Приборы - Instrumentation

Для использования в других целях см. Инструменты (значения).

Приборы это собирательный термин для измерительные приборы которые используются для индикации, измерения и записи физических величин. Термин берет свое начало в искусстве и науке научное приборостроение.

Инструменты могут относиться к таким простым устройствам, как прямое считывание термометры, или сложнее, чем мультисенсорные компоненты системы промышленного управления. Сегодня инструменты можно найти в лабораториях, нефтеперерабатывающих заводах, на заводах и в транспортных средствах, а также в повседневном домашнем использовании (например, детекторы дыма и термостаты )

История и развитие

Местная приборная панель на паровой турбине

Историю приборостроения можно разделить на несколько этапов.

Доиндустриальный

Элементы промышленного приборостроения имеют долгую историю. Весы для сравнения веса и простые указатели для указания положения - это древние технологии. Некоторые из самых ранних измерений относились к времени. Один из старейших водяные часы был найден в могиле древнеегипетский фараон Аменхотеп I, похоронен 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 г. 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 за два столетия.[3] Концепция осталась практически неизменной, о чем свидетельствуют пневматические самописцы, в которых сильфон под давлением вытесняет ручку. Интеграция датчиков, дисплеев, регистраторов и элементов управления была редкостью до промышленной революции, ограничиваясь как необходимостью, так и практичностью.

Ранний индустриальный

Эволюция аналоговой сигнализации контура управления от эпохи пневматики к эпохе электроники

Ранние системы использовали прямые технологические соединения с местными панелями управления для управления и индикации, что с начала 1930-х годов ознаменовалось появлением пневматических передатчиков и автоматических трехконтактных контроллеров (PID).

Ассортимент пневматических датчиков определялся необходимостью управления клапанами и приводами в полевых условиях. Обычно сигнал составлял 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 стандартизован с использованием от 6 до 30 фунтов на квадратный дюйм, иногда используемого для больших клапанов. Транзисторная электроника позволила заменить проводку проводов, первоначально с диапазоном от 20 до 100 мА при напряжении до 90 В для устройств с питанием от контура, а в более современных системах - до 4–20 мА при 12–24 В. А передатчик это устройство, которое выдает выходной сигнал, часто в форме 4–20мА электрические Текущий сигнал, хотя многие другие варианты используют Напряжение, частота, давление, или же Ethernet возможны. В транзистор была коммерциализирована к середине 1950-х годов.[4]

Инструменты, подключенные к системе управления, подают сигналы, используемые для работы соленоиды, клапаны, регуляторы, Автоматические выключатели, реле и другие устройства. Такие устройства могут управлять желаемой выходной переменной и обеспечивать возможности удаленного или автоматического управления.

Каждая приборная компания представила свой собственный стандартный измерительный сигнал, вызывая путаницу до тех пор, пока диапазон 4–20 мА не стал использоваться в качестве стандартного электронного измерительного сигнала для датчиков и клапанов. Этот сигнал был в конечном итоге стандартизирован как ANSI / ISA S50, «Совместимость аналоговых сигналов для электронных промышленных технологических инструментов», в 1970-х годах. Преобразование измерительных приборов с механических пневматических преобразователей, контроллеров и клапанов в электронные инструменты снизило затраты на обслуживание, поскольку электронные инструменты были более надежны, чем механические инструменты. Это также повысило эффективность и производительность за счет повышения их точности. Пневматика обладала некоторыми преимуществами, предпочитаемыми в агрессивных и взрывоопасных средах.[5]

Автоматический контроль процесса

Пример единого промышленного контура управления, показывающий непрерывно модулируемое управление технологическим потоком

В первые годы контроль над процессом индикаторы процесса и элементы управления, такие как клапаны, контролировались оператором, который обходил установку, регулируя клапаны для получения желаемых температур, давления и расхода. По мере развития технологий были изобретены и смонтированы пневматические контроллеры, которые контролировали процесс и управляли клапанами. Это сократило время, необходимое операторам технологического процесса для наблюдения за процессом. Спустя годы фактические контроллеры были перемещены в центральную комнату, и сигналы были отправлены в диспетчерскую для контроля процесса, а выходные сигналы были отправлены на конечный элемент управления, такой как клапан, для регулировки процесса по мере необходимости. Эти контроллеры и индикаторы крепились на стене, называемой платой управления. Операторы стояли перед этой доской, ходя взад и вперед, отслеживая индикаторы процесса. Это снова уменьшило количество и время, необходимое операторам технологического процесса для обхода блоков. Самый стандартный уровень пневматического сигнала, использовавшийся в те годы, составлял 3–15 фунтов на кв. Дюйм.[6]

Крупные интегрированные компьютерные системы

Пневматический "трехчленный" пневматический ПИД-регулятор, широко использовался до того, как электроника стала надежной, дешевой и безопасной для использования во взрывоопасных зонах (пример Siemens Telepneu)
Центральная диспетчерская до эры DCS / SCADA. Хотя средства управления централизованы в одном месте, они по-прежнему дискретны и не интегрированы в одну систему.
Диспетчерская DCS, где информация об установке и средства управления отображаются на экранах компьютерной графики. Операторы сидят и могут просматривать и контролировать любую часть процесса со своих экранов, сохраняя при этом обзор установки.

Управление технологическими процессами на крупных промышленных предприятиях прошло много этапов. Первоначально управление будет осуществляться с локальных панелей технологического предприятия. Однако это потребовало значительных людских ресурсов для работы с этими рассредоточенными группами, и не было общего обзора процесса. Следующим логическим шагом стала передача всех заводских измерений в центральную диспетчерскую с постоянно обслуживаемым персоналом. Фактически это была централизация всех локализованных панелей с преимуществами более низкого уровня персонала и более легкого обзора процесса. Часто контроллеры находились за панелями диспетчерской, и все автоматические и ручные управляющие сигналы передавались обратно на завод.

Однако, обеспечивая централизованное управление, эта компоновка была негибкой, поскольку каждый контур управления имел собственное аппаратное обеспечение контроллера, и для просмотра различных частей процесса требовалось постоянное движение оператора в диспетчерской. С появлением электронных процессоров и графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети стоек ввода / вывода с собственными процессорами управления. Они могут быть распределены по предприятию и сообщаться с графическим дисплеем в диспетчерской или комнатах. Так родилась концепция распределенного управления.

Внедрение DCS и SCADA позволили легко соединить и перенастроить средства управления установкой, такие как каскадные петли и блокировки, а также легкое взаимодействие с другими производственными компьютерными системами. Он обеспечил сложную обработку аварийных сигналов, ввел автоматическую регистрацию событий, устранил необходимость в физических записях, таких как регистраторы диаграмм, позволил объединить стойки управления в сеть и, таким образом, разместить их локально на заводе, чтобы сократить количество прокладок кабелей, а также обеспечил высокоуровневые обзоры состояния завода и производства. уровни.

Приложения

В некоторых случаях датчик является второстепенным элементом механизма. Цифровые камеры и наручные часы могут технически соответствовать свободному определению приборов, поскольку они записывают и / или отображают воспринимаемую информацию. В большинстве случаев ни то, ни другое не называлось бы измерительными приборами, но когда они использовались для измерения прошедшего времени гонки и документирования победителя на финише, оба были бы названы измерительными приборами.

Семья

Очень простой пример измерительной системы - механический термостат, используется для управления бытовой печью и, таким образом, для регулирования температуры в помещении. Типичный прибор измеряет температуру с помощью биметаллическая полоса. Показывает температуру иглой на свободном конце полоски. Он активирует печь при ртутный переключатель. Когда переключатель вращается полоской, ртуть создает физический (и, следовательно, электрический) контакт между электродами.

Другой пример измерительной системы - это система домашней безопасности. Такая система состоит из датчиков (обнаружение движения, переключатели для обнаружения открывания дверей), простых алгоритмов обнаружения вторжения, местного управления (постановка / снятие с охраны) и удаленного мониторинга системы, чтобы можно было вызвать полицию. Коммуникация - неотъемлемая часть дизайна.

Для управления кухонной техникой используются датчики.

  • Холодильник поддерживает постоянную температуру, измеряя внутреннюю температуру.
  • Микроволновая печь иногда готовит по циклу «тепло-ощущение-тепло» до тех пор, пока не будет выполнено измерение.
  • Автоматический льдогенератор делает лед, пока концевой выключатель брошен.
  • Всплывающий хлеб тостеры может работать по времени или по измерениям тепла.
  • В некоторых духовках используется температурный зонд, чтобы готовить, пока не будет достигнута заданная внутренняя температура пищи.
  • Обычный туалет наполняет резервуар для воды до тех пор, пока поплавок не закроет клапан. Поплавок действует как датчик уровня воды.

Автомобильная промышленность

Современные автомобили имеют сложное оснащение. Помимо отображения скорости вращения двигателя и линейной скорости автомобиля, есть также отображение напряжения и тока аккумуляторной батареи, уровня жидкости, температуры жидкости, пройденного расстояния и обратной связи различных органов управления (поворотники, стояночный тормоз, фары, положение коробки передач). Предупреждения могут отображаться для особых проблем (низкий уровень топлива, проверка двигателя, низкое давление в шинах, приоткрытая дверь, отстегнутый ремень безопасности). Проблемы регистрируются, поэтому о них можно сообщить диагностическое оборудование. 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 воздушная подушка системы, которые содержат датчики, логические устройства и исполнительные механизмы. Анти занос тормозные системы используют датчики для управления тормозами, а круиз-контроль влияет на положение дроссельной заслонки. Широкий спектр услуг может быть предоставлен через каналы связи в качестве OnStar система. Автономные автомобили (с экзотической аппаратурой).

Самолет

Ранние самолеты имели несколько датчиков.[7] «Датчики пара» преобразовывали давление воздуха в отклонения стрелки, которые можно было интерпретировать как высоту и скорость полета. Магнитный компас давал чувство направления. Дисплеи пилоту были так же важны, как и измерения.

Современный самолет имеет гораздо более сложный набор датчиков и дисплеев, которые встроены в авионика системы. Самолет может содержать инерциальные навигационные системы, системы глобального позиционирования, метеорологический радар, автопилоты и системы стабилизации самолета. Для надежности используются резервные датчики. Подмножество информации может быть передано в регистратор сбоев для помощи в расследовании неудач. Современные пилотные дисплеи теперь включают компьютерные дисплеи, в том числе проекционные дисплеи.

РЛС управления воздушным движением распределенная измерительная система. Заземленная часть передает электромагнитный импульс и принимает эхо (как минимум). Самолеты имеют транспондеры, передающие коды при приеме импульса. Система отображает местоположение самолета на карте, идентификатор и, при необходимости, высоту. Местоположение на карте основано на измеренном направлении антенны и измеренной временной задержке. Другая информация заложена в передачу транспондера.

Лабораторное оборудование

Среди возможных вариантов использования этого термина - набор лабораторного испытательного оборудования, управляемого компьютером через шину IEEE-488 (также известную как GPIB для универсальной инструментальной шины или HPIB для инструментальной шины Hewlitt Packard). Доступно лабораторное оборудование для измерения многих электрических и химических величин. Такой набор оборудования можно использовать для автоматизации проверки питьевой воды на наличие загрязняющих веществ.

Параметры измерения

Приборы используются для измерения многих параметров (физических величин). Эти параметры включают:


Регулирующий вентиль

Приборостроение

Приборная часть схема трубопроводов и КИПиА будет разработан инженером по КИПиА.

Приборостроение инженерная специализация, сфокусированная на принципе и работе измерительных приборов, которые используются при проектировании и настройке автоматизированных систем в таких областях, как электрические и пневматические, а также на контроле измеряемых величин. Обычно они работают в отраслях с автоматизированный процессы, такие как химический или же производство растения, с целью улучшения системы продуктивность надежность, безопасность, оптимизация и стабильность. 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.

Приборостроение определяется слабо, потому что требуемые задачи сильно зависят от предметной области. Специалист по биомедицинскому оборудованию лабораторных крыс озабочен совсем другими проблемами, чем эксперт по ракетному оборудованию. Общей проблемой для обоих является выбор подходящих датчиков на основе размера, веса, стоимости, надежности, точности, долговечности, устойчивости к окружающей среде и частотной характеристики. Некоторые сенсоры буквально стреляют артиллерийскими снарядами. Другие чувствуют термоядерные взрывы, пока не будут уничтожены. Данные датчиков обязательно должны записываться, передаваться или отображаться. Скорость записи и емкость сильно различаются. Передача может быть простой или тайной, зашифрованной и маломощной при наличии помех. Дисплеи могут быть тривиально простыми или требовать консультации с человеческие факторы эксперты. Дизайн систем управления варьируется от банального до отдельной специальности.

Инженеры по КИП отвечают за интеграцию датчиков с регистраторами, преобразователями, дисплеями или системами управления, а также за создание Схема трубопроводов и КИПиА для процесса. Они могут спроектировать или указать установку, проводку и обработку сигнала. Они могут нести ответственность за калибровку, тестирование и обслуживание системы.

В исследовательской среде специалисты в предметной области обычно имеют значительный опыт работы с приборными системами. Астроном знает структуру Вселенной и многое о телескопах - оптике, наведении и камерах (или других чувствительных элементах). Это часто включает в себя с трудом приобретенное знание операционных процедур, которые обеспечивают наилучшие результаты. Например, астроном часто знаком с методами сведения к минимуму температурных градиентов, вызывающих турбулентность воздуха в телескопе.

Технологи, техники и механики КИПиА специализируются на поиске и устранении неисправностей, ремонте и обслуживании приборов и систем КИПиА.

Типичные типы сигналов промышленных передатчиков

  • HART - Сигнализация данных, часто наложенная на токовую петлю
  • Profibus - Сигнализация данных

Влияние современного развития

Ральф Мюллер (1940) заявил: «История физической науки - это в значительной степени история инструментов, и их разумное использование хорошо известно. Широкие обобщения и теории, возникавшие время от времени, стояли или падали на основе точных измерений. , и в некоторых случаях для этой цели приходилось изобрести новые инструменты. Мало доказательств того, что разум современного человека превосходит разум древних. Его инструменты несравненно лучше ».[8][9]:290

Дэвис Бэрд утверждал, что главное изменение, связанное с Флорис Коэн's определение "четвертой большой научной революции" после Вторая Мировая Война это развитие научного приборостроения не только в химия но по наукам.[9][10] В химии внедрение нового оборудования в 1940-х годах было «не чем иным, как научно-технической революцией».[11]:28–29 в котором были отброшены классические мокрые и сухие методы структурной органической химии и открылись новые области исследований.[11]:38

Еще в 1954 году У. А. Вильдхак обсуждал как продуктивный, так и разрушительный потенциал, присущий управлению технологическим процессом.[12]Возможность проводить точные, проверяемые и воспроизводимые измерения природного мира на уровнях, которые ранее не наблюдались, с использованием научных инструментов, «обеспечила другую структуру мира».[13] Эта революция в области измерительных приборов коренным образом меняет человеческие способности контролировать и реагировать, как показано на примерах ДДТ мониторинг и использование УФ-спектрофотометрия и газовая хроматография контролировать загрязнители воды.[10][13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Ранние часы». 2009-08-12. Получено 1 марта 2012.
  2. ^ «Страница истории автоматизации зданий». Архивировано из оригинал 8 июля 2011 г.. Получено 1 марта 2012.
  3. ^ Multhauf, Роберт П. (1961), Внедрение саморегистрирующихся метеорологических приборов, Вашингтон, округ Колумбия: Смитсоновский институт, стр. 95–116. Национальный музей Соединенных Штатов, бюллетень 228. Вклады Историко-технологического музея: документ 23. Доступен в Project Gutenberg.
  4. ^ Линн, Л. Х. (1998). «Коммерциализация транзисторного радио в Японии: функционирование инновационного сообщества». IEEE Transactions по инженерному менеджменту. 45 (3): 220–229. Дои:10.1109/17.704244.
  5. ^ Андерсон, Норман А. (1998). Приборы для измерения и контроля процессов (3-е изд.). CRC Press. С. 254–255. ISBN  978-0-8493-9871-1.
  6. ^ Андерсон, Норман А. (1998). Приборы для измерения и контроля процессов (3-е изд.). CRC Press. С. 8–10. ISBN  978-0-8493-9871-1.
  7. ^ Контрольно-измерительная аппаратура самолета - кадетская эскадрилья Лероя Р. Груммана
  8. ^ Кац, Эрик; Свет, Андрей; Томпсон, Уильям (2002). Технологии управления: современные проблемы (2-е изд.). Амхерст, Нью-Йорк: Книги Прометея. ISBN  978-1573929837. Получено 9 марта 2016.
  9. ^ а б Бэрд, Д. (1993). «Аналитическая химия и« большая »революция в области научных приборов». Анналы науки. 50 (3): 267–290. Дои:10.1080/00033799300200221. Загрузите pdf-файл, чтобы прочитать статью полностью.
  10. ^ а б Бэрд, Д. (2002). «Аналитическая химия и« большая »революция в области научных приборов». В Моррисе, Питер Дж. Т. (ред.). От классической химии к современной: инструментальная революция; с конференции по истории химического приборостроения: «От пробирки к автоанализатору: развитие химического приборостроения в двадцатом веке», Лондон, август 2000 г.. Кембридж: Королевское химическое общество в доц. с Музеем науки. С. 29–56. ISBN  9780854044795.
  11. ^ а б Рейнхардт, Карстен, изд. (2001). Химические науки в ХХ веке (1-е изд.). Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN  978-3527302710.
  12. ^ Вильдхак, В. А. (22 октября 1954 г.). «Приборостроение - революция в промышленности, науке и войне». Наука. 120 (3121): 15А. Bibcode:1954Научный ... 120A..15W. Дои:10.1126 / science.120.3121.15A. PMID  17816144.
  13. ^ а б Хентшель, Клаус (2003). «Инструментальная революция в химии (обзорное эссе)». Основы химии. 5 (2): 179–183. Дои:10.1023 / А: 1023691917565.

внешняя ссылка