مبانی ابزاردقیق و اصطلاحات اندازه‌گیری

ابزار دقیق علم اندازه گیری و کنترل خودکار و اتوماتیکی است. کاربردهای این علم در تحقیقات ، صنعت و زندگی روزمره فراوان است. 

از سیستم های کنترل موتور خودرو گرفته تا ترموستات‌های کنترل دمای خانگی گرفته تا خلبانان خودکار هواپیما، اتوماسیون در همه جا در اطراف ما وجود دارد. این بخش بر اصل اساسی اندازه‌گیری تمرکز می کند.هدف هر اندازه گیری این است که بتواند یک متغیر فرایند معین را اندازه گیری کند تا بتواند آن را کنترل کند. بنابراین آنچه را که نمی توانید اندازه بگیرید، نمی توانید کنترل کنید.

از تجهیزات ابزاردقیق برای اندازه‌گیری و کنترل وضعیت جریان‌های فرآیندی هنگام عبور از یک سیستم استفاده می شود. همچنین از تجهیزات ابزاردقیق برای اندازه گیری و کنترل متغیرهای فرآیندی مانند: دما، جریان، سطح، فشار و کیفیت مواد استفاده می‌شود. در صورت وجود انحراف از مقدار فرایند مورد نیاز، سیستم های کنترل ابزار خودکار بیشتر برای نظارت مداوم بر این شرایط فرآیند و اصلاح آنها بدون دخالت اپراتور استفاده می شوند. دلیل اصلی استفاده از کنترل های اتوماتیک این است که تولید از نظر اقتصادی و ایمن تر انجام می شود. در حقیقت، برخی از فرایندهای ما بدون وجود سیستم های کنترل خودکار در شرایط پایدار قابل کنترل نیستند.

سنسورهای ابزار دقیق اغلب در برنامه های صنعتی برای نظارت بر وضعیت، نظارت بر جریان، نظارت بر سطح، جمع آوری داده های فشار و دما برای کنترل فرایند استفاده می شوند. تجهیزات ابزار دقیق به گونه ای طراحی شده اند که در مدت زمان طولانی به طور مداوم کار کنند. این داده ها در کنترل و بهینه سازی سیستم های جدا شده یا کل منحصر به فرد برای جلوگیری از ایجاد خرابی در سایت های تولید بسیار مهم است. این دستگاهها طوری طراحی شده اند که در بازه های زمانی طولانی به طور مداوم در محیط های تهاجمی مانند کارخانه های سیمان ، مخازن ذخیره سازی، نیروگاه های تولید برق، تجهیزات چرخشی، کوره های عملیات حرارتی، تولید فولاد، نیروگاه های هسته ای و غیره کار کنند.

در نتیجه مواد مورد استفاده در ساخت محفظه و روکش تجهیزات ابزاردقیق به طور کلی برای مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا، استحکام، مقاومت در برابر مواد اسیدی و خورنده و خواص پارگی خزشی انتخاب می شوند.

متریال اغلب سنسورهای ابزار دقیق قابل شخصی سازی است که این آلیازها عبارتند از: NeoNickel Alloy 625 ،Alloy 601 ،Alloy 22 ،Alloy C276 ،ZERON و Alloy 600 اینها گزینه های ایده آلی برای تولید روکش یا محفظه برای حسگرها (سنسورها) و دستگاه‌های ابزار دقیق هستند.

اصطلاحات ابزار دقیق:

متغیر اندازه گیری شده :
به مقدار یا شرایط فیزیکی که باید اندازه گیری شود گفته می شود. متغیرها عبارتند از: دما ، فشار ، میزان جریان ، سطح ، سرعت و غیره

سیگنال اندازه گیری شده :
آیا متغیر الکتریکی ، مکانیکی ، پنوماتیک یا سایر موارد به ورودی یک دستگاه اعمال می شود. در ترموکوپل ، سیگنال اندازه گیری شده یک EMF (محرکه) است که سیگنال آنالوگ الکتریکی دمای اعمال شده روی ترموکوپل است. یک سیگنال اندازه گیری شده معمولاً توسط عنصر اصلی (عنصر حس) یک ابزار تولید می شود.

سیگنال ورودی :
آیا سیگنالی به عنصر دستگاه یا سیستم اعمال می شود. فشار وارد شده به اتصال ورودی یک فرستنده فشار یک سیگنال ورودی است.

سیگنال خروجی :
سیگنالی است که توسط دستگاه ، عنصر یا سیستم ارسال می شود. سیگنال (3 تا 15 psig ، 4 تا 20 mA dc و غیره) تولید شده در اتصالات خروجی یک فرستنده یک سیگنال خروجی است.

دامنه :

آیا منطقه بین محدوده ای است که در آن مقدار اندازه گیری ، دریافت یا منتقل می شود ، با بیان محدوده پایین و بالا.

-20 تا + 2000C ؛ 20 تا 1500 درجه سانتیگراد ؛ 4 تا 20 میلی آمپر

طول:

آیا تفاوت جبری بین مقادیر محدوده بالا و پایین است.

محدوده: -20 تا 2000C ، محدوده 2200C ؛ محدوده: 20 تا 1500 درجه سانتیگراد ، طول آن 1300 درجه سانتیگراد است.

دامنه پذیری یا خنثی سازی :
نسبت حداکثر طول قابل تنظیم / حداقل طول قابل تنظیم برای یک زمان معین

ساز ، R = 100 میله / 10 میله = 10

قابلیت تکرارپذیری یک ابزار برای دادن نشانه ها یا پاسخهای یکسان برای تکرارها:

کاربردهای مقدار یکسان مقدار اندازه گیری شده در شرایط یکسان مورد استفاده. تکرارپذیری خوب صحت را تضمین نمی کند.

عدم قطعیت :

محدوده ای از مقادیر که در آن مقدار واقعی با احتمال مشخصی نهفته است. عدم قطعیت +/- 1٪ با اطمینان 95٪ به این معنی است که ابزار به کاربر یک الف می دهد. 

حساسیت :

 نسبت تغییر خروجی مبدل به تغییر متناظر در مقدار اندازه گیری شده را حساسیت می‌گوییم و رابطه آن از فرمول زیر بدست می آید.

 (حساسیت) = (تغییر سیگنال خروجی) / (تغییر سیگنال ورودی). 

به عنوان مثال: یک مبدل فشار به جریان می تواند حساسیت 0.1 میلی آمپر / مگابایت داشته باشد.

دقت :

مطابقت یک مقدار نشان داده شده با مقدار استاندارد پذیرفته شده را دقت میگوییم، بعبارتی مقدار اندازه گیری شده واقعی یک سنسور با عمر سنسور رابطه عکسی دارد که معمولاً با گذشت زمان و فرسودگی حسگر دقت اندازه گیری (Accuracy) تجهیز بشدت کاهش می‌یابد.

چندین روش برای حصول از اینکه سنسور از دقت کافی برخوردار است وجود دارد. از مهمترین آنها بازدید دوره‌ای تجهیزات ابزار دقیق که برای حصول اطمینان از درستی عملکرد و دقت حسگر لازم و ضروری است و از راههای دیگر کالیبراسیون سنسور تحهیز برای تشخیص خطای احتمالی است.

دقت را می توان به اشکال مختلف بیان کرد:

• دقت بیان شده بر اساس متغیر اندازه گیری شده
• دقت بیان شده در درصد مقدار بالای محدوده
• دقت بیان شده در درصد خواندن واقعی

خطای مطلق :

تفاوت جبری بین نشانگر و مقدار واقعی مقدار اندازه گیری شده را خطای مطلق نامیده می‌شود. که فرمول آن بشرح زیر است:

خطای مطلق = نشانگر – مقدار واقعی. ΔX = X ‘ – X

خطای مربوطه :

نسبت خطای مطلق و مقدار واقعی مقدار مورد اندازه گیری که بر حسب درصد بیان می شود: x = (ΔX/X) x 100

Hysteresis :
هیسترزیس تفاوت در خروجی و ورودی داده شده در هنگام افزایش ورودی و خروجی ورودی یکسان در هنگام کاهش ورودی است. هنگامی که ورودی هر ساز به آرامی از صفر تا مقیاس کامل و سپس به صفر تغییر می کند ، خروجی آن همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است متفاوت است.

این جایی است که دقت دستگاه به مقدار قبلی و جهت تغییر بستگی دارد. Hysteresis باعث می شود که یک دستگاه نادرستی را از مقدار صحیح نشان دهد ، زیرا اندازه گیری قبلی تحت تأثیر قرار می گیرد.

فرایند:

سیستم فیزیکی که ما سعی در کنترل یا اندازه گیری آن داریم. مثلا: دیگ بخار تیم ، واحد پالایشگاه نفت ، واحد تولید برق .

متغیر فرآیند یا PV:

مقدار خاصی است که ما در یک فرایند اندازه گیری می کنیم. مثالها: فشار ، سطح ، دما ، جریان ، هدایت الکتریکی ، pH ، موقعیت ، سرعت ، ارتعاش و غیره.

Setpoint یا SP:

مقداری که ما می خواهیم متغیر فرآیند در آن حفظ شود. به عبارت دیگر  ، مقدار “هدف” برای متغیر فرآیند.

عنصر سنجش اولیه یا PSE:

دستگاهی که مستقیماً متغیر فرایند را حس می کند و  مقدار آن را به صورت آنالوگ (ولتاژ الکتریکی ، جریان ، مقاومت ؛ نیروی مکانیکی ، حرکت و غیره) ترجمه می کند. مثالها: ترموکوپل ، ترمیستور ، لوله بوردون ، میکروفون ، پتانسیومتر ،سلول الکتروشیمیایی ، شتاب سنج و غیره

محیط :

محیط یا محیط در ارتباط با یک نقطه یا شیء خاص.

تضعیف :
کاهش اندازه سیگنال در یک دوره زمانی.

تنظیم :

روش مقایسه و تعیین دقت عملکرد را کالیبراسیون می نامند. برای پیکربندی یک دستگاه به گونه ای که خروجی مورد نیاز نشان دهنده (با درجه دقت مشخص) ورودی مربوطه باشد.

حلقه بسته :

مربوط به یک حلقه کنترل است که در آن متغیر فرآیند برای محاسبه خروجی کنترلر استفاده می شود. در یک سیستم حلقه بسته ، عمل کنترل مستقل از خروجی مورد نظر است.

کنترل کننده :

دستگاهی که به طور خودکار برای تنظیم کنترل فرآیند با متغیر کنترلی عمل می کند.

کسب کردن :

این نسبت تغییر خروجی به تغییر ورودی اعمال شده است. Gain یک مورد خاص از حساسیت است ، جایی که واحدهای ورودی و خروجی یکسان و سود هستند

بدون واحد است

سطح شیب دار :

پاسخ تاخیری و انباشته خروجی را برای تغییر ناگهانی ورودی تعریف می کند.

قابلیت اطمینان :

احتمال اینکه یک دستگاه در محدوده مشخصات خود برای تعداد عملیات یا مدت زمان مشخص شده عمل کند.

قابلیت تکرارپذیری :

شباهت یک اندازه گیری به اندازه گیری دیگر در طول زمان ، جایی که شرایط عملکرد در بازه زمانی متفاوت بوده است ، اما ورودی بازیابی می شود.

وضوح :

کوچکترین فاصله ای که می توان به عنوان اندازه گیری مشخص کرد ، متفاوت است.

طنین انداز :

فرکانس نوسان به دلیل پویایی طبیعی سیستم حفظ می شود.

حساسیت :

این میزان تغییر خروجی را برای تغییر مشخص شده در ورودی دستگاه تعیین می کند.

نقطه تنظیم :

از نقطه کنترل که در کنترل حلقه بسته استفاده می شود ، متغیر فرآیند ایده آل است. در واحدهای متغیر فرآیند نمایش داده می شود و توسط کنترل کننده برای تعیین خروجی فرایند استفاده می شود.

تنظیم دهانه :

تفاوت بین حداکثر و حداقل مقادیر محدوده. هنگامی که در یک ابزار ارائه می شود ، این شیب منحنی ورودی-خروجی را تغییر می دهد.

حالت پایدار :

در کنترل حلقه بسته استفاده می شود که در آن فرایند دیگر نوسان نمی کند یا تغییر نمی کند و در مقدار مشخصی قرار می گیرد.

ثابت زمانی :

ثابت زمان یک سیستم مرتبه اول به عنوان زمان لازم برای رسیدن خروجی به 63.2 درصد از کل تغییرات ، هنگامی که تحت تغییر مرحله ورودی قرار می گیرد ، تعریف می شود.

مبدل :

عنصر یا دستگاهی که اطلاعات را از یک شکل (معمولاً فیزیکی ، مانند دما یا فشار) تبدیل می کند و به شکل دیگر (معمولاً الکتریکی ، مانند ولت یا میلی ولت یا تغییر مقاومت) تبدیل می کند. یک مبدل را می توان در نظر گرفت که شامل یک سنسور در قسمت جلویی (در جریان) و فرستنده.

گذرا :

تغییر ناگهانی در یک متغیر ، که نه پاسخی کنترل شده است و نه طولانی مدت.

فرستنده :

دستگاهی که یک نوع انرژی را به شکل دیگر تبدیل می کند. معمولاً از مکانیکی به الکتریکی به منظور یکپارچگی سیگنال برای انتقال در فواصل طولانی تر و مناسب بودن با تجهیزات کنترل.

متغیر :

به طور کلی ، این مقدار کمی از سیستم یا فرآیند است. دو نوع اصلی متغیرهای موجود در سیستم عبارتند از متغیر اندازه گیری شده و متغیر کنترل شده. متغیر اندازه گیری شده مقدار اندازه گیری شده است و همچنین به عنوان متغیر فرآیند به عنوان اندازه گیری اطلاعات فرآیند نامیده می شود. متغیر کنترل شده خروجی کنترل کننده است که فرآیند را کنترل می کند.

ارتعاش :

این حرکت دوره ای (مکانیکی) یا نوسان یک جسم است.

تنظیم صفر :

صفر در یک ابزار خروجی است که در صورت عدم وجود ، یا ورودی صفر اعمال می شود. تنظیم صفر یک تغییر موازی در منحنی ورودی-خروجی ایجاد می کند.

مبدل:

دستگاهی است که یک سیگنال ابزار استاندارد را به سیگنال ابزار استاندارد دیگر تبدیل می کند و/یا نوعی پردازش را روی آن سیگنال انجام می دهد. اغلب به عنوان مبدل و گاهی به عنوان “رله” نامیده می شود.

بعنوان مثال: مبدل I/P (سیگنال الکتریکی 4-20 میلی آمپر را به سیگنال پنوماتیک 3-15 PSI تبدیل می کند) ، مبدل P/I (سیگنال پنوماتیک 3-15 PSI را به سیگنال الکتریکی 4-20 میلی آمپر تبدیل می کند).

توجه: در اصطلاح عمومی علم ، “مبدل” عبارت است از هر وسیله ای که یک شکل از انرژی را به دیگری تبدیل می کند ، مانند میکروفون یا ترموکوپل. در ابزار دقیق صنعتی ، ما عموماً از “عنصر حس اولیه” برای توصیف این مفهوم و ذخیره کلمه “مبدل” استفاده می کنیم.

به طور خاص به یک دستگاه تبدیل برای سیگنالهای استاندارد ابزار دقیق اشاره کنید.

فرستنده یا ترانسمیتر:

دستگاهی که سیگنال تولید شده توسط یک عنصر سنجش اولیه (PSE) را به یک سیگنال ابزار استاندارد مانند فشار هوا 3-15 PSI ، جریان الکتریکی 4-20 میلی آمپر DC ، بسته سیگنال دیجیتال Fieldbus و غیره تبدیل می کند ، که ممکن است سپس به یک دستگاه نشانگر ویا یک کنترل کننده منتقل می شود

مقادیر محدوده پایین و بالا (LRV و URV):

مقادیر اندازه گیری فرآیند 0٪ و 100٪ محدوده کالیبره شده فرستنده در نظر گرفته می شود. به عنوان مثال ، اگر یک فرستنده دما برای اندازه گیری محدوده دما از 300 درجه سانتیگراد شروع و تا 500 درجه سانتیگراد کالیبره شود ، LRV آن 300 درجه سانتی گراد و URV آن 500 درجه سانتی گراد خواهد بود.

Zero and Span:

توصیف های جایگزین برای LRV و URV برای نقاط 0 and و 100 of محدوده کالیبره شده یک ساز. “صفر” به نقطه شروع محدوده ابزار (معادل LRV) اشاره می کند ، در حالی که “دهانه” به عرض محدوده آن (URV-LRV) اشاره دارد. 

به عنوان مثال ، اگر یک فرستنده دما برای اندازه گیری محدوده دما از 300 درجه سانتیگراد شروع و تا 500 درجه سانتیگراد کالیبره شود ، صفر آن 300 درجه سانتی گراد و دهانه آن 200 درجه سانتی گراد است.

کنترل کننده:

دستگاهی که یک سیگنال متغیر فرایند (PV) را از یک عنصر سنجش اولیه (PSE) یا فرستنده دریافت می کند ، آن سیگنال را با مقدار مورد نظر (به نام نقطه تنظیم) برای آن متغیر فرآیند مقایسه می کند و مقدار سیگنال خروجی مناسب برای ارسال را محاسبه می کند. به یک عنصر کنترل نهایی (FCE) مانند موتور الکتریکی یا شیر کنترل.

حالت خودکار:  

هنگامی که کنترل کننده سیگنال خروجی را بر اساس رابطه  متغیر فرایند (PV) با نقطه تنظیم (SP) تولید می کند.

حالت دستی:  

هنگامی که توانایی تصمیم گیری کنترل کننده کنار گذاشته می شود تا به یک اپراتور انسانی اجازه دهد  مستقیماً سیگنال خروجی ارسال شده به عنصر کنترل نهایی را تعیین کند.

Final Control Element یا FCE:

دستگاهی است که سیگنال خروجی را توسط یک کنترل کننده دریافت می کند تا مستقیماً بر روند تأثیر بگذارد. 

مثالها: موتور الکتریکی با سرعت متغیر ، شیر کنترل ، بخاری برقی.

متغیر دستکاری شده ، یا MV:

مقدار در فرآیندی که ما به منظور تأثیر بر متغیر فرایند (PV) آن را تنظیم یا در غیر این صورت دستکاری می کنیم. همچنین برای توصیف سیگنال خروجی تولید شده توسط کنترل کننده استفاده می شود. به عنوان مثال سیگنال فرمان (“دستکاری”) عنصر کنترلی نهایی را تحت تأثیر قرار می دهد.