کاربرد سیستم های اندازه گیری

ارسال توسط: متروتیک 1396/05/25

به منظور ایجاد زمینه ای برای بررسی تفصیلی بعدی اسباب ها و سیستم های اندازه گیری و مشخصاتشان ، بحثی عام در مورد راههای گوناگون به کارگیری این اسباب ها مفید است.راههای بکارگیری اسباب ها و سیستم های اندازه گیری در کاربرد های مختلف به این شرح است.1-نظارت فرآیندها و کارکرد ها 2-کنترل فرآیندها و کارکردها 3-تحلیل مهندسی تجربی

1-نظارت فرآیندها و کارکردها : در پاره ای از کاربرد ها ، وظیفه اساسی اسباب های اندازه گیری، نظارت است.آنها تنها مقدار با حالت پارامتر بررسی شونده را می نمایانند و این باز نمود،برای هیچ کنترلی به کار نمیرود.برای مثال آمپر سنج ها یا ولت سنج مقدار جریان و یا ولتاژ نظارت ( اندازه گیری ) شونده را در یک لحظه خاص می نمایانند.همچنین ، کنتور های آب و برق خانه ها ، مقدار کمیت مصرف شده را می شمارند تا بعدا بتوان بهایش را محاسبه و از مصرف کننده دریافت کرد.

2-کنترل فرآیندها و کارکردها:یکی از کاربردهای بسیار مفید اسباب ها در کنترل خودکار است.بین این کنترل و اندازه گیری ، ارتباط بسیار محکمی وجود دارد.برای کنترل متغیر های یک فرآیند،مثل دما ، فشار ، رطوبت و غیره باید بتوان آنها را در نقاط مورد نیاز از کار ، اندازه گرفت.این مطلب در مورد مکانیزم ها یعنی سیستم های که با اندازه گیری وضع ، سرعت و شتاب سرو کار دارند نیز صادق است.

شکل 2-1 : نمودار بلوکی یک سیستم ساده کنترل را نشان می دهد.فرض کنیم که متغیر خروجی کنترل شونده ، الکتریکی نیست و عمل کنترل با وسایل الکتریکی انجام می گیرد.ورودی مرجعی است که متناظر با مقدار مطلوب خروجی است.ورودی به کمک مقایسه گر با خروجی مقایسه می شود.خروجی ، کمیتی غیر الکتریکی است که تراگردانی واقع در حلقه پسخورد ، آن را به کمیت الکتریکی متناظر تبدیل می کند.اگر ورودی و خروجی اختلاف داشته باشند، سیگنال خطا خواهیم داشت.این سیگنال خطا تقویت و به کار اندازی اعمال می شود که توان لازم برای تحریک مدار کنترل شونده را فراهم می سازد.عمل تصحیح آن قدر ادامه خواهد یافت تا خروجی به همان سطح ورودی ، که متناظر با خروجی مطلوب است ، برسد.در این مرحله ، سیگنال خطایی وجود ندارد و کار انداز،ورودی نخواهد داشت و عمل کنترل متوقف می شود.

مثال های این نوع کاربرد ، فراوان است.یک مثال عام ، سیستم متداول یخچال است که از کنترل ترموستاتی استفاده می کند.یک اندازه گیری دما ( غالبا یک جزء دو فلزه ) دمای محیط را حس می کند و اطلاعات لازم را برای کارکرد درست کنترل فراهم می آورد.

3-تحلیل مهندسی تجربی:برای حل مسائل مهندسی ، می توان از روش های نظری و تجربی استفاده کرد.بسیاری از کاربرد ها به کارگیری هر دو روش را طلب می کنند.اهمیت نسبی این یا آن روش به ماهیت مسئله بستگی دارد.تحلیل مهندسی تجربی ، موارد کاربرد بسیاری دارد که پاره ای از آنها چنین است :1-آزمایش اعتبار پیش بینی های نظری ، 2-فرمول بندی رابطه های تجربی عام در مواردی که پایگاه نظری مناسب در دست نیست ، 3-تعیین پارامتر ها ، متغیر ها و شاخص های عملکرد سیستم ، 4-توسعه حوزه های مهم مطالعه در جایی که مطالعه ، چشم اندازی گسترده دارد ، 5-حل رابطه های ریاضی از راه قیاس

عناصر سیستم اندازه گیری عام

داشتن سازمان و تحلیل سازمان یافته از سیستم های اندازه گیری اهمیت دارد.اسباب را می توان وسیله یا سیستمی تعریف کرد که برای حفظ رابطه ای کارکردی بین خواص معینی از متغیر های فیزیکی طراحی شده است و راهها و وسایلی برای رساندن خبر به ناظرش دارد.این رابطه کارکردی تنها تا زمانی معتبر می ماند که کالیبره سازی ایستای سیستم ثابت بماند.از طرف دیگر عملکرد سیستم اندازه گیری را می توان بر حسب مشخصه های ایستا و پویای آن تشریح کرد.

تشریح عملکرد اسباب یا سیستم اندازه گیری به صورت عام بدون توسل به جزئیات پیچیده جنبه های فیزیکی اسباب یا سیستم خاص ، ممکن و مطلوب است.عملکرد کلی را می توان بر حسب عناصر کارکردی شرح داد.

بیشتر سیستم های اندازه گیری ، سه عنصر عمده کارکردی دارند: 1-عنصر حس کننده نخستین 2-عنصر تبدیل متغیره ها 3-عنصر نمایش داده ها

هر عنصر کارکردی، یک جزئ و یا یک دسته اجزای جداگانه برای انجام دادن مرحله های لازم و مشخص عمل اندازه گیری دارد که در حکم عناصر اصلی اند و هدف آن ها را کارکد آن ها مشخص می کند و نه ساختارشان.

1-عنصر حس کننده نخستین: اولین تماس کمیت اندازه گیری شونده ، با عنصر حس کننده نخستین سیستم اندازه گیری است.به عبارت دیگر کمیت اندازه گیری شونده را ابتدا حس کننده نخستین آشکار می کند.سپس بلافاصله کمیت اندازه گیری شونده به سیگنال الکتریکی همسان تبدیل می شود.این را تراگردان انجام می دهد.تراگردان به طور کلی وسیله ای است که انرژی را از شکلی به شکل دیگر تبدیل می کند.اما این تعریف در سیستم های اندازه گیری ، قلمرو محدود تری دارد.ترا گردان وسیله ای است که کمیتی فیزیکی را به کمیتی الکتریکی تبدیل میکند.کمیت فیزیکی اندازه گیری شونده را ابتدا عنصری حس و آشکار میکند که خروجی آن صورت همسان و متفاوتی دارد.سپس این خروجی را یک تراگردان به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.این امر در بیشتر موارد صادق است ولی در همه موارد صادق نیست. در بسیاری از موارد تراگردان ، کمیت فیزیکی را مستقیما به کمیت الکتریکی تبدیل می کند.به هر حال ، طبقه اول سیستم اندازه گیری ، طبقه تراگردان آشکار ساز نامیده می شود.

2-عنصر تبدیل متغیرها:خروجی عنصر حس کننده نخستین می تواند هر نوع سیگنال الکتریکی مانند ولتاژ ، بسامد یا هر پارامتر الکتریکی دیگر باشد.این خروجی که گاه برای سیستم مناسب نیست برای اینکه اسباب ، عمل مطلوب را انجام دهد، باید با حفظ اطلاعات موجود در سیگنال اول بهع شکل مناسب دیگری تبدیل شود.برای مثال، فرض کنید که خروجی قیاسی است و طبقه بعدی سیستم ، تنها می تواند ورودی رقمی بپذیرد.بنابراین باید از یک مبدل قیاسی به رقمی ( A/D ) استفاده کنیم.

بسیاری از اسباب ها به عنصر تبدیل متغیر نیاز ندارند در حالی که بعضی دیگر ، پیش از یک عنصر تبدیل لازم دارند.

عنصر دستکاری متغیر:کار این عنصر ، دستگاهری سیگنال داده شده به آن و حفظ ماهیت اصلی سیگنال است.در اینجا دستکاری به معنی تغییر مقدار عددی سیگنال است.برای مقال ، یک تقویت کننده الکترونیکی، ولتاژ ضعیفی را بعنوان ورودی درسافت میکند و یک سیگنال خروجی تولید میکند که آن هم ولتاژ است، ولی دامنه بزرگتری دارد.بنابراین تقویت کننده ولتاژ به عنوان عنصر دستکاری متغیر ، عمل میکند.لازم نیست که عنصر دستکاری متغیر ، مطابق شکل 3.1 به دنبال عنصر تبدیل متغیر بیاید بلکه در بسیاری حالت ها می تواند قبل از آن باشد.

چنانکه دیدیم خروجی تراگردان ، شامل اطلاعات لازم برای پردازش های بعدی سیستم است و سیگنال خروجی معمولا ولتاژ یا سیگنال الکتریکی نوع دیگری است.مهمترین خاصیت های ولتاژ ، دامنه و بسامد آن است گرچه در بعضی حالت ها قطبداشت آن هم اهمیت دارد.بسیاری از تراگردان ها ولتاژی کوچک در حدود میلی ولت و یا حتیمیکرو ولت تولید می کنند.مسئله اساسی ، جلوگیری از آلوده شدن این سیگنال به سیگنال های نا خواسته ای ، ( مثل نویز ناشی از یک منبع خارجی ) است که می تواند با سیگنال خروجی اصل تداخل کند.مشکل دیگر این است که لوازم پردازشگر ، سیگنال را اعوجاج ندهند.سیگنال را پس از حس شدن نمی توان مستقیما به طبقه بعدی فرستاد بلکه باید منابع تداخل کننده حذف شود و گرنه احتمالا سیگنالی با اعوجاج زیاد به دست می آید که از سیگنال واقعی دور است.بسیاری مواقع لازم است پیش از انتقال سیگنال ، اعمال خاصی بر روی آن صورت پذیرد.این پردازش ها می توانند خطی باشند مثل تقویت ، تضعیف ، انتگرال گیری ، نمونه برداری ، پالایش ، برش ، چینش ، و غیره نیز برای اینکه ، سیگنال شکل مطلوب به خود بگیرد بر سیگنال انجام می شود.این کار پرداخت سیگنال نام دارد.پرداخت سیگنال ، علاوه بر تبدیل متغیر ها و دستکاری متغیر ها کار های زیاد دیگری را نیز شامل می شود.در حقیقت در هر اسباب یا در هر سیستم ابزار دقیق ، عنصری را که پس از عنصر حس کننده نخستین قرار دارد باید عنصر پرداخت سیگنال نامید.

وقتی عناصر اسباب در واقع امر از هم جدا باشند انتقال داده ها از یک عنصر به عنصر دیگر لازم می شود.عنصری که این کار را انجام می دهد،عنصر انتقال داده ها نام دارد.برای مثال ، فضا پیماها از زمین که ایستگاه های کنترل حرکت ، بر روی آن است جدا هستند.بنابراین سیگنال های کنترل را سیستم های پیچیده سنجش از راه دور به صورت سیگنال های رادیویی از این ایستگاه ها به فضاپیما ارسال می دارند.

طبقه پرداخت و انتقال سیگنال را معمولا طبقه میانی گویند.

3-عنصر نمایش داده ها : اطلاعات مربوط به کمیت اندازه گیری شونده باید برای نظارت ، کنترل و یا تحلیل به کسانی که با اسباب یا سیستم کار می کنند داده شود.این اطلاعات باید برای اینان قابل فهم باشد.این کار را عنصر نمایش داده ها انجام می دهد.اگر بخواهیم بر داده ها نظارت شود.به وسایل نمایش دهنده نیازمندیم.این وسایل می توانند اسباب های باز نمود نمایش قیاسی یا رقمی باشند مثل آمپر سنج ، ولت سنج ، و غیره .اگر بخواهیم داده ها ثبت شود، می توانیم از ثبات هایی مثل نوار مغناطیسی ، دوربین های تندکار و تجهیزات تلویزیونی ، نوسان نمای پرتو کاتدی ( CRT ) حافظه دار ، چاپگر و کامپیوتر های قیاسی و رقمی استفاده کنیم.برای کنترل و تحلیل می توان کامپیوتر به کار برد.

طبقه آخر سیستم اندازه گیری ، طبقه پایانی نام دارد.به عنوان مثالی از سیستم اندازه گیری ، فشار سنج ساده با لوله بوردون شکل 4.1 را در نظر میگیریم.این اسباب مثال خوبی از یک سیستم اندازه گیری است.در این مثال لوله بوردون به عنوان عنصر حس کننده نخستین و عنصر تبدیل متغیر عمل می کند و کمیت ورودی ( در این حالت فشار ) را حس می کند.سر بسته لوله بوردون در اثر فشار جابه جا می شود.در نتیجه فشار به جابه جایی کوچکی تبدیل می شود.سر بسته لوله از طریق اتصالی مکانیکی به یک آرایش چرخدنده ایمتصل است که جابه جایی کوچک را تقویت میکند و عقربه را به اندازه زاویه بزرگی می چرخاند.بنابراین اتصال مکانیکی به عنوان عنصر انتقال داده ها و آرایش چرخدنده ای بعنوان عنصر دستکاری داده ها عمل می کند.

طبقه نهایی نمایش داده ها شامل عقربه و صفحه مدرج است که در صورت کالیبره شدن با فشار های ورودی معلوم ، باز نمودی از سیگنال فشار اعمال شده به لوله بوردون را به دست می دهد.نمودار طرحواره ای این سیستم اندازه گیری را شکل 5.1 نشان می دهد.وقتی طبقه پایانی اندازه گیری ، وسیله کنترل باشد ، لازم است برای دستیابی به اهداف کنترل ، به سیگنال ورودی ، پسخورد داده شود.طبقه کنترل ، سیگنال نمایش دهنده متغیر اندازه گیری شده را با سیگنال مبنایی از همان نوع ، مقایسه می کند.سیگنال مبنا که باید مقداری برابر مقدار سیگنال اندازه گیری شده داشته باشد به وسیله کنترل کننده عرضه می شود.اگر سیگنال اندازه گیری شده با مقدار مبنا مساوی باشد ، کنترل کننده ، کاری انجام نمی دهد.

اما اگر مقدار این دو سیگنال با هم فرق داشته باشند یک سیگنال خطا تولید می شود.در این صورت کنترل کننده برای وسیله ، سیگنالی می فرستد تا مقدار سیگنال اندازه گیری شده را تغییر دهد.فرض کنید متغیر اندازه گیری شده جریان یک مایع باشد، در این صورت وسیله کنترل، یک شیر موتوری در داخل سیستم جریان است.اگر دبی اندازه گیری شده کمتر از دبی تنظیم شده باشد کنترل کننده ، شیر را باز و دبی را زیاد میکند.از سوی دیگر اگر دبی زیاد باشد ، شیر بسته می شود.عمل بازو بسته شدن شیر هنگامی پایان می یابد که دبی خروجی با دبی تنظیم شده برابر شود.