امروزه اهمیت ابزار دقیق در صنعت بر کسی پوشیده نیست. این نوع تجهیزات جایگاه مهمی در صنعت و پروژه های صنعتی پیدا کرده اند. به گونه ای که حتی نمی توان وجود یکی را بدون دیگری تصور کرد. اما ابزار دقیق چیست؟ و چه کاربردی در صنعت دارد؟

اگر بخواهیم تعریف ساده ای از ابزار دقیق یا Instrumentation داشته باشیم، باید بگوییم این نوع تجهیزات در حقیقت همان ابزار و تجهیزاتی هستند که در صنعت برای نظارت، اندازه گیری و کنترل به کار می روند. به نوعی می توان گفت این نوع ابزار طراحی و تولید می شوند تا تکنسین ها و متخصصین بتوانند از آنها در اتوماسیون فرآیندهای صنعتی استفاده کنند.

با کمک ابزار دقیق است که دستگاه های مختلف، نصب، نگهداری و کالیبره می شوند. عملکرد این نوع تجهیزات بسیار دقیق و با کمترین خطای ممکن است. این میزان دقت منجر به حفظ ایمنی افراد و تجهیزات می شود. ضمن اینکه کیفیت محصولی که قرار است تولید شود در بالاترین حد ممکن خواهد بود و این امر موجب افزایش سود در کسب و کار خواهد شد.

اهمیت و جایگاه ابزار دقیق را بشناسیم

ابزار دقیق چیست؟

وقت آن شده است که بدانیم اهمیت و جایگاه آن در صنعت در چه حد و اندازه ای است. اولین نکته ای که شاید بتوان در این زمینه گفت آن است که ابزار دقیق، هسته اصلی فرآیند کنترل در صنعت است. هر صنعت دارای متغیرهای متعددی است؛ دما، جریان، سطح، فشار، فاصله و غیره همگی متغیرهایی هستند که می توان آنها را به صورت همزمان دریافت و حس کرد.

نکته مهم اندازه گیری همزمان و کنترل آنهاست. این متغیرها می توانند به یکدیگر وابسته باشند و بنابراین باید در یک واحد پردازش شوند. بنابراین به یک سیستم پیچیده و کارآمد برای کنترل و نظارت کامل نیاز دارند.

اهمیت ابزار دقیق وقتی روشن تر می شود که بدانیم استفاده صحیح از ابزار و تجهیزات مناسب می تواند ایمنی محیط عملیات را افزایش دهد، نرخ تولید را بالا ببرد و در عین حال هزینه های تولید را کاهش دهد. همچنین با بهبود کیفیت محصول تولید شده، باعث بهبود کسب و کار خواهد شد. در واقع استفاده از ابزار دقیق اهمیت فوق العاده ای در هر نوع صنعت و تولید دارد، زیرا می تواند تضمین کند که محصول در شرایطی مناسب تولید شده و در شرایطی صحیح نگهداری می شود.

تاریخ استفاده از ابزار دقیق به دوران بسیار قدیم باز می گردد. برخی حتی معتقدند استفاده از این نوع ابزار، البته از نوع ابتدایی و ساده آنها، از دوران پیش از مسیح شروع شده است. به مرور، همراه با پیشرفت علم و گسترده شدن فناوری های مختلف، طراحی این نوع تجهیزات نیز پیچیده تر شده و به این ترتیب کاربرد آنها نیز اهمیت بیشتری پیدا کرد.

نکته اینجاست که با پیشرفت فناوری ها، امکان دارد آنچه امروز به عنوان ابزار دقیق و سنسورهای هوشمند و حساس می شناسیم، در آینده ای نزدیک از کار افتاده شده و ابزار و تجهیزات جدید جایگزین آنها شوند.

وظیفه ابزار دقیق چیست؟

در یک نگاه کلی می توان گفت که Instrumentation یا همان ابزار دقیق سه وظیفه اصلی را بر عهده دارند که عبارتند از اندازه گیری، کنترل و مشاهده. تجهیزاتی که وظیفه ای مثل اندازه گیری و یا مشاهده را بر عهده دارند، به بررسی مقدار کمی می پردازند. برای مثال اندازه گیری فشار، دما، جریان، نیرو، سرعت، ارتفاع مایعات، لرزش و غیره بر عهده این بخش از ابزار دقیق است.

اما تجهیزاتی که وظیفه کنترل را بر عهده دارند، بسیار دقیق تر می باشند. با پیشرفت فناوری های موجود در جهان، کنترل ابزار دقیق حتی به صورت اتوماتیک عمل می کنند. ترانزیستورها و انواع کارت های الکترونیکی از این دست تجهیزات هستند که با دقت عمل بالا و عملکرد اتوماتیک خود، موجب کمتر شدن دخالت انسان در بخش کنترل شدند.

آیا می دانید مهندسی ابزار دقیق و کنترل چیست ؟

مهندس ابزار دقیق و کنترل (ICE) فرد متخصصی است که در شاخه ای از مهندسی تحصیل کرده است تا به وسیله ابزار و تجهیزاتی که در اختیار خواهد داشت، به اندازه گیری و کنترل متغیرهای فرآیند بپردازد. همچنین بخشی از کار وی بررسی و اجرای سیستم هایی است که به نوعی به استفاده از ابزار دقیق گره خورده اند.

به طور کلی مهندسی ابزار دقیق و کنترل شامل دو شاخه اصلی است. یکی از آنها مهندسی ابزار دقیق است که طی آموزش ابزار دقیق، فرد می تواند با نحوه مشاهده، اندازه گیری و کنترل انواع متغیرهای فرآیند در حین تولید محصول مورد نظر آشنا شود. دیگری نیز مهندسی کنترل است که با نام مهندسی سیستم های کنترل نیز شناخته می شود.

فرد در این شاخه از علم مهندسی نظریات و روش های کنترل را برای طراحی سیستم ها و عملکرد مطلوب آنها فرا می گیرد. در واقع به نوعی می توان گفت که مهندس ابزار دقیق و کنترل، همان فردی است که مسئولیت تحقیق، طراحی و توسعه دستگاه ها و سیستم های کنترل را در انواع تاسیسات و کارخانه ها بر عهده دارد. نکته مهم آن است که این رشته در کشور ما، رشته نوپایی است که بازار کار بسیار مناسبی دارد.

برخی اصطلاحات رایج ابزار دقیق و کنترل را بشناسیم .

اکنون که تا حدودی با تعریف ابزار دقیق و اهمیت آن آشنا شده ایم، بهتر است تا برخی اصطلاحات رایج این حوزه را نیز بشناسیم. دقت داشته باشید که این اصطلاحات اهمیت فوق العاده ای در عملکرد کنترل ابزار دقیق ایفا می کنند. ضمن اینکه اصطلاحاتی که برای این نوع تجهیزات و یا هنگام استفاده از آنها به کار می روند، بسیار بیشتر از آن چیزی هستند که ما در این نوشته به آنها اشاره می کنیم.

حلقه جاری (Current Loop)

این اصطلاح در مواردی استفاده می شود که باید از راه دور از طریق یک جفت رسانا، دستگاهی را کنترل کرد. حلقه جاری آنالوگ معمول در ابزار دقیق کنترل فرآیندهای صنعتی بین 4 – 20 میلی آمپر و 5 – 10 میلی آمپر می باشد.

کالیبره کردن (Calibrate)

این اصطلاح در ابزار دقیق به معنای آن است که مقدار صحیح هر مقیاس را از طریق اندازه گیری و یا مقایسه با مقدار استاندارد تعیین کنند.

کنترل

پیکربندی کردن (Configure)

وقتی که ابزار دقیق و کنترل موجود، مدل پیشرفته ای از سیستم های کامپیوتری باشد، از اصطلاح پیکربندی کردن برای تنظیم برنامه یا سیستم استفاده می شود.

سیستم کنترل توزیع شده یا DCS (distributed control system)

در مهندسی کنترل ابزار دقیق از اصطلاح سیستم کنترل توزیع شده زمانی استفاده می کنند که قصد داشته باشند مسئولیت دستگاه های تاسیسات یا کارخانه را به چند قسمت تقسیم کنند. در چنین حالتی مسئولیت هر قسمت بر عهده یک کنترل کننده یا پردازنده است. همه این قسمت ها در کل و با یکدیگر موجودیت واحدی را شکل می دهند که می توانند از طریق ایستگاه های گوناگون با یکدیگر در ارتباط باشند.

باس (Bus)

باس در واقع نوعی اصطلاح است که برای نشان دادن خطوطی موازی انتقال سیگنال به کار می رود. کار باس آن است که سیگنال ها را میان دستگاه ها، سیستم ها و قطعات جابجا کند. بد نیست بدانید که در دنیای ابزار دقیق در اغلب مواقع کامپیوترها را با ساختار باس آنها معرفی می کنند.

فیلد باس (Fieldbus)

فیلد باس در واقع نوعی لینک ارتباطی دو طرفه دیجیتال است که میان دستگاه ها و ابزار دقیق و کنترل هوشمند برقرار می باشد. به نوعی می توان گفت که فیلد باس به عنوان یک شبکه محلی (LAN) عمل می کند. به وسیله فیلد باس می توان فرآیندهای موجود را به صورت کاملا پیشرفته کنترل کرد. ورودی و خروجی دستگاه ها را مدیریت نمود و یا سرعت برنامه های اتوماسیون کارخانه ها را افزایش داد. در حقیقت می توان گفت که فیلد باس به عنوان نوعی پروتکل ارتباطی عمل می کند.

تجهیزات

هارت (HART)

هارت اصطلاح بسیار جالبی در زمینه کنترل ابزار دقیق است. این اصطلاح مخفف عبارت Highway Addressable Remote Terminal می باشد و در واقع نشان دهنده نوعی ارتباط دیجیتالی است. هارت به عنوان نوعی پروتکل ارتباطی دیجیتال به ابزار کنترل امکان می دهد که با فرآیندهای آنالوگ مبتنی بر ریزپردازنده های هوشمند ارتباط برقرار کرده و آنها را کنترل کنند.

پروفی باس (Profibus)

پروفی باس نیز اصطلاحی مثل فیلد باس بوده و در واقعی نوعی پروتکل ارتباطی را معرفی می کند.

متغیر کنترل ابزار دقیق (Control variable)

متغیر کنترل نوعی متغیری است که می توان به وسیله ابزار کنترل دقیق آن را دستکاری کرد. جریان، سطح و ارتفاع، فشار و دما از جمله این نوع متغیر می باشند.

تناوب و بسامد (Frequency)

این اصطلاح به تعداد چرخه هایی اشاره دارد

که توسط یک کمیت دوره ای در واحد زمان تکمیل می شوند.

ورودی / خروجی (Input / output)

ورودی / خروجی که با صورت I / O هم نشان داده می شود، عبارت است هر نوع ابزار دقیق و تجهیزاتی که می توانند اطلاعات و داده هایی را به سیستم رایانه ای منتقل کنند.

خروجی آنالوگ (Analog Output)

خروجی آنالوگ نیز از آن دسته اصطلاحاتی است که هنگام کار با انواع ابزار دقیق باید با آن آشنا باشید. این اصطلاح سیگنال ولتاژ یا جریانی را نشان می دهد که به نوعی یک تابع پیوسته از پارامتری است که اندازه گرفته شده است.

حساسیت تجهیزات

صفر مطلق (Absolute Zero)

در هنگام استفاده از ابزار دقیق احتمال برخورد با اصطلاح صفر مطلق زیاد است. این اصطلاح در واقع به دمایی اشاره می کند در آن میزان انرژی حرارتی به حداقل ممکن رسیده است. این دما به صورت صفر کلوین نیز بیان می شود.

دقت (Accuracy)

یکی از رایج ترین اصطلاحات در علم ابزار دقیق و کنترل، اصطلاح Accuracy است که می توانیم در فارسی آن را «دقت» ترجمه کنیم. این اصطلاح زمانی به کار می رود که دستگاه اندازه گیری عدد یا نشانه ای را نمایش دهد که بسیار به مقدار واقعی و کمی آنچه اندازه گیری می شود، نزدیک می باشد.

جریان متناوب (Alternating current)

جریان متناوب یا AC نیز اصطلاحی است که در هنگام استفاده از ابزار دقیق برای جریان الکتریکی به کار می رود. این اصطلاح نشانگر جریانی است که به صورت منظم جهت خود را در فاصله ای تعیین شده معکوس می نماید.

آمپر (Ampere) و آمپرمتر (Ammeter)

این دو اصطلاح نیز برای جریان الکتریکی به کار می روند. آمپرمتر عبارت از آن ابزار دقیق است که برای اندازه گرفتن جریان الکتریسیته به کار می رود. آمپر نیز واحد این اندازه گیری است.

تنظیم کردن (Tuning)

عمل تنظیم کردن در حین کار با ابزار دقیق، به عملی گفته می شود که طی آن پارامترهای مورد نظر تنظیم می شوند. این کار برای بهینه سازی نوعی فرآیند خاص انجام می شود و اهمیت فوق العاده ای در کنترل فرآیند مورد نظر دارد.

آشنایی با برخی از انواع تجهیزات ابزار دقیق

ابزار دقیق دارای تجهیزات متعدد و گوناگونی است. به صورت کلی می توان این نوع تجهیزات را به پنج گروه اصلی تقسیم کرد. گروه اول ابزارهای دستی هستند. این نوع ابزارها بسیار ساده می باشند و در دسترس همگان هستند. انواع انبرها، چاقوها، نوارها، پیچ گوشتی ها، سوکت ها، پتک ها و چکش ها، آچارها، چراغ قوه ها، مشعل ها، مته ها، واشرها، ابزار لحیم کاری، آهن رباها، کلیدها و حتی آینه ها زیرمجموعه این گروه قرار می گیرند.

گروه بعدی ابزار دقیق برقی می باشند. اره ها، آسیاب ها، دریل ها، کمپرسورها، آچارهای برقی، مته های برقی، ژنراتورها، ماشین های حرارتی، ماشین های فشار و غیره بخشی از اعضای این گروه می باشند.

گروه سوم از ابزار دقیق، گروه ابزارهای الکترونیک و تجهیزات تست و آزمایش هستند. آنالیزورها، فشارسنج ها، سیستم های کامپیوتری، جعبه مقاومت و جعبه شکست، تست کننده های نقطه شبنم، کالیبراتورها، فرکانس شمارها، مولدهای فرکانس، هیدرومترها، دوربین ها و دماسنج های مادون قرمز، انواع ترازوهای آزمایشگاهی، قدرت سنج های لیزری، میکروسکوپ های نوری، مولدهای سیگنال، دماسنج ها، تسترهای ولتاژ، اشعه سنج ها، سرعت سنج ها و غیره در این گروه قرار می گیرند.

گروه چهارم شامل ابزار دقیق و تجهیزات دسترسی و نگهداری تجهیزات و بالابری و حمل و نقل می شوند. از جمله زیرمجموعه های این گروه می توان به سکوهای کاری، جرثقیل ها، کابین های بالابر، نردبان های برقی، داربسته های پیش ساخته و غیره اشاره نمود.

حفظ امنیت و دقت

و در نهایت گروه آخر ابزار دقیق شامل تجهیزات حفاظت فردی و ایمنی می شوند. دوش های شیمیایی، انواع روپوش های معمولی، یک بار مصرف و یا نسوز، محافظ گوش، کپسول های آتش نشانی، جعبه کمک های اولیه، عینک و کلاه ایمنی و دستکش ها، لباس های ضد آتش، انواع ماسک ها، دستگاه های تنفسی، رادیومترها و غیره بخشی از این گروه می باشند.

البته باید توجه داشته باشید که روش های دیگری نیز برای تقسیم بندی انواع تجهیزات ابزار دقیق وجود دارند. ما در اینجا سعی کردیم ساده ترین و در عین حال کاربردی ترین روش دسته بندی را معرفی کنیم. به طور کلی هرچه فناوری مربوط به ابزار دقیق گسترده تر و پیشرفته تر می شود، تجهیزات آن نیز بیشتر می شوند.

در حال حاضر شرکت ها و کارخانه های متعددی در سرتاسر جهان مشغول طراحی، تولید و عرضه این نوع تجهیزات می باشند. در ادامه برخی از انواع این تجهیزات مهم صنعتی را به اختصار معرفی خواهیم کرد.

ترموکوپل (Thermocouple)

ترموکوپل ها نوعی از ابزار دقیق هستند که از آنها برای تبدیل انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی استفاده می کنند.

حمام دما (Temperature Bath)

یکی از انواع تجهیزات کنترل ابزار دقیق، حمام دما می باشد. این وسیله به گونه ای طراحی شده است که می تواند حجم مشخصی از یک ماده را در دمای ثابتی نگه دارد. این کار به صورتی انجام می گیرد که اگر جسم دیگری با ماده مورد نظر در تماس حرارتی قرار بگیرد، آن هم در همان دمای تعیین شده نگه داشته می شود.

کنترل ابزار دقیق

مبدل (Transducer)

مبدل یکی از انواع تجهیزات ابزار کنترل است که می تواند انرژی یا جریان مورد نظر را به یک شکل دریافت کند و به شکلی دیگر تبدیل نماید. البته باید توجه داشته باشید که اگر مبدل به همراه سنسور به کار رود، می تواند پارامترهایی که سنسورها اندازه گیری کرده اند را به سیگنال الکتریکی تبدیل کند. به این ترتیب می توان پارامتر مورد نظر را به شکل داده در شبکه ارتباطی منتقل کرد.

مبدل آنالوگ به دیجیتال (Analog-to-Digital Converter) در ابزار دقیق

یکی از انواع ابزار دقیق و تجهیزاتی که هنگام کار با جریان های الکتریکی با آن سروکار خواهید داشت، مبدل آنالوگ به دیجیتال است. این مبدل که برخی اوقات با نام های A/D یا ADC هم شناخته می شود نوعی دستگاه یا مدار اندازه گیری است. کار اصلی این دستگاه آن است که در ورودی یا خروجی مورد نظر، عدد باینری را ارائه کند که با سطح سیگنال آنالوگ همخوانی داشته باشد.

سنسورها (Sensors)

واقعیت این است که شاید بتوان گفت در دنیای امروز که فناوری های مختلف رشد بسیار داشته اند، سنسورها یا همان سنسورها نقش فوق العاده مهمی در علم ابزار دقیق ایفا می کنند. به صورت معمول از این نوع تجهیزات برای اندازه گیری پارامترهای مختلف و اطلاعات دقیق و لحظه ای آنها استفاده می کنند. این اطلاعات به کنترل و مدیریت دستگاه ها و عملکرد آنها کمک شایانی می کنند.

نکته مهم آن است که هر سنسور بسته به نوع عملکردی که دارد، می تواند خروجی متفاوتی داشته باشد. مهم آن است که بدانیم سنسور مورد نظر کجا و برای چه به کار رفته است و چه نوع عملکردی باید از خود نشان دهد. سنسورها و سنسورهای ابزار دقیق را می توان برای انواع پارامترهای فیزیکی و یا شیمیایی به کار گرفت.

سنسورهای فعال و غیر فعال ابزار دقیق

پیش از این نیز به اهمیت سنسورها در ابزار دقیق اشاره کردیم. سنسورها در واقع نوعی از مبدل هستند که می توانند متغیرهای فیزیکی را به سیگنال تبدیل کنند. آنها نوعی از انرژی را دریافت می کنند و سپس آن را به صورت دیگری از انرژی تبدیل می نمایند. به طور کلی می توان سنسورها را بر اساس نحوه تعامل با محیط مورد نظر و نحوه اندازه گیری، به دو دسته کلی تقسیم کرد؛ یکی سنسورهای غیر فعال و دیگری سنسورهای فعال.

سنسورهای غیر فعال طی عملکرد خود هیچ نوع انرژی را به فرآیند اندازه گیری خود اضافه نمی کنند. البته این احتمال وجود دارد که در حین عملکرد خود انرژی را حذف کنند. ترموکوپل نوعی از سنسورهای غیر فعال است که می تواند دمای فیزیکی را به سیگنال ولتاژ تبدیل کند. در چنین حالتی گرادیان دما در محیط یک ولتاژ ترموالکتریک تولید می کند که می تواند به سیگنال تبدیل شود.

کالیبراسیون

نمونه دیگری از انواع سنسورهای غیر فعال، فشارسنج است. فشارسنج حین عملکرد خود، بر روی سیستم مکانیکی مورد نظر که می تواند مثلا دیافراگم باشد، نیرویی وارد می کند تا به این ترتیب نیروی فشار به جابجایی تبدیل شود. در چنین حالتی می توان آن را به عنوان سیگنال متغیر به کار گرفت. مثلا اگر جابجایی دیافراگم را در نظر بگیرید، متوجه خواهید شد که می توان از طریق یک سیستم چرخ دنده مکانیکی این جابجایی را تبدیل به جابجایی نوک نشانگری کرد که روی نمایشگر فشارسنج وجود دارد.

اما سنسورهای فعال عملکردی متفاوت دارند. این نوع سنسورها به محیط اندازه گیری انرژی اضافه می کنند و این کار را هم به عنوان بخشی از فرآیند اندازه گیری انجام می دهند. برای مثال می توان به سیستم رادار یا سیستم سونار اشاره کرد. در این سیستم فاصله سنسور تا شیء مورد نظر با استفاده از ارسال فعال یک موج رادیویی (رادار) و یا یک موج صوتی (سونار) اندازه گیری می شود. این امواج به شیء مورد نظر برخورد کرده و فاصله را منعکس می کنند تا سنسور فعال بتواند آن را اندازه گیری کند.

انتقال دهنده (Transmitter)

وقتی یک مبدل سیگنال الکتریکی را ایجاد می کند، آن را برای انتقال دهنده ابزار دقیق ارسال می کند. این دستگاه سیگنالی را که دریافت کرده است تقویت می کند. به این ترتیب می توان سیگنال را برای فاصله های طولانی نیز ارسال کرد. این کار باعث می شود که کیفیت سیگنال تغییری نکند و البته سیگنال ها بدون هرگونه تداخل با یکدیگر منتقل و جابجا شوند.

فلومتر (Flow Meter)

یکی از مهم ترین تجهیزاتی که می توان در زمینه ابزار دقیق معرفی کرد، فلومتر است. فلومتر را می توان در هر نوع محیط صنعتی که با سیالات در ارتباط باشد، به کار گرفت. اهمیت این وسیله زمانی زیاد می تواند که قرار باشد مقدار سیالی را اندازه گیری کرد که مدام در حال عبور از خطوط لوله است.

اصلی ترین وظیفه فلومترها اندازه گیری حجم، سرعت یا جرم سیال است. اما بسته به نوع طراحی و دقتی که دارند می توانند سایر ویژگی های سیال مثل دما، ویسکوزیته، جریان، فشار و غیره را نیز محاسبه نمایند.