เครื่องมือวิทยาศาสตร

197

บทที่ 9 : เครื่องลางอัลตราโซนิก

(ULTRASONIC CLEANER) คล่ืนเสียงอัลตราโซนิกเปนคลื่นเสียงความถี่สูงมากกวา 20 กิโลเฮิรตซ จนถึง 106 กิโลเฮิรตซ ซ่ึงเปนชวงความถี่ที่หูของคนปกติไมสามารถไดยิน เพราะหูของคนปกติไดยินเสียงในชวงความถี่ 16 –16,000 เฮิรตซ) ความถี่ที่สูงนี้กอใหเกดิทัง้ผลทางเคมี(chemical effect) ผลทางชีววิทยา(biological effect) และผลทางฟสิกส(physical effect) ในรูปแบบตาง ๆ กลาวคือ คล่ืนเสียงอัลตราโซนิกที่มีความแรงมากจะทําใหเกิดฟองอากาศ เกดิความดนัสูง และเกิดความรอนเฉพาะที่ ซ่ึงเปนผลใหเกิดการเปลี่ยนแปลงทางชีววิทยา เชน การเปลี่ยนแปลงของคาพีเอชของเลือด ตวัออนในครรภเกดิความผิดปกติ เกิดการทําลายเอนไซม ฆาเชื้อแบคทีเรีย การเลือกทําลายเฉพาะเซลลมะเร็ง ทําใหเสนประสาทเกิดความรอนไดมากกวาเนื้อเยื่ออ่ืนๆ และมีผลตอการทํางานของหัวใจ เปนตน สําหรับผลทางเคมีพบวาทําใหเกิดการออกซิเดชัน(oxidation) การสลายตวั (decomposition) การเปลงแสง(luminescence) การเกิดผลึก(crystallization) ฯลฯ. สวนผลทางฟสิกสมักเปนผลรวมทางตรงหรือทางออมที่เกิดจากผลทางเคมีและผลทางชีววิทยาดงักลาวขางตน ไดแกการเกิดฟองอากาศ เกิดความรอน เกิดความดนั และเกิดหมอก (fog) เปนตน

คล่ืนเสียงอัลตราโซนิกเปนคลื่นเสียงที่คอนขางปลอดภัย ไมกอมลภาวะ มีราคาถูก และมีคุณสมบัติที่หลากหลายขึ้นอยูกับความถี่(ตารางที่ 9.1) ทําใหคล่ืนเสียงอัลตราโซนิกถูกนํามาประยุกตใชงานมากมาย ทั้งในดานการแพทย ดานการสื่อสาร ดานอุตสาหกรรม รวมทั้งใชในชีวิตประจําวัน ในทางการแพทยคล่ืนเสียงอลัตราโซนิกถูกนําไปสรางเครื่องวินิจฉัยเพศทารกในครรภ ใชตรวจรอยราวของกระดูก ใชตรวจการอุดตันของสันเลือดเล้ียงหวัใจ ใชทําลายเซลลมะเร็ง ใชทําใหผนังเซลลแตกเพื่อศึกษาองคประกอบของเซลล กําจัดคราบหินปูนที่ฟน ในทางอตุสาหกรรมคลื่นเสียงอัลตราโซนิกถูกนําไปสรางเปนเครื่องเชื่อมพลาสติก เครื่องตรวจการรัว่ของทอ เครื่องตรวจการกรัดกรอนของโลหะ เครื่องชั่ง เครื่องลางอัญมณี เครื่องลางแผงวงจรอิเล็กทรอนกิส เครื่องวัดระดับ เครื่องวัดความหนาของแผนโลหะ เครื่องผสมสารละลายคอลลอยด(colloidal solution) ในชีวิตประจําวันคลื่นเสียงอัลตราโซนิกถูกนําไปสรางเปน เครื่องซักผา เครื่องกันขโมย เครื่องลาง แวนตา เครื่องวัดระยะการถอยของรถยนต ฯลฯ.

เครื่องลางอัลตราโซนิก

198

ในที่นี้จะกลาวถึงเฉพาะ การนําคลื่นเสียงอัลตราโซนิกมาใชเปนเครื่องลางในหองปฏิบัติการเนื่องจากในปจจุบันเครื่องลางอัลตราโซนิกถูกนํามาใชในหองปฏิบัติการอยางแพรหลาย เพราะ ตารางที่ 9.1 ผลของความถี่ตางๆ ของคลื่นเสียงอัลตราโซนิก ความถี่ ผล ความถี่ ผล

(กิโลเฮิรตซ) (กิโลเฮิรตซ) 3 Cavitation 330 มีผลตอไวรัสมาก 4,8 Depolymerization 350 Depolymerization 5,7 ผลตอไวรัสเล็กนอย 365 Cavitation 8 Dispersion 380 การเกิดตะกอน 9 Cavitation ผลทางเคมี

Depolymerization 395 Emulsion 15 Cavitation 400 Depolymerization 20-100 Depolymerization 500 การเปลงแสง 25 Cavitation 530 Degassing 100-500 ผลทางเคมี 575 Cavitation 175 Cavitation 600-700 Emulsion 194 Degassing Dispersion 200-500 Emulsion 722 Depolymerization 200-840 ผสมสารละลาย 800 Cavitation 214 Degassing 1160 Emulsion (นอย) Cavitation 4,250-15,000 ไมเกิด cavitation Emulsion 284 Depolymerization 289 ผลทางเคมี 300 Cavitaiton

Depolymerization ผลทางเคมี ผลทางฟสิกส

เครื่องมือมีราคาถูกลง และในเชิงวิชาการมีขอดีกวาการลางดวยมืออยูหลายประการคอื

เครื่องมือวิทยาศาสตร

199

1. มีประสิทธิภาพในการลางสูง ตัวอยางเชน จากการทดลองเปรียบเทียบการลางกาํจัดสารกัมมันตรังสีออกจากผิวเหล็กกลาไรสนิม พบวาเครื่องลางอัลตราโซนิกสามารถกําจัดสารกัมมันตรังสีออกไดถึงรอยละ 99.5-100 ในขณะที่การขัดถูดวยมือกําจัดออกไดเพยีงรอยละ 92 หรือจากทดลองลางคอนแทคเลนส(contact lens) พบวาสามารถกําจัดคราบโปรตีนบนคอนแทคเลนส ไดสะอาดเทากับการลางดวยเอ็นไซมเปนตน

2. เหมาะสมสําหรับการลางสิ่งของขนาดเล็กที่มีซอกหรือรูเล็ก ๆ ซ่ึงถาใชมือลางจะเสียเวลามาก และอาจลางไมสะอาด

3. เหมาะสมสําหรับลางอุปกรณที่แตกหักหรือเปนรอยขีดขวนไดงาย ตวัอยางเชน ควิเวททที่ทําดวยควอทซ 4. สามารถฆาเชื้อโรคบางชนิด เชน เชื่อรา เชื้อแบคทีเรีย และเชื้อไวรัส เมื่อเลือกใชความถี่ และใชน้ํายาลางที่เหมาะสม 5. ชวยรักษาสภาพแวดลอม เพราะการลางดวยเครื่องลางอัลตราโซนิกจะใชน้ําและสารชะลาง (detergent)ในปริมาณนอย และสารชะลางสวนใหญเปนสารชะลางที่ถูกยอยสลายทางชีวภาพ (biodegradable detergent)ไดงาย

หลักการทําความสะอาด ส่ิงสกปรก เชน รอยนิ้วมือ ไขมัน ออกไซด สนิม เกลือ คราบโปรตีน ฯลฯ. ซ่ึงติดอยูที่ผิวภาชนะโดยการดูดซับ(adsorption) หรือการอุดตัน(occlusion) ถูกกําจัดออกโดยวิธีการอยางนอย 3 วิธีคือ

1. คล่ืนเสียงอัลตราโซนิกทําใหเกดิและสลายฟองอากาศขนาดเล็ก จํานวนมากอยางรวดเร็ว เรียกระบวนการนี้วา cavitation ฟองอากาศที่เกิดขึน้มขีนาดแตกตางกัน มีทั้งชนิดที่เกิดขึ้นแลวแตกทนัที(temporary bubble) และชนิดที่เปนฟองอยูระยะเวลาหนึ่งแลวจึงแตก(stable bubble) การแตกของฟองอากาศจะเกดิแรงดนัตอผิวภาชนะที่สัมผัสทําใหส่ิงสกปรกหลุดออกจากผิวภาชนะ ปรากฏการณดังกลาวแบงออกไดเปน 3 ระยะคือ

1.1 ระยะเริ่มตน(initial phase) หรือ bubble phase เปนระยะสรางฟองอากาศขนาดใหญ และขนาดเลก็ ซ่ึงเกิดจากคลื่นเสียงอัลตราโซนิกทําใหเกิดความดัน 2 ทิศทาง(dielectric pressure) ที่ตรงกันขาม ทําใหเกดิฟองสุญญากาศ(vacuum bubble) เนื่องจากมนีิวเคลียสซึ่งอาจเปนไอน้ําทีเ่กิดจากโครงสรางโมเลกุลของน้ําถูกทําลาย หรือเปนแกสที่เกิดขึ้นเนื่องจากความรอน หรือเปนอนภุาคขนาดเล็ก (5 x 10-5-103 ซม.) อยูในตวักลาง

1.2 ระยะทําลายฟองขนาดใหญ(catastrophic phase) โดยคลื่นเสียงอัลตราโซนิก ทําให เกิดฟองอากาศขนาดเล็กไมกี่ไมครอนจนถึงหลายรอยไมครอน จํานวนนับลานฟอง

1.3 ระยะสุดทาย(final phase) เปนระยะสรางความดันสูง เกิดขึ้นเนื่องจากฟองอากาศ

เครื่องลางอัลตราโซนิก

200

ยุบตัวแตกออก(collapse) แลวเกดิแรงดนัของของเหลว(hydrostatic pressure) พุงออกมาเปนลําจากฟองอากาศแตละฟองที่เรียกวาเซนทรัลเจท(central jet) ซ่ึงมีความดันสูงถึง 1,800 atm (รูปที่ 9.1) ดังนั้นถาใชความถี่

รูปท่ี 9.1 แสดงการเกิดแรงดนัของของเหลวเนื่องจากการแตกของฟองอากาศขนาดเล็ก 40 กิโลเฮิรตซจะมีแรงดนักระทําตอผิวภาชนะและสิ่งสกปรก ในความเร็วถึง 40,000 คร้ัง/วินาที และถาวัดอณุหภูมภิายในฟองอากาศแตละฟองพบวามอุีณหภูมิสูงถึง 2,000-5,000 องศาเคลวิน

แตอยางไรก็ตามจํานวนฟองอากาศ และแรงระเบดิของฟองอากาศซึ่งนอกจากจะขึ้นอยูกับความถี่และความแรงของคลื่นเสียงอัลตราโซนิกแลว ยงัขึ้นอยูกับอณุหภูมิของตวักลาง กลาวคือถาอุณหภูมสูิงกวา จํานวนฟองอากาศจะเกิดมากแตแรงดันของของเหลวจะนอยกวาที่อุณหภูมิต่ํากวา

เครื่องมือวิทยาศาสตร

201

นอกจากนี้ยังขึน้อยูกับความดันและปริมาณแกสในตวักลาง ซ่ึงถามีมากจะทําใหเกิดฟองอากาศไดนอยลง

2. ความเรงของของเหลว(acceleration of cleaning fluid) ผลดังกลาวเกดิจากคลื่นเสียงอัลตราโซนิก และแรงดูดตามรูเล็ก(capillary suction) ทําใหของเหลวซึ่งเปนตัวกลางเกิดความเรงกระทาํตอ ผิวภาชนะและสิ่งสกปรก

3. ผลจากความรอน(thermal effect) ความรอนที่เกดิขึ้นในตวักลางจะทําใหส่ิงสกปรกซึ่งสวนใหญละลายไดมากขึ้น

องคประกอบและคุณสมบัติ เครื่องลางอัลตราโซนิกมีองคประกอบหลักที่สําคัญ ดังนี้(รูปที่ 9.2) 1. อางลาง มักพบในรูปของอาง 2 ช้ัน ช้ันในทําจากเหล็กกลาไรสนิมชนิดที่ทนตอการกัดกรอนไดดี นยิมทําใหผิวเรียบ ตามมุมมลัีกษณะโคงมน เพื่อความสะดวกในการทําความสะอาด

เครื่องลางอัลตราโซนิก

202

รูปท่ี 9.2 องคประกอบของเครื่องลางอัลตราโซนิก อางลาง การออกแบบคํานึงถึงความแรงของคลื่นเสียงที่จะกระจายอยางสม่ําเสมอทั่วอางลาง อางช้ันนอกทําจากเหล็กกลาไรสนิม อะลูมิเนียม หรือพลาสติก มีหนาที่ปองกันความเสียหายของผลึกกําเนิดความถี่และวงจรอิเล็กทรอนิกส ภายในตัวอางอาจพบทอระบายน้ํา(drain tap) เพื่อความสะดวกในการถายน้ําในอางลางทิ้ง หรือใชสําหรับการลางแบบตอเนื่องที่ปลอยใหน้ําไหลผานออกตลอดเวลา 2. ตัวกําเนดิคลื่นเสียงอัลตราโซนิก(ultrasonic transducer) ประกอบดวยแผนโลหะประกบกับแผนผลึก(crystal) กําเนิดความถี่ นิยมใชแผนโลหะที่เปนสวนผสมของ ตะกั่ว เซอโคเนียม และไททาเนี่ยม(lead zirconate titanate compound) เนื่องจากแข็งแรง มีราคาถูก และใหพลังงานเสียงไดสูงมากถึง 100 วัตต/ตารางเซนติเมตร

ในปจจุบนันยิมใชผลึกควอทซ(quartz crystal) เปนผลึกกําเนดิความถี่ เพราะมีราคาถูกและมีการขยายตวันอยเมื่อถูกความรอน ผลึกกําเนดิความถี่มีคุณสมบัตเิปนพิโซอิเล็กตริก(piezoelectric) กลาวคือ เมื่อผลึกถูกบิดงอจะเกดิกระแสไฟฟา และในทางตรงกันขามเมื่อผลึกไดรับกระแสไฟฟาจะสรางความถี่ที่คงที่ขึ้น ดังนัน้จึงเรียกตัวกําเนิดคลื่นเสียงอัลตราโซนิกที่ใชผลึกชนิดนี้วาวา พิโซอิเล็ก ตริก ทรานสดิวซเซอร(piezoelectric transducer, PZT)

ความถี่ของผลึกขึ้นอยูกับความหนาของผลึก ตัวอยางเชน ผลึก barium titanate ที่หนา 0.1 นิ้ว และ 1 นิ้วจะสรางความถี่ 1 เมกะเฮริตซ และ 100 กิโลเฮิรตซตามลําดับ ผลึกของ lithium sulphate สรางความถี่ 2.25 เมกะเฮิรตซเมื่อมีความหนา 0.045 นิว้ และสรางความถี่ 5 เมกะเฮิรตซ เมื่อมีความหนา 0.0214 นิ้ว เปนตน นอกจากนี้อุณหภูมิที่สูงขึ้นมีผลทําใหความถี่ของผลึกเปลี่ยนแปลงเพิ่มขึ้นหรือลดลงขึ้นอยูกับระนาบของผลึกกําเนดิความถี่ที่ตัดออกมาจากกอนผลึก การติดผลึกกําเนิดความถี่กับแผนโลหะ และการติดแผนโลหะกับกนอางลางควรติดใหสนิทไมใหมีฟองอากาศดวยอีพอกซี่ เพื่อใหการนําคลื่นเสียงมีประสิทธิภาพสูงสุด แตเครื่องลางอัลตราโซนิกบางชนดิอาจติดตั้งแบบไมถาวรสามารถถอดออกมาเปลี่ยนได ซ่ึงอาจทําใหการนําคลื่นเสียงเขาสูอางลางมีประสิทธิภาพลดลง จํานวนของตัวกําเนิดคลื่นความถี่อาจมีมากกวา 1 ตัว เพื่อเพิ่มความแรงของคลื่นเสียง หรือเพื่อกระจายคลื่นเสียงใหทัว่ทั้งอางลาง 3. ออสซิลเลเตอร(oscillator) เปนวงจรขยายสัญญาณปอนกลับแบบบวก (positive feed back) โดยที่สัญญาณออก(output signal) ถูกปอนกลับเสริมเฟสกับสัญญาณเขา(input signal) ซ่ึงในที่นี้เปนสัญญาณความถี่ที่เกิดจากผลกึเมื่อไดรับกระแสไฟฟา ออสซิลเลเตอรจะขยายความถี่ใหแรงขึ้น ดวยการควบคุมแรงดัน(โวลต) ที่จายใหกับทรานซิสเตอร(รูปที่ 9.3) ในกรณีที่ตองการเปลี่ยนคาความถี่สามารถทําไดโดยการปรับคาความจุของตวัเก็บประจุที่ตอกับผลึกกําเนดิความถี ่

เครื่องมือวิทยาศาสตร

203

4. ตัวกลาง(medium) เครื่องลางอัลตราโซนิกสวนใหญใชน้ําเปนตวักลางในการพาคลื่นเสียงไปยังสิ่งสกปรก เมื่อคล่ืนเสียงผานจากกนอางเขาสูตัวกลาง การอัด(compression) และการขยาย (expansion) ของคลื่นเสียงกอใหเกดิคลื่นได 4 ลักษณะคอื

4.1 คล่ืนตามยาว(longitudinal wave, L) เปนคลื่นเสียงสวนใหญของคลื่นเสียงทั้งหมดเคลื่อนที่ไดดีในตัวกลางเกือบทุกชนิด ตวัอยางเชน มคีวามเร็วในน้ําบริสุทธิ์เทากับ 1.43 x 105 ซม./ วินาที ในแกวเทากับ 3.4 – 5.9 x 105 ซม./วินาที ในอากาศเทากับ 0.331 x 105 ซม./วินาที และใน

C1 + V แผนโลหะ ผลึกกําเนิดความถี ่ C2 Output wave ปรับอัตราการขยาย

รูปท่ี 9.3. วงจรออสซิลเลเตอรอยางงาย

เหล็กเทากับ 5.81 x 105 ซม./วินาที เปนตน ความเร็วในการเคลื่อนที ่ (velocity, V) ขึ้นอยูกับความถี่ (frequency, f) และความยาวคลื่น (wavelength, λ) ตามความสัมพันธ V = λ f แตความเร็วของคลื่นเสียงเปนสัดสวนผกผันกับความหนาแนน ความกวางและความยาวของวัตถุที่เปนของแข็ง คล่ืนตามยาวทาํใหอนภุาคของสิ่งสกปรกเกดิการเคลื่อนที ่ ในแนวขนานกับทศิทางเคลื่อนที่ของคลื่นตามยาว(รูปที่ 9.2) เมื่อคล่ืนเสียงไปกระทบกับอนภุาคขนาดใหญ (เมื่อเปรียบเทียบกับความยาวคลื่น) จะเกดิแรงผลักและการสะทอนกลับ(reflection)ของคลื่นเสียง แตถาคลื่นเสียงไปกระทบกับอนภุาคขนาดเล็ก (เมื่อเปรียบเทยีบกับความยาวคลื่น) จํานวนมากจะกอใหเกิดการกระจาย (scattering) ของคลื่นเสียง ทําใหคล่ืนเสียงสูญเสียพลังงานไปบางสวน 4.2 คล่ืนตามขวาง(transverse wave, หรือ sheare wave) เปนคลื่นเสียงที่มีทิศทางการเคลื่อนที่ตัดทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นตามยาว การตัดกันของคลื่นเสียงทั้งสองอาจทํามุมเทาใดกไ็ด คล่ืนตามขวางเกิดเฉพาะในวตัถุที่เปนของแข็งเทานั้น ตวัอยางเชน ผิวอางลาง และผิวภาชนะ ที่นาํมาลางเปนตน

เครื่องลางอัลตราโซนิก

204

คล่ืนตามขวางเคลื่อนที่ในระยะทางสั้น ๆ ดวยความเรว็ประมาณครึ่งหนึ่งของคลื่นตามยาว ผลของคลื่นนี้ทําใหอนภุาคเคลื่อนที่ขึ้นลงในแนวตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นตามขวาง (รูปที่ 9.2) 4.3 คล่ืนผิวหนา(surface wave, S) เปนคลื่นที่เกิดจากการผสมของคลื่นตามยาวและคลื่นตามขวางเกดิเปนคลื่นเสียงที่ผิวหนาตวักลาง มีความเร็วในการเคลื่อนที่ชากวาคลืน่ตามขวางประมาณ 10 เทา คล่ืนผิวหนาทําใหอนุภาคเคลื่อนที่ในแนวขนานกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นผิวหนาในตัวกลางสวนที่อยูต่ํากวาผิวตัวกลาง คล่ืนผิวหนาจะมีนอยลงตามระดับความลึกของตัวกลางเมื่อวัดจากผิวหนา(รูปที่ 9.2) 4.4 คล่ืนที่เกิดจากการโคงงอ(flexural wave) เปนคลื่นที่เกิดจากคลืน่เสียงอัลตราโซนิกวิ่งชนวัตถุที่ออนที่โคงงอไดคลายแผนไดอะแฟรม(diaphragm) ในตัวกลาง 5. ตัวตั้งเวลา(timer) ใชสําหรับตั้งเวลาการทํางานของเครื่องลางอัลตราโซนิก มีชวงตั้งเวลาการทํางานไดนานประมาณ 15-30 นาที ซ่ึงนานพอสําหรับการลางแบบปกติ ซ่ึงใชเวลาเพียง 2-5 นาท ี ในกรณีของการลางแบบตอเนื่องเปนระยะเวลานาน ควรบิดสวิทชของตัวตั้งเวลาไปที่ตําแหนงทํางานตอเนื่อง 6. ปุมควบคุมความรอน(temperature control knob) ใชควบคุมการทํางานของตัวกําเนิดความรอน(heater) ซ่ึงติดอยูนอกอางลางชั้นใน สามารถควบคุมอุณหภูมิไดในชวง 30-85 0ซ. ถาตองการลางที่อุณหภูมิไมสูงมากนัก ไมจําเปนตองใชเครือ่งลางที่มีระบบกําเนิดความรอน เพราะคลื่นเสียง อัลตราโซนิกสามารถทําใหเกดิความรอนขึ้นในตวักลางได 7. ปุมกําจัดแกสในตวักลาง(degassing knob) เปนปุมที่ใชสําหรับปลอยคลื่นความถี่ใด ความถี่หนึ่งเขาไปในตวักลางเพื่อไลฟองอากาศออกจากตัวกลางกอนใสส่ิงของลงไปลาง เครื่องลางบางแบบสามารถปรับความแรงของปุมนี้ได

อุปกรณและสารเคมีทีใ่ชรวมกับเครื่องลางอลัตราโซนิก 1. สารขัดโลหะ ใชสําหรับขัดผิวหนาเหล็กกลาไรสนิมภายในตวัอางลางใหสะอาด เพื่อรักษาประสิทธิภาพในการนาํคลื่นเสียงใหสูงอยูเสมอ 2. สารชะลาง ใชสําหรับชวยกําจัดสิ่งสกปรกออกจากภาชนะที่นํามาลาง ชวยเพิ่มประสิทธิภาพและลดเวลาในการลางดวยเครื่องลางอัลตราโซนิก สารชะลางโดยทัว่ไปใชความเขมขน 6-12% โดยปริมาตร ขึ้นอยูกับปริมาณความสกปรก มีชวงอุณหภูมใิชงาน 15-600 ซ. สารชะลางที่ดีควรสลายตัวดวยกระบวนการทางชีวภาพได(biodegradable) สารชะลางไมควรมีฟอสเฟตเปนองคประกอบและไมทําปฏกิิริยากับเหล็กกลาไรสนิม

ในทางการคาจําแนกสารชะลางตามวัตถุประสงคการใชงานไดเปนชนดิตาง ๆ เชน สารชะลางสําหรับงานทั่ว ๆ ไป (general purpose) ตัวอยางเชน Dynasoap III®, Lavapur 50 ®, Alconox ®ฯลฯ. สารชะลางสิ่งสกปรกมาก(industrial strength) ตัวอยางเชน Lavapur F55®, Alcoject® ,

เครื่องมือวิทยาศาสตร

205

Dynasoap 109 ® ฯลฯ. สารชะลางออกไซด(oxide remover) ตัวอยางเชน Lavapur F60 ® และสารชะลางที่สามารถฆาเชื้อโรค ตัวอยางเชน Lavapur M65® เปนตน 3. อุปกรณจับยึดภาชนะลาง ใชเพื่อทําใหการลางกระทําไดอยางสมบูรณและทัว่ถึง ไมเกิดการแตกหักเสยีหาย ตัวอยางเชน ถังใสปเปตต ตวัยึดบกีเกอร(beaker holder) ตะกรา(basket) (รูปที่ 9.4) 4. ฝาปดอางลาง(lid) ใชสําหรับปองกันการระเหยของน้ํา หรือสารชะลาง และชวยปองกัน ส่ิงสกปรกตกลงไปในอางลาง

เครื่องลางอัลตราโซนิก

206

รูปท่ี 9.4 สวนประกอบของเครื่องลางอัลตราโซนิกและอุปกรณท่ีใชรวม

เครื่องมือวิทยาศาสตร

207

วิธีใช การใชเครื่องลางอัลตราโซนิกไมมีขั้นตอนที่ยุงยาก แตมส่ิีงที่ตองระวังเปนพิเศษคือ หามเปดสวิทชใหเครื่องทํางานในขณะที่ไมมีน้ําอยูในอางลาง เพราะความรอนที่เกิดขึน้จะทําใหผลึกกําเนิดความถี่เสียหาย สําหรับการลางภาชนะดวยเครื่องลางอัลตราโซนิกมีขั้นตอนการลาง ดังนี ้ 1. การแชกอน(pre soaking) หรือลางภาชนะดวยน้ําประปาเพื่อกําจัดสิ่งสกปรกขนาดใหญออกกอน เพราะคลื่นเสียงอัลตราโซนิกสามารถทําความสะอาดสิ่งสกปรกขนาดเลก็ไดดกีวาอนภุาคขนาดใหญ 2. ใสน้ําลงในอางประมาณ 3 ใน 4 สวนของความจุของอางลาง และอาจใสสารชะลางตามความเหมาะสม ในกรณทีี่มีส่ิงของที่ตองการลางนอยควรลดปริมาณน้ําลง เพือ่ใหลางภาชนะไดสะอาดมากขึ้น 3. ใสภาชนะหรือส่ิงของที่ตองการลางในอาง โดยใสในตัวจับยดึที่เหมาะสม และถาสิ่งของมีขนาดเบาลอยอยูเหนือน้ํา ควรใชตะแกรงลวดเหล็กกลาไรสนิม หรือพลาสติกกดใหจมลง 4. เปดสวิทชไฟฟาและตั้งอณุหภูมิที่ตองการ แตถาใชอุณหภูมิสูงกวา 60 0ซ. ประสิทธิภาพการทํางานของสารชะลางมักลดลง 5. ในกรณีที่เครื่องลางอัลตราโซนิกมีระบบกําจัดแกสในตัวกลาง(degassing system) ใหเปดระบบดังกลาวกอน 6. ตั้งเวลาสําหรับการลาง หลังจากครบเวลาจึงไปลางดวยน้ําสะอาด ซ่ึงอาจจะเปนน้ํากลั่น หรือน้ํากลั่นปราศจากไอออน และนําไปอบใหแหงตอไป

การตรวจสอบประสิทธิภาพ

ประสิทธิภาพของเครื่องลางอัลตราโซนิกนิยมตรวจสอบจากการกระจายของคลื่นความถี่และความแรงของคลื่นความถี่ 1. การตรวจสอบการกระจายของคลื่นความถี่มีขั้นตอนการทําดังนี ้

1.1 วัดขนาดภายในของอางลางอัลตราโซนิก สมมุติวาวัดไดยาว 12 นิ้ว กวาง 8 นิว้ และ ลึก 6 นิ้ว

1.2 ตัดกระดาษอะลูมินัมฟอยลชนิดบางที่ใชตามบานทั่ว ๆ ไป ใหมีขนาดกวาง 7 นิว้ ยาว 12 นิ้ว

1.3 เติมน้ําลงในอางลางโดยใหระดับน้ําต่ํากวาขอบอาง 1 นิ้ว 1.4 เปดเครื่องใหทํางานดวยพลังงานสูงสุดประมาณ 5 นาที เพื่อไลฟองอากาศ 1.5 จุมแผนอะลูมนิัมฟอยลในแนวดิ่งลงตรงกลางอาง โดยใหขอบอะลูมินัมฟอยลสูงกวา

กนอางเล็กนอย 1.6 เปดเครื่องลางใหทํางาน 20 วินาทีพอด ี

เครื่องลางอัลตราโซนิก

208

1.7 นําแผนอะลูมนิัมฟอยลออกจากอาง ปลอยใหแหงในอากาศ หรือซับเบา ๆ เพื่อใหน้ํา แหง

1.8 สังเกตรอยขรุขระบนผิวอะลูมินัมฟอยล ซ่ึงควรจะมีการกระจายอยางสม่ําเสมอทั่วทั้ง แผน ถามีพื้นผิวบางจุดไมมรีอยขรุขระมากวา 0.5 ตารางนิ้วข้ึนไป แสดงวาการกระจายของคลื่นอาจมีปญหา ใหทําการตรวจสอบซ้ําอีกครั้ง ถายังไดผลเหมือนเดิมใหสงเครื่องลางใหผูผลิต เพื่อตรวจสอบตอไป

2. การตรวจสอบความแรงของคลื่นเสียงอัลตราโซนิก มีวิธีการดังนี ้2.1 ตัดกระดาษอะลูมินัมฟอยลชนิดบางที่ใชตามบานทั่ว ๆ ไป ใหมีขนาดกวาง 2 นิว้ ยาว

4 นิ้ว 2.2 เติมน้ําลงในอางลางประมาณ 2 ใน 3 ของความจุอาง 2.3 เปดเครื่องใหทํางานดวยพลังงานสูงสุดประมาณ 5 นาที เพื่อไลฟองอากาศ 2.4 วางแผนอะลูมินัมฟอยลในแนวนอนลงตรงกลางอาง โดยใหน้ําทวมแผนอะลูมินมั

ฟอยล 2.5 เปดเครื่องลางใหทํางาน 10 นาทีพอด ี2.6 นําแผนอะลูมนิัมฟอยลออกจากอาง ปลอยใหแหงในอากาศ หรือซับเบา ๆ เพื่อใหน้าํ

แหง 2.7 เครื่องลางที่มีประสิทธิภาพสูงกวา จะสังเกตเห็นรอยขรุขระบนผิวอะลูมินัมฟอยล

มากกวา มีรอยทะลุ ฉีกขาดมากกวา และ แผนอะลูมินมัฟอยลบางลงมากกวา จากการทดลองของผูเขียนในเครื่องลางอัลตราโซนิกยี่หอ Elma รุน Transonic Digital

D7700 ตามวธีิการขางตน โดยใชกําลังสูงสุดของเครื่องในการทดสอบ พบวาแผนอะลูมินัมฟอยล เร่ิมถูกกัดกรอนอยางชัดเจนที่เวลา 5 นาที และถูกกดักรอนมากที่เวลา 15 นาที่(รูปที่ 9.5) นอกจากนี้ยังพบวาอณุหภูมิของน้ําคอย ๆ เพิ่มจาก 25 องศาเซลเซียส เปน 58 องศาเซลเซียส ที่เวลา 31 นาที (รูปที่ 9.6)

การบํารุงรักษา ควรมีบํารุงรักษาเครื่องลางอัลตราโซนิกดังนี้ 1. ปลอยน้ําออกจากอางลางทุกครั้งหลังจากใชเสร็จ และไมควรใชอางลางเปนที่แชภาชนะหรือส่ิงของตางๆ 2. เมื่อผิวเหล็กกลาไรสนิมในอางสกปรก ควรขัดทําความสะอาดเสมอ ๆ เพื่อรักษาประสิทธิภาพในการนําคลื่นเสียง 3. ไมควรใหเครื่องลางอัลตราโซนิกทํางานนานเกินความจําเปน เพราะความรอนอาจทําใหผลึกกําเนิดความถี่เสื่อมสภาพหรือเสียหายไดงาย 4. ระวังน้ําไมใหเขาไปในตวัอางชั้นนอกเพราะจะทําใหวงจรอิเล็กทรอนิกสเสียหายไดงาย

เครื่องมือวิทยาศาสตร

209

รูปท่ี 9.5 แสดงการถูกทําลายของแผนอะลูมินัมฟอยลดวยคล่ืนเสียงอัลตราโซนิกท่ีเวลาตาง ๆ กัน

5. ตรวจสอบความถูกตองของนาฬิกาตั้งเวลาทํางานทุก ๆ 6 เดือน 6. ตรวจสอบประสิทธิภาพในการลางทุก ๆ เดือน

7. ตรวจสอบความถูกตองของอุณหภูมิทุก ๆ ป

การเลือก การเลือกเครื่องลางอัลตราโซนิกเพื่อนํามาใชงานควรพจิารณาถึงสิ่งตอไปนี ้

1. ความถี่ของคลื่นเสียงอัลตราโซนิก เครื่องลางทั่วไป มีความถี่ในชวง 35-60 กิโลเฮิรตซ

5 นาที

6 นาที 8 นาท ี15 นาที 10 นาท ี

0 นาที 4 นาท ี 2 นาท ี

เครื่องลางอัลตราโซนิก

210

รูปท่ี 9.6 กราฟแสดงอุณหภูมิของน้ําท่ีสูงขึ้นเนื่องจากคลื่นเสียงอัลตราโซนิก

ความถี่ที่สูงกวาจะสรางฟองอากาศขนาดเล็กไดดีกวา แตการเกิดฟองอากาศจะนอยกวาทําใหสามารถแทรกเขาไปลางสิ่งสกปรกขนาดเล็กไดดีกวา สวนความถี่ที่ต่ํากวาจะสรางฟองอากาศขนาดใหญกวา และมีจํานวนมากกวา จึงเหมาะสําหรับการทําความสะอาดสิ่งสกปรกขนาดใหญกวา ดังนั้นเครื่องบาง ชนิดจึงใชระบบกวาดความถีจ่ากนอยไปหามาก หรือจากมากไปหานอย เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการลางใหสูงกวาการใชความถีสู่งหรือความถี่ต่ําเพียงความถี่เดียว 2. กําลังคลื่นเสียง(output watt) ควรเปรียบเทียบกําลังสงูสุดของคลื่นเสียง ซ่ึงสวนใหญจะอยูในชวง 45-600 วัตต คล่ืนเสียงที่มีกําลังสูงกวายอมทําความสะอาดไดดีกวา แตควรพิจารณาถึงการสูญเสียกําลังคลื่นเสียงอันเนือ่งมาจากการติดตั้งผลึกกําเนิดความถี่ และการออกแบบตัวอางลางดวย 3. ความจุของอางลางชั้นใน นิยมกําหนดในหนวยลิตรหรือแกลลอน แตความจุทีใ่ชงานจริงจะมีเพยีงไมเกนิ 3 ใน 4 สวนของความจุทั้งหมด 4. รูปรางของอางลาง ควรใชอางลางทรงสูง(vertical tank) สําหรับภาชนะที่มีทรงสูง และใชอางลางทรงเตี้ย(horizontal tank) สําหรับการลางสิ่งของชิ้นเล็ก ๆ 5. ควรมีวงจรกรองสัญญาณรบกวนวิทย(ุradio frequency interference filter) เพื่อปองกันเครื่องลางสรางสัญญาณรบกวนเครื่องมืออิเล็กทรอนิกสที่อยูในบริเวณใกลเคียง

เครื่องมือวิทยาศาสตร

211

6. ควรเลือกเครื่องลางที่มีเครื่องทําความรอน ถาจําเปนตองลางภาชนะ หรือส่ิงของที่มีไขมันมาก สกปรกมาก หรือเมื่อตองการลางฆาเชื้อโรคเปนประจํา

ปญหาและสาเหตุ เครื่องลางอัลตราโซนิกมีโครงสรางที่งาย ทนทาน มีอายุการใชงานยาวนานหลายป ถามีการใช และมีการบํารุงรักษาอยางถูกวิธี ปญหาที่เกิดกับเครื่องมือไมคอยพบ ปญหาที่เกิดขึ้นมกัจะเปนปญหาของการลางไมสะอาด ซ่ึงอาจเกิดจากสาเหตุดังนี ้ 1. ส่ิงของที่นํามาลางสกปรกมากหรือไมผานขั้นตอนการแชกอน 2. ส่ิงของที่นํามาลางลอยอยูที่ผิวน้ําในอาง ทําใหสวนที่ไมสัมผัสน้ําไมไดรับการทําความสะอาด 3. ใสส่ิงของในอางลางมากเกินไปทําใหคล่ืนเสียงอัลตราโซนิกวิ่งไมทัว่ถึง 4. ใสน้ําในอางลางมากเกินไป ทําใหความหนาแนนของแรงดันของของเหลวที่กระทาํตอส่ิงสกปรกลดลง 5. ใสน้ําในอางลางนอยเกนิไป ทําใหการเดินทางของคลื่นเสียงและฟองอากาศขนาดเลก็ไมทั่วถึง 6. ใชสารชะลางที่ไมเหมาะสม หรือมีปริมาณไมถูกตอง 7. ใชเวลาในการลางไมนานพอ 8. ออกแบบอางลางไมเหมาะสม ทําใหคล่ืนเสียงกระจายไมทั่วทั้งอางลาง 9. คล่ืนเสียงมีกําลังต่ํา หรือมีการสูญเสียพลังงานมาก 10. คล่ืนเสียงมีความถี่ไมเหมาะสมทําใหไมสามารถกําจัดอนุภาคของสิ่งสกปรกไดทุกขนาด

ถึงแมวาเครื่องลางอัลตราโซนิกจะลางภาชนะและสิ่งของตาง ๆ ไดสะอาดมาก แตยังไมถูก

นํามาใชอยางแพรหลายในหองปฏบิัติการ เม่ือคํานึงถึงคณุภาพของการวิเคราะห ความรวดเร็วในการ

ลาง การประหยัดแรงงาน ฯลฯ. หองปฏิบัติการแตละแหงควรนําเครื่องลางอัลตราโซนิกมาชวยใน

การลางทําความสะอาด เพราะคุณภาพและความนาเชื่อถือของผลการวิเคราะหสวนหนึ่ง ขึน้อยูกับ

ความสะอาดของวัสดุและอุปกรณทุกชิ้น ท่ีตองสัมผัสกับน้ํายา หรือสารเคมีท่ีใชในกระบวนการ

วิเคราะห

เครื่องลางอัลตราโซนิก

212

บรรณานุกรม

1. Barrier M. The ultimate ultrasound. Nation, s Business 1991;79:53-4. 2. Bravo EC, Bastos TF, Martin JM, Calderon L Ceres R. Ultrasonic-temperature shapes

the envelope. Sensor Review 1994;14:19-23. 3. Bruce D. Modern electronics : basic, device & application. Reston, Virginia: Reston

Publishing Company Inc. 1984. 4. Cai C, Regtien PPL. A versatile ultrasonic ranging system. Sensor Review

1993;23:22-5. 5. Carlin B. Ultrasonic. 2 nd ed. New York, Toronto : Mc Gaw-Hill Book Company, 1960. 6. Hordeski MF. The design of microprocessor sensor, and control system. Reston,

Virginia : Reston Publishing Company Inc. 1985. 7. Hortman SW, Hortman BC, Hortman FS. Ergonomic risk factors associated with the

practice of dental hygiene: a preliminary study. Professional Safety 1997;42:49-53. 8. Koosha A. Ultrasonic tranducers for air and underwater communication. Dissertion

Abstracts International 1991;53-03B:174. 9. Kwak HY. Degassing phenomena from liquid-gas solutions after rapid decompression.

Dissertion Abstracts International 1981;42-03B:124. 10. Lee DM. Evaluation of myocardial fibrosis using quantitative ultrasonic methods.

Dissertion Abstracts International 1998;59-08B:174. 11. Mawhiney IN. Ultrasound and bone. Dissertion Abstracts International 1989;52-

02C:112. 12. Nakra BC, Chaudhry KK. Instrumentation measurement and analysis. New Delhi :

Tata Mc Graw Hill Publishing Company Limited, 1985. 13. Ogilvy JA. On the theory of ultrasonic wave scattering from rough surface. Dissertion

Abstracts International 1987;49-02B:264. 14. Pickworth MJW. Studies of the cavitational effects of clinical ultrasound by

sonoluminescence. Dissertion Abstracts International 1988;49-10B:249. 15. Seymour A. In search of the right leak detector. Air Conditioning.

Heating&Refrigeration News 2000;210:26-8.

เครื่องมือวิทยาศาสตร

213