مقصود از به كار گيري يك سيستم اندازه گيري و كنترل، اطمينان از ارتباط تنگاتنگ ما بين خروجي واقعي سيستم و خروجي دلخواه و يا مورد نظر است. خروجي واقعي، متغير فرآيند و خروجي دلخواه نقطه تنظيم ناميده مي شود. ( set point ) كوشش رياضي ، الكترونيكي و هزينه زيادي براي اطمينان از كارائي مناسب سيستم هاي اندازه گيري و كنترلي انجام مي شود؛ هر چند، بدون وابستگي به اينكه طراحي رياضي چگونه بوده و مدار الكتريكي چگونه پياده سازي ميشود، كنترل نهايي بهتر از درك سيستم از متغير هاي فرايند نخواهد بود. بنابراين كيفيت اندازه گيري متغير هائي كه كنترل مي شوند، تعيين كننده نهائي كارائي كلي سيستم است. اين موضوع خيلي مهم است كه اصول فيزيكي، را كه حسگر ها و ترانسديوسر ها بر اساس آن پارامترهائي همچون ( حرارت، نيرو، موقعيت و ... ) را به مقادير الكتريكي تبديل م يكنند، درك كنيم؛ و از سوي ديگر، به همان اندازه توانائي خواندن و تفسير مشخصات توليد كنندگان دستگاهها مهم مي باشد. يكي از نكات اوليه، انتخاب صحيح حسگرها و ترانسديوسر ها، از نقطه نظر هاي دقت، قدرت تشخيص، خطي بودن، قابليت تكرار پذيري و سرعت پاسخ، با توجه به احتياجات سيستم است. حسگر و يا ترانسديوسري كه بدقت انتخاب نشده باشد، م يتواند كارائي سيستم را تحت الشعاع قرار دهد. بعبارت ديگر نم يتوان پروسه اي را دقيق تر از دقت و صحت مقادير حاصل از اندازه گيري اش، كنترل كرد. بعنوان مثال، انتخاب و استفاده از يك ترانسديوسر دما با محدوده كاري از 400 + تا 100 - درجه فارنهايت و 0.01° براي كنترل درجه حرارت منزل ، منطقي نيست. اول به تعاريف پارامتر هاي مورد استفاده براي مشخص نمودن اينكه يك حسگر و يا ترانسديوسر به چه خوبي و با چه سرعتي عمل تبديل مقادير انداز هگيري شده به خروجي الكتريكي را انجام م يدهد، مي پردازيم. بايستي اطمينان حاصل شود كه تفسير اين پارامتر ها مشابه با طريقي باشد كه توليد كننده آنها ارائه داده است
مشخصه هاي ترانسديوسر
عمل يك ترانسديوسر، تبديل يك كميت فيزيكي به يك سيگنال الكتريكي مي باشد. معمول ترين كميت هاي اندازه گيري شده توسط ترانسديوسر ها، موقعيت، نيرو، سرعت، شتاب، فشار ، سطح، جريان مايعات و درجه حرارت هستند . خروجي ترانسديوسر ها معمولاً ممكن است ، ولتاژ، جريان، مقاومت، ظرفيت خازني و يا فركانس باشد. اينكه خروجي ترانسديوسر در پاسخ به يك تغيير در پارامتر فيزيكي ورودي اش با چه نزديكي و با چه سرعتي تغيير مي كند. كليد اصلي مو فقيت در كنترل سيستم ها مي باشد . كارائي حسگر ها و ترانسد يوسرها، بوسيله توليد كننده هاي آنها بصورت دو دسته مشخصه اعلام ، تعريف و گارانتي مي شوند.
مشخصه هاي كارآئي استاتيكي، تعريف رابطه حالت پايدار بين پارامتر فيزيكي در ورودي و خروجي الكتريكي هستند. دقت ( Accuracy ) حساسيت و يا قدرت تشخيص و تفكيك (Precision،Resolution ) قابليت تكرار پذيري ، ( Repeatability )، خطي بودن ( Linearity ) و پسماند ( Hysteresis ) همگي مشخصه هاي استاتيكي هستند.
مشخصه هاي كارآئي ديناميكي ، تعريفي از اين موضوع هستند كه خروجي با چه سرعتي در پاسخ به تغييرات در ورودي عكس العمل و يا پاسخ نشان ميدهد. زمان جهش ،( Rise Time ) ثابت زماني ( Time Constant ) زمان مرده ( Dead Time ) پاسخ فركانسي ، ( Frequency Response ) و پارامتر هاي درجه دوم شامل ميرايي ، فركانس رزونانس، زمان قرار (Settling time) و درصد اورشوت و .... همگي مشخصه هاي ديناميكي هستند و براي تشريح كارآئي ديناميكي مبدلها مورد استفاده قرار ميگيرند.
• مشخصه هاي استاتيكي
براي تعيين مشخصه هاي استاتيكي يك ترانسديوسر، عمليات تنظيم ( Calibration ) انجام ميشود . اين آزمايشي است كه براي انجام آن ، مقادير معلوم و اندازه گيري شده اي به ترانسديوسر اعمال و خروجي هاي مرتبط با آنها، در يك جدول يا در يك نمودار ثبت مي شوند. معمولاٌ ، عمليات تنظيم ، توسط واحد كنترل كيفيت و بر روي تعدادي نمونه از ترانسديوسرهاي توليد شده انجام ميگيرد. دو نكته ديگر هم وجود دارند، كه بايستي در خصوص تنظيم دستگاه رعايت شوند.
• از صحت ورودي اعمال شده بايستي اطمينان داشته باشيم . معمولاً اين بدان معني است كه خود ورودي كالي بره ش ده است و مدار كي دال بر اينكه مقدار آن با استاندارد تعيين شده توسط اداره بين المللي استاندارد همخواني دارد، موجود باشد.
• تا زماني كه دقيقاً مشخص شده باشد كه عمليات تنظيم ، مربوط به تعيين مشخصات استاتيكي است . پس از اعمال كميت به ورودي، بايستي پس از ثابت شد ن هرگونه تغييرات در خروجي آنرا ثبت نمود. بعبارت ديگر زمانيكه خروجي بطور كامل به تغيير در كميت ورودي پاسخ داد و پايدار شد ،بايستي مقدار خروجي ثبت بشود.
دقت : ( Accuracy ) :
يكي از مشخصه هاي استاتيكي است كه، بيشتر از ديگر مشخصه ها مورد استفاده درست و نادرست قرار مي گيرد. عملاً دقت بصورت درصد خطا مشخص مي شود. خطا اختلاف بين مقدار صحيح ( درست ) خروجي ترانسديوسر و مقدار خروجي عملي آن است ؛ اما معمولاٌ دقت بصورت درصد خطا تعريف مي شود. سوال مهم اين است كه ، درصد چه چيزي؟ . براي جواب به اين سئوال سه پاسخ مختلف وجود دارد.
دقت ممكن است بصورت درصدي از مقياس كامل خروجي ،( %FSO ) بصورت درصدي ازمقدار خوانده شده ( Measured Value ) ويا بصورت خطاي مطلق ( Absolute Error ) بيان شود.
صحت ( Percision ) حساسيت و يا قدرت تفكيك پذيري( Resolution ):
كوچكترين تغيير در ورودي ترا نسد يوسر است كه باعث تغيير در خروجي مي شود . اين مقدار ب ه شما مي گويد كه تا چه اندازه نزديك مي توانيد ورودي را اندازه گيري كنيد.اينكودر نوري شكل زير داراي چهار سوراخ است . هر زمان محور 1/4 دور بچرخد پرتو نور براي مدت كوتاهي به گيرنده نوري تابيده مي شود . اين موضوع توليد يك پالس مي كند ، كه مي تواند شمرده شود . تعداد پالس هاي شمارش شده، معين كننده مقداري است كه محور چرخيده است . در اين نمايش ساده قبل از آنكه خروجي ( مقداري كه نمايش داده مي شود ) يك شماره عوض شود، محور بايستي 90 درجه بچرخد. بنابراين اين اينكودر داراي يك رزولوشن 90 درجه است. اينكودرهاي نوري صنعتي 100 تا 1000 پالس در هر دو ر چرخش توليد مي كنند.
|
| اينكودر نوري ساده |
از كامپيوتر در كنترل فرايندهاي صنعتي بطور وسيعي استفاده مي شود. تعداد بيت هاي تو ليد شده بوسيله يك مبدل آنالوگ به ديجيتال ( A/D ) تعيين كننده قدرت تفكيك نهائي اندازه گيري به عمل آمده مي باشد. قدرت تفكيك يك مبدل آنالوگ به ديجيتال مساويست با Resolution = 1/2n كه در آن n تعداد بيت هاي يك عدد باينري است . بنابراين يك مبدل 8 بيتي مي تواند قدرت تشخيص يك در 28 يا 256 داشته باشد . يك مبدل 10 بيتي مي تواند يك سيگنال آنالوگ را به 1024 تقسيم كند . به همين ترتيب يك مبدل 12 بيتي، قدرت تفكيك برابر با 4096 دارد.
تكرار پذيري ( Repeatability):
نشان دهنده اين است كه تا چه اندازه مقدار خروجي يك ترانسديوسر،در پاسخ به چندين بار اعمال يك ورودي تغيير مي كند و در واقع به مقدار اصلي خود بر مي گردد .
هيسترزيس Hysteresis:
نشانه اي از قابليت تكرار خروجي ترانسديوسر است . ممكن است ورودي در روند افزايشي، خروجي متفاوتي نسبت به وقتيكه ورودي روند كاهشي را طي مي كند توليد كنند . به همين دليل دو سري عمليات تنظيم كردن انجام مي شوند؛ يكي براي حالت افزايشي و ديگري براي حالت كاهشي.
خاصيت خطي بودن ( Linearity):
سه روش معمول براي تعيين خاصيت خطي بود ن عبارتند از : خطي بودن نقاط انتهائي ، خطي بودن خطوط مستقيم غير وابسته و روش كمترين مربعات ( كه بهترين تشابه و يا خطي سازي حدي نيز خوانده مي شوند ). براي حالت خطي بودن نقاط انتهائي ، يك خط مستقيم بين دو نقطه انتهائي منحني كاليبراسيون رسم مي كنيم. اگر از مقادير تئوري صفر و درجه بندي كامل ورودي و خروجي استفاده شود، عدد نتيجه شكل خطي تئوري ناميده مي شود.
• مشخصات ديناميكي
تمام مشخصه هائي كه در قسمت قبل ارائه شدند مشخصه هاي استاتيكي بودند . ورودي به ترانسديوسر اعمال شده اجازه داده مي شد تا سيستم پاسخ داده و پايدار شود و سپس خروجي اندازه گيري مي شد. در حقيقت، اگر ترانسديوسر وقتي كه مقادير را ثبت مي كنيم پاسخ كامل نداده باشد، داده هاي اشتباهي بدست خواهند آمد . هر چند ، به ندرت ترانسديوسر ها در يك وضعيت استاتيك مورد استفاده قرار مي گيرند . هدف از استفاده از ترانسديوسر آن است كه تغييرات ورودي اش را احساس نموده و آنها را به كنتر ل كننده اي كه كارائي سيستم را كنترل مي كند تحويل دهد . بنابراين اينكه ترانسديوسر با چه سرعتي به تغييرات ورودي اش پاسخ مي دهد، اهميت دارد. به اين مشخصه ها پاسخ هاي ديناميكي گفته مي شود.عملكرد ديناميكي يك ترانسديوسر را مي توان به دو طريق تشري ح نمود. پاسخ ترانسديوسر به تغيير پله در
وردي اش، بوسيله زمان جهش، ثابت زماني، و زمان مرده تعريف مي شود.اگر ترانسديوسر داراي مشخصه اي از نوع درجه دوم باشد، ضريب ميرايي ، فركانس رزونانس و زمان پا سخ يا درصد جهش ممكن است داده شوند. نوع دوم مشخصه هاي ديناميكي بصورت پاسخ ترانسديوسر به ورودي سينوسي تعريف مي شود. ممكن است منحني پاسخ فركانس و فركانس قطع بالا مشخص بشوند
انواع ترانسديوسر
تعيين موقعيت يك جسم در غالب سيستم هاي كنترل از اهميت زيادي برخودار است. بعنوان مثال دستگاههاي اتوماتيك نصب قطعات با استفاده از روبات ها، نياز به تعيين دقيق موقعيت دارند. دستگاههاي تراش، فرم دادن و سوراخ كردن قطعات ماشين همانند حركت هد يك ديسك درايو كاميپوتر و يا حركت قلم در يك دستگاه رسم احتياج به كنترل و بنابراين اندازه گيري موقعيت دارند. كنترل ضخامت يك فيلم و يا مقدار افزايش ابعاد يك قطعه در اثر حرارت، احتياح به اندازه گيري موقعيت با قدرت تشخيص خيلي كمتر از يك ميلي متر دارد. بررسي فوندانسيون يك ساختمان چند طبقه نيز احتياج به اندازه گيري جابجائي با دقت هاي مشابه اما در بازه چند صد متر خواهد داشت. در جهان تكنيك، دانستن موقعيت، يك پارامتر بسيار مهم بشمار مي آيد. تكنيكهاي اندازه گيري موقعيت متفاوت هستند. در اين درس با سه تكنيك آشنا خواهيد شد. اول پتانسيومتر ها كه ارزان قيمت بوده و استفاده از آ نها آسان است، دوم ترانسفور مرهاي ديفرانسيلي خطي (LVDT) كه براي آشكار سازي جابجائ يهاي خيلي كوچك مورد استفاده هستند، و سوم اينكودرهاي نوري كه داراي عمر خيلي بالايي بوده و در عين حال بسادگي به كامپيوت ر متصل مي شوند.
|
• ترانسديوسر تغيير مكان بروش القائي(Variable Inductance Transducer)
اصول كار سنسورهاو يا ترانسديوسرهاي القائي در شكل هاي زير بوضوح نشان داده شده است. اين نوع وسيله در دو نوع ساخته ميشود و داراي يك عدد سيم پيچ هستند.در حالت ويا مورد اول سيم پيچ به دور محور وسطي قاب E شكل پيچيده شده است و حركت صفحه مقابل قاب فوق ميزان فلوي مغناطيسي حاصله در آنرا تغيير ميدهد و موجب تغيير جريان عبوري در سيم پيچ ميگردد. در حالت و يا مورد دوم سيم پيچ به دو قسمت مساوي تقسيم شده است و هسته آهني در بين اين سيم پيچ حركت ميكند؛ كه در حالت وسط خروجي صفر است. در حقيقت دو قسمت تقسيم شده سيم پيچ دو بازو و يا دو عضو از يك پل مغناطيسي را تشكيل ميدهند.
|
ترانسديوسر تغيير مكان بروش ظرفيت متغير ( خازني )
اصول كار سنسورهاو يا ترانسديوسرهاي خازني در شكل هاي زير بوضوح نشان داده شده است . (Variable Capacitive Transducer). همانگونه كه در شكلها مشخص شده ميزان تغيير مكان جسم مورد نظر به يك صفحه ( جوشن) خازن اعمال ميشود و نتيجتاٌ ميزان ظرفيت با تغيير مكان صفحه خازن تغيير ميكند. در نمونه اول تغيير مكان جسم مورد نظر به سيلندر داخلي خازن اعمال ميگردد. در نمونه دوم تغيير مكان به صفحه متحرك خازن اعمال شده.
|
• استرين گيج(Strain Guage)
استرين گيج ها در حقيقت مقاومتي هستند كه بواسطه اعمال كشش تغيير مقاومت الكتريكي در آنها پديد ميايد. فاكتوري تحت عنوان گيج رابطه بين ورودي و خروجي اين وسايل را تعيين ميكند كه بصورت زير تعريف شده؛ كه در آن ΔR ميزان تغييرات در مقاومت و ΔS تغييرات در كشش استرين گيج ميباشد. استرين گيج ها بر روي يك صفحه قابل انعطاف چسبانيده ميشوند و كاربرد وسيعي در صنعت دارند.
Gauge factor= delta(R)/deltaS
شكل اول نمايانگر استرين گيج ميباشد. استرين گيج ها عمدتاٌ براي تعيين تغيير مكان هاي كوچك بكار ميروند كه نحوه نصب و استفاده از انها در شكل دوم نشان داده شده ؛ براي تعيين تغيير مكانهاي زياد مكانيسم ارائه شده در حالت سوم مورد استفاده قرار ميگيرد. در اين حالت تغيير مكان بيك گوه (Wedge) منتقل و با جدا شدن دو ميله تعبيه شده از يكديگر تغيير مقاومت استرين گيج هاي تعبيه شده بر روي ميله ها ميزان تغيير مكان اعمال شده به دستگاه را مشخص ميكند.
|
ترانسديوسرهاي نيرو
در كنترل ن يرو و سرو سيستم ها اندازه گ يري نيرو خ يلي اهم ي ت دارد . رشته خاص ي از مهندس ي ( آنا ليز عملي تنش ) براي محاسبه ن يروهاي اعمال شده به قسمتها ي مختلف ماشين و يا وسايل نقلي ه بوجود آمده است. اندازه گ يري دق يق نيرو، طر احي ماش ين ه اي ( شامل اتومب يل ها و وسا يل نق ليه فض ايي ) سبك تر ي را ميسر مي سازد . همچنين م ي توان به بهره بالاتر، قابل يت اطم ينان بيشتر و ق يمت كمتر و از سو ي د يگر، به كارايي بالاتري نيز براي اين ماشين ها رسيد.با اندازه گيري نيرو م ي توان مقدار پارامتر ها يي را ك ه امكان اندازه گ يري مستق يم آنها وجود ندارد، به دستآورد. در م يدان ثقل زم ين، نيرو اندازه ا ي از جرم ماده است . بنابراين م ي توان از ترانسديوسر هاي نيرو بر اي تعيين وزن ، مقدار ماده موجود در يك تانك و سطح آن استفاده كرد.فشار يكي از پارامتر هاي كليدي در سيستم هاي هيدرو ليك و پنو ماتيك است . فشار مساويست با نيرو در واحد سطح است، بنابراين تكنيكهاي اندازه گيري نيرو غالباً براي اندازه گيري فشار نيز استفاده ميشوند.
فشار در سطح يك روزنه ، نشان دهنده سرعت مايعي است كه از داخل آن روزنه عبور مي كند . بنابراين ترانسديوسر هاي نيرو براي اندازه گيري جريان
|