Proceedings FEAT7

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

วตั ต์มเิ ตอร์สาหรบั วดั และบนั ทกึ พลงั งานทจ่ี ่ายให้กบั การศกึ ษาน้ีไดเ้ ลอื กใชเ้ น้ือหมใู นการทดลอง โดย
พดั ลม เน้ือหมูถูกจัดเตรียมให้ได้ขนาด เฉล่ียยาว 10
เซนตเิ มตร และหนา 1 เซนตเิ มตร ดงั แสดงในภาพท่ี
ปล่องระบายความชน้ื พดั ลมระบายความชน้ื 2 ซ่ึงเป็นขนาดท่สี อดคล้องกบั ขนาดท่ใี ช้ในการผลติ
เน้ือหมแู ดดเดยี วซง่ึ วางจาหน่ายในทอ้ งตลาด
หอ้ งอบ 1 หอ้ งอบ 2
หอ้ งอบ 3 2.2.2 เงอ่ื นไขการทดลอง
หอ้ งอบ 4 ชดุ ควบคุม ทดลองในเคร่ืองอบแห้งพลงั งานแสงอาทิตย์

แผงเกบ็ รงั สี การไหลเวยี นอากาศแบบธรรมชาติ และเคร่อื งอบแหง้
พลงั งานแสงอาทติ ยก์ ารไหลเวยี นอากาศแบบบงั คบั ท่ี
รปู ท่ี 1 แบบจาลองเคร่อื งอบแหง้ พลงั งานแสงอาทติ ย์ อตั ราการไหลอากาศ 0.03 m3/s, 0.03 m3/s และ 0.09
m3/s ตามลาดบั สาหรบั วธิ กี ารควบคุมอตั ราการไหล
ในการทดลองได้สร้างเคร่ืองอบแห้งพลังงาน อากาศในแต่ละหอ้ งอบแหง้ พดั ลมระบายอากาศจะถูก
แสงอาทติ ยจ์ านวน 4 เคร่อื ง และ 4 หอ้ งอบแหง้ เรยี ง ต่อผ่านอุปกรณ์ปรบั ความเรว็ รอบมอเตอร์ เพ่อื ปรบั ให้
ตดิ กนั ดงั แสดงในรปู ท่ี 1 เพ่อื ใชใ้ นการทดสอบภายใต้ ไดอ้ ตั ราการไหลอากาศตามทต่ี อ้ งการ
สภาวะพลังงานตกกระทบ อุณหภูมิแวดล้อมและ
ความช้ืนสัมพัทธ์อากาศเดียวกัน และเพ่ือศึกษา 2.2.3 ขนั้ ตอนการทดลอง
เปรียบเทียบสมรรถนะการอบแห้งระหว่างเคร่ือง การทดลองเรมิ่ จากเตรยี มเน้ือหมู และชดุ ทดลอง
อ บ แ ห้ ง ท่ี มี ก า ร ไ ห ล เ วี ย น อ า ก า ศ ธ ร ร ม ช า ติ แ ล ะ
เคร่อื งอบแห้งท่มี ีการไหลเวยี นอากาศแบบบงั คบั ใน โดยตดิ ตงั้ เคร่อื งมอื วดั ต่างๆ ดงั แสดงในรปู ท่ี 3 ไดแ้ ก่
ปรมิ าณทแ่ี ตกตา่ งกนั อุปกรณ์วัดและบันทึกอุณหภูมิ ความช้ืนสัมพัทธ์
อากาศ น้าหนักผลติ ภณั ฑ์ และพลงั งานแสงอาทติ ยต์ ก
กระทบ โดยทาการวดั และบนั ทกึ ค่าทุกๆ 5 นาที ซ่ึง
เรม่ิ ดาเนินการทดลองในช่วงเวลา 09.00 - 16.00 น.
นอกจากนัน้ ยงั วดั ความสน้ิ เปลอื งพลงั งานไฟฟ้าทจ่ี ่าย
ให้กบั พดั ลมระบายอากาศของเคร่อื งอบแหง้ พลงั งาน
แสงอาทติ ยใ์ นแตล่ ะเครอ่ื ง

รปู ที่ 2 ขนาดเน้ือหมทู ใ่ี ชใ้ นการทดลอง รปู ท่ี 3 การตดิ ตงั้ อุปกรณ์และเคร่อื งมอื วดั
2.2 วิธีการทดลอง
2.2.1 ผลติ ภณั ฑท์ ใ่ี ชใ้ นการทดลอง

128

2.3 การวิเคราะหข์ อ้ มูล ประสทิ ธภิ าพเคร่อื งอบแห้งพลงั งานแสงอาทติ ย์
(Solar dryer efficiency, ) คือ พารามิเตอร์บ่งช้ี
ข้อมูลท่ีดาเนินการวิเคราะห์ในงานวิจัย น้ี ประสทิ ธภิ าพการใชพ้ ลงั งานในการระเหยน้าออกจาก
ประกอบดว้ ยความชน้ื ของผลติ ภณั ฑ์ อตั ราการอบแหง้ ผลติ ภณั ฑข์ องเคร่อื งอบแหง้ ซง่ึ มคี วามสมั พนั ธใ์ นการ
ประสทิ ธภิ าพเคร่อื งอบแหง้ และความเปลอื งพลงั งาน วเิ คราะหด์ งั สมการท่ี (4)
จาเพาะ ซ่ึงมีรายละเอียดความสมั พันธ์ท่ีใช้ในการ
วเิ คราะหด์ งั ตอ่ ไปน้ี  = mw hfg 100% (4)
AI + EF
ความช้ืนของผลิตภัณฑ์ (Moisture content, M)
คือดัชนีบ่งช้ีปริมาณน้าในผลิตภัณฑ์ ซ่ึงสามารถ เม่อื  คอื ประสทิ ธภิ าพเคร่อื งอบแหง้ พลงั งาน
วเิ คราะหไ์ ดจ้ ากสมการท่ี (1)
แสงอาทติ ย,์ %
M = mi − md 100% (1) mw คอื ปรมิ าณน้าระเหย, kg
md hfg คอื ความรอ้ นแฝงการระเหย, MJ/kg
A คอื พน้ื ทแ่ี ผงเกบ็ รงั สแี สงอาทติ ย,์ m2
เม่อื M คอื เปอรเ์ ซน็ ตค์ วามชน้ื มาตรฐานแหง้ , %d.b. I คอื พลงั งานแสงอาทติ ยต์ กกระทบ, MJ/m2
mi คอื น้าหนักผลติ ภณั ฑเ์ รมิ่ ตน้ , kg
md คอื น้าหนกั แหง้ ผลติ ภณั ฑ,์ kg EF คอื พลงั งานไฟฟ้าทพ่ี ดั ลมระบาย
อากาศใช,้ MJ

ความช้นื ของผลติ ภณั ฑ์ท่เี วลาใดๆ วเิ คราะห์โดย ความสน้ิ เปลอื งพลงั งานจาเพาะ (Specific energy
ใชค้ วามสมั พนั ธต์ ามสมการท่ี (2) consumption, SEC) คือ ค่ า ท่ีแ ส ด ง ถึง ป ริม า ณ
พลงั งานทใ่ี ชใ้ นการอบแหง้ ต่อปรมิ าณน้าทร่ี ะเหยออก
Mt = mt − md 100% (2) จากวสั ดุอบแห้ง โดยมคี วามสมั พนั ธ์ในการวิเคราะห์
md ดงั สมการท่ี (5)

เม่อื Mt คอื เปอรเ์ ซน็ ตค์ วามชน้ื มาตรฐานแหง้ ทเ่ี วลา SEC = EF + AI (5)
ใดๆ , %d.b. mw

mt คอื น้าหนักผลติ ภณั ฑท์ เ่ี วลาใดๆ, kg เมอ่ื SEC คอื ความสน้ิ เปลอื งพลงั งานจาเพาะ
,MJ/kg evap-water
อัตราการอบแห้ง (Drying rate, DR) คือ ปัจจยั
สาคัญท่ีแสดงถึงค่าสมรรถนะในการอบแห้ง หรือ 3. ผลการทดลองและวิจารณ์
ความสามารถของการลดความชน้ื ของผลติ ภณั ฑ์ ซ่งึ
สามารถวเิ คราะหไ์ ดจ้ ากสมการท่ี (3) ผลการทดลองท่ีนาเสนอประกอบด้วยสภาวะ
เง่ือนไขพลังงานแสงอาทิตย์ อุณหภูมิแวดล้อม
DR = mi − mt (3) อุณหภูมิทางเข้าห้องอบแห้ง อุณหภูมิผลิตภัณฑ์
T ความช้ืนของผลิตภัณฑ์ และอตั ราการอบแห้ง ซ่ึงมี
รายละเอยี ดดงั แสดงในรปู ท่ี 4-6
เมอ่ื DR คอื อตั ราการอบแหง้ , kg/h
mt คอื น้าหนักผลติ ภณั ฑท์ เ่ี วลาใดๆ, kg
T คอื เวลาทใ่ี ชใ้ นการอบแหง้ , h

129

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

รูปท่ี 4 แสดงความสมั พนั ธ์ระหว่างพลังงานตก จากระบบไปด้วย จึงส่งผลให้เคร่อื งอบแห้งท่มี อี ตั รา
กระทบ อุณหภูมิแวดล้อมและอุณหภูมิทางเข้าห้อง การระบายอากาศเท่ากบั 0.09 m3/s มอี ุณหภูมทิ างเขา้
อบแหง้ ท่แี ต่ละช่วงเวลา จากขอ้ มูลพบว่าพลงั งานตก ห้องอบแห้งต่าท่สี ุด โดยมคี ่าน้อยกว่าการไหลอากาศท่ี
กระทบมแี นวโน้มเพมิ่ ขน้ึ ในช่วงเชา้ และลดลงในช่วง 0.06 m3/s, 0.03 m3/s และแบบธรรมชาตเิ ท่ากับ 5, 18
บ่าย และในแต่ละช่วงเวลาก็เปล่ยี นแปลงตามสภาพ และ 34 เปอรเ์ ซน็ ต์ ตามลาดบั
อากาศ เช่น ช่วงเวลาทม่ี เี มฆบดบงั ซ่งึ ในการทดลอง
พบว่ามีค่าเฉล่ียของพลังงานแสงอาทิตย์ตกกระทบ รปู ที่ 5 ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งความชน้ื ผลติ ภณั ฑแ์ ละ
เท่ากับ 740 W/m2 ในส่วนของอุณหภูมิแวดล้อมก็ อุณหภูมภิ ายในผลติ ภณั ฑท์ แ่ี ต่ละชว่ งเวลา
เปล่ียนแปลงตามพลังงานตกกระทบเช่นกนั โดยมี
ค่าเฉล่ียตลอดช่วงการทดลองเท่ากับ 35๐C สาหรบั รูปท่ี 5 นาเสนอความสมั พนั ธ์ระหว่างความช้ืน
อุ ณ ห ภู มิอ า ก า ศ ท่ีต า แ ห น่ ง ท า ง เ ข้า ห้ อ ง อ บ แ ห้ ง ก็ ผลิตภัณฑ์ และอุณหภูมิภายในผลิตภัณฑ์ท่ีแต่ละ
เปล่ียนแปลงตามพลังงานตกกระทบ โดยเคร่ือง ช่วงเวลา จากข้อมูลพบว่า ความช้ืนของผลิตภัณฑ์
อบแห้งพลงั งานแสงอาทิตย์ท่มี ีการไหลเวยี นอากาศ ลดลงตามเวลา และเม่ือเปรียบเทียบท่ีเง่ือนไข
แบบธรรมชาติจะมอี ุณหภูมทิ างเขา้ ห้องอบแหง้ เฉล่ยี ความชน้ื เดยี วกบั ความชน้ื หมแู ดดเดยี วทจ่ี าหน่ายตาม
เท่ากบั 51๐C ในส่วนของอุณหภูมทิ างเขา้ หอ้ งอบแหง้ ทอ้ งตลาด ซง่ึ มคี วามชน้ื เฉลย่ี เท่ากบั 120%d.b. พบวา่
ของเคร่ืองอบแห้งท่ีมีการควบคุมอัตราการระบาย เคร่ืองอบแห้งท่ีมีการไหลเวียนอากาศเท่ากบั 0.06
อากาศเท่ากับ 0.03 m3/s (ASD0.03), 0.06 m3/s m3/s (ASD0.06) จะใชเ้ วลาในการทาหมูแดดเดยี วสนั้
(ASD0.06) และ 0.09 m3/s (ASD0.09) พบว่ามีค่า ท่ีสุด ทัง้ น้ีเน่ืองจากเป็นเง่ือนไขท่ีสามารถควบคุม
อุ ณ ห ภู มิเ ฉ ล่ีย เท่ า กับ 4 5 ๐C, 40๐C แ ล ะ 3 8 ๐C สภาวะการอบแห้งทงั้ อุณหภูมิและความช้ืนสมั พนั ธ์
ตามลาดบั อากาศภายในห้องอบแห้งได้เหมาะสมกว่ากรณีอ่ืน
โดยพบว่าใช้เวลาสัน้ ว่า ASD0.09, ASD0.03 และ
รปู ที่ 4 ความสมั พนั ธร์ ะหว่างพลงั งานตกกระทบและ PSD เท่ากับ 8.6, 11.5 และ 28.6 เปอร์เซ็นต์
อุณหภูมทิ างเขา้ หอ้ งอบแหง้ ทแ่ี ตล่ ะชว่ งเวลา ตามลาดับ ในส่วนของอุณหภูมิผลิตภัณฑ์พบว่ามี
แนวโน้มการเปล่ียนแปลงสอดคล้องกับอุณหภูมิ
จ า ก ข้ อ มู ล ก า ร ท ด ล อ ง จ ะ ส ัง เ ก ต พ บ ชั ด เ จ น ว่ า ทางเข้าห้องอบแห้งท่ีนาเสนอในรูปท่ี 4 โดยระบบ
เคร่ืองอบแห้งท่ีมีการระบายอากาศสูงจะมีอุณหภูมิ ไหลเวยี นอากาศแบบธรรมชาตจิ ะมอี ณุ หภมู ผิ ลติ ภณั ฑ์
ทางเขา้ หอ้ งอบแห้งต่า ซ่งึ เกดิ จากการระบายอากาศ สูงท่ีสุด ถัดมาจะเป็นในส่วนของเง่อื นไขการระบาย
ในปรมิ าณทม่ี ากเกนิ ไปทาใหเ้ กดิ การสญู เสยี ความรอ้ น

130

อากาศท่ีอัตราการไหล 0.03 m3/s 0.06 m3/s และ ประสิทธิภาพเคร่ืองอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์
0.09 m3/s ตามลาดบั ASD0.06 ก็พบว่ามคี ่ามากกว่า PSD, ASD0.03 และ
ASD0.09 เทา่ กบั 22, 10 และ 8 เปอรเ์ ซน็ ต์ ตามลาดบั
ในขณะทค่ี วามสน้ิ เปลอื งพลงั งานจาเพาะมคี า่ น้อยกว่า
PSD, ASD0.03 และ ASD0.09 เท่ากบั 26, 11 และ 9
เปอรเ์ ซน็ ต์ ตามลาดบั

ตารางที่ 1 สมรรถนะเครอ่ื งอบแหง้

รปู ท่ี 6 อตั ราการการอบแหง้ ทแ่ี ตล่ ะช่วงเวลา

รูปท่ี 6 แสดงขอ้ มูลอตั ราการการอบแห้งท่แี ต่ละ

เง่อื นไขของแต่ละช่วงเวลา จากขอ้ มูลพบว่าทเ่ี ง่อื นไข
อัตราการระบายเท่ากับ 0.06 m3/s จะมีอัตราการ

อบแห้งสูงกว่าเง่อื นไขอ่นื ซ่งึ สอดคล้องกบั ขอ้ มูลการ

เปลย่ี นความช้นื นอกจากนัน้ ยงั พบว่า ทุกเง่อื นไขการ

อบแห้งจะค่าอตั ราการอบแห้งสูงในช่วง 30 นาทแี รก

หลังจากนั้นก็จะลดลง โดยมีแนวโน้มในลักษณะ

เช่นเดยี วกนั ทท่ี ุกเงอ่ื นไขการทดลอง 4. สรปุ ผล
ตารางท่ี 1 นาเสนอขอ้ มูลภาพรวมการวเิ คราะห์
ง า น วิ จั ย น้ี ไ ด้ ศึ ก ษ า เ ป รี ย บ เ ที ย บ ส ม ร ร ถ น ะ
สมรรถนะเคร่อื งอบแห้งพลงั งานแสงอาทิตย์ภายใต้ เคร่ืองอบแห้งพลงั งานแสงอาทิตย์ท่ีมีการไหลเวียน
เงอ่ื นไขการระบายอากาศทแ่ี ตกตา่ งกนั โดยไดค้ วบคุม อากาศแบบธรรมชาตแิ ละแบบบงั คบั รวมทงั้ ศกึ ษาผล
เง่อื นไขการวเิ คราะห์ภายใต้สภาวะความช้นื คงเหลือ ของอัตราการไหลอากาศท่ีมีต่อสมรรถนะเคร่ือง
เน้ือหมูเท่ากับ 120%d.b. ซ่ึงเป็นความช้ืนหมูแดด อบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ โดยใช้เน้ือหมูเป็ น
เดียวท่ีจาหน่ายตามท้องตลาด จากข้อมูลท่ีสรุปใน ตวั อย่างในการทดลอง ผลจากการศกึ ษาพบว่า เคร่อื ง
ตารางจะพบว่า ท่ีเง่ือนไขอัตราการระบายอากาศ อบแห้งพลงั งานแสงอาทติ ย์ท่มี กี ารไหลเวียนอากาศ
เท่ากบั 0.06 m3/s (ASD0.06) จะให้อตั ราการอบแหง้ แบบบังคับมีอัตราการอบแห้ง และประสิทธิภาพ
และประสทิ ธภิ าพเคร่อื งอบแหง้ สูงท่สี ุดเท่ากบั 0.114 เครอ่ื งอบแหง้ สงู กว่าเครอ่ื งอบแหง้ พลงั งานแสงอาทติ ย์
kg/h และ 14.89 เปอร์เซ็นต์ ตามลาดบั โดยมีความ ท่ีมีการไหลเวียนอากาศธรรมชาติ นอกจากนัน้ ยัง
ส้ินเปลืองพลังงานน้อยท่ีสุดเท่ากับ 16.16 MJ/kg พบว่า เคร่ืองอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ท่ีมีการ
evap-water ซ่ึงอัตราการอบแห้ง ASD0.06 มีค่า ไหลเวยี นอากาศแบบบงั คบั มคี วามส้นิ เปลอื งพลงั งาน
มากกว่า PSD, ASD0.03 และ ASD0.09 เท่ากบั 22, น้อยกว่าเคร่ืองอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ท่ีมีการ
10 และ 8 เปอร์เซ็นต์ ตามลาดับ ในส่วนของ ไหลเวียนอากาศแบบธรรมชาติ ในทุกเง่ือนไขของ

131

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

อตั ราการระบายอากาศ จากการศกึ ษายงั พบวา่ การใช้ [ 6 ] Janjai S and Bala BK. (2 0 1 2 ) . Solar drying
อตั ราการไหลอากาศเท่ากบั 0.06 m3/s เคร่อื งอบแหง้ technology, Food Engineering Review, vol. 4 , pp.
พลังงานแสงอาทิตย์จะมีสมรรถนะท่ีสูงท่ีสุดเม่ือ 16–54.
เปรยี บเทยี บกบั กรณีอน่ื ๆ [7] Gutti, B., Kiman, S. and Mustafa, BG. (2012).
Design and construction of forced/natural
5. กิตติกรรมประกาศ convection solar vegetable dryer with heat storage.
ขอขอบคุณ ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล คณะ ARPN Journal of Engineering and Applied
วิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี ท่ี Sciences, vol. 7(10), pp. 1213–217.
สนบั สนุนทนุ และอปุ กรณ์ในการวจิ ยั ในครงั้ น้ี [8] Hajar, E., Mohammed, B., Rachid, T. and
Bargach, M.N. (2018). Experimental and
6. เอกสารอ้างอิง theoretical analysis of drying grapes under an
[1] El-sebaii AA, Shalaby SM. (2012). Solar indirect solar dryer and in open sun, Innovative
drying of agricultural products: A review Food Science and Emerging Technologies, vol. 49,
Renewable and Sustainable Energy Reviews, pp. 58-64.
vol. 16, pp. 37–43. [9] Muruganantham P.K., Kamalakannan, R. S.
[2] Ahmed Aboud. (2013). Drying characteristic of and Mohana, S. (2021). Performance analysis of a
apple slices undertaken the effects of passive shelf tubular solar dryer for drying mexican mint
solar dryer and open sun drying, Pakistan Journal (Plectranthus amboinicus) - An experimental
of Nutrition, vol.12(3), pp. 250-254. approach, Energy Reports, vol. 7, pp. 7–12.
[3] Ahmed, A.G. (2010). Design, construction and [10] Nabnean, S. and Nimnuan, P. (2020)
performance evaluation of solar maize dryer, Experimental performance of direct forced
Journal of Agricultural Biotechnology and convection household solar dryer for drying
Sustainable Development, vol. (23), pp. 39-46. banana, Case Studies in Thermal Engineering, vol.
[4] Nwajinka, C.O. and Onuegbu, C.U. (2 0 1 4 ) . 22, 100787.
Development of a solar cabinet dryer for root crops [11] Nukulwar, M.R. and Tungika, V.B. (2022).
chips in Nigeria. Journal of Agricultural Engineering Recent development of the solar dryer integrated
and Technology, vol. 22(2), pp. 47–58. with thermal energy storage and auxiliary units,
[5] Okoroigwe, E. C., Eke, M. N. and Ugwu, H. U. Thermal Science and Engineering Progress, vol.
(2013). Design and evaluation of combined solar 29, 101192.
and biomass dryer for small and medium [12] Ankur, G.B., Das, A.B and Jayanta, D.M.
enterprises for developing countries. International (2022). Sustainability and 4E analysis of novel
Journal of Physical Sciences, vol. 8(25), pp. 1341- solar photovoltaic-thermal solar dryer under forced
1349. and natural convection drying, Renewable Energy,
vol. 188, pp. 1008-1021.

132

รหสั บทความ : EMAE05

การศึกษาเปรียบเทียบสมรรถนะเชิงความรอ้ นในการใช้งานระบบทาความเยน็ ด้วยท่อ
ใต้ดิน และระบบทาความเยน็ ด้วยการระเหยของน้าสาหรบั โรงเรือนเพาะเหด็ นางฟ้า
A Comparative Study of Thermal Performance for the Use of an Earth-air Heat
Exchanger and an Evaporative Cooling Systems in in a Pleurotus Sajor-Caju

Mushroom House

ทศวรรษ จนั ทะโชต1ิ และ ปรชี า ทุมมุ1*

1 สาขาวชิ าวศิ วกรรมพลงั งาน คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อุดรธานี ตาบลสามพรา้ ว อาเภอเมอื ง จงั หวดั อดุ รธานี 41000
*ตดิ ตอ่ : E-mail [email protected], 042211040-59 ต่อ 3654

บทคดั ย่อ
การเพาะเลย้ี งเหด็ ทช่ี อบอากาศเยน็ จาเป็นตอ้ งรกั ษาสภาะอากาศในโรงเรอื นใหม้ อี ุณหภูมติ ่ากวา่ 30 องศาเซลเซยี ส
และความช้นื สมั พทั ธ์สูงกว่า 80 เปอร์เซ็นต์ งานวจิ ยั น้ีจงึ มวี ตั ถุประสงค์เพ่อื การศกึ ษาเปรยี บเทยี บสมรรถนะเชงิ
ความรอ้ นในการใชง้ านระบบทาความเยน็ ดว้ ยท่อใตด้ นิ และระบบทาความเยน็ ดว้ ยการระเหยของน้าในการควบคุม
สภาวะอากาศภายในสาหรบั โรงเรอื นเพาะเหด็ นางฟ้า ผลจากการทดสอบพบว่า ระบบทาความเยน็ ดว้ ยท่อใตด้ นิ
สามารถรกั ษาอุณหภูมใิ นโรงเรือนให้อยู่ประมาณ 30 องศาเซลเซียสได้ และสามารถทาให้ความช้นื สมั พทั ธ์ใน
โรงเรอื นสงู กว่า 80 เปอร์เซน็ ตไ์ ดต้ ลอดเวลา อย่างไรกต็ ามระบบทาความเยน็ ดว้ ยการระเหยของน้าจะทาไดด้ กี ว่า
เลก็ น้อย โดยสามารถรกั ษาอณุ หภมู ใิ นโรงเรอื นไดต้ ่ากวา่ ประมาณ 1 องศาเซลเซยี สในช่วงกลางวนั และยงั สามารถ
รกั ษาความชน้ื สมั พทั ธใ์ นโรงเรอื นใหส้ งู กว่า 90 เปอรเ์ ซน็ ตไ์ ดต้ ลอดทงั้ วนั อกี ดว้ ย
คาหลกั : ระบบทาความเยน็ แบบท่อใตด้ นิ ; โรงเรอื นเพาะเหด็ ; เหด็ นางฟ้า; ระบบทาความเยน็ ดว้ ยการระเหยของน้า

Abstract
Cultivation of mushrooms is necessary to maintain indoor air temperature below 30 degrees Celsius and
relative humidity above 80 percent. This research aims to compare thermal performance of an earth-air
heat exchanger and an evaporative cooling systems in in a Pleurotus Sajor-Caju mushroom house. The
results found that the earth-air heat exchanger system can keep the temperature in the mushroom house
below 30 degrees Celsius and can maintain the relative humidity above 80 percent at all times. However,
the evaporative cooling system do a little better. The temperature in the mushroom house can be kept lower
than the earth-air heat exchanger for 1 degree Celsius during the daytime. And It is also able to maintain
the relative humidity above 90 percent throughout the day.
Keywords:, Earth–air heat exchanger; Mushroom houses; Pleurotus Sajor-Caju; Evaporative Cooling

133

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

1. บทนา นางฟ้า โดยจะเป็นการศึกษาเปรียบเทียบอุณหภูมิ
ความช้นื สมั พทั ธ์ การใชพ้ ลงั งานไฟฟ้า และการใชน้ ้า
ป ร ะ เ ท ศ ไ ท ย มี วิ ส า ห กิ จ เ พ า ะ เ ล้ี ย ง เ ห็ ด ของโรงเรือนแต่ละชนิด โดยทาการทดลองในช่วงท่ี
ประมาณ 1,600 แห่ง [1] โดยเหด็ ท่นี ิยมเพาะเล้ยี งใน อากาศภายนอกมสี ภาวะใกลเ้ คยี งกนั
ประเทศไทยจะเป็นเห็ดท่ีชอบอากาศเย็น เช่น เห็ด
นางฟ้า เหด็ นางรม เหด็ เหด็ ฮงั การี เป็นต้น [2] ซ่ึง 2. วิธีการศึกษาวิจยั
วธิ กี ารเพาะปลูกเหด็ ทไ่ี ด้รบั ความนิยม คอื การเพาะ วิธีการศึกษาวิจัยประกอบด้วยรายละเอียด
เห็ดในถุงพลาสติก ซ่ึงการเพาะเล้ยี งเห็ดดงั กล่าว มี
ขนั้ ตอนเปิดดอกเหด็ ทจ่ี ะมปี ัญหามาก เน่ืองจากเหด็ ท่ี ดงั น้ี
ชอบอากาศเย็น จะชอบอากาศท่ีต่ากว่า 30 องศา 2.1 การพฒั นาต้นแบบโรงเรือนอจั ฉริยะที่มีระบบ
เซลเซียส และ ค่าความช้ืนสัมพัทธ์สูงกว่า 80 ร ะ บ บ ท า ค ว า ม เ ย็น ด้ ว ย ท่ อ ใ ต้ ดิ น แ ล ะ ร ะ บ บ ท า
เปอร์เซ็นต์ [3-7] ท่ผี ่านมามคี วามพยายามในการใช้ ความเยน็ ด้วยการระเหยของน้า
เทคโนโลยมี าช่วยให้สามารถควบคุมสภาวะโรงเรอื น
เช่น การใชร้ ะบบทาความเยน็ ดว้ ยท่อใตด้ นิ [8] ซง่ึ เป็น ในขัน้ ตอนน้ีจะเป็ นการพัฒนาต้นแบบ
การใช้ประโยชน์จากอุณหภูมิใต้ดนิ ท่มี ีอุณหภูมิคงท่ี โรงเรอื นเพาะเหด็ นางฟ้าอจั ฉรยิ ะ (รปู ท่ี 1) ซ่งึ ภายใน
ตลอดทั้งปี ระหว่าง 27-30 องศาเซลเซียส มา โรงเรอื นประกอบดว้ ยระบบระบบทาความเยน็ ดว้ ยทอ่
แลกเปลย่ี นความรอ้ นกบั อากาศโดยใชช้ ุดท่อทว่ี างอยู่ ใต้ดนิ ซ่งึ ทาการคานวณตามวธิ กี ารใน [8] มหี ลกั การ
ใต้ดนิ ซ่งึ ผลจากงานวจิ ยั พบว่า สามารถช่วยควบคุม ทางาน คอื เม่อื อุณหภูมใิ นโรงเรอื นสูงกว่าท่ตี งั้ ค่า
สภาวะใหเ้ หมาะสมกบั การเพาะเลย้ี งเหด็ ทช่ี อบอากาศ ไว้ (ในการทดลองน้ีตัง้ ค่าท่ี 26 องศาเซลเซียส)
เยน็ ไดต้ ลอดทงั้ ปี และสามารถเพมิ่ ผลผลติ ไดอ้ กี ดว้ ย ระบบอตั โนมตั จิ ะสงั่ การพดั ลมดดู อากาศ ซง่ึ จะดูด
นอกจากน้ียงั มกี ารศกึ ษาการควบคุมสภาพภายในโรง อากาศในโรงเรือนผ่านระบบท่อใต้ดิน เพ่ือ
เหด็ โดยใชร้ ะบบการทาความเยน็ ดว้ ยการระเหยของ แลกเปล่ียนความร้อนกับอุณหภูมิใต้ดิน ทาให้
น้า (Evaporative cooling systems) ซ่ึงผลท่ไี ด้พบว่า อากาศขาออกมอี ุณหภูมทิ ล่ี ดลง และเม่อื ความช้นื
การใช้ระบบดังกล่าวร่วมกับระบบระบายอากาศ ในโรงเรอื นต่ากว่าค่าท่ตี งั้ ไว้ (ในการทดลองน้ีตัง้
ต่อเน่ืองสามารถช่วยลดอุณหภูมใิ นโรงเรอื นใหต้ ่ากว่า คา่ ท่ี 80 เปอรเ์ ซน็ ต)์ ระบบจะสงั่ การไปทป่ี ัม๊ สเปรย์
การระบายอากาศโดยวธิ ธี รรมชาตไิ ดป้ ระมาณ 5 องศา หมอกใหท้ างาน รายละเอยี ดของระบบทาความเยน็
เซลเซียส และขณะเดียวกันก็สามารถช่วยเพิ่ม ดว้ ยท่อใตด้ นิ แสดงดงั รปู ท่ี 2
ความช้ืนสมั พทั ธ์ได้ประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์ [9] แต่
อ ย่ า ง ไ ร ก็ ต า ม ท่ี ผ่ า น ม า ย ัง ไ ม่ มี ก า ร เ ป รี ย บ เ ที ย บ รปู ที่ 1 ตน้ แบบโรงเรอื นอจั ฉรยิ ะทม่ี รี ะบบระบบทา
สมรรถนะเชงิ ความรอ้ นระหว่างการใชร้ ะบบทาความ ความเยน็ ดว้ ยทอ่ ใตด้ นิ และระบบทาความเยน็ ดว้ ย
เยน็ ดว้ ยท่อใตด้ นิ และระบบการทาความเยน็ ดว้ ยการ
ระเหยของน้าในการเพาะเลย้ี งเหด็ นางฟ้า การระเหยของน้า

งานวิจัยน้ีจึงมีวตั ถุประสงค์เพ่ือการศึกษา
เปรียบเทียบสมรรถนะเชิงความร้อนในการใช้งาน
ระบบทาความเย็นด้วยท่อใต้ดิน และระบบทาความ
เยน็ ด้วยการระเหยของน้าสาหรบั โรงเรือนเพาะเห็ด

134

รปู ท่ี 2 หลกั การทางานของระบบทาความเยน็ ดว้ ยท่อ รปู ที่ 3 รายละเอยี ดของระบบทาความเยน็ ดว้ ยการ
ใตด้ นิ ระเหยของน้า

นอกจากน้ียังมีระบบทาความเย็นอีกหน่ึง 2.2 การทดลองเปรียบเทียบสมรรถนะเชิงความ
ระบบคอื ระบบทาความเยน็ ดว้ ยการระเหยของน้า ซ่งึ ร้อน
มหี ลกั การทางาน คอื เม่อื อุณหภูมใิ นโรงเรอื นสูงกว่า
ทต่ี งั้ คา่ ไว้ ระบบควบคมุ อตั โนมตั จิ ะสงั่ การไปหาปัม๊ น้า ในขัน้ ตอนน้ีจะเป็ นการทดลองเพ่ือศึกษา
ทเี พ่อื ให้ดูดน้าจากถงั น้าใต้ดนิ ไปยงั แผงคูลล่งิ แพดท่ี เปรียบเทียบสมรรถนะเชิงความร้อนของระบบทา
อยู่ผนังดา้ นหน่ึงของโรงเรอื น พร้อมสงั่ การพดั ลมดูด ความเย็นด้วยท่อใต้ดนิ และระบบทาความเย็นด้วย
อ า ก า ศ ท่ีอ ยู่ อีก ด้ า น ข อ ง โ ร ง เ รือ น ใ ห้ ดู ด ด อ า ก า ศ การระเหยของน้า ซง่ึ มรี ายละเอยี ดดงั น้ี
ภายนอกผ่านแผงคูลลง่ิ แพดทม่ี นี ้าไหลผ่าน ซ่งึ จะทา
ใหอ้ ากาศภายนอกทร่ี อ้ นมอี ณุ หภมู เิ ยน็ ลง และไหลเขา้ 2.2.1 การศกึ ษาสมรรถนะเชงิ ความร้อนของ
มาในโรงเรอื น นอกจากน้ีเม่อื ความชน้ื สมั พทั ธ์ต่ากว่า ระบบทาความเยน็ ดว้ ยท่อใตด้ นิ
ค่าท่ีตัง้ ไว้ ระบบจะสงั่ การไปท่ีปัม๊ สเปรย์หมอกให้
ทางานเพ่อื เพมิ่ ความช้นื ในโรงเรอื น รายละเอยี ดของ ขัน้ ตอนน้ีจะเป็ นการทดลองเพ่ือตรวจวัด
ระบบทาความเยน็ ดว้ ยการระเหยของน้าแสดงดงั รูปท่ี สภาวะภายในและนอกโรงเรอื นทใ่ี ชง้ านระบบทาความ
3 เย็นด้วยท่อใต้ดิน โดยจะตรวจวัดอุณหภูมิ และ
ความช้ืนสมั พทั ธ์ ภายในและภายนอกโรงเรือน วดั
ปริมาณรงั สอี าทิตย์ อุณหภูมิใต้ดิน การใช้พลังงาน
ไฟฟ้า ดงั ทแ่ี สดงในรปู ท่ี 4

รปู ท่ี 4 การศกึ ษาสมรรถนะเชงิ ความรอ้ นของระบบทา
ความเยน็ ดว้ ยทอ่ ใตด้ นิ

135

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

2.2.2 การศกึ ษาสมรรถนะเชงิ ความรอ้ นของ 2.2.4 การเปรยี บเทยี บอุณหภมู แิ ละความชน้ื
ระบบทาความเยน็ ดว้ ยการระเหยของน้า ขัน้ ตอนน้ีจะเป็ นการทดลองเปรียบเทียบ
อุณหภูมิและความช้ืนสัมพทั ธ์ของการทดลองตาม
ขนั้ ตอนน้ีจะเป็นการทดลองเหมอื นขนั้ ตอนท่ี หวั ขอ้ 2.2.1-2.2.3
2.2.1 แต่จะเป็ นการใช้ระบบทาความเย็นด้วยการ
ระเหยของน้าแทนระบบทาความเย็นด้วยท่อใต้ดิน 3. ผลการศึกษา
แ ล ะ จ ะ มีก า ร ต ร ว จ ว ัด อุ ณ ห ภู มิน้ า ใ น ถัง ใ ต้ ดิน แ ท น ผลทไ่ี ดจ้ ากการศกึ ษาเป็นดงั น้ี
อณุ หภมู ใิ ตด้ นิ ดงั ทแ่ี สดงในรปู ท่ี 5
3.1 ต้นแบบโรงเรือนอจั ฉริยะท่ีมีระบบระบบทา
รปู ท่ี 5 การศกึ ษาสมรรถนะเชงิ ความรอ้ นของระบบทา ความเย็นด้วยท่อใต้ดิน และระบบทาความเย็น
ความเยน็ ดว้ ยการระเหยของน้า ด้วยการระเหยของน้าท่ีพฒั นาขึน้ มา

2.2.3 การศกึ ษาสมรรถนะเชงิ ความรอ้ นของ ต้นแบบโรงเรือนเพาะเห็ดอัจฉริยะร่วมกับ
ร ะ บ บ ท า ค ว า ม เ ย็น ด้ว ย ก า ร ร ะ เ ห ย ข อ ง น้ า ร่ ว ม กับ ระบบระบบทาความเยน็ ด้วยท่อใต้ดิน และระบบทา
ระบบสเปรห์ มอก ความเย็นด้วยการระเหยของน้าท่ีพฒั นาข้นึ มาตาม
ขนั้ ตอนท่ี 2.1 แสดงดังรูปท่ี 7 โดยโรงเรือนมีขนาด
ขนั้ ตอนน้ีจะเหมอื นขนั้ ตอนท่ี 2.2.3 แต่จะมี กวา้ ง 6 เมตร ยาว 7 เมตร สูง 2.4 เมตร สามารถ
การเปิ ดใช้ระบบสเปรย์หมอกเพิ่มด้วยในกรณีท่ี บรรจกุ อ้ นเหด็ ไดป้ ระมาณ 5,000 กอ้ น
ความชน้ื สมั พทั ธต์ ่ากว่าค่าทต่ี งั้ ไว้ ดงั ทแ่ี สดงในรปู ท่ี 6

รปู ที่ 6 การศกึ ษาสมรรถนะเชงิ ความรอ้ นของระบบทา รปู ท่ี 7 ตน้ แบบโรงเรอื นอจั ฉรยิ ะทม่ี รี ะบบระบบทา
ความเยน็ ดว้ ยการระเหยของน้ารว่ มกบั ระบบสเปร์ ความเยน็ ดว้ ยทอ่ ใตด้ นิ และระบบทาความเยน็ ดว้ ย
หมอก
การระเหยของน้าทพ่ี ฒั นาขน้ึ มา

3.2 การทดลองเปรียบเทียบสมรรถนะเชิงความ
รอ้ น

ผลการทดลองเปรียบเทียบสมรรถนะเชิง
ความรอ้ นเป็นดงั น้ี

136

3.2.1 การศกึ ษาสมรรถนะเชงิ ความร้อนของ รปู ที่ 9 ความชน้ื สมั พทั ธท์ จ่ี ุดตา่ ง ๆ ในการทดลอง
ระบบทาความเยน็ ดว้ ยทอ่ ใตด้ นิ สมรรถนะเชงิ ความรอ้ นของระบบทาความเยน็ ดว้ ยทอ่

จากรูปท่ี 8 พบว่า อุณหภูมิใต้ดินมีค่าคงท่ี ใตด้ นิ
ประมาณ 27 องศาเซลเซยี ส และใกลเ้ คยี งกบั อุณหภูมิ
ท่อี อกจากปากปล่องของระบบท่อใต้ดิน ซ่ึงแสดงให้ 3.2.2 การศกึ ษาสมรรถนะเชงิ ความรอ้ นของ
เหน็ ว่าผลทไ่ี ดเ้ ป็นไปตามค่าท่ไี ด้คานวณออกแบบไว้ ระบบทาความเยน็ ดว้ ยการระเหยของน้า
และเม่อื จ่ายลมเย็นดงั กล่าวเขา้ ไปในโรงเรอื นพบว่า
ในช่วงท่ีอากาศร้อนท่ีสุดของวนั ประมาณ 40 องศา จากรูปท่ี 10 พบว่า อุณหภูมนิ ้าทอ่ี ย่ใู นถงั น้า
เซลเซียส ระบบทาความเย็นด้วยท่อใต้ดนิ สามมารถ ใต้ดนิ อยู่ท่ปี ระมาณ 25-27 องศาเซลเซียส ซ่งึ ต่ากว่า
รักษาอุณหภูมิในโรงเรือนให้อยู่ประมาณ 30 องศา อุณหภูมิอากาศ ภายนอกซ่ึงอยู่ท่ี 30-37 องศา
เซลเซียสได้ นอกจากน้ียังพบว่า อากาศท่ีถูกลด เซลเซียสในช่วงกลางวนั และเม่อื ระบบทาความเยน็
อุณหภูมิด้วยท่อใต้ดินจะมีความช้ืนสมั พทั ธ์ท่ีสูงข้ึน ดว้ ยการระเหยของน้าจ่ายน้าดงั กล่าวไปยงั แผงคูลลง่ิ
ตามคุณสมบตั ขิ องอากาศ โดยความช้นื สมั พนั ธ์อยู่ท่ี แพด ทาใหอ้ ากาศท่ผี ่านเยน็ ลง และสามารถควบคุม
ประมาณ 80-95 เปอร์เซ็นต์ และเม่ือจ่ายอากาศ อุณหภูมอิ ากาศในโรงเรอื นใหอ้ ย่รู ะหว่าง 25-30 องศา
ดงั กล่าวไปในโรงเรอื น สามารถทาใหค้ วามชน้ื สมั พทั ธ์ เซลเซยี ส ไดต้ ลอดทงั้ วนั อกี ทงั้ สามารถรกั ษาความชน้ื
ในโรงเรอื นสงู กว่า 80 เปอรเ์ ซน็ ต์ ไดต้ ลอดเวลา (รปู ท่ี สมั พทั ธ์ในโรงเรอื นให้สูงกว่า 90 เปอร์เซน็ ต์ไดต้ ลอด
9) ทงั้ วนั อกี ดว้ ย

รปู ที่ 8 อุณหภูมอิ ากาศทจ่ี ุดตา่ ง ๆ ในการทดลอง
สมรรถนะเชงิ ความรอ้ นของระบบทาความเยน็ ดว้ ยทอ่

ใตด้ นิ

รปู ท่ี 10 อุณหภมู แิ ละความชน้ื สมั พทั ธท์ จ่ี ุดตา่ ง ๆ ใน
การทดลองสมรรถนะเชงิ ความรอ้ นของระบบทาความ

เยน็ ดว้ ยการระเหยของน้า

137

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

3.2.3 การศกึ ษาสมรรถนะเชงิ ความรอ้ นของ
ร ะ บ บ ท า ค ว า ม เ ย็น ด้ว ย ก า ร ร ะ เ ห ย ข อ ง น้ า ร่ ว ม กับ
ระบบสเปรห์ มอก

ระบบน้ีสเปรย์หมอกจะไม่ทางาน เน่ืองจาก
ระบบทาความเย็นด้วยการระเหยของน้าเพยี งอย่าง
เดยี วสามารถรกั ษาความชน้ื สมั พทั ธ์ในโรงเรอื นใหส้ งู
กว่า 90 เปอรเ์ ซน็ ตไ์ ดต้ ลอดทงั้ วนั อยแู่ ลว้

รปู ท่ี 12 การเปรยี บเทยี บอุณหภมู แิ ละความชน้ื

รปู ที่ 11 อุณหภูมแิ ละความชน้ื สมั พทั ธท์ จ่ี ุดต่าง ๆ ใน 4. สรปุ
การทดลองสมรรถนะเชงิ ความรอ้ นของระบบทาความ
เยน็ ดว้ ยการระเหยของน้าร่วมกบั ระบบสเปรห์ มอก งานวิจัยน้ีจึงมีวัตถุประสงค์เพ่ือการศึกษา
เปรียบเทียบสมรรถนะเชิงความร้อนในการใช้งาน
3.2.4 การเปรยี บเทยี บอุณหภูมแิ ละความช้นื ระบบทาความเย็นด้วยท่อใต้ดนิ และระบบทาความ
สมั พทั ธต์ ามการทดลองในหวั ขอ้ 2.2.1-2.2.2 เยน็ ด้วยการระเหยของน้าสาหรบั โรงเรือนเพาะเห็ด
นางฟ้า โดยทาการคานวณออกแบบ และก่อสร้าง
ผลจากการเปรยี บเทยี บอุณหภูมติ ามรปู ท่ี 12 ต้นแบบโรงเรอื นอจั ฉรยิ ะทม่ี รี ะบบระบบทาความเยน็
พบว่า ระบบทาความเย็นด้วยการระเหยของน้า ด้วยท่อใต้ดิน และระบบทาความเย็นด้วยการระเหย
สามารถรกั ษาอณุ หภมู ไิ ดด้ กี วา่ ระบบทาความเยน็ ดว้ ย ของน้าจรงิ ผลจากการทดสอบสมรรถนะเชงิ ความร้อน
ท่อใต้ดินเล็กน้อยประมาณ 1 องศาเซลเซียสในช่วง พบว่า ระบบทาความเยน็ ดว้ ยทอ่ ใตด้ นิ สามมารถรกั ษา
กลางวนั ทอ่ี ากาศรอ้ นมาก และสามารถรกั ษาความชน้ื อุณหภูมใิ นโรงเรอื นใหอ้ ย่ปู ระมาณ 30 องศาเซลเซยี ส
สมั พทั ธ์ในโรงเรอื นใหส้ ูงกว่า 90 เปอร์เซ็นต์ได้ตลอด ได้ นอกจากน้ียงั พบว่า อากาศท่ถี ูกลดอุณหภูมิด้วย
ทัง้ วนั ซ่ึงระบบทาความเย็นด้วยท่อใต้ดินทาได้ใน ท่อใต้ดินจะมีความช้นื สมั พทั ธ์ท่สี ูงข้ึนตามคุณสมบตั ิ
ระดบั ประมาณ 80-90 เปอรเ์ ซน็ ต์ ของอากาศ โดยความช้นื สมั พนั ธอ์ ย่ทู ป่ี ระมาณ 80-95
เปอรเ์ ซน็ ต์ และเม่อื จ่ายอากาศดงั กล่าวไปในโรงเรอื น
สามารถทาใหค้ วามช้นื สมั พทั ธ์ในโรงเรอื นสูงกว่า 80
เปอร์เซ็นต์ ได้ตลอดเวลา แต่ระบบทาความเยน็ ด้วย
การระเหยของน้าจะทาได้ดีกว่าเล็กน้อย สามารถ
รกั ษาอุณหภูมใิ นโรงเรอื นไดต้ ่ากว่าระบบทาความเยน็
ด้วยท่อใต้ดินเล็กน้อยประมาณ 1 องศาเซลเซียส
ในช่วงกลางวนั ท่อี ากาศร้อนมาก และสามารถรกั ษา
ความช้นื สมั พทั ธ์ในโรงเรอื นใหส้ ูงกว่า 90 เปอร์เซน็ ต์
ไดต้ ลอดทงั้ วนั อกี ดว้ ย

138

5. กิตติกรรมประกาศ Pleurotus sajor-caju, Journal of Chemical,
Biological and Physical Sciences 6 (2016) 261-
งานวจิ ยั น้ีไดร้ บั ทุนสนับสนุน และไดร้ บั ความ 265.
อนุเคราะห์ในการใช้เคร่ืองมือ และสถานท่ีในการ [8] P. Tummu, T. Kongbang, K. Mulper, W.
ศกึ ษาวจิ ยั จากมหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี Kongthawee, Applications of an earth-air heat
exchanger system for temperature and humidity
6. เอกสารอ้างอิง control in a pleurotus sajor-caju mushroom house,
The Journal of King Mongkut's University of
[1] Department of Agricultural Extension Technology North Bangkok 31 (2021) 624-637.
Ministry of Agriculture and Cooperatuves, List of [9] S. Thepa, K. Kirtikara, J. Hirunlabh, J.
community enterprises, in: 2020. Khedari, Improving indoor conditions of a Thai-
[2] Kung Krabaen Bay Royal Development style mushroom house by means of an evaporative
Study Centre, Economic Mushroom Production, in: cooler and continuous ventilation, Renewable
Department of Fisheries, Munistry of Agriculture Energy 17 (1999) 359-369.
and Cooperatives, 2020. https://doi.org/10.1016/S0960-1481(98)00761-7
[3] Q.A. Mandeel, A.A. Al-Laith, S.A. [10] I.M.A. Aljubury, H.D.a. Ridha,
Mohamed, Cultivation of oyster mushrooms Enhancement of evaporative cooling system in a
(Pleurotus spp.) on various lignocellulosic wastes, greenhouse using geothermal energy, Renewable
World Journal of Microbiology and Biotechnology Energy 111 (2017) 321-331.
21 (2005) 601-607. 10.1007/s11274-004-3494-4 https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.03.080
[4] P. Patel, R. Trivedi, Importance and effect [11] M. Ghoulem, K. El Moueddeb, E. Nehdi,
of substrate for the cultivation of pleurotus sajor- R. Boukhanouf, J. Kaiser Calautit, Greenhouse
caju, in: International Journal of Science and design and cooling technologies for sustainable
Research (IJSR), Semanticscholar, 2015, food cultivation in hot climates: Review of current
pp.^1324-1326. practice and future status, Biosystems Engineering
[5] M. Philip G., C. Shu-Ting, Mushrooms: 183 (2019) 121-150.
cultivation, nutritional value, medicinal effect, and https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2019.04.0
environmental Impact, 2nd ed., CRC Press, 2004. 16
[6] C.P. Pokhrel, N. Kalyan, U. Budathoki, [12] N. Nkolisa, L.S. Magwaza, T.S. Workneh,
R.K. Yadav, Cultivation of Pleurotus sajor-caju A. Chimphango, Evaluating evaporative cooling
using different agricultural residues, International system as an energy- free and cost- effective
Journal of Agricultural Policy and Research 1 method for postharvest storage of tomatoes
(2013) 019-023. (Solanum lycopersicum L.) for smallholder farmers,
[7] S.A. Shinde, A.B. Pandey, S.S. Patil, Scientia Horticulturae 241 (2018) 131-143.
Temperature and Light Intensity Influences on https://doi.org/10.1016/j.scienta.2018.06.079
Growth of

139

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

[13] Y. Uchida, K. Yasukawa, N. Tenma, Y.
Taguchi, T. Ishii, J. Suwanlert, Subsurface
temperature survey in Thailand for geothermal
heat pump application, JGeotherm Res Soc Jpn 33
(2011) 93-98.
[14] S. Mongkon, S. Polvongsri, Enhancement
of the cooling performance of earth tube system
by increasing soil moisture for use in agricultural
greenhouse, RMUTI Jounal of Science and
Technology 9 (2016) 151-164.
[15] S. Bantoengpaiboon, Energy saving air
conditioning system design with a ground heat
exchanger, in: School of Construction and
Infrastructure Management, Suranaree University
of Technology, 2018.
[16] T. Sri-on, A. Koonsrisuk, Cooling
performance of a hybrid ground-source heat pump
with different cooling-water
loop configurations, in: The 34th National Graduate
Research Conference, Faculty of Medicine, Khon
Kaen University, Khon Kaen University, 2015,
pp.^188-197.
[17] M.C. Lekhal, R. Belarbi, A.M. Mokhtari, M.-
H. Benzaama, R. Bennacer, Thermal performance
of a residential house equipped with a combined
system: A direct solar floor and an earth–air heat
exchanger, Sustainable Cities and Society 40
(2018) 534-545.
https://doi.org/10.1016/j.scs.2018.05.012

140

รหสั บทความ : EMAE06

การสารวจและตรวจวดั ประสิทธิภาพทางออ้ มของหม้อไอน้าในโรงงานน้าตาลแบบ
ดงั เดิม : กรณีศึกษา บริษทั อตุ สาหกรรมน้าตาลอีสาน จากดั จ.กาฬสินธ์ุ

A Survey and Indirect Efficiency Measurement of Boiler in Traditional Sugar
Factory : A Case Study of Isan Sugar Industry Company Limited, Kalasin Province

บุญญาดา ธรรมชาต1ิ , พสธร ป่ินเมอื ง1 และ ปรชี า ทุมมุ1*

1 สาขาวชิ าวศิ วกรรมพลงั งาน คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี ตาบลสามพรา้ ว อาเภอเมอื ง จงั หวดั อดุ รธานี 41000
*ตดิ ตอ่ : E-mail [email protected], 042211040-59 ตอ่ 3654

บทคดั ย่อ
งานวจิ ยั น้ีจงึ มวี ตั ถุประสงค์ทจ่ี ะการสารวจและตรวจวดั ประสทิ ธภิ าพทางอ้อมของหมอ้ ไอน้าในโรงงานน้าตาลแบบ
ดงั เดมิ โดยงานวจิ ยั แบ่งการวธิ กี ารดาเนินการออกเป็น 2 สว่ นคอื การสารวจและตรวจวดั ตวั แปรต่าง ๆ และการ
คานวณหาความสูญเสยี และประสทิ ธภิ าพของหม้อไอน้า ผลจากการศกึ ษาพบว่า ความสูญเสยี จากก๊าซไอเสยี
ความสญู เสยี จากความรอ้ นทเ่ี กดิ จากการควบแน่นของน้าจากก๊าซไฮโดรเจน ความสญู เสยี จากความสญู เสยี ความ
ร้อนเน่ืองจากความช้นื ในเช้อื เพลิง ความสูญเสยี จากความสูญเสยี ความร้อนเน่ืองจากความช้นื ในอากาศ ความ
สญู เสยี ความรอ้ นเน่อื งจากการเผาไหมท้ ไ่ี ม่สมบรู ณ์ ความสญู เสยี ความรอ้ นเน่อื งจากการแผ่รงั สี ความสญู เสยี ความ
รอ้ นเน่ืองจากขเ้ี ถ้าท่เี หลอื จากการเผาไหม้ เฉลย่ี อยู่ท่ี 3.43, 2.68, 4.94, 0.22, 1.26, 6.42 และ 6.63 kJ/kg-flue
ตามลาดบั เม่อื ทาการคานวณหาประสทิ ธภิ าพของหม้อไอน้าจะได้ค่าเฉล่ยี อยู่ท่ี 78.41 เปอร์เซ็นต์ ซ่ึงผลท่ไี ด้
สามารถเป็นประโยชน์ต่อการปรบั ปรงุ ประสทิ ธภิ าพของหมอ้ ไอน้าไดใ้ นอนาคต
คาหลกั : หมอ้ ไอน้า; ประสทิ ธภิ าพ; โรงงานน้าตาล

Abstract
The objective of this research is to survey and measure the indirect efficiency of boilers in traditional sugar
factories. The research is divided into two parts: surveying and measuring various variables and calculating
the boiler loss and efficiency. The results show that exhaust gas loss, thermal losses caused by
condensation of water from hydrogen gas, loss of heat loss due to moisture in fuel, loss of heat loss due
to air humidity, heat loss due to incomplete combustion, heat loss due to radiation, heat loss due to ash
left over from combustion average at 3.43, 2.68, 4.94, 0.22, 1.26, 6.42 and 6.63 kJ/kg-flue respectively.
The average boiler efficiency is 78.41 percent, The results of this research can be useful for improving
boiler efficiency. steam in the future
Keywords: Boiler; efficiency; sugar factory

141

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

1. บทนา ดังนัน้ งานวิจัยน้ีจึงมีวตั ถุประสงค์ท่ีจะการ
สารวจและตรวจวดั ประสทิ ธภิ าพทางอ้อมของหมอ้ ไอ
ป ร ะ เ ท ศ ไ ท ย มี ก า ร ท า ก า ร เ ก ษ ต ร อ ย่ า ง น้าในโรงงานน้าตาลแบบดังเดิม โดยใช้ บริษัท
แพร่หลาย แต่ละปีจะมีวสั ดุเหลือท้ิงทางการเกษตร อุตสาหกรรมน้าตาลอีสาน จากัด จ.กาฬสินธุ์ เป็น
เหลอื อยู่เป็นจานวนมาก กรมพฒั นาพลงั งานทดแทน กรณีศึกษา เพ่ือเป็ นข้อมูลในการเสนอมาตรการ
และอนุรกั ษ์พลงั งาน (พพ.) มกี ารรายงานวา่ มกี ารเกบ็ ปรบั ปรงุ ประสทิ ธภิ าพในอนาคต
เก่ียวอ้อยประมาณ 8 ล้านตนั ต่อปี คิดเป็นพลังงาน
ไฟฟ้ าเทียบเท่าถึงประมาณ 6,800 GWh/year [1] 2. วิธีดาเนินการวิจยั
แผนพฒั นาพลงั งานทดแทนและพลงั งานทางเลอื กของ งานวจิ ยั แบง่ การวธิ กี ารดาเนินการออกเป็น 2
ประเทศไทย (AEDP2018) ระบุว่า มกี ารใช้พลงั งาน
ทดแทนคดิ เป็นประมาณ 10 เปอรเ์ ซน็ ต์ ในปี 2014 จงึ สว่ นคอื การสารวจและตรวจวดั ตวั แปรตา่ ง ๆ และการ
ไดม้ กี ารตงั้ เป้าหมายในการใชพ้ ลงั งานทดแทนเป็น 30 คานวณหาความสูญเสยี และประสทิ ธภิ าพของหม้อไอ
เปอร์เซน็ ต์ ในปี 2035 [2] นอกจากน้ีแผนพฒั นากาลงั น้า ดงั รายละเอยี ดตอ่ ไปน้ี
ผลิตไฟฟ้าของประเทศไทย (Power Development 2.1 การสารวจและตรวจวดั ตวั แปรต่าง ๆ
Plan : PDP2018) มีแผนในการเพิ่มการผลิตไฟฟ้า
จากชวี มวลอกี 520 MW อกี ดว้ ย [3] ในงานวจิ ยั น้ีมกี ารสารวจ และตรวจวดั ตวั แปร
ต่างๆ ท่ตี ้องเอามาใชใ้ นการคานวณหาประสทิ ธภิ าพ
บรษิ ทั อุตสาหกรรมน้าตาลอสี านจากดั ตงั้ อยู่ ทางอ้อม เช่น การตรวจวดั ก๊าซไอเสยี จากหม้อไอน้า
เลขท่ี 99 หมทู่ ่ี 9 บา้ นหนองแซง ตาบลสาราญ อาเภอ (รปู ท่ี 1) โดยใชเ้ ครอ่ื งวดั ก๊าซไอเสยี รนุ่ Testo 340 (รปู
สามชยั จงั หวดั กาฬสนิ ธุ์ โดยถูกจดั ใหอ้ ยู่ในประเภท ท่ี 2) และการตรวจวดั อุณหภูมผิ ิวของหม้อไอน้าโดย
โรงงานควบคุมขนาดเล็ก ในประเภทอุตสาหกรรม ใชก้ ลอ้ งวดั ความรอ้ นยห่ี อ้ FLIR (รปู ท่ี 3) เพ่อื นาไปใช้
อาหาร โดยมกี าลงั ผลติ สูงสุดอยู่ท่ี 15,000 ตนั ต่อวนั หาความเสยี จากการแผ่รงั สคี วามรอ้ นของหมอ้ ไปน้า
ฤดูเปิดหีบอ้อย มีระยะเวลายาวนานประมาณ 4-5 เป็นตน้
เดือน ฤดูละลายมีระยะเวลายาวนานประมาณ 3-4
เดอื นและ หมอ้ ไอน้ามขี นาด 250 ตนั ตอ่ ชวั ่ โมง แรงดนั รปู ท่ี 1 การตรวจวดั ก๊าซไอเสยี จากหมอ้ ไอน้า
ไอน้า 20-25 บาร์เกจ ทอ่ี ุณหภูมิ 380 องศาเซลเซยี ส
ประเภทผลิตภณั ฑ์ของโรงงานคือ น้าตาลทรายขาว
น้าตาลทรายสที องและน้าตาลทรายดบิ มกี ารใช้ชาน
อ้อยในการผลิตไอน้าพลังงานความร้อนท่ีใช้ในการ
บวนการผลติ น้าตาลและเพ่อื การผลติ ไฟฟ้าสาหรบั ใช้
ในโรงงาน รวมทงั้ ขายออกใหก้ บั การไฟฟ้า

จากการศกึ ษาขอ้ มลู เบอ้ื งตน้ พบว่า ปัจจุบนั มี
การใช้งานหม้อไอน้าเกนิ กว่าขนาดของหม้อไอน้าท่ี
สามารถรบั ไดเ้ ป็นบางช่วง อกี ทงั้ ยงั ไม่มกี ารตรวจวดั
ประสทิ ธภิ าพของหมอ้ ไอน้าอย่างเป็นประจา ซ่ึงอาจ
สง่ ผลตอ่ การใชเ้ ชอ้ื เพลงิ ทผ่ี ดิ ปกติ

142

Cp คือ ค่าความร้อนจาเพาะของไอเสีย
(kCal/kg °C)

Tf คอื อุณหภมู ไิ อเสยี °C
Ta คอื อณุ หภูมแิ วดลอ้ ม °C
GVC คอื ค่าความรอ้ นเช้อื เพลงิ ของหม้อน้า
(kJ/kg)

รปู ที่ 2 เคร่อื งวดั ก๊าซไอเสยี รุ่น Testo 340 2.2.2 การสูญเสียความร้อนท่ีเกิดจากการ
ควบแน่นของน้าจากกา๊ ซไฮโดรเจน (H2) ในเชอ้ื เพลงิ

เ น่ื อ ง จ า ก ใ น ก ร ะ บ ว น ก า ร เ ผ า ไ ห ม้ ข อ ง

เช้อื เพลงิ จะเกดิ การทาปฏกิ ริ ยิ าเกดิ เป็น H2O ระหว่าง
H2 ในเชอ้ื เพลงิ กบั O2 ในอากาศ ซง่ึ น้าสว่ นน้ีจะมกี าร
ระเหยเป็นไอไปกบั ก๊าซไอเสยี โดยในขณะทร่ี ะเหยจ็ ะ

ดงึ พลงั งานความรอ้ นจากการเผาไหมข้ องเชอ้ื เพลงิ ไป

ใชใ้ นการระเหย ทาใหเ้ กดิ การสญู เสยี ของความรอ้ นไป

ในรูปของความรอ้ นแฝงของการกลายเป็นไอ (Latent

รปู ที่ 3 การวดั ความรอ้ นสญู เสยี จากผนงั หมอ้ ไอ heat) ซง่ึ สามารถคานวณไดจ้ ากสมการ (2)

 L2
= 9 H2  584 (+ Cp Tf − Ta )
GCV
2.2. การคานวณหาความสญู เสียและประสิทธิภาพ of fuel (2)

ของหม้อไอน้า โดย L2 คอื % การสูญเสยี ความรอ้ นทเ่ี กดิ จากการ
ควบแน่นของน้าในกระบวนการ
การคานวณหาความสูญเสยี ต่าง ๆ ของหม้อ
ไอน้าสามารถคานวณไดด้ งั น้ี H2 คอื มวลของไฮโดรเจน (kg/kg-fuel)

2.2.1 ความสญู เสยี ความรอ้ นทเ่ี กดิ จากไอเสยี Cp คอื ค่าความรอ้ นจาเพาะของไอเสยี (k
เกิดจากกระบวนการเผาไหม้ของเช้ือเพลิง
หม้อไอน้า โดยทวั่ ไปจะมีการสูญเสียประมาณ 10- Cal/kg °C)

30 % สามารถหาไดจ้ ากสมการ (1) Tf คอื อณุ หภูมไิ อเสยี °C

1 = × ×( − ) × 100 (1) Ta คอื อุณหภูมแิ วดลอ้ ม °C
GVC คอื ค่าความร้อนเช้อื เพลงิ ของหม้อน้า

โดย L1 คอื % การสูญเสยี ความร้อนท่เี กดิ จากไอ (kJ/kg)
เสยี
584 คอื ค่าความรอ้ นแฝงในการกลายเป็นไอ
m = มวลของไอเสยี (kg/kg-fuel) (มวลของไอ
เสยี ทเ่ี กดิ จากการเผาไหม้ ของน้า (kJ หรอื Btu)

[CO2+SO2+N2 fuel+N2 air+O2 ไอเสยี ])

143

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

2.2.3 การสญู เสยี ความรอ้ นเน่อื งจากความชน้ื L4 = AAS x humidity factor Cp (Tf − Ta )} 100
ในเชอ้ื เพลงิ GCV of fuel

ความช้นื ทม่ี อี ยู่ในเช้อื เพลงิ จะเกดิ การระเหย (4)
ออกไปพร้อมกบั ก๊าซไอเสยี โดยจะมกี ารดงึ พลงั งาน
ความร้อนจากการเผาไหม้ของเช้ือเพลิง ในรูปของ โดย L4 คือ % การสูญเสียความร้อนเน่ืองจาก
ความร้อนสมั ผสั (sensible heat)เพ่อื ทาใหค้ วามชน้ื มี
อุณหภูมถิ งึ จุดเดอื ด และในรูปของความร้อนแฝงของ ความชน้ื ในอากาศ
การกลายเป็นไอ (latent heat) และความรอ้ นท่จี ะทา
ให้อุณหภูมขิ องไอน้าส่วนน้ีมอี ุณหภูมเิ ท่ากบั ก๊าซเสยี Cp คือ ค่ า ค ว า ม ร้ อ น จ า เ พ า ะ ข อ ง น้ า
สามารถคานวณไดจ้ ากสมการ (3) (kCal/kg °C)

Tf คอื อณุ หภมู ไิ อเสยี (°C)

Ta คอื อุณหภมู แิ วดลอ้ ม (°C)

GVC คอื ค่าความรอ้ นเช้อื เพลงิ ของหม้อน้า

(kJ/kg)

AAS คอื มวลอากาศตามจรงิ ท่ใี ช้ในขณะนัน้

 M (kg/kg-fuel)

L3 =
584 + Cp (Tf − Ta )  100 Humidity factor คอื kgน้า / kgอากาศแหง้

GCV of fuel (3)

โดย L3 คอื % การสญู สยี ความรอ้ นเน่อื งจาก 2.2.5 การสญู เสยี ความรอ้ นเน่ืองจากการเผา
ความชน้ื ในเชอ้ื เพลงิ ไหมท้ ไ่ี ม่สมบรู ณ์

Cp คอื ค่าความรอ้ นจาเพาะของน้า (k เกิดจากการเผาไหม้ท่ีไม่สมบูรณ์ ซ่ึงจาก
Cal/kg °C) ปริมาณปริมาณออกซิเจนท่ีใช้ในการเผาไหม้น้อย
เกนิ ไป สภาวะทเ่ี หมาะสมในการเผาไหมข้ องเช้อื เพลงิ
Tf คอื อณุ หภมู ไิ อเสยี (°C) ทเ่ี ป็นของเหลวและก๊าซควรมอี อกซิเจนสว่ นเกนิ 10–
Ta คอื อุณหภูมแิ วดลอ้ ม (°C) 30%
GVC คอื คา่ ความรอ้ นเชอ้ื เพลงิ ของหมอ้ น้า
การเผาไหม้ของเช้อื เพลงิ ท่ไี ม่สมบูรณ์จะทา
(kJ/kg) ใ ห้ เ กิ ด ก๊ า ซ ค า ร์ บ อ น ไ ด อ อ ก ไ ซ ด์ แ ล ะ ก๊ า ซ
คาร์บอนมอนอกไซด์ ซ่ึงแทนท่ีจะได้พลงั งานความ
M คอื มวลของน้าทท่ี าใหเ้ กดิ ความชน้ื ใน ร้อ น จ า ก ก า ร เ ผ า ไ ห ม้ข อ ง ค า ร์ บ อ น ( ซ่ึง เ ป็ น
องค์ประกอบสาคญั ของก๊าซทงั้ สองชนิด) ทาให้เกดิ
เชอ้ื เพลงิ (kg/kg-fuel) การสูญเสยี ของพลงั งานความรอ้ น สามารถคานวณได้
จากสมการ (5)
584 คอื คา่ ความรอ้ นแฝงในการกลายเป็นไอ

ของน้า (kJ หรอื Btu)

2.2.4 การสญู เสยี ความรอ้ นเน่อื งจากความชน้ื 5 = % × 5744 × 100
ในอากาศ % +% 2

ความช้นื ทอ่ี ย่ใู นรปู ของไอน้าทอ่ี ย่ใู นอากาศท่ี (5)
นามาใช้ในการเผาไหม้จะถูกทาให้เป็ นไอดงในขณะ
ผ่านกระบวนการเผาไหม้ และความรอ้ นในสว่ นน้ีกจ็ ะ โดย L5 คอื % การสูญเสยี ความรอ้ นเน่ืองจากการ
ถู ก ป ล่ อ ย ท้ิ ง อ อ ก ท า ง ป ล่ อ ง พ ร้ อ ม กั บ ก๊ า ซ ไ อ เ สีย เผาไหมท้ ไ่ี มส่ มบรู ณ์
สามารถคานวณไดจ้ ากสมการ (4)

144

CO คอื ปรมิ าณ CO ในไอเสยี จากปล่อง (%) ̇กาก (7)
CO2 คือ ปริมาณ CO2 ในไอเสียจากปล่อง 7 = × 100
(%)
C คอื คา่ คงทค่ี ารบ์ อน(kg/kg-fuel) โดย Qก̇ าก= ṁกาก×Cp×(Tกาก-Tref)
GVC คือ ค่าความร้อนเช้อื เพลงิ ของหมอ้ น้า
(kJ/kg) Q̇ กาก คือ ความร้อนสูญเสียจากความร้อน

สมั ผสั ของกาก(kcal/h)

mก̇ าก คอื อตั ราการเกดิ มวลของกาก(kg/h)

2.2.6 การสญู เสยี รอ้ นจากการแผร่ งั สี Cp คอื ความร้อนจาเพาะของข้ีเถ้า 0.16
การสูญเสียของพลังงานความร้อนอีกส่วน kcal/kg/°C
หน่ึงก็คอื การสูญเสยี ไปกบั การแผ่รงั สคี วามร้อนและ
กา ร พ า ค ว า ม ร้อ น จ า กผิว ภ า ย น อ กข อ ง ห ม้อ ไ อ น้ า สู่ Tกาก คอื อุณหภูมขิ องข้เี ถ้าโดยเท่ากบอั ุณห
บรรยากาศโดยรอบ การคานวณหาความสูญเสียใน ภมู ขิ องหอง้ เผาไหม(้ °C)
สว่ นน้ี จาเป็นจะตอ้ งทราบถงึ ขนาดของพน้ื ผวิ ของหมอ้
ไอน้าและอุณหภมู ขิ องพน้ื ผวิ ของหมอ้ ไอน้าเสยี กอ่ น Tref คอื อุณหภมู ขิ องสง่ิ แวดลอ้ ม (°C)

6 = 0.548 × [(55 . 5 5)4 − (5 5 . 5 5)4] 2.2.8 ประสทิ ธภิ าพของหมอ้ ไอน้า
+ 1.957 × ( − )1.25 ประสทิ ธภิ าพของหม้อไอน้าสามารถคานวณ
ไดจ้ ากสมการท่ี (8)

√[(196.85 6 8 .9+ 68.9) ประสทิ ธภิ าพหมอ้ ไอน้า (%) = 100-L1-L2-L3-L4-
]
× L5-L6-L7 (8)

(6) 3. ผลการศกึ ษา
โดย L6 คอื % การสญู เสยี ความรอ้ นจากการแผ่
รงั สี ความสูญเสยี ต่าง ๆ ของหมอ้ ไอน้าท่ไี ด้จาก
การศกึ ษาเป็นดงั ต่อไปน้ี
Vm คอื ค่าความเรว็ ลม (m/s) 3.1 ความสญู เสยี ความรอ้ นทเ่ี กดิ จากไอเสยี
Ts คอื อุณหภูมผิ วิ หมอ้ น้า (°C)
Ta คอื อณุ หภูมแิ วดลอ้ ม (°C) จากผลการศกึ ษาพบว่า เม่อื นาความสูญเสยี
จากก๊าซไอเสยี ของ วนั ท่ี 16 ก.พ. 65 วนั ท่ี 19 ก.พ.
2.2.7 การสูญเสยี ความร้อนจากข้เี ถ้าทเ่ี หลือ 65 และวนั ท่ี 23 ก.พ. 65 เฉลย่ี อย่ทู ่ี 3.43 kJ/kg-flue
จากการเผาไหม้
รปู ท่ี 4 ความสญู เสยี ความรอ้ นทเ่ี กดิ จากไอเสยี
ความร้อนสูญเสยี จากความร้อนสมั ผสั ของ
กากของแข็งท่ีเหลือจากการเผาไหม้ จากข้อมูลใน
รายงาน EIA ของโรงงานพบว่าร้อยละอตั ราการเกดิ
กากจากการเผาไหมค้ อื 4.59 % ของ อตั ราการใชช้ าน
ออ้ ย โดยสามารถคานวณไดด้ งั น้ี

145

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

3.2 การสูญเสยี ความรอ้ นท่เี กดิ จากการควบแน่นของ รปู ท่ี 7 การสญู เสยี ความรอ้ นเน่อื งจากความชน้ื ใน
น้าจากก๊าซไฮโดรเจน (H2) ในเชอ้ื เพลงิ อากาศ

จากผลการศกึ ษาพบว่า เม่อื นาความสูญเสยี
จากความรอ้ นทเ่ี กดิ จากการควบแน่นของน้าจากก๊าซ
ไฮโดรเจนของวนั ท่ี 16 ก.พ. 65 วนั ท่ี 19 ก.พ. 65
และวนั ท่ี 23 ก.พ. 65 เฉลย่ี อย่ทู ่ี 2.68 kJ/kg-flue

รปู ท่ี 5 การสญู เสยี ความรอ้ นทเ่ี กดิ จากการควบแน่น 3.5 การสูญเสยี ความร้อนเน่ืองจากการเผาไหม้ท่ีไม่
ของน้าจากกา๊ ซไฮโดรเจน (H2) ในเชอ้ื เพลงิ สมบรู ณ์

3.3 การสูญเสียความร้อนเน่ืองจากความช้ืนใน จากผลการศกึ ษาพบว่า เม่อื นาความสูญเสยี
เชอ้ื เพลงิ ความรอ้ นเน่ืองจากการเผาไหม้ทไ่ี ม่สมบูรณ์ของวนั ท่ี
16 ก.พ. 65 วนั ท่ี 19 ก.พ. 65 และวนั ท่ี 23 ก.พ. 65
จากผลการศกึ ษาพบว่า เม่อื นาความสูญเสยี เฉลย่ี อยทู่ ่ี 1.26 kJ/kg-flue
จากความสูญเสียความร้อนเน่ืองจากความช้ืนใน
เช้ือเพลิง วนั ท่ี 16 ก.พ. 65 วนั ท่ี 19 ก.พ. 65 และ รปู ท่ี 8 การสญู เสยี ความรอ้ นเน่อื งจากการเผาไหมท้ ่ี
วนั ท่ี 23 ก.พ. 65 เฉลย่ี อย่ทู ่ี 4.94 kJ/kg-flue ไม่สมบูรณ์

รปู ท่ี 6 การสญู เสยี ความรอ้ นเน่อื งจากความชน้ื ใน 3.6 การสญู เสยี รอ้ นจากการแผร่ งั สี
เชอ้ื เพลงิ จากผลการศกึ ษาพบว่า เม่อื นาความสูญเสยี

ความรอ้ นเน่ืองจากการแผ่รงั สวี นั ท่ี 16 ก.พ. 65 วนั ท่ี
19 ก.พ. 65 และวันท่ี 23 ก.พ. 65 เฉล่ียอยู่ท่ี 6.42
kJ/kg

3.4 การสญู เสยี ความรอ้ นเน่อื งจากความชน้ื ในอากาศ รปู ที่ 9 การสญู เสยี รอ้ นจากการแผ่รงั สี
จากผลการศกึ ษาพบว่า เม่อื นาความสูญเสยี

จากความสูญเสียความร้อนเน่ืองจากความช้ืนใน
อากาศวนั ท่ี 16 ก.พ. 65 วนั ท่ี 19 ก.พ. 65 และวนั ท่ี
23 ก.พ. 65 เฉลย่ี อย่ทู ่ี 0.22 kJ/kg-flue

146

3.7 การสูญเสยี ความรอ้ นจากขเ้ี ถา้ ทเ่ี หลอื จากการเผา รปู ที่ 12 ประสทิ ธภิ าพของหมอ้ ไอน้า
ไหม้

จากผลการศกึ ษาพบว่า เม่อื นาความสูญเสยี
ความร้อนเน่ืองจากข้เี ถ้าท่เี หลอื จากการเผาไหม้ของ
วนั ท่ี 16 ก.พ. 65 วนั ท่ี 19 ก.พ. 65 และวนั ท่ี 23 ก.พ.
65เฉลย่ี อย่ทู ่ี 6.63 kJ/kg-flue

รปู ท่ี 10 การสญู เสยี ความรอ้ นจากขเ้ี ถา้ ทเ่ี หลอื 4. สรปุ
จากการเผาไหม้
งานวจิ ยั น้ีจงึ มวี ตั ถปุ ระสงคท์ จ่ี ะการสารวจและตรวจวดั
3.8 ประสทิ ธภิ าพของหมอ้ ไอน้า ประสทิ ธภิ าพทางอ้อมของหมอ้ ไอน้าในโรงงานน้าตาล
เม่อื ทาการเฉลย่ี และสรปุ ความสญู เสยี ทงั้ หมด แบบดงั เดมิ โดยใช้ บรษิ ทั อุตสาหกรรมน้าตาลอสี าน
จากดั จ.กาฬสนิ ธุ์ เป็นกรณีศกึ ษา เพ่อื เป็นข้อมูลใน
จะไดด้ งั รูปท่ี 11 โดยความสูญเสยี ทส่ี ูงทส่ี ุด คอื ความ การเสนอมาตรการปรบั ปรุงประสทิ ธิภาพในอนาคต
สญู เสยี ความรอ้ นจากขเ้ี ถ้าท่เี หลอื จากการเผาไหม้อยู่ โดยงานวจิ ยั แบง่ การวธิ กี ารดาเนนิ การออกเป็น 2 สว่ น
ท่ี 6.63 เปอร์เซน็ ต์ รองลงมาคอื ความร้อนเน่ืองจาก คือ การสารวจและตรวจวดั ตัวแปรต่าง ๆ และการ
ความชน้ื ในเชอ้ื เพลงิ อยทู่ ่ี 4.94 เปอรเ์ ซน็ ต์ คานวณหาความสูญเสยี และประสทิ ธภิ าพของหม้อไอ
น้า ผลจากการศกึ ษาพบว่า ความสูญเสยี จากก๊าซไอ
รปู ท่ี 11 สรปุ ความสญู เสยี ต่าง ๆ ของหมอ้ ไอน้า เสยี เฉลย่ี อยทู่ ่ี 3.43 kJ/kg-flue ความสญู เสยี จากความ
รอ้ นทเ่ี กดิ จากการควบแน่นของน้าจากก๊าซไฮโดรเจน
และเม่อื ทาการคานวณหาประสทิ ธิภาพของ เฉล่ียอยู่ท่ี 2.68 kJ/kg-flue ความสูญเสียจากความ
หม้อไอน้าตามสมการท่ี (8) จะได้ประสิทธิภาพดัง สูญเสยี ความรอ้ นเน่ืองจากความช้นื ในเชอ้ื เพลงิ เฉลย่ี
แสดงในรปู ท่ี 12 โดยค่าเฉลย่ี ของประสทิ ธภิ าพหมอ้ ไอ อยู่ท่ี 4.94 kJ/kg-flue ความสูญเสยี จากความสูญเสยี
น้าอย่ทู ่ี 78.41 เปอรเ์ ซน็ ต์ ความรอ้ นเน่ืองจากความชน้ื ในอากาศเฉลย่ี อย่ทู ่ี 0.22
kJ/kg-flue ความสูญเสียความร้อนเน่ืองจากการเผา
ไหม้ท่ีไม่สมบูรณ์เฉล่ียอยู่ท่ี 1.26 kJ/kg-flue ความ
สญู เสยี ความรอ้ นเน่ืองจากการแผ่รงั สเี ฉลย่ี อยู่ท่ี 6.42
kJ/kg ความสูญเสยี ความร้อนเน่ืองจากข้เี ถ้าท่ีเหลือ
จากการเผาไหมเ้ ฉลย่ี อยทู่ ่ี 6.63 kJ/kg-flue เม่อื ทาการ
คานวณหาประสทิ ธภิ าพของหม้อไอน้าจะได้ค่าเฉล่ยี
ของประสิทธิภาพหม้อไอน้าอยู่ท่ี 78.41 เปอร์เซ็นต์
ซ่ึงผลท่ีได้สามารถเป็ นประโยชน์ต่อการปรับปรุง
ประสทิ ธภิ าพของหมอ้ ไอน้าไดใ้ นอนาคต

147

29 มนี าคม 2565
คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยรี าชมงคลอสี าน
6. กิตติกรรมประกาศ
งานวิจัยน้ีได้รับความอนุ เคราะห์ในการใช้
เ ค ร่ือ ง มือ แ ล ะ ส ถ า น ท่ีใ น ก า ร ศึก ษ า วิจัย จ า ก
มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อุดรธานี
7. เอกสารอ้างอิง
[1] The Department of Alternative Energy
Development and Efficiency (DEDE), Biomass
Database Potential in Thailand, in: 2009.
[2] Department of Renewable Energy Development
and Energy Efficiency, Alternative Energy
Development Plan: AEDP2015, in: The Energy
Policy and Planning Office (EPPO), 2015.
[3] The Energy Policy and Planning Office (EPPO),
Thailand Power Development Plan 2018, in: 2018.

148

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 ของความรอ้ นในเหลก็ ท่ีเชื่อมดว้ ยแรงเสียดทาน
โดยวิธีไฟไนตเ์ อลิเมนต์

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

ปกรณ์ อนุ่ ไธสง

วทิ ยาลยั ธาตพุ นม มหาวทิ ยาลยั นครพนม
ทอี่ ยู่ 457 ถนนพนมพนารกั ษ์ ตาบลธาตพุ นม อาเภอธาตพุ นม จงั หวดั นครพนม 48110

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

บทคดั ยอ่
งานวจิ ยั น้ีเป็นการศึกษาการกระจายตวั ของความรอ้ นบรเิ วณรอยเช่อื มของเหล็กคาร์บอนต่าท่เี ช่อื มดว้ ยแรงเสยี ด
ทาน ขนาดเสน้ ผ่าศูนย์กลาง 15 มลิ ลิเมตร ยาว 100 มิลลเิ มตร ทาการวดั อุณหภูมหิ ่างจากบรเิ วณพ้นื ท่หี น้าตดั
เสยี ดทาน ท่รี ะยะ 5 มลิ ลเิ มตร และ 10 มลิ ลเิ มตร ตามลาดบั แลว้ เปรยี บเทยี บและวเิ คราะหผ์ ลกบั การคานวณของ
แบบจาลองในซอฟแวรส์ าเรจ็ รปู ดว้ ยวธิ ไี ฟไนต์เอลเิ มนต์ ทม่ี พี ้นื ฐานมาจากเอลเิ มนต์รูปทรงสามเหลย่ี มและสเ่ี หลย่ี ม
แผ่นบาง ชนิด 2D Axisymmetric ซ่งึ เป็นวธิ ที ่ใี ช้ในการหาค่าการกระจายตัวของอุณหภูมใิ นเหลก็ ผลการทดลอง
พบวา่ การคานวณของแบบจาลองในซอฟแวรส์ าเรจ็ รปู ดว้ ยวธิ ไี ฟไนต์เอลเิ มนต์ สามารถอธบิ ายการกระจายตวั ของ
ความรอ้ นไดเ้ ม่อื เทยี บกบั ผลการทดลอง ซ่ึงปรากฏการณน์ ้ใี หผ้ ลทใ่ี กลเ้ คยี งและสอดคลอ้ งกนั
คาหลกั : การกระจายตวั ของความรอ้ น, เชอ่ื 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 2. เครื่องมอื และวิธีการวิจยั
2.1 การเช่ือมด้วยแรงเสียดทาน
การใช้ซอฟแวร์คอมพวิ เตอรช์ ่วยในงานออกแบบ
ทางวศิ วกรรม (Computer Aided Engineering, CAE) การเช่ือมเสียดทานประเภทน้ี อาศัยความร้อน
เป็นท่ีนิยมอย่างมากในปัจจุบัน และการหาผลลัพธ์ จากการเสียดทานเช่ือมช้นิ งานให้ติดกนั โดยปลาย
เก่ียวกับการถ่ายเทความร้อนท่ีสภาวะกึ่งคงท่ีของ ดา้ นหน่ึงจะถูกยดึ ติดอยู่กบั มู่เล่และมอเตอร์เพ่อื หมุน
ข อ งแ ข็ง (Semi – Infinite Solid) [1] โด ย วิธีก าร ชน้ิ งานดว้ ยความเร็วรอบค่าหน่ึง ส่วนอกี ดา้ นจะจบั ยดึ
คานวณเชิงตัวเลขก็ได้รบั การคิดค้นและพัฒนาใน ช้ินงานให้อยู่กับท่ีและเคล่ือนท่ีในแนวแกนเข้าหา
ซอฟแวร์ให้ถูกตอ้ งและแม่นยามากขน้ึ ซ่งึ สามารถทา ชน้ิ งานทก่ี าลงั หมุน ทาใหเ้ กดิ แรงเสยี ดทานและหลอม
ได้โดยการสร้างแบบจาลองท่ีมีรูปร่างลักษณะจาก ละลายจงึ หยุดหมุน จากนัน้ เพ่ิมแรงดนั ท่มี ากข้นึ เพ่อื
ชน้ิ งานจรงิ แลว้ ทาการแบ่งชน้ิ งานออกเป็นส่วนเล็กๆ ดนั อดั ชน้ิ งานใหต้ ดิ กนั ดงั แสดงในรปู ท่ี 1
หรอื ท่เี รยี กวา่ เอลเิ มนต์ (Element) รูปสามเหลย่ี มหรอื
สเ่ี หลย่ี มดา้ นเท่าหรอื ไม่เท่าก็ได้ ใหค้ ลอบคลุมช้นิ งาน รปู ท่ี 1 การเช่อื มดว้ ยแรงเสยี ดทาน [2]
ท่ตี อ้ งการศึกษา จากนัน้ กาหนดเง่อื นไขและขอบเขต 2.2 การวดั อุณหภมู ิของรอยเชื่อม
(Boundary condition) ข อ งช้ิ น งา น แ ล้ ว ท า ก า ร
ป ระมวล ผ ล (Solver) ซ่ึ งระย ะเวล าท่ีใช้ใน การ วัสดุท่ีใช้ในการทดลองเป็ นเหล็กคาร์บอนต่า
ประมวลผลจะแตกต่างกันออกไปตามลักษณะของ ขนาดเสน้ ผ่าศูนยก์ ลาง 15 mm. ยาว 100 mm. เจาะรู
ปั ญหา จานวนเอลิเมนต์ และประสิทธิภาพของ เพ่อื เช่อื มต่อสายวดั อุณหภูมิ (Thermo couple Type
คอมพิวเตอร์ ขัน้ สุดท้ายคือขัน้ ตอนการแสดงผล k) ท่ีระยะ 5 mm. และ 10 mm. ห่างจากพ้ืนท่ีเสียด
(Result) โดยอาจแสดงแบบเส้นแถบสี (Contour ทานตามลาดบั ดงั แสดงในรูปท่ี 2
lines) เวคเตอร์ (Vector plot) และตัวเลขหรือกราฟ
โดยทงั้ หมดทก่ี ลา่ วมาขา้ งตน้ น้ี เรยี กว่า วธิ หี าผลเฉลย รปู ท่ี 2 การวดั อณุ หภมู ิ
โดยประมาณ หรอื ระเบยี บวธิ ไี ฟไนต์เอลเิ มนต์ (Finite
Element Method, FEM) [4-5]

นอกจากน้ีวธิ ดี งั กล่าว ยงั สามารถวเิ คราะห์งานได้
หลากหลาย เช่น การถ่ายเทความรอ้ น ความแข็งแรง
ของวัสดุ ความเค้น ความเครียด การไหลของ
ของเหลวและอากาศ และคล่นื แมเ่ หลก็ ไฟฟ้า เป็นตน้

สาหรบั การประยุกต์ใช้วธิ ไี ฟไนต์เอลเิ มนต์ (FEM)
ใ น ก ระ บ ว น ก า รเ ช่ื อ ม ด้ ว ย แ ร ง เสี ย ด ท า น จ ะ ศึ ก ษ า
ภายใตต้ วั แปรสาคญั ท่เี กยี่ วขอ้ ง ไดแ้ ก่ เวลาเสยี ดทาน
เวลาอัด แรงดันเสียดทาน แรงดันอัด และความเร็ว
รอบในการเสยี ดทาน จากนัน้ ทาการวเิ คราะหผ์ ลการ
กระจายตวั ของความร้อนบรเิ วณรอยเช่อื ม แล้วเทยี บ
กบั ผลการทดลอง

158

2.3 เงือ่ นไขการทดลอง q = r 2 + (1 + )R (2)
เง่อื นไขทใ่ี ช้ในการทดลอง ศกึ ษาภายใต้ตวั แปรท่ี R

สาคัญ 5 ตัวแปร ได้แก่ เวลาเสียดทาน เวลาอัด เม่อื q คอื ฟลกั ซ์ความรอ้ น
แรงดนั เสยี ดทาน แรงดนั อดั และความเรว็ รอบในการ  คอื สมั ประสทิ ธกิ์ ารกระจายตวั
เสยี ดทาน ดงั แสดงในตารางท่ี 1 [6-7] ของแรงดนั
 คอื ความเคน้ เฉือน
ตารางที่ 1 เง่อื นไขการทดลองและแบบจาลอง FEM  คอื ความเรว็ รอบ
เงอ่ื นไข แรงดนั เวลา แรงดนั เวลา ความเรว็ r คอื รศั มขี องชน้ิ งาน
R คอื เสน้ ผ่าศูนยก์ ลางของชน้ิ งาน
เสยี ด เสยี ด อดั อดั รอบ
ทาน ทาน (bar) (sec.) (rpm) ในช่วงแรกของการเสียดทาน จะเกิดความเค้น
(bar) (sec.) เฉือนข้ึน (Shear force, f ) ค่าหนึ่ง เน่ืองจากความ
1 20 10 60 5 1,300
2 30 10 60 5 1,300 แขง็ แรงของวสั ดุยงั มีค่าสูงในช่วงเร่มิ เสยี ดทาน จาก
ทฤษฎีแรงเสยี ดทานของคูลอมบ์ สามารถคานวณหา
2.4 แบบจาลองและวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ ค่าความเคน้ เฉอื นได้ ดงั แสดงในสมการท่ี 3

การถ่ายเทความร้อนเป็ นปรากฏการณ์ส่งผ่าน f =P/ 3 (3)
ความร้อนของโลหะจากบริเวณท่ีมีอุณหภูมิสูงไปยัง
บริเวณท่ีมีอุณหภูมิต่า การเช่ือมด้วยแรงเสียดทาน เม่อื P คอื แรงในแนวแกน
เป็ นการถ่ายเทความร้อนท่ีสภ าวะก่ึงคงท่ีของโลห ะ 1/ 3 คอื ค่าคงทส่ี มั ประสทิ ธิ์
(Semi-Infinite solid) ซ่ึงเป็ นการวิเคราะห์ปั ญ ห า แรงเสยี ดทาน
สาหรบั โลหะท่ีมีความยาว โดยปลายด้านหนึ่งเป็ น
พน้ื ท่ที ไ่ี ดร้ บั ความรอ้ นและเกดิ การถา่ ยเทความรอ้ นไป เม่อื วสั ดุเกิดการเสยี ดทานและสะสมความร้อนท่ี
ยงั ปลายอกี ดา้ นหน่ึง ผวิ สมั ผสั จะเกิดการนาความรอ้ น มากพอ จะส่งผลให้อุณหภูมิบริเวณพ้ืนท่ีเสียดทาน
ทไ่ี ม่คงท่ี (Transient heat conduction) ซ่งึ จะส่งผลต่อ เพิ่มข้ึนอย่างรวดเร็ว และความแข็งแรงของวสั ดุก็
ระยะ x และสามารถทาการประมาณค่าโซนความ ลดลงอยา่ งรวดเรว็ เช่นเดยี วกนั (Yield strength,  y )
รอ้ นทไ่ี ดร้ บั ผลกระทบได้ ดงั แสดงไวใ้ นสมการท่ี 1
ก่อนเกดิ การเสยี รูปแบบพลาสติก สามารถคานวณหา
x = 4 at (1) ความเค้นเฉือน ( y ) ตามทฤษฎีของ Von Mises

เมอ่ื a คอื สมั ประสทิ ธกิ์ ารถ่ายเทความรอ้ น ดงั แสดงไวใ้ นสมการท่ี 4
t คอื เวลา
y =y / 3 (4)

ผลจากกระบวนการเช่อื มด้วยแรงเสยี ดทาน จะทา เมอ่ื  y คอื ความเคน้ ต่าสดุ ก่อนเกดิ
ให้วสั ดุเกิดการเสยี รูปแบบพลาสติกบรเิ วณรอยเช่อื ม การเสยี รูปแบบพลาสตกิ
(Plastic deformation) ซ่ึงสามารถประมาณค่าได้จาก
สมการการกระจายตวั ของความรอ้ นบรเิ วณพน้ื ทเ่ี สยี ด 1/ 3 คอื ค่าคงทส่ี มั ประสทิ ธิ์
ทาน (Heat flux) ดงั แสดงไวใ้ นสมการท่ี 2 [1] แรงเสยี ดทาน

159

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

ในแบบจาลองจะแบ่งช้นิ งานออกเป็นสองส่วน คอื
ส่วนท่ีไม่เสียรูป (Rigid zone) และส่วนท่ีเสียรูป
(Plastic zone) ซ่ึ งส่ ว น ท่ี ไม่ เสีย รูป จ ะรับ แ รง ใน
แนวแกน P แล้วส่งต่อไปยงั ส่วนท่ีเสียรูป กล่าวคือ
ก่อนเช่ือมช้ินงานจะยังไม่เกิดการเสียรูป h0 เม่ือ
เรม่ิ ทาการเช่อื มเสียดทานภายใต้แรงดนั ในแนวแกน
และหมุนด้วยความเร็วรอบ ช้นิ งานจะเกิดความร้อน
และเกดิ การเสยี รูป (Plastic deformation) h ดงั แสดง
ในรูปท่ี 3 การศกึ ษาการสรา้ งแบบจาลอง

รปู ท่ี 4 การสรา้ งแบบจาลองและกาหนดเอลเิ มนต์

รปู ที่ 3 การศกึ ษาการสรา้ งแบบจาลอง [3] 3. ผลการวิจยั และอภิปรายผล
ผลการวิจัย พบว่า แบบจาลอง FEM สามารถ
การสร้างแบบจาลอง FEM ท่ีใช้ในการศึกษา จะ
จาลองตามรูปร่างลกั ษณะช้นิ งานจรงิ และใช้เง่อื นไข ท าน าย ผ ล ก ารก ระจ าย ตัว ข อ งค วาม ร้อ น ใน
การทดลองตามตารางท่ี 1 พรอ้ มทงั้ กาหนดคุณสมบตั ิ กระบวนการเช่ือมด้วยแรงเสยี ดทานได้ และให้ผลท่ี
ของวสั ดุท่สี าคญั เช่น สมั ประสทิ ธแิ์ รงเสยี ดทาน และ สอดคลอ้ งกนั กบั การทดลองวดั อุณหภมู ิ โดยเกดิ ความ
คุณสมบัติทางความร้อน เอลิเมนต์ท่ีใช้เป็นลักษณะ ร้อนบรเิ วณรอยเช่อื มและกระจายตวั ออกไปตามแนว
แผ่นบาง (Shell element) ชนิด 2D Axisymmetric ย าว ข อ งแ ท่ งโล ห ะ ใน ส่ วน ระย ะ 5 mm. ท่ีถู ก
แบบ CGAX4HT:A4-node เป็นเอลเิ มนต์ชนิด 3 โนด กาหนดใหเ้ ป็นสว่ นเสยี รูปของวสั ดุ กใ็ หผ้ ลตามเงอ่ื นไข
และ 4 โนด แบ่งส่วนตามแบบจาลองท่ที าการศึกษา ทก่ี าหนดในแบบจาลองซ่งึ สอดคลอ้ งตามปรากฏการณ์
ตามรูปท่ี 3 ในส่วนท่ีวสั ดุเกิดการเสียรูปจะแบ่งเอลิ จรงิ ดงั แสดงในรูปท่ี 5 และ 6
เมนต์ให้มีความละเอยี ด ขนาดเท่ากับ 0.5 mm. และ
ส่วนท่ไี ม่เสยี รูปจะเป็นเอลเิ มนต์แบบหยาบจะ ขนาด รปู ท่ี 5 การแสดงผลการกระจายตวั ของความรอ้ น
เท่ากับ 1.5 mm. ตัง้ ค่าการบันทึกผลท่ีโนด (Node) ในแบบจาลอง FEM
ตามระยะท่ีทาการทดลองวดั อุณหภูมิท่ี 5 mm. และ
10 mm. ตามลาดบั ดงั แสดงในรปู ท่ี 4

160

รปู ที่ 6 ลกั ษณะการเสยี รูปของวสั ดุ จากกราฟในรูปท่ี 7 และ 8 คอื กราฟการกระจาย
ตวั ของอุณหภูมิท่ีได้จากเง่อื นไขชุดท่ี 1 และชุดท่ี 2
Conditions 1 ผลการทดลอง พบว่า เง่อื นไขชุดท่ี 1 อุณหภูมสิ ูงสุดท่ี
ระยะ 5 mm. คือ 887 °C และท่ีระยะ 10 mm. คือ
1000 513 °C ในเง่อื นไขชุดท่ี 2 อุณหภูมิสูงสุดท่ีระยะ 5
mm. คอื 1,024 °C และทร่ี ะยะ 10 mm. 901 °C
800
สาหรับผลการคานวณของแบบจาลอง FEM
600 พบว่า เง่อื นไขชุดท่ี 1 อุณหภูมิสูงสุดท่ีระยะ 5 mm.
คือ 894 °C และท่ีระยะ 10 mm. คือ 726 °C และ
400 เง่ือนไขชุดท่ี 2 อุณหภูมิสูงสุดท่ีระยะ 5 mm. คือ
1,060 °C แ ล ะท่ี ระย ะ 10 mm. คื อ 818 °C โด ย
200 สามารถเปรยี บเทยี บและสรุปผลได้ ดงั แสดงในตาราง
5 mm. ท่ี 2 สรุปเทยี บผลการทดลองกบั FEM
10 mm.
ตารางที่ 2 เทยี บผลการทดลองกบั FEM
0
Temperature (C) 0 5 10 15 20 25 เงอ่ื นไข ระยะ 5 mm. ระยะ 10 mm.

Time (sec.) (°C) (°C)

รปู ท่ี 7 กราฟการทดลองเง่อื นไขชดุ ท่ี 1 Exp.1 887 513

Conditions 2 FEM.1 894 726

1200 Exp.2 1,024 901

1000 FEM.2 1,060 818

Temperature (C) 800 4. สรปุ

600 1. แบบจาลอง FEM สามารถวเิ คราะหแ์ ละทานาย
ผลการกระจายตวั ของอุณหภูมิในกระบวนการเช่ือม
400 ดว้ ยแรงเสยี ดทานและลกั ษณะการเสยี รปู ของวสั ดไุ ด้

200 5 mm. 2. การเพม่ิ แรงดนั เสยี ดทาน ทาให้อุณหภูมทิ ร่ี อย
10 mm. เช่อื มเพมิ่ สูงข้นึ และเกิดการกระจายตัวได้ดี ลักษณะ
การเสยี รปู ของวสั ดกุ ม็ ากขน้ึ เช่นเดยี วกนั
0
0 5 10 15 20 25 3. แบบจาลอง FEM ในกระบวนการเช่อื มดว้ ยแรง
เสียดทานสามารถประยุกต์ใช้และต่อยอดการทานาย
Time (sec.) ผลปัจจัยอ่ืนๆได้ เช่น ชนิดของวสั ดุ ความแข็งแรง
ความเคน้ ความเครยี ด เป็นตน้
รปู ที่ 8 กราฟการทดลองเง่อื นไขชุดท่ี 2

161

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

5. กิตติกรรมประกาศ อุบลราชธานี, ปีท่ี 13, ฉบับท่ี 1, มกราคม – มีนาคม
2554, หน้า 73 – 81.
ขอขอบคุณ วิทยาลัยธาตุพนม มหาวิทยาลัย
นครพนม ท่ใี ห้การสนับสนุนและอานวยความสะดวก [7] ปกรณ์ อุ่นไธสง และ รชต มณีโชติ (2561).
รวมถงึ คณาจารยท์ กุ ท่านทใ่ี หค้ าแนะนาเป็นอยา่ งดี การกระจายตวั ของอุณหภูมใิ นเหล็กคารบ์ อนต่า AISI
1015 ท่ีเช่อื มด้วยวิธีเสียดทาน, การประชุมวชิ าการ
6. เอกสารอา้ งอิง เครอื ข่ายวศิ วกรรมไฟฟ้า ครงั้ ท่ี 10, 1-3 พฤษภาคม
พ.ศ. 2561 โรงแรมราชศุภมิตร อาร์. เอส. โฮเต็ล
[1] Wenya Li, Feifan Wang. (2011). Modeling จงั หวดั กาญจนบรุ ี
of continues drive friction welding of mild steel,
Materials Science and Engineering A 528 (2011).
5921-5926.

[2] Friction Welding: Principle, Working, Type,
Application, Advantages and Disadvantages. Aptil
6, 2017, URL: https://www.mech4study.com/
2017/04/friction-welding-principle-working-types-
application-advantages-and-disadvantages.html.

[3] Rich T. and Roberts R. (1971). A plastic
model is designed to theoretically describe the
movement of interface material during the forging
phase of friction welding, Welding Research
Supplement. March, 1971.

[4] ภาสกร เวสสะโกศล และ จารุวตั ร เจรญิ สุข
(2560). การวเิ คราะหป์ ัญหาการนาความรอ้ นทม่ี คี วาม
สมมาตรรอบแกนด้วยวิธไี ฟไนต์เอลิเมนต์, วศิ วสาร
ลาดกระบัง, ปีท่ี 34, ฉบับท่ี 3, กันยายน 2560, หน้า
22 - 28.

[5] สุทธศิ กั ดิ์ พงศ์ธนาพาณชิ ย์ (2555). การสรา้ ง
ตาข่ายสามเหลย่ี มสาหรบั ระเบียบวธิ ไี ฟไนต์เอลเิ มนต์
และไฟ ไนต์วอลุ่ม, วารสารวิชาการเทคโนโลยี
อุต สาห กรรม, ปี ท่ี 8, ฉบับ ท่ี 2, พ ฤษ ภ าคม –
สงิ หาคม 2555.

[6] ช่วงชัย ชุปวา และ ชวลิต ถิ่นวงศ์พิทักษ์
(2554). อิทธิพ ลของเวลาในการเสียดทาน และ
ความเรว็ รอบในการเสยี ดทานทม่ี ผี ลต่อความแขง็ แรง
ของรอยเช่อื มของเหลก็ AISI 1015 ทเ่ี ช่อื มเสยี ดทาน,
วารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัย

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

ระบบสายอากาศมกี ารแมตชอ์ มิ พแี ดนซท์ ด่ี ขี น้ึ ดงั รปู ท่ี

4 รูปท่ี 5 แสดงการเปรียบเทียบผลแบบรูปการแผ่

พลงั งานของระบบสายอากาศโมโนโพลทงั้ 3 แบบ

 =00°  = 0°
45° -10 45° 0

-20 315° -10 45°

-30 -20

-30

90° 90° 270° 90°

ดา้ นหน้า ดา้ นบน

(ก) อภวิ สั ดโุ ครงสรา้ งตวั กลาง 135° 225° 135°

135° 868 MHz180°

180°

แบบเสน้ ลวดแนวตงั้ (ก)ระนาบสนามไฟฟ้า (ข)ระนาบสนามแม่เหลก็

 =00°  = 0°
45° -10 45° 0

-20 315° -10 45°

-30 -20

-30

90° 90° 270° 90°

135° 225° 135°

135° 915 MHz180°

180°

(ค)ระนาบสนามไฟฟ้า (ง)ระนาบสนามแม่เหลก็

(ข) สายอากาศโมโนโพล λ/4  =00°  = 0°
และอภวิ สั ดแุ บบผสม 45° -10 45° 0

รปู ท่ี 3 สายอากาศโมโนโพล λ/4 ตน้ แบบ -20 315° -10 45°

งานวจิ ยั น้ีจานวนทงั้ สน้ิ 18 อลิ เิ มนต์ โดยมขี นาดเส้น -30 -20
ผ่านศูนย์กลาง 1 mm และมีความยาวเท่ากับความ
ยาวของสายอากาศโมโนโพล รูปท่ี 3(ข) แสดง -30
สายอากาศโมโนโพลต้นแบบ ท่ปี ระกอบดว้ ยอภวิ สั ดุ
โครงสร้างแบบผสม คือ โครงสร้างเส้นลวดแบบ 90° 90° 270° 90°
ทรงกระบอกด้านซ้ายและขวาและโครงสรา้ งตวั กลาง
แบบเส้นลวดแนวตัง้ มีระยะห่างระหว่างโครงสร้าง 135° 225° 135°
ตัวกลางแบบเส้นลวดแนวตัง้ และโมโนโพล (dr=35
mm) จากการจาลองผลพบว่าสายอากาศโมโนโพลตน้ 2.4 GHz135° 180°
แบบน้ี มีอตั ราขยายเท่ากบั 10.98 dB ซ่ึงเพม่ิ ข้นึ ถึง 180°
6.45 dB เม่อื เทยี บกบั สายอากาศโมโนโพลเด่ยี ว และ
3.45 dB เม่ือเทียบกับสายอากาศโมโนโพลและเส้น (จ)ระนาบสนามไฟฟ้า (ฉ)ระนาบสนามแมเ่ หลก็
ลวดทรงกระบอกด้านซ้ายขวา และยงั พบว่าอภิวสั ดุ
โครงสร้างตัวกลางแบบเส้นลวดแนวตัง้ ยงั ส่งผลให้ Single Monopole
Proposed Monopole
Proposed Monopole+Wire Medium

รปู ที่ 5 แบบรปู การแผ่กระจายกาลงั งาน

175

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

ตารางที่ 1 ผลการจาลอง หน้าท่เี ป็นวงจรเรโซแนนซ์ให้แก่ระบบสายอากาศใน
แต่ละย่านความถ่ี พบว่าสามารถช่วยเพม่ิ อตั ราขยาย
สายอากาศโมโนโพล λ/4 ช่วงความถี่ อตั ราขยาย แ ล ะก ารแ ม ต ช์ ส าย อ าก าศ ใ ห้ ดีข้ึน ส่ งผ ล ให้
ใช้งาน (MHz) (dB) ประสทิ ธภิ าพโดยรวมของสายอากาศดยี งิ่ ขน้ึ

โมโนโพลเดย่ี ว 915 4.51 7. กิตติกรรมประกาศ
ขอขอบพระคุณคณาอาจารย์ทุกๆ ท่านในสาขา
โมโนโพลและเสน้ ลวด 868 6.73
ทรงกระบอกดา้ นซา้ ยขวา 915 8.115 วศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ ซ่งึ ไดใ้ หค้ วามอนุเคราะห์ ให้
2,400 7.925 คาแนะนาและแน วคิดท่ีมีป ระโยชน์ และคณ ะ
วิศวกรรมศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัย
โมโนโพลและอภวิ สั ดุ แบบ 868 9.9 เทคโนโลยรี าชมงคลอีสาน นครราชสมี า ท่ไี ด้เอ้อื เฟ้ือ
ผสมร่วมกบั โครงสรา้ ง 915 11.72 อุปกรณ์ทใ่ี ชใ้ นการจาลองผลในการทางานวจิ ยั ส่งผล
ตวั กลางแบบเสน้ ลวด 2,400 12.15 ใหง้ านวจิ ยั ฉบบั น้ีสาเรจ็ ลลุ ่วงไปไดด้ ว้ ยดี
แนวตงั้ (โมโนโพลตน้ แบบ)

รปู ที่ 4 คา่ สมั ประสทิ ธกิ์ ารสะทอ้ นกลบั (S11) ของ 8. เอกสารอ้างอิง
สายอากาศ
[1] Kudpik, R., Meesawad P., and Wongsan R.,
6. สรปุ
งานวจิ ัยน้ีได้นาเสนอการเพ่ิมประสิทธภิ าพของ (2017). Bandwidth Enlargement of λ /4
Monopole above Ground Plane with Metallic
สายอากาศโมโนโพล λ/4 ด้วยเทคนิคอภิวสั ดุแบบ Holes Structure, International Symposium on
ผสม ได้แก่โครงสร้างเส้นลวดแบบทรงกระบอก Antennas and Propagation (ISAP-2017),
ด้านซ้ายและขวา สาหรบั การปรับปรุงการแมตช์ Phuket, Thailand, 21 December 2017.
อิมพีแดนซ์ให้สายอากาศสามารถทางานได้ทัง้ สาม [2] Weiner, M., (2003)., Monopole Antennas. 1st
ย่านความถ่ีตามมาตรฐานข้อกาหนดคือ 2.4 GHz, ed., The MITRE Corporation Massachusetts,
915 MHz และ 868 MHz และอภิวัสดุโครงสร้าง U.S.A., 2003.
ตัวกลางแบ บ เส้น ลวด แน วตั้งสาห รับ การเพ่ิม [3] Zivkovic, Z. et al., (2012). Radiation pattern
อัตราขยายของสายอากาศโมโนโพลทัง้ สามย่าน and impedance of a quarter wavelength
ความถ่ี จากผลการจาลองผลสายอากาศโมโนโพลต้น monopole antenna above a finite ground
แบบ เม่ือนาเอาโครงสร้างอภิวสั ดุตัวกลางแบบเส้น plane, SoftCOM 2012, 20th International
ลวดแนวตงั้ มาวางลอ้ มรอบสายอากาศตงั้ ต้น เพ่อื ทา Conference on Software, Telecommunications
and Computer Networks, pp 1-5.
[4] Muhammad, A., (2016) Report on Quarter
Wave Monopole Antenna, 2016.
[5] Farahani, S., (2008) ZigBee Wireless
Networks and Transceivers, Newnes.

176

[6] Valentino T., (2001).Short Medium Frequency Advanced Materials, Vol. 24, Issue 31,
AM Antennas, IEEE Transactions on August 2012, pp. 4229 – 4248.
Broadcasting, Vol. 47, No. 3, pp. 263 – 284. [14] Kampeephat, S. et al., (2019). Enhancement
of Monopole Antenna Gain with Additional
[7] Yang, F. et al., (2009). Electromagnetic Band Vertical Wire Medium Structure, Progress in
Gap Structures in Antenna Engineering, Electromagnetics Research Symposium,
Cambridge University Press, Cambridge. Rome, Italy, June 2019, pp. 2687 – 2690.

[8] นิ วัต ร์ อังค วิศิ ษ ฐ พั น ธ์ ., (2553). อ ภิ วัส ดุ
( Metamaterials) . ว า ร ส า ร วิ ช า ก า ร
วศิ วกรรมศาสตร์ มหาวทิ ยาลยั อุบลราชธานี, ปีท่ี
3, ฉบบั ท่ี 2, หน้า 52-60.

[9] ศราวุธ ชัยมูล และ ประยุทธ อัครเอกฒาลิน.,
(2554). อภิวัสดุสาหรับการประยุกต์ใช้ด้าน
ส า ย อ า ก า ศ ( Metamaterials for Antenna
Applications). วารสารวชิ าการพระจอมเกล้าพระ
นครเหนือ, ปีท่ี 21, ฉบบั ท่ี 2, หน้า 472-482.

[10] นันทกานต์ วงศ์เกษม และ คณิศร์ มาตรา.,
(2552). วัสดุเห นื อธรรม ชาติ. วารสารวิจัย
มหาวิทยาลยั ขอนแก่น, ปีท่ี 14, ฉบบั ท่ี 2, หน้า
133-149.

[11] Kampeephat S., Kamphikul P., and Wongsan
R., (2017).Gain improvement for conventional
rectangular horn antenna with additional two-
layer wire medium structure, Progress in
Electro - magnetics Research Symposium,
Singapore, pp. 2493 - 2497.

[12] Duangtang P., Mesawad P., Wongsan R.,
(2016). Gain Improvement of Conical Horn
Antennas by Adding Wire Medium Structure,
13th International Conference on Electrical
Engineering / Electronics, Computer,
Telecommunications and Information
Technology, Chiang Mai, Thailand, 2016.

[13] Simovski, C.R., et al., (2012). Wire
Metamaterials Physics and Applications,

177