در فرآیندهای صنعتی از ابزارهای زیادی استفاده می‌شود که یکی از آن‌ها «ابزار دقیق» نام دارد. ارائه اطلاعات دقیق و قابل اعتماد از پارامترهای مختلف سیستم‌ها در کارگاه‌های صنعتی اهمیت زیادی دارد تا بتوان به وسیله این اطلاعات فرآیندها را کنترل و بهینه‌سازی کرد. در ادامه شما را بیشتر با ابزار دقیق، کاربردها و انواع آشنا خواهیم کرد.
ابزار دقیق چیست؟
ابزار دقیق (Instrumentation) به ابزارها و دستگاه‌هایی اختصاص دارد که برای اندازه‌گیری، کنترل و نظارت بر فرآیندهای صنعتی و دیگر سیستم‌ها طراحی شده‌اند. این ابزارها و تجهیزات به منظور کنترل، اندازه گیری، انتقال، نمایش، ثبت و کنترل دقیق پارامترهای مهم فیزیکی مثل دما، فشار، فلو، سطح مایعات و … در صنایع مختلف کاربرد دارند.
از جمله ابزارهای دقیق باید به ترموکوپل، فلومتر، فلوکنترلر، کنترلر فشار، پمپ، دتکتورگازیف ژنراتور، راکتور آزمایشگاهی و … اشاره کنیم. تمامی این ابزارها برای سیستم کنترل و اتوماسیون استفاده می‌شوند.
تاریخچه علم ابزار دقیق
شاید اگر بگوییم تاریخچه علم ابزار دقیق به دوران‌های باستان برمی‌گردد، کمی متعجب شوید. اما زمان توسعه ابزارهای اندازه‌گیری ساده، تاریخچه ساخت ابزار دقیق نیز شروع شده تا به به سیستم‌های پیچیده امروزی رسیده است. این علم در طول زمان و با پیشرفت فناوری‌های مختلف، تکامل یافته است.
برای مثال در دوران باستان از ابزارهای اندازه‌گیری اولیه (مثل ساعت آفتابی، ترازوها و وسایل اندازه‌گیری زمان و طول) استفاده می‌شد. اگرچه این ابزارها با دقت نسبتاً پایینی کار می‌کردند، اما پایه‌ای برای توسعه ابزارهای دقیق‌تر در آینده را فراهم کردند.
در دوران قرون وسطی نیز از ابزارهای ساده برای اندازه‌گیری زمان، فاصله و وزن به تدریج پیشرفته‌تر شدند. همچنین در عصر رنسانس (قرن 15 تا 17) با پیشرفتهای علمی و ریاضیاتی در اروپا، ابزارهای دقیق‌تری مانند بارومتر و دماسنج توسط دانشمندانی همچون گالیله و توریشلی ساخته شدند.
در اوایل قرن 20 ابزارهای دقیق به به یکی از نیازهای اصلی صنایع بزرگ تبدیل شد. در عصر حاضر هم با ظهور سیستم‌های دیجیتال، میکروکنترلرها و حسگرهای هوشمند، ابزار دقیق کارایی بیشتری پیدا کرده‌اند. به طوری که امروزه، سیستم‌های پیشرفتهای مانند سیستم‌های کنترل توزیع‌شده (DCS) و سیستم‌های کنترل دیجیتال مستقیم (DDC) در صنایع بزرگ کاربرد دارند.
اجزای تشکیل دهنده ابزار دقیق
یک سیستم ابزار دقیق (به شکل آنچه امروز مشاهده می‌کنیم) از قسمت‌های مختلفی تشکیل شده است که عبارتند از:
- حسگرها یا همان سنسورها: این قطعات هوشمند هستند و برای اندازه‌گیری پارامترهای فیزیکی مانند دما، فشار، جریان، سطح، و غیره استفاده می‌شوند.
- مبدل‌های ابزار دقیق: حسگرها سیگنال‌های فیزیکی را به سیگنال‌های الکتریکی یا دیجیتال تبدیل می‌کنند.
- کنترلرها: این دستگاه‌ها اطلاعات دریافتی از حسگرها را پردازش کرده و با استفاده از قوانین کنترل، فرمان‌هایی را به عملگرها ارسال می‌کنند.
- عملگرها: این بخش از یک ابزار دقیق فرمان‌های دریافتی مانند باز و بسته کردن یک شیر یا تغییر سرعت یک موتور را به اقدامات فیزیکی تبدیل می‌کنند.
کاربردهای اصلی ابزار دقیق در صنایع مختلف از جمله پتروشیمی، نفت و گاز، داروسازی، خودروسازی، نیروگاه‌ها و بسیاری دیگر از صنایع است.
تجهیزات ابزار دقیق
تجهیزات ابزار دقیق شامل دستگاه‌ها و ابزارهایی است که برای اندازه‌گیری، نظارت و کنترل پارامترهای فیزیکی و شیمیایی در سیستم‌ها و فرآیندهای صنعتی کاربرد دارد. بالا به این صنایع اشاره کردیم. برخی از تجهیزات اصلی به کار رفته در ابزار دقیق شامل موارد زیر است:
حسگرهای هوشمند
در بالاتر به این مورد پرداختیم و در واقع باید گفت نه تنها یکی از اجزا ابزار دقیق محسوب می‌شود، بلکه جزئی از تجهیزات این ابزار است. حسگرها ابزارهای هوشمندی هستند که کمیت‌های فیزیکی یا شیمیایی را اندازه‌گیری کرده و به سیگنال‌های الکتریکی یا دیجیتال تبدیل می‌کنند. انواع حسگرها عبارتند از:
- حسگرهای دما
- شامل ترموکوپل‌ها
- RTDها ( اندازه‌گیری دمای مقاومتی) و ترموکوپل
- ترمیستورها
- حسگرهای فشار مانند ترانسدیوسرهای فشار، گیج‌های فشار و مانومترها.
- حسگرهای جریان مانند فلومترهای جابجایی مثبت، فلومترهای توربینی و فلومترهای الکترومغناطیسی.
- حسگرهای سطح شامل سنسورهای اولتراسونیک، راداری، خازنی و شناور.
- حسگرهای رطوبت
مبدل‌های ابزار دقیق
یکی دیگر از تجهیزات به کار رفته در ابزار دقیق مبدل است یک نوع انرژی را به نوع دیگری تبدیل می‌کند. در واقع این این ابزارها برای تبدیل کمیت‌های فیزیکی (مانند فشار یا دما) به سیگنال‌های الکتریکی به کار می‌روند. برای مثال مبدل‌های فشار ابزارهای دقیق برای تبدیل فشار به سیگنال الکتریکی استفاده می‌شوند.
نمایشگرها و ضبط‌کننده‌ها
از این تجهیزات نیز برای مشاهده و ضبط داده‌های حسگرها و سیستم‌های اندازه‌گیری استفاده می‌شوند. این تجهیزات می‌توانند به صورت دیجیتال یا آنالوگ اطلاعات را برای کاربران نمایش دهند.
کنترلرها برای پردازش اطلاعات
یکی دیگر از تجهیزات ابزار دقیق کنترلرها هستند که اطلاعات ورودی از حسگرها را پردازش کرده و بر اساس آن‌ها فرآیندهای مختلف را کنترل می‌کنند. انواع کنترلرها شامل کنترلرهای PID، کنترلرهای منطقی برنامه‌پذیر (PLC) و … است.
عملگرهای ابزارهای دقیق
عملگرها به عنوان تجهیزاتی محسوب می‌شوند که قادرند دستورات کنترلی را به اقدامات فیزیکی تبدیل کنند. برای مثال شیرهای کنترل که نوعی عملگر هستند برای تنظیم جریان سیالات کاربرد دارند.
فلومترها
از دیگر تجهیزات به کار رفته در ابزارهای دقیق باید به فلومتر اشاره کنیم که برای اندازه‌گیری میزان جریان سیالات (مایعات و گازها) استفاده می‌شود. ا
گیج‌ها برای اندازه‌گیری مقادیر
در ابزارهای دقیق به منظور اندازه‌گیری مقادر مختلف از انواع گیج استفاده می‌شود که شامل دو نوع فشار و دماست:
- گیج‌های فشار: استفاده به منظور اندازه‌گیری فشار در سیستم‌ها.
- گیج‌های دما: کاربرد برای اندازه‌گیری دمای محیط یا تجهیزات.
ترانسمیترها
این تجهیزات در ابزارهای دقیق سیگنال‌های اندازه‌گیری‌شده توسط حسگرها را برای سیستم‌های کنترل، به سیگنال‌های استاندارد قابل استفاده تبدیل می‌کنند. انواع ترانسمیترها شامل نوع فشار، دما، جریان و سطح است.
آنالایزرهای ابزار دقیق
از دیگر تجهیزات مورد استفاده در ابزارهای دقیق باید به آنالایزر اشاره کنیم که برای آنالیز و اندازه‌گیری ترکیبات شیمیایی در فرآیندها استفاده می‌شوند.
کالیبراتور
اگر بخواهید دقت اندازه‌گیری در تجهیزات ابزارهای دقیق حفظ شود، به کالیبراتورها نیاز پیدا می‌کنید. در واقع این ابزارها برای تنظیم و کالیبره کردن سایر تجهیزات ابزار دقیق کاربرد دارند.
تجهیزات تشکیل دهنده سیستم کنترلی
یک سیستم کنترلی شامل مجموعه‌ای از تجهیزات و دستگاه‌هاست که از آن برای کنترل، نظارت، و خودکارسازی فرآیندها استفاده می‌شود. این سیستم در صنایع مختلف، مانند نفت و گاز، پتروشیمی، خودروسازی، تولید برق و … کاربرد دارد. تجهیزات تشکیل‌دهنده یک سیستم کنترلی عبارت است از:
- حسگر: در بالاتر در مورد حسگر یا سنسور صحبت کردیم که باید آن را یکی از تجهیزات تشکیل‌دهنده سیستم کنترلی نیز به حساب آورد. حسگرها برای جمع‌آوری اطلاعات از پارامترهای فیزیکی یا شیمیایی (از جمله دما، فشار، جریان، سطح و … ) کاربرد دارند. از جمله حسگرها باید به حسگر دما (ترموکوپل و RTD) اشاره کنیم.
- ترنسدیوسر یا مبدل: این تجهیزات برای تبدیل سیگنال‌های فیزیکی (مانند دما یا فشار) به سیگنال‌های الکتریکی یا دیجیتال کاربرد دارند.
- کنترلرها: قلب یک سیستم کنترلی محسوب می‌شوند و اطلاعات دریافتی از حسگرها را پردازش کرده و با استفاده از قوانین کنترلی (مانند PID)، فرمان‌های لازم برای تنظیم فرآیند را صادر می‌کنند.
- عملگرها: در اینجا فرمان‌های صادرشده توسط کنترلرها به عملیات فیزیکی تبدیل می‌شود. برای مثال شیرهای کنترل برای تنظیم جریان سیالات یکی از انواع عملگر محسوب می‌شود.
- ترانسمیترها: این تجهیزات در سیستم کنترلی سیگنال‌های خروجی حسگرها را به فرمت‌های استاندارد (مانند 4-20 میلی‌آمپر) تبدیل کرده و سپس آن‌ها را به سیستم کنترل مرکزی ارسال می‌کنند.
- واحدهای پردازشگر و رایانه‌ها: پردازشگرهای مرکزی یا رایانه‌ها داده‌های حسگرها در سیستم‌های مدرن کنترلی را تحلیل می‌کنند. در واقع این تجهیزات به عنوان مغز سیستم کنترلی عمل می‌کنند.
- شبکه‌های ارتباطی: این بخش بسیار مهم اطلاعات و داده‌ها را بین حسگرها، کنترلرها، و واحدهای پردازشگر انتقال می‌دهد.
انواع ابزار دقیق
همانطور که در بالاتر هم اشاره کردیم انواع ابزار دقیق کاربردهای متنوعی در اندازه‌گیری دما، رطوبت، فشار و … دارند. این محصولات بسته به نوع کاربرد و پارامتری که اندازه‌گیری می‌کنند، به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند. در ادامه، انواع ابزار دقیق را معرفی کرده‌ایم.
- ابزار دقیق اندازه‌گیری دما
- ابزار دقیق اندازه‌گیری فشار
- ابزار دقیق اندازه‌گیری جریان
- ابزار دقیق اندازه‌گیری سطح
- ابزار دقیق اندازه‌گیری رطوبت
- ابزار دقیق مانیتورینگ و نمایش
- ابزار دقیق اندازه‌گیری وزن و نیرو
- ابزار دقیق آنالیز شیمیایی
- ابزار دقیق کنترل و تنظیم
- کالیبراسیون ابزار دقیق
سخن نهایی
با توجه به کاربرد ابزارهای اندازه‌گیری میزان رطوبت، فشار، دما، آنالیز شیمیایی، سطح و … ، در صنایع مختلف از ابزار دقیق استفاده می‌شود. این تجهیزات انواع مختلفی دارند و به شکل هوشمند طراحی شده‌اند. به طوری که حالا بسیاری از صنایع می‌توانند داده‌های دقیق‌تری را از طریق ابزار دقیق بدست آورند. در این مطلب به انواع این ابزارها پرداختیم. امیدواریم این مطلب برایتان کاربردی و مفید باشد.
