خانه آخرین نوشته ها ابزار دقیق (Instrumentation) چیست؟

ابزار دقیق (Instrumentation) چیست؟

۰
ابزار دقیق (Instrumentation) چیست؟
کاربرد ابزار دقیق

معرفی سیستم های کنترل و ابزار دقیق

ابزار دقیق و سیستم های کنترل (Control Systems) متناسب با کاربردشان، در طیف وسیعی از سیستم های بسیار پیچیده تا نسبتاً ساده قرار گرفته اند. برای مثال و بعنوان یکی از فرآیندهای نسبتاً ساده، سیستم تنظیم خودکار سوخت موتورها را میتوان نام برد. در این سیستم ساده، حسگرهائی (Sensors) وجود دارند که وضعیت موتور و شرایط کار آن، نظیر فشار (Pressure) ارتفاع، چرخش (Rotation)، و سرعت (Speed) را مورد باز بینی قرارمیدهند.

اتوماسیون صنعتی اطلاعات حاصل از این حسگرها ابزار دقیق توسط کامپیوتر و یا وسایلی نظیر ریز کامپیوتر، ریز پردازنده (Microprocessor)، کنترل کننده (Controller)، به سیگنالهای کنترل (Control Signals) تبدیل میشوند؛ و نهایتاً بصورت فرامینی باعث کنترل کار بهینه موتورها میگردند. این فرامین، ترکیب سوخت و هوا، مقدار سوخت ، و نسبت جریان سوخت و نظیر اینها را تنظیم می نمایند. لذا علیرغم تغییرات در شرایط کار موتور، کارآئی آن در بهترین حالت تنظیم و کنترل میگردد. در هر سیستم کنترل و ابزار دقیق علاوه بر اجزاء اصلی کنترل (کامپیوتر، ریز پردازنده و غیره) حداقل سه قسمت و احتمالاً چهار قسمت موجود میباشد. این اجزاء عبارتند از:

  • اجزاء حس کننده و یا مبدل ها (Sensors, Transducers)
  • اجزاء اندازه گیری و آماده سازی سیگنال ( Signal Conditioner )
  • وسایل کنترل کننده و عمل کننده ها (Actuator)
  • و احتمالاُ نشانگر و ثبات ابزار دقیق

حس کننده ها و یا مبدل ها

معمولاُ اولین قسمت سیستم کنترل خودکار، قسمت احساس کننده و یا حسگر میباشد که شرایط، حالات، یا متغیرهای فرآیند را احساس کرده و متناسب با این شرایط سیگنال های خروجی متناسب با آنها ایجاد مینماید. غالباٌ سیگنال خروجی این قسمت بصورت الکتریکی، و قیاسی از شرایط متغیر فرآیند میباشد. برای مثال:

خروجی حس کننده به ازاء یک پوند (Pound) فشار، یک ولت تغییر ولتاژ و یا به ازاء یک درجه تغییر دما یک میلی آمپر تغییر جریان میباشد. امروزه در سیستم های کنترل از مبدلهای و یا ترانسدیوسرهای مختلفی استفاده میشود. بطور نمونه میتوان حس کننده های، حرکت و نیرو ( شتاب، دامنه، تغییر مکان، نیرو، گشتاور، فشار، قدر مطلق سرعت، سرعت، کشش) شرایط سیال ( جریان، فشار، سطح مایع) رطوبت، بخار هوا، روشنائی، پرتوزائی، دما و صدا را میتوان نام برد. نظر به اینکه امکان جمع آوری اطلاعات در خصوص انواع مبدلها و حسگرهای مختلف در یک کتاب درسی وجود ندارد. لذا انواع مهمتر و مورد نظر، این مبدلها در بخش های بعدی توضیح داده خواهند شد.

اجزاء اندازه گیری و آماده سازی سیگنال ابزار دقیق

اندازه گیری، مهمترین قسمت سیستم های کنترل و ابزار دقیق میباشد. برای مثال دما و فشار و یا بطور کلی متغیرهای فرآیند، مانند سرعت جریان سیال، خاصیت اسیدی و بسیاری دیگر از کمیت ها اندازه گیری میشوند. اندازه گیری فقط برای فهمیدن شرایط و یا کمیت متغیر انجام نمیگیرد، بلکه بیشتر اوقات مقدار اندازه گیری شده با مقدار مطلوب (Set Point) مقایسه میشود تا سیگنال خطا تعیین گردد.

توسط این سیگنال خطا یک عمل کننده بکار می افتد تا متغیر فرآیند را به مقدار معینی برساند و یا خروجی فرایند را کنترل نماید. در سیستمهای کنترل معمولی، نخست توسط یک حسگر شرایط یا کمیتهای متغیر فرآیند، به سیگنال الکتریکی یا فشارهوای معادل تبدیل میشود. معمولاٌ سیگنال الکتریکی که به این ترتیب تبدیل شده و سپس اندازه گیری میشوند، در قالب اوقات جریان، ولتاژ، مقاومت، ظرفیت خازنی، ظرفیت القائی، فرکانس و سرعت تکرار پالس میباشند.

در سیستم های بر مبنای ریز کامپیوتر، فرآیند اندازه گیری، شامل تبدیل مقادیر آنالوگ ( مثلاٌ ولتاژ معادل فشار و غیره ) به مقادیر عددی ( دیجیتال) و برعکس نیز میباشد. بعبارت دیگر، چون در کامپیوترها پالسهای دیجیتالی مورد استفاده قرار میگیرد، لذا در این سیستمها از مدارهای مبدل آنالوگ به دیجیتال (A/D) و مبدل دیجیتال به آنالوگ (D/A) استفاده میشود.

وسایل کنترل کننده و عملگرها ابزار دقیق

در اکثر سیستمهای کنترل ؛ آخرین مرحله از سیستم معمولاٌ شامل:
• یک کلید یا کنتاکت میباشد که در حالت باز و یا بسته قرار میگیرد.
• یک شیر که در حالت کاملاٌ باز و یا بسته و یا در یک حالت میانی میباشد.
• یک وسیله الکترومغناطیسی که توسط جریان الکتریکی تحریک شده و یک عمل مکانیکی را انجام میدهد و یا
• شامل یک موتور است که شروع به چرخش یا توقف نموده و یا جهت آن تعویض شده؛ و یا سرعت آن تغییر مییابد ( گاهی اوقات از موتورهای پله ای به این منظور استفاده میشود.)


مابین نخستین جزء سیستم کنترل که معمو لا حسگر بوده و عمل کنترل را شروع مینماید و آخرین قسمت آن که عملگر میباشد؛ اجزاء کنترل مختلفی قرار دارند که هرکدام عمل معینی را در سیستم انجام میدهند. این وسایل معمولاٌ کلید؛ شیر؛ سیم پیچ مغناطیسی؛ رله ها ؛ لامپ های الکترونی و عناصر کنترل نیمه هادی می باشند.

نشانگر و ثبات، وسایل نشان دهنده و کامپیوتر ابزار دقیق

اصطلاح نشانگر و ثبات به وسایلی اطلاق میشود که سیگنالها را ثبت و یا نشان داده است. و یا باعث انتقال سیگنالی بین اجزاء مختلف سیستم میشوند. در سیستم های ساده تر و قدیمی تر، نشان دهنده به، فشارسنج ها، دما سنج ها ؛ اندازه گیرهای الکتریکی و چراغ های روی تابلوهای کنترل که نشان دهنده اتفاقی در سیستم میباشند.

(نظیر چراغ های قرمز چشمک زن که هنگام رسیدن سطح مایع در مخزن به حد معینی روشن و خاموش میشوند) و وسایلی نظیر اینها اطلاق میشد. اما در سیستمهای بر مبنای ریز کامپیوتر کلمه نشان دهنده معمولاٌ به نشانگر های دیجیتالی، پایانه های تصویری، و ماشینهای چاپگر گفته میشود.

اجزاء سیستم های کنترل و ابزار دقیق

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. سیستم های اندازه گیری اصولاٌ شامل یک مبدل میباشند. که وضعیت و یا کمیت مورد اندازه گیری ( مورد سنجش ) را به سیگنال قابل استفاده و معمولاٌ الکتریکی تبدیل مینماید. البته اصطلاحات مبدل و حسگر غالباٌ و اصولاٌ در رشته ابزار دقیق و کنترل با هم تعویض میشوند. اما از نظر تخصصی مبدل یک وسیله کاملی است که بازاء یک کمیت مورد سنجش خروجی مورد نظر را ایجاد میکند؛ اما حسگر یک جزئی از مبدل میباشد که بطور واقعی کمیت مورد سنجش را حس میکند.

لذا مبدل ها یا فقط از یک حسگر تشکیل شده و یا شامل هردوقسمت حسگر و تبدیل کننده میباشند. بندرت سیگنال های خروجی حسگرها و یا مبدلها به همان صورتی که هستند. مورد استفاده قرار میگیرند. بنابراین غالباٌ سیگنالهای خروجی مبدل، توسط مدارهای آماده سازی سیگنال پردازش شده و بصورت قابل استفاده ای در میآیند. نتیجتاٌ بیشتر اوقات مبدلها، شامل مدارهای آماده سازی سیگنال Signal Conditioning Circuits نیز میباشند.

اساس یک سیستم اندازه گیری وآماده سازی سیگنال
اساس یک سیستم اندازه گیری وآماده سازی سیگنال

در سیستم اندازه گیری نشان داده شده در شکل فوق؛ سیگنالهای آماده شده به سیستم کنترل و ابزار دقیق که میتواند شامل یک نشان دهندهء دیجیتالی و یا آنالوگ، ثبات یا چاپگر عددی نیز باشد اعمال میگردد. در نتیجه کمیت مورد سنجش به شکل قابل استفاده برای خواندن مثل درجه، عدد و غیره در نشان دهنده نیز آشکار میشود. در سیستم های کنترل مشابه آنچه در شکل زیر نشان داده شده است. خروجی های کنترل به یک کنترل کننده و یا یک وسیلهء کنترلی دیگر اعمال میگردد. در نتیجه کنترل کننده سیگنالی را با توجه به مبنای ورودی و مقادیر حاصل از خروجی فرایند مورد نظر ایجاد میکند. تا وسایل کنترل مننده فرایند، نظیر شیرها، عمل کننده ها ؛ موتورها و غیره را بکار اندازد.

سیستم کنترل مدار بسته
سیستم کنترل مدار بسته

برای مثال در یک سیستم بسیار سادهء کنترلی (شکل ۴)، مبدل، فشار یک مخزن را اندازه گیری کرده است. و متناسب با آن خروجی تولید میکند که از طریق مدار آماده سازسیگنال به کنترل کننده اعمال میشود. سپس کنترل کننده شیری را بکار می اندازد تا فشار مخزن را کنترل نماید. فشار مخزن توسط این سیستم با حلقهء بسته تا حد معینی و در مقدار مورد نظر تثبیت میشود. مدارهای آماده سازی سیگنال قسمتی از مبدل یا کنترل کننده بوده است. و یا در هر دو قسمت مدار قرار خواهند داشت.

سیستم کنترل توربین یک نیروگاه برق
سیستم کنترل توربین یک نیروگاه برق
سیستم کنترل سطح آب
سیستم کنترل سطح آب

سنسورها و عملگرها (Sensors and Actuators)

ترانسدیوسرو یا مبدل (Transducer) به مجموعه ای از قطعات و یا وسایلی اطلاق میشود. که بتواند کمیت فیزیکی مورد نظر را دریافت و متناسب با آن کمیتی از جنس دیگر تحویل دهد. و یا وسیله ایست که یک نوع از انرژی را به نوع دیگری تبدیل مینماید. این عمل در مبدلهای ابزار دقیق با دریافت انرژی از خارج از دستگاه صورت میگیرد. مثلاٌ ترانسدیوسر حرکت مکانیکی به فشار پنیوماتیک توسط تغذیه هوای فشرده تغییر مکان مکانیکی را به فشار هوائی متناسب با حرکت تبدیل مینماید. و یا ترانسدیوسر حرکت مکانیکی به شدت جریان الکتریکی مستلزم دریافت انرژی الکتریکی از خارج دستگاه میباشد. شکل زیر مدار شماتیک یک ترانسدیوسر را نشان میدهد.

شکل شماتیک یک ترانسدیوسر ( مبدل)
شکل شماتیک یک ترانسدیوسر ( مبدل)

برای انتقال اطلاعات به یک ریز کامپیوتر (Microcomputer)، بهترین وسیله ترانسدیوسری است. که سیگنال یا کمیت ورودی ابزار دقیق را به یک سیگنال یا کمیت الکتریکی، مانند، ولتاژ، جریان، مقاوت و یا …. خروجی تبدیل نماید. یکی از دلایل برای تبدیل سیگنالهای غیر الکتریکی به سیگنالهای الکتریکی قابلیت و امکانات وسیع موجود برای پروسس و تحلیل این گونه سیگنالها بوسیله سیستم های مدرن الکترونیکی میباشد.

ترانسدیوسر و یا مبدل یک کمیت فیزیکی و یا کمیت مورد اندازه گیری را عملاٌ حس کرده است. وآنرا به کمیتی یا سیگنالی الکتریکی و قابل اندازه گیری شدن تبدیل مینماید. ( مانند ترموکوپل که درجه حرارت را به ولتاژ تبدیل میکند). جایگاه سنسور که عملاٌ جزئی از سیستم اندازه گیری میباشد. در یک حلقه کنترل بسته در شکل شماتیک زیر نشان داده شده است.

اجزا یک حلقه ساده کنترل بسته
اجزا یک حلقه ساده کنترل بسته

میزان کمیت مورد نظر در خروجی فرایند ( تحول ) توسط عنصرحس کننده حس شده است. و در مقایسه کننده با مقدار مطلوب مقایسه شده و سیگنال حاصله ( سیگنال خطا ) به کنترلر اعمال و نتیجتاٌ جهت بهبود در وضعیت کنترل کمیت مورد نظر به فرایند ( تحول) اعمال میگردد. و آنقدر این عمل تکرار میگردد تا سیگنال خطا به صفر نزدیک شود.

تعریف عنصر حس کننده از دیدگاه ( ISA (Instrument Society of America: عنصر حس کننده بخشی از مکانیسم ترانسدیوسر ( مبدل ) میباشد. که در اتصال با کمیت مورد اندازه گیری میباشد. بطوریکه هر لحظه به تغییرات حاصله در کمیت مورد نظر برای اندازه گیری پاسخ میدهد.

سنسورها معمولاٌ برای آشکار سازی جابجائی (Displacement): درجه حرارت، کشش (Strain)، نیرو (Force)، نور (Light)، و غیره استفاده میشوند.

معمولاٌ تمام سنسورها احتیاج به مدارهای اضافی برای تولید ولتاژ و جریان دارند. بعنوان مثال در مورد ترمیستور (Thermistor) که مقاوت الکتریکی اش متناسب و یا بصورت تابعی از درجه حرارت تغییر میکند. یک مدار پل اندازه گیری مورد احتیاج است تا بتوان بوسیله آن ولتاژ متناسبی تولید نمود.

در مواردی مثل سلول های فتو الکتریک و یا فتو دیود های سیلیکانی (Silicon Photodiode) که متناسب با نور یک جریان تولید میکنند. یک طبقه تقویت کننده مورد احتیاج است. تا جریان مورد اندازه گیری را به ولتاژی با سطح مناسب تبدیل نماید.

غالباٌ کلمه سنسور (Sensor)، برای وسیله ای استفاده میشود. که دارای ترانسدیوسر و مدار مورد احتیاج برای تولید ولتاژ یا کمیت الکتریکی خروجی باشد. برای آشنائی بیشتر با کاربرد سنسورها میتوات موارد و یا مثالهای زیر را بطور نمونه و برای مثال ذکر نمود:

  • استفاده از مقاومت متغیر برای ثبت نوسانات یک پاندول.
  • اندازه گیری درجه حرارت با استفاده از ترمومتر مقاومت پلاتینیوم (PT100) (Platinium)، ترموکوپل (Thermocouple) و ترمیستور (Thermistor).
  • اندازه گیری نیرو با استفاده از استرین گیج های (Strain Gauge) نصب شده است. بر روی یک میله پلاستیکی و متصل به یک مدار پل اندازه گیری ابزار دقیق
  • اندازه گیری نور بوسیله یک فتو دیودسیلیکان (Silicon Photodiode).

عملگر ها

عملگر ها نیز یکی از مهم ترین اجزاء سیستم های کنترل بوده است. و در واقع نوعی ترانسدیوسر هستند که انرژی الکتریکی را به یک کمیت فیزیکی تبدیل میکند. جدول زیر لیست بعضی از کمیت های فیزیکی و سنسور و عمل کننده مربوطه شان را ذکر کرده است.

مثالهائی از سنسورها و عمل کننده ها
مثالهائی از سنسورها و عمل کننده ها.

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here