1. ابزار اندازه گیری و کنترل
دانشگاه کردستان
دانشکده کشاورزی
گروه مهندسی بیوسیستم
ابزار اندازه گیری و کنترل
Instrumentation and Control
فصل دوم:
سیستم های ابزار دقیق الکترونیکی
مدرس:
دکتر کاوه ملازاده

2. مقدمه
هدف فصل:
آشنايی فردی که کار اندازه گيری انجام مي دهد برای اينکه بتواند اطلاعات دقيق را اخذ کند.
معرفی تمامی عناصر سيستم ابزار دقيق الکترونيکی برای بهبود توانايی فراگير به منظور طراحی آزمايش های مؤثر و شيوه های اندازه گيری 1

3. دیاگرام جعبه ای یک سیستم ابزار دقیق الکترونیکی2

4. زمینه های کاربرد سیستم های ابزار دقیق الکترونیکی
1. تحلیل مهندسی قطعات ماشین ها، سازه ها و وسایل نقلیه برای اطمینان از بازدهی و عملکرد مطمئن.
2. مانیتورینگ فرآیندها به منظور آماده کردن داده های عملیاتی بدون درنگ که به عملگر امکان انجام تنظیم ها و بر اساس آن کنترل فرآیندها را می دهد (کنترل دستی فرآیند).
3. کنترل خودکار فرآیند به منظور آماده کردن داده ای عملیاتی بدون درنگ که به عنوان سیگنال های پسخورد در سیستم های کنترل حلقه بسته استفاده می شوند تا امکان کنترل پیوسته ایجاد شود. 3

5. تحلیل مهندسی (Engineering Analysis)
اجرای تحلیل مهندسی به دو طریق انجام می گیرد:
1. تحقیق تجربی: در اين روش يک مدل از جزء مورد نظر ساخته شده و يک برنامه آزمايشی برای ارزيابی عملکرد جزء در حال کار تهيه مي شود و با اندازه گيری مستقيم کميت های مهمی که شايستگی طراحی را کنترل مي کنند، اين تحقيق انجام مي شود.
2. مدل سازی نظری: يک مدل تحليلی از قسمت مورد نظر ماشين فرموله مي شود و فرضياتی متناسب با شرايط عملکرد، بار وارد بر آن قسمت، خواص ماده و نحوه انهدام در نظر گرفته مي شود. معادلات توصيف کننده رفتار مدل تحليلی نوشته و با روش های رياضی يا محاسبات عددی حل مي شوند. نتايج اين تحليل نظری، درست بودن طراحی و تخمين عملکرد احتمالی آن جزء يا سازه در حال کار را برای طراح مشخص مي کند. 4

6. کنترل فرآیند حلقه باز (Open-Loop Process Control)5

7. کنترل فرآیند حلقه بسته (Closed-Loop Process Control)6

8. تجهیزات کنترل فرآیند در سیستم های حلقه باز و حلقه بسته
موتورهای پله ای
Stepper Motors))
موتورهای DC
سولنوئیدها
Solenoids))
شیرهای موتوردار
Motorized Valves))
تجهیزات موقعیت ده
Positioning Devices))
شیرهای کنترل خودکار
Servo Control Valves))
گرم کن های مقاومتی
Resistance Heaters)) 7

9. موتورهای DC (Direct current electrical motors)8

10. اساس کار موتورهای DC
وقتي كه از يك هادي در ميدان مغناطيسي جريان الكتريكي عبور كند، بر اين هادي نيرويي وارد مي شود كه طبق قانون دست راست فلمينگ مي توان جهت حركت هادي را تعيين نمود. قانون دست راست فلمينگ بيان مي كند اگر انگشت اشاره جهت ميدان مغناطيسي را نشان دهد و انگشت مياني به جهت عبور جريان اشاره كند، در اين صورت انگشت شست جهت حركت هادي را نشان مي دهد و مي توان مقدار نيروي وارد بر هادي را تعيين نمود. 9

11. موتورهای پله ای (Stepper motors)
موتور الکتریکی است که ورودی الکتريکی ديجيتالی را به يک حرکت مکانيکی دورانی پله ای تبديل مي کند.
استاتور دارای چند قطب يا دندانه برجسته است.
روتور هم دندانه دارد (شبيه چرخ دنده).
هسته آرميچر (روتور) از جنس آهنربای دائمی است؛ برای همين نياز به سيم پيچ، کموتاتور و برس ندارد.
موقعيت زاويه ای روتور را مي توان با سوئيچينگ کنترل کرد. 10

12. نحوه کنترل موتورهای پله ای
موتورهای پله ای با یک سری پالس های پیوسته وارد شده به سیم پیچ های میدان تحریک می شوند. خصوصیات پالس (زمان اوج، دوره، زمان افت و دامنه نوسان) با حالت اینرسی موتور متناسب است تا آرمیچر یک مرحله به ازای هر پالس (متناسب با زاویه ی بین دو دندانه ی روی آرمیچر) بچرخد.
کنترل 2 بیتی
کنترل 1 بیتی 11

13. نحوه کنترل موتورهای پله ای
کنترل موقعیت زاویه ای به کمک موتورهای پله ای به سادگی با شمردن تعداد پالس های ورودی که به سیم پیچ های میدان وارد می شود، انجام می گیرد. سرعت یک موتور پله ای با تنظیم آهنگ پالس ها کنترل می شود.
تعداد چرخ دنده روتور × تعداد دندانه های روی هر چرخ دنده روتور × تعداد قطب های استاتور = تعداد پالس برای هر دور چرخش
برای تبدیل (ثانیه/پالس) به دور در دقیقه، مقدار پالس بر ثانیه را به عدد 3/24 تقسیم می نمائیم (خطا در حد 3%). یعنی موقعیت آرمیچر در هر پله 3/24 دقیقه است. 12

14. مثال
درصورتیکه یک موتور پله ای دارای 2 روتور با تعداد 50 دندانه روی هر روتور و تعداد قطب های استاتور 4 عدد باشد، مطلوبست زاویه چرخش روتور به ازای هر پالس؟
تعداد چرخ دنده روتور × تعداد دندانه های روی هر چرخ دنده روتور × تعداد قطب های استاتور = تعداد پالس برای هر دور چرخش
400 = 2× 50× 4= تعداد پالس برای هر دور چرخش
پالس/درجه 0/9 = 360/400 = زاویه چرخش روتور به ازای هر پالس 13

15. سولنوئیدها
سولنوئید، عبارت است از یک سیم پیچ با چندین حلقه سیم مغناطیسی که حول یک هسته استوانه ای پیچیده تشکیل شده است. وقتی جریانی از سیم پیچ عبور می کند، یک میدان مغناطیسی ایجاد می شود که می تواند به هسته ی آهنی داخل سیم پیچ نیرو وارد کند.
بزرگی نیروی حاصل از میدان مغناطیسی در سولنوئید به جریان الکتریکی عبوری، تعداد حلقه ها و هندسه سیم پیچ بستگی دارد. 14

16. شیرهای سولنوئیدی 15

17. شیرهای موتوردار
در مواردی که کنترل جريان توسط شيرهای سولنوئيدی به خوبی ميسر نيست؛ از شيرهای موتوردار استفاده مي کنند. در چنين مواردی از يک موتور DC همراه با يک مکانيزم پيچی استفاده مي شود. با چنين سيستمی دريچه شير قابل تنظيم شده و نرخ فلو به طور دقيق کنترل مي شود.
شيرهای موتوردار در کنترل جريان در فرايندهای شبه استاتيکی که نرخ تغيير جريان در آنها کوچک است، مؤثرند. وقتی نرخ تغييرات بالا باشد، استفاده از آنها مجاز نيست. 16

18. شیرهای کنترل خودکار
شیرهای کنترل خودکار تجهیزاتی الکترومغناطیسی هستند که برای کنترل جریان استفاده می شوند. نسبت به شیرهای موتوردار این تفاوت را دارند نسبت به تغییرات در سیگنال فرمان خود، سریع پاسخ می دهند.
شیر فعال
شیر غیرفعال 17

19. تجهیزات موقعیت ده
با استفاده از يک موتور DC با کنترل فيدبک يا موتور پله ای با يا بدون فيدبک مي توان موقعيت های دورانی را ايجاد کرد. ولی برای ايجاد موقعيت های خطی دقيق نياز به زيرسيستم های مکانيکی ديگری برای ايجاد جابجايي خطي است.
ساده ترين روش برای کنترل دقيق موقعيت، الحاق يک سروموتور به يک پيچ محرک است. 18

20. موقعیت دهی برای سرعت های بالا
سیستم های موقعیت دهی پیچی به علت عملکرد آهسته (حد بالای سرعت در آن ها در حدود 100 mm/secاست) و نیز دقت کمتر به علت ایجاد لقی (backlash) بین پیچ و مهره هنگام تغيير جهت حرکت، برای ایجاد حرکت خطی در سرعت های بالا مناسب نیستند.
جهت موقعیت دهی خطی در سرعت های بالا (سرعت تا 10 m/sec) از سیلندرهای هیدرولیکی با سروکنترلر استفاده می گردد. 19

21. توان گرمایی تلف شده در مقاومت الکتریکی
گرم کن های مقاومتی
هنگامی که در کنترل يک فرآيند نياز به افزايش دمای يک جسم يا جرمی از يک سيال وجود داشته باشد، معمولا از گرم کن های مقاومتی استفاده مي شود.
توان گرمایی تلف شده در مقاومت الکتریکی
جریان
مقاومت
ولتاژ
کنترل دما از طريق کنترل جريان صورت مي گيرد.. 20