KKU Engineering Journal vol35no3

ที่ปรึกษา 1. รศ.ดร.สมนึก ธีระกุลพิศทุ ธิ์ Assoc.Prof.Dr.Somnuk Theerakulpisut 2. รศ.ดร.สุนนั ทา กิง่ ไพบูลย Assoc.Prof.Dr.Sununtha Kingpaiboon 3. ผศ.ดร.สุธาสินี เนรมิตตกพงศ Asst.Prof.Dr.Sutasinee Neramittagapong

คณบดีคณะวิศวกรรมศาสตร Dean รองคณบดีฝายวิจัยและวิเทศสัมพันธ Associate Dean for Research and International Affairs รองคณบดีฝายวิชาการ Associate Dean for Academic Affairs

บรรณาธิการ ศ.ดร.ปริญญา จินดาประเสริฐ Prof.Dr.Prinya Chindaprasirt กองบรรณาธิการ 1. ศ.ฉลอง เกิดพิทกั ษ Prof.Chalong Kirdpitugsa 2. ศ.ดร.ปยสาร ประเสริฐธรรม Prof.Dr.Piyasan Praserthdam 3. ศ.ดร.วัลลภ สุระกำพลธร Prof. Dr.Wanlop Surakampontorn 4. ศ.ดร.สมชาติ โสภณรณฤทธิ์ Prof.Dr.Somchart Soponronnarit 5. ศ.ดร.สุรนิ ทร พงศสภุ สมิตร Prof. Dr. Surin Phongsupasamit 6. ศ.ดร.สุขสันต หอพิบลู สุข Prof.DrSuksun Horpibulsuk 7. ศ.ดร.ประภาส จงสถิตวัฒนา Prof.Dr.Prabhas Chongstitvattana 8. ศ.ดร.วรทัศน ขจิตวิชยานุกลู Prof.Dr.Voratas Kachitvichyanukul 9. ศ.ดร.บัณฑิต เอือ้ อาภรณ Prof.Dr.Bundhit Eua-arporn 10. ศ.ดร.จงรักษ ผลประเสริฐ Prof.Dr.Chongrak Polprasert

ภาควิชาวิศวกรรมโยธา Department of Civil Engineering ทีป่ รึกษา บริษทั แมคโคร คอนซัลแตนท จำกัด Macro Consultants Co.,Ltd. จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย Chulalongkorn University สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกลาเจาคุณทหารลาดกระบัง King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลาธนบุรี King Mongkut’s University of Technology Thonburi จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย Chulalongkorn University มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี Suranaree University of Technology จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย Chulalongkorn University สถาบันเทคโนโลยีแหงเอเชีย Asian Institute of Technology จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย Chulalongkorn University สถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร Sirindhorn International Institute of Technology

รองบรรณาธิการ ผศ.ดร.สมชาย ชวนอุดม Asst.Prof.Dr.Somchai Chuan-Udom

ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร Department of Agricultural Engineering

ผูชวยกองบรรณาธิการ 1. รศ.ดร.พงศกร พรรณรัตนศิลป Assoc.Prof.Dr.Pongsakorn Punrattanasin 2. รศ.ดร.วิระสิทธิ์ อิม่ ถวิล Assoc.Prof.Dr.Virasit Imtawit 3. ผศ.ดร.ดนัยพงศ เชษฐโชติศกั ดิ์ Asst.Prof.Dr.Danaipong Chetchotsak 4. ผศ.ดร.เกียรติฟา ตัง้ ใจจิต Asst.Prof.Dr.Kiatfa Tangchaichit 5. อ.ดร.ไปรยา เฉยไสย Dr.Pairaya Choeisai 6. รศ.ดร.กันยรัตน โหละสุต Assoc.Prof.Dr.Kanyarat Holasut 7. รศ.ดร.วนิดา แกนอากาศ Assoc.Prof.Dr.Wanida Kanarkard

ภาควิชาวิศวกรรมโยธา Department of Civil Engineering ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา Department of Electrical Engineering ภาควิชาวิศวกรรมอุตสาหการ Department of Industrial Engineering ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล Department of Mechanical Engineering ภาควิชาวิศวกรรมสิ่งแวดลอม Department of Environmental Engineering ภาควิชาวิศวกรรมเคมี Department of Chemical Engineering ภาควิชาวิศวกรรมคอมพิวเตอร Department of Computer Engineering

ฝายประสานงาน นางปรัชญาพร ไกรศรีวรรธนะ Mrs.Prachyaporn Kraisriwantana

สถานทีต่ ดิ ตอ : วิศวกรรมสาร มข. ตึกเพียรวิจติ ร (ชัน้ 7) คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยขอนแกน ต.ในเมือง อ.เมือง จ.ขอนแกน โทรศัพท : (043) 362145-6 ตอ 603, โทรสาร : (043) 362142 E- mail: enjournal@kku.ac.th, kku.enjournal@gmail.com Contact Address: KKU Engineering Journal, 7th Floor, Pienvichitr Building, Faculty of Engineering, Khon Kaen University, Muang, Khon Kaen, 40002 Thailand Tel: +66 - 43 362 -145 - 6 ext. 603 Fax: +66 - 43 362 -142 E-mail: enjournal@kku.ac.th, kku.enjournal@gmail.com

บทบรรณาธิการ เรียน ทานสมาชิกวิศวกรรมสาร มข. และผอู า นทุกทาน วิศวกรรมสาร มข. ฉบับนีเ้ ปนฉบับที่ 1 ปที่ 39 ประจำเดือนมกราคม – มีนาคม 2555 ซึง่ ไดรวบรวมบทความ วิจยั และบทความวิชาการทางดานวิศวกรรมศาสตรและเทคโนโลยี โดยฉบับนีม้ บี ทความวิจยั จำนวน 10 บทความ วิศวกรรมสาร มข. ฉบับนี้ไดมีการเปลี่ยนแปลงตามที่ไดแจงใหทราบ โดยมีการปรับเปลี่ยนรูปแบบใหม ทัง้ ฉบับ และมีกองบรรณาธิการใหมบางทานเขามาชวยดำเนินการจัดทำวิศวกรรมสาร มข. ทั้งนี้ ใครขอแจงใหทานสมาชิกทุกทานทราบวา วิศวกรรมสาร มข. ไดผานการรับรองคุณภาพของ TCI (Thai-Journal Citation Index Centre) ในรอบที่ 1 ครัง้ ที่ 1 โดยจัดอยใู นวารสารกลมุ ที่ 1 (ระยะเวลา 3 ป กุมภาพันธ 2555 - ธันวาคม 2557 ) และอยใู นฐานขอมูล TCI ซึง่ จะถูกคัดเลือกเขาสฐู านขอมูล ASEAN Citation Index (ACI) ตอไป เพื่อใหวิศวกรรมสาร มข. และบทความที่ตีพิมพในวารสารมีความสมบูรณและนาเชื่อถือมากยิ่งขึ้น จึงขอเชิญชวนใหผเู ขียนบทความใชการอางอิงจากวารสารทีอ่ ยใู นฐาน TCI, Scopus และหรือ ISI ทีส่ ามารถตรวจ สอบได โดยทางวารสารมีนโยบายทีจ่ ะลดการอางอิงจากรายงานผลการวิจยั เอกสารประกอบการประชุมวิชาการ และวิทยานิพนธ วิศวกรรสาร มข. หวังเปนอยางยิง่ วาวารสารนี้ จักเปนประโยชนตอ ทัง้ นักวิชาการ นักวิจยั นักศึกษา หรือ บุคคลทั่วไปเพื่อแสวงหาความรูและรวบรวมขอมูลในแขนงวิชาที่เกี่ยวของ และเพื่อการพัฒนาอยางตอเนื่อง เพือ่ กาวสกู ารเปนวารสารระดับนานาชาติในฐาน Scopus จึงขอเชิญชวนนักวิชาการ นักวิจยั ทุกทานสงบทความ เนื้อหาภาษาอังกฤษ เพื่อเผยแพรในวิศวกรรมสาร มข. แตทั้งนี้เนื้อหาที่เปนภาษาไทยก็คงรับพิจารณาเชนเคย โดยทานสามารถสงบทความไปยังกองบรรณาธิการ ตามที่อยูดังที่แจงในตนฉบับ และเพื่อความสะดวกรวดเร็ว สามารถสงผานเว็บไซต http://www.en.kku.ac.th/enjournal และ E-mail:enjournal@kku.ac.th หากมีขอ เสนอ/ แนะนำเกี่ยวกับการพัฒนาวารสาร หรือมีขอสงสัยประการใดกรุณาแจงแกทางกองบรรณาธิการ จะเปน พระคุณยิ่ง ศ.ดร.ปริญญา จินดาประเสริฐ บรรณาธิการ

วิศวกรรมสาร มข. ปที่ 39 ฉบับที่ 1 เดือน มกราคม - มีนาคม 2555 การสั่นสะเทือนที่มีผลตอการอานเขียนนอกแนวขอมูลของชุดหัวอานเพียโซอิเล็กทริก ในฮารดดิสกไดรฟ………………………………………………………………………..…………...… นิตพิ นั ธุ วิทยผดุง และพฤทธิกร สมิตไมตรี

1

การเปรียบเทียบแบบจำลองทางคณิตศาสตรความชื้นสมดุลที่เหมาะสำหรับยางพาราแผน….............. 11 วสันต จีนธาดา ทศพร จันทรกระจาง สุเทพ ชูกลิน่ และเฉลิม ศิรริ กั ษ การประเมินการสึกกรอนของคอนกรีตผสมวัสดุปอซโซลาน…………………………...…….…...…..... 23 นาวิน เกขุนทด สหลาภหอมวุฒวิ งศ และมณีรตั น องควรรณดี การจัดตารางการผลิตโดยเปรียบเทียบการจัดตารางทั่วไปและวิธีเจเนติกอัลกอริทึม…….…..….......... 35 อดุลย พุกอินทร การปรับปรุงคุณสมบัติกากดินขาวเพื่อใชเปนวัสดุชั้นทาง…………………...………………..……...... 47 อรุณเดช บุญสูง ผลกระทบของพารามิเตอรการเชื่อมตอมุมเงยสำหรับกระบวนการเชื่อมวงจรอิเล็กทรอนิกส…............. 59 ธนพงศ ปญจิต กนตธร ชำนิประศาสน และ กีรติ สุลกั ษณ อิทธิพลของความสูงเบดตอกาซไอเสียในเตาเผาแกลบแบบไซโคลน……………………………........... 69 วิศษิ ฐ ลีลาผาติกลุ การพัฒนาเครื่องสำรวจรังสีที่ทำงานรวมกับเครื่องเลนเกมบอย………………………….....………..... 77 ปยเทพ ชอบทำกิจ เดโช ทองอราม และ สุวทิ ย ปุณณชัยยะ การจดจำสัญญาณเสียงเพือ่ จำแนกชนิดของเครือ่ งดนตรีไทยดวยอัลกอริทมึ C5.0……...……............ 85 ปริญญา ทองคำ วนิดา แกนอากาศ กิตติพงษ มีสวาสดิ์ และวิโรจน ทวีปวรเดช Humidity and temperature control in an evaporative cooling system of a poultry house……. 95 Kritsadang Senawong, Sorayute Winitchai and Thana Radpukdee

KKU Engineering Journal Vol. 39 No. 1 January - March 2012 Effects of vibration on the off-track positioning of the piezoelectric head gimbal assembly in hard disk drive…………………………………………………….………...................

Nitipan Vittayaphadung and Pruittikorn Smithmaitrie

1

Comparison of mathematical models equilibrium moisture content for sheet rubber……….... 11 Wasan Jeentada, Thossaporn Chankrachang, Sutep Chooklin and Chalerm Sirirak Investigation of abrasion of concrete containing pozzolan………………….……………..…….. 23 Navin Kakhuntho, Sahalaph homwuttiwong and Maneerat Ongwandee Method production scheduling using a comparison of genetic algorithm and other general methods…………………………………………………………………..…….... 35 Adul Phuk-in Stabilization industrial waste of kaolin for road material……………………………………....….. 47 Aroondet Boonsung Effect of welding parameter on pitch angle for electronic circuit process …………………..… 59 Thanapong Punchit, Kontorn Chamniprasart and Keerati Sulaksna Effect of the height of bed on exhaust gas in a rice husk fired cyclone combustor…………… 69 Wisit Lelaphatikul Development of a game boy based radiation survey meter………………………………..…... 77 Piyathep Chobthumkit, Decho Thong-Aram and Suvit Punnachaiya Thai musical instrument recognition and classification using C5.0 algorithm…………………. 85 Parinya Thongkam, Wanida Kanarkard, Kittiphong Meesawat and Wiroj Taweepworadej Humidity and temperature control in an evaporative cooling system of a poultry house…...... 95 Kritsadang Senawong,Sorayute Winitchai and Thana Radpukdee

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1): 1-10

บทความวิจัย

KKU Engineering Journal http://www.en.kku.ac.th/enjournal/th/

การสั่นสะเทือนที่มีผลตอการอานเขียนนอกแนวขอมูลของชุดหัวอานเพียโซอิเล็กทริก ในฮารดดิสกไดรฟ Effects of vibration on the off-track positioning of the piezoelectric head gimbal assembly in hard disk drive นิตพิ นั ธุ วิทยผดุง และ พฤทธิกร สมิตไมตรี* Nitipan Vittayaphadung and Pruittikorn Smithmaitrie* ภาควิชาวิศวกรรมเครือ่ งกล มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร จังหวัดสงขลา 90112 Received September 2011 Accepted January 2012

บทคัดยอ งานวิจัยนี้ไดศึกษาคุณลักษณะการสั่นสะเทือนของชุดหัวอานเพียโซอิเล็กทริกในฮารดดิสกไดรฟดวยระเบียบวิธี ไฟไนตเอลิเมนต และตรวจสอบความถูกตองโดยเปรียบเทียบกับผลการทดสอบการสั่นสะเทือน เพื่อใหได แบบจำลองไฟไนตเอลิเมนตทมี่ คี วามแมนยำ และนำไปศึกษาผลของการสัน่ สะเทือนทีม่ ตี อ การอานเขียนนอกแนว ขอมูล ทัง้ นีก้ ารสัน่ พองทีโ่ หมดการสัน่ แบบบิดและโหมดการสัน่ แบบสายของชุดหัวอาน ารสัน่ สะเทือน โดยทำการ วัดการเปลีย่ นแปลงตำแหนงทีป่ ลายหัวอานในแนวระดับ แลวแสดงผลอยใู นรูปการตอบสนองเชิงความถีเ่ ทียบกับ ตำแหนงฐานของชุดหัวอาน จากการศึกษาพบวา ผลการเปรียบเทียบความถีธ่ รรมชาติ และโหมดการสัน่ สะเทือน ระหวางแบบจำลองไฟไนตเอลิเมนตกับผลการทดลองมีความสอดคลองกัน ทำใหไดแบบจำลองชุดหัวอาน เพียโซอิเล็กทริกทีม่ คี วามแมนยำสามารถนำไปใชในการออกแบบโครงสรางและพัฒนาระบบควบคุม เพือ่ ลดความ ผิดพลาดของการอาน-เขียนขอมูลเนื่องจากการสายนอกเสนแนวขอมูลตอไป คำสำคัญ : การสัน่ สะเทือน ชุดหัวอานเพียโซอิเล็กทริก แบบจำลองไฟไนตเอลิเมนต การทดลอง การตรวจสอบ ความถูกตอง Abstract The piezoelectric head gimbal assembly was designed to compensate the off-track vibration in a hard disk drive. The off-track vibration caused by the torsion and sway vibration modes induces the

*Corresponding author. Tel.: 074-287-035, 074-287-214; fax: 074-558-830 Email address: spruitti@me.psu.ac.th

2

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

read-write error rate. Thus, vibration modes of the piezoelectric head gimbal assembly that may cause the off-track positioning are reported in this work. The vibration characteristic of the piezoelectric head gimbal assembly is studied by using the finite element method. The finite element model is validated by compared with the experimental result. The frequency response function result of the experiment was measured by using the laser doppler vibrometer at the side of the slider in the horizontal plane.

The comparison of natural frequencies and vibration mode shapes shows good agreement between the finite element and experimental results. This research provides a procedure and a validated model of the piezoelectric head gimbal assembly which is useful for further design and development of its structure and the control system to reduce the read-write error due to the off-track vibration.

Keywords : Vibrations, Piezoelectric head gimbal assembly, Finite element model, Experiment validation 1. บทนำ ป จ จุ บั น ประเทศไทยเป น ฐานที่ ตั้ ง ของ อุตสาหกรรมการผลิตฮารดดิสกไดรฟของผูผลิตราย ใหญของโลก และฮารดดิสกไดรฟยังคงเปนอุปกรณ คอมพิวเตอรพื้นฐานที่มีความจำเปนอยู ถึงแมจะเริ่ม มีการนำระบบเก็บขอมูลแบบโซลิด สเตตไดรฟเขามา ใชแลวก็ตาม ทัง้ นีเ้ พราะ ฮารดดิสกไดรฟเปนอุปกรณ ทีใ่ ชในการเก็บขอมูลทีม่ คี วามคมุ คามากทีส่ ดุ ทัง้ ดาน ความจุ ราคา และความสะดวกในการใชงาน ซึง่ แนว โนมในปจจุบนั ไดมกี ารเพิม่ ความจุและเพิม่ อัตราการ เขาถึงขอมูลใหมีความรวดเร็วมากยิ่งขึ้น เพื่อรองรับ การใชงานที่หลากหลายและไฟลที่มีขนาดใหญ เชน ไฟลภาพเคลือ่ นไหว ซึง่ ปจจัยทีช่ ว ยใหเกิดการพัฒนา อุปกรณ ไดแก การปรับปรุงคุณภาพของสือ่ บันทึก หรือ แผนดิสก (platter) ใหมคี วามราบเรียบยิง่ ขึน้ [1-2] การ ออกแบบหัวอานเขียนแบบแนวตั้ง (perpendicular read/write head) [3-4] การควบคุมตำแหนงทีม่ คี วาม แมนยำ และการควบคุมความเร็วในการอาน-เขียน ขอมูล [5-6] เปนตน นอกจากนี้ การสั่นสะเทือนเชิงกลของสวน ประกอบตางๆ ภายในฮารดดิสกกเ็ ปนอีกปจจัยหนึง่ ที่ สงผลตอความเร็วในการเขาถึงขอมูล เพราะมีสวน

ประกอบที่เกิดการเคลื่อนไหวอยูตลอดเวลา ไดแก ชุดแขนเลือ่ น (actuator arm) และแผนดิสก หรือแผน จานสำหรับบันทึกขอมูล [7-9] โดยทั่วไปแผนจาน จะหมุนทีค่ วามเร็ว 5,400 และ 7,200 รอบตอนาที (rpm) และมีการเก็บขอมูลในเสนแนวขอมูล (data track) มีลกั ษณะเปนแถบวงกลมภายในแผนจาน และ เรียงตอกันจนเต็มแผน และฮารดดิสกที่มีความหนา แน น ของเส น แนวข อ มู ล (track density) สู ง ถึ ง 500,000 เสนแนวขอมูลตอนิว้ (tracks per inch: TPI) จะมีความกวางของเสนแนวขอมูลเพียง 50 nm [10] ทำใหการเคลื่อนที่ของแขนเลื่อนเพื่อนำหัวอานเขียน ไปยังตำแหนงที่ตองการจะตองมีความแมนยำ และ ความรวดเร็ว ซึ่งการใชมอเตอรขดลวด (voice coil motor) เพียงอยางเดียวนัน้ ไมละเอียดพอ จึงไดมกี าร ออกแบบชุ ด แขนเลื่ อ นแบบสองขั้ น ตอน [11-12] ทีใ่ ชมอเตอรขดลวดสำหรับการเขาถึงแบบหยาบ และ ใช ตั ว ทำงานเพี ย โซ อิ เ ล็ ก ทริ ก สำหรั บ การเข า ถึ ง เส น แนวข อ มู ล แบบละเอี ย ด [13-15] และต อ ง ออกแบบระบบควบคุ ม ให ล ดหรื อ หลี ก เลี่ ย ง การสัน่ สะเทือนทีท่ ำใหเกิดการอานเขียนนอกเสนแนว ขอมูล (off-track vibration) ไดแก โหมดการสัน่ แบบบิด (torsional vibration mode) และการสั่นแบบสาย

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

(sway vibration mode) [10-11,16] โดยระบบจะเกิด การสั่นพอง (resonance) เมื่อตัวทำงานกระตุนที่ ความถี่ธรรมชาติซึ่งเปนคุณลักษณะเฉพาะขึ้นอยูกับ รูปราง โครงสราง และวัสดุที่ใชในการประกอบเปน ชุดแขนเลือ่ นแตละแบบ [17] การทดสอบการสั่ น สะเทื อ นทั่ ว ไปสามารถ ทำ ไ ด โ ด ย ก า ร ติ ด ตั้ ง เ ซ น เ ซ อ ร วั ด ค ว า ม เ ร ง (accelerometer) ไปยังตำแหนงที่ตองการวัด และ ทำการกระตุ น ให โ ครงสร า งเกิ ด การสั่ น สะเทื อ น [18-19] จากนัน้ จึงนำผลทีไ่ ดมาวิเคราะหการสัน่ สะเทือน ตอไป แตสำหรับชุดหัวอานฮารดดิสกไดรฟนนั้ มีขนาด เล็ก จะไมสะดวกและไมนิยมติดตั้งเซนเซอรวัดความ เรงลงบนชิ้นงาน อีกทั้งน้ำหนักของตัวเซนเซอรเอง จะสงผลใหความถี่ธรรมชาติที่วัดไดเกิดความคลาด เคลือ่ น ในกระบวนการผลิตชุดหัวอานฮารดดิสกไดรฟ นั้น จึงใชตัววัดความเร็วโดยใชการสะทอนของแสง เลเซอร (laser doppler vibrometer: LDV) ตรวจจับ การเปลีย่ นแปลงระยะหางจากแหลงกำเนิดแสงไปยัง ชิ้นงาน ซึ่งไมตองสัมผัสกับชิ้นงาน [5, 10, 13-15, 20-23] และผลทีไ่ ดจากการวัดการสัน่ สะเทือนโดยใช เลเซอรนมี้ คี วามละเอียด และมีความถูกตองมากกวา การใชเซนเซอรวัดความเรง รูปที่ 1 แสดงชุดหัวอานเพียโซอิเล็กทริกที่ทำ การศึกษาในงานวิจัยนี้ ซึ่งสวนปลายสุดของชุดหัว อ า นเป น ที่ ติ ด ตั้ ง หั ว อ า นเขี ย นข อ มู ล อยู บ นชิ้ น ส ว น สไลเดอร และทีป่ ลายอีกขางหนึง่ คือแผนฐาน (base plate) สำหรับประกอบกับชุดแขนเลื่อนโดยการยึดที่ ตำแหนงรูของ boss hole โดยที่ ชุ ด หั ว อ า นนี้ มี ตั ว ทำงานเพียโซ อิเล็กทริกติดตัง้ ในชองของแผนสำหรับ วางมอเตอร เพียโซอิเล็กทริก (motor region) โดยจะมี

3

แขนจับ (hinge) ตอไปยัง load beam และสไลเดอร ต อ ไป ชุ ด หั ว อ า นนี้ ไ ด ถู ก ออกแบบให ตั ว ทำงาน เพี ย โซอิ เ ล็ ก ทริ ก ทำการส า ยหั ว อ า นเขี ย นในแนว ระนาบไดทำใหเขาถึงเสนแนวขอมูลไดเร็วขึ้นและ รักษาตำแหนงตามเสนแนวขอมูล (track following) ไดดยี งิ่ ขึน้ งานวิจยั นีใ้ ชระเบียบวิธไี ฟไนตเอลิเมนตมา วิเคราะหการสัน่ สะเทือนของชุดหัวอานเพียโซอิเล็กทริก และเปรียบเทียบกับผลการทดสอบชิ้นงานเพื่อตรวจ สอบความถูกตองของ แบบจำลองไฟไนต เอลิเมนตที่ สรางขึ้น และเมื่อแบบจำลองมีความถูกตองแมนยำ แล ว สามารถนำมาศึ ก ษาผลกระทบของการสั่ น สะเทื อ นที่ มี ต อ การอ า นเขี ย นนอกแนวข อ มู ล และ ยังสามารถนำไปประยุกตใช ออกแบบ และพัฒนา ชุดหัวอานเพียโซอิเล็กทริกในรุนตอไปไดอีก กอนที่ จะทำการสรางชิ้นงานจริงขึ้นมา

รูปที่ 1 สวนประกอบของชุดหัวอานเพียโซอิเล็กทริก

4

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

2. การทดสอบการสั่นสะเทือน ชุดทดสอบการสัน่ สะเทือนของชุดหัวอานเพียโซ อิเล็กทริกแสดงในรูปที่ 2 ประกอบดวย LDV จำนวน 2 ตัว สำหรับวัดความเร็วทีต่ ำแหนงฐานของชุดหัวอาน (สัญญาณเขาชองที่ 1) และที่ตำแหนงปลายของชุด หัวอาน (สัญญาณเขาชองที่ 2) ซึง่ สามารถวิเคราะห ไดจากฟงกชนั การตอบสนองเชิงความถี่ (frequency response function: FRF) ของชุดหัวอาน เพียโซ อิเล็ก ทริกดังสมการ FRF ( f ) =

Voutput ( f )

(1)

Vinput ( f )

เมื่อ FRF คือผลตอบสนองเชิงความถี่ Voutput คือ ความเร็วทีต่ ำแหนงปลายของชุดหัวอาน และ Vinput คือ ความเร็วทีต่ ำแหนงฐาน [24] ขนาดของการสัน่ สะเทือน (magnitude) ในหนวยเดซิเบล (dB) เปนไปตาม สมการ ⎛ Voutput Magnitude (dB) = 20 log10 ⎜ ⎜V ⎝ input

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

ชุ ด ทดสอบใช แ ผ น จานหมุ น มาตรฐานของ ฮารดดิสกไดรฟขนาด 3.5 นิ้ว และกำหนดใหแผน จานหมุนทีค่ วามเร็ว 7,200 รอบตอนาที เชนเดียวกับ การทำงานจริงของฮารดดิสกไดรฟ ลำแสงเลเซอร LDV ของชองสัญญาณที่ 2 ชี้ไปที่ตำแหนงดานขาง ของสไลเดอร เ พื่ อ วั ด ผลตอบสนองเชิ ง ความถี่ จ าก ความเร็วของการสั่นสะเทือนที่ปลายหัวอานเทียบกับ ความเร็วของการกระตนุ ทีฐ่ านของชุดหัวอานจากชอง สัญญาณที่ 1 เมือ่ นำสัญญาณทีว่ ดั ไดไปวิเคราะห โดย การกรองผลของการสั่นสะเทือนในแนวระนาบที่เกิด จากแรงลม (windage) อันเนือ่ งมาจากการหมุนของ แผนจานออกไปแลวนัน้ จะทราบความถีธ่ รรมชาติและ โหมดการสั่นสะเทือนที่ทำใหเกิดการอานเขียนนอก เส น แนวข อ มู ล ของชุ ด หั ว อ า นเพี ย โซอิ เ ล็ ก ทริ ก ซึ่งจะกลาวถึงในหัวขอผลการทดลองตอไป

(2)

ชุดทดสอบประกอบดวยเครื่องมือวิเคราะห สั ญ ญาณ (dynamics signal analyzer: DSA) ซึง่ นอกจากจะทำหนาทีร่ บั สัญญาณจาก LDV ทัง้ สอง ชองสัญญาณ แลวยังทำหนาที่สงสัญญาณกระตุน การสั่นสะเทือนไปที่ฐานชุดหัวอานผานมอเตอรเชิง เสนที่เรียกวา shaker การศึกษาการสั่นสะเทือนที่ ทำใหเกิดการสัน่ นอกเสนแนวขอมูลนัน้ จะตองทำการ กระตุ น การสั่ น สะเทื อ นของฐานชุ ด หั ว อ า นในแนว ระนาบในชวงความถี่ตั้งแต 0.5-30 kHz ซึ่งเปนชวง ความถีท่ ำงานของมอเตอรขดลวด [10, 14-15]

รูปที่ 2 ชุดทดสอบการสั่นสะเทือนของชุดหัวอาน เพียโซอิเล็กทริก

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

3. แบบจำลองไฟไนตเอลิเมนตและการวิเคราะห การสั่นสะเทือน แบบจำลองไฟไนต เ อลิ เ มนต ข องระบบชุ ด หัวอานเพียโซอิเล็กทริกประกอบจากเอลิเมนตทรง เหลีย่ มหกหนาทีม่ ี 8 โหนดตอหนึง่ เอลิเมนต (8-node hexahedron element) โดยสรางเอลิเมนตแยกตาม สวนประกอบดังรูปที่ 1 จากนัน้ จึงนำมาประกอบเขา ดวยกัน ดังรูปที่ 3 มีจำนวนทัง้ หมด 46,550 เอลิเมนต และทำการวิ เ คราะห ก ารสั่ น สะเทื อ นแบบอิ ส ระ (free vibration analysis) และการสั่นสะเทือนแบบ ฮารมอนิก (harmonic analysis) โดยใชโปรแกรม MSC.Marc 2007 r1 เพื่อวิเคราะหความถี่ธรรมชาติ และโหมดการสั่ น สะเทื อ นของระบบ ชนิ ด ของ เอลิเมนตที่ใชแบงออกเปนสองสวนคือ วัสดุเพียโซ อิ เ ล็ ก ทริ ก ใช เ อลิ เ มนต ช นิ ด 3D piezoelectric arbitrary distorted brick (element type 163) แต ละโหนดมี 4 DOF ไดแกการกระจัดในสามมิติ และ ความตางศักยไฟฟา สำหรับเอลิเมนตที่เหลือซึ่งเปน วัสดุเหล็กกลาไรสนิม และ สไลเดอรนนั้ ใชเอลิเมนต ชนิด 3D 8-node solid shell (element type 185) แตละโหนดมี 3 DOF ไดแก การกระจัดในสามมิติ ซึง่ เอลิเมนตชนิดนี้ใหผลการวิเคราะหการโกง และแรง เฉือนทีเ่ กิดจากการโกงไดดกี วา shell element สำหรับ contact analysis และยังสามารถลดระยะเวลาในการ วิเคราะหอกี ดวย โดยทีก่ ารประกอบชิน้ สวนแตละชิน้ เขาดวยกันนัน้ กำหนดใหตดิ กันแบบสมบูรณ (perfect bonding) โดยกำหนดใหพื้นที่สัมผัสเปนรูปวงกลมมี ขนาดรัศมีเทากับพื้นที่รอยเชื่อมแบบจุดที่ชิ้นงานจริง ถูกยึดเขาดวยกัน ทัง้ นีส้ มบัตเิ ชิงกลของวัสดุกำหนด ตามตารางที่ 1 ไดแก แผนฐานของชุดหัวอาน แผน สำหรับวางตัวทำงาน วัสดุเพียโซอิเล็กทริก แขนจับ load beam ซึง่ ขึน้ รูปจากเหล็กกลาไรสนิม (stainless

5

steel 304) และสไลเดอร [5, 25] ซึ่ ง ขึ้ น รู ป จาก วัสดุผสมอลูมิเนียมไททาเนียมคารไบด (Al2O3-TiC) การกำหนดเงือ่ นไขขอบ (boundary condition) ของ การวิเคราะห คือ ตรึงการเคลื่อนที่ของโหนดที่อยู บริเวณดานในของรู boss hole ของแผนฐาน ดังรูปที่ 3 เชนเดียวกับการจับยึดแผนฐานของชุดหัวอานไวกบั มอเตอรเชิงเสนของชุดทดสอบ ดังรูปที่ 2 แลวจึง ทำการวิเคราะหการสัน่ สะเทือนแบบอิสระ โดยเลือก ชวงความถีต่ งั้ แต 0.5 kHz ถึง 30 kHz เชนเดียวกับ ชวงการทดสอบจริง เพื่อนำผลที่ไดมาเปรียบเทียบ โหมดการสั่นสะเทือนและความถี่ธรรมชาติ โดยที่ ผลของตัวหนวงทางโครงสราง (structure damper) นั้นไมไดนำมาพิจารณาเนื่องจากในทางทฤษฎีไมมี ผลต อ โหมดการสั่ น สะเทื อ นและความถี่ ธ รรมชาติ อีกทัง้ ชุดหัวอาน เพียโซอิเล็กทริกทีท่ ำการศึกษานีเ้ ปน ชิ้นงานประกอบจึงไมสามารถคำนวณตัวหนวงทาง โครงสรางไดโดยตรงจากผลตอบสนองเชิงความถีท่ ไี่ ด จากการทดสอบ จะตองใชวธิ กี ารแทนคาตัวหนวงของ แตละชิน้ สวน เพือ่ ใหไดผลการตอบสนองรวมของแบบ จำลองไฟไนตเอลิเมนตที่ใกลเคียงกับผลตอบสนอง รวมของชิ้นงานจริง

รูปที่ 3 แบบจำลองไฟไนตเอลิเมนตของชุดหัวอาน เพียโซอิเล็กทริก

6

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ตารางที่ 1 สมบัติเชิงกลของวัสดุในแบบจำลองไฟ ไนตเอลิเมนต Elastic modulus (GPa) SST-304 160 Al2O3-TiC 393 PZT 64

Poisson ratio

Density (kg/m3)

0.28 0.23 0.31

7,930 4,222 7,850

4. ผลการทดลองและระเบียบวิธไี ฟไนตเอลิเมนต

รูปที่ 4 ผลการทดสอบการสั่นสะเทือนของชุดหัว อานเพียโซอิเล็กทริก

ผลตอบสนองเชิ ง ความถี่ ข องชุ ด หั ว อ า น เพียโซอิเล็กทริก ที่ไดจากการทดลองแสดงในรูปที่ 4 ซึง่ มีจดุ ยอดของกราฟเกิดขึน้ จำนวน 4 จุดยอด ไดแก จุดยอด M1 ทีค่ วามถี่ 7.98 kHz จุดยอด M2 ทีค่ วาม ถี่ 17.2 kHz จุดยอด M3 ทีค่ วามถี่ 20.9 kHz และ จุดยอด M4 ที่ความถี่ 25.6 kHz ซึ่งจุดยอดทั้ง 4 ดังกลาวนั้นเปนความถี่ธรรมชาติของการสั่นในแนว ระนาบที่ทำใหเกิดการอานเขียนนอกเสนแนวขอมูล โดยที่โหมดการสั่นสามารถวิเคราะหไดจากมุมเฟส (phase) ซึง่ ในทางทฤษฎี [21] พบวาการสัน่ สะเทือน แบบบิดนัน้ จะมีมมุ เฟสอยทู ี่ 0 หรือ 360 องศา และการ สั่นสะเทือนแบบการสายนั้นจะมีมุมเฟสอยูที่ -180 หรือ +180 องศา ดังนัน้ จากมุมเฟสในรูปที่ 4 พบวา การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นทั้ง 4 จุดยอดนั้น เปนโหมด การสัน่ สะเทือนแบบรวมโหมด (coupling mode) เนือ่ ง จาก ทีค่ วามถี่ M1 และ M2 มีมมุ เฟสเทากับ -24.7 และ -74.9 องศา ตามลำดั บ ซึ่ ง จะเป น โหมดการสั่ น สะเทื อ นที่ ใ กล เ คี ย งกั บ การสั่ น แบบบิด (torsional vibration) สวนทีค่ วามถี่ M3 และ M4 นัน้ มีมมุ เฟสเทา กับ -151.1 และ +126.1 องศาตามลำดับ ซึง่ จะใกล เคียงโหมดการสัน่ สะเทือนแบบสาย นอกจากนีข้ นาด ของจุดยอด (magnitude) ของ M2 M3 และ M4 ซึง่ มี ขนาดสู ง กว า จุ ด ยอด M1 แสดงให เ ห็ น ว า การสั่ น สะเทือนแบบ บิดที่ 1 นัน้ สงผลกระทบตอการ

นอกจากนี้ การวิเคราะหจุดยอดและรูปแบบ การสั่นสะเทือนดวยมุมเฟสจากการวัดในแนวระนาบ มีความสอดคลองกับผลการตรวจสอบจุดยอดของ การสั่นสะเทือนและจำแนกรูปแบบการสั่นสะเทือน ดวยการวัดในแนวตั้งฉาก แตไมไดรายงานผลการ ตรวจสอบความถูกตองในบทความนี้ เนื่องจากจุด ประสงคหลักของชุดหัวอานนี้ไดถูกออกแบบใหตัว ทำงานเพียโซอิเล็กทริกสามารถควบคุมการขยับของ สไลเดอร เพื่อปองกันการสั่นในแนวสาย (sway) ใน ระนาบ จึงทำการนำเสนอเฉพาะผลการศึกษาการสัน่ สะเทือนในแนวระนาบที่สงผลใหเกิดการอานเขียน นอกเสนแนวขอมูล รูปที่ 5 แสดงโหมดการสัน่ สะเทือนและความ ถี่ธรรมชาติของชุดหัวอานเพียโซอิเล็กทริกจากแบบ จำลองไฟไนตเอลิเมนต เมื่อวิเคราะหรูปแบบการสั่น สะเทือนที่ทำใหเกิดการอานเขียนนอกเสนแนวขอมูล พบวา M1 และ M2 เปนการสัน่ สะเทือนแบบบิด และ M3 และ M4 เปนการสัน่ สะเทือนแบบสาย ตารางที่ 2 แสดงการเปรี ย บเที ย บระหว า งผลที่ ไ ด จ ากการ ทดลองกับผลที่ไดจากแบบจำลองไฟไนตเอลิเมนต พบวา มีความคลาดเคลือ่ นของความถีธ่ รรมชาติของ โหมดการสั่นสะเทือนที่ทำใหเกิดการอานเขียนนอก เสนแนวขอมูลนอยกวา 10%

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

7

ตารางที่ 2 การเปรียบเทียบความถี่ธรรมชาติ และ โหมดการสั่นสะเทือนที่ทำใหเกิดการอานเขียนนอก เสนแนวขอมูล

รูปที่ 6 แสดงการเปรียบเทียบผลตอบสนอง เชิ ง ความถี่ จ ากการทดสอบเปรี ย บเที ย บกั บ ผล การวิเคราะหไฟไนตเอลิเมนต พบวา ความถีธ่ รรมชาติ ของโหมดการสั่นสะเทือนมีความใกลเคียงกัน และ ผลการตอบสนองทีค่ วามถีต่ ่ำมีขนาดของจุดยอดใกล เคียงกัน แตผลการตอบสนองของระบบทีค่ วามถีส่ งู มี ความแตกตางกันอยบู า ง ซึง่ ความคลาดเคลือ่ นนีอ้ าจ เกิดจากการสรางแบบจำลองที่เนนการศึกษาเฉพาะ โครงสรางสวนประกอบหลักและการวิเคราะหแบบ contact analysis ของชุดหัวอานเพียโซอิเล็กทริก โดย ลดความซั บ ซ อ นของแบบจำลองในส ว นของกาว ประสานระหวางชิน้ งานและชิน้ สวนของสายสัญญาณ ที่มีวัสดุตางชนิดกันหลายชั้นลง อยางไรก็ตามแบบจำลองที่ไดยังคงมีความ ถู ก ต อ งในระดั บ ที่ ย อมรั บ ได แ ละสามารถนำไปใช วิเคราะหและออกแบบชุดหัวอานเพียโซอิเล็กทริกใน รูปแบบอืน่ ๆ ไดตอ ไป รูปที่ 5 โหมดการสั่นสะเทือนที่ทำใหเกิดการอาน เขียนนอกเสนแนวขอมูล

8

รู ป ที่ 6 ผลตอบสนองเชิงความถี่จากการทดสอบ เปรียบเทียบกับผลการวิเคราะหไฟไนต เอลิเมนต 5. บทสรุป จากการศึ ก ษาสั่ น สะเทื อ นของชุ ด หั ว อ า น เพียโซ อิเล็กทริก พบวา การกระตนุ ทีค่ วามถีท่ ตี่ รงกับ ความถี่ ธ รรมชาติ นั้ น จะทำให เ กิ ด การสั่ น พ อ งของ ชุดหัวอาน และ โหมดการสั่นสะเทือนแบบบิดและ การสั่นสะเทือนแบบสาย สงผลใหเกิดการอานเขียน นอกเสนแนวขอมูลได ทัง้ นี้ โหมดการสัน่ สะเทือนแบบ สายมีผลตอความผิดพลาดในการอานเขียนนอกเสน แนวขอมูลมากกวาการสั่นแบบบิด จากการเปรียบ เทียบผลที่ไดจากแบบจำลองไฟไนตเอลิเมนตและ ผลการทดลองในช ว งความถี่ ทำงานของมอเตอร ขดลวด พบว า โหมดการสั่ น สะเทื อ นและความถี่ ธรรมชาตินั้นมีความใกลเคียงกัน ดังนั้น ในการออก แบบโครงสรางของชุดหัวอานเพียโซอิเล็กทริก ควร ปรับใหความถีธ่ รรมชาติของการสัน่ สะเทือนแบบสาย อยูนอกชวงความถี่ทำงานของมอเตอรขดลวด หรือ ออกแบบระบบควบคุมตัวทำงานเพียโซ อิเล็กทริกให สามารถลดผลของการสัน่ สะเทือนแบบสายทีจ่ ะทำให เกิดการอานเขียนขอมูลผิดพลาดได 6. กิตติกรรมประกาศ งานวิ จั ย นี้ ไ ด รั บ การสนั บ สนุ น จาก ศู น ย เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกสและคอมพิวเตอรแหงชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีแหงชาติ และศู น ย วิ จั ย ร ว มเฉพาะทางด า นส ว นประกอบ ฮารดดิสกไดรฟ คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัย

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ขอนแก น (CPN-HR 13-04-51 M) คณะผู วิ จั ย ขอขอบคุณ บริษัท เวสเทิรน ดิจิตอล (ประเทศไทย) จำกั ด ที่ เ อื้ อ เฟ อ ชุ ด ทดสอบ สถานที่ คำปรึ ก ษา และขอมูลสนับสนุน การวิจัย ขอขอบคุณโครงการ จั ด ตั้ ง ศู น ย ก ริ ด มหาวิ ท ยาลั ย สงขลานคริ น ทร (PSU Grid Center) สำหรับการประมวลผลโดยใช คอมพิวเตอรสมรรถนะสูง และทุนสนับสนุนทีมวิจัย สมารท-เมคาทรอนิกส จากคณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร 7. เอกสารอางอิง [1] Honchi M, Kohira H, Matsumoto M. Numerical simulation of slider dynamics during slider-disk contact. Tribology International. 2003; 36: 235-240.

[2] Hua W, Liu B, Yu S, Zhou W. Nanoscale roughness contact in a slider-disk interface.

Nanotechnology. 2009; 20: 1-7.

[3] Tanaka Y. Recording performance and system integration of perpendicular magnetic recording. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2005; 287: 468-474.

[4] Kanai Y, Yamakawa, K. Narrow-track perpendicular write heads. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2009; 321: 518-525.

[5] Zhou L, Beck M, Gatzen HH, Altshuler KJ, Talke FE. Silder vibration reduction using silder sulface texture. Microsystem Technologies. 2005; 11: 857-866.

[6] Al-Mamun A, Guo GX, Bi C. Hard disk drive: mechatronics and control. Florida: CRC Press; 2006.

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

[7] Yap FF, Vahdati N, Harmoko H. Design and analysis of vibration of isolation systems for hard disk drives. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2006; 303: 52-56.

[8] Feliss B, Murthy AN, Talke FE. Microdrive operational and non-operational shock and vibration testing. Microsystem Technologies.

2007; 13: 1015-1021.

[9] Pinheiro E, Weber WD, Barroso LA. Failure trends in a large disk drive population. In: Proceeding of the 5th USENIX Conference on File and Storage Technologies; 2007 February 13-16; California, USA; 2007. p.

17-29.

[10] Huang X, Horowitz R, Li Y. Track-following control with active vibration damping and compensation of a dual-stage servo system. Microsystems Technology. 2005; 11: 1276-1286.

[11] Soeno Y, Ichikawa S, Tsuna T, Sato Y, Sato I. Piezoelectric piggy-black microactuator for hard disk drive. IEEE transactions on magnetics. 1999; 35: 983-987.

[12] Suzuki K, Kurita M. Active-head sliders for flying-height adjustment in magnetic storage. In: Proceeding of the 17th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems; 2004 January 25-26; Maastricht, Netherlands. p. 865-868.

[13] Peng K, Chen BM, Lee TH. Design and implementation of a dual-stage actuated HDD servo system via composite nonlinear control approach. Mechatronics. 2004; 14: 965-988.

9

[14] Zhong ZW, Sun J. A suspension integrated with a piezoelectric microactuator for dual stage actuation. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.

2004; 24: 686-692.

[15] Horowitz R, Li Y, Oldham K, Kon S, Huang X. Dual-stage servo systems and vibration compensation in computer hard disk drives. Control Engineering Practice. 2007; 15: 291-305.

[16] Jiang L, Miles RN. A passive damper for the vibration modes of the head actuator in hard disk drives. Journal of Sound and Vibration. 1999; 220: 683-694.

[17] Jang E, Chang J. Overwrite performance change due to air-flow induced vibration of head stack assembly. IEEE transactions on magnetics. 2008; 44: 3734-3737.

[18] Allen AM, Bogy DB. Effects of shock on the head-disk interface. IEEE Transactions on Magnetics. 1996; 32: 3717-3719.

[19] Oboe R. MEMS-based accelerometers use in hard disk drives. Microsystem Technologies. 2002; 8: 174-181.

[20] Phonpai T, Jearsipongkul T. Vibration analysis of actuator arm in HDD using FEM and identification using LDV. KKU Engineering Journal. 2007; 34(4): 477-488 (In Thai).

[21] Kilian S, Zander U, Talke FE. Suspension modeling and optimization using finite element analysis. Tribology International.

2003; 36: 317-324.

10

[22] Murthy AN, Feliss B, Gillis D, Talke FE. Experimental and numerical investigation of shock response in 3.5 and 2.5 in. form factor hard disk drives. Microsystem Technologies. 2006; 12: 1109-1116.

[23] Kon S, Horowitz R. A high-resolution MEMS piezoelectric strain sensor for structural vibration detection. IEEE Sensors Journal.

2008; 8: 2027-2035.

[24] International Disk Drive Equipment and Materials Association. H17-04: FRF & windage standard definitions document.

IDEMA Standards 2004 [cited 2010 Oct].

Available from: URL : http://www.idema.org/ ?page_id=109.

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

[25] Juang JY, Ambekar RP, Bogy DB, and Bhatia CS. Fabrication and experimental study of Al2O3-TiC sliders with piezoelectric nanoactuators for flying height control.

Microsystem Technologies. 2007; 13: 751-757.

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1): 11-21

บทความวิจัย

KKU Engineering Journal http://www.en.kku.ac.th/enjournal/th/

การเปรียบเทียบแบบจำลองทางคณิตศาสตรความชืน้ สมดุลทีเ่ หมาะสำหรับยางพาราแผน Comparison of mathematical models equilibrium moisture content for sheet rubber วสันต จีนธาดา* ทศพร จันทรกระจาง สุเทพ ชูกลิน่ และ เฉลิม ศิรริ กั ษ Wasan Jeentada*, Thossaporn Chankrachang, Sutep Chooklin and Chalerm Sirirak สาขาวิศวกรรมเครือ่ งกล มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวชิ ยั จังหวัดสงขลา 90000 Received October 2011 Accepted January 2012

บทคัดยอ งานวิจยั นีเ้ ปนการเปรียบเทียบแบบจำลองทางคณิตศาสตรความชืน้ สมดุลทีเ่ หมาะสมสำหรับยางพาราแผน โดย เปรียบเทียบกับการทดลองทีอ่ ณ ุ หภูมิ 40, 50, 60 และ 70 OC ในชวงคาวอเตอรแอคติวติ ี้ 0.10-0.82 ซึง่ ใชวธิ สี ถิต (static method) ในการหาคาความชืน้ สมดุลของยางพาราแผนและนำแบบจำลองทางคณิตศาสตรความชืน้ สมดุล 12 แบบ คือ Oswin, Halsey, Henderson, Henderson –Thompson, Chung and Pfost, GAB, Peleg, Modified Oswin, Modified Halsey, Modified Henderson, Modified Chung-Pfost และ Modified GAB มาเปรียบเทียบ กับผลที่ไดจากการทดลอง จากผลการทดลองพบวาความชื้นสมดุลจะลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นที่คาวอเตอร แอคติวิตี้เดียวกัน สวนที่อุณหภูมิเดียวกันความชื้นสมดุลจะเพิ่มขึ้นเมื่อคาวอเตอรแอคติวิตี้เพิ่มขึ้นและจากผล การเปรียบเทียบแบบจำลองทางคณิตศาสตรความชื้นสมดุลกับผลที่ไดจากการทดลองพบวาแบบจำลองทาง คณิตศาสตรความชืน้ สมดุลของ Peleg สามารถทำนายคาความชืน้ สมดุลของยางพาราแผนไดดกี วาแบบจำลอง ทางคณิตศาสตรความชื้นสมดุลอื่นๆ คำสำคัญ : ความชืน้ สมดุล แบบจำลองทางคณิตศาสตร ยางพาราแผน Abstract The objective of this research was to comparison mathematical models equilibrium moisture content appropriate for sheet rubber by various experiment temperatures 40, 50, 60 and 70 OC at water activity (aw) range 0.10-0.82. The static method investigate the equilibrium moisture content of sheet rubber, and the 12 models of mathematical models equilibrium moisture content were used; Oswin, Halsey, Henderson, Henderson –Thompson, Chung and Pfost, GAB, Peleg, Modified Oswin, Modified Halsey, Modified Henderson, Modified Chung-Pfost and Modified GAB, that comparison the results of the *Corresponding author. Tel.:074-317100 to 1915; fax: 074-315185 Email address: wasan.jeen@gmail.com

12

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

experiments. The equilibrium moisture content were decreased, when temperature was increased at constant water activity. In contrast, at the same temperature the equilibrium moisture was increased, when increased water activity, and comparison of the mathematical models equilibrium moisture content, Showed that Peleg model was proper prediction for the equilibrium moisture content of sheet rubber when comparison with other models.

Keywords : Mathematical model, Equilibrium moisture content, Sheet rubber 1. บทนำ การผลิตยางพาราประมาณ 35% ของโลกมา จากประเทศไทยทำให อุ ต สาหกรรมยางพาราใน ประเทศไทยมีความสำคัญทางเศรษฐกิจและสังคม จากมูลคาการผลิตของยาพาราทีไ่ ดจากการสงออกและ การจางงาน [1] การสงออกยางพาราของประเทศไทย สวนใหญสงออกในรูปของวัตถุดิบ ไดแก ยางแทง ยางแผนรมควัน น้ำยางขนและยางชนิดอื่นๆ โดย จะผลิ ต ยางแผ น รมควั น มากที่ สุ ด รองลงมาเป น น้ำ ยางขน ยางแท ง เอสที อ าร แ ละยางแผ น ผึ่ ง แห ง ตามลำดั บ [2] การผลิ ต ยางแผ น รมควั น นั้ น เป น กระบวนการอบแหงซึ่งเปนกระบวนการหนึ่งในการ เก็บรักษาผลผลิตทางการเกษตรที่ใชพลังงานรูปแบบ ตางๆ ในการอบแหง เชน พลังงานไฟฟา พลังงานแสง อาทิตยและพลังงานชีวมวล ในการออกแบบและ การวิเคราะหกระบวนการอบแหงของวัสดุแตละชนิดนัน้ ตองรูถึงพารามิเตอรที่จำเปนตอกระบวนการอบแหง ซึง่ พารามิเตอรทสี่ ำคัญอยางหนึง่ ตอกระบวนการอบแหง คือ ความชืน้ สมดุล (Equilibrium Moisture Content) ความชื้นสมดุล (EMC) คือปริมาณความชื้น เมือ่ ความดันของน้ำในวัสดุไปถึงจุดสมดุลกับสิง่ แวดลอม ซึ่ ง เป น เอกลั ก ษณ ท างเทอร โ มไดนามิ ก ส ที่ มี ค วาม สำคัญตอกระบวนการอบแหงเพือ่ บอกปริมาณความชืน้ นอยสุดที่สามารถมีอยูไดในวัสดุระหวางกระบวนการ อบแหงที่อุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธตางๆ ของ สภาวะสิง่ แวดลอม [3] โดยชวยในการออกแบบเครือ่ ง อบแหงที่เหมาะสมเพื่อใหไดความชื้น

ของวัสดุตามที่ตองการและชวยในการจัดเก็บรักษา วัสดุที่ควบคุมความชื้นของผลิตภัณฑเพื่อไมใหเกิด ความเสียหายตอผลิตภัณฑที่ไดจากกระบวนการอบ แห ง ดั ง นั้ น จึ ง ได มี ผู คิ ด ค น นำแบบจำลองทาง คณิตศาสตรมาใชทำนายความชืน้ สมดุลของวัสดุเพือ่ หาแบบจำลองทางคณิตศาสตรที่เหมาะสมสำหรับ วัสดุแตละชนิด จากการทบทวนผลงานวิจัยที่ผานมา พบวาแบบจำลองทางคณิตศาสตรความชื้นสมดุลที่ สามารถทำนายความชื้ น สมดุ ล ของวั ส ดุ ไ ด ดี คื อ แบบจำลองของ Oswin, Halsey, Henderson, Henderson –Thompson, Chung and Pfost, GAB, Peleg, Modified Oswin, Modified Halsey, Modified Henderson, Modified Chung-Pfost และ Modified GAB [4-11] งานวิจยั นีเ้ ปนการศึกษา ความชื้นสมดุลของยางพาราแผนและนำแบบจำลอง ทางคณิตศาสตรความชืน้ สมดุลของ Oswin, Halsey, Henderson, Henderson –Thompson, Chung and Pfost, GAB, Peleg, Modified Oswin, Modified Halsey, Modified Henderson, Modified ChungPfost และ Modified GAB มาเปรียบเทียบกับผลการ ทดลองเพื่อหาแบบจำลองทางคณิตศาสตรความชื้น สมดุลที่เหมาะสมสำหรับยางพาราแผน 2. ทฤษฎี ความชืน้ ในวัสดุ คือ ปริมาณน้ำหรือของเหลว ที่ แ ทรกตั ว อยู ใ นเนื้ อ วั ส ดุ ความแห ง ของวั ส ดุ นั้ น มักบอกเปนเปอรเซ็นความชื้น คือ ความชื้นฐานแหง

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

⎛m MCdb = ⎜ w ⎝ md

⎞ ⎟ ×100% ⎠

13

วอเตอรแอคติวติ ี้ (Water activity, aw) เปนคุณสมบัติ ที่อธิบายถึงอัตราสวนความดันไอของน้ำในวัสดุตอ ความดันไอของน้ำบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิเดียวกัน ซึ่งเปน ตัวชี้วัดและเกณฑการเจริญเติบโตของจุลินทรียใน วัสดุ [3] ดังแสดงในสมการที่ (2)

(1)

เมือ่ MCdb คือ ความชืน้ ฐานแหง (%d.b.) mw คือ มวลของน้ำ (kg) md คือ มวลของวัสดุแหง (kg) ตารางที่ 1 แบบจำลองคณิตศาสตรความชื้นสมดุล ชื่อของแบบจําลอง Oswin Halsey Henderson Henderson –Thompson

สมการของแบบจําลอง ⎡ aw ⎤ EM C=A ⎢ ⎥ ⎣ ( 1 -a w ) ⎦ ⎡ -A EM C= ⎢ ⎣ T ln (a

w

⎤ ⎥ )⎦

⎡ ln ( 1 - a w ) ⎤ EM C= ⎢ ⎥ -A T ⎣ ⎦

B

[4, 12, 13, 14]

1 B

[12, 14] [5, 13, 15]

1 B

[5, 10, 11]

1

⎡ ln (1 -a w ) ⎤ C EM C= ⎢ ⎥ ⎣ -A (T + B ) ⎦

Chung and Pfost

EM C=

1 ⎡ ( T + B ) ln ( a w ) ⎤ ln ⎢ ⎥ -A -C ⎣ ⎦

GAB

EM C=

ABCaw ( 1 -B a w )( 1 -B a w + B C a w )

Peleg

E M C = A (a w ) B + C (a w ) D

Modified Oswin Modified Halsey Modified Henderson Modified Chung-Pfost Modified GAB

⎡ aw E M C = (A + B T ) ⎢ ⎣ ( 1 -a w ⎡ -e x p (A + B T ) ⎤ EM C= ⎢ ⎥ ln ( a w ) ⎣ ⎦

⎤ ⎥ )⎦

1 C

[9, 11, 15, 16] [4, 10, 12]

[5, 9, 11, 17]

1 C

[4, 8, 16, 17]

1

1 ⎡ (T +B)ln(a w ) ⎤ ln ⎥ -C ⎢⎣ -A ⎦

⎛C⎞ AB ⎜ ⎟ a w ⎝T ⎠ EM C= ⎡ ⎛C (1 -B a w ) ⎢1 -a w + ⎜ ⎝T ⎣

[5, 8, 11]

[6, 7, 8, 17]

⎡ ln (1 -a w ) ⎤ C EM C= ⎢ ⎥ ⎣ -A (T + B ) ⎦

EM C=

อางอิง

[6, 7, 16, 17] [7, 16, 17]

⎤ ⎞ ⎟ Ba w ⎥ ⎠ ⎦

14

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

(2) เมื่อ aw คือ วอเตอรแอคติวติ ี้ (ไมมหี นวย) p คือ ความดันไอของน้ำในวัสดุ (Pa) po คือ ความดันไอของน้ำบริสทุ ธิ์ (Pa) T คือ อุณหภูมสิ มั บูรณ (K) ERH คือ ความชืน้ สัมพัทธสมดุล (%) ความชืน้ สมดุลมีแบบจำลองทางคณิตศาสตร ดังแสดงในตารางที่ 1 เมื่อ EMC คือ ความชืน้ สมดุล (%d.b.) aw คือ วอเตอรแอคติวติ ี้ (ไมมหี นวย) T คือ อุณหภูมิ (K) A, B, C, D คือ คาคงที่ 3. วัสดุ อุปกรณและวิธกี ารทดลอง การหาความชื้นสมดุลของวัสดุมีหลักการคือ ปลอยใหวสั ดุสมั ผัสกับอากาศจนความชืน้ ของวัสดุไม เปลี่ยนแปลงตามเวลา การหาความชื้นสมดุลนี้จะใช วิธีสถิต (static method) เปนวิธีการปลอยใหวัสดุ สั ม ผั ส กั บ อากาศในขณะที่ ไ ม มี ก ารเคลื่ อ นที่ ข อง อากาศ โดยการทดลองในภาชนะปดที่ควบคุมความ ชื้นสัมพัทธและอุณหภูมิของอากาศใหคงที่ ซึ่งใชสาร ละลายเกลืออิม่ ตัวในการควบคุมความชืน้ สัมพัทธของ อากาศสวนอุณหภูมิของอากาศจะถูกควบคุมดวย ตูอบ 3.1 วัสดุ (1) ยางพาราแผนที่ไดจากกระบวนการรีดแผน แลวจากสหกรณสวนยางตำบลทงุ ขมิน้ อำเภอนาหมอม จังหวัดสงขลา มีความหนาประมาณ 0.3 เซนติเมตร (2) สารละลายเกลืออิ่มตัว 6 ชนิด คือ ลิเทียม คลอไรด (LiCl), แมกนีเซียมคลอไรดเฮกซะไฮเดรต (MgCl2), แมกนี เ ซี ย มไนเตรทเฮกซะไฮเดรต (Mg(NO 3) 2),

โปแตสเซียมไอโอไดด (KI), โซเดียมคลอไรด (NaCl), และไดแอมโมเนียมซัลเฟส (NH4)2.SO4 ซึ่งมีคาวอ เตอรแอคติวติ ี้อยใู นชวง 0.10-0.82 ดังแสดงในตาราง ที่ 2 3.2 อุปกรณ (1) ตอู บควบคุมอุณหภูมิ ยีห่ อ BINDER (2) ตาชั่ ง ยี่ ห อ SARTORIUS รุ น ED224S สามารถอานมวลได 4 ตำแหนง มีคา ความผิดพลาด ± 0.0001 กรัม (3) ขวดโหลแบบมีฝาปดชนิดมียางกันรั่ว ขนาด ความจุ 1 ลิตร 3.3 วิธกี ารทดลอง (1) นำสารละลายเกลืออิ่มตัวแตละชนิดใสใน ขวดโหล ในปริมาณขวดละ 200 มิลลิลติ ร โดยขวดโหล 1 ใบจะใสสารละลายเกลืออิม่ ตัว 1 ชนิด (2) นำยางพาราแผ น มาตั ด ให มี ข นาด 2 x 2 เซนติเมตร เพื่อใหยางพาราแผนใชเวลาในการเขาสู สภาวะสมดลของความชื้นกับสิ่งแวดลอมในขวดโหล ไดเร็วขึน้ และความชืน้ ทีถ่ า ยเทออกจากยางพาราแผน ไมสงผลกระทบตอการควบคุมความชื้นสัมพัทธใน ขวดโหลโดยไมทำใหสารสารละลายเกลืออิ่มตัวใน ขวดโหลละลายเปนของเหลวจนหมดกอนสภาวะการ สมดุลของความชื้น นั่นหมายความวาคาความชื้น สมดุลของยางพาราแผนขนาด 22 เซนติเมตร มีคา เหมือนกันกับยางพาราแผนขนาดจริง จากนั้นแบง ออกเปน 6 สวนๆ ละประมาณ 10 กรัม (3) นำยางพาราแผนที่แบงแลวมาใสในตะแกรง แลวนำไปวางไวในขวดโหล โดยไมใหตะแกรงสัมผัส กับสารละลายเกลืออิ่มตัว จากนั้นปดฝาขวดโหลให สนิท (4) นำขวดโหลใสในตูอบที่ควบคุมอุณหภูมิใน ตอู บไวที่ 40 OC

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

15

ตารางที่ 2 วอเตอรแอคติวติ ี้ (aw) ของสารละลายเกลืออิม่ ตัวทีอ่ ณ ุ หภูมติ า งๆ [18] Salts

10 OC

20 OC

30 OC

40 OC

50 OC

60 OC

70 OC

(LiCl) (MgCl2) (Mg(NO3)2) (KI) (NaCl) ((NH2)2.SO4)

0.113 0.335 0.574 0.721 0.757 0.821

0.113 0.331 0.544 0.699 0.755 0.813

0.113 0.324 0.514 0.679 0.751 0.806

0.112 0.316 0.484 0.661 0.747 0.799

0.111 0.305 0.454 0.645 0.744 0.792

0.110 0.292 0.424 0.631 0.741 0.786

0.108 0.277 0.394 0.619 0.736 0.779

(5) นำยางพาราแผนในขวดโหลแตละขวดโหลมา ชั่งน้ำหนักทุกวันจนกวานำหนักของยางพาราแผนแต ละขวดโหลมีคา แตกตางกันนอยกวา 0.002 กรัม (6) นำยางพาราแผนในขวดโหลออกจากขวดโหล แลวทำการอบแหงในตูอบตอไปเพื่อหาน้ำหนักแหง ของยางพาราแผ น แล ว นำไปคำนวณค า ความชื้ น สมดุล (7) ทำการทดลองตามขั้นตอนขางตนแตเปลี่ยน อุณหภูมเิ ปน 50, 60 และ 70 OC เนือ่ งจากอุณหภูมทิ ี่ เหมาะสมในการอบแหงยางพาราแผนดวยวิธีลมรอน อยูที่ประมาณ 45-65 OC สวนการอบแหงยางพารา แผนดวยวิธรี มควันอยทู ปี่ ระมาณ 50-60 OC [2] (8)ห า พ า ร า มิ เ ต อ ร ข อ ง แ บ บ จำ ล อ ง ท า ง คณิตศาสตรความชื้นสมดุลโดยเทียบกับความชื้น สมดุลที่ไดจากการทดลอง ดวยโปรแกรม MATLAB version 7 นำคา Coefficient of Determination (R2), Adjusted Coefficient of Determination (Adjusted R2), Sum of Squared Error (SSE) และ Root Mean Square Error (RMSE) ของแบบจำลองแตละแบบมา เปรียบเทียบกัน โดยสังเกตคา R2 กับ Adjusted R2 มากสุดและ SSE กับ RMSE นอยสุด

4. ผลและการวิเคราะหผล จากผลการทดลองหาความชื้ น สมดุ ล ของ ยางพาราแผนที่อุณหภูมิ 40, 50, 60 และ 70 OC ในชวงของคาวอเตอรแอคติวิตี้ 0.10-0.82 ไดผลดัง แสดงในรูปที่ 1 พบวาทีอ่ ณ ุ หภูมเิ ดียวกันคาความชืน้ สมดุลจะขึ้นอยูกับคาวอเตอรแอคติวิตี้ นั่นคือ ถาคา วอเตอรแอคติวิตี้มีคานอยจะสงผลใหยางพาราแผน มีคา ความชืน้ สมดุลต่ำและถาคาวอเตอรแอคติวติ สี้ งู ขึน้ ก็จะสงผลใหยางพาราแผนมีคาความชื้นสมดุลสูงขึ้น เพราะทีค่ า วอเตอรแอคติวติ ี้สงู นีค้ วามชืน้ สัมพัทธของ สิ่งแวดลอมก็จะสูงขึ้นดวยสงผลใหการถายเทความ ชื้นระหวางวัสดุกับสิ่งแวดลอมไดนอยกวาที่สภาวะ ความชื้นสัมพัทธของสิ่งแวดลอมต่ำกวา สวนที่คา วอเตอรแอคติวิตี้เทากันนั้นพบวาคาความชื้นสมดุล จะขึ้นอยูกับอุณหภูมิคือเมื่ออุณหภูมิมีคานอยจะสง ผลใหยางพาราแผนมีคาความความชื้นสมดุลสูงและ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นก็จะสงผลใหยางพาราแผนมีคา ความชื้นสมดุลต่ำลง ซึ่งเปนผลมาจากสภาวะการ กระตุนที่สูงขึ้นของโมเลกุลของน้ำที่อุณหภูมิสูงขึ้น นำไปสกู ารลดลงของแรงดึงดูดระหวางโมเลกุลของน้ำ

16

การเปรียบเทียบแบบจำลองทางคณิตศาสตร ความชืน้ สมดุล 12 แบบกับผลทีไ่ ดจากการทดลองใน แตละอุณหภูมิไดผลดังแสดงในรูปที่ 2-5 และมีราย ละเอียดของพารามิเตอรตา งๆ ดังแสดงในตารางที่ 3 พบวาแบบจำลองทางคณิตศาสตรความชืน้ สมดุลของ Oswin, Halsey, Henderson,Henderson–Thompson, GAB, Peleg, Modified Oswin, Modified Halsey, Modified Henderson และ Modified GAB ยกเวน แบบจำลองทางคณิ ต ศาสตร ค วามชื้ น สมดุ ล ของ Chung and Pfost และ Modified Chung-Pfost สามารถทำนายค า ความชื้ น สมดุ ล ได ใ กล เ คี ย งกั บ ผลการทดลองและมีคาแตกตางกันเพียงเล็กนอย ซึ่ง ถาหากทำการเปรียบเทียบคา R2 กับ Adjusted R2 ทีม่ คี า มากสุดและคา SSE กับ RMSE ทีม่ คี า นอยสุด ของแบบจำลองทางคณิตศาสตรความชืน้ สมดุลทัง้ 12 แบบ พบวาทีอ่ ณ ุ หภูมิ 40, 50 และ 70 OC นัน้ แบบ จำลองทางคณิตศาสตรความชืน้ สมดุลของ Peleg มี คา R2 กับ Adjusted R2 มากสุดและคา SSE กับ RMSE นอยสุด สวนที่อุณหภูมิ 60 OC พบวาแบบ จำลองทางคณิตศาสตรความชื้นสมดุลของ GAB มีคา R2 = 0.999 กับ Adjusted R2 = 0.9984 สูงทีส่ ดุ และคา SSE = 0.0003201 กับ RMSE = 0.01033 นอยที่สุด รองลงมาเปนแบบจำลองทางคณิตศาสตร ความชื้ น สมดุ ล ของ Peleg มี ค า R 2 = 0.9987, Adjusted R2 = 0.9968, SSE = 0.0004202, RMSE = 0.0145 จากการวิเคราะหดงั กลาวนีจ้ งึ อธิบายไดวา แบบจำลองทางคณิ ต ศาสตร ค วามชื้ น สมดุ ล ของ Peleg นั้ นสามารถนำมาทำนายคาความชื้นสมดุล ของยางพาราแผ น ในทุ ก ช ว งอุ ณ หภู มิ ไ ด เ ป น อย า ง ดีและมีรปู แบบสมการทีไ่ มซบั ซอนงายตอการนำไปใช

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

งานเพือ่ ทำนายคาความชืน้ สมดุลของยางพาราแผนที่ อุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธตางๆ ของสภาวะสิ่ง แวดลอม ซึง่ ไดผลการเปรียบเทียบระหวางแบบจำลอง ทางคณิตศาสตรความชืน้ สมดุลของ Peleg กับผลทีไ่ ด จากการทดลองในแตละอุณหภูมดิ งั แสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 1 ความชื้นสมดุลของยางพาราแผน

รูปที่ 2 เปรียบเทียบแบบจำลองทางคณิตศาสตร ความชื้ น สมดุ ล กั บ ผลจากการทดลองที่ อุ ณ หภู มิ 40 OC

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

รูปที่ 3 เปรียบเทียบแบบจำลองทางคณิตศาสตร ความชื้ น สมดุ ล กั บ ผลจากการทดลองที่ อุ ณ หภู มิ 50 OC

17

รูปที่ 6 เปรียบเทียบแบบจำลองทางคณิตศาสตร ความชืน้ สมดุลของ Peleg กับผลทีไ่ ดจากการทดลอง 5. สรุป

รูปที่ 4 เปรียบเทียบแบบจำลองทางคณิตศาสตร ความชื้ น สมดุ ล กั บ ผลจากการทดลองที่ อุ ณ หภู มิ 60 OC

ความชืน้ สมดุลจะลดลงเมือ่ อุณหภูมเิ พิม่ ขึน้ ที่ คา วอเตอรแอคติวติ เี้ ดียวกัน สวนทีอ่ ณ ุ หภูมเิ ดียวกัน ความชื้ น สมดุ ล จะเพิ่ ม ขึ้ น เมื่ อ ค า วอเตอร แ อคติ วิ ตี้ เพิ่มขึ้นและจากผลการเปรียบเทียบแบบจำลองทาง คณิตศาสตรความชืน้ สมดุลของยางพาราแผนกับผลที่ ไดจากการทดลองในชวงอุณหภูมิ 40-70 OC และ ในชวงคาวอเตอรแอคติวติ ี้ 0.10-0.82 นัน้ พบวาแบบ จำลองทางคณิ ต ศาสตร ข อง Peleg นั้ น สามารถ ทำนายคาความชื้นสมดุลของยางพาราแผนไดดีกวา แบบจำลองทางคณิตศาสตรความชืน้ สมดุลอืน่ ๆ และ มีรูปแบบสมการที่งายไมซับซอนสะดวกตอการนำไป ใชในการทำนายคาความชืน้ สมดุลของยางพาราแผน ที่อุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธตางๆ ของสภาวะ สิ่งแวดลอม 6. กิตติกรรมประกาศ

รูปที่ 5 เปรียบเทียบแบบจำลองทางคณิตศาสตร ความชื้ น สมดุ ล กั บ ผลจากการทดลองที่ อุ ณ หภู มิ

งานวิจยั นีข้ อขอบคุณนายอดิศกั ดิ์ ชะนะถาวร นายโฆษิต จันทกาญจน และนายวีระชัย ดิสระ ทีช่ ว ย ในการเก็บขอมูลเพื่อการทดลองซึ่งทำใหงานวิจัยนี้ สำเร็จลุลวงไปไดดวยดี

18

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ตารางที่ 3 พารามิเตอรของแบบจำลองความชื้นสมดุลที่อุณหภูมิตางๆ

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

ตารางที่ 3 พารามิเตอรของแบบจำลองความชืน้ สมดุลทีอ่ ณ ุ หภูมติ า งๆ (ตอ)

19

20

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ตารางที่ 3 พารามิเตอรของแบบจำลองความชืน้ สมดุลทีอ่ ณ ุ หภูมติ า งๆ (ตอ)

7. เอกสารอางอิง [1] Jawjit W, Kroeze C, Rattanapan S. Greenhouse gas emissions from rubber industry in Thailand. Journal of Cleaner Production. 2010;18: 403-411.

[2] Rubber Research Institute of Thailand.

Technical Information Rubber. 2010; (in thai)

[3] Shivhare U S, Arora S, Ahmed J, Raghavan G S V. Moisture adsorption isotherms for mushroom. Lebensm.-Wiss. u.-Technol.

2004; 37:133–137.

[4] Sinija V R, Mishra H N. Moisture sorption isotherms and heat of sorption of instant (soluble) green tea powder and green tea granules. Journal of Food Engineering.

2008;86: 494–50.

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

[5] Barrozo M A S, Silva A A M, Oliveira D T. The use of curvature and bias measures to discriminate among equilibrium moisture equations for mustard seed. Journal of Stored Products Research. 2008;44:65–70.

[6] Li X, Cao Z, Wei Z, Feng Q, Wang J. Equilibrium moisture content and sorption isosteric heats of five wheat varieties in China. Journal of Stored Products Research. 2011;47:39-47.

[7] Iguaz A, Virseda P. Moisture desorption isotherms of rough rice at high temperatures. Journal of Food Engineering.

2007;79:794–802.

[8] Chen C. Moisture sorption isotherms of pea seeds. Journal of Food Engineering. 2003; 58: 45–51.

[9] Ghodake H M, Goswami T K, Chakraverty A. Moisture sorption isotherms, heat of sorption and vaporization of withered leaves, black and green tea. Journal of Food Engineering. 2007;78:827–835.

[10] Bahloul N, Boudhrioua N, Kechaou N. Moisture desorption–adsorption isotherms and isosteric heats of sorption of Tunisian olive leaves (Olea europaea L.). Industrial Crops and Products. 2008;28:162–176.

[11] Cordeiro D S, Raghavan G S V, Oliveira W P. Equilibrium Moisture Content Models for Maytenus ilicifolia Leaves. Biosystems Engineering. 2006;94:221–228.

21

[12] Goula A M, Karapantsios T D, Achilias D S, Adamopoulos K G. Water sorption isotherms and glass transition temperature of spray dried tomato pulp. Journal of Food Engineering. 2008;85:73–83.

[13] Samapundo S, Devlieghere F, Meulenaer B D, Atukwase A, Lamboni Y, Debevere J M. Sorption isotherms and isosteric heats of sorption of whole yellow dent corn.

Journal of Food Engineering. 2007;79: 168–175.

[14] Al-Muhtaseb A H, McMinn W A M, Magee T R A. Water sorption isotherms of starch powders Part 1: mathematical description of experimental data. Journal of Food Engineering. 2004;61:297–307.

[15] Hossain M D, Bala B K, Hossain M A, Mondol M R A. Sorption isotherms and heat of sorption of pineapple. Journal of Food Engineering. 2001;48:103-107.

[16] Oyelade O J, Tunde-Akintunde T Y, Igbeka J C, Oke M O, Raji O Y. Modelling moisture sorption isotherms for maize flour. Journal of Stored Products Research. 2008;44: 179–185.

[17] Raji A O and Ojediran J O. Moisture sorption isotherms of two varieties of millet. food and bioproducts processing. 2010:1-7.

[18] Sablani S S, Rahman M S, Labnza T P. Current Protocols in Food Analytical Chemistry. John Wiley and Sons. 2001: A2.3.2.

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1): 23-34

บทความวิจัย

KKU Engineering Journal http://www.en.kku.ac.th/enjournal/th/

การประเมินการสึกกรอนของคอนกรีตผสมวัสดุปอซโซลาน Investigation of abrasion of concrete containing pozzolan นาวิน เกขุนทด1) สหลาภ หอมวุฒวิ งศ*1) มณีรตั น องควรรณดี2) Navin Kakhunthod1), Sahalaph homwuttiwong*1) and Maneerat Ongwandee2) 1) 2)

ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยมหาสารคาม จังหวัดมหาสารคาม 44150 ภาควิชาวิศวกรรมสิง่ แวดลอม คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยมหาสารคาม จังหวัดมหาสารคาม 44150 Received October 2011 Accepted January 2012

บทคัดยอ งานวิจยั นีน้ มี้ วี ตั ถุประสงคเพือ่ ศึกษาการสึกกรอนของปอซโซลานคอนกรีต วัสดุปอซโซลาน 3 ชนิด ไดแก เถาถาน หิน เถาปาลมน้ำมัน และเถาชานออย นำวัสดุปอซโซลานเหลานีม้ าปรับปรุงความละเอียดจนมีอนุภาคคางตะแกรง เบอร 325 นอยกวารอยละ 5 และนำไปแทนทีป่ นู ซีเมนตปอรตแลนดชนิดที่ 1 รอยละ 0-60 โดยน้ำหนักของวัสดุ ประสาน ตัวอยางคอนกรีตถูกหลอดวยอัตราสวนน้ำตอวัสดุประสาน (w/c) 0.40, 0.45 และ 0.50 แลวนำไปบม ชื้นจนอายุครบการทดสอบ ทำการทดสอบกำลังอัดและการสึกกรอนตามมาตรฐาน ASTM C1138 (วิธีทดสอบ ใตน้ำ) ทีอ่ ายุ 28 วัน และทดสอบการสึกกรอนในสภาพการใชงานจริง โดยเทพืน้ ถนนทีม่ กี ารสัญจรเปนประจำดวย ปอซโซลานคอนกรีต จากผลการวิจยั พบวา ความสามารถในการตานทานการสึกกรอนมีคา แปรผกผันกับกำลังรับ แรงอัดของปอซโซลานคอนกรีต และพบอีกวาปริมาณการแทนที่ และชนิดของวัสดุปอซโซลานก็มีผลตอความ สามารถในการตานทานการสึกกรอน คำสำคัญ : คอนกรีต การสึกกรอน วัสดุปอซโซลาน เถาถานหิน เถาปาลมน้ำมัน เถาชานออย Abstract The aim of this research was to study the abrasion of pozzolan concrete. Fly ash, palm oil fuel ash and bagasse ash were ground until their particle was retained on sieve No.325 less than 5%. All pozzolans were used to replace Portland cement type I in range of 0-60% by weight of cementitious material.

Concrete samples were cast with the water to cementitious ratio (w/c) at 0.40, 0.45 and 0.50. All samples were cured in moist condition until the testing age. The strength and abrasion were tested in accordance with the ASTM C1138 (under water method) at age 28 days. Pozzolan concrete were also *Corresponding author. Tel.: 043-754-321-40 ext 3078 fax: 043-754-316

24

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

observed by placing as a pavement in traffic road. It was found that the trend of the abrasion resistance of concrete was inversely to the compressive strength. In addition, the abrasion resistance was affected by the cement replacement and type of pozzolanic materials.

Keywords : Concrete, Abrasion, Pozzolannic material, Fly ash, Palm oil fuel ash, Bagasse ash 1. บทนำ สมบัติดานความทนทานของคอนกรีตเปนอีก ปจจัยหนึง่ ทีส่ ำคัญตอระบบโครงสราง ทำใหสามารถ ใชงานอาคารไดดี ยืดระยะเวลาของการเสื่อมสภาพ ของคอนกรีตออกไปใหนานมากขึน้ และการสึกกรอน ของคอนกรีตก็นับวาเปนตัวแปรหนึ่งที่เกี่ยวของกับ ความทนทานของคอนกรีต โดยการสึกกรอนเกิดจาก วัสดุประสานบริเวณผิวนอกของคอนกรีตเริม่ หลุดลอก จากการขัดสี ทำใหเกิดความเสียหายหรือรองรอย ตางๆในบริเวณขนาดเล็กและขยายออกเปนบริเวณ กวาง สามารถทำใหเกิดความเสียหายกับคอนกรีต โครงสรางไดในที่สุด การตานทานการสึกกรอนของ คอนกรีตขึ้นอยูกับหลายปจจัย โดยที่ผานมาไดมีงาน วิ จั ย เกี่ ย วกั บ การสึ ก กร อ นของคอนกรี ต พอสมควร เชน การสึกกรอนในโครงสรางทางชลศาสตร [1] การสึกกรอนของผิวจราจรที่เปนคอนกรีตทึบน้ำ [2] การศึกษาอิทธิพลของมวลรวมทีม่ ผี ลตอการสึกกรอน [3] ในกระบวนการผลิตคอนกรีต นอกจากสวนผสม หลักทัว่ ไป ซึง่ ไดแก น้ำ ปูนซีเมนต มวลรวม (หินและ ทราย) และสารผสมเพิม่ อืน่ ๆ แลวมีการประยุกตใชวสั ดุปอซโซลาน (Pozzolan) เปนสวนผสมของคอนกรีต เนื่องจากพบวาวัสดุปอซโซลานสามารถใชแทนที่ปูน ซี เ มนต ไ ด และทำให ค อนกรี ต มี คุ ณ สมบั ติ ดี ขึ้ น ใน หลายดาน [4-5] วัสดุปอซโซลานสวนใหญจะเปนวัสดุ เหลือใชทเี่ กิดจากจากอุตสาหกรรมตางๆ เชน เถาถาน หิน เถาปาลมน้ำมัน เถาชานออย เถาแกลบ หรือเปน วัสดุที่ไดจากธรรมชาติ เชน ซีโอไลท ไดอะตอมไมต และเพอรไรต [6] การศึกษาการการตานทานการสึก กรอนของคอนกรีตทีผ่ สมวัสดุปอซโซลานทีผ่ า นมานัน้ โดยสวนใหญแลวเกี่ยวของเถาถานหินซึ่งพบวาการ

ตานทานการสึกกรอนลดลงเมื่อใชเถาถานหินแทนที่ ปูนซีเมนต [7] แตเมื่อใชเถาถานหินแทนที่รวมมวล ละเอียดกลับทำใหการตานทานการสึกกรอนดีขนึ้ โดย วัตถุประสงคของงานวิจยั นีค้ อื เพือ่ ศึกษาตัวแปรตางๆ ที่ มี ผ ลกระทบต อ ความทนทานการสึ ก กร อ นของ คอนกรีตที่ผสมวัสดุปอซโซลาน และวิเคราะหอัตรา การสึกกรอนที่อายุ 28 วัน จากระดับการแทนที่ของ วัสดุ ปอซโซลานชนิดตางๆ 2. วิธีดำเนินงานวิจัย 2.1 การเตรียมวัสดุ วัสดุปอซโซลานทั้ง 3 ชนิด ไดแกเถาถานหิน เถาชานออย และเถาปาลมน้ำมัน นำมาบดละเอียด โดยปริมาณของอนุภาคคางตะแกรงเบอร 325 ไมเกิน ร อ ยละ 5 โดยน้ำ หนั ก แล ว นำไปอบในอุ ณ หภู มิ 100 ± 5 0C เปนเวลา 24 ชัว่ โมง นำออกจากตอู บ ปล อ ยให เ ย็ น ตั ว ลงแล ว ใส ภ าชนะ ป ด มิ ด ชิ ด เพื่ อ ปองกันความชื้น มวลรวมละเอียดใชทรายละเอียดมี คาความถวงจำเพาะ 2.65 และมวลรวมหยาบใชหิน ปูนยอยขนาดโตสุดไมเกิน 20 มิลลิเมตรความถวง จำเพาะ 2.70 นำมาลางน้ำ แลวนำไปอบในอุณหภูมิ 100 0C เปนเวลา 24 ชัว่ โมง นำออกจากตอู บปลอย ใหเย็นตัวลงแลวใสภาชนะ แลวปดมิดชิดเพือ่ ปองกัน ความชื้น 2.2 สวนผสมคอนกรีต สวนผสมของคอนกรีตในการศึกษาแสดงใน ตารางที่ 1 โดย วัสดุปอซโซลานที่ผานการปรับปรุง

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

ขนาดแลวจะถูกนำมาแทนทีป่ นู ซีเมนตรอ ยละ 20 40 และ 60 โดยน้ำหนัก สวนผสมมีอตั ราสวนน้ำตอ สาร ซีเมนต (w/c) เทากับ 0.40 0.45 และ 0.50 คาการยุบ ตัวของคอนกรีตสดถูกควบคุมใหอยใู นชวง10–15 ซม. และมีการใชสารลดน้ำชวยปรับใหคาการยุบตัวของ

25

คอนกรีตอยใู นชวงทีก่ ำหนด เมือ่ หลอตัวอยางครบ 24 ชัว่ โมง ตัวอยางคอนกรีตจะถูกถอดแบบและนำไปบม ในน้ำจนกระทัง่ ถึงอายุการทดสอบการสึกกรอนทีอ่ ายุ 28 วัน

ตารางที่ 1 สวนผสมของคอนกรีต และ กำลังทีอ่ ายุ 28 วัน

iCT = controlled concrete, FA = fly ash, BA = bagasse ash, PA = palm oil fuel ash, SP = superplasticizer

26

2.3 การทดสอบคุณสมบัติคอนกรีต (1) คุณสมบัติของคอนกรีตสด ทำการหาคา การยุบตัวตาม มาตรฐาน ASTM C 143 [8] โดย กำหนดใหคา ยุบตัวอยรู ะหวาง 10-15 ซม.

(2) กำลังอัดของคอนกรีต ทีอ่ ายุ 28 วัน โดย ใชตัวอยางคอนกรีตทรงกระบอกขนาดเสนผานศูนย กลาง 10 เซนติเมตร สูง 20 เซนติเมตรทำการทดสอบ ด ว ยเครื่ อ งทดสอบกำลั ง อั ด (Compression machine) ASTM C 39 [9] (3) ความตานทานการสึกกรอนของคอนกรีต ตามมาตรฐาน (Under water method) ASTM C 1138 [10] ทดสอบการตานทานการสึกกรอนของ คอนกรีตโดยวิธีใตน้ำ ใชตัวอยางขนาดเสนผานศูนย กลาง 302 มม. หนา 102 มม. ที่อายุ 28 วันโดย นำตัวอยางคอนกรีตไปติดตั้งไวในชุดทดสอบการสึก กรอน ดังแสดงในรูปที่ 1 หลังจากนัน้ นำลูกเหล็กกลม สเตนเลส วางบนผิวของตัวอยาง จำนวน ขนาด และ ชั้ น คุ ณ ภาพของลู ก เหล็ ก ทรงกลมให เ ป น ตาม มาตรฐานกำหนด จากนั้นเติมน้ำใหไดระดับ และ ทำการเปดเครื่องและทำการทดสอบเปนเวลา 12 ชัว่ โมง นำตัวอยางออกมาประเมินและคำนวณผลของ การสึกกรอน เมือ่ บันทึกผลเสร็จแลวก็นำตัวอยางกลับ เข า ไปทำการทดสอบเหมื อ นเดิ ม ทำการทดสอบ ตามขัน้ ตอนดังกลาวจำนวน 6 รอบ ขอมูลทีไ่ ด นำมา คำนวณ ดังสมการ (1)-(3) เพือ่ ประเมินคาการสึกกรอน ตามชวงเวลาตางๆ Vt = Wair - WWater (1) GW เมื่อ Vt = ปริมาตรของตัวอยางคอนกรีต ณ เวลาทดสอบ ตางๆ (ม.3)

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

Wair= น้ำหนักตัวอยางคอนกรีตที่ชั่งในอากาศ ณ เวลาทดสอบตางๆ (กก.)

WWater= น้ำหนักตัวอยางของคอนกรีตที่ชั่งในน้ำ ณ เวลาทดสอบตางๆ (กก.)

GW = หนวยน้ำหนักของน้ำ (กก./ ม.3) และ คำนวณคาการสูญเสียน้ำหนักทีม่ คี า เพิม่ ขึน้ ของ ตัวอยางคอนกรีต ทุกๆชวงเวลาตางๆ VLt = Vi - Vt (2) เมื่อ VLt= ปริมาตรการสึกกรอนของตัวอยางคอนกรีตทีม่ คี า เพิม่ ขึน้ (ม.3) Vi= ปริมาตรของตัวอยางคอนกรีตกอนการทดสอบ ณ เวลาทดสอบตางๆ (ม.3) Vt= ปริมาตรของตัวอยางคอนกรีตหลังการทดสอบ ณ เวลาทดสอบตางๆ (ม.3) และ คำนวณคาความลึกจากการสึกกรอนของกอน ตัวอยางทีม่ คี า เพิม่ ขึน้ ทุกๆชวงเวลาตางๆ (3) ADAt = VLt/A เมื่อ ADAt= คาความลึกของตัวอยางคอนกรีตจากการสึก กรอนทีม่ คี า เพิม่ ขึน้ ณ เวลาทดสอบตางๆ (ม.)

VLt= ปริมาตรการสึกกรอนของตัวอยางคอนกรีตที่มี คาเพิม่ ขึน้ ณ เวลาทดสอบตางๆ (ม.3) A= พืน้ ทีผ่ วิ ทัง้ หมดของตัวอยางคอนกรีต (ม.2)

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

รูปที่ 1 ชุ ด ทดสอบการสึ ก กร อ นและรายละเอี ย ด ภายในเครื่องทดสอบการสึกกรอน ASTMC 1138 (under water method) 3.ผลการวิเคราะหและอภิปราย 3.1 กำลังอัดของคอนกรีต กำลังอัดของคอนกรีตคอนกรีต ทีอ่ ายุ 28 วัน พบวาคอนกรีตควบคุมมีกำลังอัดเทากับ 406, 369 และ 299 กก./ซม2. สำหรับอัตราสวนน้ำตอสารซีเมนต

27

(W/c) เท า กั บ 0.40, 0.45 และ 0.50 ตามลำดั บ ในรูปที่ 2 แสดงคาความสัมพันธของกำลังอัดของ คอนกรีตที่อายุ 28 วัน กับอัตราน้ำตอสารซีเมนต (w/c) พบวาคอนกรีตทีผ่ สมวัสดุปอซโซลานรอยละ 20 มีคากำลังรับแรงอัดมากกวาคอนกรีตควบคุม ทั้งนี้ เนื่องมากจากปฏิกิริยาปอซโซลานที่เกิดขึ้นภายหลัง จ า ก ป ฏิ กิ ริ ย า ไ ฮ เ ด ร ชั่ น ข อ ง ปู น ซี เ ม น ต คื อ ซิลิกอนไดออกไซด (SiO2) ในวัสดุปอซโซลาน จะทำ ปฏิกริ ยิ ากับแคลเซียมไฮดรอกไซด จึงไดสารประกอบ แคลเซียมซิลเิ กตไฮรเดรต (CSH) ซึง่ ทำใหกำลังรับแรง อัดของคอนกรีตพัฒนาสูงขึ้น [11] สำหรับในรูปที่ 3 เปนการแสดงคาความสัมพันธ ระหวางกำลังรับแรง อัดของคอนกรีต กับปริมาณการแทนทีว่ สั ดุปอซโซลาน ทั้ง 3 ชนิด คือ เถาถานหิน เถาชานออย และเถา ปาลมน้ำมัน ทีอ่ ตั ราน้ำตอวัสดุประสานที่ 0.45 พบวา ปูนซีเมนตทแี่ ทนทีด่ ว ยเถาถานหินทีร่ อ ยละ 40 จะเปน ระดั บ การแทนที่ ที่ ใ ห กำลั ง อั ด สู ง สุ ด โดยค า กำลั ง เทากับ 415 กก./ซม2. แตเมื่อเพิ่มปริมาณการแทนที่ ดวยเถาถานหินถึงรอยละ 60 กำลังรับแรงอัดทีไ่ ด กลับ ลดลงเทากับ 331 กก./ซม2. ซึง่ ต่ำกวาคอนกรีตควบคุม สำหรับคอนกรีตที่ผสมเถาชานออยและเถาปาลม น้ำมันมีอตั ราการพัฒนากำลังรับแรงอัดทีใ่ กลเคียงกัน คือเมื่อแทนที่ปูนซีเมนตที่รอยละ 20 จะเปนระดับที่ เหมาะสมทีส่ ดุ และทำใหกำลังอัดสูงกวาคอนกรีตควบ คุมคือ 394 กก./ซม2 และ 387 กก./ซม2. ตามลำดับ แตเมือ่ เพิม่ ปริมาณการแทนทีร่ อ ยละ 40 และ 60 ของ ปูนซีเมนตปอรตแลนด ดวยวัสดุทั้งสองชนิด กำลัง รับแรงอัดของคอนกรีตกลับลดลงต่ำกวาคอนกรีต ควบคุม โดยมีกำลังอัดเพียงรอยละ 75 และ 80 ของ คอนกรีตควบคุม ซึ่งสอดคลองกับงานวิจัยที่ผานมา [12]

28

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

รูปที่ 2 แสดงความสัมพันธระหวางกำลังอัดทีอ่ ายุ 28 วัน กับอัตราน้ำตอสารซีเมนต

รูปที่ 3 แสดงความสัมพันธระหวางกำลังอัดกับปริมาณการแทนทีว่ สั ดุปอซโซลาน (w/c=0.45)

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

รูปที่ 4 ตัวอยางคอนกรีตที่ถูกทดสอบการสึกกรอน 3.2 การสึกกรอนของคอนกรีต จากผลการทดสอบการสึกกรอนของตัวอยาง คอนกรีต ที่ 72 ชั่วโมง แสดงรูปที่ 4 และตารางที่ 2 พบว า คอนกรี ต ควบคุ ม มี ค า การสึ ก กร อ นเท า กั บ 0.974, 1.060 และ 1.114 มิลลิเมตร สำหรับคาอัตรา น้ำตอสารซีเมนต (w/c) เทากับ 0.40, 0.45 และ 0.50 ตามลำดับ ซึง่ อัตราการสึกกรอน ของคอนกรีตควบคุม มีแนวโนมเพิ่มขึ้นตามคา w/c และเมื่อเปรียบเทียบ กับคอนกรีตผสมวัสดุปอซโซลานก็พบวา คอนกรีตทีใ่ ช ปูนซีเมนตลวน มีความตานทานการสึกกรอนดีกวา คอนกรีตทีผ่ สมวัสดุปอซโซลานทุกชนิด แสดงดังรูปที่ 5 ซึ่งเปนความสัมพันธของการสึกกรอนกับคาอัตรา

29

สวนน้ำตอสารซีเมนตของคอนกรีตชนิดตางๆ สำหรับ คอนกรีตผสมวัสดุปอซโซลาน พบวาการแทนทีร่ อ ยละ 20 ของวัสดุปอซโซลานทัง้ สามชนิดใหคา การสึกกรอน ที่ใกลเคียงกัน และยังพบอีกวา คาการสึกกรอนของ ปอซโซลานคอนกรีต มีคาแปรผกผันกับกำลังรับแรง อัดของคอนกรีต กลาวคือเมื่อคอนกรีตมีกำลังรับแรง อัดมากขึน้ คาการสึกกรอนก็จะลดลง ซึง่ สอดคลองกับ งานวิจยั ทีผ่ า นมา [13-14] รูปที่ 6 แสดงความสัมพันธคา การสึกกรอนกับ ปริมาณการแทนที่ พบวาคอนกรีตที่ผสมเถาถานหิน มีการสึกกรอนต่ำทีส่ ดุ เมือ่ แทนทีร่ อ ยละ 40 แตกย็ งั สูง กว า คอนกรี ต ควบคุ ม และเมื่ อ เพิ่ ม การแทนที่ เ ป น รอยละ 60 การสึกกรอนก็เพิม่ ขึน้ อยางรวดเร็ว สำหรับ เถาชานออยและเถาปาลมน้ำมันจะมีการสึกกรอนที่ ใกลเคียงกัน คือ ทีร่ อ ยละ 20 มีคา การสึกกรอนต่ำที่ สุด และเพิม่ ขึน้ เมือ่ แทนที่ ทีร่ อ ยละ 40 และ 60 ตาม ลำดับ โดยที่เถาชานออยมีอัตราการสึกกรอนต่ำกวา เถาปาลมน้ำมัน รูปที่ 7 แสดงความสัมพันธของการสึกกรอน กับคากำลังรับแรงอัดของคอนกรีตชนิดตางๆ พบวาคา การสึกกรอนมีคา แปรผกผันกับกำลังรับแรงอัด สำหรับ คอนกรีตควบคุมและปอซโซลานคอนกรีต (w/c=0.45) และมีคาความเบี่ยงเบน (R2) เทากับ 0.933 และ 0.884 ตามลำดับ

30

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ตารางที่ 2 คาการสึกกรอนที่เพิ่มขึ้นของปอซโซลานคอนกรีต

iCT = controlled concrete, FA=fly ash , BA=bagasse ash , PA= palm oil fuel ash

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

รูปที่ 5 ความสัมพันธของการสึกกรอนกับอัตราสวนน้ำตอวัสดุประสาน (w/c)

รูปที่ 6 อัตราการสึกกรอนที่ 72 ชัว่ โมง เทียบกับชนิดและปริมาณการแทนที่ (w/c=0.45)

รูปที่ 7 ความสัมพันธของกำลังรับแรงอัดกับอัตราการสึกกรอน

31

32

รูปที่ 8 บริ เ วณทดสอบพื้ น คอนกรี ต ในถนนที่ สัญจรจริง 3.3 การสึกกรอนในพื้นที่การใชงานจริง จากการทดสอบการสึกกรอนของปอซโซลาน คอนกรีตในสภาพการใชงานจริง โดยนำคอนกรีตที่มี วัสดุปอซโซลานทั้งสามชนิดแทนที่ปูนซีเมนตรอยละ

รูปที่ 9 คอนกรีตควบคุม (45CT) ทีอ่ ายุตา งๆ

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

20 40 และ 60 และมีคา w/c = 0.45 โดยเรียงตามสัด สวนผสมในตารางที่ 1 และอยูในแนวถนนเดียวกัน ทัง้ หมด ทำเปนพืน้ ผิวถนนในบริเวณทีม่ กี ารสัญจรจริง ดังแสดงในรูปที่ 8 พบวาทีร่ ะดับการแทนทีข่ องปอซโซ ลานรอยละ 20 สภาพผิวหนาของคอนกรีตผสมเถา ถานหินทีร่ อ ยละ 20 และ 40 ไมแตกตางจากคอนกรีต ควบคุม แตสำหรับคอนกรีตผสม เถาชานออยและเถา ปาลมน้ำมัน ทีร่ ะดับการแทนทีต่ งั้ แตรอ ยละ 40 ขึน้ ไป และเถาถานหินทีร่ ะดับการแทนทีร่ อ ยละ 60 เริม่ มีคา การสึกกรอนที่ชัดเจน โดยมีการหลุดรอนของผิวหนา คอนกรีต และสังเกตเห็นผิวของรวมหยาบไดมากกวา คอนกรีตควบคุม และเกิดความเสียหายทีบ่ ริเวณขอบ ของแผนพื้น เปนรองและรอยแยกขนาดเล็กกระจาย ทัว่ ทัง้ แผนดังแสดงในรูปที่ 9 และ 10

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

33

รูปที่ 10 ภาพการสึกกรอนของปอซโซลานคอนกรีตทีอ่ ายุ 9 เดือน 4. สรุปผลและอภิปรายผล จากการศึกษาคาการตานทานการสึกกรอน ของปอซโซลานคอนกรีตทีอ่ ายุ 28 วัน พบวาอัตราน้ำ ตอสารซีเมนต (w/c) มีอิทธิผลตอตอระดับการสึก กรอน กลาวคือเมือ่ ออกแบบสวนผสมใหคา w/c มีคา มากขึน้ คาการสึกกรอนก็จะเพิม่ มากขึน้ ดวย เนือ่ งจาก กำลังรับแรงอัดของคอนกรีตต่ำลง และพบวาการแทน ที่ปูนซีเมนตดวยวัสดุปอซโซลาน ก็ทำใหคาการสึก กร อ นของปอซโซลานคอนกรี ตมากขึ้น และสู ง กว า คอนกรีตควบคุม ทั้งนี้อาจเนื่องมาจากการพัฒนา ของปฏิกริ ยิ าปอซโซลาน ทีอ่ ายุ 28 วันยังไมสมบูรณ

จึงทำใหความตานทานตอการสึกกรอนของปอซโซลาน คอนกรีตมีแนวโนมต่ำกวาคอนกรีตควบคุมทุกสวน ผสม และทุกระดับการแทนที่ และเมือ่ พิจารณาในสวน ของคอนกรีตผสมวัสดุปอซโซลานแลว พบวาเถาถานหิน มีอัตราการสึกกรอนที่ต่ำที่สุด 5. กิตติกรรมประกาศ ผูเขียนขอขอบคุณมหาวิทยาลัยมหาสารคาม ที่ใหทุนสนับสนุนงานวิจัย และพื้นที่ในการทดสอบ การสึกกรอนของปอซโซลานคอนกรีต

34

6.เอกสารอางอิง [1] Horszczaruk E. Abrasion resistance of high-strength concrete in hydraulic structures, Wear. 2005;259(1-6):62-69.

[2] Yang J, and Jiang G. Experimental study on properties of pervious concrete pavement materials.Cement and Concrete Research. 2003;33(3):381-386.

[3] Kilic A, Atis C D,Teymen A, Karahan O, Ozcan F, Bilim C, Ozdemur M. The influence of aggregate type on the strength and abrasion resistance of high strength concrete. Cement & Concrete Composites.

2007;30 (4): 290-296.

[4] Rukzon S. Use of Rice Husk-Bark Ash by Grinding to Finesse in Concrete. KKU Engineering Journal. 2005;32(3):423-440.

(In Thai) [5] Sata V. The Use of Local Pozzolan in Fiber Reinforced Concrete. KKU Engineering Journal. 2010;38(1):29-37.(In Thai) [6] Phoo-ngernkham T and Sinsiri T. Workability and Compressive Strength of Geopolymer Mortar from Fly Ash Containing Diatomite. KKU Engineering Journal. 2011;38(1): 11-26. (In Thai) [7] Siddique R. Performance characteristics of high-volume Class F fly ash concrete, Cement and Concrete Research. 2004;34 (3):1877-1881.

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

[8] American Society for Testing and Materials.

ASTM C143-90a. Standard Test Method for Slump of Hydraulic Cement Concrete, Annual Book of ASTM Standard. 2001; 04(02):89-91.

[9] American Society for Testing and Materials ASTMC-39-02. Standard test method for compressive strength of cylindrical concrete specimens, Annual Book ASTM Standards. 2002;04(02).

[10] American Society for Testing and Materials.

ASTM C 1138-97. Standard test method for abrasion resistance of concrete (Underwater Method) Annual Book of ASTM Standards. 2002;04(02).

[11] Chindaprasirt P, Jaturapikakul C. Cement pozzolan and concrete.Thailand Concrete Association (TCA). 2010:308-309 (In Thai) [12] SataV.Jaturapitakkul.C. Kiattikomol K. Utilization of Palm Oil Fuel Ash in High-Strength Concrete. Journal of Materials in Civil Engineering. ASCE. 2004;16(6):623-628.

[13] Liu Y W, Yen T, Hsu T H. Abrasion erosion of concrete by water-borne sand. Cement and Concrete Research.2005;36(10): 1814-1820.

[14] Liu Y W. Improving the abrasion resistance of hydraulic-concrete containing surface crack by adding silica fume. Construction and Building Materials. 2007;2(5):972-977.

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1): 35-46

บทความวิจัย

KKU Engineering Journal http://www.en.kku.ac.th/enjournal/th/

การจัดตารางการผลิตโดยเปรียบเทียบการจัดตารางทัว่ ไปและวิธเี จเนติกอัลกอริทมึ Method production scheduling using a comparison of genetic algorithm and other general methods อดุลย พุกอินทร* Adul Phuk-in* ภาควิชาไฟฟาคอมพิวเตอรและอุตสาหการ คณะเทคโนโลยีอตุ สาหกรรม มหาวิทยาลัยราชภัฏอุตรดิตถ จังหวัดอุตรดิตถ 53000 Received October 2011 Accepted January 2012

บทคัดยอ การศึกษานีไ้ ดนำปญหาการจัดตารางการทำงานของโรงงานเมลทัลอัลลอย ซึง่ จะมีการจัดตารางการทำงานใหกบั สถานีงานใหเกิดประสิทธิภาพสูงสุดในการจัดตารางการผลิต การพัฒนาโปรแกรมการจัดตารางการผลิตไดนำวิธี การจัดตารางแบบ first in - first out ; FIFO, shortest processing time ; SPT, longest processing time ; LPT, early due date ; EDD และ minimize slack โดยผวู จิ ยั ไดพฒ ั นาออกแบบวิธเี จเนติกอัลกอริทมึ (genetic algorithm ; GA) ซึง่ เปนวิธกี ารแบบฮิวริสติก เพือ่ ใชในการเปรียบเทียบผลการจัดตารางการผลิต การพัฒนาได ทดสอบหาประสิทธิภาพของโปรแกรมวิธเี จเนติกอัลกอริทมึ โดยออกแบบการทดสอบเชิงแฟกทอเรียล 23 เพือ่ หา คาพารามิเตอรทเี่ หมาะสมในการทำงานของโปรแกรม โดยวิธี anova เพือ่ วิเคราะหความแปรปรวนในการทำงาน ของวิธเี จเนติกอัลกอริทมึ พบวาคาทีเ่ หมาะสมของพารามิเตอรของการครอสโอเวอรเทากับ 1, คาทีเ่ หมาะสมของ พารามิเตอรของการมิวเตชัน่ เทากับ 0.1, คาทีเ่ หมาะสมของพารามิเตอรของคา population size เทากับ 100 และคาทีเ่ หมาะสมของพารามิเตอรของคา generations เทากับ 50 ดังนัน้ คาพารามิเตอรในการทำงานของวิธี เจเนติกอัลกอริทมึ ตามคาทีเ่ หมาะสมในวิธตี า งๆ ดังกลาวจะทำใหไดประสิทธิภาพการทำงานดีทสี่ ดุ ในการแก ปญหาการจัดตารางการผลิตของโรงงานเมลทัลอัลลอย ผวู จิ ยั ไดนำปญหาการจัดตารางการผลิต 4 ปญหา ทำการ ทดสอบและเปรียบเทียบผลคาของคำตอบ พบวาวิธที หี่ าคาคำตอบไดดที สี่ ดุ คือ วิธเี จเนติกอัลกอริทมึ (GA) และ วิธกี าร longest processing time ; LPT ซึง่ จากการทดสอบกับปญหาการจัดตารางการผลิตทีป่ ญ  หาจำนวนงาน 13 งาน จำนวนสถานีงาน 3 สถานีงาน, ปญหาจำนวนงาน 23 งาน จำนวนสถานีงาน 5 สถานีงาน และปญหา จำนวนงาน 27 งาน จำนวนสถานีงาน 4 สถานีงาน ไดผลของการคนหาคำตอบเทากับคาขอบเขตต่ำสุด (lower bound) ในสวนของปญหาจำนวนงาน 17 งาน จำนวนสถานีงาน 5 สถานีงาน เปนลักษณะของปญหา np-hard วิธขี องเจเนติกอัลกอริทมึ สามารถหาคาคำตอบไดเขาใกลคา ขอบเขตต่ำสุด จากการเปรียบเทียบวิธกี ารในการหา *Corresponding author. Tel.: 055-416-625 Email address: adun999@gmail.com

36

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

คาคำตอบของการจัดตารางการผลิตวิธเี จเนติกอัลกอริทมึ สามารถหาคาคำตอบไดดี ทำใหโรงงานเมลทัลอัลลอย มีทางเลือกในการเลือกนำผลของคำตอบการจัดตารางการผลิตมาใช เพือ่ แกไขปญหาไดตามวัตถุประสงคตรงตาม เปาหมาย และสามารถนำไปใชในการเพิ่มประสิทธิภาพของการดำเนินการในโรงงาน ไดอยางมีประสิทธิผล สูงสุด คำสำคัญ : ปญหาการจัดตารางการผลิต วิธเี จเนติกอัลกอริทมึ Abstract The goal of this study is to create the highest efficiency production work schedule. The following methods were used to design and develop the program to solve the problems : first in-first out (FIFO), shortest processing time (SPT), longest processing time (LPT), early due date (EDD), and minimize slack. The researcher had developed the genetic algorithm (GA) method which is the holistic method used for comparing the production scheduling outcome. Efficiency of the genetic algorithm was examined by designing a factorial 23 test for finding an appropriate parameter value using anova method. It was found that the appropriate value of the crossover, mutation, population size, and generation were equal to 1, 0.1, 100, and 50, respectively. This helped create a highest efficiency in the management of work schedule.

With regards to 4 problems in the management of work schedule testing of the mental alloyed factory, it was found that the GA and LPT methods could provide the best work value. Based on the examining of problems in the production scheduling for 13 tasks of 3 task stations, problems in 23 task of 5 task stations, and problems in 27 tasks of 4 task stations, the value finding was found at a lower bound. In the case of problems in 27 tasks of 5 task stations, the NP-Hard problem was found. The GA method could provide the best work value, making the mental alloyed factory has alternatives for the production scheduling. Besides, it could be employed for an increase of the efficiency in the operation of this factory.

Keywords : Job scheduling problem, Genetic algorithm method 1. บทนำ ในการปฏิบัติการจัดตารางสำหรับระบบการ ผลิต หรือการใหบริการขององคกรนั้น ผูจัดตาราง จะตองมีปฏิสัมพันธ กับหนวยงานอื่นอีกเปนจำนวน มาก เพื่อใหไดมาซึ่งตารางการผลิตที่มีประสิทธิภาพ [2] การจัดตารางการผลิตแบบสั่งผลิต (job shop) เปนการผลิตทีม่ กี ารสัง่ ผลิตจากลูกคา เพือ่ ใหเสร็จทัน

เวลาสงมอบตามกำหนดเวลาของลูกคา การจัดตาราง การผลิตเปนปญหาที่พบในการผลิตโดยทั่วไป ถามี การแกไขโดยใชวิธีการการจัดตารางการผลิตที่ดีมา ชวย ก็จะทำใหลดเวลาในการผลิต ซึง่ สงผลใหตน ทุน ในดานตางๆ ลดลง ปญหาทีพ่ บในการจัดตารางการ ผลิ ต ในโรงงานอุ ต สาหกรรมส ว นใหญ จ ะใช ค วาม ชำนาญของบุคลากรฝายวางแผนเปนผจู ดั ตารางการ ผลิตใหกับแรงงาน และเครื่องจักร โดยมิไดคำนึงถึง

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

วาวิธกี ารทีน่ ำมาใชนนั้ อาจใชระยะเวลายาวนานเกิน ไปในการผลิต ในการวางแผนการจั ด ตารางการผลิ ต ใน ปจจุบัน ไดนำวิธีการทางคอมพิวเตอรมาชวยในการ แกปญ  หา เพือ่ ใชในการตัดสินใจของฝายวางแผน เพือ่ ลดความเสีย่ ง และการสูญเสียในดานตางๆ โรงงานที่ มีการวางแผนทีด่ ี มีประสิทธิภาพในกระบวนการควบ คุมยอมจะสงผลใหตนทุนในการผลิตต่ำลง แตทั้งนี้ ต อ งคำนึ ง ถึ ง เวลาในกระบวนการผลิ ต และการ กำหนดงานใหกับเครื่องจักร หรือสถานีงานอยางมี ประสิทธิภาพ ซึง่ บางครัง้ อาจเกิดปญหาทางดานการ จัดตารางการทำงานใหกบั สถานีงาน และเครือ่ งจักรที่ มีระยะเวลายาวนาน ซึง่ จะทำใหทรัพยากรตางๆ ทีจ่ ดั สรรเขาสกู ระบวนการผลิตแลวแตไมสามารถผลิตเสร็จ ตามระยะเวลาที่กำหนด ในกระบวนการผลิตอัลลอยจากอลูมิเนียม หลอ,งานประกอบสแตนเลส และงานประกอบเหล็ก อิตาลี เปนผลผลิตหลักของโรงงานเมลทัลอัลลอย ซึง่ เปนผผู ลิตทีม่ ยี อดขายเดือนละ 2 – 3 ลานบาท โดยมี กำลังการผลิตตั้งแต 15 งาน ถึง 20 งาน เปนตน การผลิตจะตองมีการติดตัง้ นอกสถานที่ ในแตละเดือน จะมี ป ริ ม าณการผลิ ต มากบ า งน อ ยบ า งไม เ ท า กั น ศูนยกระจายสินคาและจัดจำหนายสินคามี 5 จังหวัด ไดแก จังหวัดอุตรดิตถ,จังหวัดพิษณุโลก, จังหวัดแพร, จังหวัดขอนแกน และจังหวัดลำปาง การจัดตาราง การผลิต ใหกบั สถานีงาน หรือแรงงานใชวธิ กี ารจัดงาน โดยพนักงานในโรงงาน ซึ่งพบวามีระยะเวลาในการ ทำงานยาวนานมาก งานวิจยั นีจ้ งึ ไดออกแบบพัฒนาโปรแกรม เพือ่ การจัดตารางการผลิต ใหกบั สถานีงาน และแรงงาน ของโรงงานเมลทัลอัลลอย เพือ่ เปรียบเทียบกฎการจัด ตารางการผลิต กับวิธเี จเนติกอัลกอริทมึ และเลือกวิธี การทีด่ ที สี่ ดุ เพือ่ ใชในการปฏิบตั งิ านในโรงงาน

37

2. ทฤษฎีและงานวิจัยที่เกี่ยวของ 2.1 ปญหาของการจัดตารางการผลิต ลั ก ษณะของป ญ หาการจั ด ลำดั บ งานและ ตารางการผลิตเปนปญหาประเภท np-hard แบบ combinatorial optimization [1,4] ซึง่ หมายถึง ปญหา ที่ใชเวลาในการหาคำตอบยาวนาน และเมื่อมีขนาด ของปญหาที่มากขึ้นลักษณะปญหาจะเปนแบบเอ็กซ โปเนเชียล เมื่อปญหามีเพิ่มขึ้น ในกรณีที่มีงานอยู n งาน สามารถจัดตารางการผลิต ได n! การแกปญ  หา การจัดตารางการผลิต สามารถทำได โดยวิธีทาง คณิ ต ศาสตร เพื่ อ หาค า ต่ำ สุ ด ของรู ป แบบทาง คณิ ต ศาสตร เช น วิ ธี โ ปรแกรมเชิ ง เส น (linear programming),วิธแี ตกกิง่ และขอบเขต (branch and bound) หรือวิธกี ารหาคาทีด่ ที สี่ ดุ ทางฮิว ริสติกในวิธี ตาง ๆ เชน วิธขี อง campbell dudok and smith, วิธี การของ nawaz enscore ham ฯลฯ นอกจากนีย้ งั มี การนำเอาคอมพิวเตอรเขามาชวยในการแกไขปญหา เพือ่ ความถูกตองแมนยำและสะดวกรวดเร็ว แกปญ  หา ตรงตามวั ต ถุ ป ระสงค แต อ ย า งไรก็ ต ามเมื่ อ ภาค อุตสาหกรรมมีการพัฒนามากขึ้นยอมสงผลใหการ ออกแบบการจัดตารางการผลิต มีความซับซอนมาก ขึ้นตามไปดวย การแกไขโดยการคำนวณโดยใชวิธี การแบบเดิมอาจทำไดยาก และใชระยะเวลานาน การแกปญ  หาในการจัดตารางการผลิตเกิดขึน้ โดย Henry เป น ผู ที่ ไ ด พั ฒ นาการจั ด ตารางการ ผลิตอยางงาย โดยใชแผนภูมิแกนท (gantt chart) ตัง้ แตป ค.ศ.1971 โดยแผนภูมแิ กนท แสดงถึงกิจกรรม ทีเ่ กิดขึน้ ซึง่ จะแสดงในรูปเสนแถบ (bar) ตามเวลาใน แนวนอน วิธีนี้เปนวิธีที่เกาแกที่รูจักกันดี และนิยม ใชกันอยางแพรหลายในปจจุบัน

38

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

2.2 ทฤษฎีและงานวิจยั ทีเ่ กีย่ วของ ในการจัดตารางการทำงานของโรงงานเมลทัล อั ล ลอย จะใช ค วามชำนาญของพนั ก งาน หรื อ ใช คอมพิวเตอรโดยโปรแกรมพื้นฐานมาชวยในการจัด บาง ซึ่งอาจจะใชเวลาและคาเวลาของงานที่อยูใน ระบบนานกวาความเปนจริง ในการวัดประสิทธิภาพ ของการจัดตารางการผลิต แสดงดังนี้ ในการจัดตารางการทำงานของโรงงานเมลทัล อั ล ลอย จะใช ค วามชำนาญของพนั ก งาน หรื อ ใช คอมพิวเตอรโดยโปรแกรมพื้นฐานมาชวยในการจัด บาง ซึ่งอาจจะใชเวลาและคาเวลาของงานที่อยูใน ระบบนานกวาความเปนจริง ในการวัดประสิทธิภาพ ของการจัดตารางการผลิต แสดงดังนี้

1 n ∑ Fj n j =1

= = = =

Ti

=

xik

=

yjl

=

Cmax =

เวลางานทีอ่ ยใู นระบบ (flow time) F=

Pi Ci di Li

(1)

เวลางานสาย (lateness) Li = Ci − d i

(2) Minimize

เวลางานสายเฉลีย่ (mean lateness) __

L=

1 n ∑ Lj n j =1

(3)

เวลางานลาชาเฉลีย่ (mean tardiness) 1 n T = ∑ Tj n j =1 __

(1) แบบจำลองในการแกปญ  หาการจัดตาราง การผลิต กำหนดคาตัวแปรดังนี้ m = จำนวนสถานีงาน หรือกลมุ งาน n = จำนวนของงาน

Cmax

Cmax ≥ Ci∀1 ≤ i ≤ n

(5)

Ci − Pi ≥ 0∀1 ≤ i ≤ n

(6)

m

(4)

เวลาทีใ่ ชในการทำงานที่ i เวลางานเสร็จที่ i เวลานัดสงลูกคาทีง่ าน i เวลางานที่ทำเสร็จกอนเวลาหรือ หลังเวลานัดสงงาน เวลาเสร็จงานกอนหรือหลังวันนัด สงงาน มอบหมายใหสถานีงาน k ทำงาน i จะมีคา เปน 1 และเปน 0 ถาไมเปน ไปตามเงื่อนไข มอบหมายใหสถานีงาน l ทำงาน j จะมีคา เปน 1 และเปน 0 ถาไม เปน ไปตามเงื่อนไข เวลาสิ้นสุดการทำงานของชุดงาน หรือ เรียกอีกอยางวา คาเมคสแปน (makespan) แบบจำลองในการ แกไขปญหาการจัดตารางการผลิต ซึ่ ง แสดงค า สมบู ร ณ แ บบไบนารี่ (binary) หรือ 0 ,1 ถาเปนไปตาม เงือ่ นไขของสมการ ดังแสดงสมการ

∑X k =1

ik

≤ 1∀1 ≤ i ≤ n

(7)

Zijkl ≤ X ik ∀1 ≤ i,j ≤ n, ∀1 ≤ k,l ≤ m

(8)

Zijkl ≤ X jl ∀1 ≤ i,j ≤ n, ∀1 ≤ k,l ≤ m

(9)

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

(2) ทฤษฎีทเี่ กีย่ วของ Der-Horng Lee et al, (2006) ไดนำวิธกี าร เจเนติกอัลกอริทมึ มาใชในการจัดตารางการทำงานให กับเครนในทาเรือในประเทศสิงคโปร ซึง่ ในการศึกษา วิจัยนี้ทำใหไดผลการจัดตารางการทำงานของเครนที่ จะทำใหใชเวลาในการหาคาคำตอบทีด่ ที างดานเวลา และไดเลือกวิธกี ารครอสโอเวอร (crossover) และการ มิ ว เตชั่ น (mutation) อย า งละหนึ่ ง แบบมาใช ใ น กระบวนการของเจเนติกอัลกอริทมึ [5] Y Zhu and A Lim, (2005) ไดเสนอวิธกี ารจัด ตารางการทำงานโดยมีวัตถุประสงค เพื่อลดระยะ เวลาในการทำงานใหมคี า เมคสแปนต่ำทีส่ ดุ โดยใชวธิ ี แบรชแอนดบาวค (branch and bound ; B&B ) และ วิธกี ารอบออนจำลอง (simulated annealing ; SA) [6] Kap Hwan and Young-Man, (2004) ได ทำการศึกษาวิธกี ารจัดตารางการทำงานของเครนทีใ่ ช ขนถาย คอนเทนเนอรในทาเรือ โดยไดนำวิธกี ารหาคา mixed-integer - programming Model มาใชในการ หาคำตอบรวมกับการหาคาทางฮิวริสติก (heuristic algorithm) และการใชวธิ ี branch and bound ; B&B รวมกับวิธี greedy randomized adaptive search procedure ; GRASP ผลทีไ่ ดในการหาคาทีม่ ปี ญ  หา ขนาดใหญ พบวาการหาคาโดยวิธี B&B และวิธีการ GRASP จะหาคาคำตอบดานเวลาไดดี [3] จากทฤษฎีงานวิจัยที่เกี่ยวของผูวิจัยไดนำมา พัฒนา เพื่อปรับปรุงวิธีการเพื่อใชในการแกปญหา การจัดตารางการผลิต ใหกับโรงงานเมลทัลอัลลอย โดยการพัฒนาโปรแกรมการจัดตารางการผลิต เพื่อ จุดมุงหมายในการลดเวลาในการดำเนินการ

39

(3) วิธกี ารจัดตารางการผลิต และวิธฮี วิ ริสติก วิธกี าร first in - first out ; FIFO เปนวิธกี ารที่ นิยมใชสำหรับการจัดตารางแบบงาย และเหมาะสม กับการจัดตารางการทำงานใหกับคนงานเขาทำงาน ตามสถานี ง าน และวิ ธี ก ารนี้ เ หมาะสมกั บ มนุ ษ ย มากที่สุด วิธกี าร shortest processing time ; SPT เปน วิ ธี ก ารจั ด ตารางที่ เ ลื อ กงานใดๆ ที่ ใ ช เ วลาในการ ทำงานนอยที่สุด จะไดรับการจัดเขาเปนอันดับแรก งานทีใ่ ชเวลานอยเปนลำดับที่ 2, 3 และ 4 จนกระทัง่ ถึงอันดับที่ n จัดเรียงลำดับตามมา วิธกี าร longest processing time ; LPT งาน ที่ ใ ช เ วลาในการทำงานมากที่ สุ ด จะได รั บ การจั ด ตารางใหเขาทำงานบนเครือ่ งจักร หรือสถานีงานกอน วิธกี าร early due date ; EDD เปนวิธกี ารที่ เลือกเวลาที่นัดสงลูกคานานที่สุดมาเขาเครื่องจักร หรือสถานีงานกอนและตามดวยงานที่นัดสงที่เวลา นอยตามมา จัดเขาทำงานตามลำดับ วิธกี าร minimize slack เปนวิธกี ารหาคาเฉลีย่ ของ slack ที่เกิดขึ้นบนแตละหนวยงาน สำหรับคา slack ของงาน จะหาไดจากการนำคาเวลาทีจ่ ะตอง ใช ทั้ ง หมดในหน ว ยผลิ ต ลบออกด ว ยเวลาที่ จ ะถึ ง กำหนดสงงาน และเลือกคาทีน่ อ ยมาทำงานกอน วิธกี ารเจเนติกอัลกอริทมึ (genetic algorithm ; GA) วิ ธี เ จเนติ ก อั ล กอริ ทึ ม ซึ่ ง ถู ก พั ฒ นาขึ้ น โดย ฮอลแลนด (holland) ค.ศ 1975 เปนเทคนิคการหาคา เหมาะสมที่สุดวิธีหนึ่ง ซึ่งจัดอยูในกลุมของวิธีการหา คาความเหมาะสมโดยวิธีการประมาณ ขั้นตอนของ วิ ธี เ จเนติ ก อั ล กอริ ทึ ม มี ร ากฐานมาจากทฤษฎี วิวฒ ั นาการของ ชารล ดารวนิ (charles darwin) โดย อางอิงจากแนวคิดเรื่องการอยูรอดของผูที่เหมาะสม

40

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ที่ สุ ด (survival of the fittest) การทำงานของวิธี เจเนติกอัลกอริทมึ นัน้ จะเปนไปในลักษณะของการหา คำตอบแบบคูขนาน (parallel search) โดยการ เปลี่ ย นแปลงที่ เ กิ ด ขึ้ น กั บ คำตอบ (solution) หรื อ สมาชิกของประชากร (individual) ภายในประชากร (population) 1 รนุ นัน้ เปนไปเพือ่ การสำรวจพืน้ ทีใ่ น การคนหา (search space) และสงเสริมใหมกี ารถาย ทอดคุณลักษณะทีด่ ี (fit characteristics) ของคำตอบ ที่ไดคนพบในรุนปจจุบันไปยังรุนถัดไป การเข า รหั ส โครโมโซม (chromosome encoding) เปนสวนหนึ่งของขั้นตอนวิธีเจเนติกอัล กอริทึมที่สำคัญ ในการเขารหัสของปญหาการจัด ตารางการผลิต โดยนำขนาดของปญหาการจัดตาราง การผลิ ต นำมาจั ด เรี ย งในบิ ท เรี ย กว า โครโมโซม (chromosome) ดังรูปที่ 1 และนำไปสขู นั้ ตอนวิธเี จ เนติกอัลกอริทมึ ดังรูปที่ 2 รูปที่ 2 แสดงขัน้ ตอนวิธเี จเนติกอัลกอริทมึ รูปที่ 1 แสดงโครโมโซมของการจัดตารางการผลิต 3. ปญหาการจัดตารางการผลิตของการผลิตใน โรงงานเมลทัลอัลลอย ป ญ หาการจั ด ตารางการผลิ ต ของโรงงาน เมลทัลอัลลอย ผูวิจัยไดคนพบปญหาการจัดตาราง การผลิตใหกับพนักงานที่มีการทำงานเปนกลุมหรือ เรียกวาสถานีงาน การจัดตารางการผลิตโดยทั่วไป จะใชวิธีการในความชำนาญของพนักงานฝายวาง แผนการผลิต เปนผจู ดั ตารางการผลิต และมอบหมาย งานใหสถานีงาน ดังนั้น การดำเนินการในกระบวน การผลิตพบปญหาเรือ่ งงานลาชาไมทนั กำหนดการนัด

สงลูกคา หรือใชระยะเวลาในการผลิตที่ยาวนานจึง ทำใหเกิดตนทุนทีไ่ มควรเกิดขึน้ ในการผลิต ในขัน้ ตอน ของการผลิตในโรงงานเมลทัลอัลลอย สวนใหญเปน การเชือ่ มประกอบ และการติดตัง้ ทีห่ นางาน เชน งานประ ตูอลั ลอย, งานประกอบโครงสแตนเลส, งานประกอบ เหล็กอิตาลี และงานซอมบำรุงใหกับลูกคาทั่วไปซึ่ง จะมีระยะเวลาการทำงาน (processing time) และวัน กำหนดสงใหกับลูกคาที่ชัดเจน ดังแสดงตัวอยาง ตารางที่ 1

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

41

ตารางที่ 1 แสดงตัวอยางตารางการผลิต ทีม่ กี ารสัง่ ผลิต เวลาการทำงานและวันนัดสงลูกคา

4. วิธีการดำเนินการวิจัย ในการดำเนินการวิจยั ไดทำการออกแบบและ พัฒนาโปรแกรมเพื่อการแกไขปญหาการจัดตาราง การผลิต ของโรงงานเมลทัลอัลลอย ในการออกแบบ ผวู จิ ยั ไดดำเนินการตามขัน้ ตอน ดังนี้ 4.1 การออกแบบพัฒนาโปรแกรมจัดตารางการผลิต ไดประยุกตวธิ กี าร FIFO, วิธกี าร SPT, วิธกี าร LPT, วิธกี าร EDD, วิธกี าร minimize slack และวิธี การเจเนติกอัลกอริทมึ (GA) โดยการออกแบบตามวิธี การเรียงลำดับตามกฎ และวิธีการฮิวริสติกโดยใชวิธี เจเนติกอัลกอริทึม ซึ่งมีหลักการออกแบบในการ

นำขอมูลเขาตามจำนวนงาน และสถานีงาน เชน มีจำนวนงานทีจ่ ะนำมาจัดตารางการผลิตจำนวน 13 งาน มีจำนวนสถานีงาน 3 สถานีงาน (13x3) เปนตน การประมวลผลจะมีการกำหนดโดยผูใชโปรแกรมที่ หนาตางของโปรแกรม ดังรูปที่ 3 ในการกำหนดวิธกี าร หรือการใชวธิ กี ารจัดตารางการผลิตโดยทัว่ ไป ทีจ่ ะนำ มาจัดตาราง เพือ่ การกำหนดคาตางๆ ทีเ่ ปนคาพืน้ ฐาน หรือคาพารามิเตอรของวิธกี ารเจเนติกอัลกอริทมึ และ ขั้นตอนตอไปเปนการประมวลผล และวิเคราะหผล โดยผลจะแสดงเปน คาเมคสแปน หรือเวลางานเสร็จ ทีต่ ่ำสุด (Cmax)ดังแสดงขัน้ ตอนการออกแบบโปรแกรม ในรูปที่ 3

42

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

(windows) ดังแสดงรูปที่ 4 และแสดงการเลือกวิธกี าร จัดตารางการผลิต และวิธีเจเนติกอัลกอริทึม เพื่อ วิเคราะหผลปญหาการจัดตารางการผลิตของโรงงาน

รูปที่ 4 แสดงการนำข อ มู ล ป ญ หาการจั ด ตาราง การผลิตเขาโปรแกรม รูปที่ 3 แสดงการออกแบบขัน้ ตอนวิธกี ารจัดตาราง การผลิตแบบทัว่ ไป และวิธเี จเนติกอัลกอริทมึ จากรู ป ที่ 3 แสดงขั้ น ตอนการออกแบบ โปรแกรมที่ ใ ช แ ก ไ ขป ญ หาการจั ด ตารางการผลิ ต การออกแบบไดเลือกวิธกี ารทัว่ ไป ใชวธิ กี ารจัดตาราง การผลิตแบบทั่วไปในการจัดตารางการผลิต และ วิธเี จเนติกอัลกอริทมึ ทีม่ กี ารออกแบบการกำหนดคา พารามิ เ ตอร ข องการครอสโอเวอร แบบ order crossover และการมิวเตชัน่ แบบ insertion mutation ก อ นการประมวลผล ออกแบบโปรแกรมให มี ก าร นำเข า ของข อ มู ล ป ญ หาการจั ด ตารางการผลิ ต โดยออกแบบใหมีขั้นตอนการเลือกวิธีการจัดตาราง การผลิตโดยผใู ช หรือการเลือกใหโปรแกรมประมวลผล โดยใชวธิ กี ารจัดตารางทัง้ หมด เพือ่ เปรียบเทียบผลการ จัด ตารางการผลิ ต ซึ่ ง โปรแกรมทำงานบนวิ น โดว

รูปที่ 5 แสดงการเลือกแบบเพื่อการวิเคราะหผล

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

รูปที่ 6 แสดงรูปแบบโปรแกรมจัดตารางการผลิต และแสดงการวิเคราะหผล 4.2 การทดสอบหาคาพารามิเตอรทเี่ หมาะสม ของวิธี เจเนติกอัลกอริทึม

43

จากตารางที่ 2 การทดสอบหาคาความเหมาะสมของ คาพารามิเตอร จะไดคา ทีเ่ หมาะสมกับปญหาการจัด ตาราการผลิตที่ 13 งาน จำนวนสถานีงาน 3 สถานีงาน และปญหาการจัดตารางการผลิตที่ 23 งาน จำนวน สถานีงาน 5 สถานีงาน เนือ่ งจากการสมุ ปญหาขนาด เล็ก และปญหาขนาดใหญ การออกแบบวิเคราะหเชิง แฟกทอเรียล 23 ออกแบบการทดสอบ 8 การทดสอบ ในการทดสอบจะตองเก็บคาเมคสแปนต่ำสุด เพื่อ เปรียบเทียบคาเวลาการประมวลผล และคาขอบเขต ต่ำสุด จากการทดสอบจะใช replicate เพือ่ ทีจ่ ะนำมา วิเคราะหผลโดยใช anova โดยหาความแปรปรวนของ คาพารามิเตอรของวิธีเจเนติกอัลกอริทึม ดังแสดง ผลตารางที่ 3 ตารางที่ 3 แสดงผลการวิเคราะหหาคาความเหมาะสม ของคาพารามิเตอรของวิธีเจเนติกอัลกอริทึม

วัตถุประสงคเพือ่ หาคาความเหมาะสมในการ เริม่ ตนใสคา พารามิเตอรใหกบั โปรแกรม เพือ่ วิเคราะห ป ญ หาการจั ด ตารางการผลิ ต โดยโปรแกรม จะคำนวณคาพารามิเตอรขนาดของประชากรที่สุม (population size ) กับจำนวนรุน (generations) เปอรเซนตการครอสโอเวอร (crossover) เปอรเซนต การมิวเตชัน่ (mutation) โดยแสดงคาระดับปจจัย และ ปจจัยในการออกแบบการทดสอบ ดังตารางที่ 2 ตารางที่ 2 แสดงคาระดับปจจัยในการทดสอบ

5. ผลการศึกษา ในการศึกษานีไ้ ดนำวิธกี ารจัดตารางงานโดย ทัว่ ไป และพัฒนาวิธเี จเนติกอัลกอริทมึ มาใชในการแก ปญหาการจัดตารางการผลิตของโรงงานเมลทัลอัล ลอย ไดนำปญหาที่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิตที่พบ คือ การใชระยะเวลาการผลิตที่มากของชุดงาน ซึ่งมี การจัดตารางการผลิตโดยพนักงาน ดังนั้น ในการ พัฒนาโปรแกรม เพื่อเปรียบเทียบคนหาคำตอบที่ดีที่ สุด กอนการตัดสินใจในการสั่งผลิต การวิเคราะห ข อ มู ล ของป ญ หา โดยใช เ ครื่ อ งคอมพิ ว เตอร pc

44

(pentium (R) CPU 3.4 GHz,ramddr-2533 MB) ในการวิเคราะหผลการจัดตารางการผลิต การจัดตารางการผลิต ของโรงงานเมลทัลอัล ลอยผูวิจัยไดนำปญหางานที่มีการสั่งผลิตโดยลูกคา และฝายผลิต มาทำการทดสอบ 100 การทดสอบ (replicate) ซึ่งแตละปญหาแสดงผลของคำตอบที่ได นำมาเปรียบเทียบผลทางดานการหาคาทีด่ ขี องแตละ วิธี โดยจะวัดคาเมคสแปน (makespan) หรือ Cmax ของชุ ด งานนั้ น ๆ ดั ง แสดงป ญ หาในการทดสอบ ตารางที่ 4 ตารางที่ 4 แสดงปญหาการจัดตารางการผลิตของ โรงงานเมลทัลอัลลอย

จากตารางที่ 4 แสดงปญหาของการจัดตาราง การผลิต ของโรงงานเมลทัลอัลลอย จำนวน 4 ชุดงาน ซึ่งในแตละชุดงาน มีจำนวนงาน และจำนวนสถานี งานไมเทากัน เนือ่ งจากสถานีงานบางสถานีเปนผรู บั เหมาภายนอกโรงงาน บางเดือนผรู บั เหมางานอาจไม ไดรบั งาน จึงเปนเหตุใหสถานีงานลดลง สวนภายใน โรงงานมี 3 สถานีงาน เปนกลุมพนักงานในโรงงาน เมลทัลอัลลอย ผู วิ จั ย ได นำป ญ หามาวิ เ คราะห โ ดยใช โปรแกรมการจัดตารางการผลิต ใหกบั สถานีงานของ โรงงานเมลทัลอัลลอยปญหาของงานนำมาหาคาขอบ เขตต่ำสุด (lower bound) โดยใชโปรแกรมวิเคราะห เพือ่ ใชเปรียบเทียบการจัดตารางการผลิต และแสดง การวิเคราะหผลการจัดตารางการผลิต ดังตารางที่ 5

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ตารางที่ 5 แสดงผลการทดสอบปญหาการจัดตาราง การผลิต ปญหา 17 งาน 5 สถานีงาน (17x5)

จากตารางที่ 5 แสดงการวิเคราะหผลการจัด ตารางการผลิต 17x5 ไดผลเฉลยของงานทีม่ คี า งาน ที่ดีที่สุด คือ วิธีเจเนติกอัลกอริทึม (GA) ไดคาเวลา ของชุดงานที่ดีที่สุดเทากับ 18 วัน โปรแกรมใชเวลา ทำงาน 1 วินาที ไมไดคา ขอบเขตต่ำสุด และแสดงการ ทดสอบปญหา 13 งาน 3 สถานีงาน ดังแสดงตารางที่ 6 ตารางที่ 6 แสดงผลการทดสอบปญหาการจัดตาราง การผลิต ปญหา 13 งาน 3 สถานีงาน (13x3)

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

จากตารางที่ 6 แสดงการวิเคราะหผลการจัด ตารางการผลิต 13x3 ไดผลเฉลยของงานทีม่ คี า งาน ทีด่ ที สี่ ดุ คือ วิธกี าร longest processing time ; LPT ไดคาเวลาของชุดงานที่ดีที่สุดเทากับ 19 วัน และวิธี เจเนติกอัลกอริทมึ (GA) ไดคา เวลาของชุดงานทีด่ ที สี่ ดุ เทากับ 19 วัน โปรแกรมใชเวลาทำงาน 1 วินาที ทัง้ สองวิธีไดคาขอบเขตต่ำสุดเทากับ 19 วัน และแสดง การทดสอบปญหา 23 งาน 5 สถานีงาน ดังแสดง ตารางที่ 7

45

ตารางที่ 8 แสดงผลการทดสอบปญหาการจัดตาราง การผลิต ปญหา 27 งาน 4 สถานีงาน (27x4)

ตารางที่ 7 แสดงผลการทดสอบป ญ หาการจั ด ตารางการผลิต ปญหา 23 งาน 5 สถานีงาน (23x5)

จากตารางที่ 8 แสดงการวิเคราะหผลการจัด ตารางการผลิต 27x4 ไดผลเฉลยของงานทีม่ คี า งาน ที่ดีที่สุด คือ วิธีเจเนติกอัลกอริทึม (GA) ไดคาเวลา ของชุดงานที่ดีที่สุดเทากับ 24 วัน โปรแกรมใชเวลา ทำงาน 2 วินาที ไดคา ขอบเขตต่ำสุดเทากับ 41 วัน 6. สรุปผลการศึกษาและอภิปราย

จากตารางที่ 7 แสดงการวิเคราะหผลการจัด ตารางการผลิต 23x5 ไดผลเฉลยของงานทีม่ คี า งาน ทีด่ ที สี่ ดุ คือ วิธกี าร longest processing time ; LPT ไดคาเวลาของชุดงานที่ดีที่สุดเทากับ 24 วัน และวิธี เจเนติกอัลกอริทมึ (GA) ไดคา เวลาของชุดงานทีด่ ที สี่ ดุ เท า กั บ 24 วัน โปรแกรมใชเวลาทำงาน 1 วิ น าที ทัง้ สองวิธไี ดคา ขอบเขตต่ำสุดเทากับ 24 วัน และแสดง การทดสอบปญหา 27 งาน 4 สถานีงาน ดังแสดง

การศึ ก ษาการแก ป ญ หาการจั ด ตารางการ ผลิตของโรงงานเมลทัลอัลลอย ไดออกแบบพัฒนาวิธี การจัดตารางการผลิตโดยใชวธิ กี ารแบบทัว่ ไปและการ พัฒนาวิธีการเจเนติกอัลกอริทึม เพื่อเปรียบเทียบ ผลการจั ด ตารางการผลิ ต ในรู ป แบบโปรแกรม คอมพิวเตอร โดยวิธกี าร เจเนติกอัลกอริทมึ และได ออกแบบหาคาความเหมาะสมของคาพารามิเตอรทดี่ ี พบวาขนาดของประชากรที่สุม (population size) เทากับ 50 จำนวนรุน (generations) เทากับ 100 เปอรเซนตการครอสโอเวอร (crossover) เท า กั บ

46

1 และเปอรเซนตการมิวเตชัน่ (mutation) เทากับ 0.1 จึงจะใหคา การคนหาคำตอบทีด่ ขี องวิธเี จเนติกอัลกอริทมึ ซึ่งผลเฉลยจากการทดสอบปญหาการจัดตารางการ ผลิตของโรงงานเมลทัลอัลลอย จำนวน 4 ป ญ หา พบวาโปรแกรมที่พัฒนา สามารถจัดตารางการผลิต เพือ่ เปรียบเทียบการใชวธิ กี ารจัดตารางการผลิตแบบ ทั่ ว ไปกั บ วิ ธี ก ารเจเนติ ก อั ล กอริ ทึ ม ได ซึ่ ง ผลจาก การวิเคราะหปญ  หาทัง้ 4 ปญหา ไดคา ขอบเขตต่ำสุด 3 ปญหา และวิธีที่หาคาคำตอบไดดี คือ วิธีเจเนติก อัลกอริทมึ (GA) และวิธแี บบ longest processing time; LPT ซึ่ ง ทั้ ง สองวิ ธี ส ามารถหาคำตอบค า ขอบเขต ต่ำสุดได ดังแสดงการเปรียบเทียบผลการจัดตาราง การผลิต รูปที่ 7

รูปที่ 7 แสดงการเปรียบเทียบวิธีการจัดตารางการ ผลิตแบบทั่วไปและวิธีเจเนติกอัลกอริทึม สรุ ป ได ว า โปรแกรมจั ด ตารางการทำงาน โรงงานเมลทั ล อั ล ลอยที่ พั ฒ นาสามารถจั ด ตาราง การผลิตไดตามวัตถุประสงค และมีประสิทธิภาพ ด า นการจั ด ตารางการผลิ ต เพื่ อ เปรี ย บเที ย บผล การจัดตารางกอนที่จะมีการสั่งผลิต และประการ สำคัญยังเปนเครื่องมือและวิธีการที่ชวยวางแผนงาน ดานการผลิตในโรงงาน ใหมปี ระสิทธิภาพมากยิง่ ขึน้

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

7. กิตติกรรมประกาศ ขอขอบพระคุณมหาวิทยาลัยราชภัฏอุตรดิตถ ที่ ส นั บ สนุ น ทุ น วิ จั ย โรงงานเมลทั ล อั ล ลอย และ อาจารยดร.สุปรียา คำฟู ที่ชวยชี้แนะแนวทางในการ ดำเนินการวิจยั และทีใ่ หขอ มูล สถานทีใ่ นการดำเนิน การวิจัย 8. เอกสารอางอิง [1] Bish E, Leong T,Li c, Ng J, Simchi –Levi D. Analysis of a new vehicle scheduling location problem. Naval Research Logistics.

2001;8(48):1002-1024.

[2] Chutima P. The scheduling technique of operations. Publishers Chulalongkorn University. (In Thai).

[3] Kim K H, Park Y M. A crane scheduling method for part container terminals.

Operational Research. 2004;156(204): 752–768.

[4] Hawaz M, Enscore E, Ham I. A heuristic algorithm for the m-marching n-job flow show equencing. Omega. 1983;11(1): 11-95.

[5] Lee D H, Wang H W, Miao L. Quay cane seheduling with non-interference constraints in port container terminals. ELSEVIER. 2008;4(2):124-135.

[6] Zhu Y, A Lim. Crane Scheduling with non-crossing constraint. Journal of the Operational Research Society 2006;57(12): 1464-1471.

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1): 47-57

บทความวิจัย

KKU Engineering Journal http://www.en.kku.ac.th/enjournal/th/

การปรับปรุงคุณสมบัตกิ ากดินขาวเพือ่ ใชเปนวัสดุชนั้ ทาง Stabilization industrial waste of kaolin for road material อรุณเดช บุญสูง* Aroondet Boonsung* ภาควิชาโยธาและการออกแบบ มหาวิทยาลัยราชภัฏอุตรดิตถ จังหวัดอุตรดิตถ 53000 Received October 2011 Accepted January 2012

บทคัดยอ บทความฉบับนี้เสนอผลการศึกษาคุณสมบัติดานกำลังของกากดินขาวปรับปรุงดวยปูนซีเมนตและเถาลอย เพื่อ ใชเปนวัสดุชนั้ ทางในการกอสรางถนน โดยแปรผันปริมาณซีเมนต เถาลอย และอายุการบม เพือ่ หาคาทีเ่ หมาะสม ของวัสดุชนั้ ทางปรับปรุงตามเกณฑมาตรฐาน จากการศึกษาพบวากากดินขาวซึง่ เปนกากอุตสาหกรรมจากการคัดแยก อนุภาคดินขาว เมือ่ นำมาปรับปรุงคุณสมบัตจิ ะเกิดการพัฒนากำลังขึน้ ไดอยางรวดเร็วในชวงแรกของอายุการบม โดยคากำลังรับแรงจะมีคา สูงขึน้ ตามปริมาณสารเชือ่ มประสานทีใ่ ชปรับปรุงและอายุการบม โดยสามารถพัฒนา คากำลังรับแรงอัดแกนเดียว (UCS) และกำลังรับแรงแบกทาน (CBR) ใหสูงขึ้นผานตามเกณฑการเปนวัสดุ ชั้นรองพื้นทางดินซีเมนต (ทล-ม. 206/2532)และชั้นพื้นทางดินซีเมนต (ทล-ม. 204/2532) ตามมาตรฐาน กรมทางหลวงได คำสำคัญ : ดินซีเมนต ดินขาว การปรับปรุงคุณสมบัตดิ นิ รองพืน้ ทาง พืน้ ทาง Abstract This paper presents the result of strength properties of Industrial waste of kaolin improved by cement and fly ash for road material. Series of test were conducted by different content (1) cement (2) fly ash and (3) curing time to determine the appropriated components between cement and fly ash for getting the strength according standard criterion. This study found that the strength of industrial waste of kaolin which is improved by cement and fly ash is rapidly increasing development in early of curing time. The strength test with unconfined compressive strength (UCS) and California Bearing Ratio (CBR) shown that the strength of the improved kaolin was increased by amount binder and curing time according to the Department of Highway of Thailand.

Keywords : Soil cement, Kaolin, Soil improvement, Subbase, Base *Corresponding author. Tel.:055-411-096 ext 1361 Email address: aroondet_b@hotmsil.com

48

1. บทนำ ถนนเปนสาธารณูปโภคแบบหนึ่งของระบบ การขนสงทางบกทีม่ กี ารใชงานมากทีส่ ดุ เมือ่ เทียบกับ การขนสงทางบกรูปแบบอื่น ดังนั้นถนนจึงไดรับการ พัฒนาทัง้ วิธกี ารและวัสดุทใี่ ชกอ สรางมาอยางตอเนือ่ ง โดยมุงหมายใหเกิดความแข็งแรงสามารถรับน้ำหนัก บรรทุกจากยานพาหนะไดโดยไมเกิดความเสียหาย ดั ง นั้ น วั ส ดุ ที่ ใ ช จ ะต อ งสามารถรั บ น้ำ หนั ก หรื อ แรงกดไดสงู ซึง่ โดยทัว่ ไปประกอบดวยหินคลุกสำหรับ ชั้นพื้นทางและดินลูกรังสำหรับชั้นรองพื้นทางวัสดุ คัดเลือก และดินคันทาง ในบางพืน้ ทีไ่ มสามารถจัดหา วัสดุทมี่ คี ณ ุ ภาพได จึงใชสารผสมเพิม่ ผสมกับมวลดิน เพื่อใหมีคุณสมบัติทางวิศวกรรมตามวัตถุประสงค การใชงานเชน การใชเถาลอย ปูนขาวและซีเมนตใน การปรับปรุงคุณสมบัติเมื่อปริมาณของวัสดุปรับปรุง และอายุการบมเพิ่มมากขึ้นทำใหการกระจายตัวของ ดินลดลง [1] นอกจากนั้น ผลของปฏิกิริยาไฮเดรชั่น จะทำให เ กิ ด Ca(OH) 2 ซึ่ ง จะแตกตั ว เป น Ca 2+ ทำปฏิกริ ยิ ากับสารประกอบ CSH และ CAH จึงทำให คากำลังรับแรงอัดแกนเดียวมีคา เพิม่ ขึน้ ตามระยะเวลา การบมดวย [2] สวนการใชเถาลอยรวมกับซีเมนตนนั้ จะทำให ค า กำลั ง รั บ แรงเพิ่ ม ขึ้ น ได เ ช น เดี ย วกั น เนือ่ งจากการเพิม่ ขึน้ ของแร Silica ใหกบั ดินซึง่ จะทำให ปฏิกริ ยิ าขัน้ ที่ 2 (Secondary Reaction) ในดินซีเมนต เกิดขึน้ ไดอยางสมบูรณ [3] อีกทัง้ เถาลอยในดินซีเมนต ยังทำหนาที่เปนวัสดุกระจายตัวทำใหอนุภาคเม็ดดิน ซีเมนตที่มีขนาดใหญแตกตัวทำใหมีขนาดที่เล็กลง ส ง ผลให ซี เ มนต ทำปฏิ กิ ริ ย ากั บ น้ำ ได ดี ขึ้ น หรื อ อาจกล า วได ว า กำลั ง รั บ แรงของดิ น ซี เ มนต ผ สม เถาลอยนั้นจะแปรผันตามอิทธิพลรวมของปฏิกิริยา ไฮเดรชั่นจากปริมาณซีเมนตและการกระจายตัวของ ดินจากปริมาณเถาลอยในรูปของอัตราสวนแทนทีแ่ ละ ความละเอียดของเถาลอย [4]

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ดินขาวถูกนำไปใชประโยชนเพื่อเปนวัตถุดิบ ในภาคอุ ต สาหกรรมอย า งกว า งขวางได แ ก อุตสาหกรรมกระดาษ สีน้ำมัน เครื่องสำอาง และ เครื่ อ งป น ดิ น เผา แต ก ารนำไปใช ง านต อ งคั ด แยก เฉพาะสวนที่เปนอนุภาคเนื้อดินขาวแทๆ เทานั้น ซึ่ง จะมีปริมาณไมมากนัก ดังนัน้ ผลทีต่ ามมาคือของเหลือ ที่เกิดจากกระบวนการขัดแยกซึ่งเรียกวา กากดินขาว ที่มีปริมาณมากกวารอยละ 70 โดยน้ำหนัก สถาน ประกอบการจะกองเก็บกากดินขาวไวในที่โลงทำให เกิดการฟุงกระจาย เกิดเปนมลพิษทางอากาศตอ ชุมชนหรือพื้นที่ขางเคียง ในประเทศไทยมีแหลงดิน ขาวกระจายอยูทั่วประเทศ เชน เชียงราย ลำปาง อุตรดิตถ ปราจีนบุรี ระนอง ชุมพร และนราธิวาส โดย มีจำนวนเหมืองดินขาวเปดทำการทัว่ ประเทศรวม 64 เหมืองใหผลผลิตของเนือ้ ดินขาวถึง 420,164.9 ตัน [5] บทความฉบับนี้เสนอผลการศึกษาคุณสมบัติ ดานกำลังของกากดินขาวปรับปรุงคุณภาพดวยปูน ซีเมนตและเถาลอย เพื่อใชเปนแนวทางในการปรับ ปรุ ง วั ส ดุ ชั้ น ทางในการก อ สร า งถนน โดยเป น การ นำวัสดุเหลือใชมาทำใหเกิดประโยชนและชวยลด ปญหาดานสิ่งแวดลอม 2. ทบทวนวรรณกรรม 2.1. การใชประโยชนกากของเหลืออุตสาหกรรมใน งานธรณีเทคนิค ป จ จุ บั น ได มี ก ารศึ ก ษาวั ส ดุ ท ดแทนวั ส ดุ ธรรมชาติกนั อยางกวางขวางการนำกากอุตสาหกรรม (Industrial waste) ไปใชเปนวัสดุกอ สรางมีแนวโนมที่ จะเพิม่ มากขึน้ ทุกปเชน การใชเถาลอย (Fly Ash) หรือ ตะกรันจากการถลุงเหล็ก (Slag) เปนสารผสมเชื่อม ประสาน (Cement Admixture) การนำเอาคอนกรีต เกา (Demolition Waste) แทนมวลหยาบในคอนกรีต ใหม ห รื อ นำเอาไปใช เ ป น วั ส ดุ ชั้ น พื้ น ทางสำหรั บ

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

การกอสรางถนน เนือ่ งจากดานธรณีวศิ วกรรมเปนงาน ทีม่ ขี นาดใหญตอ งใชวสั ดุกอ สรางปริมาณมาก ดังนัน้ จึงตองศึกษาคุณสมบัติหลักของกากอุตสาหกรรม เหลานัน้ ใหดเี สียกอนนำไปใชโดยกากทิง้ อุตสาหกรรม นั้นตองไมเปนพิษ (Non-Hazardous, N) มีความ สามารถในการใช ง านได ดี (Improvability, I) คุณสมบัตขิ องวัสดุคอ นขางสม่ำเสมอ (Compatibility, C) และมีตนทุนต่ำเมื่อนำมาใชงาน (Economic, E) หรือเรียกวา “NICE Criteria” [6]

49

รอยละ 2.58 และ 8.00 สามารถปรับปรุงคุณสมบัติ ของเถาหนักเพื่อใชในการกอสรางชั้นรองพื้นทางได [7] นอกจากนัน้ สยาม ยิม้ ศิริ และคณะ(2552) ยังได ศึกษาการนำตะกรันเหล็กโมปรับปรุงคุณสมบัติดวย ปูนซีเมนตพบวาตะกรันเหล็กมีคา Crushing Strength ที่สูงและดูดซึมน้ำต่ำจึงทำใหลดการวิบัติของชั้นทาง ภายใตน้ำหนักลอที่มากและความชื้นที่สูง และทำให ความหนาของชัน้ พืน้ ทางนอยกวาการใชหนิ คลุก [8] 2.2. การพัฒนากำลังในดินปรับปรุงคุณสมบัติดวย ซีเมนตและเถาลอย ปูนซีเมนตจะทำหนาที่ผลิตสารเชื่อมประสาน จากปฏิกิริยาไฮเดรชั่น (Hydration Reaction) เมื่อ สัมผัสกับน้ำโดยเปนปฏิกริ ยิ าหลักในรูปของ CSH และ CAH (Calcium Silicates Hydrated and Calcium Aluminate Hydrated) 2C3S+6H2O 2C2S+4H2O

รูปที่ 1 แนวทางการพิจาณานำกากอุตสาหกรรม มาใชอยางมีศกั ยภาพ [6] กรกต โนภิระ (2554) ไดทำการศึกษาสมบัติ เชิงกลของเถาหนักแมเมาะที่ปรับปรุงดวยปูนซีเมนต เพื่อใชเปนวัสดุชั้นรองพื้นทางและชั้นพื้นทางทดแทน วั ส ดุ ม วลรวมธรรมชาติ พ บว า ที่ ป ริ ม าณปู น ซี เ มนต

J J

C3.S2.3H2O+3CH

(1)

C3.S2.3H2O+CH

(2)

ในขณะเดียวกันเถาลอยทีม่ คี ณ ุ สมบัตเิ ปนวัสดุปอซโซ ลานจะทำให เ กิ ด ปฏิ กิ ริ ย าแลกเปลี่ ย นประจุ ไ ฟฟ า (Cation Exchange) และปฏิ กิ ริ ย าปอซโซลานิ ค (Pozzolanic Reaction) ทั้งหมดทำใหเกิดเปนสาร เชือ่ มประสานยึดเหนีย่ วอนุภาคของเม็ดดินเขาดวยกัน นอกจากนั้นการผสมซีเมนตและเถาลอยเขาดวยกัน ยั ง ทำให เ กิ ด ผลิ ต ภั ณ ฑ ข อง Ca(OH) 2 (Calcium Hydroxide) ที่ไปทำปฏิกิริยาปอซโซลานิคกับ SiO2 และ Al2O3 เกิดเปนสารเชือ่ มประสานขึน้ อีกซึง่ อยใู นรูป ของ CSH และ CAH โดยปฏิกิริยาดังกลาวขางตน สามารถแสดงไว ดั ง สมการต อ ไปนี้ ป ระกอบด ว ย ปฏิกริ ยิ าการเกิด Ca(OH)2 ในปูนซีเมนต [9]

50

2(2CaO.SiO2)+4H2O 2(3CaO.SiO2)+6H2O 2(2CaO.Al2O3)+4H2O 2(3CaO.Al2O3)+6H2O

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

J J J J

3CaO.2SiO2.3H2O+ Ca(OH)2

(3)

CaO.2SiO2.3H2O+3Ca(OH)2

(4)

3CaO.2Al2O3.3H2O+Ca(OH)2

(5)

3CaO.2Al2O3.3H2O+3Ca(OH)2 (6)

ปฏิกริ ยิ าระหวางสารประกอบ Ca(OH)2 รวมกับเถาลอย 3Ca(OH)2 + 2SiO 2 3Ca(OH)2 + 2Al2O3

J J

3CaO.2SiO2.3H2O

(7)

3CaO.2 Al2O3.3H2O

(8)

สุดนิรนั ด เพชรรัตน (2550) ศึกษาพฤติกรรม กำลังรับแรงแบกทานของหินฝุนผสมปูนซีเมนตโดย การทดสอบ CBR พบวาแนวโนมการพัฒนากำลัง จะแปรผันตามปริมาณปูนซีเมนตและอายุการบมโดย เมื่อเพิ่มปริมาณปูนซีเมนตและอายุการบมจะทำให กำลังรับแรงแบกทานมีคาสูงขึ้น [10] อภิสิทธิ์ กล่ำ เหม็ง และอนิรทุ ธ ธงไชย (2548) ไดศกึ ษาพฤติกรรม การรับแรงอัดของดินแกรนิตปรับปรุงดวยเถาลอยผสม ปูนซีเมนตโดยพบวา การเพิม่ ขึน้ ของกำลังอัดหลังอายุ การบม 7 วันในกรณีที่ผสมดวยเถาลอยและซีเมนต จะคอนขางนอยเมื่อเทียบกับการผสมดวยปูนซีเมนต เพียงอยางเดียว และเมื่อบดอัดดวยคาความชื้นที่ ต่ำกวา OMC จะทำใหคา กำลังอัดลดลง ทัง้ นีค้ าดวา นาจะเปนผลมาจาก เกิดการแตกหักของเม็ดดินเนือ่ ง จากใชพลังงานในการบดอัดที่สูง [12] นอกจากนี้ สุรชัย โกเมนธรรมโสภณ และคณะ (2554) และ ประภาส วันทอง และคณะ (2554) ไดศกึ ษาการปรับ ปรุงคุณภาพดินเหนียวออนดวยเถาชานออยรวมกับ ปูนขาวและเถาแกลบรวมกับปูนขาว ตามลำดับพบวา คากำลังรับแรงอัดแกนเดียว (UCS) จะมีคาเพิ่มขึ้น ตามปริมาณของสารเชื่อมประสาน และคากำลังรับ แรงอัดแกนเดียวในชวง 0 – 7 วัน พัฒนาขึน้ อยางรวด เร็วและหลังจาก 7 วันแนวโนมการพัฒนาจะลดต่ำลง [12] และ [13] อนิรทุ ธ ธงไชย และอรุณเดช บุญสูง

(2553) ศึกษาคุณสมบัตดิ า นกำลังของชัน้ ดินเชียงใหม ที่ถูกปรับปรุงดวยซีเมนตและเถาลอยในการสรางเสา เข็มดินซีเมนต จากการทดสอบแรงอัดแกนเดียวพบวา การพัฒนากำลังเกิดขึน้ ไดอยางรวดเร็วในชวงแรกของ อายุการบม โดยความสัมพันธระหวางความเคนกับ ความเครี ย ด (Stress-Strain Relationship) ในตัวอยางที่มีปริมาณเถาลอยผสมอยูมากเปนแบบ ยืดหยนุ และเมือ่ ลดปริมารเถาลอยใหเหลือเพียง 10% ทีอ่ ายุการบมเทากันจะเปลีย่ นพฤติกรรมเปนแบบวัสดุ แข็งเปราะซึ่งภายหลังการวิบัติแรงเคนจะลดลงอยาง ดวยเร็ว 3. วิธีการดำเนินงาน กากดินขาวตัวอยางที่ใชในการศึกษาครั้งได เกิดจากกระบวนการคัดแยกเนือ้ ดินขาวของโรงแตงแร ในจังหวัดอุตรดิตถ คุณสมบัตติ า งๆ ของกากดินขาวได แสดงไวดงั ตารางที่ 1 โดยจากการทดสอบการกระจาย ตัวของเม็ดดินพบวากากดินขาวประกอบไปดวยสวนที่ เปนทราย 76.14 % ดินตะกอน 21.14 % และดินเหนียว 2.72% ปูนซีเมนตที่ใชในการศึกษาเปนปูนซีเมนต ปอรตแลนตประเภทที่ 1 และเถ า ลอยที่ ใ ช ไ ด จ าก โรงผลิ ต กระแสไฟฟ า แม เ มาะจั ง หวั ด ลำปาง องคประกอบทางเคมีของเถาลอยไดแสดงไวตารางที่ 2

รูปที่ 2 กากดินขาวทีอ่ อกมาจากกระบวนการคัดแยก

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

รูปที่ 3 กากดินขาวที่กองเก็บเพื่อรอการกำจัด

51

รูปที่ 4 ลักษณะการกระจายตัวของกากดินขาว

ตารางที่ 1 คุณสมบัติของกากดินขาว

ตารางที่ 2 องคประกอบทางเคมีของเถาลอย

รูปที่ 5 ลำดับขั้นตอนการดำเนินงาน การเตรียมตัวอยางจะนำกากดินขาวผสมดวย สารเชื่ อ มประสานระหว า งปู น ซี เ มนต แ ละเถ า ลอย (C:F) ในสัดสวนรอยละ 1 (C0:F1, C0.5:F0.5 และ C1:F0), รอยละ 2 (C0:F2, C1:F1 และ C2:F0) และ รอยละ 4 (C0:F4,C2:F2 และ C4:F0) โดยน้ำหนักของ

52

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ดินแหงโดยตัวเลขหลังอักษร C และ F หมายถึงคารอย ละในสวนผสมนัน้ (C0:F1 = Cement 0 % : Fly Ash 1% ) ปริมาณน้ำที่ใชผสมคือปริมาณน้ำที่เหมาะสม (OMC) จากการทดสอบบดอัดแบบสูงกวามาตรฐาน (Modified Compaction Test)

รูปที่ 7 การทดสอบกำลังรับแรงแบกทานทั้งแบบ แชน้ำและไมแชน้ำ 4. ผลการทดสอบ 4.1 การทดสอบกำลังรับแรงอัดแกนเดียว (UCS)

รูปที่ 6 การทดสอบกำลังรับแรงอัดแกนเดียว การทดสอบกำลั ง รั บ แรงอั ด แกนเดี ย ว (Unconfined Compressive Strength, UCS) จะทำ โดยอนุโลม (ทล-105/2517) โดยใชกอ นตัวอยางทีไ่ ด จากการบดอั ด ในแบบหล อ มาตรฐานขนาด ∅ 4″x 4.6″ การบมกอนตัวอยางใชฟล ม ถนอมอาหารหมุ แลวรอครบอายุการบม โดยจะทดสอบที่อายุการบม 3, 7, 14 และ 28 วัน โดยกอนตัวอยางจะถูกนำไป แชน้ำนาน 2 ชัว่ โมงกอนทดสอบจนกอนตัวอยางวิบตั ิ สวนการทดสอบกำลังรับแรงแบกทาน (California Bearing Ratio, CBR) จะทำทั้งในกรณีที่ไมแชน้ำ (Unsoaked) และแชน้ำ (Soaked)ทีอ่ ายุการบม 7 วัน ในทุกสวนผสม

รูปที่ 8 แสดงความสัมพันธระหวางคากำลังรับ แรงอัดแกนเดียวกับอายุการบมของกากดินขาวปรับ ปรุงคุณสมบัตดิ ว ยซีเมนตและเถาลอยในทุกสวนผสม โดยจะเห็นไดวาการพัฒนากำลังจะเพิ่มขึ้นอยางรวด เร็วในชวงแรกของอายุการบม (0-3วัน) ซึง่ คากำลังรับ แรงอัดที่มีซีเมนตเปนสารเชื่อมประสารเพียงอยาง เดียวทีร่ อ ยละ 1%, 2% และ 4% ทีอ่ ายุการบม 28 วัน มีคา เทากับ 9, 18.4 และ 28 kg/cm2 ตามลำดับ และ มีแนวโนมที่สามารถพัฒนากำลังรับแรงอัดไดเพิ่มขึ้น อีก ในกรณีที่ใชซีเมนตรวมกับเถาลอยเปนสารเชื่อม ประสานในสัดสวน (C0.5:F0.5, C1:F1 และ C2:F2) กำลังรับแรงอัดมีคา เทากับ 4.7, 11 และ 23.1 kg/cm2 โดยมีแนวโนมการพัฒนากำลังในรูปแบบที่คลายกับ กรณีแรก สวนการใชเถาลอยเปนสารเชื่อมประสาร เพียงอยางเดียว (C0:F1, C0:F2 และ C0:F4) จะให คากำลังรับแรงอัดที่คอนขางต่ำแมวาจะเพิ่มปริมาณ เถาลอยเปน 2 เทาโดยมีแนวโนมวาไมสามารถพัฒนา กำลังอัดใหสูงขึ้นกวานี้แมวาจะเพิ่มอายุการบม

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

รูปที่ 8 ความสัมพันธระหวางกำลังรับแรงอัดแกน เดียว (UCS) กับอายุการบมของกากดินขาวผสม ซีเมนตและเถาลอย จากผลการทดสอบนีอ้ าจกลาวไดวา เนือ่ งจาก เถาลอยเปนวัสดุ Pozzolan จึงไมอาจทำใหเกิดการ พัฒนากำลังไดสูงขึ้นดวยการเพิ่มปริมาณเถาลอย เพียงอยางเดียว ดังนั้นซีเมนตจึงเปนสวนประกอบที่ สำคัญของการปรับปรุงคุณสมบัติอันเปนผลมาจาก ปฏิกริ ยิ า Hydration ซึง่ จะเกิดขึน้ ไดอยางรวดเร็วและ มีอทิ ธิพลตอการพัฒนากำลังไดมากกวาการเพิม่ เพียง ปริมาณเถาลอย บมตางๆจะเกิดขึน้ ในระดับทีส่ งู กวา โดยสังเกตไดจากลักษณะความชันของเสนกราฟ ซึ่ง อาจกลาวไดวาการเพิ่มปริมาณซีเมนตมีอิทธิตอการ พัฒนากำลังไดมากกวาอายุการบม รูปที่ 9 แสดง ความสัมพันธระหวางการพัฒนากำลังรับแรงอัดแกน เดียวกับปริมาณซีเมนตทอี่ ายุการบมตางๆซึง่ แสดงให เห็นวาคากำลังรับแรงอัดจะมีคาเพิ่มขึ้นตามปริมาณ ซีเมนตและอายุการบม โดยอัตราการพัฒนากำลังที่ อายุการบม3, 7 และ 14 วัน มีคาเทากับ 51.8%, 83.1% และ 97.6% ตามลำดับ เมือ่ เทียบกับกำลังรับ แรงอัดที่อายุ 28 วัน สวนผลของการเพิ่มปริมาณ ซีเมนตทอี่ ายุการรูปที่ 10 และ 11 แสดงความสัมพันธ ระหวางการพัฒนากำลังรับแรงอัดกับปริมาณเถาลอย

53

และซีเมนตรว มกับเถาลอยโดยทัง้ 2 กรณีแสดงใหเห็น ถึงการพัฒนากำลังทีม่ รี ปู แบบคลายคลึงกันซึง่ คาดวา เป น อิ ท ธิ พ ลจากการเพิ่ ม ปริ ม าณของเถ า ลอยแต จะเกิดขึ้นไมมากในกรณีที่ใชเถาลอยเปนสารเชื่อม ประสานเพียงอยางเดียว โดยมีคากำลังรับแรงอัดอยู ในชวงเพียง 1 – 2 kg/cm2 ในขณะทีก่ ารใสซเี มนตรว ม กับเถาลอยทีร่ อ ยละของสารเชือ่ มประสานเทากับ 1%, 2% และ 4% ทำใหคา กำลังรับแรงอัดเพิม่ ขึน้ อยางเห็น ไดชัดที่ทุกอายุการบม

รูปที่ 9 การพัฒนากำลังรับแรงอัดแกนเดียวโดยใช ซีเมนตเปนสารเชื่อมประสานเพียงอยางเดียว

รูปที่ 10 การพัฒนากำลังรับแรงอัดแกนเดียวโดยใช เถาลอยเปนสารเชื่อมประสานเพียงอยางเดียว

54

รูปที่ 11 การพัฒนากำลังรับแรงอัดแกนเดียวโดยใช ซีเมนตรวมกับเถาลอยเปนสารเชื่อมประสาน

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

รูปที่ 12 กำลังรับแรงแบกทาน (CBR) ของกากดิน ขาวผสมซีเมนตและเถาลอยทีอ่ ตั ราสวนรอยละ 1

4.2 การทดสอบกำลังรับแรงแบกทาน (CBR) รูปที่ 12 ถึง 14 แสดงความสัมพันธระหวางคา กำลั ง รั บ แรงแบกทานของกากดิ น ขาวปรั บ ปรุ ง คุณสมบัติดวยซีเมนตรวมกับเถาลอยที่รอยละ 1, 2 และ 4 ตามลำดั บ การใช เ ถ า ลอยเป น สารเชื่ อ ม ประสานเพียงอยางเดียว (C0:F1, C0:F2 และ C0:F4 ) ทำใหกำลังรับแรงแบกทานเพิ่มขึ้นโดยมีคาเทากับ 3%, 4% และ12% ในกรณี soaked และ 5%, 47% และ 69% ในกรณี Unsoaked สวนการใชซเี มนตรว ม กับเถาลอย (C0.5:F0.5, C1:F1 และ C2:F2) ทำให คากำลังรับแรงแบกทานมีคา เพิม่ สูงขึน้ เนือ่ งจากการ เพิม่ ปริมาณเถาลอยในสวนผสมจะทำใหปริมาณของ สารเชือ่ มประสานเพิม่ และชวยเสริมปฏิกริ ยิ าทางเคมี ใหเกิดไดมากยิง่ ขึน้ จากปฏิกริ ยิ าขัน้ ที่ 2 (Secondary Reaction) โดยมีคา เทากับ 17%, 27% และ61% ใน กรณี soaked และ 19%, 35% และ 73% ในกรณี Unsoaked และการใชซีเมนตเปนสารเชื่อมประสาน เพียงอยางเดียวนัน้ ทำใหคา กำลังรับแรงแบกทานทีไ่ ด นั้นมีคาคอนขางสูงแมจะใชปริมาณเพียงรอยละ 1 โดยจะใหคา เทากับ 30, 69 และ 79 ในกรณี soaked และ 47, 83 และ 90 ในกรณี Unsoaked

รูปที่ 13 กำลังรับแรงแบกทาน (CBR) ของกากดิน ขาวผสมซีเมนตและเถาลอยทีอ่ ตั ราสวนรอยละ 2

รูปที่ 14 กำลังรับแรงแบกทาน (CBR) ของกากดิน ขาวผสมซีเมนตและเถาลอยรอยละ 4

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

ตารางที่ 3 การเปรียบเทียบคากำลังรับแรงแบกทาน

Δ = คารอยละการลดลงของกำลังรับแรงแบกทานจากการ ทดสอบ CBR ระหว า งก อ นตั ว อย า งกรณี soaked และ unsoaked

ขอมูลขางตนจะเห็นไดวาคากำลังรับแรงแบก ทานในกรณี Soaked จะให ค า ที่ ต่ำ กว า กรณี Unsoaked ทัง้ นีอ้ าจเนือ่ งจากผลิตภัณฑของปฏิกริ ยิ า ทางเคมี (Reaction Products) ในชวงแรกทำใหเกิด การกอตัวและจับตัวกันแนนของสารเชื่อมประสาน เมีอ่ มีน้ำจากภายน้ำมาทำปฏิกริ ยิ าเพิม่ จึงสงผลใหดนิ ซีเมนตเกิดการแตกราวจากการแพรกระจายของสาร เชื่อมประสานทำใหกำลังรับแรงมีคาลดลง โดยคา กำลั ง รั บ แรงแบกทานของกากดิ น ขาวปรั บ ปรุ ง คุ ณ สมบั ติ ด ว ยซี เ มนต แ ละเถ า ลอยทุ ก ส ว นผสม สามารถสรุ ป ได ดั ง แสดงในตารางที่ 3 จากการ พิจารณาคาหนวยน้ำหนักของกากดินขาวปรับปรุง คุ ณ สมบั ติ ด ว ยซี เ มนต แ ละเถ า ลอยที่ ทุ ก ส ว นผสม พบวาไมมีนัยตอการแปรเปลี่ยนของคาหนวยน้ำหนัก แหงสูงสุด โดยจะมีคาประมาณ 1,900 kg/m3 การ บวมตัวของตัวอยางทีแ่ ชน้ำเกิดขึน้ นอยมาก โดยอยใู น ชวงรอยละ 0.6 -3

55

5. วิเคราะหผลการทดสอบ ผลการทดสอบ UCS แสดงใหเห็นวาซีเมนต และเถาลอยสามารถปรับปรุงกำลังรับแรงอัดของกาก ดินขาวได โดยการพัฒนากำลังจะเกิดขึน้ อยางรวดเร็ว ในชวงแรกของอายุการบมและจะมีคาเพิ่มสูงขึ้นตาม ปริมาณสารเชือ่ มประสานและอายุการบม มาตรฐาน รองพื้นฐานดินซีเมนต (Soil Cement Subbase) ที่ ทล.ม. 206/2532 และพื้ น ทางดิ น ซี เ มนต (Soil Cement Base) ที่ ทล.ม. 204/2533 ไดกำหนดคา UCS เพือ่ ใชในการออกแบบชัน้ ทางดังกลาวขางตนไว เทากับ 7 kg/m2 และ 17.5 kg/m2 ตามลำดับ จาก ขอมูลดังแสดงในภาพที่ 8 พบวาคา UCS ผานเกณฑ มาตรฐาน ดังนั้นจึงมีความเปนไปไดที่จะนำกากดิน ขาวปรับปรุงคุณสมบัตซิ เี มนตและเถาลอยเปนวัสดุชนั้ ทาง สวนการทดสอบ CBR พบวาคากำลังรับแรงแบก ทานมีคาเพิ่มสูงขึ้นจากเดิมกอนการปรับปรุง ตาม ปริมาณสารเชื่อมประสานทั้งในกรณี Soaked และ Unsoaked 6. บทสรุป การวิเคราะหผลการศึกษากากดินขาวปรับ ปรุงคุณสมบัตดิ ว ยซีเมนตและเถาลอยสามารถสรุปได ดังตอไปนี้ (1) การพัฒนากำลังรับแรงอัดจากการทดสอบ UCS จะเกิดขึน้ ไดอยางรวดเร็วในชวงแรกของอายุการ บม และจะมีคา เพิม่ ขึน้ ตามปริมาณสารเชือ่ มประสาน และอายุการบม (2) ซีเมนตและเถาลอยสามารถปรับปรุงกำลัง รับแรงแบกทานจากการทดสอบ CBR ไดทั้งในกรณี Soaked และ Unsoaked โดยการทดสอบในกรณี Soaked จะใหคา ทีต่ ่ำกวากรณี Unsoaked (3) อัตราสวนที่เหมาะสมของการนำกากดิน ขาวปรับปรุงคุณสมบัตดิ ว ยซีเมนตและเถาลอยเพือ่ ใช

56

เปนชั้นรองพื้นทางดินซีเมนต (ทล-ม. 206/2532) ประกอบดวย C1:F0, C1:F1 และชัน้ พืน้ ทางดินซีเมนต (ทล-ม. 204/2532) ประกอบดวย C2:F0, C2:F2 และ C4:F0 7. กิตติกรรมประกาศ งานวิจัยนี้ไดรับการสนับสนุนจากทุนอุดหนุนการวิจัย ของ คณะเทคโนโลยี อุ ต สาหกรรม มหาวิ ท ยาลั ย ราชภัฏอุตรดิตถ 8. เอกสารอางอิง [1]

ok a E. Use of Class C Fly Ashes for the Stabilizationof an Expansive Soil. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering. 2001; 127(7): 568-573.

[2] Lambe TW, Michells AS, Moh ZC. Improvement of Soil-Cement with Alkali Metal Compounds. Highway Research Board Bull. 1959; 241: 67-103.

[3] Kumpala A, Katkan W, Horpibulsuk S. Unconfined compressive strength of silty clay stabilized by cement and rice husk ash. Proceeding of the 12th National Convention on civil Engineering; 2007 May 2-4; Phitsanulok. Naresuan University; 2007. GTE p.176-182. (In Thai) [4] Raksachon Y, Horpibulsuk S. Fly ash-A dispersing Material in Cement Stabilized Clay. Proceeding of The 14th National Convention on Civil Engineering; 2009 May 13-15; Nakhonratchasima. Suranaree University of Technology; 2009. GTE p.251256. (In Thai)

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

[5] Rapjaturpuch L. Kaolin. Tripod Home.

(Cited 1998 Dec); Availablefrom: http:// cpairat.tripod.com/kaolin [6] Nontananandh S. Environmental Geotechnology for Potential Waste Utilization. (Cited 1995). Availablefrom: http://www.thaiengineering.com [7] Nopira K. Mechanical Proprety Improvement of Mae Moh Bottom Ash for Road Base.

Proceeding of The 16th. National Convention on Civil Engineering; 2011 May 18–20; Chonburi. Mahidol University; 2011.

MAT 021. p.1-11. (In Thai) [8] Yimsiri S, Uthairuang K, Phasue N. Utilization of Steel Slag for Road Bed Construction. Proceeding of The 14th National Convention on Civil Engineering; 2009 May 13-15; Nakhonratchasima.

Suranaree University of Technology; 2009.

MAT p.267-272. (In Thai) [9] Housman MR. Engineering Principles of Ground Modification. Sydney: McGraw – Hill Publ. Co; 1990.

[10] Phetcharat S. Shearing Resistance of Dust Stone Mixed Cement by CBR Method.

Proceeding of The 12th National Convention on Civil Engineering; 2007 May 2-4; Phitsanulok. Naresuan University; 2007.

MAT p.35-40. (In Thai)

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

[11] Grammeng A, Thongchai A. Compressive strength behaviors of cement-fly ash stabilized granitic soil. Proceeding of The 10th National Convention on Civil Engineering; 2005 May 2-4; Chonburi. King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang; 2005. GTE p.1-6. (In Thai) [12] Gomentamsopon S, Wanthong P, Kanta A, Hemmoon P. Soft Clay Improvement Using Bagasse Ash and Hydrated Lime.

Proceeding of The 16th National Convention on Civil Engineering; 2011 May 18 – 20; Chonburi. Mahidol University; 2011. GTE 063 p.1-9. (In Thai)

57

[13] Wanthong P, Sangdet N, Srigarwin W, Chantawan E. Clay Improvement using Rice Husk and Hydrate Lime. Proceeding of The 16th National Convention on Civil Engineering; 2011 May 18-20; Chonburi.

Mahidol University; 2011. GTE 064 p.1-9 (In Thai) [14] Thongchai A, Boonsung A. Strength Properties of Soil –Cement – Fly Ash for Deep Mixing Stabilization in Chiang Mai Subsoil. Journal of Industrial Technology.

2010; 4(2): 19-27. (In Thai)

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1): 59-67

บทความวิจัย

KKU Engineering Journal http://www.en.kku.ac.th/enjournal/th/

ผลกระทบของพารามิเตอรการเชือ่ มตอมุมเงยสำหรับกระบวนการเชือ่ มวงจรอิเล็กทรอนิกส Effect of welding parameter on pitch angle for electronic circuit process ธนพงศ ปญจิต* กนตธร ชำนิประศาสน และ กีรติ สุลกั ษณ Thanapong Punchit*, Kontorn Chamniprasart and Keerati Sulaksna สาขาวิชาวิศวกรรมเครือ่ งกล มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสรุ นารี จังหวัดนครราชสีมา 30000 Received November 2011 Accepted January 2012

บทคัดยอ การเชือ่ มมีความสำคัญตอการประกอบวงจรอิเล็กทรอนิกส กระบวนการดังกลาวมีพารามิเตอรหลายตัวทีต่ อ งควบ คุมเพือ่ ใหการเชือ่ มมีคณ ุ ภาพ ไดแก กำลังไฟฟา เวลาของการเชือ่ ม อัตราการปอนกาซเฉือ่ ย แรงกดของหัวเชือ่ ม และตำแหนงของการเชือ่ ม การศึกษาคุณลักษณะและผลกระทบของพารามิเตอรแตละตัวจึงมีความสำคัญตอการ ปรับปรุงคุณภาพงานเชื่อม งานวิจัยนี้ศึกษาผลกระทบของพารามิเตอรดังกลาวที่มีตอมุมเงยตัวของชิ้นงานหลัง เชื่อม วิธีบ็อกซ-เบหนเคนถูกนำมาใชออกแบบการทดสอบ พารามิเตอรของเครื่องเชื่อมถูกแปรคาการทดสอบ บนชวงที่การเชื่อมเกิดขึ้นได ขอมูลการทดสอบถูกนำไปวิเคราะหทางสถิติโดยใหความสนใจความแปรปรวนเปน หลัก จากนัน้ นำไปสรางความสัมพันธระหวางมุมเงยตัวและพารามิเตอรการเชือ่ ม แบบจำลองทีไ่ ดบง ชีถ้ งึ ผลกระทบ ของแตละปจจัยที่มีตอมุมเงยตัวซึ่งนำไปสูการปรับใชในกระบวนการเชื่อมได คำสำคัญ : การเชือ่ ม การออกแบบการทดลอง มุมเงย สมการความสัมพันธ วิธบี อ็ กซ-เบหนเคน Abstract Laser welding process plays important role in assembling the small component. In the process, there are many parameters that must be controlled in order to yield the good welding quality such as current power, welding time, inert gas feed rate, pressing force, and welding position. An understanding in the characteristics of those parameters makes the engineers to improve the quality of welding. This research studies the effects of those influent parameters to the pitch angle of the welding joints. The Box-Behnken method is investigated for design the experiment. The parameters for controlling the machine are varied within the available range of the welding. The experimental data is taken into account for analyzing *Corresponding author. Tel.: 044-224-410-1

60

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

statistically and the variation of the data is of interest. The experimental data is then taken into account for formulating the correlations between the pitch angle and those welding parameters. The correlations can be used to predict the effect of each parameter to the pitch angle and leading to apply in the welding process.

Keywords : Welding, Design of experiment, Pitch angle, Correlation equation, Box-Behnken method 1. บทนำ การเชือ่ มเปนกระบวนการประสานเนือ้ วัสดุให เขากัน ซึ่งปจจุบันมีหลายประเภทและใชงานอยาง แพรหลายในอุตสาหกรรมตางๆ สำหรับอุตสาหกรรม ผลิตชิ้นสวนอิเล็กทรอนิกส ซึ่งประกอบดวยชิ้นสวน ขนาดเล็กและตองการความเทีย่ งตรงสูงในการประกอบ การเชื่อมจึงมักถูกนำมาประยุกตใชในกระบวนการ ผลิต ขอดีคือ มีความแมนยำในการเชื่อมสูง แตดวย ความทีช่ นิ้ สวนทีเ่ ชือ่ มมีขนาดเล็ก ผลกระทบจากการ เชื่ อ มมั ก ทำให เ กิ ด การโก ง ของชิ้ น งานที่ เ รี ย กว า การเงยตัวขึ้น โดยเฉพาะอยางยิ่ง การเชื่อมวงจร อิเล็กทรอนิกส ซึ่งในปจจุบันพบวาความผิดพลาด ที่เกิดขึ้นเกิดจากกระบวนการเชื่อมเพื่อประกอบวงจร กั บ แผ น โลหะ ดั ง นั้ น การศึ ก ษาคุ ณ ลั ก ษณะและ ผลกระทบของพารามิเตอรตางๆ ของกระบวนการ เชื่อมจึงมีความสำคัญตอการปรับปรุงคุณภาพงาน เชือ่ ม โดยอาศัยหลักการการออกแบบการทดลอง และ การวิเคราะหขอ มูลทางสถิติ เพือ่ ศึกษาพฤติกรรมและ จำลองผลกระทบของพารามิเตอรการเชื่อมใหอยูใน รูปแบบสมการความสัมพันธ ซึง่ จะแสดงใหเห็นถึงการ เปลีย่ นแปลงคาพารามิเตอรตา งๆ ในรูปแบบสมการ 2. ทฤษฎีที่เกี่ยวของ 2.1. การออกแบบการทดลอง การออกแบบการทดลอง หมายถึงการวางแผน การทดลองเพือ่ ใหไดมาซึง่ ขอมูลทีเ่ หมาะสม สามารถ นำไปใชวิเคราะหทางสถิติหาขอสรุปที่สมเหตุผลได

การออกแบบการทดลองเปนสิ่งจำเปนหากตองการ หาขอสรุปที่มีความหมายจากขอมูลที่มีอยู ยิ่งถาเปน ปญหาที่เกี่ยวของกับความผิดพลาดในการทดลอง ดวยแลว วิธกี ารทางสถิตเิ ปนวิธเี ดียวทีส่ ามารถนำมา ใช ใ นการวิ เ คราะห ผ ลการทดลองนั้ น ได ดั ง นั้ น สิง่ สำคัญ 2 ประการสำหรับการทดลองคือ การออกแบบ การทดลอง และการวิเคราะหขอ มูลเชิงสถิติ ทัง้ สองนี้ เกี่ยวของและสืบเนื่องตอกันอยางมาก ทั้ ง นี้ เ พราะ การวิเคราะหเชิงสถิตทิ เี่ หมาะสมนัน้ ขึน้ กับการออกแบบ การทดลองทีน่ ำมาใช [7] 2.2. แนวทางการออกแบบการทดลอง แนวทางการออกแบบการทดลองมีขั้นตอน ดังนี้ [1] (1) ทำความเขาใจปญหา วัตถุประสงคของ การทดลอง สืบหาขอมูลที่เกี่ยวของ (2) เลือกปจจัย ระดับ และขอบเขต เพือ่ นำมาใชแปรคาในการทดลอง กำหนดขอบเขตการแปรคาของปจจัย และกำหนด ระดั บ ที่ จ ะเกิ ด ขึ้ น ในการทดลอง (3) เลื อ กป จ จั ย ตอบสนองที่จะใหขอมูลเกี่ยวกับกระบวนการที่กำลัง ศึ ก ษาอยู (4) เลื อ กการออกแบบการทดลอง ซึ่ ง จะเกีย่ วของกับจำนวนการทดลอง ลำดับการทดลองที่ ใชเก็บขอมูล และการตัดสินใจวาควรใชวธิ บี ล็อกหรือ การสุมอยางใดอยางหนึ่งหรือไม (5) ทำการทดลอง ติดตามดูกระบวนการทำงานอยางระมัดระวังจนแนใจ ว า ทุ ก อย า งเป น ไปตามแผน (6) วิ เ คราะห ข อ มู ล เชิงสถิติ เพือ่ หาผลลัพธและขอสรุปทีเ่ กิดขึน้ วาเปนไป ตามวัตถุประสงคของการทดลองหรือไม มีเหตุผล สนับสนุนและมีความนาเชือ่ ถือหรือไม และ (7) สรุป

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

ผลโดยนำเอาวิ ธี ก ารทางกราฟมาช ว ย นอกจากนี้ ควรทำการทดลอง เพื่ อ ยื น ยั น ผลและตรวจสอบ ความถูกตองของขอสรุป 2.3. แนวทางการออกแบบการทดลอง สถิตเิ ปนศาสตรทเี่ กีย่ วของกับการเก็บรวบรวม นำเสนอ และวิเคราะหขอมูลอยางเปนระบบ เปน เครือ่ งมือชวยอธิบายลักษณะของขอมูลประมาณคาที่ แทจริงของระบบ [3] จัดแบงได 2 กลมุ หลัก ดังนี้ (1) คาแนวโนมสศู นู ยกลางของขอมูล (Central tendency) ใชหาคากลางของขอมูล คานีเ้ กีย่ วของกับ คาสถิติ 3 คาไดแก (1) คาเฉลี่ย (Mean) ถูกใชเพื่อ นำไปใช ห าค า เบี่ ย งเบนมาตรฐาน (Standard deviation: S) ของขอมูล (2) คามัธยฐาน (Median) คือคาในตำแหนงกลางของขอมูล ถูกใชเมื่อขอมูลมี ความเบมาก และ (3) คาฐานนิยม (Mode) เปนคา ความถีส่ งู สุดในขอมูลชุดนัน้ ซึง่ คาเหลานีจ้ ะตองมีการ วิเคราะหกอ นวาขอมูลมีความเบีย่ งเบนโดยธรรมชาติ หรือไมเพราะจะมีผลตอคาแนวโนมสูศูนยกลาง (2) คาการกระจาย (Dispersion) หรือคาการ เปลี่ยนแปลงในระบบ สามารถวัดไดดวยคาทางสถิติ หลายคาดวยกัน เชน คาพิสยั (Range) คาความเบีย่ ง เบนมาตรฐาน คาความแปรปรวน (Variance: S2) เปนตน ค า สถิ ติ ทั้ ง 2 กลุมจะเปนสวนหนึ่งของการ ทดสอบเพื่อหาขอสรุปทางสถิติเกี่ยวกับคาเฉลี่ยของ ระบบในกรณีศกึ ษาเปรียบเทียบกลมุ ตัวอยางมากกวา สองกลุมขึ้นไป ซึ่งเรียกวาการวิเคราะหความแปร ปรวน (Analysis of Variance: ANOVA) เปนวิธหี ลัก ที่ใชในการวิเคราะหขอมูลที่ไดจากการออกแบบการ ทดลอง 2.4. แนวทางการออกแบบการทดลอง การออกแบบการทดลองมีหลายวิธี โดยราย ละเอียดของการออกแบบการทดลองในการศึกษา

61

ปจจัยที่ 3 ระดับ มีดังนี้ (1) 3k-p factorial ใชศึกษา ป จ จั ย เชิ ง คุ ณ ภาพและเชิ ง ปริ ม าณ โดยสามารถ ประมาณคาผลกระทบเชิงเสน (Linear Effects) และ ผลกระทบกำลังสอง (Quadratic Effects) ไดทงั้ หมด แตไมเหมาะสมในการศึกษาปจจัยเชิงปริมาณทัง้ หมด (2) 3k full factorial ใชศึกษาปจจัยเชิงคุณภาพและ เชิงปริมาณ ประมาณคาผลกระทบเชิงเสน ผลกระทบ กำลังสอง และผลกระทบรวมไดทุกกรณีที่เปนไปได แต ต อ งใช ง บประมาณมาก เนื่ อ งจากจำนวนการ ทดลองสูงกวาแผนอืน่ ๆ โดยหากพิจารณาที่ 5 ตัวแปร จะตองทำการทดลองจำนวน 243 การทดลอง (3) Central Composite Designs (CCD) เหมาะสำหรับศึกษา ปจจัยเชิงปริมาณ แตถา มีปจ จัยเชิงคุณภาพ 1 ปจจัย ก็ยังคงใชวิธีนี้ได ซึ่งประมาณคาผลกระทบเชิงเสนได ทุกคา และเลือกศึกษาผลกระทบกำลังสอง เลือก ศึกษาผลกระทบรวม 2 ปจจัยได ซึง่ หากพิจารณาที่ 5 ตัวแปร จะทำการทดลองจำนวน 20 การทดลอง แต ในการทดลองจำเปนตองมีการปรับคาพารามิเตอรให เข า กั บ รู ป แบบการทดลองซึ่ ง อาจอยู น อกช ว ง การทดลอง จึงไมยดื หยนุ สำหรับใชในทางปฏิบตั จิ ริง (4) Box-Behnken ใชศึกษาปจจัยเชิงปริมาณ และ อาจจะใชศึกษาปจจัยเชิงคุณภาพไดในบางกรณีขึ้น กั บ จำนวนป จ จั ย สามารถประมาณค า ผลกระทบ เชิงเสน ผลกระทบกำลังสอง และผลกระทบรวมของ 2 ปจจัยไดทุกคา หากพิจารณาที่ 5 ตัวแปร จะตอง ทำการทดลองจำนวน 46 การทดลอง จากทีก่ ลาวมา จะเห็ น ว า แบบการทดลองต า งๆ มี ข อ ดี ข อ เสี ย ที่ แตกตางกัน จึงควรเลือกการออกแบบการทดลองที่ เหมาะสมกับงาน Box-Behnken (1960) ไดนำเสนอการออก แบบการทดลองแบบ 3 ระดับเพื่อศึกษาตัวแปรเชิง ปริมาณ การทดลองแบบ Box-Behnken เปนการ ทดลองทีม่ ปี ระสิทธิภาพและนิยมใชมากในกรณีศกึ ษา ป จ จั ย ที่ 3 ระดับ โดยเฉพาะกรณีที่ตองการสราง สมการความสัมพันธเมื่อปจจัยเปนปจจัยเชิงปริมาณ

62

วิธี Box–Behnken จะใชหลักการของ 22 แฟคทอเรียล เต็มรูปผนวกกับจุดกึ่งกลางรวมเขาไป งานวิจัยนี้จึง เลื อ กวิ ธี Box-Behnken เพราะเหมาะสมภายใต เงื่อนไขที่มีอยูคือจำนวนชิ้นทดสอบ อีกทั้งเปนแบบ การทดสอบที่ นิ ย มใช ใ นภาคอุ ต สาหกรรม เช น การหาสภาวะที่เหมาะสมของเงื่อนไขการเชื่อมแบบ แม็กเอ็ม โดยใชเทคนิคการออกแบบการทดลอง [4] และการหาพารามิเตอรทเี่ หมาะสมทีส่ ดุ ของการเชือ่ ม แบบลวดเชือ่ มแกนฟลักซ สำหรับเหล็กเอสที 37 [6] 3. ระเบียบวิธีวิจัย 3.1. การเลือกปจจัย ระดับ ขอบเขต และตัวแปร ตอบสนอง ในงานวิ จั ย นี้ ศึ ก ษากระบวนการเชื่ อ ม วงจรอิ เ ล็ ก ทรอนิ ก ส ซึ่ ง มี พ ารามิ เ ตอร ผ ลกระทบที่ เกีย่ วของดังแสดงในรูปที่ 1

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ศึ ก ษา 5 ตั ว คื อ กำลั ง ไฟฟ า เวลาของการเชื่ อ ม อัตราการปอนกาซเฉื่อย แรงกดของหัวเชื่อม และ ตำแหนงของการเชือ่ ม โดยพารามิเตอรการเชือ่ มทัง้ 5 พารามิเตอร สามารถปรับคาไดจากซอฟตแวรของ เครือ่ งเชือ่ ม สำหรับคุณภาพของงานเชือ่ มในขัน้ แรก จะพิจารณาความสมบูรณของรอยเชื่อม วาเกิดการ ไหมบริเวณรอยเชื่อมหรือไม หรือรอยเชื่อมไมตอกัน ระหว า งวงจรที่ เ ชื่ อ ม จากนั้ น จึ ง นำไปตรวจวั ด ค า มุมเงย ซึ่งจะเลือกคานี้เปนตัวแปรตอบสนองที่จะนำ มาหาความสัมพันธของพารามิเตอรตอ ไป และในการ กำหนดระดับของพารามิเตอรเพื่อนำมาเปลี่ยนแปลง คาในระหวางทำการทดสอบนั้นเลือกที่ 3 ระดับ คือ ระดับต่ำ (-1) ระดับกลาง (0) และระดับสูง (+1) เนื่องจากตองการศึกษาพารามิเตอรอยางละเอียด โดยคาระดับต่ำคือ คาต่ำสุดของพารามิเตอรทตี่ อ งการ ศึกษา คาระดับกลางคือ คากลางระหวางคาต่ำที่สุด และมากทีส่ ดุ ทีจ่ ะศึกษา และคาระดับสูงคือ คาสูงสุด ของพารามิ เ ตอร ที่ ต อ งการศึ ก ษา ซึ่ ง ระดั บ เหล า นี้ ถูกเลือกมาจากการปรับคาจากซอฟตแวรที่สามารถ ปรั บ ค า ได กล า วคื อ อยู ใ นช ว งที่ ก ารเชื่ อ มสามารถ เกิดขึ้นได โดยไมคำนึงถึงผลกระทบของกระบวนการ ดังแสดงในตารางที่ 1 ตารางที่ 1 ปจจัย ระดับและขอบเขตของปจจัย

รูปที่ 1 พารามิเตอรทมี่ ผี ลกระทบตอกระบวนการเชือ่ ม การศึกษาพารามิเตอรในครั้งนี้มีการคัดกรอง โดยอาศั ย หลั ก ความเป น ไปได ใ นการทดสอบและ คำแนะนำจากผเู ชีย่ วชาญ ไดพารามิเตอรทจี่ ะทำการ

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

63

3.2 การเลือกการออกแบบการทดลอง

3.3 การทดสอบ

งานวิจัยนี้ใชการออกแบบการทดลองแบบ Box-Behnken เพือ่ ศึกษาผลกระทบของปจจัยทีม่ ตี อ การเงยตัวของวงจรอิเล็กทรอนิกสหลังเชือ่ ม และสราง แบบจำลองความสัมพันธระหวางมุมเงยตัวกับพารา มิเตอรการเชื่อมดวยวิธี Box-Behnken ที่ไดกำหนด ระดับของปจจัยไวที่ 3 ระดับ คือ ระดับต่ำ ระดับกลาง และระดับสูง ปจจัยที่ใชในการศึกษามี 5 ปจจัย ดัง แสดงในตารางที่ 1 รูปแบบการทดสอบถูกสรางขึน้ โดย โปรแกรม Minitab ซึง่ เปนโปรแกรมดานการวิเคราะห ทางสถิติที่ใชกันอยางแพรหลายในภาคอุตสาหกรรม จึงไดรปู แบบการทดสอบทัง้ หมด 46 ชุด โดยแตละชุด มีการทำซ้ำ 4 ครัง้ เพือ่ ประมาณคาความผิดพลาดและ ประเมินผลทีเ่ กิดจากปจจัยหนึง่ ในการทดสอบ ดังนัน้ จึงมีจำนวนการทดสอบทั้งสิ้น 184 การทดสอบดัง ตัวอยางแสดงในตารางที่ 2 โดยใชคาระดับในแตละ ปจจัย ในตารางที่ 1 แทนตัวเลข –1, 0, +1 เพือ่ ใชสราง รูปแบบการทดสอบ โดยขัน้ ตอนการทดสอบจะอางอิง ตามคอลัมน Run Order ซึง่ เปนลำดับการทดสอบที่

การทดสอบดำเนินตามแผนการทดลองของ Box-Benken ซึ่งมีรูปแบบและระดับการทดสอบดัง ตารางที่ 2 และลักษณะงานเชือ่ มแสดงดังรูปที่ 2 โดย ขั้นตอนการเชื่อมจะเริ่มจากหัวเชื่อมเคลื่อนที่ไปยัง ตำแหนงของการเชือ่ มทีเ่ ซ็ตไว โดยตำแหนงนีว้ ดั เทียบ กับแนวกึ่งกลางแผนโลหะ ซึ่งมีคาบวกเมื่อวัดไปทาง ขวาและเปนลบเมื่อวัดไปทางซาย จากนั้นหัวเชื่อม จะกดลงไปยั ง แผ นโลหะที่ว างตัว อยู บนบอร ด ดว ย ขนาดแรงกดที่กำหนดไว กำลังไฟฟาหนวยมิลลิวัตต ถูกปลอยจากแหลงจายสงผานเขาสหู วั เชือ่ มชึง่ ทำจาก ทังสเตนคารไบน ความตานทานไฟฟาในเนือ้ วัสดุของ หัวเชื่อมจะทำใหเกิดความรอนขึ้นเมื่อกระแสไฟฟา ไหลผาน โดยสวนปลายหัวเชื่อมจะเกิดความรอนสูง สุ ด เพราะมี พื้ น ที่ ห น า ตั ด เล็ ก สุ ด กำลั ง ไฟฟ า จะถู ก ปลอยดวยชวงเวลาที่กำหนดดวยขนาดมิลลิวินาที ความรอนกอใหเกิดการหลอมแผนโลหะเชื่อมติดกับ วงจรของบอรด แกสเฉื่อยซึ่งในที่นี้ใชไนโตรเจนถูกใช เพือ่ คลุมบริเวณเชือ่ มปองกันมิใหออกซิเจนและความ ชืน้ ในอากาศเขาไปรวมตัวกับรอยเชือ่ ม ซึง่ พารามิเตอร ที่เกี่ยวของกับกระบวนการขางตนถูกเซ็ตจากเครื่อง เชื่อมและการทำงานเปนไปอยางอัตโนมัติ หลังการ เชือ่ มเสร็จแผนโลหะจะเกิดการโกงตัวขึน้ ดวยขนาดมุม ทีเ่ รียกวามุมเงย ซึง่ เปนสิง่ ทีไ่ มตอ งการใหเกิดและตอง มีการปรับปรุงเพื่อใหไดผลิตภัณฑที่มีคุณภาพ

ตารางที่ 2 รูปแบบการทดลองแบบ Box-Behnken ที่ ไดจากโปรแกรม Minitab

64

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

กระจายแบบแจกแจงปกติ การตรวจสอบความเปน อิสระของขอมูล และการตรวจสอบเสถียรภาพความ แปรปรวน ดังนี้

รูปที่ 2 กระบวนการเชื่อมแผนชิป 4. ผลการทดสอบ ผลการทดสอบถู ก นำไปประมวลผลด ว ย โปรแกรม MINITAB เพือ่ วิเคราะหความแปรปรวนและ ผลกระทบของพารามิเตอรที่มีตอกระบวนการเชื่อม โดยในที่นี้กำหนดตัวแปรตางๆ แทนพารามิเตอรการ เชือ่ มดังนี้ A แทนกำลังไฟฟา (mW) B แทนเวลาของ การเชือ่ ม (ms) C แทนอัตราการปอนกาซเฉือ่ ย (kg/ h) D แทนแรงกดของหัวเชื่อม (mN) และ E แทน ตำแหนงของการเชื่อม (mm) ผลวิเคราะหแสดงใน ตารางที่ 3 โดยแบงเปน 4 สวนคือ การตรวจสอบขอมูล ผลการทดสอบ การวิเคราะหคา สัมประสิทธิก์ ารตัดสิน ใจ การสรางสมการความสัมพันธระหวางมุมเงยกับ พารามิเตอรการเชือ่ ม และการทดสอบความเหมาะสม ของสมการ

รูปที่ 3 ฮีสโตแกรมแสดงกระจายของขอมูล การตรวจสอบความเปนอิสระของขอมูล โดย ใชแผนภูมิการกระจายสังเกตลักษณะการกระจาย ของจุดที่แทนขอมูลบนแผนภูมิ วาเปนรูปแบบอิสระ หรื อ ไม จากรู ป ที่ 4 ส ว นตกค า ง (Residual) คื อ คาประมาณความคาดเคลื่อนที่ขอมูลเบี่ยงเบนไป จากสมการความสั ม พั น ธ และลำดั บ ของข อ มู ล (Observation Order) จะเห็นไดวาผลการทดสอบ มีการกระจายอยางสม่ำเสมอรอบแกนอางอิงศูนย ไมเอนเอียงไปสวนใดสวนหนึง่ แสดงวาขอมูลมีความ เปนอิสระ

4.1 การตรวจสอบขอมูลผลการทดสอบ ขั้นตอนนี้เปนกระบวนการทางสถิติที่อาศัย การนำกราฟเข า มาช ว ยวิ เ คราะห ข อ มู ล โดยนิ ย ม ทำการตรวจสอบ 3 สวน ไดแก การตรวจสอบการ

รูปที่ 4 ความสัมพันธของสวนตกคางกับลำดับของ ขอมูล

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

การตรวจสอบเสถียรภาพความแปรปรวน โดย ใชแผนภูมิการกระจายคาความคาดเคลื่อน จากรูปที่ 5 พบวาสวนตกคางของผลการทดลองมีการกระจาย รอบแกนอางอิงศูนยในบางขอมูล แตยงั มีอกี หลายชุด ขอมูลที่มีการกระจายรอบแกนอางอิงที่ไมคงที่ อัน เนือ่ งมาจากสาเหตุผลลัพธของคามุมเงยในแตละครัง้ ทีไ่ ดจากการทดสอบในกระบวนการทำซ้ำ มีความแตก ตางกันมากเกินไป จึงกอใหเกิดความแปรปรวนที่ ไมคงที่

65

ในทางปฏิบตั คิ า R จะมีความไวในการเปลีย่ น แปลง กลาวคือ เมือ่ จำนวนตัวแปรอิสระในสมการเพิม่ ขึน้ คา R จะเกิดการเปลีย่ นแปลงตามไปดวย ดังนัน้ 2 จึงใชคา R ทีท่ ำการปรับคาแลว ( Radj ) แทน

R 2 adj = 1 −

MSE MST

(2)

เมื่อ MST =

SST n −1

(3)

เมื่อ MSE เปนคาเฉลี่ยความเบี่ยงเบนกำลังสองที่ สมการอธิบายไมได และ MST เปนคาเฉลีย่ ความเบีย่ ง เบนกำลังสองทั้งหมด

รู ป ที่ 5 ความสั ม พั น ธ ข องส ว นตกค า งกั บ ค า ที่ ถูกทำนาย

ซึ่งคานี้ใชอธิบายเปอรเซ็นตการเปลี่ยนแปลง ของมุมเงย ที่สามารถอธิบายไดดวยตัวแปรอิสระใน สมการเชนกัน เมือ่ พิจารณา R จากผลการทดสอบใน ตารางที่ 3 พบวามีคา เทากับ 72.0% และ มีคา เทากับ 68.56% จึงเปนคาสัมประสิทธิก์ ารตัดสินใจทีน่ า พอใจ ในระดับหนึ่ง

4.2 การวิเคราะหคาสัมประสิทธิ์การตัดสินใจ

4.3 แบบจำลองความสัมพันธระหวางมุมเงยและ พารามิเตอรการเชื่อม

ค า สั ม ประสิ ท ธิ์ ก ารตั ด สิ น ใจ (R2) เกิดจาก อัตราสวนระหวางคา SSRegr และคา SST ดังนัน้ R จึง เปนตัวระบุเปอรเซ็นตการเปลี่ยนแปลงของมุมเงย ที่ สามารถอธิบายไดดวยสมการที่ประมาณขึ้น R2 =

SSRe gs SST

= 1−

SS E SST

(1)

เมือ่ SSRegr เปนผลรวมของกำลังสองของคาเบีย่ งเบน ทีส่ มการอธิบายได SSE เปนผลรวมของกำลังสองของ คาเบี่ยงเบนที่สมการอธิบายไมได SST เปนผลรวม ระหวาง SSRegr กับ SSE

คาสัมประสิทธิ์ของพารามิเตอรที่วิเคราะหได ทางสถิติ ไดถูกนำมาสรางสมการเพื่ออธิบายความ สัมพันธระหวางมุมเงย () และพารามิเตอรการเชือ่ มได ดังสมการที่ 4 ซึ่งสมการประกอบไปดวยสวนของ ผลกระทบหลัก สวนของผลกระทบรวม และสวนของ ผลกระทบกำลังสอง

66

จากสมการจะเห็นวาพารามิเตอรเวลาของการ เชื่ อ ม (B) มี ผ ลกระทบต อ มุ ม เงยมากที่ สุ ด ส ว น พารามิเตอรกำลังไฟฟา (A) อัตราการปอนกาซเฉือ่ ย (C) แรงกดของหัวเชื่อม (D) และตำแหนงของการ เชือ่ ม (E) มีผลกระทบตอมุยเงยเชนกัน โดยเปนความ สัมพันธของผลกระทบหลักและความสัมพันธของ ผลกระทบรวมระหวางปจจัย 5. บทสรุป งานวิจยั นีไ้ ดประยุกตการออกแบบการทดลอง ทางสถิติ ในการศึกษาคุณลักษณะและผลกระทบของ พารามิเตอรที่มีตอการเงยตัวในกระบวนการเชื่อม วงจรกั บ แผ น โลหะของการประกอบวงจรอิ เ ล็ ก ทรอนิกส โดยปจจัยที่ศึกษามี 5 ปจจัยไดแก กำลัง ไฟฟา เวลาของการเชือ่ ม อัตราการปอนกาซเฉือ่ ย แรง กดของหัวเชือ่ ม และตำแหนงของการเชือ่ ม ขอมูลการ ทดสอบถูกนำ ไปวิเคราะหทางสถิติ จากนัน้ นำไปสราง สมการความสัมพันธระหวางมุมเงยตัวกับพารามิเตอร การเชือ่ ม และพบวาพารามิเตอรเวลาของการเชือ่ มมี ผลกระทบตอการเงยตัวของชิ้นงานมากที่สุด 6. กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุ ณ ศู น ย วิ จั ย ร ว มเฉพาะทางด า น สวนประกอบฮารดดิสกไดรฟ (I/UCRC) สำหรับทุน สนับสนุนการวิจัย

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

7. เอกสารอางอิง [1] Chutima P. Design of Experiments. 1th ed.

Chulalongkorn University; 2002. (In Thai).

[2] Ploypanichcharoen K. Statistics for engineers. 6th ed. Technology Promotion Association (Thailand-Japan); 2002. (In Thai).

[3] Sudasna-na-Ayudthya P, Luangpaiboon P. Design and Analysis of Experiments. 1th ed.

Top; 2008. (In Thai).

[4] Ampaiboon A. Optimization of MAG-M Welding Condition Using Experriment Design Technique. IE Network Conference.

2008 Oct 20-22.

[5] Ampaiboon A. Optimization of Gas Metal Arc Welding Factor. IE Network Conference. 2007 Oc Oct 24-26.

[6] Ampaiboon A. Optimal parameters of the flux core welding for steel ST 37. IE Network Conference. 2005 Oc Oct 20-22.

[7] Montgomery, D.C. 2009. Design and analysis of experiment. (7th Edition), The United States of America: John Wiley & Sons.

[8] Box, G.E.P., Behnken, D.W. 1960; Some new three level designs for the study of quantitative variable, Technometrics 2, 455-475.

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

67

ตารางที่ 3 ผลการวิเคราะหทางสถิตดิ ว ย MINITAB

เมือ่ Coef = คาสัมประสิทธิข์ องสมการความสัมพันธ SE Coef = คาความคาดเคลื่อนมาตรฐานของการ ประมาณคาสัมประสิทธิ์ T-Value = คาสถิตทิ ใี่ ชพจิ ารณาใน t-distribution P-Value = เปนคาที่ใชในการทดสอบสมมติฐาน โดย เปรียบเทียบกับคา α ในที่ นี้ ใ ช α = 0.05 R-Sq = สัมประสิทธิก์ ารตัดสินใจ (R2) R-Sq(adj) = สัมประสิทธิก์ ารตัดสินใจทีท่ ำการปรับคา (R2adj) Seq SS = ผลรวมของกำลังสองของคาเบีย่ งเบน Adj SS = ผลรวมของกำลังสองของคาเบี่ยงเบนที่ ทำการปรับคาแลว Adj MS = ค า เฉลี่ ย ความเบี่ ย งเบนกำลั ง สองที่ ทำการปรับคาแลว F = คาสถิตทิ ใี่ ชพจิ ารณาใน F-distribution Lin. = การวิเคราะหผลกระทบเชิงเสน Squ. = การวิเคราะหผลกระทบกำลังสอง Int. = การวิ เ คราะห ผ ลกระทบร ว มระหว า ง ปจจัย LOF = การทดสอบความเหมาะสมของสมการ

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1): 69-76

บทความวิจัย

KKU Engineering Journal http://www.en.kku.ac.th/enjournal/th/

อิทธิพลของความสูงเบดตอกาซไอเสียในเตาเผาแกลบแบบไซโคลน Effect of the height of bed on exhaust gas in a rice husk fired cyclone combustor วิศษิ ฐ ลีลาผาติกลุ * Wisit Lelaphatikul* ภาควิชาวิศวกรรมเครือ่ งกล มหาวิทยาลัยสยาม จังหวัดกรุงเทพมหานคร 10160 Received June 2011 Accepted January 2012

บทคัดยอ บทความนีน้ ำเสนอการศึกษาเชิงทดลองการเผาไหมในเตาเผาไซโคลน โดยหองเผาไหมมลี กั ษณะเปนทรงกระบอก ขนาดเสนผานศูนยกลางภายในเทากับ 1.4 m มีความสูงรวม เทากับ 2.8 m ในการทดลองกำหนดความสูงของ เบดในเตาเผาทัง้ หมด 4 ระดับ คือ 30, 45, 50 และ 60 cm ซึง่ จะมีการติดตัง้ ทอฉีดอากาศไวในแนวสัมผัสผนัง หองเผาไหม เพื่อทำใหอากาศภายในเกิดการไหลแบบหมุนวน โดยแตละการทดลองกำหนดคาอัตราสวนสมมูล ( Φ ) เทากับ 0.8 ทีอ่ ตั ราการไหลของเชือ้ เพลิงแกลบคงทีเ่ ทากับ 0.04 kg/s จากผลการทดลอง ทีร่ ะดับความสูง เบด เทากับ 50 cm กาซไอเสียทีว่ ดั จากทางออกทอไอเสียประกอบดวย O2=18%, CO=1,651 ppm, SOX=8 ppm และ NOX= 49 ppm ซึง่ สามารถวัดประสิทธิภาพทางความรอนสูงสุดได 85 % คำสำคัญ : เตาเผาไซโคลน เบด การไหลอากาศแบบหมุนวน อัตราสวนสมมูล Abstract This paper presents the experimental study of the combustion in a cyclone combustor. The combustion chamber is a cylindrical shape 1.4 m in diameter and 2.8 m in height. The height of bed in chamber is designed to be adjustable at four levels: 30, 45, 50 and 60 cm as desired with a set of air nozzles placing circumferentially on the chamber to produce air-swirl flow inside. The equivalence ratio ( Φ ) was set to be 0.8. The feed rate of rice husk was held constant at 0.04 kg/s. Experimental results show that the emission of exhaust gas from stack is composed of O2=18%, CO=1,651 ppm, SOX=8 ppm and NOX= 49 ppm at 50 cm bed-height. The maximum thermal efficiency is 85%.

Keywords : Cyclone combustor, Bed, Air-swirl flow, Equivalence ratio *Corresponding author. Tel.: 02-457-0068 ext. 121 fax: 02-457-0068 ext. 5244 Email address: wisitle17@yahoo.com, wisit.lel@siam.edu

70

1. บทนำ ในภาวะปจจุบันราคาน้ำมันเชื้อเพลิงมีราคา สูงขึน้ เนือ่ งจากวิกฤตการณทางเศรษฐกิจและคาดวา ราคาน้ำมันก็จะสูงขึ้นอีก เพราะจำนวนของน้ำมันที่ กำลังมีแนวโนมลดนอยลง ทำใหตนทุนในการเดิน เครื่องจักรเพื่อการผลิตเพิ่มสูงขึ้น จึงไดเล็งเห็นความ สำคัญของการใชพลังงานในรูปตาง ๆ เพื่อใชในการ ขับเคลื่อนทางอุตสาหกรรม, เกษตรกรรม และ การ ดำรงชี วิ ต เพราะในป จ จุ บั น การพั ฒ นาทางด า น เศรษฐกิ จ จะเจริ ญ เติ บ โตก า วหน า ได นั้ น ประการ สำคัญคือ การใชพลังงานในรูปแบบตางๆ ใหเกิด ประโยชน สู ง สุ ด ซึ่ ง ในป จ จุ บั น ประเทศไทยมี ก าร พัฒนาทางดานอุตสาหกรรมอยางตอเนือ่ ง โดยเฉพาะ อยางยิง่ การพัฒนาดานการเกษตรกรรม ซึง่ พืน้ ทีส่ ว น ใหญทวั่ ทุกภาคของประเทศไทยเปนพืน้ ทีเ่ กษตรกรรม จึงมีสิ่งที่เหลือใชทางเกษตรกรรมมากมาย ที่พบมาก ไดแก แกลบ ฟาง ชานออย เปนตน ซึง่ สามารถนำมา ใชใหเกิดประโยชนได โดยผานกระบวนการเปลีย่ นรูป สิ่งที่เหลือใชนั้นมาเปนพลังงานทดแทน เพื่อลดการ นำเขาพลังงานจากตางชาติ ไดแก น้ำมันปโตรเลียม และ ถานหิน เปนตน ในทีน่ ไี้ ดใหความสนใจกับแกลบ ขาว ซึง่ เมือ่ นำขาวเปลือก 100 kg ไปสีแลวจะไดแกลบ ประมาณ 26.12 kg (คิดเปนประมาณ 26 เปอรเซ็นต โดยน้ำ หนั ก ) จะได ค า ความร อ น (Overall gross calorific value of rice husk) ประมาณ 2,900–4,560 kcal/kg. เมือ่ เปรียบเทียบกับน้ำมันเตา จะไดคา ความ รอนเพียงครึง่ หนึง่ แตราคาต่ำกวามาก เมือ่ นำแกลบ มาเปนพลังงานทดแทน จะทำใหประหยัด ลดการ นำเขา และเปนวัตถุดบิ ทีใ่ ชไดอยางเหลือเฟอ แตถา ใช วิ ธี ก ารเผาไหม แ กลบในเตาเป ด ปกติ จ ะทำให ไ ด ปริมาณความรอนนอยกวาทีค่ วรจะได และทำใหเกิด มลพิษทางอากาศ เนื่องจากขี้เถาที่เกิดจากการเผา ไหม ฉะนั้นวิธีเผาไหมเพื่อใหมีประสิทธิภาพของการ เผาไหมดีที่สุดและสภาพแกสที่ออกจากปลองไฟเปน

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

มลพิษนอยทีส่ ดุ โดยใชเทคนิคการหมุนวนของอากาศ ความเร็วสูงแบบปนปวน ปจจุบนั ไดมกี ารวิจยั ทัง้ ในและตางประเทศ ซึง่ ทำการวิจัยเกี่ยวกับเตาเผาประเภทตาง ๆ มากมาย อาทิเชน งานวิจยั ของ พงษเจต พรหมวงศ [1] ทำการ ศึกษาการเผาไหมเชื้อเพลิงแกลบในชองวางภายใน หองเผาไหมแบบวอรเทค (Vortex Combustor : VC) ซึ่งมีการใหอากาศสวนที่สอง เพื่อเพิ่มการคลุกเคลา ระหวางเชื้อเพลิงกับอากาศ จากการทดลอง พบวา อุณหภูมภิ ายในหองเผาไหมมคี วามสม่ำเสมอ และวัด อุณหภูมภิ ายในสูงสุดไดประมาณ 1,000-1,200 OC, งานวิจยั ของ ประจักษ จิตรีทพิ ย [2] ทำการศึกษารูป แบบการไหลและลักษณะการสันดาปของหองเผาไหม แบบไซโคลนที่ใชขี้เลื่อยเปนเชื้อเพลิง โดยใชหองเผา ไหมจำลองผลิตจากวัสดุแอลคาไรด ทีอ่ ตั ราสวนสมมูล อยูระหวาง 1.5-2.0 จากการทดลอง จะเกิดการเผา ไหม ตั้ ง แต ส ว นล า งจนถึ ง ปากทางออกแก ส ไอเสี ย ลักษณะของเปลวไฟมีความแปรปรวนต่ำ มีอุณหภูมิ เปลวไฟอยใู นชวง 900-1,000 OC, งานวิจยั ของ สุพจน นานำโชค [3] ทำการศึกษาการเผาไหมขเี้ ลือ่ ยในหอง เผาไหมแบบไซโคลนชนิดอากาศเขาหลายชองทาง ซึง่ ทำใหขี้เลื่อยไหลเวียนอยูในหองเผาไหมไดนานขึ้น จากการทดลองหองเผาไหมลักษณะดังกลาวจะให อุณหภูมสิ งู สุดประมาณ 1,200 OC, งานวิจยั ของ Sen Nieh และ Tim T. Fu [4] ไดทำการทดลองโดยการ ทดสอบการไหลในเตาแบบจำลอง Hot test model ของเตาแบบวอรเทค โดยใชถา นหินผงและงานวิจยั ตอ เนื่องถึงการทดสอบเตาแบบวอรเทค โดยใชเชื้อเพลิง Dry Ultra Find Coal และ Coal Water Fuel จากการ ทดลองพบวา สามารถใชเชือ้ เพลิงไดคมุ คา ยาวนาน มีประสิทธิภาพในการเผาไหมสงู ประหยัดเชือ้ เพลิงใน การ start up และ ใชกบั เชือ้ เพลิงแข็งไดหลายชนิด ในงานวิจยั นี้ ไดทำการศึกษาความสูงของเบด ในเตาเผาไซโคลน ซึ่งระบบการเผาไหมของเตาเผา แบบนี้ จ ะให ป ระสิ ท ธิ ภ าพในการเผาไหม สู ง และ

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

สามารถควบคุมมลพิษทีเ่ ปนปญหาตอสิง่ แวดลอมได จึงมีการวิจัยและพัฒนา เพื่อนำพลังงานความรอนที่ ไดมาใชใหเกิดประโยชนสูงสุดตอไปในอนาคต 2. วิธีการการวิจัย 2.1 อุปกรณการทดลอง การติดตั้งชุดอุปกรณการทดลอง เริ่มตนจาก การประกอบตัวถังไซโคลน (cyclone combustor) แตละสวนเขาดวยกัน โดยอากาศที่ใชในการทดลอง

71

ประกอบดวยอากาศ 3 สวน คือ อากาศสวนปฐมภูมิ (primary air) เปนอากาศทีเ่ ขาทาง primary inlet air, อากาศสวนทุติยภูมิ (secondary air) เปนอากาศที่ ฉีดเขาทางทอลม secondary inlet air และ อากาศ สวนตติยภูมิ (thirdary inlet air) โดยอากาศทัง้ 3 สวน จะไดจากแหลงตนกำลัง คือ blower จำนวน 2 ชุด ไดแก primary blower และ secondary blower และ มี butterfly valve ทำหนาที่ปรับอัตราการไหลของ กาซไอเสียทีท่ อ ทิง้ ไอเสีย (stack) โดยมี thirdary blower

1. primary blower 2. secondary blower 3. hopper 4. primary inlet air 5. secondary inlet air 6. thirdary inlet air 7. cyclone combustor 8. butterfly valve 9. stack 10. thirdary blower รูปที่ 1 ผังแสดงชุดอุปกรณการทดลองเตาเผาแกลบแบบไซโคลน

72

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

รูปที่ 2 ลักษณะการเผาไหมระหวางเชือ้ เพลิงกับอากาศ และ Bed Height ภายในหองเผาไหมไซโคลน ตารางที่ 1 ขอมูลองคประกอบของเชือ้ เพลิงแกลบ [5]

ma คือ อัตราการไหลของอากาศ (kg/min) mf คือ อัตราการไหลของเชือ้ เพลิง (kg/min)

เมื่อ

โดยสัดสวนผสมจะเรียกวา สวนผสมหนา Fuel-rich mixture เมือ่ Φ > 1 สวนผสมพอดีทางเคมี Stoichiometric เมือ่ = 1 สวนผสมบาง Fuel-lean mixture เมือ่ < 1 ในการศึกษาสมรรถนะของไซโคลน ไดทำการ ทดลองหาจากประสิ ท ธิ ภ าพทางความร อ นของ ไซโคลน ซึง่ สามารถหาได จากสมการดังนี้ [5]

ค า Equivalence ratio เป น ค า ที่ แ สดงถึ ง ปริมาณอากาศตอเชือ้ เพลิงทีใ่ ชในการเผาไหมจริงตอ ทางทฤษฎี โดยจะหาคา Equivalence ratio ไดจาก สมการตอไปนี้ [6] Φ=

(m f / ma ) act (m f / ma ) sto

(1)

⎡ ma .cp .ΔT ⎤ ⎥ × 100 % ⎢⎣ m f . LHV ⎥⎦

ηth = ⎢

(2)

โดย ηth = ประสิทธิภาพทางความรอนของเตาเผา ma = มวลของอากาศ (kg) mf = มวลของเชือ้ เพลิงแกลบ (kg) cp = The constant pressure specific heat of air (1.007 kJ/kg.K)[6] ΔT= ผลตางของอุณหภูมทิ างเขาและทางออก หองเผาไหม (K)

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

LHV = Lower Heating Value of Rice Husk (13,517 kJ/kg) [5] 2.2 วิธีการทดลอง (1) ติดตัง้ เตาเผาไหมแบบไซโคลน (ดังรูปที่ 1) (2) ทำการอนุ เตาเผา ดวย LPG จนอุณหภูมิ ประมาณ 450-600 OC (3) ปอนเชือ้ เพลิงแกลบทีผ่ สมกับอากาศ โดย ปรับอากาศที่ Blower 1 เพือ่ ใหเกิดการเผาไหมเริม่ ตน กอน จนอุณหภูมเิ ริม่ คงทีป่ ระมาณ 700 OC และหยุด การให LPG (4) ปรับอัตราการไหลของอากาศใหคา Φ = 0.8 (5) ปรับอัตราการปอนเชื้อเพลิงแกลบคงที่ เทากับ 0.04 kg/s และปรับอากาศที่ Blower 2 ใหจา ย อากาศมายังอากาศสวนที่ 2 และอากาศสวนที่ 3 เทา กับ 80% และ 20% ของอากาศทัง้ หมด ตามลำดับ (6) เมือ่ ความสูงของเบดภายในมีระดับความ สูงที่ 30 cm ทำการวัดกาซไอเสียทีเ่ กิดจากการเผาไหม ทุก 10 นาที จนถึง 120 นาที บันทึกผลการทดลอง (7) ทำการทดลองซ้ำขอ 5 เพิม่ ระดับความสูง เบด จากเดิม 30 cm เปน 45, 50 และ 60 cm ตาม ลำดับ บันทึกผลการทดลอง 3. ผลการวิจยั และอภิปราย จากการทดลอง ไดทำการศึกษาความสูงของ เบดที่มีผลตอการเกิดกาซจากการเผาไหม ไดแก O2, CO, SOX และ NOX ดังนี้ จากรูปที่ 3 พบวาจากผลทดลอง ทีร่ ะดับความ สูงเบด 30-50 cm จะมีจำนวนของ O2 ทีว่ ดั ไดอยใู น ชวง 18.3-18.5% ซึ่งปริมาณของ O2 ที่ วั ด ได นั้ น เกิดจากการใหอากาศสวนเกินในขณะเกิดการเผาไหม แก เ ตาเผาไซโคลน จึ ง ทำให มี O 2 เหลื อ หลั ง จาก

73

การเผาไหม และที่ระดับความสูงเบด 30-50 cm นี้ เบดจะมีปริมาณการทับถมของเชื้อเพลิงที่เผาไหม ไมสมบูรณบางสวนเหลืออยู ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับ อากาศสวนเกินที่ฉีดเขาไปใหม ทำใหเกิดปฏิกิริยา การเผาไหมระหวางเชือ้ เพลิงกับอากาศไดอยางตอเนือ่ ง

รูปที่ 3 กาซออกซิเจน (O2) ทีต่ ำแหนง Bed Height เทากับ 30, 45, 50 และ 60 cm สวนผลการทดลองทีร่ ะดับความสูงเบด 60 cm นัน้ เกิดการทับถมของเชือ้ เพลิงทีเ่ บดมากเกินไป ทำให อากาศสวนเกินทีฉ่ ดี เขาไปใหม ทำปฏิกริ ยิ าการเผาไหม กับเชือ้ เพลิงไมตอ เนือ่ งมากนัก เพราะตามหลักทฤษฎี ของการเผาไหม เ ชื้ อ เพลิ ง แข็ ง จะเริ่ ม ที่ ผิ ว ชั้ น นอก ของอนุภาคกอนแลวจึงลามเขาไปทีแ่ กนกลาง โดยเชือ้ เพลิงทีม่ ขี นาดของอนุภาคใหญ (เปรียบไดกบั เบดทีม่ ี ระดับสูงเกินไป) จะทำใหการเผาไหมของเชื้อเพลิง เกิดขึ้นไดอยางชา ๆ เฉพาะที่ปริเวณผิวหนาของเบด เทานัน้ ซึง่ ปริมาณ O2 ในอากาศสวนเกินที่ฉีดเขาไป ในเตาเผา จึงไมสามารถทำปฏิกิริยาการเผาไหมได ทันทีกบั เชือ้ เพลิง จึงเหลือปริมาณ O2 มากกวาทีร่ ะดับ ความสูงอื่น ดังนั้นการวัด O2 ที่ระดับความสูงเบดที่ 60 cm นีจ้ งึ สามารถวัดปริมาณ O2 ไดมากกวาระดับ ความสูงเบดทีต่ ำแหนง 30-50 cm

74

รูปที่ 4 กาซคารบอนมอนอกไซด (CO) ที่ตำแหนง Bed Height เทากับ 30, 45, 50 และ 60 cm จากรูปที่ 4 พบวาทีร่ ะดับความสูงของเบดใน ชวง 30-60 cm คา CO ทีว่ ดั ไดอยใู นเกณฑสงู อยใู น ชวง 1,450-1,700 ppm เนือ่ งจากการเผาไหมระหวาง เชือ้ เพลิงกับอากาศ เกิดขึน้ อยางไมทวั่ ถึง โดยขัน้ ตอน การเผาไหมเริม่ เมือ่ เชือ้ เพลิงแกลบถูกปอนเขาเตาเผา ดานบน ในลักษณะสัมผัสเสนรอบวง ซึ่งในขณะเกิด การเผาไหมนั้น เชื้อเพลิงแกลบจะตกลงมาบนฐาน ของหองเผาไหมตามแรงโนมถวงของโลกและเกิด การทับถม ของเชื้อเพลิงที่เผาไหมไมสมบูรณจนเกิด เปนชัน้ ความหนาของเบด ซึง่ บริเวณผิวหนาของเบดที่ มีอากาศสัมผัสเทานัน้ ทีม่ กี ารเผาไหม ทำใหเชือ้ เพลิง สวนใหญยงั คงไมถกู เผาไหม โดยทีร่ ะดับความสูงเบด ที่ 45 cm สามารถวัดปริมาณ CO ไดสงู สุดประมาณ 1700 ppm ซึ่ ง แสดงได ว า ที่ ร ะดั บ ดั ง กล า ว เกิ ด ปฏิ กิ ริ ย าการเผาไหม ร ะหว า งเชื้ อ เพลิ ง แกลบและ อากาศมากทีส่ ดุ จึงทำใหเกิดกาซ CO สูงทีส่ ดุ แตแตก ตางกับที่ระดับความสูงเบด 60 cm เพราะที่ระดับ ความสูงนีต้ อ งมีปริมาณของเชือ้ เพลิงมากทีส่ ดุ ซึง่ ตาม หลักความเปนจริงแลว ถามี Carbon ในปริมาณมาก เมื่อเกิดปฏิกิริยารวมกับอากาศสวนเกินภายในหอง เผาไหม ก็ควรตองมี CO มากเชนกัน แตจากการ ทดลองนี้ ทีร่ ะดับความสูง 60 cm เกิดปฏิกริ ยิ าการเผา ไหมต่ำ ฉะนั้นจึงเปนสาเหตุใหเกิดการรวมตัวของ

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

Carbon กับอากาศในปริมาณที่นอย โดยคา CO ที่วัดไดจึงมีคาต่ำกวาการทดลองที่ระดับความสูงเบด 30-50 cm โดยจากการทดลองค า CO ที่ วั ด ได อ ยู ใ น ปริมาณทีส่ งู เนือ่ งมาจากอีกเหตุผลทีว่ า การเผาไหม ที่สมบูรณน้ันตองเกิดการคลุกเคลาระหวางเชื้อเพลิง กั บ อากาศอย า งเหมาะสม แต ใ นกรณี ข องการ ทดลองนี้ เชื้อเพลิงแกลบไมไดเกิดการคลุกเคลากับ อากาศอยางทั่วถึง เหมือนกับกรณีการไหลปนปวน ของเตาเผาแบบวอรเทคและเตาเผาฟลูอดิ ไดซเบด ที่ เกิดการคลุกเคลาระหวางเชื้อเพลิงกับอากาศทั่วทั้ง หองเผาไหม ซึง่ คา CO ทีว่ ดั ไดของเตาเผาทัง้ สองอยู ในชวงระหวาง 250-400 ppm เทานัน้

รูปที่ 5 กาซซัลเฟอรออกไซด (SOX) ทีต่ ำแหนง Bed Height เทากับ 30, 45, 50 และ 60 cm จากรูปที่ 5 ปริมาณ SOX ทีว่ ดั ไดมปี ริมาณคอน ขางต่ำอยูในชวง 4.5-16 ppm เนื่องมาจากวากาซ SOX มี Sulfur เปนองคประกอบหลัก โดยมักจะพบได ในเชือ้ เพลิง ประเภท น้ำมันดิบ ถานหิน และอยใู นสาร ประกอบของโลหะตาง ๆ ไดแก อลูมิเนียม ทองแดง สังกะสี ตะกัว่ และ เหล็ก เปนตน แตในการทดลองนี้ ใชแกลบเปนเชือ้ เพลิงในการเผาไหม ซึง่ มีองคประกอบ ของ Sulfur ในปริ ม าณต่ำ จึ ง ทำให ใ นขณะเกิ ด ปฏิกิริยาการเผาไหมกับอากาศนั้น เกิดปริมาณของ

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

SOX ไมสงู มากนัก โดยทีร่ ะดับความสูงเบดที่ 45 cm สามารถวัดปริมาณ SOX ไดสงู สุดประมาณ 16 ppm ซึง่ แสดงไดวา ทีร่ ะดับดังกลาว การเกิดปฏิกริ ยิ าการเผา ไหมระหวางเชื้อเพลิงแกลบและอากาศเกิดมากที่สุด จึงทำใหเกิดการรวมตัวของ Sulfur ในเชือ้ เพลิงแกลบ กับอากาศเกิดเปน SOX สูงทีส่ ดุ แตแตกตางกับทีร่ ะดับ ความสูงเบด 60 cm เพราะที่ระดับความสูงนี้ตองมี ปริมาณของเชือ้ เพลิงมากทีส่ ดุ ซึง่ ตามหลักความเปน จริงแลว ถามี Sulfur ในปริมาณมาก เมือ่ เกิดปฏิกริ ยิ า รวมกับอากาศสวนเกินภายในหองเผาไหม ก็ควรตอง มี SOX มากเชนกัน แตในจากการทดลองนี้ ที่ระดับ ความสูง 60 cm เกิดปฏิกิริยาการเผาไหมต่ำ ฉะนั้น จึงเปนสาเหตุใหเกิดการรวมตัวของ Sulfur กับอากาศ ในปริมาณที่นอย โดยสามารถวัดปริมาณ SOX ได ประมาณ 4.5 ppm

75

45 cm สามารถวัดปริมาณ NOX ไดสงู ทีส่ ดุ เทากับ 52 ppm ซึง่ คา NOX นัน้ ขึน้ อยกู บั ปจจัยขององคประกอบ ตาง ๆ ของกาซไอเสีย เชน ไฮโดรคารบอน โอโซน และ สารประกอบของซัลเฟอร (sulfur) โดยจากรูปที่ 5 สามารถวัดคา SOX ไดสงู ทีส่ ดุ ทีต่ ำแหนงความสูงเบด เทากับ 45 cm ฉะนัน้ จึงเปนสาเหตุทที่ ำใหระดับความ สูงเบด ที่ 45 cm จึงสามารถวัดคา NOX ไดสูงที่สุด เชนเดียวกัน 4. สรุป 1.จากการทดลอง การเพิม่ ระดับความสูงเบด ของเตาเผาไซโคลน พบวา มีผลตอปริมาณกาซไอเสีย ที่ วั ด ได ซึ่ ง ระดั บ ความสู ง เบดที่ เ หมาะสมต อ การ เผาไหม โดยใหปริมาณกาซไอเสียที่ยอมรับได และ ใหประสิทธิภาพทางความรอนทีว่ ดั ไดสงู สุด (ดังรูปที่ 7) คือ ทีร่ ะดับ 50 cm หรือ ประมาณ 0.2 เทาของความ สูงเตาเผา 2.การเผาไหม ที่ ทำให เ กิ ด ก า ซไอเสี ย ใน ปริมาณต่ำนัน้ (โดยเฉพาะองคประกอบของ CO และ O2) เชือ้ เพลิงควรจะเกิดการคลุกเคลากับอากาศอยาง เหมาะสม ตลอดชวงเวลาการเผาไหม ซึง่ ถาเชือ้ เพลิง ไมเกิดปฏิกิริยาดังกลาวแลว คา CO ที่ วั ด ได จ ะมี ปริมาณที่สูงมาก

รูปที่ 6 กาซออกไซดของไนโตรเจน (NOX) ทีต่ ำแหนง Bed Height เทากับ 30, 45, 50 และ 60 cm จากรูปที่ 6 การทดลองการเผาไหมทคี่ วามสูง เบด 30, 45, 50 และ 60 cm สามารถวัดคา NOX อยู ในชวง 44-52 ppm ซึง่ จัดวาอยใู นปริมาณไมมากนัก เนื่ อ งจาก NOX จะเกิ ด ขึ้ น ได ต อ งอาศั ย ป จ จั ย ของ อุณหภูมทิ สี่ งู ในขณะเกิดการเผาไหม โดยจากผลการ ทดลอง รูปที่ 5 และ รูปที่ 6 จะมีแนวโนมของกาซ ไอเสียที่วัดไดคลายคลึงกัน โดยที่ระดับความสูงเบด

รูปที่ 7 ประสิทธิภาพทางความรอนทีต่ ำแหนง Bed

76

5. กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุ ณ มหาวิ ท ยาลั ย สยาม ที่ ใ ห ทุ น อุดหนุนงานวิจัยนี้ 6. เอกสารอางอิง [1] Promvonge P. A Low Emission Annular Vortex Combustor Firing Rice Husk Fuel: Part II – Experiment Investigation. The First Regional Conference on Energy Technology towards a Clean Environment; 2000 Dec 1-2; The Empress Hotel, Chang Mai, Thailand.

[2] Jittrepit P. The Burning Characteristics of a Sawdust-fired Cyclone Combustor [M.Eng thisis]. Bangkok: King Mongkut’s Institute of Technology North Bangkok; 1993.

(In Thai).

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

[3] Nanumchok S. The Burning of Sawdust in a Multi-Air Inlet Cyclone Combustor [M.Eng thesis]. Bangkok: King Mongkut’s Institute of Technology North Bangkok; 1993.

(In Thai).

[4] Nieh S, Fu T.T. Development of a NonSlagging Vortex Combustor (VC) for Space/ Water Heating Applications. Proceedings of the 5th International Coal Conference: Pittsburgh; 1988. p. 761-768.

[5] Lelaphatikul W. Parameter Analysis on Rice Husk Fired in a Fluidized Bed Combustor.

Proceeding of the 4th Conference on Energy Network of Thailand (E-NETT); 2008 May 14-16; Rose Garden Riverside Hotel, Nakhon Pathom, Thailand; 2008. p. 152-158.

[6] Turns S.R. An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. 2 nd International Editions. Singapore; 2000.

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1): 77-83

บทความวิจัย

KKU Engineering Journal http://www.en.kku.ac.th/enjournal/th/

การพัฒนาเครือ่ งสำรวจรังสีทที่ ำงานรวมกับเครือ่ งเลนเกมบอย Development of a game boy based radiation survey meter ปยเทพ ชอบทำกิจ เดโช ทองอราม* และ สุวทิ ย ปุณณชัยยะ Piyathep Chobthumkit, Decho Thong-Aram* and Suvit Punnachaiya ภาควิชาวิศวกรรมนิวเคลียร จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย จังหวัดกรุงเทพมหานคร 10330 Received November 2011 Accepted January 2012

บทคัดยอ งานวิจัยนี้เปนการพัฒนาเครื่องสำรวจรังสีที่ทำงานรวมกับเครื่องเลนเกมบอยสำหรับการวัดอัตราปริมาณรังสี โดยออกแบบใหสามารถวัดอัตราการรับปริมาณรังสี (exposure rate) ในยาน 0-100 mR/hr และวัดอัตรานับรังสี (count rate) ในยาน 0-5.5 x104 CPM แสดงผลบนหนาจอของเครือ่ งเลนเกมบอย โดยสเกลยานวัดเปลีย่ นได อัตโนมัติ 3 ยาน ระบบวัดรังสีประกอบดวยสวนสำคัญหลัก 4 สวน ไดแก หัววัดรังสีไกเกอรมลู เลอรแบบหนาตาง บาง แหลงจายไฟฟาศักดาสูง สวนปรับแตงรูปสัญญาณพัลสและสวนเชือ่ มโยงสัญญาณระหวางระบบวัดรังสีกบั เครื่องเลนเกมบอยในรูปของตลับเกมที่อาศัยการทำงานรวมกันดวยไมโครคอนโทรลเลอร PIC16F877A และ PSD813F2 จากการประยุกตใชเครื่องเลนเกมบอยทำงานรวมกับระบบวัดรังสีที่พัฒนาขึ้นพบวาสวนแสดงผล กราฟฟกของเครื่องเลนเกมบอยมีความยืดหยุนในการออกแบบสวนแสดงผลทั้งอนาลอกและดิจิตอล พรอมทั้ง ตัวอักษรของหนวยวัดและมิเตอรเข็ม อีกทัง้ ยังสามารถใชปมุ ฟงกชนั และแปนสวิตซบนเครือ่ งเลนเกมบอยในการ ควบคุมการทำงานของระบบวัดรังสีทำใหประหยัดและใชงานงาย มีอัตราการสิ้นเปลืองกำลังไฟฟา 296 mW สามารถใชงานตอเนือ่ งไดนาน 8 ชัว่ โมง เมือ่ ใชกบั แบตเตอรีชนิดลิเทียม-ไอออนขนาดความจุ 700 mA-hr สำหรับ ผลทดสอบการวัดอัตราการรับปริมาณรังสีทพี่ ลังงาน 662 keV จากตนกำเนิดรังสีมาตรฐานซีเซียม-137 ทีค่ า เต็ม สเกลในยาน (100 mR) x0.01, x0.1 และ x1 พบวามีความคลาดเคลือ่ นนอยกวา ±2.2 เปอรเซ็นต นอกจากนี้ ระบบวัดรังสีที่พัฒนาขึ้นยังสามารถใชตรวจวัดอัตรานับรังสีแอลฟาและบีตาได คำสำคั ญ: เครื่องสำรวจรังสี เครื่องเลนเกมบอย ไมโครคอนโทรลเลอร อัตราการรับปริมาณรังสี หัววัดรังสี ไกเกอรมูลเลอร

*Corresponding author. Tel.: 02-218-6772 Email address: Decho.T@chula.ac.th

78

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

Abstract This research aimed to develop a game boy based radiation survey meter for radiation dose rate measurement. The measuring range of exposure rate in the range of 0-100 mR/hr and count rate in the range of 0-5.5 x104 CPM were designed to display on the game boy monitor with 3 automatically ranges changing. The system composed of 4 main parts: e.g., the thin window Geiger Muller detector, high voltage power supply, signal pulse shaper and interfacing part for communication between radiation counter and game boy in form of a plug-in game cartridge under the cooperation of microcontroller PIC16F877A and PSD813F2. By applying a game boy as a base operation of the developed radiation survey meter, it was found that the graphic display utility gave high flexible support in analog and digital display designing, both alpha-numerical measuring unit and analog meter. Moreover the function and joy stick keys were useful for assigning the control functions of measuring system, resulted in affordable and ease of use. The power consumption was 296 mW and with 700 mA-hr Li-ion battery, the continuous operation last 8 hours. For the exposure rate calibration using a 662 keV of cesium-137 standard source, it was found that at exposure rate range, e.g. (100 mR) x0.01, x0.1, and x1 gave measuring errors of less than ±2.2%. In addition, the developed system could be used for measurement a counting rate of alpha and beta radiations.

Keywords: Survey meter, Game boy, Microcontroller, Exposure rate, Geiger Muller counter 1.บทนำ เครือ่ งสำรวจรังสี (survey meter) เปนเครือ่ งมือ วัดนิวเคลียรที่จำเปนสำหรับการวัดอัตราปริมาณรังสี ดานความปลอดภัยในการปฏิบตั งิ านทางรังสี ประเทศ ไทยมีการใชสารกัมมันตรังสีชนิดตางๆ อยางกวางขวาง ในดานการแพทยและอุตสาหกรรมทั้งภาครัฐและ เอกชน อยางไรก็ตามรังสีนั้นใหทั้งประโยชนและโทษ จึงตองระมัดระวังในการควบคุมดูแล ปจจุบนั มีแนวโนม ในการนำสารกั ม มั น ตรั ง สี ม าใช ง านเพิ่ ม มากขึ้ น อยางตอเนือ่ ง จึงทำใหมโี อกาสเสีย่ งสูงทีส่ ารกัมมันตรังสี อาจจะปะปนกั บ ขยะและหลุ ด ลอดสู ชุ ม ชนได นอกจากนีย้ งั มีผลิตภัณฑทมี่ สี ารกัมมันตรังสีปะปนอยู ตามธรรมชาติสูงออกมาจำหนาย โดยประชาชนใน ชุมชนไมสามารถทราบไดเลยวาผลิตภัณฑหรือบริเวณ พื้ น ที่ อ ยู อ าศั ย มี ส ารกั ม มั น ตรั ง สี คุ ก คามอยู ดั ง นั้ น การเรียนรูเพื่อกระตุนใหเกิดการตื่นตัวในการวัดรังสี

เบื้องตน จึงเปนกิจกรรมที่จำเปน อันจะชวยสงผล ทางอ อ มในการเข า ใจเรื่ อ งพลั ง งานนิ ว เคลี ย ร ด ว ย เครื่องมือสำคัญที่จะสนับสนุนการเรียนรู คือ เครื่อง สำรวจรังสี แตเนื่องจากมีราคาแพงไมสามารถจัดหา ในปริมาณมากมาใชงานได ดังนั้นผูวิจัยจึงมีแนวคิด ในการพัฒนาเครือ่ งสำรวจรังสีสำหรับงานวัดรังสีทวั่ ไป ทีม่ รี าคาประหยัด ใชงานงายและมีจดุ ดึงดูดความสนใจ ขึน้ มาใชเอง จากงานวิจยั ทีผ่ า นมาพบวาไดมกี ารพัฒนา เครื่องนับรังสีที่ทำงานรวมกับคอมพิวเตอร [1] แตมี ขนาดใหญ จึ ง ไม เ หมาะกั บ การใช ง านนอกสถานที่ ผู วิ จั ย เห็ น ว า เครื่ อ งเล น เกมบอยเป น ที่ รู จั ก ของ ประชาชนทัว่ ไปและยังเปนทีน่ ยิ มเลนกันอยางแพรหลาย จึงไดนำเอาเครื่องเลนเกมบอยมาประยุกตใชในการ ออกแบบเปนเครื่องสำรวจรังสีที่มีราคาประหยัดและ ใชงานงาย [2, 3] โดยยังคงสภาพการทำงานเดิมของ เครื่องเลนเกมบอยอยู เพื่อใหสามารถนำกลับมาใช

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

79

เลนเกมได 2. ขัน้ ตอนการออกแบบและสราง 2.1 โครงสรางของเครือ่ งสำรวจรังสี

รูปที่ 2 หัวตอสำหรับตลับแกมบอย

รูปที่ 1 แผนภาพของเครือ่ งสำรวจรังสีทวั่ ไป [4] การทำงานเบือ้ งตนเมือ่ รังสีเขาสหู วั วัดไกเกอร มูลเลอรที่รับการไบอัสจากแหลงจายไฟฟาศักดาสูง จะกำเนิ ด สั ญ ญาณพั ล ส ส ง ให ว งจรปรั บ แต ง รู ป สัญญาณพัลสแบบเอกซโพเนนเชียล (exponential) ให เ ป น สั ญ ญาณลอจิ ก เพื่ อ ไปกระตุ น ให กำเนิ ด สัญญาณเสียงตามอัตรานับรังสีและแปลงอัตรานับ รังสีเปนระดับศักดาไฟฟาเพือ่ แสดงผลดวยมิเตอรเข็ม ที่ยานวัดอัตราปริมาณรังสีตางๆ สำหรับการพัฒนา เครื่องสำรวจรังสีในงานวิจัยนี้ไดประยุกตเครื่องเลน เกมบอยใหทำงานรวมกับไมโครคอนโทรลเลอรในการ วัดอัตราปริมาณรังสีและแสดงผล มีผลใหสวนของ ระบบวัดรังสีเหลือเพียง หัววัดไกเกอรมูลเลอร แหลง จายไฟฟาศักดาสูงและวงจรปรับแตงรูปสัญญาณ 2.2 เครือ่ งเลนเกมบอย เครื่องเลนเกมบอยที่เลือกใชในงานวิจัยนี้เปน รุนเกมบอยแอดวานซเอสพี ซึ่งเปนลิขสิทธิ์ของบริษัท นิ น เทนโด สามารถเชื่ อ มโยงสั ญ ญาณแบบขนาน (parallel) ผานทางตลับเกมโดยมีหัวตอสัญญาณ

จากรูปที่ 2 หัวตอที่ใชสำหรับการเชื่อมโยง สัญญาณกับอุปกรณภายนอกประกอบดวย - บัสแอดเดรสขนาด 16 บิต (A0-A15) - บัสขอมูลขนาด 8 บิต (D0-D7) - บัสควบคุมขนาด 6 บิต 2.3 โปรแกรมเมเบิลซิสเต็มดีไวซ โปรแกรมเมเบิ ล ซิ ส เต็ ม ดี ไ วซ ; พี เ อสดี (PSD813F2) เปนไอซีที่มีความเหมาะสม สำหรับ เชื่อมโยงสัญญาณกับเครื่องเลนเกมบอยเนื่องจาก สามารถกำหนดฟ ง ก ชั น การทำงานของไอซี นี้ กั บ ไมโครโปรเซสเซอร [5] ภายในของเครือ่ งเลนเกมบอย ได อยางมีประสิทธิภาพ โดยโครงสรางภายในของ ไอซี PSD813F2 ประกอบดวยสวนสำคัญดังนี้ (1) บั ส แอดเดรสและบั ส ข อ มู ล ที่ ส ามารถ เชื่อมตอเขากับไมโครโปรเซสเซอรของเกมบอยได โดยตรง (2) อินพุตและเอาตพุตพอรตสำหรับตอใช งานภายนอก (3) หนวยความจำชนิด RAM ขนาด 2 กิโลไบต (4) หนวยความจำชนิด FLASH ขนาด 128 กิโลไบต (5) โปรแกรมเมเบิลลอจิกดีไวซทงั้ แบบ PLD และ CPLD สำหรับถอดรหัสการอางแอดเดรสและ

80

รูปที่ 3 คอนฟกกูเรชันของไอซีพเี อสดีทอี่ อกแบบขึน้ [5] ไอซี พี เ อสดี ส ามารถออกแบบฟ ง ก ชั น การ ทำงานตามตองการไดโดยการเขียนโปรแกรมดวย ภาษา ABEL-HDL ซึ่งเปนภาษาทางดานฮารดแวร ทำใหงา ยตอการออกแบบฟงกชนั การทำงานในแตละ พอรตดวยโปรแกรม PSD Soft express ซึ่งฟงกชัน และคอนฟกกูเรชัน (configuration) ทีไ่ ดออกแบบไว แสดงดังรูปที่ 3 จากนัน้ นำไปคอมไพลใหเปนไฟลทมี่ ี นามสกุล .gb ซึง่ เปนไฟลสำหรับเครือ่ งเลนเกมบอย 2.4 การพัฒนาสวนของไมโครคอนโทรลเลอร ส ว นของไมโครคอนโทรลเลอร เ ลื อ กใช ไอซีเบอร PIC16F877A ของบริษัทไมโครชิพ นำมา ออกแบบและพั ฒ นาโปรแกมสำหรั บ ควบคุ ม การ ทำงานของระบบนับสัญญาณพัลสพรอมทั้งตั้งเวลา และจัดการสงขอมูลอัตรานับรังสี [6, 7] ทีไ่ ดจากหัววัด รังสีหลังผานวงจรปรับแตงรูปสัญญาณ เขาประมวล ผลบนเครื่ อ งเล น เกมบอย เพื่ อ แสดงผลบนหน า จอเครือ่ งเลนเกมบอย ผานทางพอรตบี (PORT B) ของ ไอซีโปรแกรมเมเบิลซิสเต็มดีไวซ 2.5 เครือ่ งสำรวจรังสีทที่ ำงานรวมกับเครือ่ งเลน เกมบอย จากขอมูลของระบบทีก่ ลาวมาในขางตนไดถกู นำมาใชออกแบบและสรางเครือ่ งสำรวจรังสีทสี่ ามารถ

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

วัดอัตราการรับปริมาณรังสี (exposure rate) ไดใน ยาน 0-100 mR/hr และวัดอัตรานับรังสี (count rate) ไดในยาน 0-5.5 x104 CPM แสดงผลบนหนาจอของ เครื่องเลนเกมบอย โดยสามารถปรับสเกลยานวัดได อัตโนมัติ 3 ยานวัด (100 mR) x0.01, x0.1 และ x1 ซึ่ ง โครงสร า งของระบบที่ อ อกแบบขึ้ น แสดง ดังแผนภาพในรูปที่ 4 ประกอบดวยสวนสำคัญดังนี้ (1) หั ว วั ด รั ง สี ช นิ ด ไกเกอร มู ล เลอร แ บบ หนาตางบางของ LND รนุ 712 ทีม่ คี วามสามารถใน การตรวจวัดไดทงั้ รังสี แอลฟา บีตา และแกมมา (2) แหลงจายไฟฟาศักดาสูง ที่สามารถปรับ คาศักดาไฟฟาไดตงั้ แต 0 ถึง 1,000 โวลต จายกระแส ไดสูงสุด 250 ไมโครแอมแปร สำหรับใหไบอัสหัววัด รังสี (3) วงจรปรับแตงรูปสัญญาณ ทำหนาทีป่ รับ แตงรูปสัญญาณจากหัววัดรังสี ซึง่ มีรปู สัญญาณพัลส แบบเอกซโพเนนเชียล ขั้วลบใหเปนสัญญาณพัลส ลอจิกขั้วบวก ปอนใหกับวงจรนับจำนวนสัญญาณ พัลสและตั้งเวลาการนับสัญญาณพัลสดวยไมโคร คอนโทรลเลอร (4) ระบบนั บ สั ญ ญาณพั ล ส แ ละตั้ ง เวลา นับสัญญาณพัลสดวยไมโครคอนโทรลเลอรทำหนาที่ นับจำนวนสัญญาณพัลสลอจิกจากการนับรังสีตอ หนวยเวลา จำนวนนับที่ไดนี้จะถูกสงผานพีเอสดีไป ประมวลผลยังเครือ่ งเลนเกมบอยใน 2 แบบ คือ อัตรา การรับปริมาณรังสีเฉลีย่ จากผลการนับรังสีตอ 1 วินาที จำนวน 3 ครัง้ พรอมปรับเทียบดวยคาคงที่ แสดงผลใน หนวย mR/hr และอัตรานับรังสีในหนวย CPM ซึง่ คา ที่ประมวลไดจะนำไปแสดงผลบนหนาจอเครื่องเลน เกมบอย (5) สวนเชื่อมโยงสัญญาณระหวางระบบนับ รังสีกบั เครือ่ งเลนเกมบอย เปนการทำงานรวมกันของ ไอซีพีเอสดีและไมโครคอนโทรลเลอรในการสื่อสาร ขอมูล

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

81

รูปที่ 4 แผนภาพเครือ่ งสำรวจรังสีทที่ ำงานรวมกับเครือ่ งเลนเกมบอย 3. ผลการทดสอบสมรรถนะของเครือ่ งสำรวจรังสี 3.1 การทดสอบระบบนับสัญญาณพัลส

รูปที่ 5 เครื่องสำรวจรังสีที่ทำงานรวมกับเครื่องเลน เกมบอยที่พัฒนาขึ้น ในรู ป ที่ 5 แสดงเครื่ อ งสำรวจรั ง สี ที่ ทำงาน ร ว มกั บ เครื่ อ งเล น เกมบอยต น แบบที่ พั ฒ นาขึ้ น ออกแบบใหแสดงผลคาวัดทั้งเชิงเลขและมิเตอรเข็ม พรอมกัน ซึง่ มิเตอรเข็มชวยใหสงั เกตการเปลีย่ นแปลง ระดับอัตราการรับปริมาณรังสีไดงา ย ขณะทีก่ ารแสดง ผลเชิงตัวเลขทำใหอานคาไดแมนยำ

การทดสอบระบบนั บ สั ญ ญาณพั ล ส แ ละ ตั้งเวลานับสัญญาณพัลส เปนการทดสอบขีดจำกัด การประมวลขอมูลของระบบดวยการนับสัญญาณ พั ล ส ล อจิ ก จากเครื่ อ งกำเนิ ด รู ป สั ญ ญาณ โดย แปรเปลีย่ นความถีจ่ าก 0 Hz ถึง 10 kHz ปอนใหกบั ระบบที่พัฒนาขึ้นและแบงยานแสดงผลเปน 3 ยาน ดั ง รู ป ที่ 6 ผลทดสอบแสดงดังกราฟความสัมพันธ ระหวางความถีอ่ นิ พุตและจำนวนนับของระบบนับรังสี ดังรูปที่ 7

รูปที่ 6 แผนภาพการจั ด อุ ป กรณ สำหรั บ ทดสอบ ระบบนับสัญญาณพัลส

82

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

รูปที่ 8 การจัดระบบวัดรังสี [4]

รูปที่ 7 กราฟความสัมพันธระหวางความถี่อินพุต และจำนวนนับตอนาที 3.2 การทดสอบอัตราการสิ้นเปลืองกำลังไฟฟาของ ระบบ การทดสอบอัตราการสิ้นเปลืองกำลังไฟฟา ของระบบขณะทำงานด ว ยแหล ง จ า ยไฟฟ า จาก แบตเตอรีลิเทียมไอออนขนาดศักดาไฟฟา 3.7 โวลต และความจุ 700 มิลลิแอมแปร-ชั่วโมง ผลทดสอบ พบวาระบบใชกระแสเต็มที่ 80 มิลลิแอมแปร คิดเปน กำลังไฟฟาสิ้นเปลือง 296 มิลลิวัตต และสามารถ ทำงานตอเนือ่ งได 8 ชัว่ โมง 3.3 การทดสอบการวัดรังสี (1) ทดสอบการวัดอัตราการรับปริมาณรังสี การทดสอบการวัดอัตราการรับปริมาณรังสีทพี่ ลังงาน 662 keV ในยานวัด (100 mR) x0.01, x0.1 และ x1 ทำไดโดยจัดระบบวัดปริมาณรังสีดังแผนภาพรูปที่ 8 ใชตนกำเนิดรังสีมาตรฐานซีเซียม-137 ความแรงรังสี 74 mCi คำนวณอัตราการรับปริมาณรังสีตามระยะ หางจากตนกำเนิดรังสีในชวง 0-100 mR/hr และวัด อั ต ราการรั บ ปริ ม าณรั ง สี ด ว ยระบบที่ พั ฒ นาขึ้ น ได ผลทดสอบดังกราฟเปรียบเทียบอัตราการรับปริมาณ รั ง สี ที่ วั ด ได กั บ ค า ที่ คำนวณจากต น กำเนิ ด รั ง สี

รูปที่ 9 กราฟเปรียบเทียบอัตราไดรับปริมาณรังสีที่ วัดไดกับคาที่คำนวณจากตนกำเนิดรังสีมาตรฐาน

(2) การทดสอบการวัดอัตรานับรังสีไดทดสอบ ความสามารถในการตรวจวัดอัตรานับรังสีแอลฟาและ บีตา ดวยหัววัดไกเกอรมลู เลอรซงึ่ มีพนื้ ทีร่ บั รังสี 0.89 cm2 โดยจัดรูปแบบวัดในลักษณะ 2π ใชตนกำเนิด รังสีแอลฟา Th-230 ความแรงรังสี 0.8 nCi และตน กำเนิ ด รั ง สี บี ต า Cl-36 ความแรงรังสี 1.139 μCi สามารถวัดอัตรานับรังสีได 720 CPM และ 89,000 CPM ตามลำดับ คิดเปนประสิทธิภาพสัมบูรณของ การวัดรังสีแอลฟาและบีตาเทากับ 3.5% และ 3.7% ตามลำดับ

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

4. สรุปผล ผลการพั ฒ นาเครื่ อ งสำรวจรั ง สี ที่ ทำงาน รวมกับเครื่องเลน เกมบอยพบวาสวนแสดงผลกราฟ ฟกของเครื่องเลนเกมบอยมีความยืดหยุนในการออก แบบสวนแสดงผลทัง้ อนาลอกและดิจติ อล พรอมทัง้ ตัว อักษรของหนวยวัดและมิเตอรเข็ม อีกทั้งสามารถใช ปุมฟงกชันและแปนสวิตซบนเกมบอยในการควบคุม การทำงานของระบบวัดรังสีทำใหประหยัดและใชงาน งายขึ้น สำหรับผลทดสอบสมรรถนะของเครื่องตน แบบที่สรางขึ้นโดยแบงการอานผลออกเปน 3 ยาน (5.5 x103 CPM) x0.1, x1 และ x10 พบวาสามารถ วั ด อั ต รานั บ พั ล ส ไ ด 0–5.5 x104 CPM และมี สัมประสิทธิค์ วามเปนเชิงเสน (R2) ของการตอบสนอง อัตรานับรังสีในแตละยานแสดงผลเปน 0.99971, 0.99885 และ 0.99963 ตามลำดับ ระบบมีอตั ราการ สิ้ น เปลื อ งกำลั ง ไฟฟ า 296 mW สามารถใช ง าน ตอเนื่องไดนาน 8 ชั่วโมง เมื่อใชกับแบตเตอรีชนิด ลิเทียม-ไอออนขนาดความจุ 700 mA-hr สวนการวัด อัตราการรับปริมาณรังสีออกแบบใหสามารถวัดไดใน ชวง 0–100 mR/hr โดยสเกลยานวัดเปลีย่ นไดอตั โนมัติ 3 ยาน (100 mR/hr) x0.01, x0.1 และ x1 ผลทดสอบ การวัดอัตราการรับปริมาณรังสีที่พลังงาน 662 keV จากต น กำเนิ ด รั ง สี ม าตรฐานซี เ ซี ย ม-137 พบว า มีความคลาดเคลื่อนไมเกิน ±2.2 เปอรเซ็นต ในชวง 0–100 mR/hr นอกจากนีร้ ะบบวัดรังสีทพี่ ฒ ั นาขึน้ ยัง สามารถใชตรวจวัดอัตรานับรังสีแอลฟาและบีตาจาก สารกัมมันตรังสีได อันเปนประโยชนสำหรับเรียนรกู าร วัดรังสีจากสารกัมมันตรังสีที่มีอยูในธรรมชาติและ ประยุกตใชในการวัดการเปรอะเปรือ้ นสารกัมมันตรังสี 5. กิตติกรรมประกาศ งานวิจยั นีไ้ ดรบั ทุนอุดหนุนวิทยานิพนธสำหรับ นิสิตจากบัณฑิตวิทยาลัย จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย และขอขอบคุณ ศูนยเชี่ยวชาญนิวเคลียรเทคโนโลยี

83

สำหรั บ วิ เ คราะห แ ละทดสอบวั ส ดุ คณะวิ ศ วกรรม ศาสตร จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย ที่ไดอำนวยความ สะดวกดานเครื่องมือและอุปกรณตางๆ สำหรับงาน วิจัยนี้ 6. เอกสารอางอิง [1] Vangkarn A. Development of an Economical Portable Scaler using CPLD [MEng thesis]. Bangkok: Chulalongkorn University; 2009. (In Thai).

[2] Marcel Cremmel, October 2006. Gameboy Electro-cardiogram (GBECG). Elektor Electronics Magazine: 32-41.

[3] Steve Willis, October and November 2000.

Gameboy Digital Sampling Oscilloscope (GBDSO). Elektor Electronics Magazine: 34-39 and 12-15.

[4] Punnachaiya S. Nuclear radiation detection and instrumentation [Documentation of teaching]. Bangkok: Chulalongkorn University; 1995. (In Thai).

[5] Thanasarntungjararn C. The z80. Bangkok: Physics center; 1997. (In Thai).

[6] Prakormpul T. The C programming language. Bangkok: Simplify; 2010.

(In Thai).

[7] Prawatborrisuit A. Revised manual to learn the C programming language. Bangkok: Provision; 2009. (In Thai).

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1): 85-93

บทความวิจัย

KKU Engineering Journal http://www.en.kku.ac.th/enjournal/th/

การจดจำสัญญาณเสียงเพือ่ จำแนกชนิดของเครือ่ งดนตรีไทยดวยอัลกอริทมึ C5.0 Thai musical instrument recognition and classification using C5.0 algorithm ปริญญา ทองคำ1) วนิดา แกนอากาศ1) กิตติพงษ มีสวาสดิ2)์ และ วิโรจน ทวีปวรเดช*1) Parinya Thongkam1), Wanida Kanarkard1), Kittiphong Meesawat2) and Wiroj Taweepworadej*1) 1) 2)

ภาควิชาวิศวกรรมคอมพิวเตอร มหาวิทยาลัยขอนแกน จังหวัดขอนแกน 40002 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา มหาวิทยาลัยขอนแกน จังหวัดขอนแกน 40002 Received March 2011 Accepted January 2012

บทคัดยอ บทความนีเ้ สนอการนำเสียงของเครือ่ งดนตรีไทย 4 ประเภท จำนวน 9 ชนิดดนตรี มาสกัดลักษณะเฉพาะดวยคา สัมประสิทธิป์ ระมาณพันธะเชิงเสน เพือ่ เรียนรกู ารจดจำเสียงและจำแนกสัญญาณเสียงของเครือ่ งดนตรีดว ยอัลกอริ ทึม C5.0 โดยทำการเปรียบเทียบประสิทธิภาพกับอัลกอริทมึ Back Propagation และอัลกอริทมึ Support Vector Machine ผลการทดลองพบวาอัลกอริทึม C5.0 มีประสิทธิภาพในการรูจำและจำแนกเสียงของเครื่องดนตรีไทย มากทีส่ ดุ ซึง่ มีความถูกตองถึง 99.77% รองลงมาไดแก อัลกอริทมึ SVM และอัลกอริทมึ Back Propagation นอก จากนี้ โมเดลการจดจำแบบ C5.0 ยังแสดงใหเห็นถึงความสามารถที่ดีกวาอีกสองโมเดลทั้งดานความคงทนตอ ขอมูลผิดพลาด เวลาในการวิเคราะหทมี่ ปี ระสิทธิภาพ และความยืดหยนุ ของอัลกอริทมึ คำสำคัญ อัลกอริทมึ C5.0 การคัดแยกขอมูล ดนตรีไทย Abstract This paper proposes the machine learning for the recognition and classification of Thai musical instruments. A set of features extracted from 9 Thai musical instruments are investigated for contentbased classification of musical instrument timbres. The Linear Prediction Coding is used to produce simple matrices from complex sound waveforms for instrument recognition. These matrices are presented to a recognition model of C5.0 algorithm. A thorough evaluation of the resulting performances and comparative analysis with SVM and Back Propagation Model is presented. A C5.0 model shows an accuracy rate of 99.77% outperforms the other two models due to its robustness, time-efficient and flexibility of modeling algorithm Keywords C5.0 Algorithm, Data classification, Thai musical instruments *Corresponding author. Tel.: 089-449-0020

86

1. บทนำ งานวิจัยที่เกี่ยวของกับสัญญาณเสียงเครื่อง ดนตรีมีแพรหลาย โดยสวนใหญเปนงานวิจัยที่ศึกษา กับเครือ่ งดนตรีสากล ทัง้ ในดานการนำเครือ่ งดนตรีแต ละประเภทมาวิเคราะหและสังเคราะหลักษณะเสียง ลักษณะการเกิดเสียง ความถี่ จังหวะ ความยาวคลืน่ เสียง หรือแมแตการนำเสียงของวงดนตรีมาทำการคัด แยกวา มีเครือ่ งดนตรีประเภทใดบางในสัญญาณเสียง ตัวอยาง โดยอาศัยลักษณะเฉพาะของเสียงของเครือ่ ง ดนตรีแตละชนิด [1] ในงานวิจัยของประเทศจีนโดย Yu et al. [2] ไดทำการคัดแยกชนิดเครื่องดนตรีพื้น เมืองของจีนทัง้ หมด 4 ชนิดดวยอัลกอริทมึ Gaussin Mixture Model(GMM) ไดคา ความถูกตอง 85% และ Gunasekaran and Revathy [3] ได พั ฒ นา แอพพลิเคชันในการระบุลกั ษณะเฉพาะของสัญญาณ เสียงที่ไดจากเครื่องดนตรีบรรเลงเดี่ยวจากประเทศ อินเดีย ดวยการแยกคุณสมบัตเิ ดน ๆ ของเสียงเครือ่ ง ดนตรี แลวทำการเรียนรูจำดวย Support Vector Machine และ Multilayer Perceptron ไดคาความ ถูกตอง 89.7% ในประเทศไทยมี ก ารศึ ก ษาวิ จั ย เกี่ ย วกั บ ศาสตรทางดานดนตรี เชน วณิชชากร และฐิมาพร [4] ไดใชเทคนิคในการรูจำเสียง (Voice Recognition) ดวยโมเดล SVM ในการรูจำโนตเพลง เชนเดียวกับ วีระ ทองไพบูลยและคณะ [5-6] ไดนำเสนอการรู จำโนตเพลงโดยการวัดความถี่เสียงของเครื่องดนตรี แตละประเภท แลวนำมาเปรียบเทียบกับฐานขอมูล ความถี่ เพื่ อ จำแนกเป น โน ต แต ล ะเสี ย ง และหา ลักษณะเดนของเสียงแตละเครือ่ งดนตรี โดยใชเครือ่ ง

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ดนตรี 7 ชนิด ประกอบดวย เครือ่ งสี ตี และเปา สวน วีระ ทองไพบูลย [6] สรางแอพพลิเคชันเพือ่ แสดงโนต เพลงไดจากสัญญาณเสียงในรูปแบบ .wav file โดยวิธี การแยกเสียงใช Fourier transform เปรียบเทียบกับ ฐานขอมูลเสียง ทำใหสามารถระบุโนตใหกับเสียง ตัวอยางได อัลกอริทมึ C5.0 เปนอัลกอริทมึ โมเดลใหม ซึง่ พัฒนามาจากอัลกอริทมึ C4.5 [7] ใหมปี ระสิทธิภาพ เพิ่มขึ้นทั้งในดานความเร็วในการประมวลผล และ การบริหารจัดการหนวยความจำ อัลกอริทึม C5.0 สามารถทำงานไดกบั ขอมูลทีม่ คี า น้ำหนักแตกตางกัน และขอมูลทีย่ งั ไมสามารถระบุกลมุ ได อัลกอริทมึ C5.0 ถูกนำมาใชในงานวิจัยในดานตาง ๆ เชน Asheibi et. Al. [8] ใชอลั กอริทมึ C5.0 ในการกำหนดคาตัวแปร ที่ตางกันเพื่อระบุลักษณะเดนของแตละกลุมขอมูล สวน Niu et al. [7] ไดนำอัลกอริทึม C5.0 มาสราง ระบบรจู ำการทำงานของ DBMS ในสวนการคัดแยก ชุดคำสั่ง ความถูกตองของการคัดแยกไดจากการ ทดสอบชุดขอมูล และ Park [9] ไดนำอัลกอริทมึ C5.0 มาชวยพัฒนาระบบการวินิจฉัยความเสี่ยงที่จะเปน โรคเนือ้ งอกชนิด Melanoma ซึง่ เปนประโยชนแกคนไข ทีเ่ ขามาตรวจสุขภาพ หากพบวามีความเสีย่ งทีจ่ ะเปน โรคจะไดทำการรักษาไดทันทวงที งานวิจัยนี้เสนอแนวคิดที่จะนำความสามารถ ของอัลกอริทมึ C5.0 มาใชกบั การรจู ำและจำแนกเสียง เครือ่ งดนตรีไทย 4 ประเภท จำนวน 9 ชนิด โดยทำการ ทดลองเปรียบเทียบประสิทธิภาพอัลกอริทมึ C5.0 กับ อัลกอริทมึ Back Propagation และอัลกอริทมึ SVM เพือ่ วัดความสามารถของแตละอัลกอริทมึ ในดานการ

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

รูจำและจำแนกขอมูลเสียงเครื่องดนตรีไทย 2. วัตถุประสงคของการวิจยั 2.1 พัฒนากระบวนการสกัดสัญญาณเสียง ของเครือ่ งดนตรีไทย ทีส่ ามารถสะทอนเอกลักษณของ เครื่องดนตรีไทยแตละชนิด 2.2 นำอัลกอริทึม C5.0 มาพัฒนางานวิจัย เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระบบการเรียนรูจำและคัด แยกสัญญาณเสียงของเครื่องดนตรีไทย 2.3 เปรียบเทียบประสิทธิภาพที่ไดจากการ ทำงานของอัลกอริทึม C5.0 กั บ อั ล กอริ ทึ ม Back Propagation และอัลกอริทมึ SVM 3. ความรเู กีย่ วกับเครือ่ งดนตรีไทย ดนตรีไทย แบงเปนประเภทตามลักษณะการ บรรเลง 4 ประเภทไดแก ดีด สี ตีและเปา โดยเครือ่ ง ดนตรีแตละชนิดนัน้ ก็มรี ปู ลักษณ เสียง รวมทัง้ วัสดุที่ ใชแตกตางกันออกไป งานวิจยั นีส้ นใจศึกษาสัญญาณ เสียงของเครือ่ งดนตรีไทยรวม 9 ชนิด แบงเปน ประเภท ดีด 1 ชนิด ไดแก จะเข ประเภท สี 2 ชนิด ไดแก ซอดวง และซออู ประเภทตี 4 ชนิด ไดแก ระนาดเอก ระนาด ทุม ฆองวงใหญ และฆองวงเล็ก และ ประเภทเปา จำนวน 2 ชนิด ไดแก ขลยุ และป เครือ่ งดนตรีทศี่ กึ ษา มีชวงของคาระดับเสียง และ ความถี่ที่ แตกตางกัน แสดงไดดงั ตารางที่ 1 (6) โดยเครือ่ งดนตรีทมี่ ชี ว งของ ระดับเสียงและความถีก่ วางทีส่ ดุ ไดแก ป โดยมีระดับ เสียง 32 เสียง ตัง้ แตเสียง “โด [114.27 Hz]” จนถึง เสียง “ฟา [2,460.81 Hz]” สวนเครือ่ งดนตรีทมี่ ชี ว งของ ระดับเสียงและความถี่แคบที่สุดไดแก เครื่องดนตรี ประเภทสี เชน ซอดวง และ ซออู ซึ่งมีระดับเสียง 9 เสี ย ง โดยซอด ว งมี ร ะดั บ เสี ย งตั้ ง แต เ สี ย ง “ซอล [1,358.48 Hz]” จนถึงเสียง “ลา [2,999.76 Hz]” และ

87

ซออมู รี ะดับเสียงตัง้ แตเสียง “โด [228.55 Hz]” จนถึง เสียง “เร [504.67 Hz]” 4. กระบวนการสกัดลักษณะเดนของเสียงดนตรี งานวิจยั นีใ้ ชคา สัมประสิทธิป์ ระมาณพันธะเชิง เสน(Linear Prediction Coding)ในการสกัดสัญญาณ เสียงของชุดขอมูลตัวอยาง โดยเริม่ จากการคำนวณคา ประมาณของสเปกตรัมกำลังสำหรับแตละเฟรม ดวย การคูณแตละคาของสัญญาณในเฟรมดวยฟงกชัน หนาตาง และนำสัญญาณทีไ่ ดมาผานการแปลงฟูเรียร แบบเร็ว (Fast Fourier Transform: FFT) เพือ่ แปลง สัญญาณเสียงจากแกนเวลาใหอยใู นแกนความถี่ จาก นั้ น จึ ง หาค า สเปกตรั ม กำลั ง (Power Spectrum) p(ω) และทำการเปลี่ยนแกนความถี่ใหอยูในแกน ความถี่บารก (Bark) Ω(ω) โดยใชฟงกชันวอรป (Warping Function) ตามสมการ (1) เพือ่ ลดอิทธิพล ของสเปกตรัมความถี่สูง 0.5 ⎡ ω ⎡ ω 2 ⎤ ⎤ ) + 1⎥ ⎥ Ω(ω ) = δ ln ⎢ + ⎢( ⎦ ⎦⎥ ⎣⎢1200π ⎣ 1200π

(1)

โดยที่ คา ω หมายถึง คาความถี่เชิงมุมใน หนวยของเรเดียนตอวินาที หลังจากนั้น ทำการลด ความไวของสเปกตรัมดวยการกรองดวยหนาตางสี่ เหลีย่ มคางหมู ซึง่ หนาตางสีเ่ หลีย่ มคางหมูได จากการ ประมาณสเปกตรั ม กำลั ง ของเส น โค ง แถบวิ ก ฤต (Critical Band Curve) ดังสมการที่ (2) 0 ⎧ ⎪ 102.5( Ω+ 0.5) ⎪⎪ ψ (Ω) = ⎨ 1 − 1.0( ⎪10 Ω+ 0.5) ⎪ 0 ⎪⎩

, Ω < −1.3 , −1.3 ≤ Ω < −0.5 −0.5 ≤ Ω < 0.5 0.5 ≤ Ω < 2.5 Ω ≥ 2.5

(2)

88

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ตารางที่ 1 ระดับเสียงและคาความถี่เสียงสำหรับดนตรีไทย

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

หลังจากนัน้ ทำการเนนสเปกตรัมอีกครัง้ หนึง่ โดยใช โ ค ง ความดั ง เที ย บเท า (Equal-Loudness Curve) เพือ่ ถวงน้ำหนักสเปกตรัมตามหลักของการรับ ฟงของมนุษยทจี่ ะมีความไวตอเสียงไมเทากันในแตละ ชวงความถี่ ดังสมการ ที่ (3) ⎡⎣(ω + 56.8×10 )ω ⎤⎦ E(ω) = ⎡⎣(ω2 + 6.3×106 )2 × (ω2 + 0.38×109 )(ω6 + 9.58×1026 )⎤⎦ 2

6

(3)

∑

Gain( S , A) = Info( S ) −

v∈values ( A )

SA S

× Info( S A )

(5)

ข อ มู ล การแบ ง แยกออกของข อ มู ล (Split Information) ตามสมการที่ (6) คือคา Entropy ของ แตละคุณสมบัตขิ อง A โดยจะตองทำการขจัดคาโนม เอียง (Bias) ของคุณสมบัติ คำนวณไดจากสมการที่ (6) n

SplitInfo( S , A) = ∑ i =1

Si S

log(

Si S

)

(6)

จากนั้ น หาค า Gain Ratio ด ว ยการนำค า Gain ทีค่ ำนวณไดหารดวยคา Split Information ดังสมการ ที่ (7) GainRatio( S , A) =

Gain( S , A) SplitInfo( S , A)

(7)

6. วิธกี ารทดลอง

5. อัลกอริทมึ C5.0 อัลกอริทมึ C5.0 เปนอัลกอริทมึ ทีม่ กี ารเรียนรู แบบอาศัยการดูแลโครงสรางผลลัพธ ทีแ่ ทนดวยโครง สรางตนไม Niu et al. [7] นำเสนอกระบวนการทำงาน ของอัลกอริทึม C5.0 โดยใชคาทฤษฎีขาวสารของ คุ ณ สมบั ติ ที่ มี ค า มากตั้ ง เป น โหนดเริ่ ม ต น และ ทำกระบวนการเดิมยอนกลับ โดยใชคา Information Entropy รวมดวย เพื่อคำนวณคาของคุณสมบัติ A เริม่ ตน หาคา Information Entropy จากสมการที่ (4) n

i =1

เมือ่ คา S หมายถึง ลำดับชุดขอมูลตัวอยาง และ คา Pi หมายถึ ง ค า ความน า จะเป น ที่ ไ ด จ ากการสุ ม ตัวอยางที่เกิดขึ้นใน S โดยการวัดคา Information Gain เพือ่ เปนการสรางลำดับดังสมการที่ (5)

4

โดยที่ คา E(ω) คือ คาประมาณของความไว ในการรับเสียงของหูมนุษยทคี่ วามถีต่ า ง ๆ และเมือ่ ใช โคงความดังเทียบเทาทำการเนนสเปกตรัมแลว จึง ทำการประมาณกฎกำลังของการไดยนิ (Power Law of Hearing) ดวยการบีบแอมพลิจดู รากทีส่ าม (Cubic Root Amplitude Compression) เพื่อลดความแปร ปรวนในขนาดของสเปกตรัมแถบวิกฤต จากนัน้ จะทำ การแปลงฟู เ รี ย ร แ บบไม ต อ เนื่ อ งผกผั น (Inverse Discrete Fourier Transform, IDFT) โดยแกชดุ สมการ เชิงเสนและทำการเวียนเกิดเซปสตรัม (Cepstrum Recursion) เพื่อใหไดลักษณะเดนของเสียงออกมา [4]

Info( S ) = ∑ pi log( pi )

89

(4)

เสียงของเครือ่ งดนตรีทที่ ดสอบบันทึกเปนไฟล เสียงแบบ .wav File ทีม่ อี ตั ราชักตัวอยาง (Sampling Rate) ของความถีใ่ นสัญญาณเสียง 44,100 ตัวอยาง ตอวินาที โดยทำการบันทึก 8 ตัวโนต ไดแก ดฺ รฺ มฺ ฟฺ ซฺ ลฺ ทฺ และ ดํ สำหรับ จะเข ซออู ระนาดเอก ระนาดทมุ ฆองวงใหญ ฆองวงเล็ก ขลยุ และ ป สำหรับซอดวง ทำการบันทึกเพียง 7 ตัวโนต ไดแก ดฺ รฺ มฺ ฟฺ ซฺ ลฺ และ ทฺ เนือ่ งจาก ซอดวงเปนเครือ่ งดนตรีทไี่ มมโี นตเสียง ดํ โนตแตละตัวไดมาจากการเลนเพลงตอเนื่อง ที่ตัด เสียงออกมาเปนโนตเดีย่ ว ตัวโนตละ 5 เสียง ดำเนิน การสกัดสัญญาณสียงดวยคา LPC order = 20 และ ทำการสกัด 10 เฟรมตอเสียง

90

ขอมูลเสียงมาตรฐานไดจากเสียงของเครื่องดนตรี ตัวอยางจำนวน 4 ชนิด ไดแก จะเข ซอดวง ระนาดเอก และขลุย ทำใหไดจำนวนเสียงทั้งหมด 155 เสียง จำนวน 1,550 ตัวอยาง สวนสัญญาณเสียงขอมูลจริง ไดจากสัญญาณเสียงเครื่องดนตรี 9 ชนิดที่ใชเปน ขอมูลในการทดลอง ทำใหไดขอ มูลทัง้ หมด 355 เสียง จำนวน 3,550 ตัวอยาง โดยขอมูลทั้งหมดประกอบ ดวยพารามิเตอรทแี่ ตกตางกันจำนวน 21 คา ข อ มู ล มาตรฐานถู ก นำมาประมวลผลด ว ย อัลกอริทมึ C5.0 อัลกอริทมึ SVM และอัลกอริทมึ Back Propagation เพือ่ หาคาพารามิเตอรทเี่ หมาะสมในแต ละอัลกอริทึม ที่ใชปรับคาพารามิเตอรในการทดสอบ กับสัญญาณเสียงขอมูล ผลการทำงานของขอมูลจริง ดวยอัลกอริทมึ ตาง ๆ ตามคาพารามิเตอรทไี่ ดทำการ ปรับไวอยางเหมาะสม ถูกนำมาเปรียบเทียบวิเคราะห ถึงประสิทธิภาพในการจำแนกขอมูลในแตละอัลกอริ ทึม จากโปรแกรม Matlab ซึง่ เปนเครือ่ งมือสำคัญ และ มีประสิทธิภาพ เหมาะสำหรับการวิเคราะหขอ มูลทาง เทคนิคที่มีความซับซอนมาก ๆ โดยสามารถเรียกใช เครื่องมือที่กำหนดไว หรือสามารถเขียนเพื่อสราง ฟงกชันใชงานเองได 7. ผลการทดลอง การปรับคาพารามิเตอรและคาความถูกตองที่ สำคั ญ สำหรั บ แต ล ะอั ล กอริ ทึ ม ที่ ไ ด จ ากผลการ ประมวลผลดวยขอมูลมาตรฐาน แสดงดังตารางที่ 2 โดยอัลกอริทมึ C5.0 เปนอัลกอริทมึ ทีม่ ปี ระสิทธิภาพ ในการจดจำและจำแนกขอมูลสูงสุด

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ตารางที่ 2 คาพารามิเตอรและคาความถูกตองที่ได จากการประมวลผลดวยขอมูลมาตรฐาน

ผลการจำแนกขอมูลเสียงจริงดวยอัลกอริทึม C5.0 ในรู ป แบบ Confusion Matrix ตามค า พารามิเตอรทไี่ ดจากการทดสอบดวยขอมูลมาตรฐาน จำแนกตามเครือ่ งดนตรีไดดงั ตารางที่ 3 ซึง่ พบวา อัล กอริทึม C5.0 สามารถจำแนกเครื่องดนตรีไทยไดถูก ตองทัง้ หมด 100% จำนวน 4 ชนิด ไดแก ฆองวงเล็ก ระนาดทุม ป และ ขลุย ซึ่งเปนเครื่องดนตรีประเภท ตีและเปา จำแนกไดถกู ตอง 99.75% จำนวน 3 ชนิด ไดแก ซออู ฆองวงใหญ และ ระนาดเอก และ จำแนก ไดถูกตอง 99.5% จำนวน 2 ชนิด ไดแก จะเข และ ซอดวง โดยที่ จะเข และ ซออู จำแนกผิดเปนป สวน ซอดวง ฆองวงใหญ และ ระนาดเอก จำแนกผิดเปน ซออู

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

ผลการจำแนกสัญญาณเสียงเครือ่ งดนตรีไทย ดวยอัลกอริทึม SVM ในรูปแบบ Confusion Matrix แสดงดังตารางที่ 4 ซึง่ พบวา การจำแนกเครือ่ งดนตรี มีความผิดพลาดในทุกชนิดของเครื่องดนตรี โดยเปน การจำแนกผิดไปเปนเครื่องดนตรีชนิด ตาง ๆ แตไม พบวามีการจำแนกผิดไปเปนป และเครื่องดนตรีที่มี การจำแนกถูกตองมากกวา 90.00% มีเพียง 2 ชนิด เทานัน้ ไดแก ป และ ขลยุ

91

จากการประมวลผลดวยขอมูลจริง 9 ชนิ ด ดนตรี พบวาอัลกอริทึมแตละชนิด สามารถคัดแยก สัญญาณเสียงเครื่องดนตรีไทยประเภทเครื่องตีและ เครือ่ งเปาไดดี โดยมีตารางที่ 5 แสดงการจำแนกขอมูล จริงดวยอัลกอริทึม Back Propagation ในรูปแบบ Confusion Matrix ซึ่งพบวา ความสามารถในการ จำแนกเครื่ อ งดนตรี ไ ทยด ว ยอั ล กอริ ทึ ม Back Propagation คอนขางต่ำ โดยเครือ่ งดนตรีทสี่ ามารถ จำแนกไดถกู ตองสูงสุด คือ ป ซึง่ มีความถูกตองเพียง 84.25%

ตารางที่ 3 การจำแนกขอมูลเสียงจริงดวยอัลกอริทมึ C5.0 ในรูปแบบ Confusion Matrix

ตารางที่ 4 การจำแนกขอมูลเสียงจริงดวยอัลกอริทมึ SVM ในรูปแบบ Confusion Matrix

92

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ตารางที่ 5 การจำแนกขอมูลเสียงจริงดวยอัลกอริทมึ Back Propagation ในรูปแบบ Confusion Matrix

ความถู ก ต อ งในการจำแนกเครื่ อ งตี แ ละ เครือ่ งเปามากกวาประเภทเครือ่ งดีดและเครือ่ งสี ทัง้ นี้ เนื่องจาก เครื่องดีดและเครื่องสีเปนเครื่องดนตรีที่มี สายเปนสวนกำเนิดเสียง ทำใหเสียงตัวอยางไมสม่ำ เสมอ มีผลใหเกิดขอผิดพลาดในการจำแนกมากขึ้น และเมื่อเปรียบเทียบคาความถูกตอง และระยะเวลา ในการประมวลผลทัง้ 3 อัลกอริทมึ โดยคิดจากระยะ เวลารวมตั้งแตเริ่มประมวลผลจนสิ้นสุดการทำงาน และระยะเวลาการทำงานโดยเฉลีย่ ตอเครือ่ งดนตรี ได ผลลัพธดังตารางที่ 6 ซึ่งแสดงใหเห็นวาอัลกอริทึม C5.0 มี ป ระสิ ท ธิ ภ าพเหนื อ กว า อั ล กอริ ทึ ม Back Propagation และอัลกอริทมึ SVM ทัง้ ในแงสามารถ ประมวลผลไดมีความถูกตองสูง และในแงประมวล ผลไดรวดเร็วกวา ตารางที่ 6 การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของอัลกอริทมึ C5.0 Back Propagation และ SVM

8. สรุปผลการทดลอง การประมวลผลดวยขอมูลจริงมีความถูกตอง เปนแนวทางเดียวกันกับการประมวลผลดวยขอมูล มาตรฐาน กลาวคือ เมือ่ พิจารณาถึงคาความถูกตอง และระยะเวลาในการทำงานของโมเดล อัลกอริทึม C5.0 มีความสามารถในการจำแนกขอมูลสัญญาณ เสียงของเครื่องดนตรีไทยไดเร็ว และมีความถูกตอง มากทีส่ ดุ โดยอัลกอริทมึ C5.0 มีโครงสรางการทำงาน ในสวนการปรับคา Boosting และการตัดโหนด Tree ที่ไมมีผลตอการจำแนกออกไป ทำใหไดคาความถูก ตองเพิม่ ขึน้ โดยอัลกอริทมึ SVM และ อัลกอริทมึ Back Propagation มีความสามารถในการจำแนกฯ ลดทอน ลงมาตามลำดับ ซึ่งอาจเปนเพราะวา ในงานวิจัยชิ้น นีม้ จี ำนวนกลมุ ขอมูลทีต่ อ งการจำแนกมากถึง 9 กลมุ ซึ่งไมเหมาะกับแนวคิดในการจำแนกขอมูลที่ใชใน โมเดล SVM และ Back Propagation สงผลใหคา ความถูกตองในการจำแนกขอมูลลดลง

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

9. เอกสารอางอิง [1] Agostini G, Longari M, Pollastri E. Musical instrument timbres classification with spectral features. EURASIP Journal on Applied Signal Processing. 2003; 1: 1-13.

[2] Yu J, Chen X, Yang D. Chinese folk musical instruments recognition in polyphonic music. Proceedings of the International Conference on Audio, Language and Image Processing; 2008 Jul 7-9; Shanghai, China. 2008. p. 1145-1152.

[3] Gunasekaran S, Revathy K. Fractal dimension analysis of audio signals for Indian musical instrument recognition.

Proceedings of the International Conference on Audio, Language and Image Processing; 2008 Jul 7-9; Shanghai, China. 2008. p. 257-261.

[4] Pongthatsana W, Phetkaew T. Thai classical music (ja-khae) notes recognition using Support Vector Machines.

Proceedings of the 12th National Computer Science and Engineering Conference; 2008 Nov 20-21; Chonburi, Thailand. 2008. p. 1-8. (In Thai).

[5] Tongpaibul W, Suwancheewasiri C, Pongyart W. An identification of Thai traditional musical instruments by feature extraction using neural network.

Proceedings of the 10th National Computer Science and Engineering Conference; Khon Kaen, Thailand. 2006 Oct 25-27, 2006. p. 467-473. (In Thai).

93

[6] Tongpaibul W. An algorithm for note and instrument recognition of Thai traditional music instrument [MSc thesis]. Bangkok: King Mongkut’s Institute of Technology North Bangkok; 2006. (In Thai).

[7] Niu Z, Zong L, Yan Q, Zhao Z. Autorecognizing DBMS workload based on C5.0 algorithm. Proceedings of the IEEE Second International Workshop on Knowledge Discovery and Data Mining; 2009 Jan 23-25; Moscow, Russia. 2009. p. 777-780.

[8] Asheibi A, Stirling D, Sutanto D. Classification and explanatory rules of harmonic data. Proceedings of the Australasian Universities Power Engineering Conference; 2008 Dec 14-17; Sydney, Australia. 2008. p. 1-5.

[9] Park D-C. Classification of audio signals using Fuzzy c-Means with divergencebased kernel. Pattern Recognition Letters.

2009; 30(9): 794-798.

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1): 95-111

บทความวิจัย

KKU Engineering Journal http://www.en.kku.ac.th/enjournal/th/

Humidity and temperature control in an evaporative cooling system of a poultry house Kritsadang Senawong1), Sorayute Winitchai2) and Thana Radpukdee*3) Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, Khon Kaen University, Khon Kaen, Thailand 40002 Industrial Technology Assistant Program, Khon Kaen University, Khon Kaen, Thailand 40002, 3) Industrial Engineering Department, Faculty of Engineering, Khon Kaen University, Khon Kaen, Thailand 40002 1) 2)

Received September 2011 Accepted January 2012

Abstract This paper presents a mathematical model and a robust control technique for temperature and humidity control in an evaporative cooling system of a poultry house. The model was considered from mass and energy balance relations of air and water in the system. To validate the mathematical model, its responses were compared with a real system by using a set of feed forward experimental signals.

Additionally, the well known sliding mode control with decoupling control law was also applied to the model. The simulation in case of summer conditions shows its behavior and demonstrates the ability of the proposed control technique in order to compensate for the changing ambient air conditions around the house.

Key words: Sliding mode control, Evaporative cooling control, Poultry house

*Corresponding author. Tel.: 081-262-4949 Email address: tthanar@gmail.com

96

1. Introduction Currently, the number of domestic poultry houses that have changed from open to closed system has increased for the sake of inside air condition control. Such systems use evaporative air conditioning systems for an appropriate adjustment of temperature and moisture content.

This change results in higher production per unit of poultry house. With suitable design of temperature and moisture controller, increment of production and energy efficiency in terms of equipment used can be achieved. To reach that point, a mathematical model that elaborates relationship between temperature and humidity has to be derived first.

To validate the model, its response is compared with a real plant (Fig.1). The plant has a size of 14*125*4 m3, the number of chicken is 60,000, and a chicken weighs 2 kg. For more details of the plant, see Table 1.

This work is organized as follows. Section 2 constructs a set of mathematical models.

Section 3 introduces the response comparison between the model and the real plant, while in Section 4, simulation in the case of summer is presented. Finally, conclusions are given in Section 5. Figure 2 shows the Research methodology.

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

Table 1 Plant description Nomenclature ρair

Value 1.2 kg/m3

Cp

1.005 kJ/(kg⋅K)

VT ,V H

UA

70% of poultry house size (14 x 125 x 4 m3) 60,000 unit 0.712 kW/K [6]

λ

2.257 kJ/ g H O

N ch

2

where ρair

is air density

Cp

is specific heat of air

VT ,V H

is inside air and heat

N ch

is number of animals is coefficient of heat convection is Latent heat

UA

λ

Figure 1 The poultry house in this study (a case study of a chicken farm in Khon Kaen, Thailand)

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

97

With the evaporative process, ambient air is cooled and moisture added from direct contact with water in the cooling pad simultaneously. The process is shown in the Psychometric chart from state 1 to 2 with the hypothesis that there is no loss of heat to the environment during the adiabatic process. In the other words, some sensible heat from the outside air is transformed to be latent heat for evaporation as show in Figure 4. The cooled supply air absorbs energy to increase its temperature from state 2 to 3.

Figure 2 Research methodology 2. Mathematical modeling of an evaporative air-conditioning system In this section, the theory of energy and mass balance in air and water is used to construct a set of equations. The equations can explain the relation of temperature and moisture content inside any control volume in terms of ordinary differential equations. In this form, further control law design can be conveniently made. However, before we get to those equations, the fundamental direct evaporative cooling process has to be considered first. Figure 3 shows the direct evaporative cooling process with constant enthalpy because of the adiabatic process assumption.

Figure 3 A direct evaporative cooling system and the Psychometric chart illustrating the constant enthalpy Process

98

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

Then the mass flow rate of the air (m. a) can be determined by the cooling load as follows.[3] Cooling load = Mass Flow rate x [Enthalpy of state(3)-Enthalpy of state(2)] ܳሶ௟௔௧௘௡௧ ൅ ܳሶ௦௘௡௦௜௕௟௘ ൌ ݉ሶ௔ ‫ܥ‬௣௨ ሾܶଷ െ ܶଶ ሿ ܳሶ்௢௧௔௟ ൌ ݉ሶୟ ‫ܥ‬௣௨ ሾܶଷ െ ܶଶ ሿ

(1)

where Figure 4 Simplified Evaporative Air-Conditioning Process [3] In order to find the relationship between the inside air conditions and the evaporative cooling process, a block diagram of an air conditioning system is illustrated in Figure 6.

Almost saturated air will occur when the air from state 1 passes the cooling pad into state 2. If the cooling pad effectiveness is 100%, state 2 can have perfect saturation with relative humidity of 100%. However it is not true in practice. Finally from State 2 to State 3, heat in the process will cause decrement of relative humidity. The cooled air state 2 (assume no moisture absorption in the poultry house) is mixed with the air in the poultry house. Then the mixture will reach the required temperature and be removed from the poultry house eventually.

2.1 Model for feed forward control To meet the desired conditions the cooled supply air is sufficient against the amount of cooling load. To achieve this goal, the cooling load has to be calculated first. Assume that both dry air and water vapor are perfect gases.

Cpu = Cpa + ωCpv is the specific heat of wet air.

As shown in Eq.(1), given the cooling load Qtotal and air mass flow rate, the final temperature inside the control volume T3 can be evaluated by 1 3

a

2

(2)

From Eq. (2), we can consider the terms 1/ a and T2 as input to the system. Consider the relation for Cooling pad efficiency (ε ) as in Eqs (3) and (4). If (T1−Twb1) is the wet bulb depression,

ε = or

T1−T 2

T1−Twb1

T2 = T1 −ε [ T1− Twb1]

(3)

(4)

The pad efficiency or cooling effectiveness (ε ) relates to speed of the air passing through the cooling pad in the form of an exponential decay as shown in Figure 5 and Eq (5).

From the work of Camargo et al [4]. the effectiveness can be considered from ε =1−e

[. ] -h c A ma Cpu

(5)

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

99

In the above equation, with constant air . mass flow rate (ma) the effectiveness (ε) can be found. From considering Eqs. (2),(4) and (5), the equation that has the inside temperature (T3) as . response and air mass flow rate (ma ) as control signal is formed to be Eq. (6). ܶଷ ൌ

Figure 5 Characteristic curves for effectiveness [8] where hc is coefficient of heat convection of Cooling pad (w/m2.OC) A is heat exchanger evaporation area of cooling pad (m2) Cp is specific heat of air (J/kg.K) . ma

is air mass flow rate (kg/s)

ொሶ೅೚೟ೌ೗ ଵ ஼೛ೠ ௠ሶೌ

൅ ܶ௪௕ ௪ భ ൅ ൣܶଵ െ ܶ௪௕భ ൧݁

൤

ష೓೎ ಲ ൨ ೘ሶೌ ಴೛ೠ

(6)

2.2 Model for feedback control From Eq. (6), the inside temperature (T3) can be found from the heat load (QTotal). However, the heat load varies all the time. So, this equation can be used for feed forward control only. It cannot respond to the changing environment.

However, the heat load can be updated according to the outside temperature. It is still

Figure 6 Block diagram of the ideal steady state evaporative cooling process.

(Where T is Dry-bulb Temperature, φ is Relative Humidity, H is Enthalpy and ω is humidity ratio

100

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

difficult to enforce the system because there is no compensation in model errors of the heat load (4) . In order to design a feedback control system, the balance of mass and energy has to be considered as follows.

Energy balance Inside energy changes = Energy input – Energy output Mass balance Inside humidity changes = Water input – Water output These relations can be expressed as dTin = Qch + Qc − Qv − Qev dt

(7)

d ωin = wch + wair out + wev − wair in dt

(8)

ρ air C pVT ρ airVT

where ρair Cp

VT

Tin t Qch

is is is is is is

air density specific heat of air inside air (m3) inside temperature ( 0C) time in second sensible and latent heat from chicken

in kJ/s Qc Qv Qev

ωin wch

is heat load from the ceiling and wall into the poultry house in kW is heat loss from ventilation in kW is heat used to evaporate water in kW is humidity ratio in the poultry house in gmoisture/kgdry air is humidity ratio from chicken in gmoisture/s

wair out wev wair in

in

is humidity ratio from ambient air into the poultry house in gmoisture/s is humidity ratio from evaporated water in gmoisture/s is humidity ratio out the poultry house gmoisture/s

From Equations (7) and (8), each term on their right hand side can be supplied as in the following sections.

(1) Sensible heat (Qch) and Humidity (wch) from chicken From data from the case study, one chicken generates heat and water of 10 Btu/hr and 105 cc./day, respectively, these data have been considered by an expert. In this work, both parameters follow the equation in the work of Daskalov(6) which used the case of 20 kg piglets.

This is because there is no equation for chickens expressed as a function of sensible heat and ambient temperature. Rough estimation in the model can be done due to the ability of Sliding Mode Control (SMC) that can compensate for uncertainty in that model. Therefore, with 2kg per chicken, 60000 chickens is equivalent to 6000 piglets in Daskalov’s equation. However, the equation was not designed for poultry but the objective of this work is to give guidelines for automatic control system design. However, if there is a relationship for the chicken, it can be substituted into the control model easily.

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

ch

ch

1.85

wch = where Nch is Qch is Tin is wch is

0.096 10 7

0.001 ch 6.465

0.8 10

4

0.26 2 81.6

(9) (10)

number of animals sensible heat from the animals (kW) inside air temperature (OC) humidity ratio production from the animals (kg/h)

(2) Heat load from the Ceiling and Wall into the poultry house (QC) Normally, the heat conduction through the building can be expressed as a linear function of temperature difference between inside and outside.

Qc = U A [Tout − Tin ]

(11)

where UA is coefficient of heat convection of ceiling and wall (kW/K) Tout is outside air temperature (OC) (3) Heat loss from ventilation (QV) This loss not only depends on the temperature difference, it also varies according to the ventilation rate as expressed in Eq. (12)

101

QV = ρ airVR C p [Tout − Tin ]

(12)

where VR is Volume of air flow rate (m3/s) (4) Heat used to evaporate water (Qev) The heat used to evaporate water can be obtained easily by multiplication of the latent heat of vaporization by the amount of evaporated water.

Qev = λ wev (13) where λ is Latent heat (5) Value of humidity ratio from ambient air coming to the poultry house ( wair out ) wair out = ρ airVRωout

(14)

(6) Value of humidity ratio flow out of the poultry house ( wair in ) wair in = ρ airVRωin

(15)

where wair out , wair in are external and inside absolute

humidity in g H O/kgdryair respectively.

2

102

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

Substituting equations (9) - (15) into equations (7) and (8) yields 4 −7 ⎡ ⎤ dTin N ch × 0.096 × ⎣ 0.8 − 1.85 × 10 (Tin + 10 ) ⎦ + U A [Tout − Tin ] − λ wev VR = − [Tout − Tin ] dt VT ρ air C pVT

(16)

N ch × 0.001 × ⎡⎣ 0.26Tin2 − 6.465Tin + 81.6 ⎤⎦ + wev V R d ω in = − [ win − wout ] ρ airV H dt VT

(17)

Then substituting the plant parameters from Table 1 into Eq. (16) and (17) leads to dTin ⎡ 4 = 77.76 − 1.801 × 10 − 5 ( Tin + 10 ) ⎤ × 10 − 3 + 0.12036 × 10 − 3 [Tout − Tin ] − ⎣ ⎦ dt [T − Tin ]V R 0.1059 × 10 ( − 3) wev − out 4900

(18)

2 −3 d ω in ⎡⎣ 0.265Tin − 6.5918Tin + 83.26 ⎤⎦ × 10 V = + 4.72 × 10 − 8 wev − R [ win − wout ] dt 3600 4900

(19)

The above set of equations can be simplified to be multi input/output (Mi/Mo). That is 1

1 3

2

Where

2

(20)

4

4 f1 = ⎡77.76 − 1.801×10−5 ( Tin + 10 ) ⎤ ×10−3 + 0.12036 × 10−3 [Tout − Tin ] ⎣ ⎦

⎡ 0.265Tin2 − 6.5918Tin + 83.26 ⎤⎦ × 10 −3 f2 = ⎣ 3600

b1 = 0.1059 × 10 −3

b2 =

[Tout − Tin ] 4900

b3 = 4.72 × 10 −8

b4 =

[ win − wout ] 4900

One way to control the inside temperature (Tin) and humidity (Win) is to use some nonlinear control design to compensate the system for nonlinearity and uncertainty. For this work the well known sliding mode control technique with Lyapunov stability analysis has been used to design a control law in section 4. Before going to that section, validation of the mathematical model has to be done.

3. Model validation To ensure correction of the model, response comparison of the real plant and the model was conducted by using the same actual input signal as illustrated in Figure 7. Collected data in the graph shows increment of air flow and switching operation of the water pump. These control input signals have been tested in the real plant and

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

fed forward to the mathematical model in terms of Volume of air flow rate (VR) and water flow rate (wev).

By using the control input signal in Figure 7, the air flow rate is all the way from about 32 m3/s up to 104 m3/s while the under flow with 15 m3/s constant rate is on/off for 6/10 minutes respectively. A comparison of output signals is shown in Figure 8.

From the responses in Figure 8 the weather condition values from the derived mathematical model are quite close to the real measured values. Error between real conditions and model in terms of inside temperature and absolute humidity are 0.5487% and 2.9417 % respectively. These errors are acceptable in order to design a control law based on robust control technique. Such a technique will be presented in the next section.

103

4. Sliding mode control and simulation results Due to limitations of the controller in the farm (using an open loop controller) and control stability concerns for production, a closed loop control experiment was not set up in this work.

However, with the acceptable accuracy of the model, the simulation results of the SMC are presented here.

In the SMC technique, the sliding function has to be defined first. The errors between response and desired condition of the inside temperature and humidity content are given by: Sliding function for temperature: (21a) ST = Tin - Tind Sliding function for humidity: (21b) Sw = win - wind where Tind is the designed temperature wind is the designed humidity content

Figure 7 Air flow rate (m3/s) and water flow rate (kg/s)

104

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

Although the sliding function has been constructed, the control law cannot be derived yet because of the coupling condition of the control distribution matrix in equation (20) (2nd term of its RHS). Therefore, the decoupling process will be done here. The assumption is that all arguments in that matrix are known and its determinant is not zero (detBz0). Note that if the values are not known exactly, those imperfections still can be compensated for by the nature of the sliding mode control. Let

ܸሶ ൌ ‫ݏ ்ݏ‬ሶ ் ൅ ‫ݏ‬௪ ‫ݏ‬ሶ௪ ൅ ܴ෨் ቂܴሶ் െ ܴ෠ሶ் ቃ ൅ ܴ෨ ቂܴሶ െ ܴ෠ሶ ቃ

െܾ ൌ൤ ଵ ܾଷ

(26) In order to satisfy the Lyapunov stability condition (ܸሶ< 0), the control law in this work is chosen to be

െܾଶ ൨ െܾସ

(22) Then the control signal matrix of eq.

(20) can be

‫ݓ‬௘௩ ܷ െܾ ቂ ܸ ቃ ൌ ିଵ ൤ ் ൨ ‫ ؜‬൤ ଵ ܷ ܾଷ ோ ௪

െܾଶ ିଵ ்ܷ ൨ ൤ ൨ ܷ௪ െܾସ

(23) By using the Lyapunov direct method, the Lyapunov function candidate can be written as ଶ ଶ ଵ ଵ ܸ ൌ ሾ‫்ݏ‬ଶ ൅ ‫ݏ‬௪ଶ ሿ ൅ ቂܴ෨் ൅ ܴ෨௪ ቃ (24) ଶ ଶ where ෡ is any estimated value ܴ෨் is an estimation error of the residual error that corresponding to a bound ( ୘ ) of a nonlinear form ݂ሚଵ ൌ ݂ଵ െ ݂መଵ (ܴ෨் ൌ ்ܴ െ ܴ෠் ǡ ்ܴ ൌ ห݂ሚଵห ൏ ‫) ்ܯ‬ ܴ෨௪ is an estimation error of the residual error that corresponding to a bound ( ୵) of a nonlinear form ݂ሚଶ ൌ ݂ଶ െ ݂መଶ (ܴ෨௪ ൌ ܴ௪ െ ܴ෠௪ ǡ ܴ௪ ൌ ห݂ሚଶห ൏ ‫ܯ‬௪ ) and its 1st derivative is

(25) It has been noted here that uncertainties in the system are assumed to be bound. So there must exist bound MT & MW in the system. And because set point control of Tind and wind will be applied, the residual uncertainty of RT, RW can be a slow variation value. Therefore, Equation (25) is simplified to be ௪

௪

௪

ܸሶ ൌ ‫ ்ݏ‬ሾ݂ଵ ൅ ்ܷ ሿ ൅ ‫ݏ‬௪ ሾ݂ଶ ൅ ܷ௪ ሿ െ ܴ෨் ܴ෠ሶ் െ ܴ෨௪ ܴ෠ሶ௪

்ܷ ൌ െ݂መଵ െ ்ܿ ‫ ்ݏ‬െ ܴ෠் ܷ௪ ൌ െ݂መଶ െ ܿ௪ ‫ݏ‬௪ െ ܴ෠௪

(27)

where cT & cw are any positive definite values that can be used to adjust concentration of convergence. Their magnitude can be chosen as MT and Mw, respectively. Then the residual error estimation is ܴ෠் ൌ න ‫ݐ݀ ்ݏ‬ ܴ෠௪ ൌ න ‫ݏ‬௪ ݀‫ݐ‬

Substitute the control law in Eq. (27) into the system Eq. (26), its error dynamics can be expressed by ܸሶ ൑ െ்ܿ ‫்ݏ‬ଶ െ ܿ௪ ‫ݏ‬௪ଶ ൅ ܴ෨் ‫ ்ݏ‬൅ ܴ෨௪ ‫ݏ‬௪ െ ܴ෨் ܴ෠ሶ் െ ܴ෨௪ ܴ෠ሶ௪ ܸሶ ൑ െ்ܿ ‫்ݏ‬ଶ െ ܿ௪ ‫ݏ‬௪ଶ

(28)

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

105

Figure 9 Block diagram of the closed Loop Control System in the Matlab simulation.

Performance of the control law in Eq. (27) will be shown in this section by simulation. Parameters for the model in Eq. (20) are addressed as follows. Ambient conditions are temperature of 33 OC, 40% relative humidity and moisture content of 12.5 gH2O/kgdry air. The model has two saturation portions caused by real plant conditions. That is, ranges of air exchange and water flow rate are between 35–175 m3/s and 0–13 kg/s, respectively. Uncertainties are also added in the forms of outside temperature and 2π and moisture by using ΔTout-in is 1 sin 900 t ΔWin-out is 1 x 10-3 sin 2π t . It has been noticed 900

Figure 8 Comparison of the climate in the house between mathematical models and real conditions.

It has been seen that the control system is stable in the Lyapunov sense with the control law in Eq. (27). The control system components can be seen in Figure 9.

that arbitrary uncertainty value can be added into the system as long as the value still bounds and does not make actuators in the model become saturated. The inside desired conditions in this work are 27 OC, 70% relative humidity and 16.8 gH2O/kgdry air of moisture.

The simulation results are shown in three cases as follows.

Case 1 feed forward control, Case 2 no variation of outside conditions, Case 3 sinusoidal variation of outside conditions.

106

4.1 Case 1 feed forward control.

Results of the feed forward control have already been illustrated in Figure 8 of section 3.

Normally, to meet the design conditions with this technique, an operator must have enough experience to set the actuator as in Figure 7.

Although the set of control signals may be recorded and then used by a predefined controller, it is still unusable for ambient changing. As you can see in Figure 10, by using the same control signal as Figure 7, the response cannot track the same response (real condition) if there exists uncertainties in the outside air.

From Figure 10, it is seen that closed loop control with uncertainties compensation is necessary for the air condition control in the poultry house.

4.2 Case 2 no variation of outside condition Simulation results of the control system of this case are shown as Figure 11 and Figure 12.

It is not surprising that the temperature and moisture responses in Figure 11 track their set point very well. Small steady state errors in moisture are present because integral action of the control law did not include it and from mismatch between the plant and control law parameter. Figure 12 shows the corresponding control input of Figure 11. The inputs are

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

flattening out after about 400 seconds due to its control response having reached the reference value.

4.3 Case 3 sinusoidal variation of outside condition In this case, the uncertainty is given as a sinusoidal function as stated earlier. The results of the simulation for this case are shown in Figure 13 and Figure 14.

From the response in Fig.13, there is slight fluctuation after a time of about 200 sec. This is because of variation of outside conditions. For a transient period (before 200 sec.), there is a spike of both responses and saturation of the control input signal. This transient behavior occurs due to the added uncertainties making the larger input signal in the first period compared to the second. The input thus becomes saturated.

However, the adaptation law that has been operating since the beginning of the control action will give suitable input signals after the temperature and moisture reach the set point.

Therefore the transient spike responses disappear eventually. This case shows that the controller can overcome the uncertainties and nonlinearities in the plant and make inside air conditions comfortable for chickens according to the operating designing conditions.

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

107

Figure 10 (a) The response of inside temperature ( Tin ) and (b) The response of inside absolute humidity ( win ) of case 1.

Figure 11 (a) The response of inside temperature ( Tin ) and (b) The response of inside absolute humidity ( win ) of case 2.

108

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

Figure 12 The control signal (a) VR and (b) wev of case 2.

Figure 13 (a) The response of inside temperature ( Tin ) and (b) The response of inside absolute humidity ( win ) of case 3.

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

109

Figure 14 The control signal (a) VR and (b) wev v of case 3 5. Conclusion In this work, the mathematical models of air conditioning in a closed type poultry house are presented. For close loop control, the energy and mass of water balance was used to derive the mathematical model. The constructed model was verified using the experimental input/output data. The errors of output between simulation and collected data are 0.5% and 2.9% for temperature and moisture, respectively.

Therefore this acceptable model could be used for controller design. Due to the presence of nonlinearity, uncertainty and coupling structure, the SMC and adaptation law with simple decoupling technique was applied to force the

complex system to reach the desired condition.

It has been noted here that the control volume in this work is an active mixing volume at about 60% of total volume. For larger size of poultry house that has much deviation of temperature and humidity, one may divide it into small volumes before applying this technique. The simulation results show that the SMC can force the system to the set point against variation of ambient conditions.

6. Acknowledgement This research was supported by Cleaner Technology Internship Program, Khon Kaen University Node and National Metal and Materials

110

7. References [1] Rattanathanaopat A.Improving Efficiency of Evaporative Cooling in Poultry, Department of Energy Technology, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Bangkok. 2546. (In Thai) [2] Barmish B. R.,Leitmann G. On ultimate boundedness control of uncertain systems in the absence of matching assumption.

IEEE Transactions on Automatic Control.

1982;27(1):153-158.

[3] Bom Gret Jan et al, Evaporative Air-Conditioning, Washington, D.C., U.S.A, The World Bank. 1999 [4] Camargo J R, et al. Experimental Performance of a direct evaporative cooler operating during summer in a Brazilian city.

Intl. J. Refrig. 2005 ;28(7): 1124-1132.

[5] Corless M J, Leitmann G. Continuous state feedback guaranteeing uniform ultimate boundedness for uncertain dynamic systems. IEEE Transactions on Automatic Control. 1981;26(5):1139-1144.

[6] Daskalov, et al. Non-linear Adaptive Temperature and Humidity Control in Animal Buildings Bio systems Engineering 2005;93 :1–24 [7] Giabaklou Z, Ballinger J A. A Passive Evaporative Cooling System by Natural Ventilation. Building and Enviroment 1996;31(6):503-507.

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

[8] Jo o M, Pimenta D, Wagner P. De Castro Analysis of Different Applications of Evaporative Cooling Systems, Department of Mechanical Engineering, University of Brasilia. 2005.

[9] Lawrence S A, Tiwari G N, Performance Study of an Evaporative Cooling System for a Typical House in Port Moresby.Solar & Wind Technology. 1989;6(6):717-724.

[10] Mills A F, Basic Heat & Mass Transfer, California, Prentice Hall, 1999;274-276, 842-844.

[11] Roengruen P et al, A Study Of an Automatic Control System for a Poultry House.

Department of Instrumentation Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang Bangkok. (In Thai) [12] Neamtang P. Reduction of Heat Loads Through Poultry Roof, Department of Energy Technology, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Bangkok. 2546. (In Thai) [13] Radpukdee T, Jirawattana P. Uncertainty learning and compensation: an application to pressure tracking of an electro-hydraulic proportional relief valve. Control Engineering Practice. 2009;17:291-301 [14] Simmons J D, Lott B D, Evaporative Cooling Performance Resulting From Changes In Water Temperature. Applied Engineering in Agriculture.1996;12(4):497-500.

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

[15] Slotine J J E, Li W. Applied Nonlinear Control. New Jersey: Prince-Hall International Inc. USA. 1991 [16] Sodha M S et al. Thermal Performance of a Room Coupled to an Evaporative Cooling Tower. Proceedings of The Biennial Congress of The International Solar Energy Society. 1991 August 19-23, Colorado, USA. 1991;3: Part 3 p. 3095-3100.

111

[17] Yunus A C, Michael A B, Thermodynamics: An Engineering Approach. Singapore 1989.

วิศวกรรมสาร มข.

K K U Engineering Journal ขอแนะนำในการสงตนฉบับบทความเพื่อพิจารณาตีพิมพ วารสารวิศวกรรมสาร มหาวิทยาลัยขอนแกน มีกำหนดออกเปนราย 3 เดือน คือ มกราคม-มีนาคม, เมษายน-มิ ถุ น ายน, กรกฎาคม-กั น ยายน และตุ ล าคม-ธั น วาคม จั ด พิ ม พ โ ดยคณะวิ ศ วกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยขอนแกน เพือ่ เปนการสงเสริมและเผยแพรความรู ผลงานทางวิชาการ งานวิจยั ทางดานวิศวกรรมศาสตร และเทคโนโลยี พรอมทั้งยังจัดสงเผยแพรตามสถาบันการศึกษาตางๆ ในประเทศดวย บทความที่ตีพิมพลงใน วิศวกรรมสาร มหาวิทยาลัยขอนแกน ทุกบทความ นั้น จะตองผานความเห็นชอบจากผูทรงคุณวุฒิในสาขา ทีเ่ กีย่ วของและสงวนสิทธิต์ าม พ.ร.บ. ลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2535 ตนฉบับบทความ โปรดปฏิบัติตามหลักเกณฑอยางเครงครัด จัดพิมพดวยโปรแกรม Microsoft Word for Window ชนิดตัวอักษรในบทความฉบับภาษาไทยและภาษาอังกฤษจะตองใชตวั อักษร Cordia New ทัง้ หมด ความยาวของ ตนฉบับจะตองไมเกิน 10 หนา มีจำนวนคำไมเกิน 10,000 คำ กรุณาใชกระดาษขนาด A4 ปรับเคาโครงขนาดกระดาษ ความกวาง 7.5 นิ้ว ความสูง 10.5 นิ้ว และรูปแบบหนาเปน 2 คอลัมน ระยะหาง 0.19 นิ้ว กรอบของบทความกำหนดดังนี้ ขอบดานบน 0.88 นิ้ว ขอบด า นล า ง 0.75 นิ้ ว . ด า นซ า ย 1 นิ้ ว .และด า นขวา 0.75 นิ้ ว สามารถโหลดรู ป แบบได ที่ http://www.en.kku.ac.th/enjournal/ โครงสรางบทความ เนื้อเรื่องของบทความตองประกอบดวยหัวขอตามลำดับดังนี้ 1. บทนำ 2. วิธีการการวิจัย 3. ผลการวิจัยและอภิปราย 4. สรุป 5. กิตติกรรมประกาศ 6. เอกสารอางอิง สถานที่ติดตอในการจัดสงบทความเพื่อพิจารณาตีพิมพ 1) จัดสงบทความผานเว็บไซต http://www.en.kku.ac.th/enjournal 2) ทางอีเมล สามารถสงไฟลบทความมาที่ kku.enjournal@gmail.com 3) จัดสงเปนเอกสาร 1 ชุด โดยสงมาที่ กองบรรณาธิการวิศวกรรมสาร มข. ตึกเพียรวิจติ ร (ชัน้ 7) คณะวิศวกรรมศาสตร มหาวิทยาลัยขอนแกน 123 ถนนมิตรภาพ อำเภอเมือง จังหวัดขอนแกน 40002 โทร. (043) 362145-6 ตอ 706 โทรสาร (043) 362142

แบบฟอรมสงบทความเพือ่ พิจารณาลงตีพมิ พกบั วิศวกรรมสาร มข. วันที.่ .................เดือน.....................................พ.ศ............... ขาพเจา (นาย/นาง/นางสาว)......................................................................................................................... ขอสงบทความ บทความวิจยั บทความวิชาการ ชื่อบทความ (ภาษาไทย) ............................................................................................................ ............................................................................................................ (ภาษาอังกฤษ) ............................................................................................................ ........................................................................................................... ชือ่ -นามสกุล ผเู ขียน (ภาษาไทย) ชือ่ -นามสกุล ผเู ขียน (ภาษาอังกฤษ) 1..........................................................................

1..........................................................................

2..........................................................................

2..........................................................................

3..........................................................................

3..........................................................................

4..........................................................................

4..........................................................................

5..........................................................................

5..........................................................................

6..........................................................................

6.......................................................................... ชื่อ-และที่อยูผูเขียนที่สามารถติดตอไดสะดวก .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................จังหวัด............................................................. รหัสไปรษณีย. ....................................................โทรศัพท.............................................................................. โทรศัพทมอื ถือ..................................................................โทรสาร.................................................................

E-mail: ..................................................................................... ขาพเจาขอรับรองวาบทความนี้

[ ] เปนผลงานของขาพเจาแตเพียงผเู ดียว [ ] เปนผลงานของขาพเจาและผรู ว มงานตามชือ่ ทีร่ ะบุ ในบทความจริง

ขาพเจาขอรับรองวาบทความนี้ไมเคยลงตีพิมพในวารสารใดมากอน และจะไมนำบทความดังกลาว ลงตีพิมพในวารสารฉบับอื่น ทั้งนี้ หากขาพเจาขอถอนบทความและไมลงตีพิมพในวารสารวิศวกรรมสาร มข. หรือเพิกเฉยไมสง บทความฉบับแกไขเพือ่ ลงตีพมิ พ ขาพเจาจะเปนผรู บั ผิดชอบคาตอบแทนผทู รงคุณวุฒผิ ปู ระเมิน บทความทั้งหมด ลงนาม.................................................................. (.................................................................) ลงนาม................................................................... (.................................................................) อาจารยทปี่ รึกษา

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1):

บทความวิจัย

KKU Engineering Journal http://www.en.kku.ac.th/enjournal/th/

ชือ่ บทความภาษาไทย Cordia New (ขนาด 16 จุด ตัวเขม) ชือ่ บทความภาษาอังกฤษ Cordia.New (ขนาด 16 จุด ตัวเขม) สุทธิพร วารีสงู เนิน1) ทวิทย จันทรสด2) และ กันยรัตน โหละสุต*3) (ขนาด 14 จุด) Suthiporn Vareesongnern1), Tawid Jansod2), and Kanyarat Holasut*3) ภาควิชาวิศวกรรมเครือ่ งกล มหาวิทยาลัยขอนแกน จังหวัดขอนแกน 40002 (ขนาด 12 จุด) ภาควิชาวิศวกรรมเครือ่ งกล มหาวิทยาลัยเชียงใหม จังหวัดเชียงใหม 50200 3) ภาควิชาวิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยขอนแกน จังหวัดขอนแกน 40002 1) 2)

Received November Accepted August

บทคัดยอ ตัวอยางการจัดพิมพเอกสารตนฉบับสำหรับตีพิมพในวิศวกรรมสาร มหาวิทยาลัยขอนแกน ควรปฏิบัติตาม คำแนะนำอยางเครงครัด บทคัดยอควรมีเพียงยอหนาเดียวทีอ่ ธิบายถึง วัตถุประสงค วิธกี ารศึกษา ผลการศึกษา และสรุป ไมควรเกิน 300 คำ คำหลักทีเ่ ปนภาษาอังกฤษใหตวั อักษรคำแรกเปนตัว พิมพใหญ คำในลำดับถัดไป เปนตัวพิมพเล็ก คำสำคัญ : จำนวน 4 ถึง 6 คำ ภาษาไทยแตละคำเวนวรรค 1 จุด ไมตอ งมีจลุ ภาค (,) Abstract This is an instruction for manuscript preparation for Publication KKU Engineering Journal. Please follow this guideline strictly. The abstract should contain a single paragraph describing objectives, methodology and a summary of important results and its length should not exceed 300 words.

Keywords : 4-6 keywords, separated by colons. and the first letter of each keyword must be capital letter

* Corresponding author. Tel.: +0-000-000-0000 ; fax: +0-000-000-0000

116

1. บทนำ บทความนี้แสดงตัวอยางแนวทางการเตรียม ต น ฉบั บ ของคุ ณ เพื่ อ ตี พิ ม พ ใ นวิ ศ วกรรมสาร มหาวิ ท ยาลั ย ขอนแก น และโปรดปฏิ บั ติ ต ามหลั ก เกณฑ อ ย า งเคร ง ครั ด จั ด พิ ม พ ด ว ยโปรแกรม Microsoft Word for Window ความยาวของตนฉบับ จะตองไมเกิน 10 หนา มีจำนวนคำไมเกิน 10,000 คำ 1.1. ขนาดกระดาษและระยะขอบ กรุ ณ าใช ก ระดาษขนาด A4 ปรั บ เค า โครง ขนาดกระดาษ ความกวาง 7.5 นิว้ ความสูง 10.5 นิว้ และรูปแบบหนาเปน 2 คอลัมน ระยะหาง0.19 นิ้ว กรอบของบทความกำหนดดังนี้ ขอบดานบน 0.88 นิว้ ขอบดานลาง 0.75 นิว้ . ดานซาย 1 นิว้ .และดานขวา 0.75 นิ้ว ใหเวน 1 บรรทัดระหวางหัวเรือ่ งทุกครัง้ ให เปนไปตามรูปแบบของวิศวกรรมสาร มหาวิทยาลัย ขอนแกน สามารถโหลดรูปแบบไดที่ http://www.en.kku.ac.th/enjournal/ 1.2. ชนิดตัวอักษร ในบทความฉบับภาษาไทยและภาษาอังกฤษ จะตองใชตวั อักษร Cordia New ทัง้ หมด ชือ่ บทความ ใชตัวอักษรขนาด 16 จุด ตัวหนา ผูแตงใชตัวอักษร ธรรมดาขนาด 14 จุด สถาบันและขอมูลติดตอใชตัว ธรรมดาขนาด 12 จุด หัวเรือ่ งและหัวเรือ่ งยอยใชอกั ษร ธรรมดาขนาด 14 จุด การบรรยายและเนื้อหาใชตัว ธรรมดาขนาด 14 จุด คำในวงเล็บทีเ่ ปนภาษาอังกฤษ ใหเปนตัวเล็กทั้งหมด 1.3 สำหรับการลำดับหัวขอยอย ให ใ ช ตั ว อั ก ษรขนาด 14 จุ ด ใช ตั ว เอี ย ง ใหชดิ ทางกรอบซาย แตละหัวขอยอยจะเวน 1 บรรทัด

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

(ปรับใหบรรทัดมีขนาดเทากับอักษรขนาด 8 จุด ) ส ว นหั ว ข อ ย อ ยให เ ขี ย นตามตั ว อย า ง ดั ง รายการ ตอไปนี้ 1. รายการแรกในรายการนี้ 2. รายการที่สอง 2.1. รายการยอย 3. รายการสุดทาย 1.4 โครงสรางบทความ เนือ้ เรือ่ งของบทความตองประกอบดวยหัวขอ ตามลำดับดังนี้ 1. บทนำ 2. วิธกี ารการวิจยั 3. ผลการวิจยั และอภิปราย 4. สรุป 5. กิตติกรรมประกาศ 6. เอกสารอางอิง 2. ชื่อบทความ ชื่อบทความใหเริ่มตนบทความที่บรรทัดแรก โดยใชตวั อักษรขนาด 16 จุด และเปนตัวหนา จัดชือ่ บทความชิดทางกรอบซาย 3. ชื่อผูแตงและสถานที่ติดตอ ชือ่ ผแู ตงใหพมิ พใตชอื่ บทความ จัดชือ่ ผแู ตงให อยชู ดิ ทางกรอบซาย ใชตวั อักษรธรรมดาขนาด 14 จุด ในกรณีมผี ทู ำวิจยั หลายทานจากหนวยงานตางกันให กำกับตัวยก 1), 2) ไวหลังชือ่ สำหรับ Corresponding ใหใสเครือ่ งหมาย *กำกับไวทา ยชือ่ สถานทีต่ ดิ ตอ ให พิมพทอี่ ยหู นวยงาน รหัสไปรษณีย ประเทศ พิมพใต ชือ่ ผแู ตงใชตวั ธรรมดาขนาด 12 จุด จัดชิดทางกรอบ ซาย

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

4. บทคัดยอ บทความภาษาไทยจะตองมีบทคัดยอภาษา ไทยและภาษาอังกฤษ ใหเวน 1 บรรทัดจากสถานที่ ติดตอ พิมพบทคัดยอใตหวั ขอ “บทคัดยอ/Abstract” เนื้อความของบทคัดยอไมควรเกิน 15 บรรทัด หรือ 300 คำ สวนบทความภาษาอังกฤษไมตอ งมีบทคัดยอ ภาษาไทย 5. คำสำคัญ บทความแตละเรือ่ งควรจะมีคำสำคัญ 4-6 คำ เพื่อระบุหัวขอสำคัญที่กลาวถึงในบทความ ควรใส คำสำคัญตอจากบทคัดยอโดยไมตองเวนบรรทัด 6. เนื้อความ เมื่ อ ขึ้ น ย อ หน า ใหม ไม ต อ งเว น บรรทั ด เมื่ อ จะเริ่ ม ต น พิ ม พ ย อ หน า ใหม ให พิ ม พ บ ทความ บนดานเดียวของกระดาษ A4 โดยไมตอ งใสหมายเลข หนาเวลาพิมพบทความ 7. ผลการวิจัย เสนอผลการวิจัยอยางชัดเจน ตรงประเด็น ควรมี รูปภาพ หรือตารางประกอบ ซึ่งเมื่อมีรูปหรือ ตารางประกอบตองระบุเชื่อมโยงในเนื้อหาบทความ การอธิบายไมซ้ำซอนกัน สำหรับการระบุหนวยตางๆ ใชภาษาไทยและใชการอธิบายเปอรเซ็นตดวยคำวา ร อ ยละ ในกรณี ที่ กำหนดหน ว ยเป น ภาษาอั ง กฤษ ใหระบุแบบเดียวกันทั้งหมด 7.1. การลำดับตัวเลข การลำดับตัวเลขเพื่ออางถึง รูปภาพ ตาราง และสมการจะตองเปนเลขอาราบิค ทุกสมการจะตอง มีวงเล็บวางไวชดิ ขอบขวา ดังตัวอยางตอไปนี้

117

12

λg =

μ ⎛ 2kT ⎞ ⎜ ⎟ p⎝ m ⎠

(1)

ตัวอักษรในสมการใหใช Time new Roman ขนาด 10 ตัวสัญลักษณใหใช Symbol ขนาด 10 ใช MathType หรือ Equation Editor ในการเขียนสมการ 7.2. รูปภาพและตาราง รู ป ภาพและตารางจะต อ งมี ค วามกว า ง เพียงพอทีจ่ ะลงในหนึง่ คอลัมนได หรือในกรณีจำเปน เพื่อการรักษารายละเอียดในภาพอาจยอมใหกวาง เต็มหนากระดาษ ผแู ตงจะตองรับผิดชอบในการจัดภาพ ให อ ยู ใ นขนาดที่ กำหนดนี้ โดยสามารถมองเห็ น รายละเอียดและอานตัวหนังสือในภาพไดชัดเจนโดย ตัวอักษรที่ใชอธิบายรูปจะตองไมต่ำกวาขนาด 10 รู ป ภาพลายเส น จะต อ งใช เ ส น หมึ ก สี ดำวาดด ว ย โปรแกรม เชน Visio, Adobe Illustrator, Macromedia Freehand หรือโปรแกรมวาดรูปอื่นๆ สวนภาพถาย ควรเปนภาพที่มีความคมชัด รูปภาพควรมีรายละเอียดเทาทีจ่ ำเปน รูปภาพ ทุกรูปจะตองมีหมายเลขและคำบรรยายภาพกำกับ ใตภาพ โดยใหเรียงตามลำดับทีป่ รากฏ จาก รูปที่ 1, รูปที่ 2 , ... พิมพหมายเลขและชื่อรูปไวใตรูปภาพ จะตองกำหนดใหอยตู รงกลางเอกสาร ใหเวนชองวาง 1 บรรทัด หลังคำบรรยายรูป รูปภาพทุกรูป และตาราง ทุกตารางที่ปรากฏในบทความจะตองมีการอางอิงใน เนื้อหา ในกรณีทเี่ ปนตารางจะตองมีคำบรรยายกำกับ ตารางไวเหนือตารางโดยใหเรียงตามลำดับที่ปรากฏ จาก 1, 2, 3,... ตารางจะตองกำหนดใหชิดขอบซาย ของเอกสาร ใหเวนชองวาง 1 บรรทัดกอนคำบรรยาย ตารางและหลังตาราง ตามตัวอยางตารางดังนี้

118

KKU ENGINEERING JOURNAL JauarRy-March 2012; 39(1)

ตารางที่ 1 ตัวอยางการเขียนตารางที่ 1 Redox moiety R1

Diluent D1

R2

D2

Method ILIT CV ILIT

k0 (s-1) 3.4 x 104 3.3 x 104 6.0 x 104

ตารางที่ 2 ตัวอยางการเขียนตารางที่ 2 x 0.1 0.5

ar/mr 2.7470e+01 3.5352e+01

2ζrωr 2.7483e+01 3.5360e+01

8. การอภิปรายผล การอภิ ป รายผลวิ จั ย เพื่ อ ให ผู อ า นมี ความเห็นคลอยตามเพื่อเปรียบเทียบกับผลการวิจัย ของผอู นื่ เพือ่ เสนอลทู างทีจ่ ะใชประโยชน หาขอยุตใิ น การวิจัยบางอยาง ฯลฯ ผลการวิจัยและการอภิปราย ผลอาจนำมาเขียนไวในตอนเดียวกัน 9. สรุป

เอกสารอางอิง

การเขียนเอกสารอางอิงใชระบบแวนคูเวอร (vancuvour style) จะตองเปนภาษาอังกฤษเทานั้น ในกรณีที่เปนภาษาไทย ใหเขียนเปนภาษาอังกฤษ และตอทายดวย (In Thai) สวนชือ่ ผแู ตงใหใชนามสกุล ขึ้นกอนแลวตามดวยอักษรยอของชื่อนั้น ทั้งนี้เพื่อความสมบูรณและความนาเชื่อถือ ของบทความทานควรใชเอกสารอางอิงจากวารสารที่ อยู ใ นฐาน TCI ((Thai Journal Citation Index Centre) ทีส่ ามารถตรวจสอบไดไมนอ ยกวารอยละ 70 และควรใชการอางอิงจากรายงานผลการวิจยั เอกสาร ประกอบการประชุม และหรือวิทยานิพนธเทาทีจ่ ำเปน 11.1. การอางอิงในเนือ้ หา

สรุ ป ประเด็ น และสาระสำคั ญ ของงานวิ จั ย ไมควรมีความยาวมากเกินไป โดยบทความของทาน ควรได รั บ การตรวจสอบจากผู ร ว มเขี ย นทุ ก ท า น กอนทำการสงบทความ 10.

11.

กิตติกรรมประกาศ

เพื่ อ เป น การแสดงความขอบคุ ณ ผู ใ ห ทุ น สนับสนุนสรุปประเด็นและสาระสำคัญของงานวิจัย ไมควรมีความยาวมากเกินไป โดยบทความของทาน ควรได รั บ การตรวจสอบจากผู ร ว มเขี ย นทุ ก ท า น กอนทำการสงบทความ

แบบการอางอิงเอกสารในเนือ้ หาของบทความ ใช ร ะบบตั ว เลข ให เ รี ย งลำดั บ เลขตามลำดั บ ของ เอกสารทีม่ กี ารอางถึงในเนือ้ หาและหมายเลขทีอ่ า งถึง ในเนือ้ เรือ่ งนัน้ จะตองตรงกับหมายเลขทีม่ กี ารกำกับไว ในสวนเอกสารอางอิงดวย ใหใชตัวเลขอารบิคใน วงเล็บตอทายขอความทีน่ ำมาอางอิงในบทความ เชน [1] หรือ [2-4, 8, 10] หมายถึงอางถึงลำดับผแู ตงที่ 1 หรือ ลำดับที่ 2, 3, 4, 8, 10 โดยเรียงลำดับจากหมาย เลข 1, 2, 3,... ไปจนถึงเลขทีส่ ดุ ทาย ตามการอางอิง การเขียนเอกสารอางอิง

KKU ENGINEERING JOURNAL Jauary-March 2012; 39(1)

11.2.

ตัวอยางการเขียนเอกสารอางอิงทายเรื่อง

เขียนอางอิงแบบแวนคูเวอร และใสอางอิงใน ทายเรื่องเฉพาะที่มีปรากฏในเนื้อหาบทความหรือ บทความวิจัยเทานั้น 1. การเขียนอางอิงจากหนังสือ [1] Murray PR, Rosenthal KS, Kobayashi GS, Pfaller MA. Medical microbiology. 4th ed.

St. Louis: Mosby; 2002.

2. การเขียนอางอิงจากวารสาร [2] Bua-art S, Saksirirat W, Kanokmedhakul S, Hiransalee A, Lekphrom R. Extraction of bioactive compounds from luminescent mushroom (Neonothopanus nambi) and its effect on root-knot nema-tode (Meloidogyne incognita). KKU Res J. 2010;15(1): 726-37. (In Thai).

3. การเขียนอางอิงจากวิทยานิพนธ [3] Srisuk M. Cloning and characterization of gene insulin [MSc thesis]. Khon Kaen: Khon Kaen University; 2002. (In Thai).

119

4.

การเขียนอางอิงจากบทความจากการประชุม วิชาการ [4] Bengtsson S, Solheim BG. Enforcement of data protection, privacy and security in medicalinformatics. In: Lun KC, Degoulet P, Piemme TE, Rienhoff O, editors.

MEDINFO 92. Proceedings of the 7th World Congress on Medical Informatics; 1992 Sep 6-10; Geneva, Switzerland. Amsterdam: North-Holland; 1992. p. 1561-5.

5. การเขียนอางอิงจากบทความจากสิทธิบัตร [5] Pagedas AC, inventor; Ancel Surgical R&D Inc., assignee. Flexible endoscopic grasping and cutting device and positioning tool assembly. United States patent US 20020103498. 2002 Aug 1.

6. บทความวารสารอิเล็กทรอนิกส [6] Morse SS. Factors in the emergence of infectious diseases. Emerg Infect Dis [serial online] 1995 Jan-Mar [cited 1996 Jun 5];1(1):[24 screens]. Available from: URL: http://www.cdc.gov/ncidod/EID/eid.htm.