بررسی سنسورها و ترانسدیوسرها و کنترل صنعتی
مقدمه:
در سامانه های مهندسی نوین، سنجش دقیق کمیت های فیزیکی به عنوان زیربنای هر نوع پایش، اندازه گیری و کنترل شناخته می شود. حضور سنسورها و ترانسدیوسرها در ساختار تجهیزات صنعتی، نه تنها امکان مشاهده تغییرات محیطی و مکانیکی را فراهم می سازد، بلکه مسیر تبدیل این تغییرات به سیگنال های قابل پردازش الکتریکی را نیز هموار می کند. از خطوط تولید پیوسته گرفته تا سامانه های پیچیده انرژی، عملکرد پایدار فرآیندها وابستگی مستقیمی به کیفیت آشکارسازی و تبدیل کمیت های واقعی به داده های قابل تفسیر دارد. به همین دلیل شناخت اصول فیزیکی حاکم بر اندازه گیری، ویژگی های مواد، و رفتار عناصر حساس در برابر تنش، دما، فشار و حرکت، جایگاهی بنیادین در مهندسی کنترل صنعتی پیدا کرده است.
مفهوم کرنش مکانیکی یکی از نخستین حلقه های این زنجیره اندازه گیری به شمار می رود؛ کمیتی بدون بعد که از نسبت تغییر طول، سطح یا حجم به مقدار اولیه حاصل می شود و رابطه ای مستقیم با تنش اعمال شده بر ماده دارد. این ارتباط که در ناحیه الاستیک مواد به صورت خطی تعریف می شود، مبنای استخراج مدول های کشسانی مانند مدول یانگ، مدول برشی و مدول حجمی است. چنین پارامترهایی نه تنها رفتار مکانیکی مواد را توصیف می کنند، بلکه امکان تبدیل تغییر شکل های بسیار کوچک به نشانه های قابل اندازه گیری را فراهم می آورند. در محیط های واقعی، تغییرات دما نیز هم اندازه با نیروهای مکانیکی قادر به ایجاد انبساط یا انقباض هستند و همین مسئله ضرورت جبران سازی حرارتی در طراحی سامانه های اندازه گیری کرنش را آشکار می سازد.
استرین گیج های مقاومتی نمونه ای شاخص از به کارگیری اثر پیزورزیستیو در سنجش کرنش محسوب می شوند؛ عناصری رسانا که با اتصال محکم به سطح ماده تحت تنش، تغییرات طولی بسیار کوچک را به تغییر مقاومت الکتریکی تبدیل می کنند. قرارگیری این حسگرها در مدار پل مقاومتی امکان آشکارسازی دقیق اختلاف های ناچیز را فراهم کرده و با استفاده از سنجه مرجع بدون کرنش، اثرات دمایی ناخواسته کاهش می یابد. پارامتری مانند فاکتور گیج که نسبت تغییر مقاومت به کرنش را بیان می کند، معیار مهمی برای ارزیابی حساسیت حسگر به شمار می رود و تفاوت چشمگیری میان سنجه های فلزی و نیمه هادی ایجاد می کند. چنین سازوکارهایی نشان می دهند که چگونه پدیده های فیزیکی در مقیاس میکروسکوپی می توانند به داده های مهندسی در مقیاس صنعتی تبدیل شوند.
گسترش دامنه سنسورها تنها به کمیت های مکانیکی محدود نمی شود و حوزه هایی مانند اندازه گیری فشار، موقعیت، سرعت، شتاب، دما، جریان سیالات و ویژگی های گازها را نیز در بر می گیرد. هر یک از این کمیت ها نیازمند روش آشکارسازی ویژه ای هستند؛ از تداخل سنجی نوری و فیبرهای نوری گرفته تا ترموکوپل ها، ترمیستورها، حسگرهای مقاومت فلزی و آشکارسازهای تابشی. تنوع فناوری های تبدیل انرژی حرارتی، مکانیکی یا شیمیایی به سیگنال الکتریکی نشان دهنده پیوند عمیق میان فیزیک ماده، الکترونیک و مهندسی سیستم ها است. این پیوند زمانی اهمیت بیشتری می یابد که داده های حاصل وارد لایه های پردازش و تصمیم گیری در سامانه های کنترل شوند.
در فرآیندهای صنعتی، سنسورها نخستین نقطه تماس با واقعیت فیزیکی محسوب می شوند و اطلاعات استخراج شده از آنها مبنای تعیین رفتار دینامیکی سیستم، شناسایی تابع تبدیل و انتخاب راهبرد کنترلی قرار می گیرد. کنترل کننده های الکتریکی، بادی و هیدرولیکی هر یک بر اساس نوع انرژی محرکه و قانون کنترل تعریف می شوند و تنظیم صحیح آنها نیازمند داده هایی پایدار، دقیق و قابل اعتماد است. جبرانسازی اغتشاشات، تنظیم پارامترها و تضمین پاسخ مناسب گذرا همگی به کیفیت سیگنال های اندازه گیری وابسته اند. در ادامه این زنجیره، عناصر نهایی مانند شیرها، محرک ها و تقویت کننده ها قرار دارند که فرمان های کنترلی را به عمل فیزیکی تبدیل می کنند و چرخه کامل سنجش تا اجرا را شکل می دهند.
چنین ساختاری تصویری یکپارچه از دنیای سنسورها، ترانسدیوسرها و کنترل صنعتی ترسیم می کند؛ جایی که هر تغییر کوچک در ماده یا محیط می تواند به داده ای معنادار بدل شود و هر داده، نقشی تعیین کننده در پایداری و دقت عملکرد سامانه های پیچیده ایفا کند.
فهرست مطالب
فصل ۱: کرنش و فشار ۱
• کرنش مکانیکی ۲
• تداخل سنجی ۹
• روشهای فیبر نوری ۱۳
• گیجهای فشار ۱۴
• فشار گازی کم ۲۱
• گیجهای یونیزاسیون ۲۳
• استفاده از ترانسدیوسر ۲۶
فصل ۲: موقعیت ، جهت ، فاصله و حرکت ۲۸
• موقعیت ۲۹
• جهت ۳۰
• اندازه گیری فاصله – مقیاس وسیع ۳۹
• فاصله پیموده شده ۴۱
• سیستمهای شتاب سنج ۵۰
• دوران ۵۶
فصل ۳: سنسورهای دما و ترانسدیوسرهای حرارتی ۶۸
• گرما و دما- ۶۹
• نوار بی متال ۷۰
• انبساط مایع و گاز ۷۴
• ترموکوپلها ۷۶
• سنسورهای مقاومت فلزی ۸۵
• ترمیستورها ۹۲
• تشخیص انرژی گرمایی تابشی ۹۹
• آشکارسازهای پایروالکتریک ۱۰۰
• ترانسدیوسرهای حرارتی ۱۰۳
• ترانسدیوسرهای حرارتی به الکتریکی ۱۰۵
فصل ۴: جامدات ، مایعات و گازها ۱۰۸
• جرم و حجم ۱۰۹
• سنسورهای الکترونیک ۱۱۰
• آشکارسازهای مجاورتی ۱۱۵
• سطح مایعات ۱۳۰
• سنسورهای جریان مایع ۱۳۳
• زمان سنجی ۱۳۷
• گازها ۱۴۱
• ویسکوزیته (گران روی) ۱۴۵
فصل ۵: فرآیندها ۱۷۴
• فرآیندهای صنعتی ۱۷۵
• بررسی رفتارهای کلی فرآیندهای صنعتی ۱۹۴
• روشهای عملی تعیین تابع تبدیل فرآیندها ۲۰۶
فصل ۶: کنترل کننده ها ۲۲۰
• کنترل کننده ها ۲۲۱
• کنترل کننده ها از نظر انرژی محرکه ۲۲۱
• کنترل کننده ها از نظر قانون کنترل ۲۲۲
• اصل کلی ایجاد عملیات در کنترل کننده ها ۲۳۶
• کنترل کننده های الکتریکی ۲۳۷
• کنترل کننده های بادی ۲۴۲
• کنترل کننده های هیدرولیکی ۲۶۱
• انتخاب کنترل کننده ها ۲۹۰
• تنظیم کنترل کننده ها ۲۹۴
• جبرانسازی در سیستمهای کنترل صنعتی ۳۰۷
فصل ۷: عناصر نهایی و محرک ها ۳۱۹
شیرها ۳۲۱
• محرک ها ۳۲۹
• تثبیت کننده شیر ۳۴۳
• شیرهای مخصوص ۳۴۸
• تقویت کننده ها ۳۵۳
• مراجع ۳۵۸
