کالیبراسیون تجهیزات اندازه گیری در حقیقت مجموعه ای از تنظیمات است که بر روی یک سنسور یا ابزار انجام می شود تا عملکرد دستگاه با دقت بیشتر و بدون خطا انجام شود.
امروزه مهندسان هنگام طراحی نیروگاه های فرآیندی مدرن، سنسورهایی را برای اندازه گیری پارامترهای مهم در فرآیند، مانند جریان، سطح، فشار و دما تعیین می کنند. این اندازه گیری ها برای کمک به سیستم کنترل فرآیند جهت تنظیم شیرها، پمپ ها و سایر محرک های نیروگاه برای حفظ مقادیر تعیین شده عملیاتی و اطمینان از عملکرد ایمن استفاده می شود. بنابراین ما در این مقاله به این سوال که “مهندسان چگونه در کارخانه ها عملکرد این سنسورها را حفظ می کنند تا اطمینان حاصل شود که مقادیر داده های اندازه گیری شده بدون خطا به سیستم کنترل منتقل می شوند” پاسخ خواهیم داد.
انواع خطا در اندازه گیری سنسور
در ابتدای این بحث بهتر است با تعریف خطا (Error) آشنا شویم: خطا در تعاریف مهندسی به سادگی حاصل تفریق جبری بین مقدار نشان داده شده توسط دستگاه های اندازه گیری و مقدار واقعی آن کمیت معرفی میشود. خطاها در اندازه گیری سنسور می توانند توسط عوامل زیادی ایجاد شوند.
خطای ناشی از مرجع صفر نامناسب
اولین خطایی که ممکن است در تجهیزات رخ دهد وجود “مرجع صفر” نامناسب میباشد. به طور مثال ما در فرآیند خود دمای “مرجع صفر” برای عملکرد سیستم کنترل را 300 درجه فارنهایت تنظیم کرده ایم و در صورت افزایش یا کاهش ازین مقدار سیستم موظف به تنظیم دوباره پارامترهاست.
سنسورها و ترانسمیتر های مدرن دستگاه های الکترونیکی هستند و ممکن است ولتاژ یا سیگنال مرجع با گذشت زمان بر اثر عوامل محیطی مانند دما و فشار تغییر پیدا کنند و دمای صفر مرجع سنسور از 300 به 290 درجه فارنهایت تغییر یابد که میتواند مشکل ساز شود.
خطا به دلیل تغییر در بازه عملیاتی سنسور
خطای بعد ” تغییر در بازه عملیاتی سنسور” میباشد و میتواند به دلیل همان شرایطی که ذکر شد ایجاد گردد، یا شاید دامنه عملکرد فرایند تغییر کرده باشد. به عنوان مثال، ممکن است یک فرآیند در یک بازه زمانی نیاز به عملکرد در محدوده 0 تا 200 (PSI) داشته باشد، اما تغییرات عملکردی به اجرای آن در محدوده 0 تا 500 (PSI) منجر گردد.
خطا در اثر آسیب یا فرسودگی مکانیکی
یکی دیگر از عوامل ایجاد خطا در سیستم آسیب فیزیکی و فرسودگی مکانیکی در تجهیزات مورد استفاده ما میباشد که بایستی به آن توجه گردد. معمولاً این نوع خطاها نیاز به تعمیر یا تعویض دستگاه دارند.
وجود خطا قطعا مطلوب مهندسین فرآیند نیست زیرا سیستم کنترل، داده های دقیقی برای عملکرد درست نیاز دارد مانند تنظیم خروجی شیر کنترل یا تنظیم سرعت پمپ تغذیه ای. اگر کالیبراسیون بر شرایط دقیق فرآیند منطبق نباشد، ممکن است ایمنی افراد و تجهیزات به خطر بیفتد.
با کالیبراسیون مناسب، اندازه گیری ها به طور دقیق حاصل می شود که به نوبه خود، کنترل مناسب فرآیند را امکانپذیر می کند و زمانی که کنترل سیستم به خوبی تحقق یابد، فرآیند بهترین شانس را برای اجرای کارآمد و ایمن دارد.
کالیبراسیون
امروزه اکثر کارخانه ها و صنایع مدرن جهان دارای برنامه های منظم به منظور کالیبراسیون ابزار های اندازه گیری خود به صورت دوره ای هستند. کالیبره کردن می تواند مدت زمان قابل توجهی از ما بگیرد، به خصوص هنگامی که دسترسی به دستگاه سخت باشد یا به ابزار خاصی برای انجام کار نیاز داشته باشد.
تست قبل از کالیبراسیون
به منظور به حداقل رساندن مدت زمانی که برای انجام کالیبراسیون سنسور لازم داریم، ابتدا یک تست کوتاه روی دستگاه انجام می دهیم. اگر مشخص شود که کالیبراسیون و میزان ارقام بدست آمده ابزار فعلی در حد تلرانس اعلام شده شرکت سازنده برای دستگاه است، پس از کالیبراسیون مجدد جولوگیری میگردد.
نحوه انجام تست کالیبراسیون
برای انجام تست پیش از کالیبراسیون ابتدا، بازه عملکرد تجهیز را به 5 بخش تقسیم کرده با استفاده از ابزاری دقیق و سیگنالهای متناظر با 0٪ ، 25٪ ، 50٪ ، 75٪ و 100٪ دامنه فرایند سنسور را یادداشت مینماییم. (دراینجا به طور مثال 4، 8، 12، 16 و 20) سپس خروجی سنسور در حال کالیبره را بر حسب میلی آمپر، مشاهده و ثبت میکنیم.
نحوه محاسبه خطا (میزان انحراف)
میزان انحراف در هر نقطه چک محاسبه شده و با حداکثر انحراف مجاز برای دستگاه مقایسه میشود. اگر انحراف بیشتر از حداکثر مجاز باشد، در آن صورت کالیبراسیون بایستی به صورت کامل انجام گیرد. اگر انحراف از حداکثر مجاز کمتر باشد، کالیبراسیون سنسور مورد نیاز نیست.
اگر فرض کنیم حداکثر میزان تلرانس در انحراف برای تجهیز ما 0.5٪ باشدTبا استفاده از داده های بدست آورده از برگه کالیبراسیون، میتوانیم به کمک نمودار ببینیم که همه انحرافات از حداکثر انحراف مجاز 0.5٪ کمتر است. بنابراین نیازی به کالیبراسیون اضافی نیست.
این بار فرض میکنیم حداکثر تلرانس در انحراف برای تجهیز ما 0.5٪ باشد. با استفاده از داده های بدست آورده از برگه کالیبراسیون، میتوانیم به کمک نمودار ببینیم که همه انحرافات از حداکثر انحراف مجاز 0.20٪ بیشتر است. بنابراین به کالیبره کردن سنسور نیاز داریم.
نحوه انجام کالیبراسیون
برای کالیبره کردن، ما به یک شبیه ساز فرآیند بسیار دقیق نیازمندیم، در این حالت یک منبع تغذیه نیاز داریم که به یک ترنسمیتر متصل باشد.
کالیبراسیون سنسور آنالوگ
اگر یک ترنسمیتر آنالوگ داریم، باید مرجع صفر و محدوده اندازه گیری آن را تنظیم کنیم تا میزان انحراف کاهش یابد. تنظیمات صفر مرجع برای انتقال داده خروجی دقیقاً به 4 میلی آمپر در صورت اعمال 0٪ بر روی ترنسمیتر و تنظیم محدوده نیز برای انتقال خروجی به دقیقاً 20 میلی آمپر هنگام اعمال 100٪ اندازه گیری فرآیند انجام می شود.
متأسفانه، با ترنسمیترهای آنالوگ، تنظیمات مرجع صفر و محدوده، متناسب با یکدیگر متغیر هستند. به آن معنی که تنظیم یکی باعث تغییر دیگری می شود. بنابراین، کالیبراسیون یک فرایند تکراری برای تنظیم صفر و محدوده میباشد، اما معمولا تنها 2 تا 3 تکرار لازم میشود.
کالیبراسیون سنسور دیجیتال (اصلاح سنسور و خروجی)
برای کالیبره کردن سنسور دیجیتال، می توانیم سیگنال سنسور ورودی را با تنظیم خروجی مبدل آنالوگ به دیجیتال تنظیم کنیم که “Sensor trim” نامیده می شود و یا ورودی مبدل دیجیتال به آنالوگ در مدار خروجی که “4 -20mA trim “یا” trim output ” نام دارند.
جمع بندی
کالیبراسیون تنظیم یا مجموعه از تنظیماتی است که بر روی یک سنسور یا تجهیزاندازه گیری انجام می شود تا عملکرد دستگاه هرچه بیشتر با دقت، یا بدون خطا انجام شود. با کالیبراسیون مناسب سنسور، داده های اندازه گیری های دقیقی بدست مهندسین پروژه رسیده که به نوبه خود، کنترل هرچه بهتر فرآیند را امکان پذیر می کند. هنگامی که کنترل خوبی تحقق یابد، فرایند بهترین شانس را برای اجرای کارآمد و ایمن دارد.