گزارش کارآموزی ابزار دقیق و کنترل سیستمهای الکترونیک و سنسورها



دانشگاه
عنوان کارآموزی :
ابزار دقیق و کنترل سیستمهای الکترونیک و سنسورها
استاد راهنما :

گردآورنده :

رشته تحصیلی :
نقشه کشی صنتعی
زمستان :

عنوان پروژه : ابزار دقیق و کنترل الکترونیکی
مشخصات و محل کارآموزی :
شرکت الیاف سهامی عام، جاده قدیم کرج، سه راه شهریار، روبروی دپوی ارتش این شرکت در سال 1346 تاسیس گردیده و محصولات این شرکت نخ نایلون 6 و مواد اولیه پلمیری جهت استفاده در شرکت های تولید مواد پلاستیکی می باشد. در این شرکت قسمت های مختلفی وجود دارند که طبقه بندی شده اند که عبارتند از :
1 ) امور اداری؛ 2 ) قسمت تولید؛ 3 ) قسمت مهندسی؛ 4 ) ایمنی و آتش نشانی؛ 5 ) درمانگاه؛ 6 ) نیروگاه.
قسمت مهندسی شامل زیر شاخه های تعمیرات نیروگاه، تعمیرات تولید، تعمیرات ریسندگی، تعمیرات پلیمر، تراشکاری، قسمت برق فشار قوی، برق فشار ضعیف، ابزار دقیق و الکترونیک و قسمت های PM و … می باشد.
اینجانب در قسمت ابزار دقیق مشغول به انجام دوذه کارآموزی شدن و کار این قسمت در زمینه سیستم های کنترل از جمله سیستم های کنترل دما، فشار، سطح، رطوبت، چگالی، Ph، دور موتورها و … می باشد.
در این دوره سعی شد که با تمامی این موضوعات که جزء درس کنترل صنعتی می باشد، آشنا شده و به صورت عملی بر روی این سیستم ها کار شد.
گزارش ارائه شده در مورد سیستم های ابزار دقیق، پروتکلهای ارتباطی، سیستم های کنترل، سنسورها و موارد مرتبط به آنها می باشد، که طی 440 ساعت کارآموزی در این شرکت تهیه و ارائه شده است.
این دوره از تاریخ مهر 88 تا تاریخ بهمن 88 تهیه و تنظیم گردیده است.
میان سیستم مدیریت و سیستم کنترل کارخانه، معمول می گردد که سیستم خای کنترل قدیمی تر
(نیوماتیکی یا 4 – 20 mA) و حتی سیستم های DCS نسلهای قبل که برای انتقال اطلاعات آنها به سیستم های بالاتر که اکنون همگی بر مبنای تکنولوژی های Interanet/ Internet و WEB قرار گرفته اند، دیگر از حیث کارایی و قیمت، نیازهای مشتریان را برآورده نمی کنند و لازم است با توجه به تحولات ذکر شده، متحول گردند و شکل جدید پذیرند، شکلی که با نیازهای روز منطبق باشد.
در این پایان نامه سعی ما برای است که بر سیستم های اتوماسیون و ابزار دقیق که رکن اساسی صنعت امروز می باشد و تکنولوژی پیچیده امروز جز با وجود آنها میسر نمی گردد، مرور مختصری داشته باشیم.
بدنی منظور به توضیح جزء به جزء لایه های مختلف یک سیستم اتوماسیون می پردازیم.

مقدمه :
شاید منظور قرآن از آیات فوق این باشد که انسان یک پدیده مافوق است اما بالفعل یم پدیده مادی، پدیده مافوق بودن انسان او را از خاک به افلاک می رساند و در این مسیر تکامل است که رسالت انسان مشخص می گردد و با خودسازی جهت خویش را پیدا می کند.
لذا از آنجاییکه هدف از خلقت بشر تعالی او به سوی کمالات معنوی و رسیدن به ذات اقدس خداوندی است و این کمالات جز با فکر و اندیشه و پا گذاشتن در عرصه علم حاصل نمی گردد لذا برماست که فراگیری علوم را بر خود واجب شماریم و لحظه ای از تحصیل علم غافل نباشیم.
کاروان علم بشریت با سرعتی غیر قابل مهار به پیش می رود و دستاوردهای علمی و تکنولوژیک مبین این پیشرفت می باشد. ما نیز که جزیی از کل هستی هستیم باید سهمی هر چند کوچک در این راه ایفا کنیم و گامی در جهت خودکفایی کشور برداریم و در کنار فراگیری علوم تجربی، علوم معنوی خویش را توسعه دهیم و این دو بال را هماهنگ به پرواز درآوریم. در غیر اینصورت تصاد حاصل باعث بی هدف بودن فعالیتها و تلاشها می شود.
امروزه وقتی از سیستم کنترل گسترده سخن می گوییم معنایی بس وسیعتر از آنچه در دهه گذشته مدنظر بود، توصیف می شود. اگر نظری آینده نگرانه به آن داشته باشیم، سیستم ها را در گسترده ای می یابیم که از یکسو سنسورها و محرکها و از سوی دیگر سیستمهای فروش، مالی و مدیریتی را برمی گیرند. منطق و نیاز بسیار ساده ای چنین سیستمی را توصیه می کند : جریان وسیع و بدون مانع اطلاعات در سرتاسر یک مجتمع صنعتی یا کارخانه و یا حتی یک مجموعه گسترده از واحدها، با توجه به شرایط رقابت روزافزون حاکم بر بازار، عامل مهمی در موفقیت ارائه محصولات با کیفیت و بها مناسب می باشد.
از طرفی بهینه سازی و ارتقاء کیفیت تولید با تکیه بر روشهای پیشرفته کنترل، کاهش هزینه نگهداری در دراز مدت، امکان توسعه و گسترش ساده و سریه وجود فیدبک های مدیریتی قوی و دقیق در قالب گزارش های گوناگون و در زمان و بسیاری مزایای دیگر به وضوح نیاز به چنین سیستم های در قالب کنترل تولید، بالا می برد.
با روشن شدن اهمیت استفاده از سیستم های کنترل پیشرفته در تولید و مهمتر از آن ارتباط.

PART 1
PROTOCOLS
1 ) پروتکلها
برای انتقال اطلاعات در سیستم های کنترل از استانداردهای متفاوتی استفاده می شود که در این بخش به توضیح برخی از آنها می پردازیم.
این استانداردها عبارتند از :
* RS – 232
* RS – 422
* RS – 485
* 20Ma Current Loop
* CAN
* LAN
لازم بذکر است که هر یک از این استانداردها دارای خواص مخصوص به خود می باشند و بسته به نوع و کاربرد سیستم کنترل از استاندارد خاصی استفاده می شود.
بعنوان مثال می توان یک سیستم DCS را با هر یک از استانداردهای RS – 422 ، RS – 485، حلقه جریان 20 میلی آمپر، CAN و … اجرا نمود.
* استاندارد RS – 232 :
امروزه یکی از پر استفاده ترین رابط های سریال در جهان می باشد و بیشتر کانکتورها 25 پین و به فرم حرف D هستند.
هر پین یا خط Data، برای منظور خاصی درنظر گرقفته شده است. در این استانارد ولتاژ بین، 3+ تا 12+ ولت 1 فرض می شود و ولتاژ 3- تا 15- ولت صفر در نظر گرفته می شود. بیشترین سرعت این استاندارد 115 bps و حداکثر فاصله ارتباطی 15 متر می باشد. در ابن نوع ارتباط حداکثر یک نقطه انشعاب (Drop) وجود دارد.
* استاندارد RS – 422 :
این استاندارد از RS – 232 سریعتر می باشد و می تواند تا 10 Mbaud سرعتش بالا برود و تا Drop 32 در شبکه می توان وجود داشته باشد. حداکثر فاصله ارتباطی در این نوع ارتباط 1200 متر می باشد.
استاندارد RS – 485 :
این استاندارد می تواند در فواصل حتی بیشتر از 1200 متر کار کند و تا 32 Drop داشته باشد. سیم کشی تحت این استاندارد باید بسیار دقیق باشد که چند نکته درباره آن عبارتند از :
* تمام سیمها باید در یک فاصله مطمئن از سیمهای قدرت قرار گیرند.
* در صورت عبور از سیمهای قدرت باید زاویه عبوری 90 درجه باشد.
* تمام اتصالات به ابزارها (Devices) باید یکسان باشند.
بطور کلی استانداردهای انتقال اطلاعات به دو دسته متعادل و غیرمتعادل تبدیل می شوند. استاندارد RS – 232 غیرمتعائل و استانداردهای SR-422 & 485 از گروه متعائلا می باشند.
درایورهای غیرمتعادل :
در استاندارد غیرمتعادل تمام سیگنالها در اتصالات واسطه بصورت ولتاژهایی که با زمین مقایسه می شوند، ظاهر می شوند. بعنوان مثال اطلاعات ارسالی از یک ابزار DTE در پایه 2 ظاهر می شوند که در کانکتور 25 پین نسبت به پایه 7 که زمین است اندازه گیری می شوند.
در صورت رها بودن خط این ولتاز منفی خواهد بود و در صورت وصل بودن خط این ولتاژ بین 5- و 5+ و بین 15- و 15+ متغیر خواهد بود.
درایوهای متعادل :
در سیستم متعادل تفاضلی ولتاژ تولید شده در درایور توسط خطی متشکل از یک جفت سیم که تنها یک سیگنال را شامل می باشند، ایجاد می شود.
در شکل صفحه قبل چگونگی این انتقال نشان داده شده است. درایور متعادل خط ولتاژی بین 2 تا 6 ولت بین دو سیم انتقال خود ایجاد می کند.
یک درایور متعادل خط همچنین یک سیگنال ورودی دریافت می کند که به آن سیگنال Enable می گویند. هدف این سیگنال اتصال دادن درایور به ترمینالهای خروجی سیگنال اطلاعات می باشد. بدین صورت که اگر سیگنال Enable خاموش باشد به این مفهوم است که خطوط سیگنال قطع شده اند.
یک درایور RS – 485 همیشه به این سیگنال نیازی دارد ولی در درایور RS – 422همیشه به این سیگنال نیازی نیست.
گیرنده های متعادل :
گیرنده های خط تفاضلی متعادل، وضعیت ولتاژ خطوط انتقال را در دو پایه ورودی سیگنال خود حس می کنند و همچنین یک سیگنال زمین دارند که برای اتصال صحیح خط سیگنال لازم می باشد.
شکل بالا نمایی از یک دریافت کننده متعادل را نشان می دهد. در این شکل ولتاژهایی که برای یک گیرنده متعادل مهم است نیز نشان داده شده است.
اگر ولتاژ تفاضلی ورودی بزرگتر از 200+ میلی ولت باشد، گیرنده یک سطح منطقی را تشخیص خواهد داد و اگر کوچکتر از 200- میلی ولت باشد سطح منطقی مخالف آن را تشخیص خواهد داد.
استاندارد 20Ma Current Loop :
استاندارد حلقه جریان 20 میلی آمپر در صنعت کنترل دارای کاربرد زیادی می باشد. جریان در خط ارتباط سریال در مقدار 20mAثابت نگه داشته می شود. منطق 1و منطق 0 بوسیله بازکردن و بستن حلقه جریان معلوم می شود.
از آنجایی که جهت ارسال سیگنال منطق 1 فرستنده جریان 20mAرا بصورت ثابت نگه می دارد مقاومت خط و در نتیجه طول خط اثری بر سیگنال اطلاعات ندارد. حداکثر فاصله ارتباطی در این استاندارد 1000 متر می باشد.
CAN (Contoller Area Network) :
مزایای استفاده از CAN :
شبکه CAN را می توان بعنوان یک شبکه ارتباطی سریال مناسب بین سنسورها و Actuator و میکروکنترلرها و ادوات هوشمند بکار برد. شبکه CAN در ابتدا به منظور استفاده در خودروها طراحی و پیاده سازی شد.
زمینه کاربرد CAN از عرصه خودرو فراتر رفته در صنایعی چون اتوماسیون، مدیریت ساختمان و صنایع پزشکی نیز مطرح شده است. مزایای عمده ناشی از کاربرد این شبکه به قرار زیر است :
* کاهش هزینه ها
* توانایی کار در محیط های سخت کاری از نظر اغتشاشات الکتریکی
* توانایی کار در سرعت های بالا و در نتیجه توانایی پاسخ به رویدادها به صورت بلادرنگ (Real time)
* سهولت استفاده از CAN

معماری CAN :
همانطور که بحث شد شبکه صنعتی CAN یک شبکه ارتباطی سریال منطبق بر استاندارد ISO 11898 (استاندار باس های بلادرنگ) می باشد که برای تبادل اطلاعات بکار می رود. در این بخش به توضیح پیرامون ساختار CAN در مقایسه با مدل مرجع OSI خوایم پرداخت.
اولین نسخه CAN که در سال 1980 توسط شرکت Bosch طراحی و پیاده سازی شد شامل دو لایه پایین این مدل است :
در لایه فیزیکی مسایلی چون وسعت انتقال داده ها، سطوح ولتاژی سیگنالهای انتقال، محیط انتقال و غیره بررسی می شوند. لایه ارتباط داده به دو زیر لایه تقسیم می شود. زیر لایه انتقال که عملیاتی چون کنترل ارسال صحیح پیام ها، انجام داوری، آشکار سازی خط و ارسال پیغام خطا، تشخیص و حذف واحد های دچار خطا از شبکه در آن انجام می گیرد. زیر لایه دوم اطلاعاتی را که برای این گروه اهمیت دارد، به لایه بالاتر می فرستد.
پیاده سازی موفق CAN در خودرو طراحان شبکه های صنعتی را تشویق به استفاده از این شبکه در فرآیندهای صنعتی نمود. در فعالیت لازم است که ناظر (Supervisor) همواره بر عملکرد سیستم نظارت کافی داشته باشد. بعلاوه مهندسان هم باید بتوانند پارامترهای مختلف سیستم های فرآیند را براحتی تنظیم و هماهنگ کنند.
اما در اولین نسخه CAN هیچ قابلیتی برای پاسخگویی به این نیاز وجود نداشت. به بیان دیگر مهندسان و ناظران هیچ امکانی برای مشاهده و تنظیم عملکرد شبکه نداشتند. همین امر سبب گردید که در نسخه های صنعتی CAN لایه ای برای برقراری ارتباط بین ناظران و مهندس شبکه از یکسو و لایه فیزیکی از سوی دیگر در نظر گرفته شود که این لایه همان لایه کاربردی (Aplication layer) است. بنابراین نسخه صنعتی CAN سه لایه دارد.
لایه فیزیکی :
شکل زیر نحوه ارتباط گره ها در CAN را نشان می دهد :
ارتباط سیم ها با استفاده از زوج سیمهای بهم تابیده برقرار می شود و بمنظور جلوگیری از وقوع پدیده Reflection دو باس توسط مقاومت های 124 اهم بسته شده اند.
اگر اختلاف ولتاژ بین دو پایه L – CAN و H – CAN کمتر از 5/0 ولت باشد باس حاوی بیت صفر است. اما اگر ولتاژ پایه H – CAN حداقل 9/0 ولت از ولتاژ پایه L – CAN بزرگتر باشد باس حاوی بیت یک است. در هنگامی که یک گره در حال ارسال اطلاعات است واحد Transceiver سیگنالهای دریافتی از پایه TXD را به قالب L – CAN و H – CAN تبدیل کرده و روی باس می فرستد.
در مرحله دریافت هم سیگنال دریافتی از باس را بفرم استاندارد 0 – 5 ولت تبدیل کرده و به پایه RXD میکرو کنترلر می دهد. جدول زیر حداکثر طول ممکن برای باس را برحسب نرخ بیت ارتباطی آن مشخص می کند.
برای اتصال هر یک از گره ها به باس CAN استاندارد DS – 102 CIA برای کانکتورهای 9 پین بصورت زیر تعریف شده است.
LAN (Local Area Network) :
LAN شبکه اطلاعاتی سرعت بالایی است که محدوده جغرافیایی نسبتاً کوچکی را پوشش میدهد. بطور نوعی LAN ایستگاههای شبکه، کامپیوترهای شخصی، پرینترها، Server ها و ابزار دیگر را بهم متصل می کند.
استفاده کنندگان LAN از مزایای زیادی برخوردارند از قبیل :
* دستیابی مشترک بر کاربردها و ابزارهای شبکه
* تبادل مشترک بر کاربردها و ابزارهای شبکه
* تبادل فایل بین استفاده کنندگانی که به شیکه وصل باشند
* ارتباط بین استفاده کنندگان از طریق پست الکترونیکی و دیگر امکانات

ابزارهای LAN :
ابزارهای متداول که در شبکه LAN مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از :
* تکرارکننده ها
* Hub و گسترش دهنده های LAN
تکرارکننده ها ابزارهایی از لایه فیزیکی هستند که بخش های Media ی یک شبکه گسترده را بهم مرتبط می کنند.
تکرارکننده در حقیقت باعث می شود مجموعه ای از سیمها تبدیل به یک رشته سیم اطلاعاتی شوند. تکرار کننده سیگنال اطلاعات را از شبکه دریافت کرده و آنرا تقویت کرده و بازسازی زمانی انجام می دهد و دوباره آن سیگنالها را به یک شبکه دیگر می فرستد.
این کارها از خرابی سیگنال ها بدلیل بلندتر شدن طول سیم ها و زیادی ابزارهای متصل جلوگیری می کنند. تکرارکننده ها از اجرای فیلتر کردن های پیچیده و بقیه مشکلات پردازشی ناتوان هستند.
بهمین سبب تمام سیگنال های الکتریکی خروجی آنها شامل اختلالات الکتریکی و خطاهای دیگر تکرار شده و تقویت شده هستند.
مجموع تعداد تکرارکننده ها و تقسیم کننده های شبکه ای که می توانند متصل شوند به زمان بندی و موضوعات دیگر محدود شده اند.
شکل زیر یک اتصال وصل شده به دو تقسیم شبکه ای را نشان می دهد.
یک Hup یک وسیله لایه فیزیکی است که چندین ایستگاه استفاده کننده را (از طریق سیم مربوطه) بهم وصل می کند. اتصالهای داخلی الکتریکی داخل ابزارهای Hup ثابت هستند. Hup ها زمان تعمیرات یک باس منطقی یا برنامه ریزی حلقه ای یک LAN برای ایجاد یک شبکه ستاره ای استفاده می شوند. در بعضی مواقع یک Hup بعنوان یک تکرار کننده چند مسیره عمل می کند.
یک توسعه دهنده LAN یک سوییچ چند لایه ای قابل دسترسی از راه دور است که به یک دسته Hup وصل می شود. توسعه دهنده های LAN در مقابل ترافیک لایه های شبکه ای استاندارد پروتکلها (مثل Apple talk , ip – ipx) و فیلترهای ترافیک که اساس آنها آدرس mac یا از نوع پروتکل لایه های شبکه است به مقابله می ایستند ولی به هر حال قابلیت تقسیم کردن میزان ترافیک یا ایجاد سد امنیتی را ندارند.
شکل زیر چند گسترش دهنده LAN را که از طریق WAN به یک HOST متصل شده اند، نشان می دهد.
روش انتقال اطلاعات در LAN :
انتقال اطلاعات در LAN به سه کلاس مجزا طبقه بندی می شود :
* UNICAST
* MULTICADT
* BROADCAST
در هر نوع از انتقال یک بسته اطلاعاتی به یک یا تعداد بیشتری نقطه منتقل می شود.
UNICAST :
در انتقال UNICAST در شبکه یک بسته اطلاعاتی از منبع به مقصد فرستاده می شود. ابتدا نقطه مبدا بسته اطلاعاتی را با آدرس نقطه مقصد آدرس دهی می کند سپس بسته به شبکه فرستاده می شود و سپس شبکه آن را به مقصد می دهد.
MULTICAST :
در انتقال MULTICAST یک بسته اطلاعاتی از منبع به شبکه فرستاده می شود. ابتدا نقطه مبدا بسته اطلاعاتی را با استفاده از سیستم آدرس دهی سیستم MULTICAST آدرس دهی می کند و سپس آنرا به شبکه می فرستد. شبکه اطلاعات را دریافت کرده و چند نسخه از کپی آنرا به مقاصد موجود در شبکه ارسال می کند.
BSROADCAST :
در انتقال BSROADCAST یک بسته اطلاعاتی از منبع به شبکه فرستاده می شود. ابتدا مبدا بسته اطلاعاتی را با استفاده از سیستم آدرس دهی مخصوص سیستم BSROADCAST آدرس دهی می کند و سپس آنرا به شبکه می فرستد. شبکه اطلاعات دریافتی را گرفته و چند نسخه از کپی آن را به مقصدهای موجود در شبکه ارسال می کند.

پروتکل LAN و مدل مبنای OSI :
LAN در دو لایه پایینی مدل OSI توابع خود را اجرا می کند. شکل و مدل زیر این موضوع را به روشنی بیان می کنند.
PART2
Control Systems
3 ) سیستمهای کنترل :
بطور کلی تقسیم بندی سیستمهای کنترل بصورت زیر می باشد :
* (Direct Digital Control)DDC
* (Distributed Control Systems)DCS
* (Programmable Lofic Controllers)PLC
* (Fieldus Control Systems)FCS
در این میان DDC که بصورت کنترل مستقیم هر ورودی یا خروجی از طریق کامپیوتر بود، بطور کلی منسوخ شده است. PLC ها نیز در بخش های بعدی توضیح داده خواهند شد. بنابراین در این بخش فق به توضیح FCS , DCS می پردازیم.

1 . 3 ) سیستم کنترل DCS
مقدمه :
تاریخچه کنترل کامپیوتری گسترده به اواخر سال 1950 میلادی برمی گردد، هنگامیکه شرکت TEXA Co America Oil آنرا در کنترل پروسه های شیمیایی خود بکار گرفت و بدین طریق اول کنترل نا متمرکز را رقم زد. در این روش ابتدایی از یک ماشین IBM1700 بعنوان سوپروایزر استفاده می شد که یک سری ماشینهای کوچکتر را در زمینه اندازه گیری داده هایی که به وسیله سنسورها دریافت می گردید، کنترل و هدایت می کرد.
در آن زمان داده های دریافت شده بصورت آنالوگ بوده و فقط برای انجام یک سری از محاسبات بکار برده می شدند. در نسل های بعدی DCS طبیعت کنترلی غیرمتمرکز آن بیشتر نمود پیدا کرد، اما بدلیل قیمت بالای کامپیوتر و بازدهی کم آن، پیشرفت نسبی در این زمینه حاصل نگردید.
تا آنکه در سال های اخیر بدلیل پیشرفت فوق العاده CPU ها و کاهش قیمت آنها، روش کنترلی فوق از معتبرترین روش های کنترلی مدرن بحساب آمد و از آنجایی که سیستم مزبور از لحاظ گستردگی وسیع دارای استانداردهای خاص خود می باشد و همچنین با سیستم مدیریت اطلاعاتی ادغام گردیده، استفاده از آن در سیستمهای بزرگ، امنیت در تولید، تولید انبوه، سوددهی بیشتر و کاهش قیمت ضایعات ساخت را به همراه مدیریتی کارآمد تضمین می کند.
تعریف DCS :
همانطور که از اسم آن مشخص است، یک سیستم کنترل توزیع شده سیستمی است که عملکرد آن بجای اینکه در یک نقطه متمرکز باشد، پراکنده است.
یک سیستم کنترل توزیع شده از تعدادی ماجولهای میکروپروسسوری تشکیل شده که با همکاری یکدیگر عملکرد یک سیستم را کنترل و مانیتور می کند. کامپیوترها با توجه به جغرافیای محل پخش می شوند، بنابراین این مسئله باعث کاهش هزینه نصب و سیم کشی می گردد.
DCS یک شبکه کامپیوتری است اما با شبکه های خانگی و یا اداری موجود تفاوت دارد، چرا که در DCS مسئله پردازش Real Time مطرح می باشد. مخالف آنچه در پردازشهای دسته ای در کامپیوترهای اداری یا خانگی دیده می شود.
تفاوت این دو روش پردازش در نحوه اجرای برنامه های آنها است. در کامپیوترهای معمول نحوه پردازش بدینگونه می باشد که در یک زمان تنها یک برنامه منفرد اجرا می گردد، بطوریکه این برنامه با یک سری داده های ثابت و مشخص شروع به محاسبات پیچیده نموده و در نهایت به نتایج مطلوب ختم می گردد و هنگامی که پردازش تمام شد برنامه متوقف شده تا برای اجرای مجدد با یک سری داده جدید فرمان بگیرد. در روش پردازش Real Time نیز پردازش با یک سری داده ثابت شروع می شود با این تفاوت که اجرای همان برنامه بطور مداوم تکرار شده و داده ها را با توجه به داده های مرحله قبل تازه می گرداند.
بعنوان مثالی از یک عملکرد Real Time می توان از همان کنترل اتوماتیک سرعت ماشین نام برد. کنترل با داده ثابت سرعت شروع و در هر مرحله سرعت ماشین نمونه برداری می شود و با توجه به اختلاف آن با سرعت مطلوب، سیگنال های کنترلی مبنی بر باز و بسته شدن دریچه بنزین اعمال می گردد.
یک کنترلر DCS نیز بدین طریق عمل می کند، یعنی بطور مداوم از صدها یا هزاران سیستم تحت کنترل نمونه برداری کرده و محاسباتی را بر مبنای یک سرح مشخص برای سیستم های مربوطه تکرار می کند. داده هایی که از محیط دریافت می شود را می توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد :
الف ) داده های آنالوگ : که بطور پیوسته تغییر می کنند. این داده ها از طریق حلقه های کنترلی نرم افزاری که برحسب نیاز ممکن است شامل کنترلرهای نسبی، Lead Lag یا PID باشد آنالیز شده و سیگنال های خروجی مناسب صادر می شود.
ب ) داده های گسسته : که کارکردن یا آنها ساده بوده و با توجه به سیگنالهای دریافتی و روابط منطقی عاملی را قطع یا وصل می کند. برای دریافت داده ها از محیط DCS نیز مانند تمام کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی به یک سری آلمانهایی مانند دماسنج، فشارسنج، آمپرمتر و غیره احتیاج دارد.
مقادیر آلمانها به سیگنالهای الکتریکی تبدیل شده و DCS آنها را خوانده و به دیجیتال تبدیل می کند. داده های بدست آمده در موارد زیر استفاده می شوند.
* حلقه های کنترلی (فیدبکها) جهت کنترل آنالوگ؛
* اجرای برنامه های منطقی جهت صدور دستورالعملهای قطع و وصل؛
* نمایش مقادیر روی صفحه مانیتور؛
* تهیه گزارش از وضعیت سیستم؛
* اعلام خطر در وضعیت نامناسب سیستم تحت کنترل و عملیاتهای دیگری که متناظر با نوع سیستم قابل تعریف است.
مزایای DCS نسبت به سیستمهای قدیمی :
* پروژه های بزرگ را می توان به پرسوه های کوچکتر تقسیم کرد و کنترل هر قسمت آنرا به یک ماجول DCS سپرد.
* روش کنترل مرکزی تمام پروسه به وسیله یک کامپیوتر مرکزی انجام می شود، مستلزم داشتن کامپیوتری بزرگ و تجهیزات پیشرفته می باشد که قیمت این سیستمها بسیار زیاد است. اما در کنترل DCS سخت افزار ماجولها از همان میکروپروسسور معمولی تشکیل شده است.
* نرم افزارهای DCS بخاطر استفاده از میکروپروسسورها و تقسیم بندی کنترل، از نرم افزارهای یک کامپیوتر بزرگ در کنترل بسیار ارزانتر تمام می شوند.
* برخلاف سیستم متمرکز در DCS به علت تقسیم بندی کنترل اگر یکی از ماجولها خراب شود کنترل بر روی قسمتهای دیگر به قوت خود باقی می ماند. (Fault Isolation)
* سیستمهای DCS دارای قابلیت گسترش هستند. در سیستم کنترل مرکزی گسترش سیستم مستلزم تعویض پردازنده مرکزی و خرید یک سیستم پیشرفته تر است اما در DCS می توان با اضافه کردن ماحول های کنترلی بیشتر، کنترل را گسترش داد.
* برنامه نویسی DCS در محیط های سطح بالا انجام می شود. این برخلاف کنترلرهای PLC می باشد که نوشتن برنامه آنها نیازمند آشنایی با سیستمهای میکروپروسسوری می باشد.
همانطور که پیشتر آمد، DCS می تواند از ماجولهای کنترلی بسیاری تشکیل شده باشد که می توانند بطور مستقل و همزمان عمل کنند. بعلاوه دارای قابلیت ارتباط سریع بیین ماجول های خویش است که از طریق خطوط ارتباطی با نام بزرگراههای داده های Real Time امکان پذیر می گردد. (ماجولهای ارتباطی در بخش بعد توضیح داده می شوند.)

سخت افزار DCS :
سخت افزار هر سیستم DCS را می توان به اجزاء کلی ذیل تقسیم نمود :
الف ) واحد کنترلر و پردازنده
ب ) مدارات واسط ورودی/ خروجی
ج ) مجاری و مدارات واسط ارتباطی
د ) REDUNDANCY
ه ) DIAGNOSTICS
الف ) واحد کنترلر و پردازنده
این بخش بمنظور پیاده سازی الگوریتمهای کنترلی روی ورودیها و خروجی های مناسب جهت راهبری فرآیند مربوطه بکار گرفته می شود. با توجه به نیاز به اجرای الگوریتمهای پیچیده و مفصل در یک واحد زمانی کوچک، ضرورت استفاده از یک پردارنده پرقدرت در این بخش کاملاً محسوس می باشد.
پیاده سازی این الگوریتمها نیاز به تجهیزات شبیه سازی و تست خاص، تسلط کافی به زبان ماشین و یا زبانهای کاربردی پردازنده مورد استفاده دارد که همه این موارد، استفاده از واحدهای مبتنی بر پردازنده های سری اینتل و کارتهای مبتنی بر ساختار PC جهت پیاده سازی آن را بیش از پیش توجیه پذیر می سازد.

ب ) مدارات واسط ورودی/ خروجی :
این واحدها وظیفه دریافت اطلاعات از ترانسدیوسرها و سسنورها و یا اعمال نتایج حاصل از منطق کنترلی به اجزا دیگر سیستم کنترل از قبیل actuator ها شیرها و … را دارا می باشند. در یک سیستم کنترل گسترده این واحدها باید حداقل دارای امکانات زیر باشند :
1 ) ایزولاسیون کامل
2 ) حداقل نیاز به تنظیم
3 ) امکان عیب یابی داخلی و اطمینان از صحت عملکرد توسط خود واحد
4 ) امکان برقراری ارتباط با پردازنده اصلی
5 ) امکان پیاده سازی برخی پیش پردازشها
6 ) امکان جایگزینی و عیب یابی بصورت ONLNE
7 ) امکان عملکرد بصورت REDUDANT
8 ) امکان عملکرد FAULT TOLERANT
9 ) سرعت نمونه برداری قابل قبول
10 ) تفکیک پذیری قابل قبول در مبدلهای آنالوگ به دیجتال
با توجه به این نیازها، استفاده از مدارات میتنی بر پردازنده در اینگونه واحدها نیز اجتناب ناپذیر می باشد. لکن بدلیل محدود بودن حوزه عملکرد هر واحد امکان بکارگیری پردازنده های با قدرت کمتر و یا خاص در آنها مهیا می باشد. یکی ازز مسائل عمده در این واحدها پیاده سازی ایزولاسیون کامل می باشد. در انواع دیجیتال این ایزولاسیون با استفاده از یکی از ساده ترین روش ها یعنی OPTO ISOLATION امکان پذیر می باشد ولی در انواع آنالوگ با توجه به تنوع این انواع و دقت مورد انتظار از اینگونه سیستمها و همچنین قابلیت خود تنظیمی این اجزاء بحث کمی پیچیده تر و مشکلتر می گردد.
ج ) مجاری و مدارات واسط ارتباطی :
یکی از مهمترین و در عین حال پیچیده ترین بخشهای سیستم DCS مجاری و مدارات واسط ارتباطی و یا در یک کلام شبکه های ارتباطی آنها می باشند. این شبکه ها به بخشهای مختلف تقسیم می گردند. از جمله این بخشها می توان موارد ذیل را نام برد :
1 ) شبکه ارتباطی بین کارتهای ورودی/ خروجی و واحدهای پردازنده و کنترلر
2 ) شبکه ارتباطی بین واحدهای پردازنده و کنترلرهای مختلف
3 ) شبکه ارتباطی بین تجهیزات MMI و کنترلرها
4 ) شبکه ارتباطی بین سیستم DCS و اجزاء ساخت سایر کارخانجات
د ) REDUNDANCY :
یکی از مباحث مهم در سیستمهای کنترل، امنیت عملیاتی و در دسترس بودن سیستم در طول زمان می باشد. به این منظور از سیستمهای REDUNDANT استفاده می گردد. این REDUNDANCY در کلیه سطوح سخت افزار سیستم از قبیل واحدهای I/O، شبکه های ارتباطی، منابع تغذیه و … بسته به ماهیت فرآیند و درجه امنیت آن پیاده سازی می گردد.
پیاده سازی عملی واحدهای REDUNDANCY یکی دیگر از مشکلات اساسی سیستمهای گسترده می باشد چرا که با توجه به REAL TIME بودن بخشها، اجزاء باید به گونه ای عمل کنند تا حین تعویض اتوماتیک و یا غیر اتوماتیک هیچگونه شوک به سیستم وارد نشود و این تعویض بصورت HOT در سرویس باشند و در لحظه کلیه اطلاعات و عملکرد جزء دیگر را در اختیار داشته باشند. همانطور که مشاهده می گردد این امر نیازمند به یک ارتباطی اطلاعاتی کامل بین این اجزا می باشد ضمن اینکه شرایط مختلف تعویض حالت نیز باید برای سیستم به صورت دقیق تعریف گردد.
ه ) DIAGNOSTICS :
یکی دیگر از مواردیکه در ساخت و پیاده سازی یک سیستم DCS باید مورد نظر قرار بگیرد، مسئله عیب یابی اتوماتیک و SELF DIAGNOSTICS در اینگونه سیستمها می باشد. این عیب یابی باید شامل کلیه بخشهای سخت افزار از قبیل واحدهای کنترلر؛ کارتهای I/O، شبکه های ارتباطی، تجهیزات MMIو … باشد که به این منظور با استفاده از الگوریتم های خاص و بکارگیری تمهیدات مختلف در طراحی سخت افزار سیستم می توان به این مهم دسترسی پیدا کرد. معمولاً محدوده Diagnostic هر بخش باید حداقل شامل تشخیص خطا و اعلام خطا به اپراتور و یا مهندسی سیستم جهت رفع آن باشد.
پایانه های کاربر
* پایانه های اپراتوری :
این قسمت در واقع رابط بین اپراتور و DCS است. داده های روی صفحه نمایش مرور می شوند و اپراتور با توجه به این اطلاعات دستورالعملهای لازمه را به سیستم اعلام می کند.
اطلاعات از طریق ماوس، صفحه کلید، تراک بال، مانیتورهای لمسی و صفحه کلید اپراتوری که در سیستمهای معمولی دیده نمی شود، صفحه کلیدی است که بوسیله فشار هر دکمه خاص آن که مربوط به یک عمل خاص سیستم کنترل است، ماکرو تعریف شده خاصی را در کامپیوتر شده خاصی را در کامپیوتر فعال می کند و بدین ترتیب عمل مربوطه انجام می پذیرد.
هر کلید آن برای کار خاصی بوده و عملکرد آن مشابه کلیدهای Hot key در صفحه کلیدهای معمولی است.
* پایانه مهندسی :
از نظر ظاهر مانند پایانه های اپراتوری می باشند و فقط از نظر نرم افزاری تفاوت دارند. ولی در صورت لزوم می توانند بجای آن هم استفاده شوند. اما معمولاً برای مقاصد زیر توسط مهندسین بکار می روند :
الف ) تنظیمات مربوط به کنسولها و اطلاعات پایه
ب ) تغییر دادن اطلاعات اصلی و اولیه
ج ) نصب نرم افزارهای کاربردی سیستم کنترل گسسته
معمولاً پایانه های مهندسی برخلاف پایانه های اپراتوری بصورت off line بکار می روند.
نرم افزارها و استانداردها :
طی دو دهه اخیر فعالیت های اساسی پیرامونن استاندارد کردن پروتکل های ارتباطی در سطح جهانی شروع شده است که موسسه استاندارد بین المللی ISO با طرح مدل ISO در سال 1978 آغازگر این حرکت بود.
در زیر یک مدل ISO برای فیلدباس آمده است.
امروزه پروتکلهای ارتباطی استاندارد نظیر MAP ver 3.0 تحت ISA SP72 در دسترس طراحان قرار دارد.
در حالت کلی نرم افزارهایی که باید روی DCS نصب شوند را می توان به دسته های زیر تقسیم کرد :
* نرم افزار اجرایی : همان سیستم عامل می باشد و وظایف اجرای برنامه ها، زمان بندی، مدیریت حافظه، ضبط اطلاعات و نظارت بر I/O را برعهده دارد.
* نرم افزارهای کاربردی : توسط این نرم افزارها نحوه کنترل برنامه ریزی می شود و وظیفه محاسبه، دریافت و ارسال اطلاعات آنالوگ و دیجیتال و تجزیه و تحلیل داده ها برعهده این برنامه ها است.
* نرم افزارهای ارتباطی : ارتباط بین کل پروسه و سخت افزارها را برقرار می کند.
اتصال DCS به سیستمهای دیگر :
در خیلی از کاربردها باید DCS با کامپیوترها و سیستمهای میکروپروسسوری از انواع دیگر ارتباطی برقرار کند. مانند :
* هنگام اتصال و تبادل اطلاعات با کامپیوترهای سیستم اطلاعات مدیریت
* اتصال و تبادل اطلاعات با کامپیوترهای مدل کننده
* هنگام اتصال با PLC ها
در حالت کلی ارتباط با کامپیوترهایی که دارای سیستم عاملی از نوع دیگر هستند.
بنابراین لازم است که اطلاعات ارسالی ابتدا ترجمه شوند. بدین منظور از سخت افزاری بنام Translator Box یا Host Gate Way استفاده می شود. این سخت افزار بمنظور ترجمه باید برنامه نویسی گردد. بنابراین این سخت افزارها با توجه به نوع ترجمه دارای درایورهای مختلفی هستند که بین خود و DCS رابطه ای از نوع Master/ Slave برقرار می کنند. مثلاً هنگام اتصال DCS با PLC، DCS بعنوان Master از طریق سخت افزار توسط درایو خاصی با PLC تبادل اطلاعات می کند.
مسئله فوق از لحاظ هماهنگی (Compatibility) هنگام ارتقاء نوع کنترل یک پروسه بزرگ به DCS بسیار مهم می باشد.
2 . 3 ) سیستم کنترل FCS
تاریخچه :
در سال 1985 انجمن ابزار دقیق امریکا که بعدها کمیسیون بین المللی الکتروشیمی نیز به آن پیوست، شروع به بنیان گذاری یک استاندارد برای ارتباطات دیجیتال دو طرفه و Multi Drop بین ابزارهای دقیق و سیستمهای کنترل برای مقاصد کنترل پروسس نمود که تا امروز، تنها یکی از هشت قسمت طراحی شده از این استاندارد تحت عنوان IEC 1158 – Part2 کامل شده است که عبارت است از :
"استاندارد لایه فیزیمی فیلد باس" که از سال 1993 در دسترس می باشد. تولیدکنندگان و مصرف کنندگان نهائی در صنعت کنترل شاهد تاثیر گذاری گسترده انقلاب مخابرات دیجیتال بر زندگی تمام افراد هستند و البته فرصتها، فواید و صرفه جویی هایی را که در صورت تطبیق این تکنولوژی در مخاسبات پروسس و مقاصد کنترلی پیش می آید را درک می کنند و علیرغم اینکه IEC مدت زیادی بطول خواهد انجامید، گروههای تولیدی زیادی شروع به پیش قدمی در شروع استفاده از المانهای آماده IEC، با فرض اینکه بخشهای ناقص در آینده نزدیک مطمئناً آماده خواهد شد، کرده اند.
امروزه ابزار دقیق فیلدباس نظیر ترانسمیترهای فشار، جریان، سطح و حرارت توسط تعداد کثیری از سازندگان تولید می گردد. همچنین با ابزار واسطه مبدل فیلدباس به فشار (3 to Psi) و یا به جریان (4 to 20 mA) امکان مدرنیزه نمودن با تکنولوژی فیلدباس و حفظ قطعات سنتی (در عین حال گران قیمت) مجموعه های صنعتی در آن واحد میسر می باشد. همچنین مبدل های تبدیل جریان به فیلدباس امکان استفاده از ابزار دقیق سنتی را ممکن می سازد.
با توجه به امکان تعویض تدریجی ابزار دقیق و قطعات ایستگاه از این ابزار واسطه صرفه جویی های قابل توجهی در مدرنیزه نمودن مجموعه حاصل می گردد.
تعریف Fiwldbus :
فیلدباس نام عمومی پروتکل هایی است که براساس استاندارد IEC 1158 پایه ریزی شده اند و نیاز صنعت کنترل را برداشتن استانداردهای سیم کشی، امنیت ذاتی (Intrinsic Safety) سیگنالهای دو سیم و قدرت رسانی به وسائلی که حداقل 1500 متر دورتر هستند را بوسیله عملیات Multi Drop، تا تاخیر زمانی قابل قبول و انتقال داده مطمئن برآورده می سازند. اهم مشخصات فیلدباس عبارتند از :
* هم عملیاتی (Interoperability) : قابلیت کار با تجهیزات کارخانه های مختلف به دلیل داشتن استانداردهای ارتباطی باز یکسان؛
* فانکشهای کنترل (آلارم و محاسبات)، بصورت توزیع شده به هرDivice در Field؛
* جایگزینی سیگنالهای 4 – 20 mAبا سیگنال دیجیتال و در عین حال از دست ندادن ویژگیهای دلخواهی مثل اتصال فیزیکی به سیم؛
* قابلیت اتصال Divice ها بهBus وIntrisitic safty داشتن در نواحیhazardous؛
تحولات ایجاد شده بوسیله Fieldbus:
امروزه سیستم فیلدباس در حال ایجاد انقلاب در صنایع می باشد و در ضمن این سیستم به عنوان نسخه بعدی و پیشرفته تری DCS از شناخته می شود. البته این سیستم فرق های اساسی زیر را با DCS دارد :
* DCS یک سیستم نیمه توزیع یافته است در حالیکه Fieldbusکاملاً توزیع یافته است.
* DCS یک سیستم نیمه دیجیتال است در حالیکه Fieldbusکاملاً دیجیتال است.
* Fieldbusیک معماری کامل برای کنترل پروسس بوده و نسبت DCS به از پیچیدگی کمتری برخوردار است.
* Fieldbus به کارتهای D/A و Interface احتیاجی ندارد زیرا ارتباطات اساساً دیجیتال است.
* Fieldbusبه کارت های کنترلر (CPU) احتیاجی ندارد زیرا کنترل ها در Field Deviceها انجام می گیرند.
* Fieldbus به Data Highway احتیاجی ندارد.
بنابراین با وجود فیلدباس اکثر Devvice های Field می توانند بیشتر کنترل روی Time – Criticalفانکشن های مربوط به خود را خودشان انجام دهند و لذا احتیاجی نیست که dataابتدا به اتاق کنترل برود.
ضمناً Manipulation و Signal Conditioning & Processingکه بنوبه خود وقت گیر هستند حذف می شوند. فایده Fieldbus در این زمینه کاهش تجهیزات اتاق کنترل مثل Rackهای ورودی و خروجی و نیز کارتهای Conditioning می باشد لازم بذکر است که هایبرید Fieldbus – DCSگران بهاتر از یک سیستم فیلدباس Stand – aloneمی باشد.
مزایایFCS :
یک سیستم FCSقیمت اولیه کمتری نسبت به DCS مشابه دارد.
حذف سیمکشی ها و cable trayهای کمکی، Ceviceهای موجود در Fieldو تجهیزات اتاق کنترل که بطور معمول در DCS کاربرد داشته در این کاهش قیمت مواثرند. به علاوه افزایش Flowی اطلاعات مثل اطلاعات مربوط بهDiagnostic، و دقت بالاتر به مدد ارتباطات دیجیتال را نیز به همراه خواهد داشت.

Deviceهای کمتر :
بسیاری از ترانسمیترهای فیلدباس چند متغیره (Multi – Variable) هستند مثل ترانسمیترهای دو کاناله دما که دو دما را محاسبه کرده و هر دو را به صورتReal – time ارسال می کنند.
Diagnostics :
ارتباطات دیجیتال دستیابی به اطلاعاتConfiguration، Device data،Operation و جزئیات Diagnostic را از طریق اتاق کنترل میسر می سازد. Self – diagnostic مربوط به هر در Device ،Field اشتباهات یا مشکلات بوجود آمده را سریعاً گزارش کرده و امکان مشاهده سریع خطاهای Device های مختلف را حتی از بروز هر آسیبی میسر می کنند. خطاهای سخت افزاری مثل خطای سنسورها و Actuatorها و نیز خطاهای نرم افزاری مثل خطای Configuration حتی بدون نیاز Manual به کردن سیستم، قابل گزارش و برطرف کردن هستند.
بنابراین اپراتورها بدون نیاز به مراجعه Field به بلافاصله تشخیص می دهند که یک مشکل در پروسس به Device Field مربوط می شود یا نه.

* کاملاً دیجیتال بودن :
برخلافDCS، سیستم Fieldbus از ترانسمیتر گرفته تا ورودی دیجتال یک کنترل ولو، کاملاً دیجیتال است. وجود سیگنال های دیجتال در انتهای حلقه کنترل، امکان Signal processingهای بسیار دقیق و پیچیده را فراهم می سازد.
کابل های ارتباطی تجهیزات Fieldbus می توانند صدها متر درازا داشته باشند بدون اینکه نویزها و یا اعوجاج های معمول در ارتباطات آنالوگ در آنها رخ دهد. ضمناً متغیرهای محاسباتی یا کنترلی که بین فانکشن بلوک ها رد و بدل می شوند علاوه بر داشتن مقدار، یک حالت (Status) را در برمی گیرند که حاوی اطلاعات مربوط به حد سیگنال و کیفیت آن می باشد.
* استفاده آسانتر :
Configuration تمام Deviceها با استفاده از روش فانکشن بلوک به یک شیوه انجام می شود و احتیاجی به آموزش برنامه ریزی های مختلف Device یا زبانهای برنامه نویسی نمی باشد، زیرا تمام تولیدکنندگان صرفنظر از اینکه از چه Device استفاده شده باشد، فانکشن بلوکهای مشابهی را استفاده می کنند.
برای مثال یک ترانسنمیتر دما و فشار از تولیدکنندگان مختلف بروش پایه ای مشابهی عمل می کنند که باعث کاهش پیچیدگی کار و نیز آموزش به اپراتور می شود.
در این سیستم کلیه ابزارها از طریق یک زوج سیم که کار تغذیه الکتریکی تجهیزات را نیز بعده دارند به یکدیگر متصل بوده و با هم ارتباط داشته و انتقال اطلاعات موردنیاز از این راه صورت می پذیرد.
* Interoperability :
به قابلیت سازگاری تجهیزات سازنده های مختلف با یکدیگر، گفته می شوند. این قابلیت به کاربر اجازه می دهد که صرفنظر از Supplier سیستم، برای هر کاربرد بهترین محصول را انتخاب کند.
OLEمربوط به پروسس کنترل (OLE for Process Control) به منظور دسترسی سازگار applicationهای تحت Windowsبه اطلاعات Plant طراحی می شود. OPC در واقع استاندارد کردن فیلدباس را تکمیل می کند. تمرکز OPC رو ی برقرار کردن ارتباط بین Deviceهای و Field نرم افزار Windows است که امکان یکپارچه شدن بسیاری از برنامه ها را با یکدیگر فراهم می سازد.
OPC ، مقادیر پارامترها، آلارمها و Trendها را اعمال می کند و قابلیتهای فراوانی را (از جمله فراهم آوردن امکان انتخاب بیشتر برای کاربر به منظور توسعه سیستمهای تولید یکپارچه) دارا می باشد.

* Data Rate :
سرعت انتقال اطلاعات در این سیستم برابر 31.25 Kbit/Secبا است که علیرغم اینکه سرعت بالایی نمی باشد لیکن برای کنترل فرآیندهای شیمیایی مناسب است. لازم به ذکر است که در اکثر سیستمها DCS حتی در خصوص سیستم های Emergency Shutdown از سیستمی غیر از سیستم اصلی و معمولاً از که سرعت بهتری دارد، استفاده می گردد.
اجزاء سیستم Fiedbus :
در یک سیستم Fiedbus ، ارتباط دادن Device های Field کاری ساده است. بصورتtypical، هر Device می تواند با 12 Device دیگر روی یک باس بصورت موازی متصل و سیم بندی شود. ضمناً افزودن Device هایی که سیستم را مقیاس پذیر (Scalable) می کنند نیز آسان می شود. همچنین سیستم می تواند به منظور پاسخگوئی به احتیاجات جدید، گسترش داده شود و در بسیاری از موارد، Device ها می توانند بدون احتیاج به یک یا Interface کابل دیگر با هم connect شوند.
مبنای کار Fiedbus برای شناسایی تمام Device ها و اسامی پارمترهای استاندارد شده نظیر ( SP , PV)، tagهایی است که توسط کاربر تعریف می شوند، با connect کردن یک Device اضافی به باس، host به راحتی می توانند ها را درخواست کند و به این ترتیب Installation کامل می گردد.
فیلد باس قابلیت شبیه سازی مقادیر ورودی و خروجی را نیز دارد که این امکان را فراهم می سازد که بصورت کاملاً Safeپاسخ سیستم را به تغییرات ورودی ها در شرایط Fault، بتوان بررسی کرد.
اجزاء مختلف سیستم عبارتند از :
الف ) لایه های مختلف سیستم :
پروتکل های ارتباطات دیجتال عموماً از مدل استاندارد Interconnection سیستم های باز (Open Sys.) تبعیت می کنند که لایه های متفاوتی مسئول کد کردن پیغام و فرستادن آنها به لایه های مجاور می باشند.
Physical Layer :
این لایه از استاندارد IEC پیروی کرده و محیطی را برای ارسال/ دریافت data از محیط فیزیکی فیلدباس برحسب سرعت ارتباط، کدینگ سیگنال، طول ارتباطات، تعداد واحدها و منبع تغذیه روی باس و غیره پوشش می دهد.
تمرکز اصلی فیلدباس روی محیط سیم کشی مسی می باشد هر چند که فیبر نوری و ارتباطات رادیویی نیز به استاندارد IEC افزوده شده اند. طول یک باس سیم کشی شده به کیفیت سیم کشی (Cabling) بستگی دارد.
فیلدباس در هر انتها به یک ترمیناتور (مدارRC) احتیاج دارد که شبکه ارتباطی را بالانس کرده و از اعوجاج ارتباطی جلوگیری کند. سیگنال های ارتباطی با تکنیکهای مختلفی مد می شوند بطوری که هر بیت data از یک سیکل کامل است. فواید این تکنیک :
1 ) امنیت بالاتر؛
2 ) بیان هر بیت بوسیله تغییر حالت (State)؛
3 ) صرفه جویی در وقت سیستم؛
می باشد. 32 Device می توانند روی یک باس سوار شوند. با این محدودیت که فقط 12 واحد می توانند از طریق همان باس تغذیه شوند. حداقل ولتاژ تغذیه 9 ولت بوده و Safety Barrier ها شامل مقاومتهای W 102 محدود کننده جریان می باشند و قدرت روی فیلدباس بین 30 – 9 وات می تواند باشد که مقدار نامی آن 24 وات است. منبع تغذیه باید یک منبع تغذیه فیلدباس همراه با فیلترهایی جهت اطمینان از عدم بوجود آمدن اتصال کوتاه در ارتباطات فیلدباس باشد.
* Data Link Layer(DLL) :
کار این لایه کنترل پیامهای ارسالی از و به فیلدباس از طریق Physical layer می باشد. این لایه دسترسی به فیلدباس را از طریق یک Bus Scheduler مرکزی قطعی (Deterministic) که (LAS)Data Link Scheduler نامیده می شود، مدیریت می کند.
DLL دو نوع از Device ها را تشخیص می دهد :
1 ) Basic
2 ) Link Master
Link Master محتوی یک LAS بوده و می تواند ارتباطات فیلدباس را کنترل کند. Basic Device ها محتوی LAS نیستند. در ضمن Configuration فیلدباس، لیستی از Device های روی باس و نیز نوع dataی موردنیاز در یک زمان معین، به LAS داده می شود.
هنگامیکه زمان این فرا می رسد که یک Device دیتای خود را ارسال کند، LAS به آن فرمان می دهد که data را برای تمام Device های روی باس منتشر (Pudlish) کند. به صورت همزمان تمام Device هایی که به منظور استفاده از آن data ، Configureشده اند، آن را دریافت (Subscribe) می کنند.
DLL همچنین مسئولیت تامین زمان برای Deviceها را از طریق Time Scheduler به عهده دارد. بمنظور انجام عملیات پیوسته و عدم توقف خط تولید DLL و Time Master می توانند بصورت Redundant قرار بگیرند.
* User Layer :
این لایه به سه بخش مجزا تقسیم می شود :

1 ) Network Management :
در واقع مانیتورینگ ارتباطات با شبکه را برعهده دارد و سه عمل زیر را انجام می دهد:
Configuration برای LAS
مانیتورینگ Performance و آشکارسازی خط
Configuration مربوط به Function های دیگر در محدوده ارتباط
2 ) System Management :
مدیریت کل شبکه مانیتورینگ از جمله Scheduling، Access to Device ، Addressing و … را انجام می دهد و در ضمن فراهم سازنده امکانات زیر است :
* دسترسی برای تنظیم آدرسهای Device ها بطور همزمان با ساعت Application ؛
* مکان یابی Tag device ها
* زمان بندی نحوه عمل و Function Block
3 ) User Application :
مسئول کنترل پروسه و تعاریف لازم برای خط تولید و پروسس می باشد.
متشکل از Function Block هایی برای
* هم عملیاتی بین Device ها
* آدرس دهی نیازهای بخش های کنترل پروسس و اتوماسیون تولید نیز می باشد.
Function Block ها برحسب پارامترهای ورودی و خروجی و مقادیر تنظیمی بلوک و بر مبنای پاسخ موردنیاز در مد کنترلی تعریف می شوند.
هر کدام از موارد فوق را یک Object می خوانیم که OD در نوشته می شوند و می توانن بصورت بسته های ساده تری بطور گروهی تقسیم بندی شوند و در OD بصورت XXXXX Objectsذخیره شوند. بعنوان مثال
1 ) Function block Objects
2 ) View Objects
3 ) Parameter
مثلاً یک مجموعه اولیه متشکل از 10FB، می تواند از ورودی های A یا D گرفته تا PID ها را پوشش دهد. بنابراین توابع کنترلی از Monitor Only گرفته تا Override & Split Range وسعت پیدا می کنند.
ب ) فانکشن بلولکها Database :
* Function Blocks :
Deviceهای مختلف با استفاده از FB هایی که در هر Device مقیم می شوند با هم Link می شوند. هرگاه یک Device جدید لازم باشد، User فقط نیاز به Initiate کردن FB مربوطه دارد. Link های بین بلوک ها می توانند تغییر داده شده و بلوکهای جدیدی اضافه یا کم شوند.
Device های Typical بلوکهای مختلفی داشته و چند آلارم نیز دارند.
Device های پیشرفته تر ممکن است تعداد نامحدودی از FB ها را اجرا کنند. فانکشن بلوکها با سخت افزارهایی از قبیل سنسورها یا Actuator ها از طریق بلوکهایی به نام Transducer Block ارتباط برقرار می کنند. این بلوک مسئول ثبت اطلاعات و توابع خاص محاسبات کمیات ویژه ای مانند دما می باشد. این بلوکها محاسبات، Actuator و نمایش را برعهده دارند.
آلارمها و Event ها را مجموعاً Alert می نامیم. فانکشن بلوکهای Device ها، آلارمها را نیز آشکار می سازند. هرگاه آلارمها یا Event ها رخ می دهند، فانکشن بلوک بوسیله ارسال یک Alert ، موضوع را به Host متذکر می شود. بنابراین اپراتور نیازی به کار متناوب برای تشخیص شرایط Alarm ندارد.
* Data Base :
فیلدباس از قاعده Data Base کاملاً توسعه یافته استفاده می کند. Host در هر زمانی می تواند به این اطلاعات دسترسی داشته باشد، بنابراین نیازی به داشتن Duplicate Data Base نداریم.
در موارد نیاز به تعویض یک device سیستم بسادگی Data Base آن device را حفظ کرده و انتخاب صحیح یک device جدید را تضمیمن می کند.

نحوه اجرای سیستم Fieldbus :
پیاده سازی مستقیم سیستم فیلدباس شامل دو بخش اصلی زیر می باشد :
1 ) طراحی سیستم؛
2 ) Configureکردن Device ها؛
طراحی سیستم در واقع پیشرفت منطقی سناریوی کنترل است که با سیستم های کنترلی توزیع یافته امروزی فرق های زیادی دارد. استراتژی کنترل مورد نیاز، شامل طراحی FB ها و تغذیه های واقعی می باشد.
device ها برمبنای کارآیی موردنیاز و نیز FB هایی که در خودشان موجود دارند، انتخاب می شوند.
پیکربندی سیستم (Configure) که در واقع وارد کردن ابزارهای پیکربندی
1) Device names
2 ) LAS address
3 ) Loop tags
4 ) Execution rates
به سیستم و نیز تعریف ارتباطات FB ها می باشد.
پس از وارد کردن این پارامترها، Configuration tool ها بوجود آمده و اطلاعات خاص خود را برای هر device روی Downlaod , Fieldbus می کند. سیستم در این مرحله آماده راه اندازی (Start up) می باشد.

استانداردهای Fieldbus :
در حال حاضر استانداردهای زیادی در بازار در رابطه با فیلدباس وجود دارند. اشکال اینجا است که ابزار دقیق یک فیلدباس، قابل استفاده از فیلدباس دیگر نمی باشد و لذا استفاده کنندگان دچار بلاتکلیفی شده اند. عمده ترین این استانداردها شامل موارد زیر می باشند :
* Profibus :
استاندارد رایج آلمانی منطبق بر استاندارد EN 50170 در اروپا بخصوص در صنایع تولیدی و صنایع برق می باشد.
* ISP :
توسعه بین المللی Profibus
* Fieldus Fundation :
FF نتیجه فعالیت مشترک ISP و WorldFIP در سال 1994 می باشد.
* P _ Net :
استاندارد دانمارکی که مورد EN50170 تائید قرار گرفت.
در سال 1993 تولیدکنندگان عمده جهان استاندارد FF را جهت دستیابی به یک استاندارد جهانی بنا نهادند. امروزه بیش از 100 شرکت که 90% بازار کنترل فرآیند را تشکیل می دهند، امکان تحقق چنین هدفی را قابل دسترسی ساخته اند. FF اولین فیلدباسی است که جهت برآوردن نیازهای بازار کنترل فرآیند طراحی شده است. شکل زیر بیانگر تاریخچه تکامل فیلدباس است، حرکتی که سعی بر ایجاد استاندارد واحدی برای اروپا که هر سه فیلدباس P- Net،Profibus , WFIP و را تائید کرده بود به شکست انجامید و لذا همانطوری که در شکل ملاحظه می نمایئد، FF بعنوان رایجترین استاندارد مطرح گشت.
PART 3
SENSORS
سنسورها :
سنسور المان حس کننده یک سیستم می باشد که کمیتهای فیزیکی مانند فشار، حرارت، رطوبت، فلور و … را به کمیت های الکتریکی پیوسته یا غیرپیوسته و یا حتی کمیت غیرالکتریکی (مانند تغییر مقاومت داخلی سنسور) تبدیل می کند.
این سنسور ها در انواع دستگاههای اندازه گیری و سیستمهای کنترل آنلوگ و دیجیتال مانند PLC مورد استفاده قرار می گیرند. عملکرد سنسورها و قابلیت اتصال آنها به دستگاههای مختلف از جمله PLC باعث شده است که سنسور بخشی از اجزای جدانشدنی دستگاه کنترل اتوماتیک باشد.
سنسورها اطلاعات مختلف از وضعیت اجزای متحرک سیستم را به واحد کنترب ارسال نموده و باعث تغییر وضعیت عملکرد دستگاهها می شوند.
در این بخش، ابتدا به توضیح روشهای اندازه گیری چهار کمیت مهم حرارت، جریان (Flow)، سطح ارتفاع (Level) و فشار می پردازیم و در پایان درباره سوئیچ های بدون تماس صحبت خواهیم کرد.
1 ) اندازه گیری درجه حرارت :
برای اندازه گیری درجه حرارت از آشکارسازهای مختلفی استفاده می شود که در دو گروه کلی زیر طبقه بندی می شوند :
* آشکارسازهایی که با سیال در تماس هستند؛
* آشکارسازهایی که با سیال در تماس نیستند؛
1 . 1 ) آشکارسازهایی که با سیال در تماس هستند :
این آشکارسازها که در آنها از روش تماس سیال با المنت اخذکننده درجه حرارت استفاده می شود، شامل انواع زیر می باشند :
1. 1 . 1 ) ترموکوپل :
یکی از عمومیترین وسائل حساس در مقابل درجه حرارت ترموکوپل می باشد. داستان ترموکوپل به کشف Seebeckدر سال 1821 در مورد وجود یک جریان الکتریکی در مدار بسته ای از دو فلز غیر همجنس، در حالیکه دو نقطه اتصال در درجه حرارتهای مختلف باشد برمی گردد. چنین ترموکوپلی در شکل زیر نشان داده شده است.
در اینجا B , A دو فلز و T2 , T1 درجه حرارتهای نقاط اتصال آنها می باشند. I نشان دهنده جریان ترموالکتریکی است که در مدار جاری است. معمولاً A نسبت به B در صورتیکه T1 اتصال سردتر باشد، از لحاظ ترموالکتریکی مثبت خوانده می شود.

اثرات ترموالکتریک :
آگاهی از وجود اثر کشف شده به وسیله Seebeck گشاینده راه برای کاربرد این دانش دراندازه گیری اختلاف درجه حرارت موجود بین اتصالات دو سیم بود. قبل از بحث مفصل در مورد پیشرفت های این وسیله، به ذکر دو اثر ترموالکتریک ترکیب شده برای تولید جریان ترموالکتریک می پردازیم.
اثر Peltier:
این اثر بوسیله در سال 1834 کشف شده است. این اثر دفع یا جذب حرارت در یک اتصال دو فلز غیر همجنس را هنگامیکه جریانی در طول این اتصال جاری است بیان می نماید.
در صورتیکه جهت جریان معکوس گردد، علامت اثر حرارت نیز معکوس خواهد شد. بررسی بیشتر این آشکار می سازد که مقدار حرارتی که جذب یادفع می شود متناسب با جریان بوده و ضریب تناسب بستگی به درجه حرارت و جنس ترموکوپل دارد.
بنابراین مقدار حرارت انتقالی از اتصال یا به اتصال به وسیله PI نشان داده می شود که در اینجا P ضریب Peltier به وات بر آمپر یا بصورت ساده تر نیروی الکترو موتوری () (EMF) Peltierبرحسب وات می باشد.
اثر تامسون :
این اثر شامل جذب یا دفع حرارت در هنگان جاری بودن جریان در فلزهای همجنس در صورت وجود تدرج حرارتی می باشد. اثر تامسون بطور معکوس نیز صدق می کند و اگر جهت جریان تغییر نماید، علامت اثر حرارت نیز معکوس خواهد شد. حرارت تامسون ظاهر شده در یک زمان معین و در یک ناحیه کوچک از هادی متناسب با جریان و اختلاف درجه حرارت در طول آن ناحیه می باشد.
ضریب تناسب بستگی به درجه حرارت و جنس هادی دارد. بنابراین مقداری از حرارت که در یک ناحیه کوچک از هادی حامل جریان I و اختلاف درجه حرارت T جذب و یا دفع میگردد، معادل می باشد که در آن ضریب تامسون به وات بر آمپر بر درجه یا نیروی الکتروموتوری (EMF) تامسون به ولت بر درجه نامیده می شود.
پس از مباحث بالا نتیجه گیری می شود که برای دو فلز با جنس معین جریان I متناسب با اختلاف درجه حرارت در دو نقطه اتصال می باشد. حال در صورتیکه یکی از نقاط اتصال را در صفر درجه نگهداریم جریان متناسب با درجه حرارت نقطه دیگر خواهد بود. در اینجل سری را که درجه حرارت آن ثابت نگهداشته می شود، اتصال سرد یا اتصال مقایسه و سر دیگر را اتصال گرم می گویند.
فاکتورهای موثر در انتخاب فلز ترموکوپل :
برایدو فلط ترموکوپل از جنسهای مختلفی می توان استفاده نمود که هر کدام از آنها دارای خصوصیات مربوط بخود می باشند. فاکتورهایی که در انتخاب جنس ترموکوپل موثرند عبارتند از :
الف ) محدودییت های درجه حرارت؛
ب ) روابط خطی بین درجه حرارت و EMF
ج ) مقدار EMF نسبت به هر درجه تغییر حرارت
1 ) حد خطا و حساسیت
2 ) قابلیت پس گیری
3 ) دقت
د ) مقاومت فزیکی در درجه حرارت بالا
هـ ) تاثیرات اتمسفری
1 ) اکسیده شدن
2 ) تقلیل یافتن
ترموکوپل های استاندارد شده :
الف ) (Copper – Constantan)CC :
* حدود درجه حرارت معمول از 150- تا 400+ درجه سانتیگراد
* اکسیده شدن در بالای 400 درجه سانتیگراد
* آسیب پذیر در مقابل بخارات اسید
ب ) (Iron – Constantan)IC :
* حدود درجه حرارت معمول صفر تا 800 درجه سانتیگراد
* آسیب پذیر بوسیله سولفور، اکسیژن و رطوبت
* تاثیرات اتمسفری کم (بخصوص در زیر 400 درجه سانتیگراد)
ج ) (Chromel – Alumel)CA :
* حدود درجه حرارت معمول صفر تا 1300 درجه سانتیگراد
* مقاوم در اتمسفرهای اکسیده شدنی
* آسیب پذیر در مقابل سولفور
د ) (Platinum -Platinum 10% / 13% Rhodium)Pt – PtRH :
* حدود درجه حرارت معمول صفر تا 1500 درجه سانتیگراد
* مقاوم در اتمسفرهای اکسیده شدنی
* فاسد شدن (خورده شدن) در بالای 1000 درجه سانتیگراد
* احتیاج داشتن به لوله محافظ مقاوم در برابر نفوذ گاز
هـ ) (Chromel – Constantan)ChC :
* حدود درجه حرارت معمول صفر تا 800 درجه سانتیگراد
* مقاوم در اتمسفرهاس اکسیده شدنی
* آسیب پذیر بوسیله سولفور
ترموکوپل های استاندارد نشده :
الف ) Chromel – Stain steel :
مقاوم در برابر اتمسفرهای سولفوری می باشد و به جای Alumel استفاده می شود.
ب ) Nickel – Nickel Molybdeum
ج ) Molybdeum – Tungsten
برای اندازه گیری درجه حرارت فلز گداخته بکار می رود و حدود درجه حرارت آن 1700 درجه سانتیگراد می باشد.
د ) Graphite – Silicon Carbide
خروجی EMF زیادی تولید می کند و فاقد قابلیت پس گیری می باشد.
هـ ) Tungsten – Graphite
دارای خروجی EMF زیاد در بالای 1100 درجه سانتیگراد می باشد و اصلاحات کمی را در اتصال مقایسه (Referene) باعث می شود.
و ) Tungsten – Iridium
برای درجه حرارتهای تا 2100 درجه سانتیگراد استفاده شده و دارای EMF خروجی کم در درجه حرارت کمتر از 100 درجه می باشد. این ترموکوپل احتیاجی به جبران کننده اتصال سرد ندارد.
ز ) Iridium – Iridium Rhodium
جبران کننده اتصال سرد (اتصال مقایسه) :
همانطور که قبلاً گفته شد برای اندازه گیری درجه حرارت اتصال گرم فرض می کنیم که درجه حرارت نقطه سرد در صفر درجه ثابت است. ولی در عمل این نقطه در محیط قرار گرفته و با تغییرات درجه حرارت محیط، حرارت آن تغییر می کند. بنابراین اگر این درجه حرارت از صفر افزایش یاید چون میزان جریان ترموکوپل به اختلاف درجه حرارت دو اتصال گرم و سرد بستگی دارد میزان جریان ترموکوپل کاهش یافته و باعث خطا در اندازه گیری درجه حرارت می شود.
در زیر چند روش برای جبران خطا در اثر تغییر درجه حرارت اتصال سرد ذکر شده است :
الف ) حمام یخ :
با قرار دادن اتصال مقایسه ترموکوپل در یخ می توان درجه حرارت این اتصال را در صفر درجه ثابت نگه داشت و از خطا جلوگیری نمود.
ب ) استفاده از سیم اتصال (Extention wire) همجنس :
با انتخاب سیم اتصال از جنسی که دارای خصوصیات خود ترموکوپل باشد می توان اتصال مقایسه را بداخل تقویت کننده تغییر داد و از خطا در اثر تاثیر تغییر درجه حرارت بر روی اتصال مقایسه جلوگیری نمود.
معمولاً جنس این سیم های اتصال از آلیاژهای ارزان قیمت تر از خود ترموکوپل ولی با خصوصیات آلیاژ ترموکوپل می باشد.
ج ) استفاده از پل وتسون :
در شکل زیر نیروی الکتروموتوری تولیدی بوسیله ترموکوپل برابر است با نیروی الکتروموتوری که به تقویت کننده می رسد برابر است با :
E21 = (T2 – T1)
نیروی الکتروموتوری که به تقویت کننده می رسد برابر است با :
E = E21 + Ec
با انتخاب ولتاژ Ec به ازا درجه حرارت T1 می توان افت جریان را جبران نمود.
Ec = T1
E = (T2 – T1) + T1 = T2
در عمل درجه حرارت T1 همیشه ثابت نیست که ما بتوانیم منبع نیروی ثابتی برای جبران آن بکار گیریم. بدین منظور همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، از پل وتسون استفاده می شود. در اینجا یکی از مقاومتهای پل نیز در معرض درجه حرارت T1 قرار می گیرد.
این مقاومت با تغییر درجه حرارت T1 پل را از حالت تعادل خارج کرده و موجب ایجاد نیرویی متناسب با درجه حرارت T1در دوسر آن می گردد. بدین ترتیب با تغییر درجه حرارت T1در هر لحظه نیروی دوسر پل تغییر نموده و باعث جبران نیروی الکتروموتوری تقلیل یافته در اثر تغییر درجه حرارت T1 می شود.
محافظت ترموکوپل :
برای محافظت ترموکوپل از وسیله ای بنام Well استفاده می شود. استفاده از Well دارای مزایای زیر می باشد :
* استفاده ترموکوپل در اتمسفرهای خورنده و اکسید شونده
* حرارت زیاد
استفاده از Well با ته بسته
استفاده از Well با عمل عبور گاز خنثی از داخل آن
* درجه حرارت کم
استفاده از Well با ته باز
* فشارهای زیاد
تعمیر ترموکوپل در ظروف با فشار زیاد
* قابلیت استفاده در مقابل شوکها، فشارها و لرزش
* محافظت در مقابل تغییرات ناگهانی درجه حرارت
* عمل کردن برای مواد مذاب
* هدایت حرارتی
* ممانعت از خطاهای تشعشعی
* ممانعت از خطاهای ناشی از حرکت سیال
آنچه در بالا آمده است عللی است که بخاطر آنها ما از Well برای ترموکوپل استفاده می کنیم. اشکالی که یک Well می تواند برای اندازه گیری ما بوجود آورد، داشتن ثابت زمانی (Time Constant) زیاد به علت وجود فضای بین ترموکوپل و جداره می باشد.
بنابراین در محل هایی که هیچکدام از مسائلی که استفاده از Well را موجب می شود وجود ندارد، برای حصول ثابت زمانی کمتر از ترموکوپل بدون Well استفاده می شود.
1 .1 . 2 ) حرارت سنج های مقاومتی
تئوری حرارت سنج مقاومتی :
حرارت سنج مقاومتی براساس خصوصیّات ذاتی فلزات در مورد تغییر مقاومت الکتریکی آنها در مقابل تغییرات درجه حرارت عمل می نماید. با اینکه لامپهای الکتریکی اندازه گیر مقاومتی حرارت (Resistance Themometer Bulbs) معمولاً از پلانتینیم، مس یا نیکل ساخته شده اند اما اثر درجه حرارت به مقاومت در مورد نیمه هادی ها نیز اعمال می شود و امکان دارد که بعلت بهبود سریع مواد نیمه هادی، این مواد دارای مصارف بیشتری در حرارت سنج خای مقاومتی گردند. اصولاً یک حرارت سنج مقاومتی وسیله اینست برای اندازه گیری مقاومت الکتریکی ولی مقاومتی که بجای واحد مقاومت براساس واحد درجه حرارت درجه بندی شده باشد. بدیت سبب حرارت سنج مقاومتی بی شباهت به خیلی از سایر تبدیل کننده های الکتریکی که سیگنال الکتریکی را به یکی از واحدهای متغیر فرآیند از قبیل درجه حرارت تبدیل می کند، نیست.
یکی از انواع گوناگون پل را می توان در اندازه گیری درجه حرارت به طریق مقاومتی بکار برد. این پل ها عبارتند از :
* پل وتسون (در حال حاضر رایج ترین پل در حرارت سنجهای مقاومتی صنعتی می باشد)؛
* پل Callendar – Griffiths
* پل اندازه گیر با دو مقاومت متغیر
* پل ظرفیتی
* پل Mueller
ضریب حرارتی مقاومت :
تغییر مقاومت الکتریکی یک جسم با تغییر درجه حرارت، ضریب حرارتی مقاومت، نامیده می شود. این ضریب به صورت تغییرات مقاومت بر اهم در درجه حرارت، در یک درجه حرارت معین بیان می گردد. برای اکثر فلزات ضریب حرارتی مثبت می باشد. این رابطه مقاومت و درجه حرارت را می توان بصورت زیر بیان نمود.
() Rt = Ro
که در اینجا Ro مقاومت در صفر درجه می باشد.
در صورتیکه ضریب حرارتی مقاومت خطی نباشد، رابطه معمول تری ممکن است استفاده شود :

ضرایب ممکن است براساس سه یا چند مقدار مقاومت درجه حرارت معلوم که بصورت یکنواخت در بالای حدود تغییرات کار درجه حرارت قرار گرفته اند، محاسبه گردد. در صورت محاسبه بسطهای بیشتر این معادله، منحنی مقاومت درجه حرارت دقیق تری بدست خواهد آمد.
پارامترهایی که برای المنت مقاومت مهم می باشند عبارتند از :
* هدایت الکتریکی
* دارا بودن حداقل اندوکتانس
* فشار فیزیکی حداقل بر پیچش مقاومت
* سیم اتصال با مقاومت مشابه برای حذف EMF محلی

مزایای Resistance Bulb :
1 ) حساسیت و سرعت پاسخ
2 ) قابلیت تکرار مجدد و فقدان اتصال مقایسه
3 ) دقت مشابه اندازه گیری با ترموکوپل
اتصال Resistance Bulb به دستگاه اندازه گیری همانطور که قبلاً گفته شد در اندازه گیری درجه حرارت به طریق مقاومتی از یکی از انواع پل استفاده می شود که رایج ترین آنها پل وتسون می باشد. در شکل یک نمونه از اتصال پل وتسون نشان داده شده است.
در اینجا در صورتی پل بحال تعادل خواهد رسید که رابطه زیر برقرار باشد :
RI X = R2 R3
از طرفی چون مقاومت Xدرجه حرارت حساس می باشد پس این مقاومت در محل بوده و به وسیله سیم به پل متصل می شود. بنابراین برای تعادل پل مقاومت دو سیم رفت و برگشت یعنی a , bباید به مقاومت Xاضافه گردد، پس :
R1 (X + Ra + Rb ) = R2 R3
اگر مقاومت سیم رفت و برگشت را معادل فرض کنیم و با r نشان دهیم :
R1 (X + 2r ) = R2 R3
X = (R2 R3 / R1 ) – 2r
همانطور که از رابطه بالا معلوم است در این نوع اتصال مقاومت سیمهای اتصال در وضعیت پل تاثیر می گذارد. برای از بین بردن این تاثیر از اتصال سه سیمی استفاده می شود.
در صفحه به یک اتصال سه سیمه نشان داده شده است. معادلات این مدار وقتیکه پل در حالت تعادل باشد در پائین آورده شده است. با مراجعه به این روابط متوجه می شویم که چگونه مقاومت سیمهای اتصال به Bulbدر نتیجه این نوع اتصال حذف می گردد.
R2 Ry = R1 Rx
Rx = X + Rb + Rc
Ry = R3 + Ra + Rb
در صورتیکه
Ra = Rb = Rc = r
R2 (R3 + 2r ) = R1 (X + 2r)
R2 R3 + 2r R2 = R1 X + 2r R1
معمولاً R1 = R2انتخاب می شود. پس در این حالت
R3 = X

ترمیستور :
ترمیستور یک وسیله اندازه گیری ساخته شده بوسیله یک نیمه هادی جامد با مقاومت مخصوص با ضریب حرارتی زیاد می باشد که در صورت قرار گرفتن در درجه حرارت ثابت مشخصات ولتاژ جریان خطی از خود نشان می دهد.
به منظور طبقه بندی، کاربردهای ترمیستور را می توان به دو دسته تقسیم نمود. در یکی از این گروهها نیروی خیلی کمی همانند مقاومت اندازه گیر در پلها و مقاومتهای متغیر، در ترمیستور انتشار می یابد.
گروه اصلی دیگر که مربوط به محدوده این بخش می باشد، براساس مشخصات غیرخطی ولتاژ – جریان منتج شده از افزایش درجه حرارت در خود ترمیستور هنگامی که مقدار قابل ملاحظه ای نیرو در آن انتشار می یابد، می باشد.
وقتی یک ترمیستور به عنوان المنت حساس درجه حرارت استفاده می شود، رابطه بین مقاومت الکتریکی و درجه حرارت آن در درجه اول موردنظر می باشد. رابطه تقریبی مورد استفاده برای اکثر ترمیستورها عبارتست از :
R = Ro B (1/T – 1/To)
که در آن
Ro= مقدار مقاومت در درجه حرارت مقایسه ای To
R = مقاومت در هر درجه حرارت دیگر Tبرحسب درجه کلوین
B= بطور تقریب یک ضریب ثابت در حدود تغییرات مناسب درجه حرارت بوده و بستگی به ترکیب و فرآیند کارخانه سازنده دارد.
ضریب درجه حرارت تقریباً طبق فرمول زیر با Bمربوط می شود.

انتخاب ترمیستور برای اندازه گیری درجه حرارت یا کنترل حرارت احتیاج به درنظر گرفتن فاکتورهای مختلفی اضافه بر مشخصات مقاومت – درجه حرارت دارد. این فاکتورها شامل زمان پاسخ و تطبیق با دستگاه اندازه گیر مقاومت مربوطه می باشند. فاکتور بخش حرارتی ترمیستور و بزرگی مناسب مقاومت در میزان نهایی حدود تغییرات نیز در زمره این فاکتورها قرار دارند. کیفیت مکانیکی و ابعاد مناسب همچنین در ترمیستور مهم می باشد. زمان پاسخ یا ثابت زمانی حرارتی عبارتست از زمانی که در درجه حرارت ترمیستور به اندازه 63 درصد اختلاف بین مقدار اولیه خود و حرارت محیط در هنگامیکه نیروی الکتریکی در آن پخش نشده است، تغییر می کند.
جنس ترمیستور :
جنس ترمیستورها از نیمه هادیهای جامد زیر می باشند :
* اکسیدها، کبالت، مس، قلع، نیکل، زینک، منگنز؛
* دانه های سرامیک ساخته شده از پودرهای حرارت داده شده؛

مزایا و محدودیتهای اندازه گیری با ترمیستور :
* ضریب حرارتی و حساسیت بیشتر از اندازه گیری های درجه حرارت Resistance bulb
* ثبات کمتر از اندازه گیرهای درجه حرارت Resistance bulb
* زمان پاسخ بوسیله ضریب حرارتی و پراکنده سازی مشخص می شود.
* فقدان یکنواختی تنظیم در نتیجه روشهای ساخت
* دقت کم در منتهالیه حدود تغییرات
* در فواصل بیشتری از لوازم اندازه گیر قرار می گیرد.
* خطاهای کم مقاومت هادی در نتیجه مقادیر زیاد مقاومت ترمیستورها
* به جبران کننده احتیاج ندارد.
کاربردهای ترمیستور :
* می تواند درجه حرارت سطح را با تایش و بدون تماس اندازه گیری نماید.
* هدایت حرارتی مایعات و جامدات
* جبران کننده درجه حرارت در اندازه گیرها و مدارات الکتریکی
* اخذ کننده های هدایت حرارتی گازها و بخارات

.1 .3 ) سیستمهای پرشده و سایر روشهای اندازه گیری حرارت
سیستمهای پرشده اندازه گیر درجه حرارت
الف ) نوع انبساطی :
در این نوع محفظه ای از مایع پر می شود و با ازدیاد درجه حرارت این محفظه، مایع انبساط می یابد که این انبساط با درجه حرارت می باشد. مایعی که برای پرکردن در محفظه انتخاب می شود، معمولاً بسته به میزان تغییرات موردنظر جیوه، اتیل الکل و پنتان می باشد.
میزان تغییراتی که می توان با این ترمومتر اندازه گرفت از منهای 38 درجه سانتیگراد یعنی نقطه انجماد جیوه تا 500 درجه سانتیگراد می باشد.
دقت اندازه گیرهای درجه حرارت نوع انبساطی صنعتی بطور میانگین درصد و در نوع آزمایشگاهی درصد می باشد. فاکتورهایی که در سرعت پاسخ این نوع ترمومترها موثر می باشند، عبارتند از نوع سیال و اندازه لوله حرارتی.
کاربردهای ترمومتر جیوه ای برای اندازه گیری سیالات جاری در لوله های باز و بسته و اندازه گیری های درجه حرارت نوسانات محدود، می باشد.

ب ) فنر فشار
1 ) انبساط مایع
اساس کار این اندازه گیرها ازدیاد حجم مایع در اثر افزایش درجه حرارت می باشد. جنس Bulb یا Wellکه در تماس با درجه حرارت می باشد، معمولاً از مس، آهن، مونل و یا فولاد می باشد.
در این اندازه گیر ازدیاد حجم مایع در Bulb از طریق لوله موئی به Bourdon انتقال می یابد و باعث حرکت آن می گردد.
برای المنت دریافت کننده و تبدیل کننده انبساط حجمی به حرکت، می توان از المنت های فنری بصورت ، حلزونی و یا مارپیچی استفاده کرد.
مینیمم حدود تغییرات قابل اندازه گیری با این اندازه گیر در جائیکه از جیوه بعنوان مایع منبسط شونده استفاده شود، منهای 38 درجه سانتیگراد و اگر از هیدرو کربن استفاده شود، منهای 80 درجه سانتیگراد است. حداکثر حدود تغییرات در حالت جیوه 650 درجه سانتیگراد و برای هیدرو کربن 315 درجه سانتیگراد می باشد.
مشخصات و مزایای ترمومتر فنری پرشده با جیوه :
* پاسخ خطی
* ثبات
* سرعت در پاسخ
* قابلیت استفاده با جبران کننده
مشخصات و مزایای ترمومتر فنری پرشده با هیدروکربن
* پاسخ خطی
* اندازه گیری حدود تغییرات کم
* داشتن Bulb کوچک
* اندازه گیری درجه حرارت کم
* قابلیت استفاده با جبران کننده
جبران کننده درجه حرارت محیط :
در این نوع اندازه گیرهای پر شده، در اثر تاثیر درجه حرارت محیط بر روی لوله موئی های سیاب، ازدیاد حجمی بوجود می آید که باعث خطای اندازه گیری می شود. برای جبران این خطا سیسمتهای خاصی تعبیه می شود.
2 ) فشار بخار :
اساس ترمومتر تحریک شونده با فشار بخار، تغییر فشار بخار در اثر حرارت می باشد. در اینجا ترمومتر، تغییر درجه حرارت را در سطح آزاد مایع تبدیل شونده به بخار اندازه می گیرد. درجه حرارت نشان داده شده با این ترمومتر درجه حرارت گرمترین نقطه ای است که مایع در آن قرار دارد. این ترمومتر دارای درجه بندی غیرخطی می باشد که این غیرخطی بودن بستگی به منحنی فشار بخار دارد.
در این نوع ترمومتر برای مایع بخار شونده از متیل کلراید، اتر، بوتان، هگزان، پروپان، تولوئن و سولفور دی اکسید می توان استفاده نمود. حدود تغییرات قابل اندازه گیری با این دستگاه بستگی به سیال مورد استفاده در آن دارد.
حداقل حدود تغییرات قابل اندازه گیری با این ترمومتر منهای 45 درجه سانتیگراد و حداکثر 315 درجه می باشد. مزیت ترمومترهای تحریک شونده با بخار مایع در باریکی باند اندازه گیری، قیمت کم و پاسخ ناگهانی آنها می باشد.
3 ) انبساط گاز :
براساس قانون چارلز، حجم گاز با تغییر درجه حرارت مطلق تغییر می کند. اصول کار ترمومترهای گازی بر این اساس متکی است. گازی که در این نوع ترمومترها استفاده می شود معمولاً بخاطر سهولت تهیه و وسعت حدود تغییرات درجه حرارت نیتروژن می باشد. میزان حدود تغییرات قابل اندازه گیری در این ترمومتر از منهای 130 درجه تا 650 درجه سانتیگراد می باشد. مزایای ترمومتر گازی ساده، خطی بودن اندازه گیری تغییرات و قابلیت استفاده آن برای باند تغییرات گوناگون می باشد.
ترمومتر بی متال :
بی متال از اتصال دوفلز با ضرایب انبساط مختلف بر روی هم بوجود می آید. در اثر تغییر حرارت در بی متال به علت اختلاف ضریب انبساط دو طرف آن بی متال به یک طرف خم می شود.
این پیچش در فلز متناسب با درجه حرارت می باشد. رابطه جابجایی در این ترمومتر نسبت به تغییرات درجه حرارت بطور خطی می باشد. معمولاً از Invar (آلیاژ آهن و نیکل) برای ضریب انبساط کم و آلیاژهای نیکل یا برنج برای ضریب انبساط زیاد استفاده می شود.
حدود تغییرات قابل اندازه گیری با بی متال از منهای 40 تا 430 درجه سانتیگراد می باشد. دقت اندازه گیری این سیستم درصد باند تغییرات می باشد. این ترمومترها می توانند بصورتهای حلزونی، مارپیچ تکی و یا مارپیچ حلزونی باشند. مزایای این نوع ترمومترها دقت، سادگی، قیمت ارزان، قطر کم Bulb و سهولت خواندن می باشد.
1 . 2 ) آشکارسازهایی که با سیال در تماس نیستند (Pyrometer) :
اندازه گیری درجه حرارت بصورت Pyrometer در موارد زیر استفاده می شود :
* در هنگامیکه درجه حرارت بیشتر از حدی است که بتوان آنرا با ترموکوپل و غیره اندازه گیری کرد. (معمولاً بیشتر از 1000 درجه سانتیگراد)
* وقتیکه محیط اندازه گیری از نظر دقت و عمر دستگاه اجازه استفاده از نوع تماس دارنده را ندهد.
* برای اندازه گیری درجه حرارت سطحی یک جسم در کوره یا اندازه گیری درجه حرارت جسم متحرک
* وقتیکه جسم مورداندازه گیری نتواند با سیستم اندازه گیری کننده تماس داده شود.
اندازه گیری به روش Pyrometer به دو نوع تقسیم می شود :
1 ) نوع نوری Optical؛
2 ) نوع تشعشعی؛
1 ) اندازه گیری درجه حرارت بصورت نوری :
اصول کار این نوع نشان دهنده های مقدار درجه حرارت براساس مقایسه رنگ منبع حرارتی مورد اندازه گیری با منبع استاندارد می باشد. در اینجا نور از منبع مورد اندازه گیری از طریق لنز به فیلامان لامپ می تابد.
حال با تغییر جریان فیلامان لامپ به نقطه ای می رسیم که فیلامان لامپ دیده نمی شود، در این حالت فیلامان و منبع حرارتی موردنظر با یکدیگر تطبیق دارند. با درجه بندی میزان جریان برحسب درجه حرارت می توانیم از روی میزان جریان، درجه حرارت را بخوانیم.
2 ) اندازه گیری درجه حرارت بصورت تشعشعی :
در Pyrometer تشعشعی، انرژی تشعشعی که از منبع درجه حرارت زیاد می آید با صفحه سیاه که جنس آن از پلاتینیم یا زینک می باشد، گرفته می شود. افزایش درجه حرارت در این صفحه سیاه بوسیله ترموپایل ( Thermopile ) به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. ترموپایل مجموعه مدارات سری شده ترموکوپل می باشد.
اساس کار این حرارت سنج قانون Steffan – Boltsman می باشد.

در اینجا
W= جمع انرژی تشعشعی
T= درجه حرارت مطلق عنصر مورد اندازه گیری
= ضریب Steffan – Boltsman
سیگنال خروجی از Thermopile به مدارات اندازه گیر یا نشان دهنده انتقال می یابد. بخاطر اینکه در این روش اندازه گیری درجه حرارت از طریق انرژی تشعشعی صورت می گیرد، در صورتیکه منبع حرارتی کوچک یا در فاصله زیاد از آشکارساز و همچنین در صورتیکه سطح کامل آشکارساز نتواند با تصویر منبع حرارتی پوشیده شود، حرارت سنج تشعشعی قابل استفاده نمی باشد. یعنی تصویر نوری منبع حرارتی پوشیده شود. بعبارت دیگر فاصله بین منبع حرارتی و آشکارساز باید در حد معین و صحیحی باشد.
همانطور که گفته شد ترموپایل شامل تعداد معینی ترموکوپل کوچک و تخت بصورت سری می باشد. تموکوپل ها در صفحات پلاتینیمی یا زینک جا داده شده است. بخاطر اینکه تغییرات درجه حرارت محیط باعث تغییرات درجه حرارت ترموپایل می شود، در اینجا جبران کننده موردنیاز می باشد.
عمل جبران بوسیله اتصال یک مقاومت نیکل بصورت موازی با ترموپایل صورت می گیرد. بطوریکه تغییرات مقاومت سیم نیکل به وسیله درججه حرارت محیط، تغییرات درجه حرارت محیط بر روی ترموپایل را حذف می نماید.
آشکارسازهای حرارت سنج تشعشعی باید با عنصر مورد اندازه گیری در یک مسیر باشد. در جایی که احتیاج به محافظت لنز از شعله یا گاز باشد می توان از Tamman tubo استفاده کرد. در محل هایی که درجه حرارت محیط زیاد می باشد برای محافظت، سردکننده های آبی یا هوایی استفاده می شود. وقتی نوع لوله باز برای آشکارساز استفاده می شود، برای پاک کردن لنز از سیستم Purge هوا استفاده می شود.
2 ) اندازه گیری جریان سیال :
اندازه گیرهای جریان اصولاً به دو گروه تقسیم می شوند :
الف ) اندازه گیرهایی که کمیت را اندازه می گیرند، که در آنها آحاد اندازه گیری ممکن است مترمکعب، لیتر یا سانتیمتر مکعب باشد.
ب ) اندازه گیرهایی که مقدار لحظه ای جریان ( Rate of Flow) را نشان می دهند. در این اندازه گیرها آحاد اندازه گیری برحسب مترمکعب بر ساعت، لیتر بر دقیقه، کیلوگرم بر ساعت و غیره می باشد.

شرح المنت های اندازه گیر جریان سیال :
در گروه اندازه گیرهای مقدار لحظه ای جریان، متداولترین المنت های اولیه عبارتند از : لوله Flow nozzle , Venturi صفحه Orifice .
* لوله Venturi:
یکی از متداول ترین اندازه گیرهای سیال به وسیله مانع نوع لوله Venturi می باشد. در شکل زیر یک نمونه از این المنت نشان داده شده است.
لوله Venturi برای جریان سیال بخصوص سیالاتی که همراه با مقداری ذرات جامد می باشند، مناسب است. از محاسن این لوله خاصیت بوجود آوردن بهبود در فشار خروجی براساس برش قسمت مخروطی لوله می باشد. یکی دیگر از محاسن لوله Venturi احتیاج به تعمیرات کم آن می باشد ولی قیمت این المنت با مقایسه با Orifice زیاد می باشد.
Orifice :
یکی دیگر از متداولترین انواع المنت های اولیه اندازه گیری جریان سیال Orifice متحدالمرکز می باشد. Orifice عبارتست از یک سوراخ مدور در یک صفحه بوسیله Flange در مسیر سیال قرار می گیرد. این صفحه باعث ایجاد اختلاف فشار در دو طرف سوراخ می شود و این اختلاف فشار دارای یک رابطه خطی با میزان جریان می باشد.
اصولاً سه نوع Orifice وجود دارد :
الف ) Orifice متحدالمرکز
ب ) Orifice خارج از مرکز
ج ) Orifice بصورت دایره بریده شده ( Segmental)
Orifice های نوع خارج از مرکز و Segmental برای جریانات دارای مواد معلق استفاده می شوند.
برای Orifice می توان از کلیه موادیکه در اثر کثرت استفاده تغییر قطر نمی دهند استفاده نمود. معمولترین موادی که به این منظور استفاده می شوند عبارتند از فولاد، مونول و فسفر برنز.
گاهی بر روی صفحه Orifice دو سوراخ بوجود می آورند، سوراخ بالا برای خروج گاز در حالت وجود جریان مایع و سوراخ پائین جهت زهکشی کردن در حالت عبور جریان گاز در Orifice می باشد.
محل نصب توپی برای اخذ اختلاف فشار :
برای نصب انشعابات اخذ کننده اختلاف فشار در Orifice مسائل زیر باید در نظر گرفته شود :
الف ) محل انشعای طوری باشد که انشعابات فشار، بسته به طرح Orifice از لحاظ هندسی برای کلیه اندازه های قطر لوله در محل مشابه ای قرار گیرد.
ب ) محل انشعابات باید طوری باشد که حداکثر و حداقل فشار اخذ گردد، در غیر انحراف جزئی در محل انشعاب باعث تاثیر کم در مقدار دریافتی می گردد.
ج ) محل انشعاب باید طوری باشد که نصب انشعاب در کارگاه یا داخل واحد بمنظور کم کردن احتمال قرار گرفتن ناصحیح به آسانی صورت گیرد.
طریقه های انشعاب فشار در کارهای تجارتی
الف ) انشعابات Flange :
در این نوع انشعابات سوراخ انشعاب در هر دو طرف Orifice در فاصله یک اینچی سطح Orifice قرار گرفته است. در صورتیکه قطر مجاز برای Gasketکه بین Orifice و Flange می باشد، 16/1 اینچ باشد، فاصله سوراخ انشعاب تا لبه Flange باید 16/15 اینچ باشد. این نوع انشعاب بخاطر دقت در نقطه انشعاب و سهولت تعویض متداولترین نوع انشعابات می باشد.
ب ) انشعابات Vana Contracta:
در این نوع انشعاب مرکز سوراخ انشعاب فشار ورودی در فاصله بین 2/1 تا 2 برابر قطر لوله از سطح Orifice قرار دارد. معمولاً فاصله یک برابر طول لوله متداول می باشد. مرکز سوراخ انشعاب فشار خروجی در نقطه مینیمم فشار یا نقطه Vana Contracta قرار می گیرد.
ج ) انشعابات کناری ( Corner ):
در این نوع انشعابات سوراخ انشعاب از کنار صفحه Orifice می باشد.

د ) انشعابات در لوله :
در این نوع انشعاب سوراخها در روی خود لوله ایجاد می شوند. فاصله سوراخ فشار قسمت ورودی صفحه Orifice به اندازه 5 ، 2 برابر قطر لوله و فاصله سوراخ فشار در خروجی 8 برابر قطر لوله می باشد.
محل نصب Orifice :
اصولاً Orifice باید در قسمت مستقیم لوله نصب گردد. در نصب Orifice باید کوشش گردد که از خطای ناشی از تلاطم جریان جلوگیری بعمل آید که این کار با روشهای زیر حاصل می گردد.
الف ) استفاده از پره ها یا لوله های مستقیم کننده جریان
ب ) محل اتصال Orifice در لوله باید طوری باشد که طول قسمت مستقیم در سمت بالای جریان حداقل 20 برابر قطر لوله باشد. طول قسمت پائین جریان باید حداقل 5 برابر قطر لوله انتخاب گردد.
ج ) پرداخت نمودن قسمت داخلی لوله
مزایای Orifice :
سهولت در نصب؛
تولید مجدد آسان؛
قیمت ساخت ارزان؛
Flow nozzle :
یکی دیگر از المنتهای اندازه گیر جریان سیال به طریق مانعی، Flow nozzle می باشد. این المنت همانطور که از شکل پیداست بصورت لوله Venturi که ته آنرا بریده باشند، می باشد.
لوله Pilot :
یکی دیگر از طرق اندازه گیری جریان سیال روش Pilot tubeمی باشد. طبق شکل جریان در یک لوله در قسمت جداره لوله حداقل و در مرکز ماکزیمم می باشد.
حال با قراردادن یک لوله Pilot در محل حداکثر جریان می توان سرعت جریان را اندازه گیری نمود و از روی آن مقدار جریان را حساب کرد. از این فعالیت برای اندازه گیری سرعت در لوله های آب با قطر زیاد و سرعت رودخانه استفاده می شود.
* امنت های ثانویه برای اندازه گیرهای جریان از طریق مانع :
همانطور که ملاحظه شد تمام المنت های اولیه که جریان را بوسیله قراردادن یک مانع بر سر راه آن اندازه می گیرند تولید یک اختلاف فشار متناسب با شدت جریان می کنند. برای اندازه گیری این اختلاف فشار از المنت های ثانویه گوناگونی استفاده می شود که متداول ترین نوع آنها المنت های ثانویه نوع Bellows یا دیافراگمی می باشد.
روش اندازه گیری موازنه نیرو ( Force Balance Method ) :
در شکل زیر یک المنت ثانویه نوع Force Balance به صورت نیوماتیکی نشان داده شده است.
در این المنت ها می توان از دیافراگم یا Bellows استفاده کرد. در اینجا برای المنت نوع نیوماتیک از Bellows و برای نوع الکتریکی از کوئل برای تولید نیروی فیدبک استفاده شده است. مزایای المنت های نوع Force Balance ، پاسخ سریع بخاطر تقویت اضافی بوسیله شیر Pilot، تعمیرات ساده و قابیت تطبیق با سیگنالهای الکتریکی و نیوماتیکی می باشد.
اندازه گیر جریان نوع Area:
اصول کار اندازه گیر نوع Area در شکل نشان داده شده است. در اینجا با عبور جریان از پائین به بالا بعلت وجود شناور اختلاف فشاری در دو سر لوله بوجود آمده و باعث حرکت شناور به بالا می شود.
در این اندازه گیر می توان برای لوله جریان سنج از شیشه یا فلز استفاده نمود. این اندازع گیرها گاهی فقط به عنوان المنت اولیه جهت فرستادن سیگنال به انتقال دهنده استفاده می شوند.
اندازه گیرهای نوع Area به دو گروه تقسیم می شوند : یکی Rotameterو دیگری نوع سیلندر و پیستونی. لوله اندازه گیر در جریان سنجRotameter برحسب نسبت جریان درجه بندی شده است. فاکتورهایی که در این نوع اندازه گیرها تاثیر دارند چگالی و ویسکوزیته می باشند که بوسیله تغییر جنس و شکل شناور تاثیرات آنها جبران می شود.

مزایاRotameter :
افت فشار کم و ثابت؛
قابلیت اندازه گیری سیالات با چگالیها و ویسکوزیته های مختلف (بوسیله مشخصات طراحی شناور جبران می شود)؛
اندازه گیری سیالات خورنده؛
دقت در جریان کم؛
خواندن مستقیم مقدار جریان؛
اشکال Rotameter لزوم تمیز نمودن مداوم آن است.
اندازه گیر جریان نوع الکترومغناطیسی :
اساس کار این نوع اندازه گیر جریان در شکل نشان داده شده است.
از این اندازه گیر می توان برای اندازه گرفتن مقدار حجم جریان سیالات دارای قابلیت هدایت الکتریکی بیش از استفاد ه نمود. در اندازه گیر نوع الکترومغناطیسی هیچگونه تغییرات ویسکوزیته، چگالی و وجود اغتشاش دخالت ندارد. این اندازه گیر برای موارد ته نشین شونده یا مایعات خورنده مناسب می باشد.
در اینجا سیم پیچ بصورت متناوب یک حوزه مغناطیسی ایجاد می نماید، این حوزه مغناطیسی به وسیله عبور جریان سیال قطع شده و نیروی الکتروموتوری تولید شده از طریق الکترودها به نشان دهنده منتقل می گردد و با افزایش شدت جریان سیال نیروی الکتروموتوری تولید افزایش می یابد.
رابطه بین ولتاژ خروجی و جریان سیال در این نوع اندازه گیر خطی و مستقیم می باشد. در اندازه گیر جریان الکترومغناطیسی لوله ای که در آن سیال جاریست از نوع فولاد یا خاصیت غیرمغناطیسی انتخاب می شود و گاهی به منظورات مختلف داخل لوله با مواد عایق کننده پوشیده می شود.
مزایای المنت اندازه گیر نوع الکترومغناطیسی :
* اندازه گیری جریان در هر دو مسیر (با تغییر جهت جریان در لوله اندازه گیر قادر بکار خواهد بود)؛
* خروجی خطی؛
* عدم خطای اندازه گیری در سیالات با قابلیت هدایت الکتریکی بالا؛
* دقت و حساسیت زیاد؛
* توانایی استفاده از آن برای اندازه گیری در لوله های با قطر زیاد و کم کاربرد این اندازه گیر برای سیالات هادی نیروی الکترومغناطیسی می باشد که از آن جمله می توان آب، فاصلاب، اسیدهای خورنده، مواد اولیه کاغذ وغیره را نام برد.

اندازه گیر جریان نوع توربین :
در این نوع با عبور جریان از داخل جریان سنج، چرخ گردان که دارای چند پره می باشد بحرکت درمی آید. این پره ها با عبور از جوار سیم پیچ اخذکننده باعث تولید پالس الکتریکی در آن می گردند.
این پالس به صورت مقدماتی تقویت شده و بصورت سیگنال خارج می گردد. فرکانس تولید شده خروجی در اینجا متناسب با حجم جریان عبوری می باشد.
مزایای کاربرد اندازه گیر جریان نوع توربین :
* دقت زیاد (حدود درصد یا کمتر)؛
* مناسب برای مایعات با غلظت کم؛
* سیگنال خروجی پالس می باشد.
3 ) اندازه گیری سطح ارتفاع :
برای اندازه گیری سطح ارتفاع المنتهای گوناگون وجود دارند که ما در اینجا به شرح متداولترین آنها می پردازیم. اصولاً المنتهای اندازه گیر سطح مایعات و جامدات طبقه بندی کرد.
1 . 1 ) نشان دهنده های ظروف ( Stight glass) :
در محلهایی که احتیاج به اندازه گیری سطح ارتفاع نبوده و فقط منظور نشان دادن این سطح باشد، از Stight glass استفاده می شود.

1 . 2 ) نشان دهنده نوع شناور گلوله ای :
این نوع نشان دهنده را می توان هم برای ظروف بسته و هم برای ظروف باز بکار برد. نوع نشان دهنده ظروف باز از شناور و نوار تشکیل شده است در صورتیکه نوع ظروف بسته دارای شناور و شفت است.
1 . 3 ) اندازه گیر سطح ارتفاع نوع Displacement :
در اینجا با بالا رفتن سطح ارتفاع مایع در ظرف میزان حجم Displacement که در آب غوطه ور است افزایش یافته و بنابراین وزن آن کم می گردد. این کاهش وزن تولید حرکت در میله کرده که حرکت میله تحریک یک انتقال دهنده نوع Froce Balance می شود.
انتقال دهنده از نوع نیوماتیکی است که سیگنال هوائی، متناسب با سطح ارتفاع مایع داخل ظروف به خاج انتقال می دهد.
1 . 4 ) اندازه گیری سطح ارتفاع به وسیله فشار مایع :
روش های مختلف برای اندازه گیری سطح ارتفاع مایع با استفاده از فشار آن می توان بکار برد. بصورت کلی برای اندازه گیری سطح ارتفاع، ظروف به دو نوع ظروف بسته و باز تقسیم می شوند. ظروف باز آنهایی هستند که فشار سطح مایع مساوی فشار اتمسفر است. در زیر چند روش اندازه گیری سطح ارتفاع از طریق فشار مایع در ظروف باز و بسته می پردازیم.
الف ) اندازه گیری سطح ارتفاع مایع با انتقال دهنده اختلاف فشار :
اندازه گیری سطح ارتفاع با انتقال دهنده اختلاف فشار برای ظروف باز و بسته متفاوت می باشد.
ابتدا تانک باز را مورد مطالعه قرار می دهیم. فرض می کنیم که مایل به اندازه گیری ارتفاعی بمیزان X باشیم. بنابراین میزان فشاری که در اثر این ارتفاع به سمت فشار زیاد انتقال دهنده وارد می شود، برابر است با :
Span = x GL
که در اینجا GL برابر وزن مخصوص مایع داخل ظرف است. ولی علاوه بر این فشار، فشار دیگری ناشی از سطح ارتفاع Y و سطح ارتفاعZ نیز به انتقال دهنده وارد می شود که آنرا Elevation می نامیم.
Elevation = y GL + z Gs
Gs وزن مخصوص مایع پر شده در لوله انتقال می باشد.
در اندازه گیری این سطح ارتفاع نظر بر اینست که به ازاء مینیمم سطح ارتفاع حداقل و به ازاء ماکزیمم، حداکثر تغییرات در خروجی انتقال دهنده داشته باشیم. بدین منظور برای حذف Elevation از یک تنظیم کننده متشکل از یک فنر که بر روی انتقال دهنده سوار می شود، استفاده می گردد.
در تانک بسته دو حالت وجود دارد. حالت اول بدین طریق است که گازی که در سطح مایع است، قابلیت مایع شدن نداشته و بنابراین لوله اتصالی به سمت فشار کم انتقال دهنده همیشه خشک باشد و فشار آن معادل فشار سطح مایع باشد.
در اینجا مجدداً Span و Elevation معادل خواهد بود با :
Span = x GL Elevation = y GL + z Gs
در صورتیکه گاز بالای سطح مایع قابلیت مایع شدن داشته باشد، این گاز در لوله سمت فشار کم انتقال دهنده مایع شده و تولید سطح ارتفاع دراین لوله می نماید.
این سطح ارتفاع باعث خطای اندازه گیری انتقال دهنده می شود. برای از بین این اشکال لوله اتصال سمت فشار کم را از مایع انتقال دهنده فشار با وزن مخصوص مشخص پر می کنند. مجدداً در اینجا Span برابر خواهد بود با
Span = x GL
ولی برعکس دو نوع قبل در اینجا افزایش سطح یا Elevation وجود ندارد بلکه در اثر سطح ارتفاع مایع درون لوله انتقال دهنده، Depression یا تنزل سطح وجود دارد که مساوی است با :
Depression = d Gs – y GL
مطابق حالت Elevation برای حذف Depression نیز می توان از یک طرح که بر روی انتقال دهنده سوار می شود، استفاده نمود.

ب ) سیستم تولید حباب :
در اینجا هوا یا گازی که از یک منبع تولید خارج می گردد به یک انتقال دهنده فشار و یک لوله قرار گرفته شده در مایع بطور همزمان متصل شده است. با تغییر سطح ارتفاع مایعی که این لوله در آن قرار گرفته است، فشار انتهایی لوله تغییر نموده و میزان حباب که از دهانه این لوله خارج می شود، تغییر می نماید.
در نظر می گیریم که سطح مایع بالا رود پس فشار در دهانه لوله زیاد شده و میزان حباب های خارج شده کم می گردد. بنابراین فشار هوا در لوله زیاد شده و فشار وارد شده به انتقال دهنده نیز افزایش می یابد.
بدین بدین طریق سیگنال خروجی انتقال دهنده متناسب با سطح ارتفاع مایع داخل ظرف می باشد. از این روش می توان برای هر دو حالت تانک باز یا بسته استفاده نمود.
ج ) روش اندازه گیر دیافراگمی :
در شکل یک نمونه گیر سطح ارتفاع دیافراگمی نشان داده شده است.
از این روش فقط می توان برای اندازه گیری سطح ارتفاعی در تانک باز استفاده نمود.
1 . 5 ) اندازه گیری سطح ارتفاع مایع از طریق تغییر ظرفیت الکتریکی :
اصول کار این نوع اندازه گیر در شکل نشان داده شده است.
در اینجا با تغییر سطح ارتفاع، میزان ظرفیت الکتریکی بین دو قطب خازن تغییر می کند که این تغییرات متناسب با سطح ارتفاع مایع است. این نوع اندازه گیر فقط برای مایعات غیرهادی قابل استفاده می باشد.
1 . 6 ) اندازه گیری ارتفاع نوع شناور :
در زیر چند نوع مختلف از این المنت نشان داده شده است.
1 . 7 ) ارتفاع سنج نوع خود متعادل شونده :
این سیستم شامل قسمت اخذکننده سطح ارتفاع ( Displacer)، قسمت اخذ تعادل خودکار ( Balancer )، قسمت انتقال دهنده و نشان دهنده و تبدیل کننده سیگنال Analog به Digital می باشد. این سیستم دارای حساسیت و دقت خوبی می باشد. دقت این سیستم کمتر از یک میلیمتر است.
اصول کار این سیستم به این صورت است که وقتی ارتفاع در سطح معینی می باشد، Displacer طوری بر روی مایع قرار می گیرد که نیمی از ارتفاع آن در میان مایع غوطه ور گردد. حال فرض می کنیم که سطح ارتفاع افزایش یابد. در این حالت تمام Displacer در مایع غوطه ور خواهد شد و در اثر این حالت وزن آن کم خواهد گشت.
با کاهش وزن Displacer فنر در قسمت اخذکننده تعادل خودکار موجب تغییر فاصله بین المنتهای حساس مغناطیسی می گردد. این تغییر موجب تحریک متعادل کننده و در نتیجه اعمال سیگنال به موتور می شود و بدین ترتیب موتور آنقدر تغییر خواهد کرد تا Displacer به سطح مایع آمده و فاصله بین المنتهای حساس مغناطیسی بحالت اولیه برگردد. این سیستم اندازه گیری سطح ارتفاع به یک تبدیل کننده سیگنال Analog به Digital مجهز می باشد. بنابراین خروجی این سیستم Digital است.
1 . 8 ) ارتفاع سنج نوع تشعشی :
از تشعشات هسته ای می توان در اندازه گیری سطح ارتفاع مایعات و جامدات استفاده نمود. بدین منظور از یک منبع تولید اشعه گاما و یک گیرنده اشعه استفاده می شود. مقدار شدت اشعه که به گیرنده اشعه گاما می رسد، به دو صورت مختلف برای دو سیستم متفاوت می باشد.
الف ) شدت اشعه بتناسب ضخامت ماده ای که بین اشعه و گیرنده باشد، تغییر می نماید.
ب ) شدت اشعه بتناسب عکس توان دوم فاصله بین گیرنده و منبع اشعه تغییر می کند.
در شکل aمنبع تولید اشعه گاما بر روی یک شناور سوار شده است که با بالا و پائین رفتن سطح مایع داخل تانک فاصله آن از گیرنده اشعه زیاد و کم شده و در نتیجه شدت اشعه ای که به گیرنده می رسد، تغییر می نماید. در شکل bمنبع انرژی ثابت است و با تغییر ضخامت مایع یا جسم حامد قرار گیرنده بین منبع انرژی و گیرنده، شدت اشعه که به گیرنده می رسد، تغییر می نماید. در بعضی از حالات منبع انرژی را بیرون تانک هم قرار می دهند.

2 ) اندازه گیر سطح ارتفاع جامدات
2 . 1 ) اندازه گیری ارتفاع از طریق وزن :
ارتفاع جامدات در ظروف را می توان با اندازه گیری وزن آن ظرف تعیین نمود. از این روش در اندازه گیری سطح ارتفاع جامدات گوناگون استفاده می شود.
2 .2 ) اندازه گیری سطح ارتفاع جامدات از طریق ظرفیت الکتریکی :
سطح ارتفاع جامدات را همانند سطح ارتفاع مایعات می توان از طریق ظرفیت الکتریکی اندازه گیری نمود. اصول کار این سیستم طبق نوع مشابه مایعی آن می باشد. مزایای سیستم اندازه گیری ظرفیت الکتریکی، یکی نداشتن قسمت های متحرک و دیگری احتیاج نداشتن به هدایت الکتریکی مواد می باشد. محدودیتهای این سیستم بقرار زیر است :
الف ) ماکزیمم درجه حرارت
ب ) ماکزیمم فشار psi 1000
ج ) برای مواد مختلف باید مجدداً درجه بندی شود.
3 ) Level Switches
المنتهایی که تاکنون گفته شد المنت هایی هستند که برای اندازه گیری سطح مورد استفاده قرار می گیرند. در بعضی موارد مثلاً برای اخذ High levelیا Low level از Level switchاستفاده می شود. این المنت ها با رسیدن سطح ارتفاع ماده مورد نظر به مقدار از پیش تعیین شده تغییر وضعیت می دهند. از خروجی این سوئیچها می توان برای کنترل ON – OFF ، آلارمها و … استفاده کرد.
4 ) اندازه گیری فشار :
اندازه گیری فشار مطلق، فشارGauge ، فشار خلاء یا Draft و اختلاف فشار ممکن است بوسیله دو نوع المنت اولیه صورت گیرد.
1 ) ستون مایع ( Liquid Column ) که چگالی و ارتفاع مایع برای اندازه گیری فشار استفاده می شوند.
2 ) المنتهای فشار فلزی شکل با فتر متقابل یا بدون آن، یا المنت غیرفلزی با یک فنر متقابل.
المنت های اندازه گیر فشار
1 ) المنت های ستون مایع :
در المنتهای ستون مایع انواع گوناگون مایعات بکار می روند. براساس حدود فشاری که بایستی اندازه گیری شود مایع مورد استفاده تغییر می کند. مایعات معمول که در این ستونها استفاده می شوند عبارتند از مایعات آلی با چگالیهای کمتر از آب، آب، یک مایع از گروه bromide که چگالی آن حدود سه برابر آب است و جیوه که چگالی آن 13.6 برابر آب می باشد. چگالی های این مایعات با تغییر درجه حرارت تغییر می نماید.
بنابراین در خلال اندازه گیری فشار باید میزان درجه حرارت را درنظر گرفت. در زیر چند نوع از المنتهای اندازه گیر فشار از طریق ستون مایع شرح داده شده است.

1 . 1 ) اندازه گیر فشار مطلق :
این اندازه گیر از یک لوله ساده بشکل Uکه یک سر آن بسته و کاملاً از فشار تخلیه شده و سر دیگر آن برای اندازه گیری فشار مطلق باز می باشد، تشکیل شده است. در این نوع فشارسنج از جیوه به عنوان مایع داخل ستون استفاده می شود.
1 . 2 ) اندازه گیر فشار جو نوع مخزن ثابت :
در این اندازه گیر فشار اتمسفر به سطح جیوه در ظرف وارد می شود و با افزایش این فشار، سطح جیوه در لوله که آن هم از جیوه پر شده است، بالا می رود. از طریق ارتفاع جیوه در لوله می توان فشار وارد شده بر سطح را حساب نمود. علت اینکه در این نوع فشارسنج از جیوه استفاده می شود این است که سایر مایعات در درجه حرارت محیط بخار شده و باعث خطا در فشارسنج می گردند.
1 . 3 ) فشارسنج نوع U شکل :
در این فشارسنج، مایع در لوله U شکل اختلاف فشار در دو انتهای لوله را نشان می دهد، که این اختلاف فشار متناسب با اختلاف سطح در دو ستون لوله می باشد.
P2 – P1 = hd
1 . 4 ) فشارسنج نوع Well:
در فشارسنج نوع Well یکی از ستونها به صورت یک سطح بزرگ بوده و اختلاف فشار فقط با ارتفاع مایع در یک ستون اندازه گیری می شود.
نسبت دو سطح فشارسنج بسیار مهم بوده و باید این نسبت حتی الامکان بزرگ باشد تا از ایجاد خطا در اثر تقلیل سطح در قطر بزرگتر جلوگیری شود.
P2 – P1 = d(1+ A1/A2) h
در صورتیکه نسبت A1/A2کوچک باشد، این نسبت قابل اغماض خواهد شد و بنابراین خواهیم داشت :
P2 – P1 = hd
1 . 5 ) فشارسنج نوع Ring Balance :
در این فشار سنج لوله ای که مایع در آن قرار می گیرد، بشکل دایره می باشد. یک میله در وسط آن و یک وزنه برای بالانس در زیر حلقه وجود دارد. برای وصل فشار به حلقه فشارسنج از اتصالات خم شدنی استفاده می شود. مقدار گردش حلقه، نشان دهنده مقدار اختلاف فشار می باشد. در اینجا خواهیم داشت :
P2 – P1 = ( RW Sinα ) / (rA)
R = شعاع وزنه W
r= حد متوسط شعاع حلقه فشارسنج
A = سطح لوله
α = زاویه چرخش لوله

1 . 6 ) فشارسنج نوع Bell آب بندی شده با مایع :
این فشارسنج از یک مخزن قرار گرفته شده در یک مایع آب بند تشکیل شده است. قسمت بالای مخزن به یک فنر وصل شده است که در مقابل بالا آمدن مخرن مقاومت می کند.
فشار اعمالی به قسمت داخل مخزن وارد می شود و باعث حرکت برخلاف نیروی فنر متقابل می شود. این حرکت متناسب با فشار اعمالی می باشد.
در اینجا خواهیم داشت :
P = Fc h / A
P = تغییر فشار در داخل Bell
Fc= ضریب فنری متقابل
h= مقدار حرکت Bell
A= سطح داخلی Bell
این نوع فشارسنج در مقابل فشار کم و خلاء حساس می باشد.
1 . 7 ) اختلاف فشارسنج نوع Bell :
این نوع فشارسنج از یک مخزن نوع Bell قرار گرفته شده در مخزن دیگری تشکیل شده است، در حالیکه فشار به هر دو طرف داخلی و خارجی مخزن وارد می شود. در اینجا حرکت از طریق یک شفت به منظور نشان داده به بیرون منتقل می شود. در حالت بالانس ثابت برای این اندازه گیر رابطه زیر برقرار است :
P2 – P1 = Fc h / A
2 ) المنتهای ارتجاعی
2 . 1 ) لوله Bourdon:
اساس کار این المنت اندازه گیر فشار در حرکت سرآزاد آن براساس تغییر فشار داخل لوله می باشد. با ازدیاد فشار از خمیدگی لوله کاسته می شود و سر آزاد آن بیشتر حرکت می کند. لوله Bourdon را می توان در انواع مختلف شکل، حلزونی یا مارپیچ ساخت.
جنس لوله های Bourdon را از آلیاژهای مختلفی می توان انتخاب نمود. این آلیاژها از لحاظ نوع آب دیدگی در گروه های مختلفی طبقه بندی می شوند که هر گروه از این طبقه بندی خود شامل ترکیبات مختلف آلیاژ می باشند. طبقه بندی آلیاژها از لحاظ آب دیدگی آنها بصورت زیر می باشد :
الف ) آلیاژهای سخت شده تحت کشش
ب ) آلیاژهای سخت شده با رسوب شیمیایی
ج ) آلیاژهای حرارت داده شده ( Quenched Drain).
2 . 2 ) Bellows :
المنت Bellows یک جزء جمع و بازشونده، متغیر محوری می باشد. اصول مراحل سازندگی Bellows بصورت ترتیب اهمیت مطابق لیست زیر است :
الف ) شکل دادن هیدرولیکی یک لوله نازک بصورت کار مداوم
ب ) شکل دادن مکانیکی یک لوله بوسیله یک سری اعمال
ج ) جوش دادن یک سری از صفحات فرم داده شده از طریق قطرهای خارجی و داخلی
د ) رسوب الکتریکی فلز بر روی یک محور
Bellows را می توان از مواد مختلفی ساخت. موادی که معمولاً در Bellows بدون درز استفاده می شوند عبارتند از برنج، فسفر برنز، بریلیم مس، مونل و فولاد. Bellows های جوش داده شده را ممکن است از هر فلز قابل جوش دادن بسازند.
انتخاب این مواد بستگی به وضعیت کار (حدود تغییرات، فشار، حرکت لازم و خوردندگی) دارد. معمولاً برای حفاظت در مقابل تغییرات بیشتر از حد کار Bellows از محافظتهای بالا و پائین حدود تغییرات استفاده می شود.
2 . 3 ) المنتهای دیافراگمی :
اصولا دو نوع طرح المنت دیافراگمی وجود دارد.
الف ) دیافراگم فلزی :
یک دیافراگم فلزی بصورت ابتدائی طرحی برای اندازه گیری فشار نسبتاً کم می باشد. این طرح شامل یک دیافراگم تکی و یا یک یا چند کپسول به هم چسبیده می باشد، بطوریکه تغییر فشار کپسول بالایی با تغییر هر کپسول انجام می پذیرد. تغییر کلی دیافراگم عبارت است از جمع تغییرات تمام کپسولها.
یک کپسول ازز دو پوسته دیافراگم که به یکدیگر لحیم یا جوش داده شده اند، تشکیل شده است.
یک پوسته دیافراگم یک صفحه فزی مدور صاف یا موجدار می باشد. بخاطر اینکه عموماً این دیافراگم برای فشار کم استفاده می شود، پوسته دیافراگم بصورت متحدالمرکزی برای بهبود کار دیافراگم موجدار ساخته می شود. این موج بوسیله فشار هیدرولیکی یا مکانیکی بر صفحه فلزی با سختی مناسب بوجود می آید.
فلزی که عموماً برای پوسته دیافراگم مورد استفاده قرار می گیرد، برنج، فسفر، برنز، بریلیم مس، فولاد، نیکل کربن دارد، مونول، تیتانیم و تانتانیم می باشد.
کاربرد این المنت ها معمولاً برای اندازه گیری فشار و خلاء نسبتاً کم از حدود تغییرات Psi 30 ~ 0 می باشد. اندازه گیری فشار مطلق، Draft gauges ، فشار کم، ارتفاع سنج های مایع و اندازه گیری های اختلاف فشار، چند نمونه از موارد استعمال این المنت می باشند.
ب ) دیافراگم غیرفلزی :
یک دیافراگم سست (غیرفلزی) بتناوب، جانشین دیافراگم فلزی برای فشار و خلاء بی نهایت کم، می شود. این دیافراگم به یک فنر که مقابل آن است داده شده که تغییرات را به ازاء فشار داده شده معین می نماید.
دیافراگم می تواند از موادمختلفی تز قبیل چرم، ابریشم تلقیح شده، تفلون، Koroseal و چند ماده مصنوعی دیگر که غالباً با مواد فابریک تقویت می شوند، ساخته شود.
5 ) سوئیچ بدون تماس ( Proximity switch ) :
سوئیچهای بدون تماس، سوئیچهایی هستند که با نزدیک شدن یک قطعه آن را حس کرده و فعال می شوند. این عمل می تواند باعث جذب یک رله، کنتاکتور و یا ارسال سیگنال الکتریکی به طبقه ورودی یک سیستم گردد.
مزایای سوئیچهای بدون تماس عبارتند از :
* سرعت سوئیچینگ زیاد :
سنسورها در مقایسه با کلیدهای مکانیکی از سرعت سوئیچینگ بالایی برخوردارند.
* طول عمر زیاد :
بدلیل نداشتن کنتاکت مکانیکی و عدم نفوذ آب، روغن، گرد و غبار و … دارای طول عمر زیادی هستند.
* عدم نیاز به نیرو و فشار :
با توجه به عملکرد سنسور در هنگام نزدیک شدن قطعه، به نیرو و فشار نیازی نیست.
* قابل استفاده در شرایط کاری مختلف :
در محیطهای با ریزش آب، روغن، اسید و غیره قابل استفاده می باشد.
* عدم ایجاد نویز در هنگام سوئیچینگ :
به دلیل استفاده از نیمه هادی در طبقه خروجی، نویزهای مزاحم ایجاد نمی شوند.
(در این بخش بجای کلمه "سوئیچهای بدون تماس" در برخی از موارد از واژه "سنسور" استفاده شده است).
انواع سنسورهای بدون تماس :
1 ) سنسور القایی (حساس در مقابل فلزات)
2 ) سنسور خازنی (حساس در مقابل همه چیز)
3 ) سنسور نوری (حساس در مقابل همه چیز)
4 ) سنسور مغناطیسی (حساس در مقابل آهنربا)
5 ) سنسور کد رنگ (تشخیص نوار رنگی کاغذهای بسته بندی)
5 . 1 ) سوئیچهای القایی :
سوئیچ القایی، سنسور بدون تماس می باشد که در مقابل فلزات عکس العمل نشان می دهد و می تواند فرمان مستقیم به رله ها، شیربرقی، سیستمهای اندازه گیری و مدارات کنترل الکترونیکی مانند PLCارسال نماید. این سوئیچها از چهار قسمت تشکیل می شوند.
قسمت اساسی این سوئیچ ها از یک اسنیلاتور با فرکانس بالا تشکیل یافته که می تواند توسط قطعات فلزی تحت تاثیر قرار گیرند. این اسیلاتور باعث بوجود آمدن میدان الکترومغناطیسی در قسمت حساس سنسور می شود. نزدیک شدن یک قطعه فلزی باعث بوجود آمدن جریانهای گردابی در قطعه گردیده و این عمل سبب جذب انرژی میدان می شود و در نتیجه دامنه اسیلاتور کاهش می یابد.
از آنجه که طبقه دمدولاتور، آشکارساز دامنه اسیلاتور است، در نتیجه کاهش دامنه اسیلاتور توسط این قسمت به طبقه اشمیت تریگر منتقل می شود.
کاهش دامنه اسیلاتور باعث فعال شدن خروجی اشمیت تریگر گردیده و این قسمت نیز بنوبه خود باعث تحریک طبقه خروجی می شود.
سنسورهای القایی از نظر تعداد سیم، ولتاژ تغذیه و نوع خروجی به انواع زیر تقسیم می شوند :
دو سیمه AC سه سیمه NPN
سه سیمه AC سه سیمه PNP
دو سیمه DC چهار سیمه NPN
دو سیمه نامور ( Namur) چهار سیمه PNP
برخی از سنسورهای القایی خاص عبارتند از :
سنسور القایی نامور :
سنسورهای دو سیمه هستند که مقاومت داخلی آنها برحسب فاصله قطعه از سنسور تغییر می کند. معمولاً اتصال این سنسورها به منبع تغذیه از طریق یک مقاومت Ω K1 صورت می گیرد.
با توجه به سیم بندی مدار، جریان اتصال کوتاه در دو سر سنسور محدود می باشد؛ لذا بدلیل این محدودیت در محیطهای قابل انفجار می توان از این سنسور استفاده کرد.
سنسور القایی آنالوگ :
سنسورهای القایی آنالوگ، سنسورهایی هستند که عکس العمل مقابل فلزات، بصورت ولتاژ و یا جریان خطی در خروجی آنها ظاهر می شود. کاربرد این سنسورها در اندازه گیری فاصله، جداسازی قطعات با ابعاد مختلف، اندازه گیری ضخامت قطعات فلزی و غیره می باشد.
سنسور القایی سرعت (Speed Monitor ) :
از این سنسور بمنظور اندازه گیری سرعت استفاده می شود.
در قسمت حساس این سنسورها میدان مغناطیسی وجود دارد و این میدان در اثر حرکت چرخ دنده ها تغییر می کند. از آنجا که خروجی این سنسورها سلفی می باشد، لذا این تغییرات میدان بصورت پالسهایی در خروجی ظاهر می شوند. برخی از این سنسورها احتیاج به تقویت کننده دارند.
کاربرد این سنسورها در اندازه گیری سرعت موتور، لوکوموتیو، چرخ دنده، پمپ، توربین و غیره می باشد.

5 . 2 ) سنسورهای خازنی :
سنسورهای خازنی، سنسورهای بدون تماس و کنتاکت الکتریکی هستند که در مقابل فلزات و اغلب غیرفلزات عمل می نمایند. این سوئیچها برای کنترل سطوح مخازنی که از مواد پودری، مایع و یا دانه دانه پرشده اند، مناسب می باشند. همچنین از آنها می توان بعنوان مولد پالس بمنظور کنترل وضعیت برنامه ماشین آلات، برای شمارنده ها و آشکارسازی تقریباً تمام مواد فلزی و غیره فلزی استفاده نمود. ساختمان اساسی این سنسورها از چهار قسمت تشکیل شده است.
قسمت اتساسی اسیلاتور می باشد که از دو قطعه فلز تشکیل شده است. وضعیت قرارگیری این قطعات فلزی نسبت بهم طوریست که باع ایجاد یک ظرفیت خازنی می شود.
هرگاه قطعه ای با ضریب الکتریکی به صفحه حساس نزدیک گردد باعث تغییر ظرفیت خازنی بین صفحات می شود. این تغییر ظرفیت خازنی باعث تغییر دامنه خروجی اسیلاتور می شود. دمدولاتور دامنه اسیلاتور را آشکار می کند و این مقدار را با سطح مرجع مقایسه می کند. هرگاه دامنه این مقدار از دامنه مرجع بیشتر باشد، خروجی سنسور تحریک می شود.
در عملکرد سنسورهای خازنی عواملی مانند رطوبت هوا، گرد و غبار و … برفاصله سوئیچینگ تاثیر می گذارند. فاصله سوئیچینگ به نوع قطعه نیز بستگی دارد. فاصله سوئیچینگ با استفاده از پتانسیومتر روی سنسور قابل تنظیم است.
5 . 3 ) سنسورهای نوری :
این سنسورها به سه نوع یکطرفه، رفکتوری و دو طرفه تقسیم می شوند.
* سنسور نوری یکطرفه ( Diffuse) :
این سنسور براساس ارسال امواج مادون قرمز مدوله شده توسط دیود مادون قرمز و دریافت این امواج بوسیله فتو ترانزیستور عمل می کند. در این سنسورها امواج مدوله شده توسط فرستنده بطور مستقیم در فضا پخش می شود.
هرگاه این امواج به مانعی برخورد کنند، منعکس می شوند که مقدار انعکاس این امواج بستگی به رنگ و جنس سطح مانع دارد و به صورت خطی مستقیم نمی باشد. انعکاس سطوح روشن بیش از سطوح تیره بوده و فاصله سوئیچینگ این سنسورها بستگی به میزان انعکتاس بستگی به میزان انعکاس نور دارد. هرگاه در جلوی سنسور مانعی قرار گیرد و امواج انعکاس یافته به سنسور منتقل شود، خروجی تغییر حالت خواهد یافت.
در حالت کلی این سنسورها بدو نوع زیر تقسیم می شوند :
نرمال باز ( Light ON )
نرمال بسته ( Dark ON)
کاربرد این قطعه در آشکارسازی وجود اشیا، تشخیص پارگی ورق، کنترل انحراف ورق و … می باشد.

* سنسور نوری رفلکتوری ( Retro – Reflective ) :
این سنسور براساس ارسال امواج مادون قرمز مدوله شده توسط دیود مادون قرمز و انعکاس این امواج به وسیله رفکتور و دریافت این امواج بوسیله فتوترانزیستور عمل می کند.
در این سنسور امواج مادون قرمز بصورت پلاریزه شده در فضا پخش می شوند. یک منعکس کننده در جلوی سنسور در فاصله معینی قرار می گیرد و امواج ارسال شده پس از برخورد به این منعکس کننده با زاویه 90 درجه نسبت به امواج پخش شده بطرف گیرنده برمی گرداند. این سنسورها نیز به دو صورت Light ON و Dark ON ارائه می شوند.
کاربرد این سنسورها در شمارش تولید، تشخیص پارگی ورق، کنترل حرکت ورق و … می باشد.
* سنسور نوری دوطرفه ( Thru – Beam ) :
این سنسور براساس ارسال امواج مادون قرمز مدوله شده توسط دیود مادون قرمز در قسمت فرستنده و دریافت این امواج توسط فتوترانزیستور در طرف گیرنده که در مقابل گیرنده که در مقابل فرستنده نصب می شود، عمل می نماید.
در این نوع سنسورها، فرستنده و گیرنده مجزا از هم می باشند. امواج مدوله شده مادون قرمز توسط فرستنده ارسال می شود و گیرنده در مقابل فرستنده نصب می شود. هرگاه مابین گیرنده و فرستنده مانعی وجود نداشته باشد، این امواج به گیرنده می رسند و در صورت وجود مانع این امواج دیگر به گیرنده نخواهند رسید. این سنسورها نیز به دو صورت Light ON و Dark ON ارائه می شوند.
5 . 4 ) سنسور مغناطیسی :
این سنسورها در مجاورت میدان مغناطیسی عمل می کنند. هرگاه یک قطعه آهنربا در مقابل این سنسور قرار گیرد، کنتاکت آن عمل خواهد کرد.
کاربرد این نوع سنسور در تشخیص موقعیت پیستون درون سیلندر، اندازه گیری سرعت (با نصب آهنربا بر روی چرخ دنده ها) و غیره می باشد.
5 .5 ) سنسورهای تشخیص رنگ :
در ماشین آلات صنایع غذایی، بسته بندی و غیره اغلب از سنسورهایی استفاده می شود که علائم رنگی چاپ شده روی کاغذهای بسته بندی را تشخیص داده و فرمان لازم مانند قطع کاغذ را صادر کند.
حساسیت به رنگ های مختلف توسط پتانسیومتر این سنسورها قابل تنظیم می باشد. این سنسورها به صورت چهار سیمه و با خروجی NPNیا PNPتولید می شوند.

2