در دنیای صنعتی امروز، کنترل و پایش فرآیندهای تولید به یکی از مهمترین دغدغههای مدیران و مهندسان تبدیل شده است. هر کارخانهای که در آن مایعات جریان دارند، گازها تحت فشار قرار میگیرند یا دماها باید در محدودههای مشخصی نگه داشته شوند، بدون تجهیزات اندازهگیری دقیق قادر به ادامه فعالیت نخواهد بود.
ابزار دقیق یا همان Instrumentation، مجموعهای از تجهیزات، سنسورها و سیستمهایی است که وظیفه اندازهگیری، نمایش، ثبت و کنترل متغیرهای فرآیندی را بر عهده دارند. این حوزه از مهندسی، پلی میان دنیای فیزیکی و سیستمهای کنترلی ایجاد میکند و به اپراتورها اجازه میدهد تا با اطمینان خاطر، فرآیندهای پیچیده صنعتی را مدیریت کنند. برای خرید ابزار دقیق به سایت شرکت ابزار دقیق ابزار سنجش آریا بروید.
تاریخچه و سیر تکامل
ریشههای ابزار دقیق به قرنها پیش بازمیگردد. انسانها از دیرباز به دنبال راههایی برای اندازهگیری پدیدههای طبیعی بودهاند. ترمومترهای اولیه در قرن هفدهم میلادی ساخته شدند و فشارسنجهای جیوهای در همان دوران به کار گرفته شدند. اما آنچه امروز به عنوان ابزار دقیق صنعتی میشناسیم، محصول انقلاب صنعتی و به ویژه پیشرفتهای قرن بیستم است.
با ظهور صنایع نفت و گاز، پتروشیمی و نیروگاهها، نیاز به سیستمهای اندازهگیری پیشرفتهتر احساس شد. دهههای میانی قرن بیستم شاهد توسعه ابزارهای پنوماتیک بود که با استفاده از فشار هوا، سیگنالها را منتقل میکردند. استاندارد ۳ تا ۱۵ پوند بر اینچ مربع برای سالها زبان مشترک این تجهیزات بود. سپس نوبت به ابزارهای الکترونیکی رسید که با سیگنال ۴ تا ۲۰ میلیآمپر کار میکردند و هنوز هم این استاندارد در بسیاری از صنایع رایج است.
امروزه با ورود فناوری دیجیتال و پروتکلهای ارتباطی هوشمند مانند HART، Foundation Fieldbus و Profibus، ابزار دقیق وارد عصر جدیدی شده است. این تجهیزات نه تنها مقادیر فرآیندی را اندازهگیری میکنند، بلکه قادر به عیبیابی خودکار، کالیبراسیون از راه دور و ارسال اطلاعات تشخیصی نیز هستند. معمولا محصولات ابزار دقیق در کنار محصولات پی ال سی دلتا مورد استفاده قرار میگیرند.
انواع متغیرهای فرآیندی
در هر فرآیند صنعتی، چهار متغیر اصلی وجود دارد که اندازهگیری و کنترل آنها اهمیت بالایی دارد. این متغیرها عبارتند از فشار، دما، جریان و سطح. البته متغیرهای دیگری مانند pH، چگالی، رطوبت، ترکیب شیمیایی و غلظت نیز در صنایع مختلف مورد توجه قرار میگیرند.
اندازهگیری فشار
فشار یکی از پرکاربردترین متغیرها در صنعت است. از مخازن ذخیرهسازی گرفته تا خطوط لوله انتقال، همه جا نیاز به دانستن فشار وجود دارد. ترانسمیترهای فشار وظیفه تبدیل فشار مکانیکی به سیگنال الکتریکی را بر عهده دارند. این تجهیزات بر اساس فناوریهای مختلفی کار میکنند. برخی از سنسورهای پیزوالکتریک استفاده میکنند که تحت فشار، ولتاژ تولید میکنند. برخی دیگر از تغییر مقاومت الکتریکی یک دیافراگم بهره میبرند. سنسورهای خازنی نیز با تغییر فاصله بین صفحات خازن، فشار را اندازهگیری میکنند.
گیجهای فشار مکانیکی هنوز هم در بسیاری از کاربردها استفاده میشوند. این گیجها معمولاً از لوله بوردون ساخته شدهاند که تحت فشار، خم میشود و این حرکت به عقربه منتقل میگردد. سادگی، قیمت مناسب و عدم نیاز به برق از مزایای این نوع گیجهاست.
اندازهگیری دما
دما دومین متغیر حیاتی در فرآیندهای صنعتی است. واکنشهای شیمیایی، فرآیندهای حرارتی و حتی ذخیرهسازی مواد، همگی به کنترل دقیق دما نیاز دارند. دو نوع سنسور دما بیشترین کاربرد را در صنعت دارند: ترموکوپلها و RTDها.
ترموکوپلها از اتصال دو فلز غیرمشابه ساخته میشوند. وقتی محل اتصال گرم میشود، یک ولتاژ کوچک تولید میگردد که متناسب با دماست. انواع مختلف ترموکوپل با حروف مشخص میشوند. نوع K که از آلیاژهای کرومل و آلومل ساخته شده، پرکاربردترین نوع است و محدوده دمایی وسیعی را پوشش میدهد. نوع J برای دماهای پایینتر و نوع S برای دماهای بسیار بالا مناسب هستند.
RTD یا مقاومت حرارتی، بر اساس تغییر مقاومت الکتریکی فلز با دما کار میکند. پلاتین رایجترین فلز مورد استفاده است و PT100 که در صفر درجه سانتیگراد مقاومت ۱۰۰ اهم دارد، استانداردترین نوع RTD محسوب میشود. دقت RTDها از ترموکوپلها بالاتر است اما سرعت پاسخدهی آنها کمتر است و قیمت بیشتری دارند. از این محصول در خط تولید چسب سلولزی کاغذی تراست تیپ استفاده می شود.
ترانسمیتر دما یکی از تجهیزات کلیدی در سیستمهای اندازهگیری صنعتی است که وظیفه تبدیل سیگنال ضعیف سنسورهای دما به سیگنال استاندارد قابل انتقال را بر عهده دارد. این دستگاه معمولاً سیگنال خروجی ترموکوپل یا RTD را دریافت میکند و آن را به سیگنال ۴ تا ۲۰ میلیآمپر یا پروتکلهای دیجیتال مانند HART تبدیل مینماید. ترانسمیترها میتوانند به صورت هد-مونت روی سنسور نصب شوند یا در تابلوی کنترل قرار گیرند. مزیت اصلی استفاده از ترانسمیتر، کاهش تأثیر نویز الکتریکی در مسیرهای طولانی کابلکشی است؛ زیرا سیگنال جریانی نسبت به سیگنال ولتاژی ضعیف سنسور، مقاومت بیشتری در برابر تداخلات محیطی دارد. ترانسمیترهای هوشمند امروزی علاوه بر تبدیل سیگنال، قابلیتهایی مانند خطیسازی، جبران دمای محیط، تشخیص خطای سنسور و ارتباط دوطرفه با سیستم کنترل را نیز ارائه میدهند. انتخاب ترانسمیتر مناسب بر اساس نوع سنسور، محدوده دمایی، دقت مورد نیاز و شرایط محیطی صورت میگیرد و نقش مهمی در اطمینان از صحت اندازهگیریها ایفا میکند.
اندازهگیری جریان
دانستن میزان جریان سیالات در خطوط لوله برای محاسبه مصرف، کنترل فرآیند و صدور قبض اهمیت دارد. روشهای متعددی برای اندازهگیری جریان وجود دارد که هر کدام مزایا و محدودیتهای خود را دارند.
فلومترهای اختلاف فشار از قدیمیترین روشها هستند. یک مانع مانند اوریفیس پلیت در مسیر جریان قرار میگیرد و اختلاف فشار قبل و بعد از آن اندازهگیری میشود. این اختلاف فشار با مجذور سرعت جریان رابطه دارد. سادگی و قیمت پایین از مزایای این روش است اما افت فشار دائمی ایجاد میکند.
فلومترهای مغناطیسی برای سیالات رسانا مناسب هستند. بر اساس قانون فارادی، وقتی یک رسانا از میدان مغناطیسی عبور میکند، ولتاژی متناسب با سرعت القا میشود. این فلومترها هیچ مانعی در مسیر جریان ندارند و افت فشار ایجاد نمیکنند.
فلومترهای اولتراسونیک با ارسال امواج صوتی و اندازهگیری زمان عبور یا تغییر فرکانس، سرعت جریان را محاسبه میکنند. نوع کلمپی این فلومترها بدون نیاز به قطع لوله نصب میشوند و برای اندازهگیری موقت یا در شرایطی که امکان قطع خط وجود ندارد، بسیار کاربردی هستند.
فلومتر توربینی یکی از ابزارهای پرکاربرد برای اندازهگیری جریان سیالات در صنایع مختلف است که بر اساس اصل چرخش یک روتور در مسیر جریان کار میکند. ساختار این فلومتر شامل یک توربین یا پروانه چندپرهای است که در داخل بدنه قرار گرفته و با عبور سیال از روی آن، شروع به چرخیدن میکند. سرعت چرخش پروانه مستقیماً با سرعت جریان سیال متناسب است و هر چه دبی بیشتر باشد، توربین تندتر میچرخد. یک سنسور مغناطیسی یا القایی در نزدیکی پرهها نصب شده که با عبور هر پره، یک پالس الکتریکی تولید میکند و با شمارش این پالسها در واحد زمان، میزان جریان محاسبه میگردد. فلومترهای توربینی دقت بالایی دارند و برای سیالات تمیز و کمویسکوزیته مانند آب، مواد نفتی سبک و گازها بسیار مناسب هستند.
اندازهگیری سطح
در مخازن ذخیرهسازی، راکتورها و درامها، دانستن سطح مایع ضروری است. از سرریز شدن جلوگیری میکند، موجودی را مشخص میسازد و برای کنترل فرآیند لازم است.
لولسوئیچها سادهترین ابزار هستند که در یک نقطه مشخص، وضعیت روشن یا خاموش را گزارش میدهند. برای حفاظت از پمپها در برابر خشککار کردن یا هشدار سرریز استفاده میشوند.
لولترانسمیترها سطح را به صورت پیوسته اندازهگیری میکنند. فناوریهای مختلفی وجود دارد. نوع رادار امواج الکترومغناطیسی ارسال میکند و از زمان بازگشت، فاصله تا سطح مایع را محاسبه مینماید. نوع اولتراسونیک مشابه رادار کار میکند اما از امواج صوتی استفاده میکند. نوع فشاری از فشار هیدرواستاتیک ستون مایع برای محاسبه ارتفاع بهره میبرد.
سیستمهای کنترل
ابزار دقیق بدون سیستمهای کنترل، تنها اطلاعات فراهم میکند. اما هدف نهایی، کنترل خودکار فرآیند است. کنترلرهای PID پایهایترین و پرکاربردترین الگوریتم کنترل هستند. این کنترلرها با مقایسه مقدار اندازهگیری شده با مقدار مطلوب، خروجی مناسب را برای عملگر تعیین میکنند.
سیستمهای کنترل توزیعشده یا DCS در صنایع بزرگ به کار میروند. این سیستمها صدها یا هزاران حلقه کنترل را مدیریت میکنند و امکان نظارت متمرکز را فراهم میسازند. PLC یا کنترلر منطقی برنامهپذیر نیز در کاربردهای گسسته و ترکیبی استفاده میشود.
نگهداری و کالیبراسیون
تجهیزات ابزار دقیق نیاز به نگهداری دورهای دارند. کالیبراسیون فرآیندی است که طی آن، دقت ابزار با مرجع استاندارد مقایسه و در صورت نیاز تنظیم میشود. بسته به اهمیت اندازهگیری و شرایط محیطی، کالیبراسیون ممکن است ماهانه، سالانه یا با فواصل دیگر انجام شود.
بازرسی بصری، تمیزکاری، بررسی اتصالات و تست عملکرد از فعالیتهای نگهداری پیشگیرانه هستند. ثبت سوابق کالیبراسیون و تعمیرات برای ردیابی و اثبات کیفیت اندازهگیریها ضروری است.
سخن پایانی
ابزار دقیق، چشم و گوش صنایع مدرن است. بدون این تجهیزات، کنترل فرآیندها غیرممکن میشود و ایمنی، کیفیت و بهرهوری به خطر میافتد. از یک دماسنج ساده در آزمایشگاه گرفته تا سیستمهای پیچیده اندازهگیری در پالایشگاهها، همگی زیر چتر این رشته قرار میگیرند. با پیشرفت فناوری، ابزارهای هوشمندتر، دقیقتر و قابل اعتمادتری در حال توسعه هستند که آینده روشنی را برای این حوزه نوید میدهند. سرمایهگذاری در تجهیزات ابزار دقیق با کیفیت و نگهداری صحیح آنها، تضمینکننده عملکرد پایدار و سودآور واحدهای صنعتی خواهد بود.