Instrumentation

För annan användning, se Instrumentation (disambiguation) .

Instrumentation är en samlingsbeteckning för mätinstrument som används för att indikera, mäta och registrera fysiska storheter. Termen har sitt ursprung i konsten och vetenskapen om vetenskapligt instrumenttillverkning .

Instrumentering kan syfta på enheter så enkla som direktavläsande termometrar , eller så komplexa som multisensorkomponenter i industriella styrsystem . Idag kan instrument hittas i laboratorier, raffinaderier, fabriker och fordon, såväl som i dagligt hushållsbruk (t.ex. rökdetektorer och termostater )

Historia och utveckling

En lokal instrumentpanel på en ångturbin

Instrumenteringens historia kan delas in i flera faser.

Förindustriell

Delar av industriell instrumentering har lång historia. Vågar för att jämföra vikter och enkla pekare för att indikera position är uråldriga tekniker. Några av de tidigaste mätningarna var av tid. En av de äldsta vattenklockorna hittades i graven till den forntida egyptiska faraon Amenhotep I , begravd omkring 1500 f.Kr. Förbättringar införlivades i klockorna. År 270 f.Kr. hade de rudimenten av ett automatiskt kontrollsystem.

1663 gav Christopher Wren Royal Society en design för en "väderklocka". En ritning visar meteorologiska sensorer som flyttar pennor över papper som drivs av urverk. Sådana enheter blev inte standard inom meteorologi på två århundraden. Konceptet har förblivit praktiskt taget oförändrat, vilket framgår av pneumatiska kartskrivare, där en trycksatt bälg förskjuter en penna. Att integrera sensorer, displayer, inspelare och kontroller var ovanligt fram till den industriella revolutionen, begränsat av både behov och praktiska egenskaper.

Tidigt industriellt

Utvecklingen av analog styrslingasignalering från den pneumatiska eran till den elektroniska eran

Tidiga system använde direkta processkopplingar till lokala kontrollpaneler för styrning och indikering, som från början av 1930-talet såg introduktionen av pneumatiska sändare och automatiska 3-term (PID) styrenheter.

Utbudet av pneumatiska sändare definierades av behovet av att styra ventiler och ställdon i fält. Normalt standardiserades en signal från 3 till 15 psi (20 till 100 kPa eller 0,2 till 1,0 kg/cm2) som standard med 6 till 30 psi som ibland användes för större ventiler. Transistorelektronik gjorde det möjligt för ledningar att ersätta rör, initialt med ett intervall på 20 till 100mA vid upp till 90V för slingdrivna enheter, vilket minskade till 4 till 20mA vid 12 till 24V i mer moderna system. En sändare är en enhet som producerar en utsignal, ofta i form av en 4–20 mA elektrisk strömsignal , även om många andra alternativ som använder spänning , frekvens , tryck eller ethernet är möjliga. Transistorn kommersialiserades i mitten av 1950-talet .

Instrument kopplade till ett styrsystem gav signaler som används för att styra solenoider , ventiler , regulatorer , strömbrytare , reläer och andra enheter. Sådana anordningar skulle kunna styra en önskad utgångsvariabel och tillhandahålla antingen fjärrövervakning eller automatiserade styrmöjligheter.

Varje instrumentföretag introducerade sin egen standardinstrumenteringssignal, vilket orsakade förvirring tills 4–20 mA-området användes som standard elektronisk instrumentsignal för sändare och ventiler. Denna signal standardiserades så småningom som ANSI/ISA S50, "Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments", på 1970-talet. Omvandlingen av instrumentering från mekaniska pneumatiska sändare, styrenheter och ventiler till elektroniska instrument minskade underhållskostnaderna eftersom elektroniska instrument var mer pålitliga än mekaniska instrument. Detta ökade också effektiviteten och produktionen på grund av deras ökade noggrannhet. Pneumatik åtnjöt vissa fördelar, eftersom det gynnades i korrosiva och explosiva atmosfärer.

Automatisk processkontroll

Exempel på en enda industriell styrslinga som visar kontinuerligt modulerad styrning av processflödet

Under de första åren av processtyrning övervakades processindikatorer och kontrollelement som ventiler av en operatör som gick runt enheten och justerade ventilerna för att få önskade temperaturer, tryck och flöden. När tekniken utvecklades uppfanns och monterades pneumatiska styrenheter i fält som övervakade processen och kontrollerade ventilerna. Detta minskade den tid som processoperatörer behövde för att övervaka processen. Senare år flyttades de faktiska styrenheterna till ett centralt rum och signaler skickades in i kontrollrummet för att övervaka processen och utsignaler skickades till det slutliga styrelementet såsom en ventil för att justera processen efter behov. Dessa kontroller och indikatorer monterades på en vägg som kallas ett kontrollkort. Operatörerna stod framför denna tavla och gick fram och tillbaka och övervakade processindikatorerna. Detta minskade återigen antalet och den tid som processoperatörer behövde för att gå runt enheterna. Den vanligaste pneumatiska signalnivån som användes under dessa år var 3–15 psig.

Stora integrerade datorbaserade system

Pneumatisk "tre term" pneumatisk PID-regulator , användes ofta innan elektroniken blev tillförlitlig och billigare och säker att använda i farliga områden (Siemens Telepneu-exempel)
Ett centralt kontrollrum före DCS/SCADA-eran. Även om kontrollerna är centraliserade på ett ställe, är de fortfarande diskreta och inte integrerade i ett system.
Ett DCS-kontrollrum där anläggningsinformation och kontroller visas på datorgrafikskärmar. Operatörerna sitter och kan se och styra vilken del av processen som helst från sina skärmar, samtidigt som de behåller en anläggningsöversikt.

Processkontroll av stora industrianläggningar har utvecklats genom många steg. Inledningsvis skulle styrningen ske från paneler lokalt till processanläggningen. Detta krävde dock en stor arbetskraftsresurs för att sköta dessa spridda paneler, och det fanns ingen övergripande bild av processen. Nästa logiska utveckling var överföringen av alla anläggningsmätningar till ett permanent bemannat centralt kontrollrum. Detta var i praktiken centraliseringen av alla lokaliserade paneler, med fördelarna av lägre bemanningsnivåer och enklare överblick över processen. Ofta låg styrenheterna bakom kontrollrumspanelerna och alla automatiska och manuella styrutgångar skickades tillbaka till anläggningen.

Men samtidigt som det tillhandahöll ett centralt kontrollfokus, var detta arrangemang oflexibelt eftersom varje kontrollslinga hade sin egen kontrollhårdvara, och kontinuerlig operatörsrörelse inom kontrollrummet krävdes för att se olika delar av processen. Med tillkomsten av elektroniska processorer och grafiska displayer blev det möjligt att ersätta dessa diskreta kontroller med datorbaserade algoritmer, värdda på ett nätverk av in-/utgångsrack med sina egna kontrollprocessorer. Dessa kan distribueras runt anläggningen och kommunicera med den grafiska displayen i kontrollrummet eller rummen. Konceptet för distribuerad kontroll föddes.

Introduktionen av DCS och SCADA möjliggjorde enkel sammankoppling och omkonfigurering av anläggningskontroller såsom kaskadkopplade slingor och förreglingar, och enkel gränssnitt med andra produktionsdatorsystem. Det möjliggjorde sofistikerad larmhantering, införde automatisk händelseloggning, tog bort behovet av fysiska register som t.ex. sjökortsregistratorer, gjorde det möjligt för kontrollställen att anslutas till nätverk och därigenom lokaliseras lokalt till anläggningen för att minska kabeldragningarna och gav översikter på hög nivå av anläggningsstatus och produktion nivåer.

Ansökan

I vissa fall är sensorn en mycket liten del av mekanismen. Digitalkameror och armbandsur kan tekniskt sett uppfylla den lösa definitionen av instrumentering eftersom de registrerar och/eller visar avkänd information. Under de flesta omständigheter skulle ingen av dem kallas instrumentering, men när de används för att mäta den förflutna tiden av ett lopp och för att dokumentera vinnaren vid mållinjen, skulle båda kallas instrumentering.

Hushåll

Ett mycket enkelt exempel på ett instrumenteringssystem är en mekanisk termostat , som används för att styra en hushållsugn och därmed för att kontrollera rumstemperaturen. En typisk enhet känner av temperaturen med en bimetallremsa . Den visar temperaturen med en nål på den fria änden av remsan. Den aktiverar ugnen med en kvicksilverbrytare . När omkopplaren roteras av remsan, gör kvicksilvret fysisk (och därmed elektrisk) kontakt mellan elektroderna.

Ett annat exempel på ett instrumenteringssystem är ett hemsäkerhetssystem . Ett sådant system består av sensorer (rörelsedetektering, strömbrytare för att upptäcka dörröppningar), enkla algoritmer för att upptäcka intrång, lokal kontroll (till-/avväpna) och fjärrövervakning av systemet så att polisen kan tillkallas. Kommunikation är en inneboende del av designen.

Köksmaskiner använder sensorer för kontroll.

  • Ett kylskåp håller en konstant temperatur genom att aktivera kylsystemet när temperaturen blir för hög.
  • En automatisk ismaskin gör is tills en gränslägesbrytare kastas.
  • Pop-up brödrostar gör att tiden kan ställas in.
  • Icke-elektroniska gasugnar kommer att reglera temperaturen med en termostat som styr gasflödet till gasbrännaren . Dessa kan ha en sensorlampa placerad i ugnens huvudkammare. Dessutom kan det finnas en säkerhetsavstängd flamövervakningsanordning : efter tändning måste brännarens kontrollknapp hållas in en kort stund för att en sensor ska bli varm och tillåta flöde av gas till brännaren. Om säkerhetssensorn blir kall kan detta tyda på att lågan på brännaren har slocknat och för att förhindra ett kontinuerligt läckage av gas stoppas flödet.
  • Elektriska ugnar använder en temperatursensor och slår på värmeelement när temperaturen är för låg. Mer avancerade ugnar kommer att aktivera fläktar som svar på temperatursensorer, för att distribuera värme eller för att kyla.
  • En gemensam toalett fyller på vattentanken tills en flottör stänger ventilen. Flottören fungerar som en vattennivågivare.

Bil

Moderna bilar har komplex instrumentering. Förutom visningar av motorns rotationshastighet och fordonets linjära hastighet, finns det även visningar av batterispänning och ström, vätskenivåer, vätsketemperaturer, tillryggalagd sträcka och återkopplingar av olika kontroller (blinkers, parkeringsbroms, strålkastare, transmissionsläge). Varningar kan visas för speciella problem (lågt bränsle, kontrollera motorn, lågt däcktryck, dörren på glänt, säkerhetsbältet lossat). Problem registreras så att de kan rapporteras till diagnostisk utrustning . Navigationssystem kan ge röstkommandon för att nå en destination. Fordonsinstrumentering måste vara billig och pålitlig under långa perioder i tuffa miljöer. Det kan finnas oberoende krockkuddesystem som innehåller sensorer, logik och ställdon. Antisladdbromsar använder sensorer för att styra bromsarna, medan farthållaren påverkar gasläget. Ett brett utbud av tjänster kan tillhandahållas via kommunikationslänkar som OnStar -systemet. Autonoma bilar (med exotisk instrumentering) har demonstrerats.

Flygplan

Tidiga flygplan hade några sensorer. "Steam gauges" omvandlade lufttryck till nålavböjningar som kunde tolkas som höjd och flyghastighet. En magnetisk kompass gav en känsla av riktning. Visningarna för piloten var lika kritiska som mätningarna.

Ett modernt flygplan har en mycket mer sofistikerad svit av sensorer och displayer, som är inbäddade i flygelektroniksystem . Flygplanet kan innehålla tröghetsnavigeringssystem , globala positioneringssystem , väderradar , autopiloter och flygplansstabiliseringssystem. Redundanta sensorer används för tillförlitlighet. En delmängd av informationen kan överföras till en krockskrivare för att underlätta utredningar av missöden. Moderna pilotskärmar inkluderar nu datorskärmar inklusive head-up-skärmar .

Flygledningsradar är distribuerat instrumenteringssystem. Jorddelen sänder en elektromagnetisk puls och tar emot ett eko (åtminstone). Flygplan bär transpondrar som sänder koder vid mottagning av pulsen. Systemet visar flygplanets kartplats, en identifierare och eventuellt höjd. Kartplatsen baseras på avkänd antennriktning och avkänd tidsfördröjning. Den andra informationen är inbäddad i transponderöverföringen.

Laboratorieinstrumentering

Bland de möjliga användningsområdena för termen finns en samling laboratorietestutrustning som kontrolleras av en dator via en IEEE-488-buss (även känd som GPIB för instrumentbuss för allmänna ändamål eller HPIB för Hewlitt Packard Instrument Bus). Laboratorieutrustning finns tillgänglig för att mäta många elektriska och kemiska storheter. En sådan samling av utrustning kan användas för att automatisera testning av dricksvatten för föroreningar.

Mätparametrar

Instrumentering används för att mäta många parametrar (fysiska värden). Dessa parametrar inkluderar:


Kontrollventil

Instrumentteknik

Instrumenteringsdelen av ett rör- och instrumentdiagram kommer att utvecklas av en instrumenteringsingenjör.

Instrumenteringsteknik är den tekniska specialiseringen fokuserad på principen och driften av mätinstrument som används vid design och konfiguration av automatiserade system inom områden som elektriska och pneumatiska domäner och kontroll av mängder som mäts. De arbetar vanligtvis för industrier med automatiserade processer, såsom kemiska eller tillverkningsanläggningar , med målet att förbättra systemets produktivitet , tillförlitlighet, säkerhet, optimering och stabilitet. För att styra parametrarna i en process eller i ett visst system används enheter som mikroprocessorer, mikrokontroller eller PLC:er, men deras yttersta syfte är att styra parametrarna för ett system.

Instrumentteknik är löst definierad eftersom de nödvändiga uppgifterna är mycket domänberoende. En expert på biomedicinsk instrumentering av laboratorieråttor har helt andra bekymmer än experten på raketinstrumentering. Gemensamma problem för båda är valet av lämpliga sensorer baserat på storlek, vikt, kostnad, tillförlitlighet, noggrannhet, livslängd, miljömässig robusthet och frekvensrespons. Vissa sensorer avfyras bokstavligen i artillerigranater. Andra känner av termonukleära explosioner tills de förstörs. Sensordata måste alltid registreras, överföras eller visas. Inspelningshastigheter och kapacitet varierar enormt. Överföring kan vara trivial eller kan vara hemlig, krypterad och lågeffekt i närvaro av störningar. Displayer kan vara trivialt enkla eller kan kräva samråd med experter på mänskliga faktorer . Styrsystems design varierar från trivial till en separat specialitet.

Instrumentingenjörer ansvarar för att integrera sensorerna med inspelare, sändare, displayer eller kontrollsystem, och att producera rörlednings- och instrumenteringsdiagrammet för processen. De kan designa eller specificera installation, ledningar och signalkonditionering. De kan ansvara för idrifttagning, kalibrering, testning och underhåll av systemet.

I en forskningsmiljö är det vanligt att ämnesexperter har betydande instrumentsystemkompetens. En astronom kan universums struktur och mycket om teleskop – optik, pekande och kameror (eller andra avkänningselement). Det inkluderar ofta den svårvunna kunskapen om de operativa procedurerna som ger de bästa resultaten. Till exempel är en astronom ofta kunnig om tekniker för att minimera temperaturgradienter som orsakar luftturbulens i teleskopet.

Instrumenttekniker, tekniker och mekaniker är specialiserade på felsökning, reparation och underhåll av instrument och instrumentsystem.

Typiska industriella sändarsignaltyper

  • Pneumatisk slinga (20-100KPa/3-15PSI) – Pneumatisk
  • HART – Datasignalering, ofta överlagrad på en strömslinga

Effekten av modern utveckling

Ralph Müller (1940) uttalade, "Att den fysiska vetenskapens historia till stor del är instrumentens historia och deras intelligenta användning är välkänd. De breda generaliseringar och teorier som har uppstått från tid till annan har stått eller fallit på grundval av noggranna mätningar , och i flera fall har nya instrument behövt utarbetas för ändamålet. Det finns få bevis som visar att den moderna människans sinne är överlägset de gamlas. Hans verktyg är ojämförligt bättre."

Davis Baird har hävdat att den stora förändringen i samband med Floris Cohens identifiering av en "fjärde stora vetenskapliga revolutionen" efter andra världskriget är utvecklingen av vetenskaplig instrumentering, inte bara inom kemi utan över vetenskaperna. Inom kemin var införandet av ny instrumentering på 1940-talet "ingenting mindre än en vetenskaplig och teknisk revolution" där klassiska våt-och-torra metoder för strukturell organisk kemi förkastades, och nya forskningsområden öppnades.

Redan 1954 diskuterade WA Wildhack både den produktiva och destruktiva potentialen i processkontroll. Förmågan att göra exakta, verifierbara och reproducerbara mätningar av den naturliga världen, på nivåer som inte tidigare var observerbara, med hjälp av vetenskaplig instrumentering, har "givit en annan struktur på världen". Denna instrumenteringsrevolution förändrar i grunden människans förmåga att övervaka och svara, vilket illustreras i exemplen på DDT- övervakning och användningen av UV-spektrofotometri och gaskromatografi för att övervaka vattenföroreningar .

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Instrumentation&oldid=1141577288 "