ابزار دقیق چیست؟

مقدمه ای بر ابزار دقیق

ابزار دقیق یکی از دروس کارشناسی مهندسی کنترل می باشد. به صورت کلی اگر بخواهیم ابزار دقیق را در تمامی سیستم ها بررسی و جایگاه مهم آن بررسی کنیم می توانیم آن را با شبکه عصبی ، سنسورها و مغز در بدن موجودات مشابهت داد. هر چقدر این سنسورها دقیق تر و بهتر عمل کنند کارایی سیستم بالاتر و بهتر خواهد بود. برتری و عملکرد بهتر هر سیستمی بستگی به سنسورهای کار شده در آن و عملکرد سیستم آن می باشد . مرکز کنترل بر اساس سیگنال های دریافتی از سنسورها می توانند کنترل بهتری بر عملگر ها انجام می‌شود. اگر بخواهیم یک تعریف کلی برای "ابزار دقیق" صنعتی ارائه دهیم میتوان گفت که ابزار دقیق مجموعه ای ابزارها برای اندازه گیری، نمایش و ضبط کمیت های فیزیکی مختلف است. یک پلنت در یک کارخانه را در نظر بگیرید، بسته به بزرگ و کوچک بودن  آن، با استفاده از ابزار دقیق، دما، فشار، فلو، سطح، حرکت، ارتعاش، حضور یا عدم حضور یک شی، رطوبت و گاز را اندازه گیری می‌کنیم. برای مثالی قابل درک تر از استفاده های ابزار دقیق،یک واحد پالایشگاه را در نظر بگیرید. در پالایشگاه همزمان باید تمام کمیت های پلنت نظیر دما، فشار، فلو، سطح، حرکت، ارتعاش، حضور یا عدم حضور یک شی، رطوبت و گاز تحت کنترل باشد. برای رسیدن به یک محصول مطمئن و قابل اطمینان نیاز است این همزمانی و دقت رعایت شود تا بتوان به تولید قابل اطمینان بالا رسید.

وظیفه مهم ابزار دقیق کنترل فرایند و پارامتر ها است. برای کنترل، ابتدا اندازه گیری میکنیم. سنسور ها این کار را برای ما انجام میدهند. سنسور یک پارامتر را اندازه گیری میکند. مقادیر اندازه گیری شده از کالیبراسیون و تصحیح هایی که بر روی سیگنال های خام انجام میشود با مقادیر مطلوب و استاندارد مقایسه میشود تا به مقدار مطلوب برسد. اگر مقدار خام با مقدار مطلوب پلنت تفاوت داشته باشد یک سیگنال خطا تولید میشود و این سیگنال خطا وارو کنترل کننده میشود. کنترل کننده میتواند انواع مختلف خطی یا غیرخطی داشته باشد. پس از این اتفاقات، کنترل کننده یک سیگنال کنترلی اعمال میکند. این سیگنال برای یک عملگر مثلا یک موتور یا یک شیر برقی یا شیر پنوماتیکی فرستاده میشود و شیر پنوماتیکی بر روی پلنت اثر میگذارد تا پارامترهای فیزیکی که ما میخواهیم تحت تاثیر قرار گیرند. دو المان بسیار مهم برای یک کنترل استاندارد داریم. المان یا 'قدم اول'، کنترل و حلقه بسته را داریم. در ادامه حلقه بسته را مثال خواهیم زد. المان یا 'قدم نهایی' هم مانند قدم اول تعیین کننده هست و تغییر در کارکرد پلنت را انجام میدهد. این دو المان خیلی خوب باید کار کنند زیرا اگر چنین نباشد عملکرد سیستم حلقه بسته مختل میشود و بر روی پلنت کنترل نخواهیم داشت.  عملگر المان اول همان سنسور است که وظیفهی اندازه گیری پارامترهای فیزیکی را دارد. المان نهایی نیز یک عملگر یا اپراتور است که با عملگر میتوانیم همان پارامتر های فیزیکی پلنت را تحت تاثیر قرار بدهیم.
حال نقش ابزار دقیق در این اتفاقات چیست؟
آشنایی با سنسورها و عملگرها را باید مهم شمرد. تعداد پارامترهای یک پلنت زیاد است، در نتیجه تنوع سنسورها زیاد است و تکنولوژی های مختلف برای سنسورها و عملگرها وجود دارد. مثلا برای کنترل فلوی داخل یک لوله به این صورت خواهیم داشت. یک شیر برقی را به لوله متصل میکنیم و آن شیر برقی با میزان باز و بسته بودن، فلوی داخل لوله را کنترل میکند. میتوان بسته به سیستم های مختلف به جای شیر برقی از شیر پنوماتیکی یا شیر هیدرولیکی نیز استفاده کرد. شیر برقی، شیر پنوماتیکی یا شیر هیدرولیکی همان المان نهایی ما هستند.
برای کنترل دمای داخل یک بویلر میتوان با عبور دادن یک سیال داغ از مایع داخل بویلر این کار را انجام داد.
با کم و زیاد کردن سیال داغی که وارد بویلر میشود، میتوان دمای مایع داخل بویلر را کنترل کنیم. برای کنترل حرکت یک جسم نیز میتوان از عملگر هایی که زیر مجموعهی همین ابزار دقیق هستند استفاده کرد. برای المان نهایی در این باب میتوان موتورهای DC القایی تکفاز یا چندفاز را مثال زد. میتوان گفت که بالای نود درصد عملگرهای صنعتی، موتورهای الکتریکی، شیرهای برقی، شیرهای پنوماتیکی یا شیرهای هیدرولیکی هستند. حال مفاهیم اولیه اندازه گیری را بررسی می‌کنیم. 

ممکن است برای اندازه گیری فلو با بیش از ده نوع فلومتر با تکنولوژی های مختلف داشته باشیم.
باید مقایسه کنیم کدام فلومتر بهتر و مناسب تر است.

اکنون مقدمه ای بر الکترونیک!
گاه شاید برای بهبود عملکرد سیستم کنترل، بخواهیم یک سنسور و دماسنج ترمیستور را از نظر الکترونیکی معادل سازی کنیم. ترمیستور یک مقاومت متغیر با دماست. با معادل سازی میتوانیم یک ترمیستور را تحلیل کنیم. سنسورهای فشارسنج، میتواند خازن های متغییر باشد به طوری که اختلاف فشار یا فشار در یک مقداری معلوم بار خازن را تغییر میدهد و سیستم از این اختلاف بار، اختلاف فشار را نتیجه میدهد.
اما سنسور کرنش سنج به تغییرات مقاومت حساس است. به وسیله یک مقاومت متغییر در کرنش سنج، کرنش کنترل میشود.

ابزار دقیق به انگلیسی: Instrumentation یک اصطلاح کلی برای ابزارهای اندازه گیری است که برای نشان دادن، اندازه گیری، کنترل و ثبت مقادیر فیزیکی استفاده می‌شود. ابزار دقیق را همچنین میتوان بر اساس عاملی که قرار است عملیاتی بر روی آن انجام دهد، دستهبندی کرد؛ برای مثال، بخشهای: ابزار دقیق مربوط به دما نظیر کنترلر دما، ترانسمیتر دما و ترمومتر یا نمایشگر دما، ابزار اندازهگیری و کنترل دقیق فشار، فلومتر یا سنجش جریان سیالات و انتقال مقادیر جریان یا کنترل آن، ابزار سطح سنجی یا اندازهگیری سطح مواد درون مخازن و کنترل دقیق آنها و ابزار سرعت سنجی، ابزار رطوبت سنجی و …
مهندسی ابزار دقیق زیر شاخه های از مهندسی کنترل است، که با بهرهگیری از ابزارهای اندازهگیری به کنترل کمیتهای فیزیکی میپردازد. رشته ابزار دقیق به دلیل وجود سنسورهای الکتریکی با رشته برق و الکترونیک ارتباط بسیار نزدیکی دارد. مهندسی ابزار دقیق به طور گسترده به طراحی و کنترل سیستم های صنعتی نظیر سنسورها، ترانسمیترها، دستگاه های اندازه گیری و کنترلکنندهها، میپردازد.
سنسور ابزاری است که در همه دستگاههای اندازهگیری وجود دارد و وظیفه تبدیل یک کمیت فیزیکی به یک سیگنال الکتریکی را در تجهیزات الکترونیکی یا تبدیل کمیت فیزیکی به یک سیگنال نیوماتیکی در تجهیزات نیوماتیکی دارد. انواع دستگاههای اندازهگیری دارای سنسور یا حس کنندههای متفاوتی هستند که کمیتهایی مانند دما، فشار، دبی و غیره را اندازه گیری میکنند. این سنسورها بر حسب نوع عملکرد، دارای خروجیهای متفاوتی از قبیل تغییر مقاومت الکتریکی، تغییر ظرفیت خازن، تغییر جریان الکتریکی و غیره است. سنسورها البته کاربردهایی نظیر آشکارسازی وجود یا عدم وجود نیز دارند نظیر سنسور نوری. سنسورهای دما نظیر انواع ترموکوپل و RTD و همچنین سنسورهای سیلیکونی دما.
یک ترانسدیوسر(مبدل) بنا به تعریف، وسیلهای است که سیگنال فیزیکی حاصله از سنسور را تبدیل به یک سیگنال الکتریکی میکند، یعنی اگر یک سنسور فشار همراه یک ترانسدیوسر باشد، سنسور، پارامتر فشار را اندازه میگیرد و مقدار تعیین شده را به ترانسدیوسر تحویل میدهد، سپس ترانسدیوسر آن را به یک سیگنال الکتریکی و صد البته قابل ارسال توسط سیمهای فلزی، تبدیل میکند؛ بنابراین همواره خروجی یک ترانسدیوسر، سیگنال الکتریکی است که در سمت دیگر خط میتواند مشخصه ها و پارامترهای الکتریکی نظیر ولتاژ، جریان و فرکانس را تغییر دهد، البته به این نکته باید توجه داشت که سنسور انتخاب شده باید از نوع سنسورهای مبدل پارامترهای فیزیکی به الکتریکی باشد و بتواند به عنوان مثال دمای اندازهگیری شده را به یک سیگنال بسیار ضعیف تبدیل کند که در مرحله بعدی وارد ترانسدیوسر شده و سپس به مدارهای الکترونیکی تحویل داده خواهد شد. ترانسدیوسر یکی از تجهیزات اصلی در سیستمهای اتوماسیون برق صنعتی میباشد که به وسیلهٔ آن میتوان از پارامترهای شبکه برق نمونه برداری کرد (شبکه تک فاز و شبکه سه فاز) و آنها را توسط ترانسمیتر تبدیل به سیگنالهای استاندارد نمود و در ورودی دستگاههای اندازهگیری مانند نمایشگرها و کنترلرها و سیستمهای PLC و اسکادا SCADA از آنها استفاده نمود.
ترانسمیتر از ترکیب دو واژه TRANSFER+METER گرفته شدهاست. یعنی تجهیزی که بتواند یک کمیت فیزیکی را اندازهگیری کرده(METERING)و آن را به مکانی دورتر مثل اتاق کنترل انتقال(TRANSFER) دهد. میتواند پنوماتیکی یا الکترونیکی باشد. در هر دو مورد، سیگنال ارسالی استاندارد بوده و برای تجهیزاتی که در LOOP کنترل قرار دارند قابل فهم میباشد. در نوع الکترونیکی جریان ۲۰–۴ میلیآمپر و در نوع پنوماتیکی فشار هوای 15-3 (PSI)یا (bar)از سوی TRANSMITTER به کنترلرهای الکترونیکی و نیوماتیکی ارسال میشود. به بیان دیگر ترانسمیتر صنعتی ابزاری است که برای اندازهگیری کمیتها و پارامترهای مختلف نظیر دما، فشار، رطوبت، سطح مایعات، فلو، گازهایهای محیطی و مواردی از این دست استفاده میگردند و مقادیر اندازهگیری شده را به صورت جریان الکتریکی استاندارد در بازه ۴ تا ۲۰ میلیآمپر روی یک زوج سیم ارسال مینمایند. ترانسمیتر ایزوله (TRANSMITTER)  جهت تبدیل انواع سیگنالهای آنالوگ با دقت و کیفیت عالی به کار میرود. با پشتیبانی از تمامی سیگنالها و رنجهای مختلف اندازهگیری شامل سیگنال ۴ تا ۲۰ میلیآمپر DC، ۰ تا ۲۰ میلیآمپر DC، ۰ تا ۵ ولت DC، ۰ تا ۱۰ ولت DC، انواع ترموکوپل (Thermocouple) J,K,B,R,S,T,E,N، انواع RTD و PT100، پتانسیومتر (Potentiometer)، مقاومت (Resistance). ورودی و خروجی کاملاً ایزوله در برابر نویز و نوسانات برق، فیلترینگ و تقویت سیگنال از نکات مهم در ترانسمیتر میباشد. خروجی بدست آمده از ترانسمیترها قابل استفاده در نمایشگرها، سیستمهای پی ال سی (PLC) و تمام تجهیزات کنترلی میباشد و امروزه ترانسمیتر مصرف زیادی در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، فولاد، سیمان، ریختهگری، داروسازی، لوازم منزل مهندسی پزشکی و بهطور کلی هر سیستمی که نیاز به اتوماسیون صنعتی دارد، پیدا نمودهاست.

ساختمان ترانسمیترها: 
بهطور کلی ترانسمیترها از سه قسمت اصلی حس کننده، مبدل (ترانسدیوسر) و تقویت کننده تشکیل میشود. ترانسمیترها درانواع الکتریکی و پنوماتیکی ساخته میشوند. خروجی ترانسمیترهای الکتریکی بین ۴ تا ۲۰ میلیآمپر و ترانسمیترهای پنوماتیکی بین ۳ تا ۱۵ psi بر حسب تغییرات کمیت ورودی میتواند تغییر کند. برای مدرج کردن یا کالیبره کردن ترانسمیترها طبق دستور سازنده با دادن ورودیهای معین و معلوم خروجی را تنظیم میکنیم.

کاربرد ترانسمیترها:
سنسورها و ترانسمیترها اجزای یک پروسه صنعتی هستند که کاربردهای فراوانی در پروسههای متنوع دارند. امروزه مصرف زیادی در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، فولاد، سیمان، ریختهگری، داروسازی، مهندسی پزشکی و بهطور کلی هر سیستمی که نیاز به اتوماسیون صنعتی دارد، پیدا نموده است. کاربرد عمده این قطعات در ارزیابی عملکرد سیستم و ارائه یک فیدبک با مقدار و وضعیت مناسب است که بدین ترتیب کنترلر سیستم متوجه وضعیت کارکرد آن و چگونگی حالت خروجی خواهد شد.
حلقه جریان الکتریکی ۲۰–۴ میلیآمپر
پروتکل HART، برای انتقال دیتای دیجیتال بر روی جریان ۲۰–۴ میلیآمپر
پروتکل Foundation Fieldbus
پروتکل پروفیباس (Profibus)

کنترلر یا کنترلکننده ها مغز متفکر سیستم های کنترلی می باشند. خروجی ها یا سیگنال های اندازه گیری توسط ترانسمیتر به کنترلر، انتقال مییابند تا کنترلر به کمک این اطلاعات و براساس تابعی که برای آن تعریف شده است، تصمیمات لازم برای عکس العمل مورد نیاز را بگیرد. کنترل کننده با مقایسه سیگنال اندازه گیری با مقدار مطلوب و انجام محاسبات لازم، مقادیر متغیرهای تنظیم شونده را تعیین میکند. ورودی کنترل کننده سنسورها و ترانسمیترها وغیره... و خروجی کنترل کننده ها کنترل ولوها و موتورها و غیره میباشد.

عنصر نهایی (المان نهایی)

تصمیمات گرفته شده توسط کنترلر، به وسیله عنصر نهایی به اجرا گذاشته میشود. این المان آخرین عضو یک حلقه کنترل میباشد. در فرایندهای شیمیایی معمولاً عنصر نهایی کنترلی یک شیر میباشد. به وسیله عنصر نهایی فرمانهای کنترلی را میتوان به عنصر اثرگذار بر سیستم تبدیل کرد.

محرک یا اکچوئیتور

زمانی که در یک سیستم کنترل، عضو کنترل نهایی یک شیر باشد، امکان انتقال مستقیم فرمان به آن وجود ندارد. به همین علت از دستگاهی که به آن محرک یا Actuator گفته میشود، استفاده میکنند تا فرمان ارسالی از کنترلر را دریافت نموده و موجب به حرکت درآمدن دریچه بازو بست شیر شود. به عبارت دیگر وظیفه مهم محرک، تأمین انرژی لازم برای به حرکت درآوردن باز و بست دریچه شیر میباشد. این انرژی میتواند از یک منبع انرژی الکتریکی یا هوای فشرده پنوماتیکی باشد.

رکوردر یا ثبات

ثبات یا ریکوردر و نمایشگرها از دیگر اجزاء یک سیستم کنترل میباشند. ثباتها تجهیزاتی هستند که به منظور ثبت تغییرات و رفتار فرایندها در طول شبانه روز استفاده میشوند. ایندیکیتور یا نشانگرها از دیگر اجزاء یک سیستم کنترل میباشند. نشانگرها تجهیزاتی هستند برای نمایش مقادیر عددی یک پارامتر در تابلو کنترل یا اتاق فرمان مورد استفاده قرار میگریند. از نشانگرها برای پایش متغیرهای مختلفی نظیر فشار، دما، و … استفاده میگردد. برای مثال گیج فشار یک نشانگرها یا ایندیکیتور است که مقادیر فشار را نشان میدهد.

 

 

نویسنده : Mohsen Lotfi Someie ( آرامک صنعت هوشمند )