آشنایی با تعاریف و اصطلاحات و همچنین مفاهیم پایه ای، از ملزومات یادگیری در هر زمینه شغلی و تحصیلی می باشد. در این مقاله شما را با تعاریف و اصطلاحات رایج در ابزاردقیق بیشتر آشنا خواهیم کرد.
تعاریف و اصطلاحات
اندازه گیری Measuring
مقایسه یک کمیت نامعلوم مانند طول یا وزن، نسبت به یک استاندارد از پیش تعریف شده مثل متر و کیلوگرم اندازه گیری یا سنجش نامیده میشود.
اندازه گیری یک کمیت، ممکن است به منظور اهدافی مانند کنترل یک فرایند، نمایش مقدار یک کمیت و ثبت مقادیر کمیت ها باشد. دقت شود که برای اینکه نتیجه عمل اندازه گیری به طور عمومی با معنی باشد، دو شرط می بایست برقرار باشد. اول اینکه استانداردی که برای مقایسه بکار می رود به طور دقیق معلوم و عموما مورد پذیرش باشد؛ دوم اینکه روش اندازه گیری قابل تکرار باشد و نیز بتوان صحت و دقت دستگاه اندازه گیری را امتحان کرد.
ابزاردقیق Instrument
وسایل و تجهیزاتی که به منظور اندازه گیری کمیتهای فیزیکی می باشند، ابزاردقیق نام دارند. در واقع ابزاردقیق عنصر اساسی در کنترل فرایندهای صنعتی می باشد و به کمک تجهیزات ابزاردقیق می توان پروسه های صنعتی را تحت کنترل داشت.
کمیتهای فیزیکی
هر چیز که قابل افزایش و کاهش باشد و نیز بتوان تساوی میان دو مقدار از آن را به دقت بیان کرد کمیت فیزیکی نامیده می شود. در واقع سنگ بنای علم فیزیک کمیت فیزیکی است و برای بیان قوانین فیزیکی از آنها استفاده میشود. تعداد کمیتهای فیزیکی بسیار زیاد می باشد، اما از کمیتهای پرکاربرد در صنایع می توان به موارد زیر اشاره کرد :
طول، چگالی، نیرو، فشار، دما، زمان، سرعت، جرم، اختلاف پتانسیل، جریان الکتریکی، مقاومت الکتریکی، هدایت الکتریکی
کمیت را می توان با یک عدد نشان داد و برای تعیین این مقدار نیاز به واحد (یکا) آن کميت داریم.
واحدهای برخی از کمیتهای مهم بر مبنای سیستم SI در جدول زیر ارائه شده است.
واحدهای کمیتهای مهم بر مبنای سیستم SI
عناصر تشکیل دهنده یک سیستم اندازه گیری
سیستم های اندازه گیری شامل سه بخش اساسی سنسورها، ترانسدیوسرها و ترانسمیترها می باشند. هر چند هر یک از آنها نام وسیله یا عنصری با طرز کاری متفاوت می باشد، اما یک اندازه گیر گاهی اوقات می تواند شامل هر سه عنصر یاد شده باشد. به گونه ای که نتوان آنها را از یکدیگر جدا نمود. در ادامه توصیف دقیق تری از عناصر فوق ارائه می شود.
سنسور Sensor
سنسور عنصری است که به کمیت خاصی حساس می باشد و یا در برابر آن کمیت خاص، از خود عکس العمل نشان میدهد. مثلا ترموکوپل یک سنسور دما است، زیرا خروجی آن با تغییرات دما تغییر می کند، در واقع سنسور المانی است که کمیتهای فیزیکی مانند دما، فشار و نیرو را آشکار می کند.
دقت شود که خروجی سنسورها معمولا سیگنال الکتریکی می باشد.
ترانسدیوسر Transducer
مبدل یا ترانسدیوسر به مجموعه ای از قطعات یا دستگاه هایی گفته میشود که بتواند کمیتی را دریافت و متناسب با آن، کمیتی از جنس دیگر را تحویل دهد. دقت شود که طبق تعریف فوق در برخی مواقع یک سنسور می تواند یک ترانسدیوسر نیز باشد، مانند ترموکوپل که علاوه بر اینکه یک المان حس کننده دما میباشد، یک ترانسدیوسر نیز می باشد. زیرا این تجهیز یک کمیت فیزیکی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.
لازم به ذکر است که ترانسدیوسرها برای تبدیل کمیتهای فیزیکی معمولا نیاز به یک منبع خارجی دارند. در صورتی که معمولا سنسورها تمام انرژی مورد نیاز خود را از کمیت فیزیکی تحت اندازه گیری دریافت می کنند.
انواع ترانسدیوسرها
- ترانسدیوسرهای کمیت های غیر الکتریکی به الکتریکی
- ترانسدیوسرهای کمیتهای غیر الکتریکی به پنوماتیکی
ترانسمیتر Transmiter
در واحد های صنعتی بزرگ که عملیات تولید در محوطه گسترده ای انجام می گیرد، ادوات و دستگاههای کنترل و اندازه گیری به طور متمرکز در محلی به نام اتاق فرمان یا مرکز کنترل قرار دارند. به طوری که امکان اندازه گیری و کنترل تمامی متغیرها در سراسر کارخانه و محوطه آن توسط اپراتور در هر لحظه فراهم باشد. در چنین مواردی لازم است که سیگنال ها و فرمان ها از محوطه به اتاق کنترل و بر عکس منتقل شوند، برای این منظور از دستگاهی بنام ترانسمیتر استفاده میشود.
لازم به ذکر است که معمولا کمپانی های سازنده ی تجهیزات اندازه گیری سه بخش فوق (سنسور، مبدل و انتقال دهنده) را به صورت یکجا و به صورت یک دستگاه می سازند.
مشخصات تجهیزات اندازه گیری
به منظور انتخاب و کاربرد صحیح تجهیزات اندازه گیری می بایست به خصوصیات آنها توجه شود، در ادامه خصوصیات مهم دستگاههای اندازه گیری ارائه شده است.
دقت Accuracy
دقت به معنی تطبیق مقدار اندازه گیری شده با مقدار واقعی کمیت مورد اندازه گیری می باشد. در واقع دقت بیانگر میزان نزدیک بودن مقدار خوانده شده توسط تجهیز اندازه گیری به مقدار حقیقی کمیت اندازه گیری شونده می باشد. این پارامتر معمولا بر حسب درصد خطا در تمام محدوده اندازه گیری بیان می شود.
حساسیت Sensitivity
حساسیت یک دستگاه اندازه گیری عبارت است از تغییرات خروجی اندازه گیری به واحد تغییرات در کمیت مورد اندازه گیری شده. به بیان دیگر حساسیت شیب مشخصه عنصر اندازه گیر می باشد.
فرمول محاسبه حساسیت
خطا Error
هنگام اندازه گیری و استفاده از دستگاههای اندازه گیری، همیشه این احتمال وجود دارد که کمیت اندازه گیری شده نسبت به کمیت واقعی درصدی بیشتر یا کمتر باشد، این تفاوت را خطای اندازه گیری می نامند که ممکن است استاتیک یا دینامیک باشد.
- خطای استاتیک
خطای استاتیک خطای ناشی از قرائت کمیت است، یعنی ممکن است شخص در قرائت ظاهری کمیت دچار خطا شود.
- خطای دینامیک
این خطا به خود دستگاه اندازه گیری یا روش استفاده از دستگاه بر می گردد و نسبت به خطای استاتیک گسترده تر می باشد. تعدادی از عوامل ایجاد این خطا عبارتند از : کیفیت خود دستگاه، اصطکاک و خطای ناشی از دمای محیط
- خطای مطلق
حداکثر فاصله بین مقدار اندازه گیری شده و مقدار واقعی را خطای مطلق می نامند.
- خطای نسبی
این خطا به صورت زیر بیان می شود.
فرمول محاسبه خطای نسبی
- خطای مقیاس کامل (Full Scale)
این خطا به صورت زیر بیان می شود.
فرمول محاسبه خطای مقیاس کامل
تفکیک پذیری یا حد تفکیک Resolution
کمترین تغییر ورودی که به وسیله تجهیزات ابزاردقیق قابل آشکارسازی است حد تفکیک یا تمایز گفته میشود. در واقع حد تفکیک بالا در تجهیزات سبب ایجاد اندازه گیری با دقت زیاد می شود. این پارامتر در مبدل های آنالوگ به دیجیتال بسیار محسوس است و هر چه تعداد بیتهای این مبدلها بیشتر باشد تفکیک پذیری بهتری را شاهد خواهیم بود.
خطی بودن Linearty
یکی از مهم ترین مشخصات هر تجهیز اندازه گیری، خطی بودن رفتار آن است که به معنی متناسب بودن تغییرات خطی خروجی با تغییرات ورودی است.
منحنی مشخصه خطی بودن
رفتار خطی، رفتاری مطلوب برای یک سیستم اندازه گیری به حساب می آید. با توجه به اینکه مقیاس کردن مقدار خوانده شده به مقدار اندازه گیری شده کمیت ورودی متناظرش، با ضرب کردن در یک عدد ثابت خیلی راحت تر از مراجعه به منحنی کالیبره سازی غیرخطی یا محاسبه از روی معادله های کالیبره سازی غیرخطی است، لذا خطی بودن رفتار یک دستگاه اندازه گیری بسیار اهمیت دارد.
پسماند Hysterests
پسماند یا هیسترزیس به معنی عدم تطابق منحنی های گذاشت و برداشت بار است. که اثرات خروجی مختلف مربوط به گذاشت و برداشت بار را شرح می دهد. پسماند در یک سیستم مکانیکی و برقی، ناشی از این واقعیت است که همه انرژی که هنگام گذاشتن بار به قسمتهای تحت تنش وارد می شود هنگام برداشتن بار قابل بازگشت نیست. این بدان علت است که مطابق قانون دوم ترمودینامیک هیچ فرآیند کاملا برگشت پذیری در جهان وجود ندارد.
رابطه خروجی – ورودی یک سیستم اندازه گیری دارای پسماند، مطابق شکل زیر می باشد.
رابطه خروجی – ورودی یک سیستم اندازه گیری دارای پسماند
تکرار پذیری Repeatability
تکرار پذیری بیان کننده این است که تحت شرایط کاری و ورودی یکسان اندازه گیری های متعدد در زمان مختلف با یکدیگر چه میزان تفاوت دارند. دقت شود که عدم تکرار پذیری مناسب در سیستم های کنترلی پیوسته بسیار نامطلوب است، چرا که مقدار خطا معین و ثابت نیست و می تواند عملکرد سیستم تحت کنترل را دچار مشکل نماید.
رنج Range
فاصله بین مقادیر ماکزیمم و مینیمم یک کمیت که دستگاه اندازه گیری می تواند آن را اندازه گیری نماید، رنج یا محدوده نامیده میشود.
اغتشاش Distrubance
اغتشاش عاملی است که بر روی خروجی تأثیر نامطلوب می گذارد که می تواند درونی یا بیرونی باشد.
پایداری Stability
میزان ثبات یا تغییر ناپذیری یک خروجی در اثر اعمال اغتشاش را پایداری گویند .
سیگنال های استاندارد ابزاردقیق
به منظور ارسال مقادیر آنالوگ تجهیزات ابزاردقیق توسط ترانسمیتر، میتوان از سیگنال های الکتریکی جریانی یا ولتاژی و در برخی مواقع از سیگنال های پنوماتیکی استفاده کرد. محدوده این سیگنالها به طور استاندارد بیان می شود که برخی از آنها عبارتند از :
- 5mA to +5mA-
- 20mA to +20mA-
- 4mA to 20mA
- 10mA to +10mA-
- 0mA to 20mA
- 0V to 10V
- 10V to +10V-
- 3psi to 15psi
دقت شود که استفاده از سیگنال های آنالوگ جریانی نسبت به ولتاژی باعث بالا رفتن کارایی سیستم های ابزاردقیق می شود. علت این امر نویز پذیری کمتر سیگنال های جریانی نسبت به ولتاژی می باشد.همچنین مقاومت سیمهای رابط باعث افت جریان ارسالی نمی شوند و این امر سبب می شود که بتوان خروجی ترانسمیترها را توسط سیگنال های آنالوگ جریانی به مسافت های طولانی تری ارسال کرد.
دقت شود که استفاده از استاندارد جریانی 4mA to 20mA کاربرد بیشتری دارد علت این امر به شرح زیر می باشد.
- وجود سیگنال 4 میلی آمپر به عنوان سطح پایین سبب ایجاد یک صفر زنده شده و در صورت قطع شدن سیم های ارتباطی، جریان ارسالی به کنترلر صفر شده و سیستم کنترلی میتواند این مشکل را تشخیص دهد.
- امکان تأمین تغذیه ترانسمیتر یا ترانسدیوسرهای دو سیمه فراهم می گردد. زیرا کمترین جریان 4 میلی آمپر می باشد که می تواند جریان مصرفی ترانسمیتر یا ترانسدیوسرهای دو سیمه را تأمین کند.
- امکان استفاده از تجهیزات هوشمند مبتنی بر هارت که معمولا کاربردهایی همچون کالیبراسیون و ارسال سیگنال های تشخیص خطا را دارد، فراهم می شود.
لازم به ذکر است در برخی مواقع امکان ارسال مقادیر آنالوگ توسط سیگنال های الکتریکی میسر نمی باشد. به طور مثال در محیط هایی که خطر آتش سوزی یا انفجار در آنها بالا است، در این مواقع میتوان از سیگنال های پنوماتیکی استفاده کرد که مهم ترین سیگنال آنالوگ پنوماتیکی، فشار 3psi to 15psi می باشد.
تقسیم بندی سیستم های کنترل
سیستم های کنترل به دو نوع حلقه باز و حلقه بسته تقسیم بندی می شوند. تغییرات ورودی ممکن است فقط بر اساس اطلاع از مدل سیستم و یا تجربه صورت گیرد و بدون اطلاع از خروجی باشد که در این صورت سیستم را حلقه باز می نامند. در صورتی که عملیات و تغییرات ورودی بر اساس اطلاع از خروجی صورت گیرد، سیستم را حلقه بسته و به آن سیستم کنترل فیدبک دار گویند. در کنترل حلقه باز ورودی بر اساس اطلاع قبلی از مدل سیستم به منظور ایجاد خروجی معین به سیستم اعمال می شود.
شکل زیر بلوک دیاگرام یک سیستم حلقه باز را نمایش میدهد.
بلوک دیاگرام یک سیستم حلقه باز
در این سیستم کنترل کننده سیگنال ورودی را به طور متناسب تغییر داده و تقویت می کند. قسمت محرک دارای توان زیاد بوده و بر اساس سیگنال دریافتی از کنترل کننده نیروی لازم را اعمال نموده و حرکات لازم را انجام میدهد.
در سیستم حلقه باز اثر خطای موجود در مدل سیستم یا تحریکات موجود غیر قابل پیش بینی است و خروجی دستگاه معمولا دارای مقداری خطا نسبت به مقدار مورد نظر خواهد داشت. شکل زیر بلوک دیاگرام یک سیستم حلقه بسته را نمایش میدهد.
بلوک دیاگرام یک سیستم حلقه بسته
در این سیستم عمل کنترل بر اساس مقایسه مقدار مطلوب (SP) و خروجی صورت می گیرد. مقدار خروجی توسط اندازه گیر و مبدل به مقایسه کننده ارسال میشود و نتیجه مقایسه به عنوان سیگنال خطا به کنترل کننده اعمال می گردد. قسمت محرک دارای توان زیاد بوده و بر اساس سیگنال دریافتی از کنترل کننده نیروی لازم را اعمال نموده و حرکات لازم را انجام میدهد.
کنترل کننده مورد استفاده در سیستم کنترلی فوق، مغز متفکر سیستم کنترلی می باشد که به کمک آن می توان تعیین کرد در موقع ایجاد خطا با توجه به تنظیمات اولیه چه فرمانی را به محرک صادر می کند.
محرک یا عملگر مکانیزمی است که فرمان خروجی کنترل کننده را به دستگاه تحت کنترل اعمال می کند. این عمل به این صورت انجام می گیرد که متناسب با فرمان کنترل کننده عمل مکانیکی یا الکتریکی معینی توسط محرک انجام میشود. در واقع واحد عملگر آخرین قسمت سیستم کنترلی می باشد و فرمانها توسط آن به پروسه اعمال می گردد. لازم به ذکر است که متداول ترین عملگرها شیرهای کنترلی می باشند.