ابزاردقیق

آشنایی با دانش ابزار دقیق

نکات برگزیده مقاله

  • مقدمه‌ای بر دانش ابزار دقیق
  • بررسی اجمالی سیستم های کنترل حلقه باز و حلقه بسته
  • آشنایی بیشتر با ابزار دقیق و مشخصات آن
  • روش های اندازه گیری در ابزار دقیق

مقدمه‌ای بر دانش ابزار دقیق

در دنیای امروز واژه کنترل بسیار به گوش ما خورده است. در هرجایی که فرایند، پدیده و حرکتی وجود داشته باشد، حتماً با جمله‌هایی که به‌گونه‌ای کلمه کنترل در آن‌ها وجود داشته باشد برخوردیم. و یا عبارت‌های ترکیبی کنترل سرعت، کنترل وزن، کنترل ترافیک، کنترل دما، کنترل آلودگی و . . . بارها در طی روز به گوش ما خورده است. کلمه کنترل از ابتدای خلقت انسان وجود داشته است، زیرا انسان از همان روز اول خلقتش دوست داشته است تا همه‌ی فرایندها و پدیده‌های اطراف خود را تحت کنترل و سیطره‌ی خود درآورد. برای تسلط بر دنیای‌ اطراف نیاز انسان به ابزاری دقیق، هر روز بیشتر از روز گذشته حس شد و زمینه را برای پدید آمدن دانشی جدید تحت عنوان ابزار دقیق مهیا ساخت تا جایی که زمینه‌ی نفوذ خود را در کلیه علوم و دانش‌ها گسترش داده و در دانشگاه‌ها نیز شاخه‌ای علمی با این عنوان ایجادشده است. در واقع کنترل امروزه شاخه‌ای از علم مهندسی مبتنی بر نظارت و تسلط بر فرایندها و پدیده‌ها است.

برای روشن شدن مطلب، آبگرمکن مخزنی را مثال می‌زنیم که ورودی آن آبی با دمای محیط و یا سردتر از آن بوده و هدف ما از عبور دادن آب از این سیستم و رساندن دمای آب به مثلاً ۶۰ درجه سانتی‌گراد‌ است. بر روی آبگرمکن شیر ولومی برای تنظیم دما وجود دارد که ما با تنظیم آن بر روی ۶۰ درجه سانتی‌گراد به سیستم میزان دمای خواسته‌ شده را می‌دهیم و دماسنجی که بر روی بدنه آبگرمکن قرار دارد، دمای آب در لحظات مختلف را پایش کرده و به ما نشان می‌دهد. زمانی که دما به ۶۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد، شعله و سیستم حرارت دهی آبگرمکن قطع می‌شود و با کاهش دما به زیر این میزان مجدداً سیستم گرمایش شروع به کارکرده تا دما به ۶۰ درجه سانتی‌گراد برسد. مجموعه شیر ولوم، دماسنج و سیستم گرمایشی امکاناتی هستند برای کنترل دمای آبگرمکن که در واقع مفهوم کلمه ابزار دقیق را تداعی می‌کنند. در این مثال دمای محیط، میزان آب ورودی و خروجی، اغتشاشاتی را در سیستم ایجاد می‌کند که علم کنترل با بهره‌گیری از دانش ابزار دقیق برای به حداقل رساندن آن به کمک ما می‌آید.

آبگرمکن

 

کنترل و دانش ابزار دقیق

از آنجایی که در دانش ابزار دقیق با استفاده از وسایل و ابزارهای با دقت بالا به‌ اندازه گیری کمیت‌های فیزیکی پرداخته می‌شود، لذا این دانش زیرشاخه‌ای از مهندسی برق است و چون به نحوه‌ی استفاده و ساخت و مطالعه‌ی انواع وسایل اندازه‌گیری مانند ولت‌سنج، آمپرسنج، و سیستم‌های کنترل صنعتی را بررسی می‌کند، لذا گرایش کنترل را پوشش می‌دهد. و با توجه به اینکه در ساخت هر یک از ادواتِ ابزار دقیق از سنسورها، خازن‌ها، دیودها، مدارات الکتریکی و . . . استفاده می‌شود پس ارتباط نزدیکی هم با گرایش الکترونیک دارد. در ایران مهندسی ابزار دقیق و اتوماسیون از رشته‌های شناور در کنکور کارشناسی ارشد است که از کلیه‌ی رشته‌های مهندسی می‌توانند در آن شرکت کنند و به‌شرط قبولی در این رشته به ادامه تحصیل در آن بپردازند. اهمیت علم ابزار دقیق در صنعت رو به رشد نفت در ایران هم بسیار زیاد است به‌طوری‌که در گرایش کارشناسی ارشد، رشته‌ای به نام مهندسی ابزار دقیق و اتوماسیون وجود دارد که  از سوی شرکت ملی نفت ایران به‌ صورت بورسیه جهت آموزش عالی دانشجو می‌پذیرد. در تأیید اهمیت دانش ابزار دقیق ذکر این نکته نیز خالی از لطف نیست که معمولاً این دانش در کشورهای جهان اول و پیشرفته‌تر از جایگاه بالاتری برخوردار است و پیشرفت بیشتری را هم داشته است و به‌ نوعی می‌تواند معیاری از توسعه‌یافتگی یک کشور محسوب شود. سیستم‌های کنترل بر اساس نقش انسان در نظارت و کنترل بر آنها به دو سیستم خودکار و غیرخودکار تقسیم می‌شود و در یک نوع تقسیم‌بندی دیگر به دو صورت زیر می‌توانند باشند:

  • کنترل حلقه باز (Open Loop Control)
  • کنترل حلقه بسته یا فیدبک (Close Loop Control or Feed Back)

این تقسیم‌بندی بر اساس نوع برخورد با اثر اغتشاش در انواع سیستم‌ها صورت گرفته است به این صورت که در نوع اول (کنترل حلقه باز) اثر اغتشاش را نمی‌توان تحت کنترل درآورد و کنترل سیستم تنها بر اساس آزمون و تجربه است. در حالی‌ که در نوع دوم (کنترل حلقه بسته) اثر اغتشاش از طریق سیگنال‌های ارسالی و مدارهای تکمیلی جبران می‌شود. از معایب کنترل بسته به افزایش هزینه‌ها و از مزایای آن به افزایش دقت بواسطه‌ی حذف اثر اغتشاش می‌توان اشاره کرد. تصویر سمت راست نمونه‌ای از کنترل بسته و تصویر سمت چپ نمونه‌ای از کنترل باز در سیستم آبگرمکن نشان می‌دهد.

مقایسه کنترل حلقه بسته و حلقه باز

 

اجزا و قسمت‌های مختلف یک سیستم کنترل حلقه بسته‌ی صنعتی

رشد و توسعه‌ی صنعت سبب شده است که تولیدکنندگان جهت جلب رضایت و جذب مشتریان بیشتر، به تولید باکیفیت و به‌ تبع آن فنّاوری‌های به‌روزتر و پیچیده‌تری روی‌آورند. این امر رقابت شدیدی را بین تولیدکنندگان جهت رسیدن به کیفیت بالاتر ایجاد کرده است که برد در این رقابت به‌واسطه‌ی استفاده از ابزارهای دقیق و پیشرفته‌تر کنترل حاصل می‌شود. از این‌ رو برای یک سیستم کنترل حلقه بسته، الگوریتمی مطابق شکل زیر ترسیم کرده و به تشریح اجزای آن می‌پردازیم:

سیستم کنترل حلقه بسته

 

  • پروسه: فرایند و یا پدیده‌ای است که کنترل آن هدف ماست.
  • ترانسمیتر (Transmitter): خروجی پروسه در این قسمت اندازه‌گیری می‌شود.
  • کامپریتور یا مقایسه کننده: مقادیر به‌دست‌آمده از خروجی پروسه باید با مقادیر خواسته‌شده بر اساس استاندارد و یا مقادیر مطلوب مقایسه گردد تا برای هرگونه انحراف از مقادیر مطلوب اقدامات اصلاحی صورت پذیرد.
  • کنترل‌کننده یا کنترلر: هرگونه انحراف از مقادیر مطلوب توسط این بخش دریافت شده و دستورات لازم بر اساس تنظیمات و داده‌های از قبل داده‌شده به قسمت‌های دیگر ارسال می‌شود. این بخش از اهمیت بالایی در سیستم‌های کنترل بسته برخوردار است.
  • تقویت‌کننده یا آمپلی فایر: دستوراتی که از سوی کنترلر ارسال می‌شوند گاهی آن‌قدر شدت ندارند که بتوانند واحدهای بعدی را تحت تأثیر قرار دهند بنابراین نیاز به تقویت دارند که این کار در بخش تقویت‌کننده صورت می‌پذیرد.
  • محرک: محرک درواقع وظیفه‌ی تحریک عضو نهایی را بر عهده دارد.
  • عضو نهایی: عضو نهایی درواقع آخرین عنصر یک سیستم کنترل حلقه بسته است که خروجی آن دستوراتی است که به پروسه اعمال می‌شود.

آشنایی با ابزارهای دقیق اندازه‌گیری

در ابتدا ابزارهای اندازه‌گیری اغلب بر اساس عملکرد مکانیکی کار می‌کردند ولی با توجه افزایش خواسته‌های مشتریان که به ابزاری با دقت بالاتر نیاز دارند، ساخت ابزارهای دقیق‌تر و بر اساس مکانیسم الکتریکی و الکترونیکی رواج یافته است. در اندازه‌گیری مقادیر ثابت که در حین اندازه‌گیری با مقادیر ثابت و بدون نوسان روبرو هستیم معمولاً ابزار با عملکرد مکانیکی برتری دارند و در مواردی که نیاز به ثبت مقادیر لحظه‌ای وجود دارد، عملکرد خوبی از ابزارهای مکانیکی و یا الکتریکی شاهد نیستیم و در این موارد استفاده از ابزارهای الکترونیکی ارجح‌تر هستند.

ابزارهای اندازه‌گیری در موارد صنعتی و مهندسی از کاربردهایی مثل نمایش، ثبت، کنترل برخوردار هستند. به‌عنوان مثالی از نمایش می‌توان به انحراف درجه کیلومتر در حین کاهش و یا افزایش سرعت و یا ثابت شدن درجه آبگرمکن بر روی عددی مثلاً ۶۰ ویا ۷۵ درجه، اشاره کرد و برای مثالی از ثبت می‌توان برگه نوار قلبی عنوان کرد. در بررسی عملکرد ابزارهای اندازه‌گیری باید به سه گروه اشاره کرد گروه اوّل که تنها وظیفه نمایش را بر عهده‌ دارند و گروه دوّمی که فقط کار ثبت را انجام می‌دهند و گروه سومی که جدا از کار اندازه‌گیری و نمایش و ثبت، وظیفه کنترل کمیت های اصلی را هم دارند. ابزارهای مبتنی بر نمایش طیف گسترده‌تری از ابزارهای اندازه‌گیری را پوشش می‌دهند.

ابزارهای اندازه‌گیری کاربردهای نظارت و کنترل فرآیندها و تحلیل مسائل مهندسی را پوشش می‌دهند. در بحث نظارتی می‌توان ولت‌سنج و یا آمپرسنجی را مثال زد که تنها وظیفه نشان دادن مقدار عددی دو کمیت ولتاژ و یا جریان را بر عهده دارد و در بحث کنترلی می‌توان به سیستم تنظیم دمای یک یخچال اشاره کرد که با اتصال به یک ترموستات دمای محفظه داخلی را در یک دمای ثابت نگه می‌دارد. در تحلیل آماری مسائل بر اساس داده‌های تجربی برگرفته از ابزارهای اندازه‌گیری ما به نتیجه‌ی بهتری نسبت به داده‌های تئوری می‌رسیم.

قسمت‌های مختلف یک سیستم کنترلی

یک سیستم کنترلی از اجزا و یا عناصر مختلفی تشکیل می‌شود که در زیر به آن‌ها اشاره می‌شود:

  • حسگرها یا سنسورها: معمولاً از اجزای حساس نسبت به کمیت فیزیکی تشکیل‌شده‌اند. به‌طور مثال ترموکوپل از حسگرهایی تشکیل‌شده است که با تغییر دما از خود عکس‌العمل نشان می‌دهد. معمولاً کمیت درک شده توسط حسگر، به پالس‌ها و یا سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌شود.
  • ترانسدیوسرها (Transducers): ترانسدیوسرها درواقع مبدل‌ها و یا عبارتی ساده‌تر تبدیل‌کننده‌هایی هستند که انرژی را از حالتی به حالت دیگر تبدیل می‌کنند. به‌طور مثال یک ترموکوپل انرژی حرارتی را به الکتریکی تبدیل می‌کند. در تبدیل انرژی از حالت اوّلیه به ثانویه با توجه به اینکه با اتلاف انرژی روبرو هستیم و برای کاهش خطا در سیستم‌های اندازه‌گیری معمولاً از یک عامل انرژی خارجی هم بهره می‌گیرند، ازاین‌رو تعدادی از ترانسدیوسرها به جریان برق هم متصل می‌شوند. مثال از این نوع ابزار، دستگاه‌های اندازه‌گیری فشار هستند. معمولاً ترانسدیوسرها در تبدیل انرژی، آن را به پالس‌ها و سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند.
  • ترانسمیترها (Transmiter): درواقع نوعی آشکارساز هستند که کمیّات دریافتی از ترانسدیوسرها را به‌گونه‌ای برای ما قابل‌ درک می‌کنند. معمولاً ترانسمیترها در فاصله‌ای دور از منطقه پروسه و در اتاق فرمان قرار دارند تا اطّلاعات دریافتی از سوی ترانسدیوسرها را که معمولاً در جایگاهی بسیار نزدیک و گاهی هم چسبیده به منطقه پروسه قرار دارند، تقویت کرده و با حفظ امانت‌داری، آن‌ها را برای ما قابل‌ فهم کنند. تعدادی از شرکت‌های ساخت ابزار دقیق این سه قسمت کنترلی را به‌صورت یک مجموعه کامل و یکجا در اختیار مصرف‌کننده‌ها قرار می‌دهند. تصویر زیر نمونه‌ای از یک ترانسمیتر حرارتی است.

ترانسمیتر

 

مشخصات ابزارهای دقیق

  • رنج یا محدوده‌ی اندازه‌گیری: هر ابزار یا وسیله‌ی اندازه‌گیری محدوده‌ی مشخصی از یک کمیت را اندازه‌گیری می‌کند. در اندازه‌گیری‌ها معمولاً‌ یک ضریب اطمینانی را در نظر گرفته و از ابزاری با محدوده‌ی اندازه‌گیری بالاتر نسبت به خواسته‌ی کاربر، استفاده می‌کنند.
  • تعیین نقطه صفر: به‌صورت قراردادی بابت هر کمیت فیزیکی یک نقطه صفر در نظر گرفته می‌شود. به‌طور مثال دمایی که آب در آن یخ می‌زند، صفر درجه سلسیوس است. به همین دلیل یک ابزار استاندارد و کالیبره در دمای صفر، خروجی صفر را نشان می‌دهد.
  • انحراف از صفر: گاهی خروجی هنگامی‌ که باید صفر باشد مقدار دیگری را نشان می‌دهد که اصطلاحاً‌ معروف به انحراف از صفر است که می‌تواند ناشی از عوامل محیطی و خارجی و یا از فرسودگی و خرابی دستگاه باشد.
  • حساسیت: که می‌تواند پارامتری جهت نشان دادن دقت ابزار باشد.
  • حد تفکیک: اصطلاحی است برای نشان دادن کمترین مقداری که توسط دستگاه قابل‌ اندازه‌گیری است.
  • قدرت پاسخ‌دهی: میزان تأخیر بین زمان دریافت داده توسط حسگر و اعلام آن در خروجی، به قدرت پاسخ‌دهی تعبیر می‌شود.
  • خطی بودن: افزایش و یا کاهش نشان داده در خروجی که از ورودی انتقال داده می‌شود روندی خطی داشته باشد.
  • پسماند: درواقع به‌ گونه‌ای از بازخوردهای غیرخطی توسط سیستم، اطلاق می‌شود.
  • ضریب دقت: به میزان خطای مجاز دستگاه اشاره می‌کند که از جانب کاربر و یا استاندارد مجاز شمرده می‌شود. به‌طور مثال وزن دو قطعه‌ی ۱۰ و ۱۰.۴ کیلوگرمی توسط یک ترازو با دقت یک گرم ۱۰ کیلوگرم اعلام می‌شود.
  • تکرارپذیری: یعنی تحت شرایط ثابت یک کمیت فیزیکی طی دو بار سنجش باید یک مقدار مشخص را نشان دهد.

روش‌های اندازه‌گیری دما

در علم ابزار دقیق روش‌های اندازه‌گیری و ساخت وسایل اندازه‌گیری دما از اهمیت خاصی برخوردار است. اندازه‌گیری دما می‌تواند شامل اندازه‌گیری دمای هوا یا اندازه‌گیری محلولی به‌شدت خورنده و یا حتی اندازه‌گیری دمای کوره‌ی ذوب فلز و یا … باشد که هریک شرایط خاص خود را طلب می‌کند. روش‌های اندازه‌گیری دما مبتنی بر چهار روش اساسی به شرح زیر است:

  • بر اساس انبساط حجمی و یا طولی یک مایع مثل الکل و یا جیوه که نمونه بارز آن دماسنج‌های معمولی است.
  • بر اساس تغییراتی که در انرژی تابشی از اجسام در اثر تغییر دما رخ می‌دهد. مانند دماسنج‌های تشعشعی که کاربرد فراوانی در اندازه‌گیری دمای کوره‌ها در صنعت دارند.
  • بر اساس تغییر مقاومت الکتریکی به‌ واسطه تغییر دما، مانند دماسنج‌های مقاومتی.
  • بر اساس اختلاف ظرفیت دو فلز متفاوت در اثر تغییر دما که در ترموکوبل‌ها کاربرد دارد.

ابزار دقیق

 

روش‌های اندازه‌گیری فشار

در تعریف فشار مقدار نیروی اعمالی بر سطح بررسی می‌شود. فشار از پارامترهای مهم در دانش ابزار دقیق است و از کمیت‌های مهم در ترمودینامیک، شیمی، فیزیک و مکانیک سیالات محسوب می‌شود. و به دلیل اهمیت کنترل فشار در برخی از صنایع، روش‌های مختلفی هم برای سنجش آن ابداع‌ شده است که در زیر به‌ اختصار به برخی از آن‌ها اشاره می‌شود:

  • ابزارهای مانومتریک که ساختاری شبیه U دارند که از جابجایی مایع در هریک از دوشاخه‌ی یو شکل میزان فشار تخمین زده می‌شود. مایع مورد استفاده در این ابزار معمولاً جیوه است ولی استفاده از آب هم گزارش‌ شده است، که به دلیل تبخیر آن در دمای محیط و بی‌رنگ بودن که رؤیت خوبی ندارد، چندان مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. این نوع فشارسنج معمولاً در آزمایشگاه‌ها بسیار کاربرد دارد ولی در سیستم‌های کنترلی حلقه بسته استقبال چندانی از آن نمی‌شود.
  • ابزارهای ارتجاعی که از خواص تغییر حالت برخی از مواد در اثر تغییر فشار در آن‌ها استفاده‌شده است. این ابزار در عین سادگی از استحکام و دوام بالایی هم برخوردارند.
  • ابزارهای الکتریکی که درواقع همان اندازه‌گیرهای مانومتریک و ارتجاعی هستند که خروجی به‌ صورت پالس‌ها و سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌شود، تا از دقّت و قابلیت رصد بالاتری برخوردار شوند. با توجه به اینکه در ابزارهای مانومتریک و ارتجاعی، برای آشکارسازی در سیستم‌های کنترلی باید یک بخش الکتریکی به آن اضافه شود، هزینه‌ی تمام‌شده گران‌تر خواهد بود. و همچنین به دلیل قابلیت جذب نویزها احتمال خطا هم افزایش می‌یابد. این در حالی است که در انواع الکتریکی با تبدیل مستقیم کمیت فشار، ضمن برخورداری از دقّت بالاتر، هزینه‌ی تمام‌شده نیز کاهش چشم‌گیری می‌یابد. استرین گیج‌ها و فشارسنج‌های ظرفیتی و فشارسنج‌های پیزو الکتریکی ازجمله انواع ابزارهای دقیق اندازه‌گیری فشار بر مبنای مکانیسم الکتریکی هستند.

روش‌های اندازه‌گیری شدت‌جریان

اندازه‌گیری دبی در بسیاری از صنایع مبتنی بر سیالات و ترمودینامیک بخصوص صنایع نفت و پتروشیمی از اهمیت به سزایی برخوردار است. از این‌رو روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری آن ابداع‌ شده است که از آن جمله می‌توان به روش‌های زیر اشاره کرد:

  • دبی سنج یا فلو متر توربینی که بر اساس چرخش یک توربین و به‌ تبع آن چرخش هسته‌ی مغناطیسی طراحی‌ شده است.
  • دبی سنج یا فلو متر با مقطع متغیر: در این نوع دبی سنج از یک ظرف و یا محفظه که در آن مقطع از سمت پایین به‌ طرف بالا افزایش می‌یابد، استفاده‌شده است.  با افزایش مقدار دبی، شناور به سمت بالا هدایت می‌شود که نشان‌ دهنده‌ی دبی خروجی و یا ورودی است. از این ابزار که به روتامتر معروف است، می‌توان برای سنجش دبی گازها نیز استفاده کرد. جنس بدنه‌ی روتامتر از فلز یا شیشه است.
  • اندازه‌گیری دبی یا فلو از طریق فشار که بر اساس قانون برنولی که در مورد قانون بقای انرژی بحث می‌کند و باب تازه‌ای در مورد قوانین حاکم در سیالات بازکرده است، طراحی‌ شده است.
  • دبی سنج یا فلو مترآلتراسونیک که مبنای کارکرد آن امواج صوتی یا امواج آلتراسونیک است

اندازه گیری دبی در ابزار دقیق

از این امواج می‌توان برای سنجش کمیات زیادی بهره جست ،که از آن جمله می‌توان به روش‌های زیر اشاره کرد:

  • استفاده از بلوره‌های پیزو الکتریک که قادر به ارسال و یا دریافت سیگنال‌های انتخابی هستند و از مزایای آن دقت بالا و سرعت‌ بالاست و هیچ اثری بر روی کمیت موردنظر ندارند.
  • استفاده از دبی سنج نوع Z که معمولاً در زمان‌هایی کاربرد دارند که از نظر مکانی محدودیت داشته باشیم و یا سیّال مات و کدری داشته باشیم، یا لایه‌ی داخلی لوله کثیف بوده و جرم بسته باشد. و چون وجود جرم و کدر بودن مایع طبق روش‌های قبلی خطا ایجاد می‌کند لذا استفاده از این روش برای پوشش دادن این خطاها پیشنهاد می‌شود.

امتیاز کاربران: اولین نفر باشید!
برچسب ها
نمایش بیشتر

محسن چهرازی

من محسن چهرازی، دانش آموخته رشته مهندسی برق- الکترونیک هستم. در زمینه های کنترل تابلو فرمان آسانسور، برنامه نویسی میکروکنترلرها (زبان C) و MATLAB، کدنویسی VHDL برای FPGA ها و تا حدودی نانو الکترونیک تخصص دارم. این وبسایت رو درست کردم تا با هم یاد بگیریم تحلیلی به مسائل الکترونیک نگاه کنیم و کمی از بخاطر سپردن دریای فرمول ها فاصله بگیریم.

دیدگاه خود را بنویسید. (این مقاله بر اساس نظرات شما به روز رسانی خواهد شد.)

avatar
  مشترک شدن  
اطلاع رسانی کن
دکمه بازگشت به بالا
بستن
بستن