تعریف ساده ابزار دقیق به این شرح است : ابزار دقیق به کلیه تجهیزات و ابزار های اندازه گیری گفته می شود که در فرآیند اتوماسیون وظیفه اندازه گیری، نمایش، کنترل، انتقال و یا ثبت یکاها و پارامتر های فیزیکی را بر عهده دارند.
این یک بیان کلی از ابزار دقیق است اما برای شناخت بهتر ابزار دقیق، باید آن را در یک فرآیند کنترل در اتوماسیون صنعتی بررسی کرد. ابزار دقیق همانگونه که از نامش پیداس به منظور اندازه گیری کمیت های فیزیکی با دقت مناسب جهت کنترل فرآیند و ارسال فرمان مناسب در سیستم های صنعتی استفاده می شود. کمیت های مهمی مانند فشار، دما، فلو، فاصله، زمان، موقعیت و … توسط ابزار دقیق اندازه گیری می شود. در ادامه به بیان انواع ابزار دقیق و تشریح هر یک می پردازیم پس تا پایان همراه ما باشید.
اجزاء کنترل در یک سیستم اتوماسیون به سه بخش اصلی تقسیم می شود که عبارتند از :
1- اندازه گیری ها
2- کنترل کننده ها
3- محرک ها
ابزار دقیق نقش بسیار مهمی در بخش “اندازه گیری ها” در یک سیستم کنترل دارد و در این بخش قرار می گیرد. قسمت اندازه گیری ها در یک سیستم کنترل شامل: سنسور ها ، ترنسدیوسرها ( تبدیل کننده ) و ترنسمیتر ها ( انتفال دهنده ) می شود که ابزار دقیق این سه قسمت را پوشش می دهد.
البته با پیشرفت های صورت گرفته و سیر تکاملی تجهیزات ابزار دقیق، یک دستگاه ابزار دقیق می تواند بخش های بیشتری از اجزا کنترل را پوشش دهد و حتی علاوه بر اندازه گیری و کنترل، بتواند فرمان مناسب را به عنوان یک محرک اعمال کند.
ابزار دقیق با توجه به ماهیت اندازه گیری دقیق بیشترین نقش را در قسمت اندازه گیری در یک سیستم کنترلی ایفا می کنند. به همین دلیل انواع ابزار دقیق با توجه به عملکردشان در قسمت اندازه گیری دسته بندی می شوند . از این نظر میتوان تجهیزات ابزار دقیق را در چند بخش کلی تقسیم بندی نمود که عبارتند از :
سنسور به عنوان اولین قسمت در فرآیند اندازه گیری تعریف می شود. سنسور نوعی ابزار دقیق محسوب می شود که وظیفه حس کردن کمیت فیزکی مورد اندازه گیری را دارد و با توجه به ساختارش می تواند کمیت مورد اندازه گیری را به صورت خطی به یک کمیت دیگر که قابل تبدیل به یک سیگنال الکتریکی باشد، تبدیل کنند.
به عنوان مثال در یک سنسور دما RTD کمیت مورد اندازه گیری دما است که سنسور می تواند این کمیت فیزیکی را به صورت کاملا خطی در یک بازه دمایی معیین به مقاومت تبدیل کند. رابطه بین این دو کمیت (ابتدایی و انتهایی) در سنسور باید به صورت خطی تغییر کند تا سنسور بتواند به درستی با کمترین خطا و با تکرار پذیری مورد قبول، کمیت فیزیکی را اندازه گیری کند.
سنسور ها انواع گوناگونی دارند که در در بعضی از آنها به کمک خواص و قوانین فیزیکی به راحتی کمیت مورد اندازه گیری به سایر کمیت ها تبدیل می شوند. به عنوان مثال در سنسور اثر هال به کمک قاعده هال این تبدیل کمیت انجام میشود. در سنسور های پیشرفته تر ممکن است تبدیل کمیت ها تحث پروسه های پیشرفته تری تبدیل می شوند که به عنوان نمونه می توان به سنسور های PIR که می توانند امواج مادون قرمز ساطع شده را حس کنند، اشاره کرد.
نوعی دستگاه مبدل هستند که می توانند کمیت دریافت شده از سنسور را به یک سیگنال الکتریکی متناظر تبدیل کنند تا بتوان آن را اندازه گیری کرد. سنسور ها و ترنسدیوسر ها دو جز جدا ناپذیر در یک واحد ابزار دقیق محسوب می شوند زیرا که خروجی سنسور جهت اندازه گیری و پردازش باید از طریق ترنسدیوسر به یک سیگنال الکتریکی تبدیل شود.
به عنوان مثال در یک سنسور RTD خروجی مقاومت الکتریکی است و یا در ترموکوپل ها خروجی سنسور در حد میلی ولت است که برای تبدیل این کمیت ها به یک سیگنال الکتریکی استاندارد (ولتاژ، جریان و فرکانس) وجود ترنسدیوسر ها الزامی است. از آنجا که سنسور و ترنسدیوسر دو جز مکمل هستند لذا اکثر سنسور ها به همراه ترنسدیوسر ها عرضه می گردند و در قالب یک پکیج (سنسور) عرضه می گردند.
این دستگاه ابزار دقیق وظیفه دریافت سیگنال الکتریکی از ترنسدیوسر و انتقال آن را بر عهده دارد . ترانسمیتر این سیگنال دریافتی را ابتدا به یک سیگنال استاندارد و قابل انتقال به واحد کنترل و یا شبکه باس تبدیل میکند و سپس آن را به واحد کنترل انتقال می دهد. این سیگنال استاندارد به صورت جریان DC در بازه 4 تا 20 میلی آمپر است که می تواند از طریق یک زوج سیم در شبکه های صنعتی ( مدباس یا فید باس) انتقال یابند. البته ترانسمیتر های پینوماتیکی نیز وجود دارد که سیگنال استاندارد خروجی آنها فشار هوای 3-15 psi است.
استاندارد سازی شبکه های صنعتی برای اتصال ترانسمیتر ها و سایر اجزا اندازه گیری و کنترل تحت پروتکل هایی صورت می گیرد که مهمترین این پروتکل ها عبارتند از :
ترانسمیتر ها ممکن است به گونه ای از تجهیزات ابزار دقیق نیز اتلاق می شوند که خود آن دستگاه شامل سنسور، ترنسدیوسر، نمایشگر و ترانسمیتر باشد که همگی در یک بلاک با نام ترانسمیتر قرار داده شده اند. به عنوان مثال دستگاه اندازه گیری فلو که خود شامل یک سنسور ، اتصالات ، ترانسدیوسر و ترنسمیتر است، با نام ترانسمیترفلو یا فلومتر نامیده میشود.
بهر حال تفکیک این اجزا در بسیاری از تجهیزات ابزار دقیق صورت می گیرد و هر واحد به صورت مجزا عرضه می گردد.
در این واحد عملیات کنترل پروسه بر پایه سیگنال های دریافتی از تجهیزات ابزار دقیق صورت می گیرد. کنترلر ها مغز متفکر سیستم هستند و می توانند بر اساس ورودی ها و کمیت های اندازه گیری شده فرمان های لازم برای واحد ها ی عملگر را ارسال کنند. معروفترین کنترلر PLC ها هستند که به کمک یک CPU و انواع ماژول ها پردازش و اراسال فرامین لازم را انجام دهند.
به جز PLC واحد های کنترلر جدیدی به نام سیستم کنترل‌کننده توزیع‌پذیر (DCS) و کنترل‌کننده‌های فازی (FCD) نیز به صنعت وارد شده اند و می توانند به صورت کاملا یکپارچه وظیفه کنترل سیستم را به نحو احسن انجام دهند.
همانگونه که از نام آن مشخص است این واحد وظیفه اعمال فرامین در سیستم را بر عهده دارد. شیرها، پیمپ ها ،سوئیچ ها، موتور ها و … از جمله عملگرهای مهم هستند که در این واحد اجزای دیگری مانند پوزیشنر ها ، درایو ها و .. به عنوان عنصر واسطه برای کنترل دقیق عملگرها مورد استفاده قرار می گیرند.
باید این نکته را خاطر نشان کرد که موارد گفته شده برای انواع دستگاه های ابزار دقیق شامل سایر دستگاه های جانبی همچون گیج ها ، نمایشگر ها مانند اچ ام آی، دیتالاگر ها و یا سوئیچ ها مانند پرشر سویئچ می شوند که جز تجهیزات فرعی ابزار دقیق به حساب می آیند.
گستردگی تجهیزات ابزار دقیق با توجه به پیشرفت های روز افزون، رو به افزایش بوده که دسته بندی و معرفی آنها به صورت عمومی در این مقاله انجام گرفته است. سایر تجهیزات ابزار دقیق عملا تلفیقی از چند بخش اصلی را بر عهده دارند و به واسطه نیاز های یک سیستم کنترل در آن تعریف و مورد استفاده قرار می گیرند.
