امروزه عرصه ی صنعت و ابزار دقیق چنان با هم مانوس شده‌اند که نمی‌توان آن ها را از هم تفکیک نمود. ابزار دقیق قلب تپنده ی هر پروژه صنعتی است و تصور صنعت بدون کاربردهای ابزار دقیق، کار بسیار سختی است. وظیفه ی یک مهندس، آشنایی با تجهیزات ابزار دقیق و انتخاب مناسب آن، برای هر پروژه صنعتی است. در این مقاله قصد داریم تا ریزبین‌تر به فناوری ابزار دقیق نگاه کنیم و با ابزارها، انواع آن و کاربردهای مختلفی از جمله اندازه گیری، ارتباطی و کنترلی بیشتر آشنا شویم.
ابزار دقیق چیست؟
اگر شما در حوزه برق فعالیت داشته باشید، قطعا تا به حال کلمه ی ابزار دقیق زیاد به گوشتان خورده است. این لغت از دو واژه ی ابزار و دقیق تشکیل شده است و منظور ابزارهایی هستند که دقیق کار می‌کنند اما منظور از دقیق کارکردن چیست؟ منظورمان اندازه‌گیری دقیق و با کمترین میزان خطاست؛ بنابراین می‌توان ابزار دقیق را ترکیب هنر و علم استفاده از تجهیزات دانست که به‌موجب آن کمیت‌های موردنظر با کمترین خطا و به‌خوبی اندازه‌گیری می‌شوند. این کمیت‌ها می‌توانند پارامترهایی مانند دما، فشار، فلو، سطح سیالات، غلظت گازها و مقادیر PH باشد. به طور مثال:
- سطح یک مخزن.
- دمای یک کوره.
- یا فشار مربوط به یک مخزن.
این نوع ابزار، تجهیزاتی هستند که برای نظارت، کنترل و اندازه‌گیری از آن ها استفاده می‌شود.
تاریخچه
هنوز نمی‌توان به طور یقین گفت که رشته کنترل و اندازه‌گیری توسط چه کسی اختراع شد اما ۲۶۰۰ سال قبل از میلاد مسیح، مهندسان روم باستان اولین کسانی بودند که با استفاده از وسایل اندازه‌گیری ساده و به طور دقیق، توانستند ارتفاع فونداسیون ساختمان های هرمی شکل خود را اندازه‌گیری کنند و سنگ‌های عظیم را انتقال دهند. رومیان همچنین توانسته بودند فلومترهای ابتدایی بسازند و به‌وسیله ی آن آب را هدایت و توزیع کرده و سرزمینشان را آبیاری کنند.
جنگ جهانی دوم تاثیر به سزایی در پیشرفت سریع و رو به جلوی ابزار دقیق داشت. ظهور عملیات‌های مبتنی بر نرم‌افزار و پیشرفت تکنولوژی، این رشته را بیش از هر زمانی تخصصی‌تر کرد. رشته ابزار دقیق در ایران تا قبل از سال ۱۳۸۵، زیرمجموعه ی رشته برق به حساب می‌آمد اما بعد از گسترش ابزار دقیق و ارتباط آن با صنایع زیاد، تصمیم گرفتند تا رشته‌ای مجزا در صنعت برای آن در نظر بگیرند. مهندسین این حوزه را تحت عنوان مهندس ابزار دقیق و کنترل می‌شناسند.
شما می‌توانید وقایع مهم در تاریخچه ی شکل‌گیری این تجهیزات را در نمودار زیر مشاهده کنید.
اجزای تشکیل دهنده
این علم از سه بخش زیر تشکیل شده است:
- اندازه‌گیری پارامترهای مختلف.
- کنترل پارامترها و پردازش مقادیر اندازه‌گیری شده توسط تجهیزات کنترلی.
- ارسال پاسخ مناسب به تجهیزات کنترل‌کننده توسط محرک‌ها.
این ۳ فرآیند در کنار هم یک سیستم مکمل هستند که آن را سیستم کنترل اتوماتیک می‌نامیم و وظیفه ی آن انجام کنترل بر فرآیندی در یک مجموعه عملیاتی است.
اندازه‌گیری:
قسمت اندازه‌گیر، مقدار کمیت مورد نظر را اندازه‌گیری می‌کند. در صنایع پارامترهای مختلفی جهت کنترل اندازه‌گیری می‌شود. این پارامترها عبارت‌اند از:
- اندازه‌گیری فشار.
- اندازه‌گیری درجه حرارت.
- اندازه‌گیری جریان سیالات.
- اندازه‌گیری ارتفاع مایعات.
- اندازه‌گیری سرعت.
- اندازه‌گیری لرزش.
- و … .
کنترل‌کننده‌ها:
در تاریخچه ی علم ابزار دقیق به دوره‌های خاصی اشاره کردیم که به واسطه ی آن، ابزارها دقیق‌تر و اتوماتیک شدند. قبل از نرم‌افزاری شدن این ابزارها، کنترل در صنعت به صورت دستی و توسط عوامل انسانی صورت می‌گرفت. اما با اختراع ترانزیستور و کارت‌های الکترونیکی برای کنترل، استفاده از عوامل انسانی به طرز چشمگیری کاهش یافت. با ورود کامپیوترهای صنعتی به نام PLC، واحدها به‌سادگی کنترل می‌شدند. امروز نیز کنترل‌کننده‌های جدیدی به نام سیستم کنترل‌کننده توزیع‌پذیر (DCS) و کنترل‌کننده‌های فازی (FCD) وارد حوزه ی صنعت شده و وظیفه ی کنترل را به دست گرفته‌اند.
محرک‌ها:
محرک‌ها ابزارهایی هستند که سیگنال خروجی را از قسمت کنترل‌کننده گرفته و متناسب با این سیگنال عمل می‌کنند. از عمده ابزارهای خروجی می‌توان به شیرهای کنترل و الکتروموتورها اشاره کرد. این ابزارها کمک می‌کنند تا پارامترهای قابل اندازه‌گیری را در مقدار مطلوب مورد نظر نگه دارند
تجهیزات تشکیل‌دهنده سیستم کنترلی
برای کنترل یک فرآیند ابتدا می‌بایست شناخت و درک عمیقی از دینامیک و رفتارهای آن فرآیند داشت. همچنین نیاز به اطلاعات دقیق لحظه‌ای برای کنترل یک کمیت بسیار حائز اهمیت است و باید کمیت مورد نظر همواره اندازه‌گیری شود. دستگاه‌های اندازه‌گیری معمولا از سه بخش تشکیل می‌شوند:
حسگر یا سنسور (Sensor):
سنسورها جزء مهم‌ترین ابزار دقیق‌های صنعتی به شمار می‌آیند که برای اندازه‌گیری یک پارامتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. تقریبا برای اندازه‌گیری تمام پارامترهای فیزیکی و شیمیایی یک سنسور ابزار دقیق وجود دارد. سنسورها بر اساس نوع عملکرد، خروجی‌های متفاوتی دارند.
مبدل یا ترانسدیوسر (Transducer):
مبدل‌ها یا ترانسدیوسرها، پارامترهای اندازه‌گیری شده توسط سنسورها را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند. یعنی اگر یک سنسور فشار همراه با یک مبدل به کار برود، سنسور مقدار فشار را اندازه‌گیری کرده و به مبدل تحویل می‌دهد، سپس مبدل این مقدار را به یک سیگنال الکتریکی و قابل انتقال در شبکه ارتباطی تبدیل می‌نماید.
انتقال‌دهنده یا ترانسمیتر(Transmitter):
ترانسمیتر دستگاهی است که سیگنال مبدل را دریافت کرده و آن را تقویت می‌کند تا امکان فرستادن سیگنال به فواصل طولانی ایجاد شود. ترانسمیتر این فرآیند را بدون از دست دادن کیفیت سیگنال و یا تداخل با سیگنال‌های دیگر انجام می‌دهد.
- حوزه ی اندازه‌گیری (Range): محدوده‌ای که تجهیز قابلیت اندازه‌گیری آن را دارد.
- صفر اندازه‌گیری (Zero): نقطه ی مشخصی را در حوزه ی اندازه‌گیری به عنوان نقطه ی صفر در نظر می‌گیرند که الزاما صفر نیست و ممکن است دارای مقادیری باشد.
- انحراف صفر (Zero Drift): اندازه ی خروجی در نقطه صفر با گذشت زمان یا دیگر عوامل تغییر می‌کند که به آن پدیده ی انحراف صفر گویند.
- حساسیت (Sensitivity): به تغییرات خروجی اندازه‌گیر به واحد تغییرات در کمیت مورد اندازه‌گیری حساسیت می‌گویند.
- حد تفکیک (Resolution): به کوچک‌ترین اندازه تغییرات کمیت مورد اندازه‌گیری که تجهیز می‌تواند اندازه‌گیری کند حد تفکیک می‌گویند.
- پاسخ‌دهی (Response): در عمل، تجهیزها دارای ثابت زمانی و بعضا تاخیر خالص هستند. ثابت زمانی عنصر اندازه‌گیر، باید از کوچک‌ترین ثابت زمانی موجود در حلقه ی کنترل بسیار کوچک‌تر باشد.
- درستی (Accuracy): به تطابق مقدار اندازه‌گیری شده با مقدار واقعی کمیت مورد اندازه‌گیری، درستی می‌گویند.
- تکرارپذیری (Repeatability): به نتیجه ی یکسان گرفتن در اندازه‌گیری یک کمیت در شرایط ثابت، تکرارپذیری گویند.
- گستره (Range Of Span): به فاصله ی بین مقادیر ماکزیمم و مینیمم که یک دستگاه می‌تواند اندازه‌گیری کند، گستره گویند.
تجهیزات ابزار دقیق
شما به‌عنوان یک مهندس این حوزه باید با ابتدایی‌ترین و مهم‌ترین تجهیزات ابزار دقیق آشنا باشید تا بتوانید متناسب هر پروژه، تجهیز مدنظر را انتخاب کنید. از جمله این تجهیزات می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- فلومتر
- سطح سنج
- دماسنج
- فشارسنج
- دبی سنج
- ارتفاع سنج
- کنترل کننده‌ها
- لود سل
- آنالیزورهای گاز
- غلظت سنج‌ها