فصل اول - اصول و مفاهیم کلی ابزار دقیق

1. تعاریف

1.1. فرآیند در ابزار دقیق چیست؟

منظور از فرآیند در ابزار دقیق، هر عملی است که به یکی از تغییرات زیر منجر شود:

در هر فرآیند کمیت هایی وجود دارند که تغییر می کنند یا مایل به اندازه گیری آن ها هستیم. به عنوان نمونه ای از این کمیت های می توان به فشار، دما، سطح مایع در یک مخزن، دبی، اسیدیته، رنگ، تعداد، ویسکوزیته، دانسیته، سرعت دورانی، نیرو، جابجایی، شتاب و … اشاره کرد. به هر یک از این کمیت ها متغیر یا متغیر فرآیند (Process Variable) گفته می شود.

2.1. ابزار دقیق چیست؟

ابزار دقیق فرآیندی (Process Instruments) یا به اختصار ابزار دقیق، دستگاه هایی هستند که بطور مستقیم یا غیر مستقیم برای اجرای یک یا تعداد بیشتری از سه فعل زیر به کار می روند:

ابزار دقیق پاراکس

قبل از پرداختن به روش های مختلف اندازه گیری، مجموعه ای از اصول کلی که در مورد همه دستگاه های اندازه گیری و سیستم های کنترل مشترک هستند، صحبت می کنیم. پس بیایید یک سری تعاریف را با یکدیگر بررسی کنیم:

معمولا از مجموعه سه عبارت فوق تحت عنوان اندازه گیری و کنترل (Measurement and Control) نیز نام برده می شود.

3.1. حلقه یا لوپ (Loop) ابزار دقیق چیست؟

ترکیبی از ابزار دقیق ذکر شده در بالا که به منظور اندازه گیری یک متغیر فرآیند یا کنترل یک فرآیند به هم متصل شده اند، حلقه می گویند.

4.1. سنسور یا المان حس کننده (Sensor/Sensing Element) چیست؟

قسمتی از یک دستگاه اندازه گیری است که مستقیما در معرض متغیر اندازه گیری شده قرار می گیرد و نسبت به تغییرات آن پاسخ می دهد.

5.1. ترانسدیوسر یا مبدل (Transducer) چست؟

دستگاهی است که اطلاعات را به یک شکل مشخص دریافت کرده و آن را به همان شکل در مقیاس متفاوت یا به شکل دیگر تبدیل می کند. نمونه هایی از ترانسدیوسرها عبارتند از: ترانسدیوسر فشار، دما و… .

6.1. مبدل سیگنال چیست؟

مبدلی است که یک سیگنال قابل انتقال استاندارد را به یک سیگنال قابل انتقال استاندارد دیگری تبدیل می کند.

7.1. سیگنال آنالوگ چیست؟

سیگنالی که معرف یک متغیر مانند ولتاژ یا جریان است که می تواند به صورت پیوسته مشاهده شود. نمونه هایی از سیگنال های آنالوگ مورد استفاده عبارتند از: سیگنال های 4-20mA و 1-5V

8.1. سیگنال دیجیتال چیست؟

سیگنالی است که در آن متغیر به صورت مقادیر منفک و بر طبق یک قاعده مشخص معرفی شده است.

9.1. ترانسمیتر (Transmitter) چیست؟

مبدلی است که متغیر مورد اندازه گیری را توسط المان حس کننده یا سنسور اندازه گیری کرده و آن را به یک سیگنال استاندارد قابل انتقال که تابع همان کمیت اندازه گیری شده باشد، تبدیل می کند. بطور مثال ترانسمیتر فشار را مد نظر داشته باشید. این ترانسمیتر، فشار را با سنسوری که در داخل آن تعبیه شده، اندازه گیری کرده و به یک سیگنال قابل انتقال (برای مثال، یک سیگنال جریان 4-20mA) تبدیل می کند. در تصویر زیر چندین نمونه ترانسمیتر فشار را مشاهده می کنید.

ترانسمیتر فشار پاراکس

10.1. دامنه اندازه گیری (Range) چیست؟

دامنه اندازه گیری عبارت است از: حد پایین و حد بالای تغییرات یا محدوده کاربری یک دستگاه اندازه گیری. برای مثال، در یک دستگاه اندازه گیری دما که حدود  پایین و بالای اندازه گیری آن به ترتیب 20- و 100+ درجه سانتی گراد است. دامنه اندازه گیری به صورت Range: -20…100 oC بیان می شود. در این مثال حد بالای (Upper range Value) دماسنج 100+ و حد پایین (Lower Range Value) دماسنج 20- درجه سانتی گراد می باشد.

11.1. بازه (Span) چیست؟

بازه برابر تفاضل جبری یا مقدار اختلاف عددی بین دو حدود بالا و پایین دامنه است. در مثال قبل مقدار بازه دماسنج 120 درجه سانتی گراد است.

12.1. خطای اندازه گیری (Measurement Error) چیست؟

ممکن است در حال حاضر دمای اتاقی که در آن به سر می بریم، 23.3245 درجه سانتی گراد باشد، اگرچه ما از این مقدار دقیق اطلاعی نداریم. اگر دما را از یک دماسنج که در اتاق قرار دارد، قرائت کنیم، ممکن است عدد 223 یا 23.32 درجه سانتی گراد را نشان دهد. ولی در هر حال مقداری خطا در مقدار اندازه گیری شده وجود دارد. بنابراین، هیچ گاه نمی توانیم به عدد دقیق برسیم. تنها می توان به میزان کمتر یا بیشتری به آن نزدیک شد.

خطای اندازه گیری طبق تعریف برابر حاصل تفاضل مقدار قرائت شده توسط دستگاه اندازه گیری و مقدار واقعی یا ایده آل است. در کاربردهای علمی، این دمای ایده آل یا واقعی، دمایی است که یک دستگاه اندازه گیری بسیار دقیق نشان می دهد.

در مبحث اندازه گیری، مفاهیم خطا (Error)، صحت (Accuracy) و عدم صحت، به یک معنی به کار می روند. در طی این مقاله نیز در مواردی این عبارات را به جای یکدیگر به کار می بریم.

13.1. حساسیت (Sensitivity) چیست؟

حساسیت، برابر نسبت بین تغییرات خروجی یک دستگاه اندازه گیری به ورودی آن خروجی پس از رسیدن به شرایط پایدار است. واحد حساسیت با توجه به واحد کمیت های ورودی و خروجی می تواند متفاوت باشد. بطور مثال یک دماسنج مقاومتی که ورودی آن تغییرات دما و خروجی آن تغییرات مقاومت الکتریکی است، حساسیت به صورت Ohm/oC بیان می شود.

14.1. کالیبراسیون (Calibration) چیست؟

کالیبراسیون یا کالیبره کردن یک دستگاه اندازه گیری به معنی تعیین خروجی یک دستگاه به ازای ورودی مشخص است. اطلاعاتی که به این ترتیب بدست می آیند، می توانند در موارد زیر مورد استفاده قرار گیرند:

2. روش های انتقال اطلاعات در ابزار دقیق

آنچه که می خواهیم در این بخش به آن بپردازیم، در واقع سیگنال های خروجی مرسوم در ترانسمیترهاست. در بسیاری از سیستم های صنعتی محل قرائت کمیت های اندازه گیری شده با محل اندازه گیری آنها یکی نیست. بطور مثال کمیتی مانند فشار یا دما در خط تولید کارخانه اندازه گرفته شده و جهت نمایش، به اتاق کنترل ارسال می شود.

اتاق کنترل

سیگنال های پنوماتیک، اولین نمونه سیگنال هایی بودن که مورد استفاده قرار گرفتند. مرسوم ترین محدوده مورد استفاده در این ترانسمیترها، فشار هوا در محدوده psi 3-15 یا bar 0.2-1 یا KPa 20-100 است. بطور مثال فرض کنید که هدف، اندازه گیری اختلاف فشار بین دو نقطه توسط یک ترانسمیتر اختلاف فشار پنوماتیکی است. 

هنگامی که مقدار کمیت فرآیند در 100% ورودی است، خروجی ترانسمیتر KPa 100 یا psi 15 است. البته این ترانسمیترها برای ایجاد این خروجی به یک مسیر تغذیه هوا نیز نیاز دارد که معمولا باید فشاری در حدود psi 20 داشته باشد. این فشار توسط مکانیزمی که درون یک ترانسمیتر پنوماتیک اختلاف فشار وجود دارد، با توجه به میزان ورودی به خروجی psi 3-15 تبدیل می شود.

دومین نوع سیگنال مورد استفاده برای انتقال داده ها، سیگنال الکتریکی آنالوگ است. مرسوم ترین نوع آن در حال حاضر سیگنال mA 4-20 است اما انواع دیگری نیز دارد که عبارتند از: mA 0-20 و mA 10-50. فرض کنید که هدف، اندازه گیری اختلاف فشار بین دو نقطه توسط یک ترانسمیتر اختلاف فشار الکتریکی است. 

هنگامی که مقدار کمیت فرآیند در 100% ورودی است، خروجی ترانسمیتر mA 20 است. البته این ترانسمیتر برای ایجاد این خروجی به تغذیه الکتریکی نیز نیاز دارد که معمولا یک ولتاژ مستقیم (dc) است. این تغذیه می تواند به چند شکل متفاوت با خروجی ارتباط داشته باشد. مرسوم ترین نوع مورد استفاده روش دو سیمه (2-Wire) یا تغذیه شده توسط حلقه (Loop  Powered) است.

برخلاف ترانسمیترهای دوسیمه که در بالا با یکدیگر بررسی کردیم، در برخی موارد از ترانسمیترهای سه یا چهار سیمه نیز استفاده می شود. در این نوع ترانسمیترها مسیر جداگانه ای برای تغذیه ترانسمیترها به کار می رود. در برخی موارد، خروجی سنسورها می تواند بصورت ولتاژ نیز باشد که نمونه هایی از مقادیر مرسوم عبارتند از V 0-5، V 1-5 و V 0-10.در خصوص سیگنال های ولتاژ باید به اثرپذیری آن ها به نویز و عدم امکان انتقال به مسافت های طولانی توجه داشت.

اما سومین نوع سیگنال های خروجی، سیگنال های دیجیتال هستند. تعداد روش های انتقال داده به صورت دیجیتال بسیار زیاد است. سیگنال های RS232 و RS485 از قدیمی ترین این سیگنال ها هستند. از RS232 تحت نام مبدل سریال (Serial Interface) هم نام برده می شود. البته این نوع درگاه (درگاه سریال)، در اکثر کامپیوترهای امروزی حذف شده است و از روش های دیگر تبادل اطلاعات به صورت سری، مانند USB، اترنت (Ethernet) و سیستم بدون سیم (Wireless) به جای آن استفاده می شود.

نوع دیگری از پروتکل های انتقال داده که امروزه بسیار مرسوم است، پروتکل هارت (Highway Addressable Remote Transmitter) است. این سیستم در واقع بر مبنای همان سیستم انتقال داده mA 4-20 قرار دارد، با این تفاوت که بر روی سیگنال آنالوگ فوق یک سیگنال دیجیتال نیز قرار دارد.

اصول کلی این سیستم مانند سیستم تغذیه دو سیمه ترانسمیتر الکتریکی آنالوگ است. ولی با استفاده از یک رابط دستی می توان تنظیمات مختلفی را بر روی ترانسمیتر انجام داد، بدون آنکه به مراجعه فیزیکی به محل نصب ترانسمیتر نیازی باشد. مزیت های دیگر هارت امکان ارسال چند پارامتر (به جای تنها یک پارامتر) از ترانسمیتر به سیستم قرائت داده ها است. به این ترتیب می توان پارامترهایی مانند پیغام های خطا و شماره و یا کد ترانسمیتر را نیز برای سیستم قرائت کننده ارسال کرد.

ارتباط دوطرفه، یکی دیگر از مزایای سیستم هارت است. این بدان معنی است که علاوه بر دریافت اطلاعات از ترانسمیتر می توان فرمان هایی را برای آن ارسال کرد. همچنین در این روش می توان داده های تا پانزده ترانسمیتر را با یک جفت سیم به محل قرائت انتقال داد. همچنین می توان با استفاده از یک مودم هارت و یا واسطه هارت از یک کامپیوتر برای نمایش اطلاعات یا تنظیمات ترانسمیتر استفاده کرد.

3. نشان دهنده ها و ثبات ها در ابزار دقیق

پارامترهای اندازه گیری شده که توسط ترانسمیترها به یک سیگنال تبدیل شده اند، ممکن است به روش های مختلفی نمایش داده شوند. این روش ها را در این بخش با یکدیگر بررسی می کنیم.

1.3. نشان دهنده ها در ابزار دقیق چه چیزی هستند؟

ساده ترین مورد استفاده از یک ترانسمیتر نشان دادن مقدار پارامتر اندازه گیری شده توسط آن است. مرسوم ترین انواع نشان دهنده ها عبارتند از:

1.1.3. نشان دهنده های عقربه ای در ابزار دقیق

از جمله اولین روش هایی است که مورد استفاده قرار می گرفت. در شکل زیر دو نمونه از نشان دهنده های عقربه ای را ملاحظه می کنید.

نشان دهنده عقربه ای نوع اول
نشان دهنده عقربه ای نوع دوم

(55) 2.1.3. نشان دهنده های دیجیتال در ابزار دقیق

در حال حاضر در بسیاری از موارد بجای نشان دهنده های عقربه ای از نوع دیجیتال استفاده می شود. این نشان دهنده ها می توانند دارای امکاناتی از قبیل قابلیت پذیرش ورودی های مختلف مانند جریان، ولتاژ، پالس و … و نیز قابلیت اتصال مستقیم به سنسورهای دمای مقاومتی و ترموکوپل باشند.

نشان دهنده دیجیتالی

(56) 3.1.3. بارگراف (Bar Graph)

بارگراف نوع دیگری از نشان دهنده است که در آن مقدار تقریبی کمیت اندازه گیری شده با روشن شدن یک سری چراغ های LED نشان داده می شود. در شکل های زیر چندین نمونه بارگراف را مشاهده می کنید.

بارگراف افقی و عمودی
بارگراف همراه با نشان دهنده دیجیتال

(57) 2.3. ثبات (Recorder) چیست؟

ابن نوع نشان دهنده، قابلیت ثبت و نگهداری مقادیر اندازه گیری شده را داراست. ثبات ها بطور کلی به دو نوع کاغذی و بدون کاغذ (Paperless Recorder) تقسیم بندی می شوند. در نوع کاغذی، مقدار کمیت توسط قلم بر روی کاغذهای مخصوصی رسم می شود، در حالی که در نوع بدون کاغذ، از یک مانیتور برای نمایش مقدار لحظه ای کمیت اندازه گیری شده، استفاده می شود و مقادیر قبلی به جای ثبت رو روی کاغذ، در حافظه دستگاه ذخیره می شوند.

ثبات بدون کاغذ
نوعی دیگر از ثبات بدون کاغذ

مرسوم ترین نوع ثبات های کاغذی نوع دایروی و نواری هستند. اشکال ثبات های کاغذی در این است که به تعویض مداوم کاغذ و اتمام جوهر قلم ها نیز است. همچنین نگهداری کاغذ ثبات و دسترسی به اطلاعات یک زمان خاص معمولا کار دشواری است.

ثبات دایروی
ثبات نواری

سوئیچ ها در ابزار دقیق چه چیزی هستند؟

سوئیچ ها به منظور قطع یا وصل یک مدار الکتریکی به کار میروند. با آنکه در اکثر نشان دهنده هایی در قسمت قبلی با یکدیگر بررسی کردیم، امکان تنظیم سوئیچ یا آلارم وجود دارد، ولی در بسیاری موارد نیز سوئیچ ها دارای نشان دهنده نیستند.

در سوئیچ ها سه تعریف برای نقاط تنظیم وجود دارد که عبارتند از:

نقاط تنظیم ترموستات

در سیستم های ساده مانند: ترموستات یک سماور، ترموستات اتاق برای کنترل فن کویل یا نمونه های بسیار دیگر، تنها امکان تنظیم یکی از دو پارامتر اول وجود دارد، ولی در کاربردهای صنعتی، به منظور کنترل بهتر، معمولا از سوئیچ هایی استفاده می شود که دو پارامتر از سه پارامتر فوق قابل تنظیم باشند.

5. کنترلر در ابزار دقیق چه نقشی بر عهده دارد؟

همانطور که از نام این تجهیز پیداست، این وسیله برای کنترل یک کمیت به کار می رود. کنترلر از یک طرف با وسیله اندازه گیری کمیت مورد نظر و از طرف دیگر با وسیله ای که به کمک آن بتوان به منظور تصحیح مقدار کمیت فوق تغییراتی در سیستم ایجاد کرد، ارتباط دارد. ورودی کنترلر، کمیت اندازه گیری شده (Process Value) و خروجی آن، سیگنال تصحیح به المان کنترل نهایی (Final Control) است که بر مبنای اختلاف مقدار اندازه گیری شده با مقدار تنظیم شده (Set Point) یا مورد نظر قرار دارد.

در شکل سمت راست یک لوپ کنترل و در شکل سمت چپ نمونه کاربرد این سیستم در کنترل دمای یک اتاق را مشاهده می کنید.

لوپ کنترل
لوپ کنترل دمای اتاق

در انتخاب یک کنترلر باید نکات زیر را مد نظر قرار داد:

(65) 6. دیتالاگر (Data Logger)

همان گونه که از نام آن پیداست، دیتالاگر برای ثبت اطلاعات به کار می رود. در هنگام انتخاب یک دیتالاگر باید موارد زیر را مد نظر قرار داد:

دیتالاگر
5 1 رای
به این مقاله امتیاز دهید.
اشتراک در
اطلاع از
guest

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

0 نظرات
بازخورد (Feedback) های اینلاین
View all comments

فرصتی استثنائی برای اولین بار در ایران!

برای کسب اطلاعات بیشتر، صفحه پاراکس را در اینستاگرام دنبال کنید.

0
افکار شما را دوست دارم، لطفا نظر دهیدx
()
x
باز کردن واتساپ
1
سلام
جهت اعلام درخواست خود
در واتساپ به ما پیام دهید