Инструментарий — собирательный термин для измерительных приборов , используемых для индикации, измерения и регистрации физических величин . Это также область изучения искусства и науки о создании измерительных приборов, включающая смежные области метрологии , автоматизации и теории управления . Термин берет свое начало в искусстве и науке научного приборостроения .
Приборы могут относиться к таким простым устройствам, как термометры с прямым считыванием , или таким сложным, как многосенсорные компоненты промышленных систем управления . Приборы можно найти в лабораториях , на 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 указания положения являются древними технологиями. Некоторые из самых ранних измерений были измерениями 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 усовершенствования. К 270 г. до н. э. у них появились зачатки устройства автоматической системы управления. [2]
В 1663 году Кристофер Рен представил Королевскому обществу проект «погодных часов». На рисунке показаны метеорологические датчики, перемещающие перья по бумаге с помощью часового механизма. Такие устройства не стали стандартом в метеорологии в течение двух столетий. [3] Концепция осталась практически неизменной, о чем свидетельствуют пневматические самописцы, в которых перо перемещается с помощью нагнетаемого меха. Интеграция датчиков, дисплеев, самописцев и элементов управления была редкостью до промышленной революции, ограниченной как необходимостью, так и практичностью.
В ранних системах для управления и индикации использовались прямые технологические соединения с локальными панелями управления, а с начала 1930-х годов появились пневматические датчики и автоматические трехкомпонентные (ПИД) регуляторы .
Диапазоны пневматических передатчиков определялись необходимостью управления клапанами и приводами в полевых условиях. Обычно сигнал варьировался от 3 до 15 фунтов на квадратный дюйм (от 20 до 100 кПа или от 0,2 до 1,0 кг/см2) в качестве стандарта, был стандартизирован с 6 до 30 фунтов на квадратный дюйм, иногда используемых для более крупных клапанов. Транзисторная электроника позволила заменить трубы проводкой, изначально с диапазоном от 20 до 100 мА при напряжении до 90 В для устройств с питанием от контура, уменьшаясь до 4 до 20 мА при напряжении от 12 до 24 В в более современных системах. Передатчик — это устройство, которое выдает выходной сигнал, часто в форме электрического токового сигнала 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, обеспечивали сигналы, используемые для управления соленоидами , клапанами , регуляторами , автоматическими выключателями , реле и другими устройствами. Такие устройства могли управлять желаемой выходной переменной и обеспечивать либо удаленный мониторинг, либо возможности автоматизированного управления.
Каждая компания-производитель приборов вводила свой собственный стандартный сигнал приборов, вызывая путаницу, пока диапазон 4–20 мА не стал использоваться в качестве стандартного электронного сигнала приборов для передатчиков и клапанов. Этот сигнал в конечном итоге был стандартизирован как ANSI/ISA S50, «Совместимость аналоговых сигналов для электронных промышленных технологических приборов», в 1970-х годах. Преобразование приборов из механических пневматических передатчиков, контроллеров и клапанов в электронные приборы снизило затраты на техническое обслуживание, поскольку электронные приборы были более надежными, чем механические. Это также повысило эффективность и производительность из-за их повышения точности. Пневматика имела некоторые преимущества, будучи предпочтительной в коррозионных и взрывоопасных средах. [5]
В первые годы управления процессами индикаторы процесса и элементы управления, такие как клапаны, контролировались оператором, который ходил вокруг установки, регулируя клапаны для получения желаемых температур, давлений и потоков. По мере развития технологий были изобретены и установлены пневматические контроллеры на местах, которые контролировали процесс и управляли клапанами. Это сократило количество времени, которое требовалось операторам процесса для контроля процесса. В последние годы фактические контроллеры были перемещены в центральное помещение, и сигналы отправлялись в комнату управления для контроля процесса, а выходные сигналы отправлялись на конечный элемент управления, такой как клапан, для регулировки процесса по мере необходимости. Эти контроллеры и индикаторы были установлены на стене, называемой панелью управления. Операторы стояли перед этой панелью, гуляя взад и вперед, контролируя индикаторы процесса. Это снова сократило количество и количество времени, которое требовалось операторам процесса для обхода установок. Самый стандартный уровень пневматического сигнала, используемый в эти годы, составлял 3–15 фунтов на кв. дюйм. [6]
Управление процессами на крупных промышленных предприятиях прошло много стадий. Первоначально управление осуществлялось с панелей, расположенных на технологическом предприятии. Однако для обслуживания этих разрозненных панелей требовались большие людские ресурсы, и не было общего обзора процесса. Следующим логическим шагом стала передача всех заводских измерений в постоянно укомплектованную центральную диспетчерскую. Фактически это была централизация всех локализованных панелей с преимуществами в виде более низкого уровня персонала и легкого обзора процесса. Часто контроллеры находились за панелями диспетчерской, и все автоматические и ручные выходные сигналы управления передавались обратно на предприятие.
Однако, обеспечивая центральный фокус управления, эта схема была негибкой, поскольку каждый контур управления имел свое собственное аппаратное обеспечение контроллера, и для просмотра различных частей процесса требовалось постоянное перемещение оператора в пределах диспетчерской. С появлением электронных процессоров и графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети стоек ввода/вывода с их собственными процессорами управления. Они могли быть распределены по заводу и взаимодействовать с графическим дисплеем в диспетчерской или комнатах. Так родилась концепция распределенного управления.
Внедрение DCS и SCADA позволило легко соединять и перенастраивать элементы управления заводом, такие как каскадные контуры и блокировки, а также легко взаимодействовать с другими производственными компьютерными системами. Это позволило реализовать сложную обработку сигналов тревоги, внедрило 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 количество проложенных кабелей, и обеспечило обзоры высокого уровня состояния завода и уровней производства.
В некоторых случаях датчик является очень незначительным элементом механизма. Цифровые камеры и наручные часы могут технически соответствовать широкому определению приборов, поскольку они записывают и/или отображают полученную информацию. В большинстве случаев ни один из них не будет называться прибором, но при использовании для измерения прошедшего времени гонки и документирования победителя на финишной прямой оба будут называться прибором.
Очень простой пример системы измерительных приборов — механический термостат , используемый для управления бытовой печью и, таким образом, для контроля температуры в помещении. Типичное устройство 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 создает физический (и, следовательно, электрический) контакт между электродами.
Другим примером системы приборов является система безопасности дома . Такая система состоит из датчиков (обнаружение движения, переключателей для обнаружения открывания дверей), простых алгоритмов для обнаружения вторжения, локального управления (постановка/снятие с охраны) и удаленного мониторинга системы для вызова полиции. Связь является неотъемлемой частью дизайна.
Кухонная техника использует датчики для управления.
Современные автомобили имеют сложную приборную панель. В дополнение к дисплеям частоты вращения двигателя и линейной скорости автомобиля, есть также дисплеи напряжения и тока аккумулятора, уровня жидкости, температуры жидкости, пройденного расстояния и обратной связи различных органов управления (поворотники, стояночный тормоз, фары, положение трансмиссии). Предупреждения могут отображаться для особых проблем (низкий уровень топлива, проверка двигателя, низкое давление в шинах, приоткрытая дверь, непристегнутый ремень безопасности). Проблемы регистрируются, 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 быть независимые системы подушек безопасности , которые содержат датчики, логику и исполнительные механизмы. Антипробуксовочные тормозные системы используют датчики для управления тормозами, в то время как круиз-контроль влияет на положение дроссельной заслонки. Широкий спектр услуг может быть предоставлен через каналы связи в системе OnStar . Были показаны автономные автомобили (с экзотическими приборами).
Ранние самолеты имели несколько датчиков. [7] «Паровые манометры» преобразовывали давление воздуха в отклонение стрелки, которое можно было интерпретировать как высоту и скорость полета. Магнитный компас обеспечивал чувство направления. Дисплеи для пилота были столь же важны, как и измерения.
Современный самолет имеет гораздо более сложный набор датчиков и дисплеев, которые встроены в системы авионики . Самолет может содержать инерциальные навигационные системы , глобальные системы позиционирования , метеорологический радар , автопилоты и системы стабилизации самолета. Для надежности используются избыточные датчики. Подмножество информации может быть передано на регистратор аварий для помощи в расследовании несчастных случаев. Современные дисплеи пилотов теперь включают компьютерные дисплеи, включая проекционные дисплеи .
Радар управления воздушным движением представляет собой распределенную систему приборов. Наземная часть посылает электромагнитный импульс и получает эхо (как минимум). Самолеты несут транспондеры, которые передают коды при приеме импульса. Система отображает местоположение самолета на карте, идентификатор и, опционально, высоту. Местоположение на карте основано на измеренном направлении антенны и измеренной временной задержке. Другая информация встроена в передачу транспондера.
Среди возможных вариантов использования этого термина — набор лабораторного испытательного оборудования, управляемого компьютером через шину IEEE-488 (также известную как GPIB для General Purpose Instrument Bus или HPIB для Hewlitt Packard Instrument Bus). Лабораторное оборудование доступно для измерения многих электрических и химических величин. Такой набор оборудования может использоваться 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 электрические и пневматические домены, а также для контроля измеряемых величин. Обычно они работают в отраслях с автоматизированными процессами, таких как химические или производственные заводы, с целью повышения производительности системы , надежности, безопасности, оптимизации и стабильности. Для управления параметрами в процессе или в конкретной системе используются такие устройства, как микропроцессоры, микроконтроллеры или ПЛК, но их конечной целью является управление параметрами системы.
Инженерное приборостроение определяется неточно, поскольку требуемые задачи очень зависят от предметной области. Эксперт по биомедицинскому приборостроению лабораторных крыс имеет совершенно иные интересы, чем эксперт по ракетному приборостроению. Общими интересами обоих являются выбор подходящих датчиков на основе размера, веса, стоимости, надежности, точности, долговечности, устойчивости к воздействию окружающей среды и частотной характеристики. Некоторые датчики буквально выстреливаются в артиллерийских снарядах. Другие ощущают термоядерные взрывы до тех пор, пока не разрушатся. Данные датчиков неизменно должны быть записаны, переданы или отображены. Скорость записи и емкость сильно различаются. Передача может быть тривиальной или может быть скрытой, зашифрованной и маломощной при наличии помех. Дисплеи могут быть тривиально простыми или могут потребовать консультации со специалистами по человеческому фактору . Проектирование системы управления варьируется от тривиального до отдельной специальности.
Инженеры по приборам отвечают за интеграцию датчиков с регистраторами, передатчиками, дисплеями или системами управления, а также за создание схемы трубопроводов и приборов для процесса. Они могут проектировать или определять установку, проводку и обработку сигнала. Они могут отвечать за ввод в эксплуатацию, калибровку, тестирование и обслуживание системы.
В исследовательской среде эксперты по предметной области обычно обладают значительным опытом в области измерительных систем. Астроном знает структуру Вселенной и многое о телескопах – оптике, наведении и камерах (или других чувствительных элементах). Это часто включает в себя с трудом добытые знания рабочих процедур, которые обеспечивают наилучшие результаты. Например, астроном часто знает методы минимизации температурных градиентов, которые вызывают турбулентность воздуха внутри телескопа.
Технологи, техники и механики по контрольно-измерительным приборам специализируются на устранении неисправностей, ремонте и обслуживании приборов и систем контрольно-измерительных приборов.
Ральф Мюллер (1940) утверждал: «То, что история физической науки в значительной степени является историей инструментов и их разумного использования, хорошо известно. Широкие обобщения и теории, которые возникали время от времени, стояли или рушились на основе точных измерений, и в ряде случаев для этой цели приходилось изобретать новые инструменты. Мало доказательств того, что разум современного человека превосходит разум древних. Его инструменты несравненно лучше». [8] [9] : 290
Дэвис Бэрд утверждал, что основным изменением, связанным с определением Флорисом Коэном « четвертой большой научной революции» после Второй мировой войны, является развитие научного инструментария, не только в химии, но и во всех науках. [9] [10] В химии внедрение нового инструментария в 1940-х годах было «не чем иным, как научной и технологической революцией» [11] : 28–29 , в которой были отброшены классические мокрые и сухие методы структурной органической химии и открылись новые области исследований. [11] : 38
Еще в 1954 году У. А. Уайлдхэк обсуждал как продуктивный, так и разрушительный потенциал, присущий контролю процессов. [12] Возможность делать точные, проверяемые и воспроизводимые измерения природного мира на уровнях, которые ранее не наблюдались, с использованием научных приборов, «предоставила иную текстуру мира». [13] Эта революция в приборостроении фундаментально меняет человеческие возможности мониторинга и реагирования, как это показано на примерах мониторинга ДДТ и использования УФ-спектрофотометрии и газовой хроматографии для мониторинга загрязнителей воды . [10] [13]
Загрузите PDF-файл, чтобы прочитать полную статью.
