Instrumentering - Instrumentation

For anden anvendelse, se Instrumentation (disambiguation) .

Instrumentering er en samlebetegnelse for måleinstrumenter , der bruges til at angive, måle og registrere fysiske størrelser. Udtrykket har sin oprindelse i kunsten og videnskaben inden for videnskabelig instrumentfremstilling .

Instrumentering kan henvise anordninger så simpelt som direkte-læsning termometre , eller så kompleks som multi-sensor komponenter af industrielle kontrolsystemer . I dag findes instrumenter i laboratorier, raffinaderier, fabrikker og køretøjer samt i daglig brug i hjemmet (f.eks. Røgdetektorer og termostater )

Historie og udvikling

Et lokalt instrumentpanel på en dampturbine

Instrumenteringshistorien kan opdeles i flere faser.

Førindustrielt

Elementer til industriel instrumentering har lange historier. Vægte til sammenligning af vægte og enkle pointer til at angive position er gamle teknologier. Nogle af de tidligste målinger var af tid. Et af de ældste vandure blev fundet i graven til den gamle egyptiske farao Amenhotep I , begravet omkring 1500 fvt. Forbedringer blev indarbejdet i urene. I 270 fvt havde de rudimenterne af en automatisk styringsenhed.

I 1663 præsenterede Christopher Wren for Royal Society et design til et "vejrur". En tegning viser meteorologiske sensorer, der bevæger penne hen over papir drevet af urværk. Sådanne anordninger blev ikke standard inden for meteorologi i to århundreder. Konceptet er stort set uændret som det fremgår af pneumatiske kortoptagere, hvor en bælge under tryk fortrænger en pen. Integrering af sensorer, displays, optagere og betjeninger var ualmindeligt indtil den industrielle revolution, begrænset af både behov og praktisk.

Tidlig industriel

Udviklingen af ​​analog styresløjfe signalering fra den pneumatiske æra til den elektroniske æra

Tidlige systemer brugte direkte procesforbindelser til lokale kontrolpaneler til kontrol og indikation, som fra begyndelsen af ​​1930'erne oplevede introduktion af pneumatiske transmittere og automatiske 3-term (PID) controllere.

Sortimentet af pneumatiske sendere blev defineret af behovet for at styre ventiler og aktuatorer i feltet. Et signal varierede typisk fra 3 til 15 psi (20 til 100 kPa eller 0,2 til 1,0 kg/cm2) som standard, idet der lejlighedsvis blev brugt 6 til 30 psi til større ventiler. Transistorelektronik gjorde ledninger i stand til at udskifte rør, i første omgang med en rækkevidde på 20 til 100mA ved op til 90V for sløjfe -drevne enheder, reduceret til 4 til 20mA ved 12 til 24V i mere moderne systemer. En transmitter er en enhed, der frembringer et udgangssignal, ofte i form af en 4-20  mA elektrisk strøm signal, selv om mange andre muligheder under anvendelse spænding , frekvens , tryk , eller ethernet er mulige. Den transistor blev kommercialiseret af i midten af 1950'erne.

Instrumenter, der er knyttet til et kontrolsystem, gav signaler, der bruges til at betjene solenoider , ventiler , regulatorer , afbrydere , relæer og andre enheder. Sådanne enheder kan styre en ønsket outputvariabel og levere enten fjernovervågning eller automatiserede kontrolfunktioner.

Hvert instrumentfirma introducerede deres eget standardinstrumenteringssignal, hvilket forårsagede forvirring, indtil 4–20 mA -området blev brugt som standard elektronisk instrumentsignal til sendere og ventiler. Dette signal blev til sidst standardiseret som ANSI/ISA S50, "Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments", i 1970'erne. Transformationen af ​​instrumentering fra mekaniske pneumatiske sendere, controllere og ventiler til elektroniske instrumenter reducerede vedligeholdelsesomkostninger, da elektroniske instrumenter var mere pålidelig end mekaniske instrumenter. Dette øgede også effektivitet og produktion på grund af deres stigning i nøjagtighed.Pneumatik havde nogle fordele, idet den blev foretrukket i ætsende og eksplosive atmosfærer.

Automatisk processtyring

Eksempel på en enkelt industriel kontrolsløjfe, der viser kontinuerligt moduleret styring af procesflow

I de første år med proceskontrol blev procesindikatorer og kontrolelementer såsom ventiler overvåget af en operatør, der gik rundt i enheden og justerede ventilerne for at opnå de ønskede temperaturer, tryk og strømninger. Efterhånden som teknologien udviklede sig, blev pneumatiske controllere opfundet og monteret i feltet, der overvåger processen og kontrollerer ventilerne. Dette reducerede den tid, procesoperatører var nødvendige for at overvåge processen. Senere år blev de faktiske controllere flyttet til et centralt rum, og der blev sendt signaler ind i kontrolrummet for at overvåge processen, og outputsignaler blev sendt til det endelige kontrolelement, såsom en ventil for at justere processen efter behov. Disse controllere og indikatorer blev monteret på en væg kaldet et kontrolkort. Operatørerne stod foran dette board og gik frem og tilbage og overvåge procesindikatorerne. Dette reducerede igen antallet og den tid, procesoperatører var nødvendige for at gå rundt i enhederne. Det mest standard pneumatiske signalniveau, der blev brugt i disse år, var 3–15 psig.

Store integrerede computerbaserede systemer

Pneumatisk "tre term" pneumatisk PID -controller , meget udbredt før elektronik blev pålidelig og billigere og sikker at bruge i farlige områder (Siemens Telepneu -eksempel)
Et centralt kontrolrum fra før DCS/SCADA-æraen. Selvom kontrollerne er centraliseret ét sted, er de stadig diskrete og ikke integreret i ét system.
Et DCS -kontrolrum, hvor planteinformation og kontrolelementer vises på computergrafikskærme. Operatørerne sidder og kan se og kontrollere enhver del af processen fra deres skærme, samtidig med at de bevarer et anlægsoversigt.

Proceskontrol af store industrianlæg har udviklet sig gennem mange faser. I første omgang ville kontrollen ske fra lokale paneler til procesanlægget. Dette krævede imidlertid en stor arbejdskraftressource for at tage sig af disse spredte paneler, og der var ikke noget samlet overblik over processen. Den næste logiske udvikling var transmission af alle plantemålinger til et permanent bemandet centralt kontrolrum. Dette var effektivt centraliseringen af ​​alle de lokaliserede paneler med fordelene ved lavere bemandingsniveauer og lettere overblik over processen. Ofte var controllerne bag kontrolrumspanelerne, og alle automatiske og manuelle kontroludgange blev sendt tilbage til anlægget.

Selvom det gav et centralt kontrolfokus, var dette arrangement imidlertid ufleksibelt, da hver kontrolsløjfe havde sin egen controllerhardware, og kontinuerlig operatørbevægelse inden for kontrolrummet var påkrævet for at se forskellige dele af processen. Med elektroniske processorer og grafiske displays blev det muligt at erstatte disse diskrete controllere med computerbaserede algoritmer, der er hostet på et netværk af input/output-stativer med deres egne kontrolprocessorer. Disse kan fordeles rundt på anlægget og kommunikere med det grafiske display i kontrolrummet eller -rummene. Det distribuerede kontrolkoncept blev født.

Indførelsen af ​​DCS'er og SCADA muliggjorde let sammenkobling og re-konfiguration af anlægskontroller såsom kaskadeløkker og -låse og let grænseflade med andre produktionscomputersystemer. Det muliggjorde sofistikeret alarmhåndtering, indførte automatisk hændelseslogning, fjernede behovet for fysiske registreringer som f.eks. Kortoptagere, gjorde det muligt at styre netværkerne og derved lokalisere lokalt for at anlæg for at reducere kabelføringer og gav overblik over anlægsstatus og produktion på højt niveau niveauer.

Ansøgning

I nogle tilfælde er sensoren et meget lille element i mekanismen. Digitale kameraer og armbåndsure opfylder teknisk set den løse definition af instrumentering, fordi de registrerer og/eller viser registreret information. Under de fleste omstændigheder vil ingen blive kaldt instrumentering, men når de bruges til at måle den forløbne tid for et løb og til at dokumentere vinderen ved målstregen, vil begge blive kaldt instrumentering.

Husstand

Et meget enkelt eksempel på et instrumenteringssystem er en mekanisk termostat , der bruges til at styre en husholdningsovn og dermed til at styre stuetemperaturen. En typisk enhed registrerer temperatur med en bi-metallisk strimmel . Det viser temperaturen med en nål i den frie ende af strimlen. Det aktiverer ovnen med en kviksølvafbryder . Da kontakten drejes af strimlen, får kviksølvet fysisk (og dermed elektrisk) kontakt mellem elektroderne.

Et andet eksempel på et instrumenteringssystem er et hjemmesikkerhedssystem . Et sådant system består af sensorer (bevægelsesdetektering, kontakter til at detektere døråbninger), enkle algoritmer til at detektere indtrængen, lokal kontrol (arm/frakobling) og fjernovervågning af systemet, så politiet kan tilkaldes. Kommunikation er en iboende del af designet.

Køkkenapparater bruger sensorer til kontrol.

  • Et køleskab opretholder en konstant temperatur ved at aktivere kølesystemet, når temperaturen bliver for høj.
  • En automatisk ismaskine laver is, indtil en grænsekontakt kastes.
  • Pop-up brød brødristere gør det muligt at indstille tiden.
  • Ikke-elektroniske gasovne regulerer temperaturen med en termostat, der styrer gasstrømmen til gasbrænderen . Disse kan have en sensorpære placeret i ovnens hovedkammer. Derudover kan der være en sikkerhedsafbrydelsesflamme til overvågning af flammer : Efter tænding skal brænderens betjeningsknap holdes i kort tid, for at en sensor kan blive varm og tillade gasstrøm til brænderen. Hvis sikkerhedssensoren bliver kold, kan dette indikere, at flammen på brænderen er slukket, og for at forhindre en kontinuerlig lækage af gas stoppes strømmen.
  • Elektriske ovne bruger en temperatursensor og tænder varmeelementer, når temperaturen er for lav. Mere avancerede ovne aktiverer ventilatorer som reaktion på temperatursensorer, til at distribuere varme eller til afkøling.
  • Et fælles toilet fylder vandtanken op, indtil en flyder lukker ventilen. Float fungerer som en vandstandssensor.

Automotive

Moderne biler har kompleks instrumentering. Ud over visninger af motorens rotationshastighed og køretøjets lineære hastighed er der også visninger af batterispænding og strøm, væskeniveauer, væsketemperaturer, tilbagelagt afstand og tilbagemeldinger fra forskellige betjeningselementer (blinklys, parkeringsbremse, forlygter, transmissionens position). Der kan blive vist advarsler for særlige problemer (lavt brændstof, tjek motor, lavt dæktryk, dør på klem, sikkerhedssele ikke spændt). Problemer registreres, så de kan rapporteres til diagnostisk udstyr . Navigationssystemer kan levere stemmekommandoer for at nå en destination. Bilinstrumentering skal være billig og pålidelig over lange perioder i barske miljøer. Der kan være uafhængige airbagsystemer , der indeholder sensorer, logik og aktuatorer. Skridsikre bremsesystemer bruger sensorer til at styre bremserne, mens fartpilot påvirker gaspositionen. En lang række tjenester kan leveres via kommunikationslinks som OnStar -systemet. Autonome biler (med eksotisk instrumentering) er blevet demonstreret.

Fly

Tidlige fly havde et par sensorer. "Dampmålere" konverterede lufttryk til nåleudbøjninger, der kunne tolkes som højde og lufthastighed. Et magnetisk kompas gav en følelse af retning. Displayene til piloten var lige så kritiske som målingerne.

Et moderne fly har en langt mere sofistikeret pakke med sensorer og displays, som er integreret i luftfartssystemer . Flyet kan indeholde inertialnavigationssystemer , globale positioneringssystemer , vejrradar , autopiloter og flystabiliseringssystemer. Redundante sensorer bruges til pålidelighed. En delmængde af oplysningerne kan overføres til en nedbrudsoptager for at hjælpe med uheldsundersøgelser. Moderne pilotskærme indeholder nu computerskærme inklusive head-up-skærme .

Flyvekontrolradar er distribueret instrumenteringssystem. Jorddelen sender en elektromagnetisk puls og modtager et ekko (mindst). Fly bærer transpondere, der sender koder ved modtagelse af pulsen. Systemet viser flykortets placering, en identifikator og eventuelt højde. Kortplaceringen er baseret på registreret antenneretning og registreret tidsforsinkelse. De andre oplysninger er integreret i transponderoverførslen.

Laboratorieinstrumentering

Blandt de mulige anvendelser af udtrykket er en samling laboratorietestudstyr, der styres af en computer via en IEEE-488-bus (også kendt som GPIB for General Purpose Instrument Bus eller HPIB for Hewlitt Packard Instrument Bus). Der findes laboratorieudstyr til måling af mange elektriske og kemiske mængder. En sådan samling udstyr kan bruges til at automatisere test af drikkevand for forurenende stoffer.

Måleparametre

Instrumentering bruges til at måle mange parametre (fysiske værdier). Disse parametre omfatter:


Kontrolventil

Instrumenteringsteknik

Instrumenteringsdelen af ​​et rør- og instrumenteringsdiagram vil blive udviklet af en instrumenteringsingeniør.

Instrumenteringsteknik er den tekniske specialisering, der fokuserer på princippet og driften af ​​måleinstrumenter, der bruges til design og konfiguration af automatiserede systemer i områder som elektriske og pneumatiske domæner og kontrol af mængder, der måles. De typisk arbejder for industrier med automatiserede processer, såsom kemiske eller fremstiller anlæg, med det formål at forbedre systemets produktivitet , pålidelighed, sikkerhed, optimering og stabilitet. For at styre parametrene i en proces eller i et bestemt system bruges enheder såsom mikroprocessorer, mikrokontrollere eller PLC'er, men deres endelige mål er at kontrollere parametrene i et system.

Instrumentteknik er løst defineret, fordi de krævede opgaver er meget domæneafhængige. En ekspert i biomedicinsk instrumentering af laboratorierotter har meget andre bekymringer end eksperten i raketinstrumentering. Fælles bekymringer for begge er valg af passende sensorer baseret på størrelse, vægt, pris, pålidelighed, nøjagtighed, lang levetid, miljømæssig robusthed og frekvensrespons. Nogle sensorer affyres bogstaveligt talt i artilleri -skaller. Andre fornemmer termonukleære eksplosioner, indtil de ødelægges. Sensordata skal altid registreres, transmitteres eller vises. Optagelseshastigheder og kapaciteter varierer enormt. Transmission kan være triviel eller kan være hemmelig, krypteret og lav effekt i nærvær af jamming. Skærme kan være trivielt enkle eller kan kræve konsultation med eksperter fra menneskelige faktorer . Kontrolsystemets design varierer fra trivielt til et særligt speciale.

Instrumenteringsingeniører er ansvarlige for at integrere sensorerne med optagere, sendere, displays eller kontrolsystemer og producere rør- og instrumentdiagrammet for processen. De kan designe eller specificere installation, ledninger og signalkonditionering. De kan være ansvarlige for idriftsættelse, kalibrering, test og vedligeholdelse af systemet.

I et forskningsmiljø er det almindeligt, at fageksperter har betydelig ekspertise i instrumenteringssystemer. En astronom kender universets struktur og meget om teleskoper - optik, pegning og kameraer (eller andre sanseelementer). Det inkluderer ofte den hårdt vundne viden om de operationelle procedurer, der giver de bedste resultater. For eksempel har en astronom ofte kendskab til teknikker til at minimere temperaturgradienter, der forårsager luftturbulens i teleskopet.

Instrumenteringsteknologer, teknikere og mekanikere har specialiseret sig i fejlfinding, reparation og vedligeholdelse af instrumenter og instrumenteringssystemer.

Typiske industrielle sendersignaltyper

  • HART - Datasignalering, ofte overlejret på en strømsløjfe

Virkningen af ​​den moderne udvikling

Ralph Müller (1940) udtalte: "At den naturvidenskabelige historie stort set er instrumenternes historie og deres intelligente anvendelse er velkendt. De brede generaliseringer og teorier, der er opstået fra tid til anden, har stået eller faldet på grundlag af nøjagtig måling , og i flere tilfælde har der været behov for at udtænke nye instrumenter til formålet. Der er få beviser for, at det moderne menneskes sind er overlegen hos de gamle. Hans værktøjer er uforligneligt bedre. "

Davis Baird har argumenteret for, at den store ændring i forbindelse med Floris Cohen ' s identifikation af en 'fjerde stor videnskabelig revolution' efter Anden Verdenskrig er udviklingen af videnskabelige instrumenter, ikke kun i kemi , men på tværs af videnskaber. Inden for kemi var introduktionen af ​​ny instrumentering i 1940'erne "intet mindre end en videnskabelig og teknologisk revolution", hvor klassiske våd-og-tør-metoder til strukturel organisk kemi blev kasseret, og nye forskningsområder åbnede sig.

Allerede i 1954 diskuterede WA Wildhack både det produktive og destruktive potentiale, der er forbundet med proceskontrol. Evnen til at foretage præcise, verificerbare og reproducerbare målinger af den naturlige verden på niveauer, der ikke tidligere var observerbare, ved hjælp af videnskabelig instrumentering, har "givet en anden struktur af verden". Denne instrumenteringsrevolution ændrer fundamentalt menneskelige evner til at overvåge og reagere, som det er illustreret i eksemplerne på DDT -overvågning og brugen af UV -spektrofotometri og gaskromatografi til overvågning af vandforurenende stoffer .

Se også

Referencer

eksterne links