Бірде бір адам әріптесінен мамандығы туралы сұрады. Ол еш ойланбастан: «Мен бақылау-өлшеу аспаптары мен басқару инженері боламын», — деп жауап берді.

«Ал бұл не?» — деп сұрады оның әңгімелесушісі.

«...Ой. Мм...» «Енді қиын жағдайға тап болдым», — деп ойлады инженер.

 

Бақылау-өлшеу аспаптары мен басқару дегеніміз не?

Механикалық, электрлік, химиялық немесе электр инженері не істейтінін түсіндіру салыстырмалы түрде оңай, бірақ бақылау-өлшеу аспаптары мен басқаруға маманданған инженердің атқаратын жұмысын қысқаша сипаттау — басқа мәселе.

Бақылау-өлшеу аспаптары мен басқару — пәнаралық салалар. Олар химия, механика, электр және магнетизм, электроника, микроконтроллерлер мен микропроцессорлар, бағдарламалау тілдері, процестерді басқару, сондай-ақ пневматика, гидравлика және байланыс қағидалары сияқты көптеген салалар бойынша білімді қажет етеді.

Бақылау-өлшеу аспаптары мен басқаруды осыншалықты қызықты әрі танымдық ететін де осы.

Бұл мақалада мұнай-газ, целлюлоза және қағаз, қант, фармацевтика, азық-түлік және химия өндірістерін қоса алғанда, өнеркәсіптік кәсіпорындардың жұмыс істеуі мен пайдаланылуында қолданылатын бақылау-өлшеу аспаптары мен басқарудың (I & C) негізгі қағидаларына толық шолу жасаймын.

Алдымен, қалай өлшеу керегін қарастыруымыз қажет. Ол үшін бізге өлшеу аспабы керек.

 

Өлшеу аспабы дегеніміз не?

Өлшеу аспабы — белгілі бір процестегі физикалық немесе басқа да өзгерісті анықтай алатын құрылғы. Содан кейін ол осы физикалық өзгерістерді пайдаланушы түсіне алатын қандай да бір ақпарат түріне түрлендіреді.

1-суреттегі мысалды қарастырайық.

 

1-сурет. Өлшеу аспабына мысал.

 

Ажыратқыш жабылған кезде резистор жылу бөліп, резервуардағы сұйықтықтың температурасын арттырады. Бұл өзгерісті өлшеу аспабы анықтап, аспап шкаласында көрсетеді.

Процестегі физикалық өзгерістер туралы ақпаратты тікелей көрсету немесе тіркеуші арқылы ала аламыз.

 

Көрсету

Бұл — өлшеудің ең қарапайым түрі; ол айнымалының ағымдағы күйін білуге мүмкіндік береді.

 

2-сурет. Қарапайым көрнекі индикатор арқылы айнымалыны бақылау.

 

Тіркеуші

Деректерді сақтай алатын құрылғы айнымалының ағымдағы күйін және оның бұрын қалай өзгергенін бақылауға мүмкіндік береді. Тіркеуші бізге айнымалының тарихын көрсетеді.

 

3-сурет. Өлшемдердің уақыт өте қалай өзгергенін көрсететін дисплей.

 

Өлшеу аспабының құрамдас бөліктері

Өлшеу аспаптары негізінен мына бөліктерден тұрады:

• Датчик: Бұл элемент өзі өлшеп жатқан процестегі өзгерістердің нәтижесінде физикалық қасиеттері өзгеретін құрылғы.
• Күшейткіш / түрлендіргіш: Сенсор анықтаған өзгерістер өте аз болуы мүмкін, сондықтан оларды күшейтіп, кейін дұрыс көрсетілуі үшін түрлендіру қажет.
• Дисплей: Өлшенген деректер түсінікті түрде көрсетілуі керек. Мұны шкаласы бар аспап немесе электрондық дисплей арқылы жасауға болады. Кейде дисплей өлшеу тарихын немесе үрдістерін көрсету үшін жазғыш қызметін де атқарады.

 

4-сурет. Өлшеу аспабының элементтері.

 

Әдетте аспап қалыптастырған өлшеу ақпараты аспаптан физикалық тұрғыдан қашық орналасқан басқару орталығына (немесе басқару бөлмесіне) жіберілуі керек. Жалпы алғанда, бұл ақпарат белгіленген техникалық талаптарға сәйкес келуі тиіс.

 

5-сурет. Өлшеу ақпараты аспаптан басқару бөлмесіне жіберіледі.

 

Аспаптың ақпарат жіберу мүмкіндігі болса, оны таратқыш деп атаймыз (көбіне XMTR деп қысқартылады).

 

Аспаптарды жіктеу

Өлшеу аспаптарын әртүрлі жіктеуге болады. Мысалы, оларды алаңдық аспаптар немесе панельдік аспаптар деп бөлуге болады. Алаңдық аспап технологиялық үдеріске немесе өлшеу нүктесіне жақын орнатылады. Егер ол қоршаған ортаның қолайсыз жағдайларына ұшырайтын болса, механикалық тұрғыдан берік болуы керек. Панельдік аспаптар басқарылатын орта жағдайлары бар бөлмеде орналасады (көбіне бұл ауасы кондицияланатын және ылғалдылығы бақыланатын таза бөлме).

Тағы бір жіктеу — пневматикалық аспаптар және электрлік/электрондық аспаптар.

 

Пневматикалық аспаптар

Атауы айтып тұрғандай, бұл — ауамен жұмыс істейтін құрылғылар.

Бұл аспаптардың артықшылықтарының бірі — олар электр энергиясын тұтынбайды, сондықтан электр қуатын пайдалану қауіпті немесе қолайсыз жерлерде қолдануға болады. Олар бір ғана айнымалымен жұмыс істейді, дәлдігі төмен, діріл мен температура өзгерістеріне сезімтал және оларға жиі қызмет көрсету қажет. Таратқыштардың шығыс сигналы 3–15 psi аралығында болады, ал максималды беру қашықтығы шамамен 200 метрді құрайды.

 

6-сурет. Пневматикалық аспаптың негізгі сызбасы.

 

Электрлік / электрондық аспаптар

Электрондық аспаптарды үш негізгі санатқа бөлуге болады: аналогтық, ақылды аналогтық және цифрлық.

 

Аналогтық құрылғылар:

• Шығыс сигналы: 4–20 мА
• Беру қашықтығы: 1200 м (әдетте)
• Бір айнымалыға қатысты деректер беріледі
• Дәлдігі жоғары
• Қызмет көрсетуі оңай

 

7-сурет. Электрондық аспаптың негізгі сызбасы (XMTR).

 

"Зияткерлік" аналогтық құрылғылар:

• Датчикті температураны, статикалық қысымды және т.б. өлшейтін құрылғы ретінде сипаттау
• Жоғары дәлдік
• Өзін-өзі диагностикалау (яғни датчик өз жұмысындағы ақауларды талдай алады)
• Бір айнымалы

 

Цифрлық құрылғылар:

• Бір кабельді бірнеше аспап пайдалана алады
• Әр аспап үшін бірнеше мәнді беру (процесс айнымалылары, калибрлеу, диагностика, диапазон)
• Қашықтық: қайталағышсыз шамамен 1900 м
• Деректер сыйымдылығына беру режимі әсер етеді (кабель, талшықты-оптикалық байланыс, сымсыз байланыс)

 

8-сурет. Цифрлық таратқыштар.

 

Датчиктердің жалпы сипаттамалары

Диапазон: Шама өлшенетін шектер арасындағы аймақ. Ол осы аймақты шектейтін ең төменгі және ең жоғары мәндерді көрсетеді. Диапазон екі санмен көрсетіледі, мысалы, 10-нан 20 °C-қа дейін, 10-нан 150 V-қа дейін, 0-ден 100%-ға дейін

Аралық: Диапазонның ең жоғары мәнінен ең төменгі мәнін алу арқылы есептеледі. Аралық процесс бірліктерімен көрсетілетін бір санмен беріледі, мысалы, 120 °C, 30 V, секундына 150 литр.

Ығысу: Егер диапазонның төменгі шегі оң мән болса, осы төменгі шек ығысу деп аталады. Мысалы, диапазон 50 °C-тан 200 °C-қа дейін болса, ығысу 50 °C немесе аралықтың 33,3%-ы деп айтуға болады.

Басылу (сондай-ақ нөлді ығыстыру деп аталады): Егер диапазонның төменгі шегі теріс болса, осы төменгі шектің абсолюттік мәні басылу деп аталады. Мысалы, диапазон -10 °C-тан 80 °C-қа дейін болса, басылу 10 °C немесе аралықтың 11,1%-ы деп айтуға болады.

Диапазоннан асу: Құрылғы белгілі бір диапазонда жұмыс істеуге калибрленгенімен, сол диапазонның жоғарғы немесе төменгі шегінен асатын мәндер әсер етуі мүмкін болса, аспаптың зақымдануын немесе индикатордың жоғарғы не төменгі шектен асып кетуін болдырмайтын қорғау механизмі қажет. Өлшенген мәндер ең жоғары мәннен жоғары болса, бұл оң диапазоннан асу деп аталады. Өлшенген мәндер ең төменгі мәннен төмен болса, бұл теріс диапазоннан асу деп аталады.

 

9-сурет. Диапазон, аралық, ығысу және басылу мысалдары.

 

Қате: Физикалық шаманың өлшенген мәні мен нақты (немесе күтілетін не қажетті) мәні арасындағы айырмашылық. Қате оң немесе теріс болуы мүмкін. Өлшенген мән нақты мәннен үлкен болса, қате оң болады. Өлшенген мән нақты мәннен кіші болса, қате теріс болады.

                        Егер өлшенген мән > нақты мән болса, қате > 0

                        Егер өлшенген мән < нақты мән болса, қате < 0

Қатені былай көрсетуге болады

• өлшем бірліктерінде (мысалы, °C, psi)
• диапазон ауқымының пайыздық үлесі ретінде (мысалы, диапазон ауқымының +/- 3%-ы)
• өлшемнің пайыздық үлесі ретінде (мысалы, өлшемнің +/- 5%-ы)

Анықтамалық мән: Жалпы мағынада бұл айнымалының нақты, күтілетін немесе қажетті мәнін білдіреді. Кері байланысы бар басқару жүйесі контекстінде қате сигналын қалыптастыру үшін өлшенген мән анықтамалық мәннен шегеріледі.

Дәлдік: Қате шектерін анықтайтын сан. Аспаптың дәлдігі диапазон ауқымының 0,1%-ы десек, бұл диапазонның кез келген нүктесінде көрсеткіштердің нақты мәннен диапазон ауқымының 0,1%-ынан артық айырмашылығы болмайтынын білдіреді.

 

Процесті өлшеу мысалы

Жоғарыда айтылған ұғымдарды жақсырақ түсіну үшін келесі мысалды қарастырыңыз.

Бізде температураны үздіксіз өлшеу қажет болатын май багы бар. Бұл процестің жұмыс жағдайлары төмендегідей:

• Ең төменгі температура: -10 °C
• Ең жоғары температура: 90 °C
• Өлшеу дәлдігі диапазон ауқымының 1%-ы немесе одан жоғары болуы керек
• Температура өлшемі жергілікті жерде де, қашықтан да көрсетілуі керек

 

10-сурет. Біздің мысал жүйеміз.

 

Алдымен резервуардағы сұйықтықтың температурасын өлшеуге мүмкіндік беретін өлшеу аспабын таңдауымыз керек. Ақпарат жергілікті жерде де, қашықтан да қолжетімді болуы тиіс болғандықтан, температура таратқышын таңдаймыз.

Бұл таратқыштың мынадай сипаттамалары болуы керек:

• Диапазон: -10 °C-тан 90 °C-қа дейін
• Диапазон ауқымы: 90 °C - (-10 °C) = 100 °C
• Төменгі ығысу: 10 °C немесе диапазон ауқымының 10%-ы
• Дәлдік: диапазон ауқымының 1%-ы = 1% × 100 °C = 1 °C
  • Бұл 1% дәлдік әрбір өлшеуде немесе температура көрсеткішінде ауытқу не қателер +/- 1 °C-тан аспайтынын қамтамасыз етеді

Қосымша ескерту ретінде диапазон мен стандартталған таратқыш шығысы арасындағы дұрыс сәйкестікті қамтамасыз етуіміз керек. Аспапты калибрлеу үшін диапазонның ең төменгі мәнін (-10 °C) шығыстың ең төменгі мәнімен (4 mA), ал диапазонның ең жоғарғы мәнін (90 °C) шығыстың ең жоғарғы мәнімен (20 mA) сәйкестендіруіміз керек.

 

Қорытынды

Бұл мақалада біз аспаптар мен басқару жүйелері контекстіндегі өлшеу құрылғылары мен өлшеудің негізгі ұғымдарын қарастырдық. Сондай-ақ қыздыру элементі мен температура туралы деректерді жинап, жібере алатын аспаптан тұратын қарапайым жүйе мысалын қарастырдық. Келесі мақалада өнеркәсіптік қолданбаларда пайдаланылатын төрт негізгі айнымалыны: шығынды, деңгейді, температураны және қысымды қарастырамыз. Сонымен қатар, диафрагмалар, термопаралар және RTD сияқты әртүрлі датчиктерді талқылап, осы төрт физикалық айнымалыны өлшеуге арналған аспаптар мен таратқыштарды қарастырамыз.