Приборы — собирательный термин для измерительных приборов , используемый для индикации, измерения и записи физических величин . Это также область изучения искусства и науки о создании измерительных приборов, включающая смежные области метрологии , автоматизации и теории управления . Этот термин берет свое начало в искусстве и науке изготовления научных приборов .
К измерительным приборам могут относиться такие простые устройства, как термометры прямого считывания , или такие сложные, как многосенсорные компоненты промышленных систем управления . Приборы можно найти в лабораториях, нефтеперерабатывающих заводах, фабриках и транспортных средствах, а также в повседневном домашнем использовании (например, детекторы дыма и термостаты ) .
Приборы используются для измерения многих параметров (физических величин), в том числе:
Историю приборостроения можно разделить на несколько этапов.
Элементы промышленного приборостроения имеют долгую историю. Весы для сравнения весов и простые указатели для обозначения положения — древние технологии. Некоторые из самых ранних измерений касались времени. Одни из старейших водяных часов были найдены в гробнице древнеегипетского фараона Аменхотепа I , похороненного около 1500 г. до н.э. [1] В часы были внесены улучшения. К 270 г. до н.э. у них были зачатки устройства автоматической системы управления. [2]
В 1663 году Кристофер Рен представил Королевскому обществу проект «погодных часов». На рисунке показаны метеорологические датчики, перемещающие ручки по бумаге, приводимые в движение часовым механизмом. Такие устройства не стали стандартом в метеорологии в течение двух столетий. [3] Концепция осталась практически неизменной, о чем свидетельствуют пневматические самописцы, в которых сильфон под давлением заменяет ручку. Интеграция датчиков, дисплеев, записывающих устройств и средств управления была редкостью до промышленной революции, ограниченной как необходимостью, так и практичностью.
В ранних системах для управления и индикации использовались прямые технологические соединения с местными панелями управления, а с начала 1930-х годов были внедрены пневматические датчики и автоматические трехпозиционные (ПИД) контроллеры .
Диапазоны пневматических датчиков были определены необходимостью управления клапанами и приводами в полевых условиях. Как правило, стандартный сигнал находился в диапазоне от 3 до 15 фунтов на квадратный дюйм (от 20 до 100 кПа или от 0,2 до 1,0 кг/см2), а для клапанов большего размера иногда использовался диапазон от 6 до 30 фунтов на квадратный дюйм. Транзисторная электроника позволила заменить трубы проводкой, первоначально с диапазоном от 20 до 100 мА при напряжении до 90 В для устройств с питанием от контура, а в более современных системах он снизился до 4–20 мА при напряжении от 12 до 24 В. Передатчик — это устройство, которое производит выходной сигнал, часто в виде сигнала электрического тока 4–20 мА , хотя возможны многие другие варианты с использованием напряжения , частоты , давления или Ethernet . Транзистор был коммерциализирован к середине 1950-х годов . [4]
Приборы, подключенные к системе управления, передавали сигналы, используемые для управления соленоидами , клапанами , регуляторами , автоматическими выключателями , реле и другими устройствами. Такие устройства могут контролировать желаемую выходную переменную и обеспечивать возможности дистанционного мониторинга или автоматического управления.
Каждая компания-производитель приборов представила свой собственный стандартный сигнал приборов, что вызывало путаницу до тех пор, пока диапазон 4–20 мА не стал использоваться в качестве стандартного сигнала электронного прибора для датчиков и клапанов. В конечном итоге в 1970-х годах этот сигнал был стандартизирован как ANSI/ISA S50, «Совместимость аналоговых сигналов для электронных промышленных приборов». Преобразование контрольно-измерительных приборов из механических пневматических датчиков, контроллеров и клапанов в электронные инструменты снизило затраты на техническое обслуживание, поскольку электронные инструменты были более надежными, чем механические. Это также повысило эффективность и производительность за счет повышения точности. Пневматика имела некоторые преимущества, предпочитая работать в агрессивных и взрывоопасных средах. [5]
В первые годы управления технологическими процессами индикаторы процесса и элементы управления, такие как клапаны, контролировались оператором, который ходил вокруг установки и регулировал клапаны для получения желаемых температур, давлений и расходов. По мере развития технологий были изобретены и установлены на местах пневматические контроллеры, которые контролировали процесс и управляли клапанами. Это сократило количество времени, необходимое операторам процесса для мониторинга процесса. В последние годы фактические контроллеры были перемещены в центральное помещение, и сигналы отправлялись в диспетчерскую для мониторинга процесса, а выходные сигналы отправлялись на конечный элемент управления, такой как клапан, для регулировки процесса по мере необходимости. Эти контроллеры и индикаторы были закреплены на стене, называемой панелью управления. Операторы стояли перед этим табло, ходили туда-сюда и следили за показателями процесса. Это еще раз сократило количество и время, которое требовалось операторам процесса для обхода установок. Самый стандартный уровень пневматического сигнала, использовавшийся в эти годы, составлял 3–15 фунтов на квадратный дюйм. [6]
Управление процессами на крупных промышленных предприятиях развивалось на многих этапах. Первоначально управление будет осуществляться с панелей, расположенных на технологическом заводе. Однако для обслуживания этих рассредоточенных групп требовались большие человеческие ресурсы, и не было общего представления о процессе. Следующим логическим развитием стала передача всех измерений станции в постоянно укомплектованный центральный диспетчерский пункт. По сути, это была централизация всех локализованных групп с преимуществами более низкого уровня укомплектования персоналом и простоты обзора процесса. Часто контроллеры находились за панелями диспетчерской, и все выходные данные автоматического и ручного управления передавались обратно на завод.
Однако, хотя эта схема и обеспечивала централизованное управление, она была негибкой, поскольку каждый контур управления имел свое собственное аппаратное обеспечение контроллера, и для наблюдения за различными частями процесса требовалось постоянное перемещение оператора внутри диспетчерской. С появлением электронных процессоров и графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети стоек ввода-вывода с собственными управляющими процессорами. Они могут быть распределены по всему заводу и обмениваться данными с графическим дисплеем в диспетчерской или комнатах. Появилась концепция распределенного управления.
Внедрение РСУ и SCADA позволило легко соединять и реконфигурировать средства управления предприятием, такие как каскадные контуры и блокировки, а также легко взаимодействовать с другими производственными компьютерными системами. Это позволило усовершенствовать обработку сигналов тревоги, внедрить автоматическую регистрацию событий, устранило необходимость в физических записях, таких как самописцы, позволило объединить стойки управления в сеть и, таким образом, разместить их локально на заводе, чтобы сократить прокладку кабелей, а также обеспечило высокоуровневый обзор состояния предприятия и производства. уровни.
В некоторых случаях датчик является весьма незначительным элементом механизма. Цифровые камеры и наручные часы технически могут соответствовать широкому определению приборов, поскольку они записывают и/или отображают полученную информацию. В большинстве случаев ни один из них не будет называться прибором, но когда он используется для измерения прошедшего времени гонки и для документирования победителя на финише, оба будут называться приборами.
Очень простым примером контрольно-измерительной системы является механический термостат , используемый для управления бытовой печью и, таким образом, для контроля температуры в помещении. Типичный прибор измеряет температуру с помощью биметаллической полоски . Он отображает температуру с помощью иглы на свободном конце полоски. Он активирует печь с помощью ртутного переключателя . Когда переключатель вращается полоской, ртуть устанавливает физический (и, следовательно, электрический) контакт между электродами.
Другим примером контрольно-измерительной системы является система домашней безопасности . Такая система состоит из датчиков (обнаружения движения, переключателей для обнаружения открытия дверей), простых алгоритмов обнаружения проникновения, местного управления (постановка/снятие с охраны) и удаленного мониторинга системы для вызова полиции. Коммуникация является неотъемлемой частью дизайна.
Кухонная техника использует датчики для управления.
Современные автомобили имеют сложное оборудование. Помимо отображения частоты вращения двигателя и линейной скорости автомобиля, также отображаются напряжение и ток аккумуляторной батареи, уровень жидкости, температура жидкости, пройденное расстояние и обратная связь от различных органов управления (поворотники, стояночный тормоз, фары, положение коробки передач). Предупреждения могут отображаться в случае особых проблем (низкий уровень топлива, проверка двигателя, низкое давление в шинах, приоткрытая дверь, отстегнутый ремень безопасности). Проблемы записываются, чтобы о них можно было сообщить диагностическому оборудованию . Навигационные системы могут предоставлять голосовые команды для достижения пункта назначения. Автомобильные приборы должны быть дешевыми и надежными в течение длительного времени в суровых условиях. Могут существовать независимые системы подушек безопасности , содержащие датчики, логику и исполнительные механизмы. Противоскользящие тормозные системы используют датчики для управления тормозами, а круиз-контроль влияет на положение дроссельной заслонки. По каналам связи в системе OnStar может предоставляться широкий спектр услуг . Были показаны автономные автомобили (с экзотическим оборудованием).
Ранние самолеты имели несколько датчиков. [7] «Паромеры» преобразовывали давление воздуха в отклонения стрелки, которые можно было интерпретировать как высоту и воздушную скорость. Магнитный компас давал ощущение направления. Показания для пилота были так же важны, как и измерения.
Современный самолет имеет гораздо более сложный набор датчиков и дисплеев, встроенных в системы авионики . Самолет может содержать инерциальные навигационные системы , системы глобального позиционирования , метеорадиолокаторы , автопилоты и системы стабилизации самолета. Для надежности используются резервные датчики. Часть информации может быть передана на устройство записи аварий , чтобы помочь в расследовании происшествий. Современные дисплеи пилотов теперь включают компьютерные дисплеи, в том числе проекционные дисплеи .
Радар управления воздушным движением представляет собой распределенную приборную систему. Наземная часть посылает электромагнитный импульс и принимает эхо (по крайней мере). На самолетах есть транспондеры, которые передают коды при приеме импульса. Система отображает местоположение самолета на карте, идентификатор и, при необходимости, высоту. Местоположение на карте основано на измеренном направлении антенны и обнаруженной временной задержке. Другая информация встроена в передачу транспондера.
Среди возможных вариантов использования этого термина - совокупность лабораторного испытательного оборудования, управляемого компьютером через шину IEEE-488 (также известную как GPIB для инструментальной шины общего назначения или HPIB для инструментальной шины Hewlitt Packard). Доступно лабораторное оборудование для измерения многих электрических и химических величин. Такая коллекция оборудования может быть использована для автоматизации тестирования питьевой воды на наличие загрязняющих веществ.
Приборостроение — это инженерная специализация, сосредоточенная на принципе и работе измерительных приборов, которые используются при проектировании и настройке автоматизированных систем в таких областях, как электрическая и пневматическая области, а также на контроле измеряемых величин. Обычно они работают в отраслях с автоматизированными процессами, таких как химические или производственные предприятия, с целью повышения производительности , надежности, безопасности, оптимизации и стабильности системы. Для управления параметрами процесса или конкретной системы используются такие устройства, как микропроцессоры, микроконтроллеры или ПЛК, но их конечной целью является управление параметрами системы.
Приборостроение имеет слабое определение, поскольку требуемые задачи во многом зависят от предметной области. У эксперта по биомедицинскому оборудованию лабораторных крыс совсем другие проблемы, чем у эксперта по ракетному приборостроению. Общими проблемами обоих являются выбор подходящих датчиков на основе размера, веса, стоимости, надежности, точности, долговечности, устойчивости к воздействию окружающей среды и частотной характеристики. Некоторые датчики буквально обстреливаются артиллерийскими снарядами. Другие чувствуют термоядерные взрывы, пока не уничтожатся. Данные датчиков всегда должны записываться, передаваться или отображаться. Скорость записи и емкость сильно различаются. Передача может быть простой или тайной, зашифрованной и маломощной при наличии помех. Показания могут быть тривиально простыми или требовать консультаций со специалистами по человеческому фактору . Проектирование систем управления варьируется от тривиального до отдельной специальности.
Инженеры по КИП отвечают за интеграцию датчиков с регистраторами, передатчиками, дисплеями или системами управления, а также за создание схемы трубопроводов и приборов для технологического процесса. Они могут спроектировать или указать установку, проводку и преобразование сигнала. Они могут нести ответственность за ввод в эксплуатацию, калибровку, тестирование и техническое обслуживание системы.
В исследовательской среде эксперты в данной области обычно обладают значительным опытом в области инструментальных систем. Астроном знает структуру Вселенной и многое о телескопах – оптике, наведении и камерах (или других чувствительных элементах). Это часто включает в себя с трудом завоеванные знания операционных процедур, которые обеспечивают наилучшие результаты. Например, астроном часто владеет методами минимизации температурных градиентов, вызывающих турбулентность воздуха внутри телескопа.
Технологи, техники и механики приборостроения специализируются на поиске и устранении неисправностей, ремонте и обслуживании приборов и контрольно-измерительных систем.
Ральф Мюллер (1940) заявил: «То, что история физической науки — это в основном история инструментов и их разумного использования, хорошо известно. Широкие обобщения и теории, возникающие время от времени, основывались или терпели неудачу на основе точных измерений. , и в некоторых случаях для этой цели пришлось изобрести новые инструменты. Существует мало доказательств того, что разум современного человека превосходит разум древних. Его инструменты несравненно лучше». [8] [9] : 290
Дэвис Бэрд утверждал, что главным изменением, связанным с определением Флорисом Коэном « четвертой большой научной революции» после Второй мировой войны , является развитие научных приборов не только в химии , но и во всех науках. [9] [10] В химии внедрение новых приборов в 1940-х годах было «не чем иным, как научно-технической революцией» [11] : 28–29 , в которой были отвергнуты классические «мокрые и сухие» методы структурной органической химии. и открылись новые области исследований. [11] : 38
Еще в 1954 году У. Уайлдхак обсуждал как продуктивный, так и разрушительный потенциал, присущий управлению процессами. [12] Способность проводить точные, проверяемые и воспроизводимые измерения мира природы на уровнях, которые ранее не наблюдались, с использованием научных приборов, «обеспечила иную текстуру мира». [13] Эта революция в области приборостроения коренным образом меняет возможности человека контролировать и реагировать, о чем свидетельствуют примеры мониторинга ДДТ и использования УФ-спектрофотометрии и газовой хроматографии для мониторинга загрязнителей воды . [10] [13]
Загрузите PDF-файл, чтобы прочитать статью полностью.
