سأل شخصٌ ذات مرة زميلًا عن مهنته. فأجاب دون تردد: «أنا مهندس أجهزة وتحكم».

«وما ذلك؟» سأل محاوره.

«... أوه. حسنًا...» «حسنًا، لقد وقعت في مأزق الآن»، فكّر المهندس.

 

ما الأجهزة والتحكم؟

من السهل نسبيًا شرح ما يفعله المهندس الميكانيكي أو الكهربائي أو الكيميائي، لكن وصف العمل الذي يؤديه مهندس متخصص في الأجهزة والتحكم بإيجاز قصة أخرى.

مجالا الأجهزة والتحكم مجالان متعددا التخصصات. وهما يتطلبان معرفة بالكيمياء، والميكانيكا، والكهرباء والمغناطيسية، والإلكترونيات، ووحدات التحكم الدقيقة والمعالجات الدقيقة، ولغات البرمجة، والتحكم في العمليات، وغير ذلك، مثل مبادئ علمَي الهواء المضغوط والموائع الهيدروليكية والاتصالات.

وهذا ما يجعل مجالَي الأجهزة والتحكم ممتعين ومفيدين للتعلّم.

في هذه المقالة، سأقدّم نظرة شاملة على المبادئ الأساسية للأجهزة والتحكم (I & C) المستخدمة في تشغيل وعمل المنشآت الصناعية، مثل تلك العاملة في مجالات النفط والغاز، واللب والورق، والسكر، والمنتجات الصيدلانية، والأغذية، والمواد الكيميائية.

أولًا، سنحتاج إلى تناول كيفية القياس. وللقيام بذلك، نحتاج إلى جهاز قياس.

 

ما جهاز القياس؟

جهاز القياس هو جهاز قادر على اكتشاف التغيّر، سواء كان فيزيائيًا أو غير ذلك، في عملية معيّنة. ثم يحوّل هذه التغيّرات الفيزيائية إلى شكل من المعلومات يمكن للمستخدم فهمه.

انظر إلى مثال الشكل 1.

 

الشكل 1. مثال على جهاز قياس.

 

عند إغلاق المفتاح، تولّد المقاومة حرارة، مما يزيد درجة حرارة السائل في الخزان. ويكتشف جهاز القياس هذه الزيادة ويعرضها على تدريج ذلك الجهاز.

يمكننا الحصول على معلومات حول التغيّرات الفيزيائية في العملية باستخدام الإشارة المباشرة أو مسجّل.

 

الإشارة

هذا أبسط شكل من أشكال القياس؛ إذ يتيح لنا معرفة الحالة الراهنة للمتغيّر.

 

الشكل 2. مراقبة متغيّر باستخدام مؤشر مرئي بسيط.

 

المسجّل

يتيح لنا الجهاز القادر على تخزين البيانات ملاحظة الحالة الراهنة للمتغيّر وكيفية سلوكه في الماضي. ويوفّر لنا المسجّل سجلًا تاريخيًا للمتغيّر.

 

الشكل 3. شاشة توضح كيف تغيّرت القياسات بمرور الوقت.

 

مكوّنات جهاز القياس

تتكوّن أجهزة القياس أساسًا من الأجزاء التالية:

• المستشعر: هذا العنصر جهاز تطرأ على خصائصه الفيزيائية تغيّرات نتيجة تغيّر العملية التي يقيسها.
• المضخّم / المُكيِّف: قد تكون التغيرات التي يكتشفها المستشعر صغيرة جدًا، لذا يجب تضخيمها ثم تهيئتها بحيث يمكن عرضها بصورة صحيحة.
• شاشة العرض: ينبغي عرض البيانات المقاسة بطريقة مفهومة. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام جهاز ذي تدريج أو شاشة إلكترونية. وأحيانًا تعمل شاشة العرض أيضًا كمسجّل لعرض تاريخ القياس أو اتجاهاته.

 

الشكل 4. عناصر جهاز القياس.

 

عادةً ما يجب إرسال معلومات القياس التي يولدها الجهاز إلى مركز تحكم (أو غرفة تحكم) يبعد فعليًا عن الجهاز. وبوجه عام، يجب أن تتوافق هذه المعلومات مع المواصفات المعتمدة.

 

الشكل 5. تُرسل معلومات القياس من الجهاز إلى غرفة التحكم.

 

عندما يمتلك الجهاز القدرة على إرسال المعلومات، نطلق عليه اسم جهاز إرسال (ويُختصر غالبًا بـ XMTR).

 

تصنيف الأجهزة

توجد تصنيفات مختلفة لأجهزة القياس. ويمكننا، على سبيل المثال، تصنيفها إلى أجهزة ميدانية أو أجهزة لوحات. يُركَّب الجهاز الميداني بالقرب من العملية أو نقطة القياس. ويجب أن يكون متينًا ماديًا إذا كان سيتعرض لظروف بيئية قاسية. أما أجهزة اللوحات فتوجد في غرفة ذات بيئة محكومة (غالبًا مساحة نظيفة مزودة بتكييف هواء ورطوبة مضبوطة).

وهناك تصنيف آخر يقسم أجهزة القياس إلى أجهزة هوائية وأجهزة كهربائية/إلكترونية.

 

أجهزة القياس الهوائية

وكما يوحي الاسم، فإن هذه أجهزة تعمل بالهواء.

تتمثل إحدى مزايا هذه الأجهزة في أنها لا تستهلك الكهرباء، لذا يمكن استخدامها في المناطق التي يكون فيها استخدام الطاقة الكهربائية خطيرًا أو غير ملائم. وهي تعمل بمتغير واحد، وأجهزة غير دقيقة، وتتأثر بالاهتزازات وتغيرات درجة الحرارة، وتتطلب صيانة مكثفة. وتتراوح إشارة خرج أجهزة الإرسال بين 3 و15 رطلًا لكل بوصة مربعة، وتبلغ أقصى مسافة إرسال نحو 200 متر.

 

الشكل 6. مخطط أساسي لجهاز قياس هوائي.

 

الأجهزة الكهربائية / الإلكترونية

يمكن تقسيم الأجهزة الإلكترونية إلى ثلاث فئات عامة: تناظرية، وتناظرية ذكية، ورقمية.

 

الأجهزة التناظرية:

• إشارة الخرج: 4 - 20 ملي أمبير
• مسافة الإرسال: 1200 متر (نموذجية)
• يتم إرسال بيانات متغير واحد
• دقة جيدة
• سهولة الصيانة

 

الشكل 7. مخطط أساسي لجهاز إلكتروني (XMTR).

 

الأجهزة التناظرية «الذكية»:

• توصيف المستشعر على أنه يقيس درجة الحرارة، والضغط الساكن، وغير ذلك
• دقة ممتازة
• التشخيص الذاتي (أي إن المستشعر يستطيع تحليل المشكلات في وظائفه الخاصة)
• متغير واحد

 

الأجهزة الرقمية:

• يمكن لعدة أجهزة استخدام كبل واحد
• إرسال قيم متعددة لكل جهاز (متغيرات العملية، والمعايرة، والتشخيص، والمدى)
• المسافة: نحو 1900 متر من دون مُكرِّر
• تتأثر سعة البيانات بنمط الإرسال (كبل، أو ألياف ضوئية، أو اتصال لاسلكي)

 

الشكل 8. أجهزة إرسال رقمية.

 

المواصفات العامة للمستشعر

المدى: المنطقة الواقعة بين الحدين اللذين يُقاس ضمنهما المتغير. ويشير إلى القيمتين الدنيا والقصوى اللتين تحددان المنطقة. ويُعبَّر عن المدى برقمين، مثل 10 إلى 20 °C، و10 إلى 150 V، و0 إلى 100%

الامتداد: يُحسب بطرح القيمة الدنيا للمدى من قيمته القصوى. ويُعبَّر عن الامتداد برقم واحد بوحدات العملية، مثل 120 °C، و30 V، و150 لترًا في الثانية.

الارتفاع: إذا كان الحد الأدنى للمدى قيمة موجبة، فإن هذا الحد الأدنى هو مقدار الارتفاع. مثال: إذا كان المدى من 50 °C إلى 200 °C، فيمكننا القول إن مقدار الارتفاع هو 50 °C أو 33.3% من الامتداد.

الانخفاض (ويُشار إليه أيضًا باسم الكبت): إذا كان الحد الأدنى للمدى سالبًا، فإن القيمة المطلقة لهذا الحد الأدنى هي مقدار الانخفاض. مثال: إذا كان المدى من -10 °C إلى 80 °C، فيمكننا القول إن مقدار الانخفاض هو 10 °C أو 11.1% من الامتداد.

تجاوز المدى: عندما تتم معايرة جهاز للعمل ضمن مدى معين، ولكن قد يتعرض لقيم أعلى من ذلك المدى أو أقل منه، فإنه يحتاج إلى آلية حماية لمنع تلف الجهاز أو لمنع المؤشر من تجاوز حده العلوي أو السفلي. عندما تكون القيم المقاسة أعلى من القيمة القصوى، يكون لدينا تجاوز موجب للمدى. وعندما تكون القيم المقاسة أقل من القيمة الدنيا، يكون لدينا تجاوز سالب للمدى.

 

الشكل 9. أمثلة على المدى، والامتداد، والارتفاع، والانخفاض.

 

الخطأ: الفرق بين القيمة المقاسة والقيمة الفعلية (أو المتوقعة أو المرغوبة) لمتغير فيزيائي. يمكن أن يكون الخطأ موجبًا أو سالبًا. عندما تكون القيمة المقاسة أكبر من القيمة الفعلية، يكون الخطأ موجبًا. وعندما تكون القيمة المقاسة أقل من القيمة الفعلية، يكون الخطأ سالبًا.

                        إذا كانت القيمة المقاسة > القيمة الفعلية، فالخطأ > 0

                        إذا كانت القيمة المقاسة < القيمة الفعلية، فالخطأ < 0

يمكن التعبير عن الخطأ

• بوحدات هندسية (مثل °C وpsi)
• كنسبة مئوية من المدى (مثلًا، +/- 3% من المدى)
• كنسبة مئوية من القياس (مثلًا، +/- 5% من القياس)

القيمة المرجعية: تشير عمومًا إلى القيمة الفعلية أو المتوقعة أو المطلوبة لمتغير ما. وفي سياق نظام تحكم بالتغذية الراجعة، تُعاد القيمة المقاسة وتُطرح من القيمة المرجعية لتوليد إشارة الخطأ.

الدقة: رقم يحدد حدود الخطأ. عندما نقول إن دقة جهاز ما تبلغ 0.1% من المدى، فهذا يعني أن القراءات في أي موضع ضمن المجال لا تختلف عن القيمة الفعلية بأكثر من 0.1% من المدى.

 

مثال على قياس العملية

لفهم المفاهيم المذكورة أعلاه بشكل أفضل، ضع في اعتبارك المثال التالي.

لدينا خزان زيت يُطلب منا قياس درجة حرارته باستمرار. وظروف التشغيل لهذه العملية هي كما يلي:

• درجة الحرارة الدنيا: -10 °C
• درجة الحرارة القصوى: 90 °C
• يجب أن تكون دقة القياس 1% من المدى أو أفضل
• يجب عرض قياس درجة الحرارة محليًا وعن بُعد

 

الشكل 10. نظامنا المثال.

 

أولًا، يجب اختيار جهاز قياس يتيح لنا قياس درجة حرارة السائل في الخزان. وبما أن المعلومات يجب أن تكون متاحة محليًا وعن بُعد، فسنختار مرسلًا لدرجة الحرارة.

يجب أن تتوافر في هذا المرسل الخصائص التالية:

• المجال: من -10 °C إلى 90 °C
• المدى: 90 °C - (-10 °C) = 100 °C
• الانخفاض: 10 °C أو 10% من المدى
• الدقة: 1% من المدى = 1% × 100 °C = 1 °C
  • تضمن هذه الدقة البالغة 1% ألا يتجاوز التباين أو الخطأ في كل قياس أو قراءة لدرجة الحرارة +/- 1 °C

بالإضافة إلى ذلك، يجب أن نضمن وجود علاقة صحيحة بين المجال وخرج المرسل المعياري. ولمعايرة الجهاز، يجب ربط القيمة الدنيا للمجال (-10 °C) بالقيمة الدنيا للخرج (4 mA)، وربط القيمة القصوى للمجال (90 °C) بالقيمة القصوى للخرج (20 mA).

 

الخلاصة

في هذه المقالة، ناقشنا أجهزة القياس والمفاهيم الأساسية للقياس في سياق أنظمة الأجهزة والتحكم. كما تناولنا مثالًا بسيطًا لنظام يتضمن عنصر تسخين وجهازًا يمكنه جمع بيانات درجة الحرارة وإرسالها. في المقالة التالية، سنتناول المتغيرات الأساسية الأربعة المستخدمة في التطبيقات الصناعية: التدفق، والمستوى، ودرجة الحرارة، والضغط. كما سنناقش مستشعرات مختلفة مثل صفائح الفتحة، والمزدوجات الحرارية، وكاشفات الحرارة بالمقاومة (RTDs)، وسنستعرض الأجهزة والمرسلات المستخدمة لقياس هذه المتغيرات الفيزيائية الأربعة.