพลงั งาน เชิงวิศวกรรม ท่ีถูกออกแบบและสร้างข้ึนเพ่ือให้มี
ไฟฟ้ าในภาครับ สายอากาศโมโนโพล (Monopole คณุ สมบตั ทิ างแม่เหลก็ ไฟฟ้าเป็นไปตามทต่ี ้องการ ซ่งึ
antenna) เป็ น ส าย อ าก าศ แ บ บ เส้ น ล ว ด (Wire มีสมบตั ิท่ีไม่ปรากฏตามธรรมชาติทวั่ ไป โดยสมบัติ
antenna) ท่ีนิยม เน่ืองจากขนาดท่ีเล็กกะทัดรัด ของวสั ดุเหล่านัน้ ปกติเกดิ จากโครงสร้างมากกว่าการ
น้าหนักเบา สามารถออกแบบ สรา้ ง และตดิ ตงั้ ใชง้ าน จัดเรียง (Composition) จากการผนวกกันของวัสดุ
ไดโ้ ดยงา่ ย จากการศกึ ษาค้นควา้ ขอ้ มลู สายอากาศโม ขนาดเลก็ (ปกตจิ ะมขี นาดเลก็ กว่าความยาวคล่นื มาก)
โนโพลในฐานข้อมูลจาก IEEE จากงานวิจัยของ ท่ีมีสมบัติไม่เหมือน กัน (Inhomogeneous) [8–9]
Kudpik, R., Meesawad, P. and Wongsan, R.. [1] สมบตั ิทางแม่เหล็กไฟฟ้าท่ีว่าดงั กล่าว คอื ค่าสภาพ
ไดอ้ อกแบบสายอากาศโมโนโพล โดยสายอากาศโมโน
โพ ล (Monopole Antenna) จัด เป็ น ส า ย อ า ก า ศ ยอมทางไฟฟ้า (Electric Permittivity: ε) คา่ ความซมึ
ซาบ ได้ทางแม่ เห ล็ก (Magnetic Permeability: µ)
และค่าดชั นีการหกั เหของแสง (Refractive Index: n)
ดงั นัน้ อภวิ สั ดุสามารถประกอบขน้ึ จากการฝังของวสั ดุ
ประดษิ ฐห์ ลายชนดิ รวมตวั กนั เขา้ ไปยงั ในตวั กลางหรอื

164

ผวิ ของตวั กลางท่กี าหนดซ่ึงผูอ้ อกแบบสามารถเลอื ก 2. การออกแบบสายอากาศโมโนโพล
พารามเิ ตอรต์ ่างๆ ไดอ้ ย่างอสิ ระ เช่น คุณสมบตั ติ ่างๆ จากรูปท่ี 1 แสดงสายอากาศโมโนโพล λ/4 ถูก
ของตวั กลาง ขนาดรปู ร่างและส่วนประกอบทจ่ี ะใสเ่ ขา้
ไป ความหนาแน่นหรือการจัดวางตาแหน่งเพ่ือให้ ออกแบบทค่ี วามถ่ปี ฏบิ ตั กิ าร 922.5 MHz มขี นาดเสน้
ไดผ้ ลตอบสนองพเิ ศษทางแม่เหลก็ ไฟฟ้าทไ่ี ม่สามารถ ผ่านศูนย์กลางเท่ากับ 1 mm บนระนาบกราวด์แบบ
เกดิ ขน้ึ จากวสั ดุตามธรรมชาตทิ วั่ ไป เช่น ค่าความซึม วงกลมขนาดเส้นผ่านศูนยก์ ลางเท่ากับหน่ึงความยาว
ซาบไดท้ างแม่เหลก็ เป็นลบ และคา่ ดชั นีการหกั เหของ คล่นื จากผลการจาลองด้วยโปรแกรมสาเร็จรูปทาง
แสงเป็นลบ เหตุผลน้ีวสั ดุทางแม่เหลก็ ไฟฟ้าชนิดน้ีจงึ คล่นื แม่เหล็กไฟฟ้า จะได้ค่าสมั ประสทิ ธกิ์ ารสะท้อน
ถูกเรียกอกี ช่อื หน่ึงว่า วสั ดุเหนือธรรมชาติ [10] และ (Reflection Coefficient) หรอื S11 และแบบรูปการแผ่
จ า ก ก า ร ศึ ก ษ า พ บ ว่ า โค ร ง ส ร้า ง อ ภิ วัส ดุ ท่ี มี ค ว า ม พลงั งาน (Radiation Pattern) แสดงได้ดงั รูปท่ี 4 และ
เหมาะสมกบั รูปร่างของลาคล่นื ทอ่ี อกจากสายอากาศ 5 ตามลาดบั มคี วามกวา้ งแถบเทา่ กบั 40 MHz และมี
จะทาหน้าท่ีเป็ นวงจรเรโซแนนซ์เม่ือนามาวางหน้า อตั ราขยายเทา่ กบั 4.53 dB
สายอากาศ ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมของ
สายอากาศดขี ้นึ โดยได้แนวคิดมาจากงานวิจยั ของ รปู ท่ี 1 สายอากาศโมโนโพล λ/4
Kampheephat, S., Kamphikul, P., Wongsan, R.
[11] รวมถึงงานวิจัยของ Duangtang, P. Mesawad 5. การออกแบบอภิวสั ดแุ ละผลการจาลองระบบ
P. and Wongsan, R. [12] ดังนั้น งาน วิจัยน้ี จึงได้ สายอากาศโมโนโพล
นาเสนอการปรบั ปรุงอตั ราขยายของสายอากาศโมโน 5.1 อภิวสั ดโุ ครงสร้างตวั กลางครอบเจาะรรู ปู
โพลทจ่ี ะเป็นสายอากาศหลกั ในการใช้งานเทคโนโลยี ส่ีเหล่ียมในแนวตงั้ และสายอากาศโมโนโพล
LoRaWAN ด้วยโครงสร้างตัวกลางครอบเจาะรูรูป
ส่เี หล่ยี มในแนวตงั้ จึงได้นาเสนอเทคนิคอภิวสั ดุแบบ ในส่วนแรกของงานวจิ ัยน้ีได้เลือกท่ีจะปรบั ปรุง
ผสมสาหรบั การเพม่ิ ประสทิ ธภิ าพของสายอากาศโมโน ประสทิ ธภิ าพของสายอากาศโมโนโพล λ/4 งานวจิ ยั น้ี
โพล โดยได้เลือกอภิวสั ดุโครงสร้างแบบหลุมโลหะ ไดป้ รบั ปรุงในส่วนของความกว้างแถบและการแมตช์
( Metallic holes structure) [13-14] ส า ห รั บ ก า ร อมิ พแี ดนซ์ก่อน ดว้ ยการนาอภวิ สั ดุโครงสรา้ งตวั กลาง
ปรบั ปรุงความกว้างแถบและการแมตช์อิมพีแดนซ์ ครอบเจาะรูรปู สเ่ี หลย่ี มในแนวตงั้ แบบทรงกระบอกมา
และโครงสร้างตวั กลางแบบเส้นลวดแนวตงั้ (Vertical วางครอบสายอากาศดงั รูปท่ี 2 โดยอภวิ สั ดุโครงสรา้ ง
wire medium structure) [15-16] ส าห รับ ก ารเพ่ิ ม ตวั กลางครอบเจาะรูรูปส่เี หล่ยี มในแนวตงั้ มีความสูง
อัตราขยายของสายอากาศโมโนโพล และจากผล เท่ากบั ความสงู ของโมโนโพล คอื λ/4 และมรี ะยะห่าง
การศกึ ษาพบว่าเม่อื นาอภวิ สั ดุแบบผสมทงั้ สองชนิดน้ี ของหลุมและความกว้างกับยาวของหลุม เท่ากับ
ท่ีได้ออกแบบปรับค่าพารามิเตอร์และระยะห่างท่ี λ/500 และ λ/200 ตามลาดบั โดยมรี ศั มคี วามโคง้ ของ
เหมาะสมแล้ว มาวางลอ้ มรอบโมโนโพล พบว่าระบบ ทรงกระบอกเท่ากบั λ/22 จากการจาลองผลพบวา่ เม่อื
สายอากาศโมโนโพลท่ไี ด้นาเสนอน้ีมีความกวา้ งแถบ
และการแมตชอ์ มิ พแี ดนซท์ ด่ี ขี น้ึ และยงั ใหอ้ ตั ราขยายท่ี
สูงข้นึ อีกด้วยเม่อื เทียบกบั สายอากาศโมโนโพลแบบ
เดมิ

165

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

นาอภิวสั ดุโครงสรา้ งตวั กลางครอบเจาะรูรูปส่เี หล่ยี ม 5.2 อภิวสั ดโุ ครงสร้างแบบผสมและสายอากาศโม
ในแนวตงั้ แบบทรงกระบอกมาวางครอบสายอากาศ โนโพล
ส่งผลให้ความกว้างแถบเพ่ิมข้ึนเท่ากับ 29 MHz
เพิ่มข้ึนจากสายอากาศโมโนโพลเดิมประมาณ 14 งานวจิ ยั น้ีได้ออกแบบอภิวสั ดุโครงสร้างตวั กลาง
MHz มกี ารแมตชอ์ มิ พแี ดนซ์ทด่ี ขี น้ึ และนอกจากน้ี ยงั แบบเส้นลวดแนวตงั้ สาหรบั การเพมิ่ อตั ราขยายของ
สง่ ผลใหส้ ายอากาศมอี ตั ราขยายเพมิ่ ขน้ึ เป็น 7.53 dB สายอากาศโมโนโพล ดงั รปู ท่ี 3(ก) จากงานวจิ ยั [12 -
ดงั ตารางท่ี 1 13] พบว่าจานวนอลิ เิ มนตท์ เ่ี หมาะสมสาหรบั

ดา้ นหน้า ดา้ นบน

(ก) อภวิ สั ดโุ ครงสรา้ งตวั กลางแบบเสน้ ลวด

แนวตงั้

(ก) อภวิ สั ดุโครงสรา้ งตวั กลางครอบเจาะรูรปู
สเ่ี หลย่ี มในแนวตงั้

(ข) สายอากาศโมโนโพล λ/4 และอภวิ สั ดุ
รปู ท่ี 3 สายอากาศโมโนโพล λ/4 ตน้ แบบ

(ข) เม่อื นาโครงสรา้ งตวั กลางครอบเจาะรูรปู งานวิจัยน้ี คือจานวน 12 อิลิเมนต์ โดยมีขนาดเส้น
สเ่ี หลย่ี มในแนวตงั้ มาวางลอ้ มรอบโมโนโพล ผ่านศูนย์กลาง (d=1 mm) และมีความยาวเท่ากับ
ความยาวของสายอากาศโมโนโพล รูปท่ี 3(ข) แสดง
รปู ท่ี 2 สายอากาศโมโนโพล λ/4 และอภวิ สั ดุ สายอากาศโมโนโพลต้นแบบ ท่ปี ระกอบด้วยอภวิ สั ดุ
โครงสรา้ งตวั กลางครอบเจาะรรู ปู สเ่ี หลย่ี มในแนวตงั้ โครงสร้างแบบผสม คอื โครโครงสรา้ งตวั กลางครอบ
เจาะรรู ปู สเ่ี หลย่ี มในแนวตงั้ และโครงสรา้ งตวั กลางแบบ
เสน้ ลวดแนวตงั้ มรี ะยะห่างระหวา่ งโครงสรา้ งตวั กลาง
แบบเส้นลวดแนวตงั้ และโมโนโพล (dr=10 mm) จาก
การจาลองผลพบว่าสายอากาศโมโนโพลต้นแบบน้ี

166

โดยมอี ตั ราขยายเท่ากบั 10.98 dB ซง่ึ เพม่ิ ขน้ึ ถงึ 6.45 ตารางท่ี 1 ผลการจาลอง
dB เม่อื เทยี บกบั สายอากาศโมโนโพลเด่ยี ว และ 3.45
dB เม่ือเทียบกับสายอากาศโมโนโพลและอภิวัสดุ สายอากาศโมโน ช่วงความถี่ ความกว้าง อตั ราขยาย
โครงสร้างตวั กลางครอบเจาะรูรูปส่เี หล่ยี มในแนวตงั้
และยงั พบว่าอภิวสั ดุโครงสร้างตวั กลางแบบเส้นลวด โพล λ/4 ใช้งาน (MHz) แถบ (MHz) (dB)
แนวตัง้ ยังส่งผลให้ระบบสายอากาศมีการแมตช์
อิมพีแดนซ์ท่ีดีข้ึน ดังรูปท่ี 4 รูปท่ี 5 แสดงการ โมโนโพลเดย่ี ว 925-940 15 4.53
เปรยี บเทียบผลแบบรูปการแผ่กระจายกาลงั งานของ
ระบบสายอากาศโมโนโพลทงั้ 3 แบบ โมโนโพลและอภิ

วสั ดโุ ครงสรา้ ง

ตวั กลางครอบ 921-950 29 7.53
เจาะรรู ปู

สเ่ี หลย่ี มใน

แนวตงั้

โมโนโพลและอภิ

 =00° 45° วสั ดุ แบบผสม 910-950 40 10.98
-10 90° (โมโนโพลตน้
45°
90° -20 แบบ)

-30

135° 135°

180° Single Monopole
Monopole+Metallic Holes
Monopole+Metallic Holes+Wire Medium

(ก) ระนาบสนามไฟฟ้า

315°  = 0° 45° รปู ที่ 4 ค่าสมั ประสทิ ธกิ์ ารสะทอ้ นกลบั (S11) ของ
270° 90° สายอากาศ
0
-10 6. สรปุ
งานวิจัยน้ีได้นาเสนอการเพม่ิ ประสทิ ธภิ าพของ
-20
สายอากาศโมโนโพล λ/4 ด้วยเทคนิคอภิวสั ดุแบบ
-30 ผสม ได้แก่อภิวสั ดุโครงสรา้ งตวั กลางครอบเจาะรูรูป
สเ่ี หลย่ี มในแนวตงั้ สาหรบั การช่วยปรบั ปรุงความกวา้ ง
225° 135° แถบและการแมตชอ์ มิ พแี ดนซ์ของสายอากาศ และอภิ
วสั ดุโครงสรา้ งตวั กลางแบบเสน้ ลวดแนวตงั้ สาหรบั การ
180° Single Monopole ช่วยเพิ่มอัตราขยายของสายอากาศโมโนโพล ท่ี
Monopole+Metallic Holes ความถ่ีปฏิบัติการท่ี 922.5 MHz จากผลการจาลอง
Monopole+Metallic Holes+Wire Medium ของสายอากาศโมโนโพลต้นแบบ พบว่าสายอากาศมี

(ข) ระนาบสนามแมเ่ หลก็

รปู ที่ 5 แบบรปู การแผ่กระจายกาลงั งาน

167

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

ความ กว้างแ ถ บ เพิ่ ม ข้ึน 40 MHz มีการแ ม ต ช์ [6] Valentino T.,(2001). Short Medium Frequency
อมิ พแี ดนซ์ทด่ี ขี น้ึ เม่อื พจิ ารณาจากค่าสมั ประสทิ ธกิ์ าร AM Antennas,” IEEE Transactions on
สะท้อนกลบั (S11) ของสายอากาศ และมอี ตั ราขยาย Broadcasting, Vol. 47, No. 3, pp. 263 – 284.
สูงข้นึ ถึง 6.45 dB เม่อื เทยี บกบั สายอากาศโมโนโพล
เดย่ี ว ทาใหป้ ระสทิ ธภิ าพโดยรวมของสายอากาศดขี น้ึ [7] Yang, F. et al., (2009). Electromagnetic Band
Gap Structures in Antenna Engineering,
7. กิตติกรรมประกาศ Cambridge University Press, Cambridge.
ขอขอบพระคุณคณาอาจารย์ทุกๆ ท่านในสาขา
[8] นิ วัต ร์ อัง ค วิ ศิ ษ ฐ พั น ธ์ . (2553). อ ภิ วัส ดุ
วศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ ซ่งึ ไดใ้ หค้ วามอนุเคราะห์ ให้ ( Metamaterials) . ว า ร ส า ร วิ ช า ก า ร
คาแนะนาและแน วคิดท่ีมีป ระโยชน์ และคณ ะ วศิ วกรรมศาสตร์ มหาวทิ ยาลยั อุบลราชธานี, ปีท่ี
วิศวกรรมศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัย 3, ฉบบั ท่ี 2, หน้า 52-60.
เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน นครราชสมี า ทไ่ี ด้เออ้ื เฟ้ือ
อุปกรณ์ท่ใี ชใ้ นการจาลองผลในการทางานวจิ ยั ส่งผล [9] ศราวุธ ชัยมูล และ ประยุทธ อัครเอกฒาลิน.
ใหง้ านวจิ ยั ฉบบั น้ีสาเรจ็ ลุลว่ งไปไดด้ ว้ ยดี (2554). อภิวัสดุสาหรับการประยุกต์ใช้ด้าน
ส า ย อ า ก า ศ ( Metamaterials for Antenna
8. เอกสารอ้างอิง Applications). วารสารวชิ าการพระจอมเกล้าพระ
[1] Kudpik, R., Meesawad P., and Wongsan R., นครเหนือ, ปีท่ี 21, ฉบบั ท่ี 2, หน้า 472-482.

2017. Bandwidth Enlargement of λ /4 [10] นันทกานต์ วงศ์เกษม และ คณิ ศร์ มาตรา.
Monopole above Ground Plane with Metallic (2552). วัสดุเห นื อธรรม ชาติ. วารสารวิจัย
Holes Structure, International Symposium on มหาวทิ ยาลยั ขอนแก่น, ปีท่ี 14, ฉบับท่ี 2, หน้า
Antennas and Propagation (ISAP-2017), 133-149.
Phuket, Thailand, 21 December 2017.
[2] M.Weiner, Monopole Antennas, (2003). 1st [11] Kampeephat S., Kamphikul P., and Wongsan
ed., The MITRE Corporation Massachusetts, R., (2017). Gain improvement for
U.S.A., 2003. conventional rectangular horn antenna with
[3] Z. Zivkovic, et al., (2012). Radiation pattern additional two-layer wire medium structure,
and impedance of a quarter wavelength (PIERS) Progress in Electro - magnetics
monopole antenna above a finite ground Research Symposium, Singapore, pp. 2493 -
plane, (SoftCOM 2012), 20th International 2497.
Conference on Software, Telecommunications
and Computer Networks, pp 1-5. [12] Duangtang P., Mesawad P., Wongsan R.,
[4] A. Muhammad, (2016). Report on Quarter (2016). Gain Improvement of Conical Horn
Wave Monopole Antenna. Antennas by Adding Wire Medium Structure,
[5] Farahani, S., (2008) . ZigBee Wireless 13th International Conference on Electrical
Networks and Transceivers, Newnes. Engineering / Electronics, Computer,
Telecommunications and Information
Technology, Chiang Mai, Thailand, 2016.

168

[13] Beruete, M., Campillo, I. , Navarro-Cia, M. ,
Falcone F. and Sorolla M., (2007). Moldling
left-or right-handed metamaterials by stacked
cutoff metallic hole arrays, IEEE Transactions
on Antennas and Propagation, Vol. 55, 6
June 2007.

[14] Beruete, E. , Campillo, I. , Rodriguez-Seco,
J.E, Perea E. , Navarro-Cia, M., Nunez-
Manrigue I.J. and Sorolla M., (2007).
Enhanced gain by double-periodic stacked
subwavelength hole array, IEEE Microwave
and wireless components letters, Vol. 17, 12
December 2007.

[15] Simovski, C.R., et al., (2012). Wire
Metamaterials Physics and Applications,
Advanced Materials, Vol. 24, Issue 31,
August 2012, pp. 4229 – 4248.

[16] Kampeephat, S. et al., (2019). Enhancement
of Monopole Antenna Gain with Additional
Vertical Wire Medium Structure, Progress in
Electromagnetics Research Symposium,
Rome, Italy, June 2019, pp. 2687 – 2690.

169

รหสั บทความ : MSFE04

การออกแบบสายอากาศสายอากาศโมโนโพลในเทคโนโลยีซิกบี
สาหรบั การประยกุ ตใ์ ช้งานในฟารม์

Design of a monopole Antenna in Technology Zigbee
for Farm Application

ศรนั ย์ คมั ภรี ภ์ ทั ร1* เภาภทั รา คาพกิ ุล2 วชิ ชพุ งษ์ วบิ ูลเจรญิ 1 ธนาฒน์ สกุ นวล1 ไมตรี ธรรมมา1

1สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละสถาปัตยกรรมศาสตร์ มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน
744 ถนนสรุ นารายณ์ ตาบลในเมอื ง อาเภอเมอื ง จงั หวดั นครราชสมี า 30000 โทรศพั ท์ 044-233000 ต่อ 3124
2ภาควชิ าวศิ วกรรมไฟฟ้า คณะวศิ วกรรมศาสตร์ มหาวทิ ยาลยั เชยี งใหม่
239 ถนนหว้ ยแกว้ ตาบลสเุ ทพ อาเภอเมอื ง จงั หวดั เชยี งใหม่ 50200 โทรศพั ท์ 053-944140 ตอ่ 102
* E-mail: [email protected], 096-954-5154

บทคดั ย่อ
งานวจิ ยั น้ีไดอ้ ธบิ ายการออกแบบและปรบั ปรุงการเพม่ิ อตั ราขยายสายอากาศโมโนโพลในซกิ บคี วามยาวสส่ี ่วนของ
ความยาวคล่นื สาหรบั การส่อื สารไร้สารในการประยุกต์ใช้งานในฟาร์ม ด้วยโครงสรา้ งลวดตวั กลางเช่อื มต่อใน
แนวตงั้ ซง่ึ เพ่อื เพมิ่ ชว่ งความถ่ใี ชง้ าน รว่ มกบั โครงสรา้ งตวั กลางในแนวตงั้ ซง่ึ จดั เป็นอภวิ สั ดชุ นิดหน่งึ ทส่ี ามารถชว่ ย
เพม่ิ ประสทิ ธภิ าพของสายอากาศในเรอ่ื งการเพม่ิ อตั ราขยาย ระดบั โหลบขา้ งและหลงั และคล่นื ผวิ โดยงานวจิ ยั น้ีได้
ทาการออกแบบและจาลองผลสายอากาศและมคี วามถ่ีปฏบิ ตั กิ าร 868 MHz 915 MHz และ 2.4 GHZ ซง่ึ สามารถ
รองรบั กบั เทคโนโลยีซิกบีในการประยุกต์ใช้งานในฟาร์มได้ จากการจาลองผลด้วยโปรแกรมสาเรจ็ รูป พบว่า
สายอากาศโมโนโพลทม่ี โี ครงสรา้ งตวั กลางดว้ ยโครงสรา้ งลวดตวั กลางเช่อื มต่อในแนวตงั้ รว่ มกบั โครงสรา้ งตวั กลาง
ในแนวตงั้ ลอ้ มรอบสายอากาศ พบว่าระบบสายอากาศโมโนโพลทไ่ี ดน้ าเสนอน้ีมกี ารแมตช์อมิ พแี ดนซ์ทด่ี ขี น้ึ และ
ยงั ใหอ้ ตั ราขยายความถ่ปี ฏบิ ตั กิ าร 868 MHz 915 MHz และ 2.4 GHZ เท่ากบั 9.9 dB, 11.72 dB และ 12.15 dB
ตามลาดบั หรอื เพม่ิ ขน้ึ จากสายอากาศโมโนโพลเดมิ ประมาณ 6.34 dB, 7.21 dB และ 8.45 dB ตามลาดบั
คาหลกั : การเพม่ิ อตั ราขยาย; สายอากาศโมโนโพล; ซกิ บี

Abstract
This paper proposed the gain improvement for a  / 4 Monopole Antenna in Zigbee for Farm application
using a vertically connected center wire structure to increase the operating frequency range together with
the vertical medium structure, a one type of the metamaterial. It is capable to improve the performance of
the antennas in term of the bandwidth, side and back lobes levels, and surface wave. Furthermore, this
proposed antenna is designed and simulated at the operating frequency of 868 MHz 915 MHz and 2.4
GHZ, that can support the Zigbee applications. From the simulated results with a simulation program, we
found that a monopole antenna encircled with a vertically connected center wire structure to increase the

171

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

operating frequency range together with the vertical medium structure, we found that this proposed
monopole antenna not only provides a better impedance matching, but also a high gain improvement of
operating frequency of 868 MHz 915 MHz and 2.4 GHZ equal to 9.9 dB, 11.72 dB and 12.15 dB,
respectively. of gain or higher than the gain, which is obtained using a basic monopole antenna at around
6.34 dB, 7.21 dB and 8.45 dB, respectively.
Keywords: Gain enhancement; Monopole Antenna; Zigbee

1. บทนา ส่อื สารประมาณ 200 เมตร สาหรบั ในอาคารมีระยะ
สอ่ื สาร ประมาณ 30 เมตร สามารถเพมิ่ ระยะสอ่ื สารได้
ระบบเครือข่ายเซนเซอร์เป็ นการติดต่อส่ือสาร โดยการเพ่ิม Intermediate Node หรือ Router โดย
แบบไรส้ ายนัน้ ไดม้ กี ารพฒั นาเพม่ิ มากขน้ึ เร่อื ยๆ อยา่ ง Zigbee นัน้ เป็นโปรโตคอลไรส้ ายแบบใหม่ทอ่ี อกแบบ
ตอ่ เน่ืองตงั้ แต่ครงั้ อดตี จนกระทงั้ ถงึ ปัจจบุ นั ซง่ึ ทงั้ น้เี พ่อื มาเพ่ือการส่อื สารระยะไกล (Long-Range) เพ่อื ให้มี
เพ่มิ ประสทิ ธิภาพและแก้ปัญหาการใช้งานเครอื ข่าย ประสทิ ธภิ าพมากยงิ่ ข้นึ สามารถใช้งานได้ครอบคลุม
เซนเซอร์ไร้สาย เทคโนโลยีการส่ือสารทางด้าน พน้ื ทร่ี ะยะไกล ทาใหเ้ กิดความทา้ ทายในการออกแบบ
อินเตอร์เน็ตของทุกสรรพส่ิง (Internet of Things: สายอากาศซง่ึ จดั ไดว้ า่ เป็นอปุ กรณ์ทส่ี าคญั อยา่ งหน่งึ ท่ี
IoT) ท่ีมีระบบเครือข่ายเซนเซอร์เป็ นกลไกทางาน จะขาดไปไม่ได้ในระบบการส่อื สารแบบไรส้ าย ดงั นัน้
ไดร้ บั ความนิยมและมกี ารพฒั นาอย่างแพรห่ ลาย การ สายอากาศเป็นอุปกรณ์ท่สี าคญั ในระบบส่อื สารซ่งึ ทา
เขา้ มาของ IoT ทาให้เกดิ การพฒั นาเทคโนโลยีต่างๆ หน้าท่ีในการเปล่ียนพลังงานไฟฟ้ าให้เป็ นคล่ืน
มากมาย ไม่ว่าจะเป็ นการผลิตชิปและอุปกรณ์ท่ีใช้ แม่เหล็กไฟฟ้าแล้วส่งออกไป และคล่นื แม่เหลก็ ไฟฟ้า
กาลงั ต่า เพ่อื สงิ่ ต่างๆ สามารถตดิ ตอ่ ส่อื สารกนั ไดผ้ ่าน ทร่ี บั มาเป็นพลงั งานไฟฟ้าในภาครบั สายอากาศโมโน
อนิ เตอร์เน็ต แต่ยงั มีขอ้ จากดั ทางด้านกาลงั งานท่ใี ช้ โพล (Monopole Antenna) เป็นสายอากาศแบบเส้น
จากแบตเตอร่หี รอื สญั ญาณวทิ ยุท่ตี ่าไม่ครอบคุมย่าน ลวด (Wire Antenna) ท่ีนิยม เน่ืองจากขนาดท่ีเล็ก
ความถ่ีปฏิบตั ิการ ไม่สามารถครอบคลุมพ้นื ท่กี ารใช้ กะทดั รดั น้าหนักเบา สามารถออกแบบสร้างและใช้
งานได้ ทาใหก้ ารสอ่ื สารยงั ไม่มปี ระสทิ ธภิ าพเท่าทค่ี วร งานไดง้ า่ ย จากการศกึ ษาคน้ คว้าขอ้ มลู สายอากาศโม
จงึ ได้มกี ารเร่งพฒั นาเทคโนโลยี Zigbee โดย Zigbee โนโพลในฐานข้อมูลจากงานวิจัยของ Kudpik, R.,
จะมีอัตราการรับส่งข้อมูลต่า ใช้พลังงานต่า (Low- Meesawad, P. and Wongsan, R. [1] ได้ออกแบบ
power) ราคาถูก จุดประสงค์ก็เพ่ือให้สามารถสร้าง สายอากาศโมโนโพล โดยสายอากาศโมโนโพล
ระบบท่ีเรียกว่า Wireless Sensor Network ได้ ซ่ึง จัด เป็ น ส า ย อ าก าศ ป ระเภ ท เส้ น ล ว ด ตัว น า ท่ี
ระบบน้ี จะสามารถทางานทงั้ ในร่ม กลางแจง้ ทนต่อ ประกอบด้วยเส้นลวดตวั นา ซ่ึงทาหน้าท่ีเสมือนเป็น
สภาวะอากาศ และอยู่ได้ด้วยแบตเตอร่ีก้อนเล็ก วงจรเรโซเนเตอร์สาหรบั การแผ่คล่นื แม่เหล็กไฟฟ้า
สามารถทางานไดเ้ ป็นระยะเวลานานๆ เป็นเดอื น เป็น โดยตดิ ตงั้ อยบู่ นระนาบกราวด์ เน่อื งจากเสน้ ลวดตวั นา
ปี เหมาะสมใชง้ านกบั พวก Monitoring ต่างๆ Zigbee ทม่ี ลี กั ษณะเป็นวงจรเรโซเนเตอรแ์ บบเปิด การแผค่ ล่นื
กาหนดย่านความถ่ีใช้งานตามมาตรฐานไว้ 3 ย่าน จงึ เกิดข้นึ ตลอดความยาวของเส้นลวด ดังนัน้ ความ
ความถ่ีคือ 2.4 GHz, 915 MHz และ 868 MHz โดย ยาวของเส้นลวดท่ีถูกกาหนดด้วยความยาวคล่ืนจึง
แต่ละย่านจะมีช่องสญั ญาณ 16 ช่อง, 10 ช่อง และ 1 เป็นพารามิเตอร์สาคญั ในการกาหนดคุณสมบตั ิของ
ช่อง ตามลาดบั ระยะตดิ ต่อส่อื สารในพน้ื ทโ่ี ล่งมรี ะยะ

172

สายอากาศโมโนโพล [2-3] สายอากาศโมโนโพลแบบ [10] และจากการศึกษาพบว่าโครงสร้างอภิวสั ดุท่ีมี
ค ว า ม เห ม า ะ ส ม กับ รู ป ร่ า ง ข อ ง ล า ค ล่ื น ท่ี อ อ ก จ า ก
หน่ึงในส่ขี องความยาวคล่นื (λ/4) นิยมนามาใช้งาน สายอากาศ จะทาหน้าทเ่ี ป็นวงจรเรโซแนนซ์เมอ่ื นามา
มากท่ีสุด [4] ลกั ษณสมบัติของการแผ่กระจายคล่ืน วางหน้าสายอากาศ ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวม
ของสายอากาศดีข้นึ โดยได้แนวคิดมาจากงานวจิ ยั
แม่เหล็กไฟฟ้าของโมโนโพล λ/4 จะแตกต่างจากได ของ Kampheephat, S., Kamphikul, P., Wongsan,
โพล คือมีการแผ่คล่ืนบนระนาบกราวด์เท่านัน้ ไม่มี R. [11] รวมถึงผลงานวจิ ยั ท่เี ก่ยี วขอ้ งของ Mesawad
การแผ่คล่ืนใต้ระนาบกราวด์ [5] ดงั นัน้ อตั ราขยาย P. and Wongsan, R. [12] ดังนั้น งาน วิจัยน้ี จึงได้
นาเสนอการออกแบบและปรบั ปรุงการเพม่ิ อตั ราขยาย
ของสายอากาศโมโนโพล λ/4 จงึ ข้นึ อยู่กบั ความยาว สายอากาศโมโนโพลทม่ี คี วามยาวสส่ี ว่ นของความยาว
ของเส้นลวดตวั นา และขนาดของระนาบกราวด์ ซ่ึง คล่นื สาหรบั การสอ่ื สารไรส้ ารในอุปกรณ์ Zigbee เพ่อื
พบว่าระนาบกราวด์ท่มี ขี นาดใหญ่กจ็ ะใหอ้ ตั ราขยายท่ี การประยุกต์ใช้งานในฟาร์ม ด้วยโครงสร้างลวด
สงู กว่า [6] แต่จากการศกึ ษาพบว่าระนาบกราวด์ท่มี ี ตัวกลางเช่ือมต่อในแนวตัง้ ซ่ึงเพ่ือเพ่ิมช่วงหรอื ย่าน
ขนาดใหญ่ จะมีความยุ่งยากและซับซ้อนในการ ความถ่ีใช้งาน ร่วมกบั โครงสร้างตัวกลางในแนวตัง้
ออกแบบรวมถึงการติดตัง้ ใช้งาน ในขณะเดียวกัน สาหรับการปรับปรุงการแมตช์อิมพีแดนซ์ และ
ระนาบกราวด์ท่มี ีขนาดเล็กก็จะลดประสทิ ธภิ าพของ โครงสรา้ งตวั กลางแบบเสน้ ลวดแนวตงั้ (Vertical wire
สายอากาศโมโนโพล อภวิ สั ดุ [7] ซง่ึ เป็นวสั ดปุ ระดษิ ฐ์ medium structure) [13-14] เพ่ือใช้สาหรับการเพิ่ม
เชิ ง วิศ ว ก ร ร ม ถู ก อ อ ก แ บ บ แ ล ะ ส ร้า ง ข้ึน เพ่ื อ ใ ห้ มี อัตราขยายของสายอากาศโมโนโพล และจากผล
คุณสมบตั ทิ างแม่เหลก็ ไฟฟ้าเป็นไปตามทต่ี อ้ งการ ซ่งึ การศกึ ษาพบว่าเม่อื นาอภวิ สั ดุแบบผสมทงั้ สองชนิดน้ี
มสี มบตั ินัน้ ไม่ไดป้ รากฏตามธรรมชาติโดยสมบตั ขิ อง ท่ีได้ออกแบบปรับค่าพารามิเตอร์และระยะห่างท่ี
วัสดุเหล่านั้นปกติเกิดจากโครงสร้างมากกว่าการ เหมาะสมแลว้ มาวางลอ้ มรอบโมโนโพล พบว่าระบบ
จัดเรียง (Composition) จากการผนวกกันของวัสดุ ส า ย อ า ก า ศ โม โ น โ พ ล ท่ี ไ ด้ น า เส น อ น้ี มี ก า ร แ ม ต ช์
ขนาดเล็กท่ีมีสมบัติไม่เหมือนกนั (Inhomogeneous) อมิ พแี ดนซ์ทด่ี ขี น้ึ และยงั ใหอ้ ตั ราขยายทส่ี ูงขน้ึ อกี ดว้ ย
[8–9] สมบตั ิทางแม่เหล็กไฟฟ้าท่วี ่าดงั กล่าว คอื ค่า เมอ่ื เทยี บกบั สายอากาศโมโนโพลแบบเดมิ

สภาพยอมทางไฟฟ้า (Electric Permittivity: ε) ค่า 2. การออกแบบสายอากาศโมโนโพล
ความซึมซาบทางแม่เหล็ก (Magnetic Permeability:
µ) และค่าดชั นีการหกั เหของแสง (Refractive Index: จากรูปท่ี 1 แสดงสายอากาศโมโนโพล λ/4 ถูก
n) ดงั นัน้ อภิวสั ดุสามารถประกอบข้นึ จากการฝังของ ออกแบบท่คี วามถ่ีปฏิบตั ิการ 915 MHz มีขนาดเส้น
วสั ดปุ ระดษิ ฐห์ ลายชนิดรวมตวั กนั เขา้ ไปยงั ในตวั กลาง ผ่านศูนย์กลางเท่ากบั 1 mm บนระนาบกราวด์แบบ
หรือผิวของตวั กลางท่ีกาหนดซ่ึงผู้ออกแบบสามารถ วงกลมขนาดเสน้ ผ่านศูนยก์ ลางเท่ากบั หน่ึงความยาว
เลอื กพารามเิ ตอรต์ ่างๆ ได้อย่างอสิ ระ เช่น คุณสมบตั ิ คล่นื จากผลการจาลองด้วยโปรแกรมสาเร็จรูปทาง
ต่างๆ ของตวั กลาง ขนาดรปู ร่างและสว่ นประกอบทจ่ี ะ คล่นื แม่เหล็กไฟฟ้า จะได้ค่าสมั ประสทิ ธกิ์ ารสะท้อน
ใส่เข้าไป ความหนาแน่นหรือการจัดวางตาแหน่ง กลับ (Reflection Coefficient) ห รือ S11 แล ะแบ บ
เพ่อื ให้ได้ผลตอบสนองพเิ ศษทางแม่เหล็กไฟฟ้าท่ไี ม่ รูปการแผ่กระจายกาลังงาน (Radiation Pattern)
สามารถเกดิ ขน้ึ จากวสั ดุตามธรรมชาตทิ วั่ ไป เช่น ค่า
ความซมึ ซาบได้ทางแม่เหล็กเป็นลบ และค่าดชั นีการ
หกั เหของแสงเป็นลบ เหตผุ ลน้ีวสั ดุทางแม่เหลก็ ไฟฟ้า
ชนิดน้ีจึงถูกเรียกอีกช่ือหน่ึงว่า วสั ดุเหนือธรรมชาติ

173

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน

แสดงไดด้ งั รปู ท่ี 4 และ 5 ตามลาดบั และมอี ตั ราขยาย เพม่ิ ข้นึ เป็น 6.73 dB, 8.115 dB, 7.925 dB ท่ีความถ่ี
เทา่ กบั 4.51 dB ป ฏิ บั ติ ก า ร 868 MHz 915 MHz แ ล ะ 2.4 GHZ
ตามลาดบั ดงั ตารางท่ี 1

รปู ท่ี 1 สายอากาศโมโนโพล λ/4 (ก) สายอากาศโมโนโพลโพล λ/4 แบบผสมสามย่าน

ออกแบบใหม้ คี วามถป่ี ฏบิ ตั กิ ารท่ี 915 MHz (ข) แบบจาลองสายอากาศตงั้ ตน้ ทม่ี กี ารเพมิ่ โครงสรา้ ง
เสน้ ลวดแบบทรงกระบอกดา้ นซา้ ย-ขวา
5. การออกแบบผสมและผลการจาลองระบบ
สายอากาศโมโนโพล รปู ที่ 2 สายอากาศโมโนโพล λ/4 แบบผสมสามยา่ น
5.1 สายอากาศโมโนโพล ความถ่ี 868 MHz 915 MHz และ 2.4 GHz

ในดาดับ แรกนั้น งานวิจัยได้เลือก ป รับ ปรุง 5.2 อภิวสั ดโุ ครงสร้างแบบผสมและสายอากาศโม
ประสิทธิภาพของสายอากาศโมโนโพล λ/4 ให้ โนโพล
สามารถทางานได้ทงั้ สามย่านความถ่ีตามมาตรฐาน
ข้อกาหนดคือ 2.4 GHz, 915 MHz และ 868 MHz งานวจิ ยั น้ีได้ออกแบบอภิวสั ดุโครงสร้างตวั กลาง
งานวจิ ยั น้ีไดป้ รบั ปรุงในส่วนรปู ร่างของตวั สายอากาศ แบบเส้นลวดแนวตงั้ สาหรบั การเพมิ่ อตั ราขยายของ
ก่ อน ด้วย ก ารน า เอาโค รงส ร้างเส้น ล วด แ บ บ สายอากาศโมโนโพล ดงั รปู ท่ี 3(ก) จากงานวจิ ยั [12 -
ทรงกระบอกมขี นาดเสน้ ผ่านศูนย์กลางเท่ากบั 1 mm 13] พบว่าจานวนอลิ เิ มนตท์ เ่ี หมาะสมสาหรบั
มาวางทางดา้ นซ้ายสายอากาศ โดยโครงสรา้ งเสน้ ลวด
แ บ บ ท ร งก ร ะ บ อ ก ด้ า น ซ้ า ย อ อ ก แ บ บ ให้ มี ค ว า ม ถ่ี
ปฏิบัติการท่ี 868 MHz มีความสูงของโมโนโพล คือ
λ/4 จากนนั้ นาเอาโครงสรา้ งเสน้ ลวดแบบทรงกระบอก
มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับ 1 mm มาวาง
ทางดา้ นขวาสายอากาศ ดงั รูปท่ี 2 โดยออกแบบให้มี
ความถป่ี ฏบิ ตั กิ ารท่ี 2.4 GHz มคี วามสงู ของโมโนโพล
คือ λ/4 จากการจาลองผลพบว่าเม่ือปรบั โครงสร้าง
เส้นลวดแบบทรงกระบอกให้เหมาะสม ส่งผลให้
สายอากาศโมโนโพลสามารถทางานได้ทัง้ สามย่าน
ความถ่ีและมีการแมตช์อิมพีแดนซ์ท่ีดีข้ึน และ
นอกจากน้ี ยังส่งผลให้สายอากาศนัน้ มีอัตราขยาย

174