سیستم های ابزار دقیق الکترونیکی
معرفی
امروزه با پیشرفت دانش مهندسی در همه ی زمینه ها به ویژه مهندسی برق، الکترونیک و رایانه ها و نیز نیاز به ثبت و استفاده ی مستقیم حجم عظیمی از اندازه گیری ها صنعتی، نقش و حضور اجزای الکترونیکی در سیستم های اندازه گیری، بسیار پررنگ تر از گذشته شده اند. سیستم های ابزار دقیق الکترونیکی که در واقع تلفیقی از عناصر حسگر یا مبدل به همراه تقویت کننده ها، ثبات ها، پردازشگر داده ها، منبع تغذیه، مدار آماده ساز سیگنال و کنترل کننده های فرایند هستند، به طور دقیق وظیفه ی مدیریت اندازه گیری و ارائه ی آن را به بخش های مختلف در ارتباط با یک واحد صنعتی نظیر عوامل مختلف انسانی و دیگر اجزا و واحدهای مرتبط انجام می دهند. در یک واحد صنعتی، مهندس تولید استفاده ی خاص خود را از اندازه گیری های انجام شده می برد و مهندس نگهداری و تعمیرات، استفاده های تخصصی دیگر را. همچنین سیگنال تهیه شده برای واحد بعدی می تواند حکم شروع یا قطع کار داشته باشد. مجموعه ی این شرایط، با توجه به سرعت تولید بالا، لزوم کاربرد این سیستم ها را نشان می دهد.اجزای یک سیستم ابزار دقیق الکترونیکی و ارتباط آن ها با هم در شکل زیر معرفی شده است. برای هر مهندسی که در یک واحد صنعتی کار می کند، آشنایی با چنین سیستمی مفید خواهد بود.
دیاگرام جعبه ای یک سیستم ابزار دقیق الکترونیکی
اجزای سیستم ابزار دقیق الکترونیکی
مبدل
این وسیله، کمیت فیزیکی مورد اندازه گیری را به کمیت الکتریکی تبدیل می کند.
منبع تغذیه (Power supply)
انرژی الکتریکی لازم برای تحریک مبدل، مدار آماده ساز سیگنال و تقویت کننده را فراهم می کند. بسته به نوع مبدل استفاده شده و مدار آماده ساز سیگنال، منبع تغذیه می تواند منبع ولتاژ ثابت DC، جریان ثابت DC و یا منبع AC باشد.
انواع منبع تغذیه
مدار آماده ساز سیگنال (Conditioning circuit)
این مدارهای الکتریکی وظیفه تبدیل، جبران سازی و تغییر سیگنال خروجی از مبدل را به کمیتی الکتریکی که قابلیت استفاده مناسب در سایر بخش های سیستم را داشته باشد، به عهده دارد. به عنوان مثال، مدار پل وتسون، تغییر در مقاومت الکتریکی کرنش سنج را به تغییر در ولتاژ الکتریکی در دو سر مدار پل تبدیل می کند. فیلترها، جبران سازها، مشتق گیرها و انتگرال گیرها، مدولاتورها و دمودولاتورها انواع دیگری از مدارهای آماده ساز سیگنال هستند.
تقویت کننده ها
تقویت کننده، در سیستمی استفاده می شود که ولتاژ خروجی از مجموعه ی مبدل و مدار آماده ساز به قدر کافی بزرگ نباشد (در حد یک میلی ولت یا کمتر). تقویت کننده هایی با بهره های بین ۱۰ تا ۱۰۰۰ برای افزایش سطح این سیگنال ها تا مقادیر ۱ تا ۱۰ ولت، که با وسایل اندازه گیری ولتاژ هم خوانی دارد، استفاده می شوند.
ثبات ها (Recorrders)
وسایل اندازه گیری ولتاژ الکتریکی هستند که برای نمایش کمیت مورد اندازه گیری به طور مناسبی که بتوان آن را خواند و تفسیر کرد، استفاده می شوند. ثبات ها می توانند به صورت آنالوگ یا دیجیتال باشند. اسیلوسکوپ ها، اسیلوگراف ها و ثبات های نوار مغناطیسی از انواع ثبات های آنالوگ هستند. ثبات های دیجیتال سیگنال آنالوگ را دریافت و با تبدیل آن به کدهای دیجیتال آن را به صورت آرایه های عددی نمایش می دهند یا روی محیط های مغناطیسی ذخیره می کنند.
انواع اسیلوسکوپ
پردازشگر داده (Data Processor)
همراه با سیستم های ابزار دقیقی که دارای مبدل های آنالوگ به دیجیتال A/D هستند، استفاده می شوند و زمینه ای را فراهم می کنند تا سیگنال خروجی مقدار اندازه گیری شده را به صورت یک کد دیجیتال نشان دهد. پردازشگرهای داده ها معمولا میکرورایانه هایی هستند که ورودی دیجیتال را گرفته و طبق برنامه ی داده شده به آن ها محاسباتی را روی آن انجام می دهند. خروجی پردازشگر به صورت نمودار و جدول ثباتی نمایش داده می شود که نشان دهنده ی نتایج بیرون آمده از یک مطالعه ی تجربی هستند. اهمیت پردازشگر در مواقعی که تعداد زیادی کمیت فیزیکی در یک فرایند به صورت همزمان مورد اندازه گیری واقع می شوند و ثبت و استفاده ی به موقع از آن ها از عهده ی کاربران خارج است، بیشتر روشن می شود. به عنوان مثال، کمیت های مختلفی که در حین آزمون جاده ای یک خودرو مورد اندازه گیری واقع می شوند، خارج از توان سیستم های دستی برای ضبط و پردازش است. در نتیجه، با استفاده از مبدل های آنالوگ به دیجیتال کلیه داده های به دست آمده در حین آزمایش در داخل رایانه ذخیره شده و توسط نرم افزار مناسب پردازش می شود.
مولد فرمان (Command generator)
وسیله ای است که یک ولتاژ کنترلی را که تغییر (معمولا نسبت به زمان) یک پارامتر مهم در یک فرایند مشخص است تامین می کند. به عنوان مثال، توزیع دما – زمان در یک کوره جوش پلاستیک باید کنترل شود. مولد فرمان یک سیگنال ولتاژی که در تناسب دقیق با توزیع دما – زمان کوره ی جوش لازم است، تامین می کند.
کنترل کننده های فرآیند
کنترل کننده های فرایند به منظور مانیتور کردن و تنظیم هر کمیتی که باید در یک مقدار مشخص شده برای تولید یک ماده یا محصول در یک فرایند کنترل شده قرار بگیرد، استفاده می شوند. سیگنالی که از سیستم ابزار دقیق در می آید با یک سیگنال فرمانی که مقدار لازم آن کمیت را در فرایند نشان می دهد، مقایسه می شود. کنترل کننده های فرایند هر دو سیگنال اندازه گیری شده و فرمان را گرفته و اختلاف آن را به عنوان سیگنال خطا تشکیل می دهند. سپس این سیگنال خطا برای تنظیم خودکار فرایند استفاده می شود.
کاربرد سیستم های ابزار دقیق الکترونیکی
سیستم های ابزار دقیق الکترونیکی در سه زمینه مختلف کاربرد دارند:
- تحلیل مهندسی قطعات ماشین ها، سازه ها و وسایل نقلیه برای اطمینان از بازدهی و عملکرد مطمئن
- مانیتورینگ فرایندها به منظور آماده کردن داده های عملیاتی بدون رنگ که به عملگر امکان انجام تنظیم ها و براساس آن کنترل فرایندها را می دهد.
- کنترل خودکار فرایند به منظور آماده کردن داده های عملیاتی بدون رنگ که به عنوان سیگنال های پسخورد در سیستم های کنترل حلقه بسته استفاده می شوند تا امکان کنترل پیوسته فرایند ایجاد شود.
تحلیل مهندسی
تحلیل مهندسی برای ارزیابی طراحی های جدید یا اصلاح شده ی یک قسمت از ماشین، سازه، سیستم الکترونیکی یا وسیله نقلیه و به منظور اطمینان از عملکرد مطمئن آن ها در حال کار استفاده می شود. اجزای تحلیل مهندسی به دو طریق زیر انجام می شود:
-
تحقیق تجربی
در این روش یک مدل از جز مورد نظر ساخته شده و یک برنامه آزمایشی برای ارزیابی عملکرد جزء در حال کار تهیه می شود و با اندازه گیری مستقیم کمیت های مهمی که شایستگی طراحی را کنترل می کنند، این تحقیق انجام می شود.
-
مدل سازی نظری
یک مدل تحلیلی از قسمت مورد نظر ماشین فرموله می شود و فرضیاتی متناسب با شرایط عملکرد، بار وارد بر آن قسمت، خواص ماده و نحوه ی انهدام در نظر گرفته می شود. معادلات توصیف کننده رفتار مدل تحلیلی نوشته و با روش های ریاضی یا محاسبات عددی حل می شوند. نتایج این تحلیل نظری، درست بودن طراحی و تخمین عملکرد احتمالی آن جزء یا سازه در حال کار را برای طراحی مشخص می کند.