Instrumentering - Instrumentation

Instrumentering er et samlebegrep for måleinstrumenter som brukes til å indikere, måle og registrere fysiske mengder. Begrepet har sin opprinnelse i kunsten og vitenskapen innen vitenskapelig instrumentfremstilling .

Instrumentering kan referere til enheter som er så enkle som direkte lesende termometre , eller så komplekse som multisensorkomponenter i industrielle kontrollsystemer . I dag finnes instrumenter i laboratorier, raffinerier, fabrikker og kjøretøyer, så vel som i daglig husholdningsbruk (f.eks. Røykvarslere og termostater )

Historie og utvikling

Et lokalt instrumenteringspanel på en dampturbin

Instrumenteringshistorien kan deles inn i flere faser.

Førindustriell

Elementer av industriell instrumentering har lange historier. Vekter for sammenligning av vekter og enkle tips for å indikere posisjon er gamle teknologier. Noen av de tidligste målingene var av tid. En av de eldste vannklokkene ble funnet i graven til den gamle egyptiske faraoen Amenhotep I , begravet rundt 1500 fvt. Forbedringer ble innarbeidet i klokkene. I 270 fvt hadde de rudimentene til en automatisk kontrollsystemenhet.

I 1663 presenterte Christopher Wren Royal Society et design for en "værklokke". En tegning viser meteorologiske sensorer som beveger penner over papir drevet av urverk. Slike enheter ble ikke standard i meteorologi på to århundrer. Konseptet har holdt seg praktisk talt uendret som det fremgår av pneumatiske kartopptakere, der en trykkbelg forskyver en penn. Integrering av sensorer, skjermer, opptakere og kontroller var uvanlig fram til den industrielle revolusjonen, begrenset av både behov og praktisk.

Tidlig industriell

Utviklingen av analog kontrollsløyfesignalering fra pneumatisk tid til elektronisk tid

Tidlige systemer brukte direkte prosessforbindelser til lokale kontrollpaneler for kontroll og indikasjon, som fra begynnelsen av 1930-tallet ble introdusert av pneumatiske sendere og automatiske 3-term (PID) -kontrollere.

Områdene til pneumatiske sendere ble definert av behovet for å kontrollere ventiler og aktuatorer i feltet. Vanligvis var et signal fra 3 til 15 psi (20 til 100 kPa eller 0,2 til 1,0 kg/cm2) som standard standardisert med 6 til 30 psi av og til brukt for større ventiler. Transistorelektronikk gjorde det mulig for ledninger å erstatte rør, opprinnelig med en rekkevidde på 20 til 100mA ved opptil 90V for sløyfedrevne enheter, og reduserte til 4 til 20mA ved 12 til 24V i mer moderne systemer. En transmitter er en enhet som frembringer et utgangssignal, ofte i form av en 4-20  mA elektrisk strøm signal, selv om mange andre muligheter ved anvendelse av spenning , frekvens , trykk , eller Ethernet er mulig. Den transistoren ble kommersialisert ved midten av 1950-tallet.

Instrumenter festet til et kontrollsystem ga signaler som brukes til å betjene solenoider , ventiler , regulatorer , effektbrytere , releer og andre enheter. Slike enheter kan kontrollere en ønsket utgangsvariabel, og gi enten fjernovervåking eller automatiserte kontrollfunksjoner.

Hvert instrumentfirma introduserte sitt eget standard instrumenteringssignal, noe som forårsaket forvirring inntil 4–20 mA -området ble brukt som standard elektronisk instrumentsignal for sendere og ventiler. Dette signalet ble til slutt standardisert som ANSI/ISA S50, "Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments", på 1970 -tallet. Transformasjonen av instrumentering fra mekaniske pneumatiske sendere, kontrollere og ventiler til elektroniske instrumenter reduserte vedlikeholdskostnadene ettersom elektroniske instrumenter var mer pålitelig enn mekaniske instrumenter. Dette økte også effektiviteten og produksjonen på grunn av deres økning i nøyaktighet. Pneumatikk hadde noen fordeler, og ble foretrukket i etsende og eksplosive atmosfærer.

Automatisk prosesskontroll

Eksempel på en enkelt industriell kontrollsløyfe, som viser kontinuerlig modulert kontroll av prosessflyten

I de første årene med prosesskontroll ble prosessindikatorer og kontrollelementer som ventiler overvåket av en operatør som gikk rundt enheten og justerte ventilene for å oppnå ønsket temperatur, trykk og strømninger. Etter hvert som teknologien utviklet seg ble pneumatiske kontrollere oppfunnet og montert i feltet som overvåket prosessen og kontrollerte ventilene. Dette reduserte tiden prosessoperatører trengte for å overvåke prosessen. Senere år ble de faktiske kontrollerne flyttet til et sentralt rom og signaler ble sendt til kontrollrommet for å overvåke prosessen og utgangssignaler ble sendt til det endelige kontrollelementet, for eksempel en ventil for å justere prosessen etter behov. Disse kontrollerne og indikatorene ble montert på en vegg som kalles et kontrollkort. Operatørene sto foran dette brettet og gikk frem og tilbake og fulgte prosessindikatorene. Dette reduserte igjen antallet og tiden prosessoperatører trengte for å gå rundt enhetene. Det mest standard pneumatiske signalnivået som ble brukt i løpet av disse årene var 3–15 psig.

Store integrerte datamaskinbaserte systemer

Pneumatisk "tre term" pneumatisk PID -kontroller , mye brukt før elektronikk ble pålitelig og billigere og trygg å bruke i farlige områder (Siemens Telepneu -eksempel)

Et sentralt kontrollrom før DCS/SCADA-tiden. Selv om kontrollene er sentralisert på ett sted, er de fortsatt diskrete og ikke integrert i ett system.

Et DCS -kontrollrom hvor planteinformasjon og kontroller vises på datagrafikkskjermer. Operatørene sitter og kan se og kontrollere enhver del av prosessen fra skjermene sine, samtidig som de beholder en anleggsoversikt.

Prosesskontroll av store industrianlegg har utviklet seg gjennom mange stadier. I utgangspunktet ville kontrollen være fra paneler lokale til prosessanlegget. Dette krevde imidlertid en stor arbeidskraftressurs for å ivareta disse spredte panelene, og det var ingen helhetssyn på prosessen. Den neste logiske utviklingen var overføring av alle anleggsmålinger til et permanent bemannet sentralt kontrollrom. Dette var effektivt sentralisering av alle de lokaliserte panelene, med fordelene med lavere bemanningsnivåer og lettere oversikt over prosessen. Ofte var kontrollerne bak kontrollrommet paneler, og alle automatiske og manuelle kontrollutganger ble overført tilbake til anlegget.

Selv om dette arrangementet hadde et sentralt kontrollfokus, var dette arrangementet lite fleksibelt, siden hver kontrollsløyfe hadde sin egen kontrollermaskinvare, og kontinuerlig operatørbevegelse i kontrollrommet var nødvendig for å se forskjellige deler av prosessen. Med elektroniske prosessorer og grafiske skjermer ble det mulig å erstatte disse diskrete kontrollerne med datamaskinbaserte algoritmer, som er vert på et nettverk av inngangs-/utgangsstativer med egne kontrollprosessorer. Disse kan distribueres rundt anlegget og kommunisere med det grafiske displayet i kontrollrommet eller -rommene. Konseptet med distribuert kontroll ble født.

Innføringen av DCS-er og SCADA tillot enkel sammenkobling og omkonfigurering av anleggskontroller som kaskadeløkker og -låser , og enkelt grensesnitt med andre produksjonsdatasystemer. Det muliggjorde sofistikert alarmhåndtering, introduserte automatisk hendelseslogging, fjernet behovet for fysiske poster som kartopptakere, tillot kontrollstativene å bli koblet til nettverket og derved lokalisert for å plante for å redusere kabelføringer, og ga høye oversikter over anleggsstatus og produksjon nivåer.

applikasjon

I noen tilfeller er sensoren et veldig lite element i mekanismen. Digitale kameraer og armbåndsur kan teknisk sett oppfylle den løse definisjonen av instrumentering fordi de registrerer og/eller viser registrert informasjon. Under de fleste omstendigheter vil ingen bli kalt instrumentering, men når de brukes til å måle løpetid for et løp og for å dokumentere vinneren ved målstreken, vil begge bli kalt instrumentering.

Husstand

Et veldig enkelt eksempel på et instrumenteringssystem er en mekanisk termostat , som brukes til å styre en husholdningsovn og dermed kontrollere romtemperaturen. En typisk enhet registrerer temperatur med en bi-metallisk stripe . Den viser temperaturen med en nål på den frie enden av stripen. Den aktiverer ovnen med en kvikksølvbryter . Når bryteren roteres av stripen, får kvikksølvet fysisk (og dermed elektrisk) kontakt mellom elektrodene.

Et annet eksempel på et instrumenteringssystem er et hjemmesikkerhetssystem . Et slikt system består av sensorer (bevegelsesdeteksjon, brytere for å oppdage døråpninger), enkle algoritmer for å oppdage inntrengning, lokal kontroll (arm/frakobling) og fjernovervåking av systemet slik at politiet kan tilkalles. Kommunikasjon er en iboende del av designet.

Kjøkkenutstyr bruker sensorer for kontroll.

• Et kjøleskap holder en konstant temperatur ved å aktivere kjølesystemet når temperaturen blir for høy.
• En automatisk ismaskin lager is til en grensebryter kastes.
• Pop-up brød brødristere lar tiden settes.
• Ikke-elektroniske gassovner vil regulere temperaturen med en termostat som styrer strømmen av gass til gassbrenneren . Disse kan inneholde en sensorpære plassert i ovnens hovedkammer. I tillegg kan det være en sikkerhets cut-off flamme tilsyn enhet : etter tenning, må brennerens reguleringsknappen holdes i en kort tid for at en sensor for å bli varm, og muliggjøre strømning av gass til brenneren. Hvis sikkerhetssensoren blir kald, kan dette indikere at flammen på brenneren er slukket, og for å forhindre en kontinuerlig lekkasje av gass stoppes strømmen.
• Elektriske ovner bruker en temperatursensor og vil slå på varmeelementer når temperaturen er for lav. Mer avanserte ovner vil aktivere vifter som respons på temperatursensorer, for å distribuere varme eller avkjøle.
• Et vanlig toalett fyller på vanntanken til en flottør stenger ventilen. Flyteren fungerer som en vannstandssensor.

Automotive

Moderne biler har kompleks instrumentering. I tillegg til visninger av motorens rotasjonshastighet og kjøretøyets lineære hastighet, er det også visninger av batterispenning og strøm, væskenivåer, væsketemperaturer, tilbakelagt distanse og tilbakemeldinger på forskjellige kontroller (blinklys, parkeringsbrems, frontlys, overføringsposisjon). Det kan vises advarsler for spesielle problemer (lavt drivstoff, sjekk motoren, lavt dekktrykk, dør på gløtt, sikkerhetsbeltet ikke festet). Problemer registreres slik at de kan rapporteres til diagnostisk utstyr . Navigasjonssystemer kan gi talekommandoer for å nå en destinasjon. Bilinstrumentering må være billig og pålitelig over lange perioder i tøffe miljøer. Det kan være uavhengige kollisjonsputesystemer som inneholder sensorer, logikk og aktuatorer. Sklisikre bremsesystemer bruker sensorer til å kontrollere bremsene, mens cruise control påvirker gassposisjonen. Et bredt utvalg av tjenester kan tilbys via kommunikasjonslenker som OnStar -systemet. Autonome biler (med eksotisk instrumentering) er påvist.

Fly

Tidlige fly hadde noen sensorer. "Dampmålere" konverterte lufttrykk til nålebøyninger som kan tolkes som høyde og lufthastighet. Et magnetisk kompass ga en følelse av retning. Displayene til piloten var like kritiske som målingene.

Et moderne fly har en langt mer sofistikert pakke med sensorer og skjermer, som er innebygd i luftfartssystemer . Flyet kan inneholde treghetsnavigasjonssystemer , globale posisjoneringssystemer , værradar , autopiloter og flystabiliseringssystemer. Redundante sensorer brukes for pålitelighet. En delmengde av informasjonen kan overføres til en krasjopptaker for å hjelpe til etterforskning av uhell. Moderne pilotskjermer inkluderer nå dataskjermer, inkludert head-up-skjermer .

Flytrafikkontrollradar er distribuert instrumenteringssystem. Jordpartiet sender en elektromagnetisk puls og mottar et ekko (minst). Fly bærer transpondere som sender koder ved mottak av pulsen. Systemet viser flyplassens kartplassering, en identifikator og eventuelt høyde. Kartplasseringen er basert på registrert antenneretning og registrert tidsforsinkelse. Den andre informasjonen er innebygd i transponderoverføringen.

Laboratorieinstrumentering

Blant den mulige bruken av begrepet er en samling laboratorietestutstyr som styres av en datamaskin gjennom en IEEE-488-buss (også kjent som GPIB for General Purpose Instrument Bus eller HPIB for Hewlitt Packard Instrument Bus). Laboratorieutstyr er tilgjengelig for å måle mange elektriske og kjemiske mengder. En slik samling av utstyr kan brukes til å automatisere testing av drikkevann for forurensninger.

Måleparametere

Instrumentering brukes til å måle mange parametere (fysiske verdier). Disse parameterne inkluderer:

Styreventil

Instrumentteknikk

Instrumenteringsdelen av et rør- og instrumenteringsdiagram vil bli utviklet av en instrumenteringsingeniør.

Instrumentation engineering er ingeniørspesialiseringen fokusert på prinsippet og driften av måleinstrumenter som brukes i design og konfigurasjon av automatiserte systemer i områder som elektriske og pneumatiske domener, og kontroll av mengder som måles. De vanligvis arbeider for industrier med automatiserte prosesser, for eksempel kjemisk eller produksjonsanlegg, med det mål å forbedre systemproduktivitet , pålitelighet og sikkerhet, optimalisering og stabilitet. For å kontrollere parametrene i en prosess eller i et bestemt system, brukes enheter som mikroprosessorer, mikrokontrollere eller PLSer, men deres endelige mål er å kontrollere parametrene til et system.

Instrumentteknikk er løst definert fordi de nødvendige oppgavene er svært domeneavhengige. En ekspert på biomedisinsk instrumentering av laboratorierotter har svært andre bekymringer enn eksperten innen rakettinstrumentering. Vanlige bekymringer for begge er valg av passende sensorer basert på størrelse, vekt, pris, pålitelighet, nøyaktighet, lang levetid, miljø robusthet og frekvensrespons. Noen sensorer blir bokstavelig talt avfyrt i artilleriskjell. Andre aner termonukleære eksplosjoner til de blir ødelagt. Sensordata må alltid registreres, overføres eller vises. Opptakshastigheter og kapasiteter varierer enormt. Overføring kan være triviell eller kan være hemmelig, kryptert og lite strøm i nærvær av fastkjøring. Visninger kan være trivielt enkle eller kan kreve konsultasjon med eksperter fra menneskelige faktorer . Kontrollsystemets design varierer fra trivial til en egen spesialitet.

Instrumenteringsingeniører er ansvarlige for å integrere sensorene med opptakere, sendere, skjermer eller kontrollsystemer, og produsere rør- og instrumenteringsdiagrammet for prosessen. De kan designe eller spesifisere installasjon, ledninger og signalkondisjonering. De kan være ansvarlige for igangkjøring, kalibrering, testing og vedlikehold av systemet.

I et forskningsmiljø er det vanlig at fageksperter har betydelig instrumenteringssystemkompetanse. En astronom kjenner universets struktur og mye om teleskoper - optikk, peking og kameraer (eller andre sanseelementer). Det inkluderer ofte den hardt vunnet kunnskapen om operasjonelle prosedyrer som gir de beste resultatene. For eksempel er en astronom ofte kunnskapsrik om teknikker for å minimere temperaturgradienter som forårsaker luftturbulens i teleskopet.

Instrumenteringsteknologer, teknikere og mekanikere spesialiserer seg på feilsøking, reparasjon og vedlikehold av instrumenter og instrumenteringssystemer.

Typiske typer industrielle sendere

• Strømsløyfe (4-20mA) -Elektrisk

• HART - Datasignalering, ofte overlagt på en gjeldende sløyfe

• Foundation Fieldbus - Datasignalering

• Profibus - Datasignalering

Virkningen av moderne utvikling

Ralph Müller (1940) uttalte: "At fysikkvitenskapens historie i stor grad er instrumentenes historie og deres intelligente bruk er velkjent. De brede generaliseringene og teoriene som har oppstått fra tid til annen har stått eller falt på grunnlag av nøyaktig måling , og i flere tilfeller har man måttet utvikle nye instrumenter for formålet. Det er lite bevis som viser at det moderne menneskets sinn er overlegen hos de gamle. Hans verktøy er uten sidestykke bedre. "

Davis Baird har argumentert for at den store endringen i forbindelse med Floris Cohen ' s identifisering av en 'fjerde store vitenskapelige revolusjonen' etter andre verdenskrig er utvikling av vitenskapelige instrumenter, ikke bare i kjemi , men på tvers av fag. Innen kjemi var introduksjonen av ny instrumentering på 1940-tallet "intet mindre enn en vitenskapelig og teknologisk revolusjon" der klassiske våt-og-tørre metoder for strukturell organisk kjemi ble kastet, og nye forskningsområder åpnet seg.

Allerede i 1954 diskuterte WA Wildhack både det produktive og destruktive potensialet som ligger i prosesskontroll. Evnen til å gjøre presise, kontrollerbare og reproduserbare målinger av den naturlige verden, på nivåer som ikke tidligere var observerbare, ved hjelp av vitenskapelig instrumentering, har "gitt en annen tekstur av verden". Denne instrumenteringsrevolusjonen endrer fundamentalt menneskelige evner til å overvåke og reagere, slik det er illustrert i eksemplene på DDT -overvåking og bruk av UV -spektrofotometri og gasskromatografi for å overvåke vannforurensninger .

Se også

Referanser

Eksterne linker

• International Society of Automation
• Institutt for måling og kontroll