ی ابزار دقیقسیستم هامبانی اندازه گیری در

تأليف:

دکتر حميد رضا تقي راد

و

مهندس سيد علي سالمتي

تقديم به

پژوهشگران و متخصصين

پرتالش و گمنام اين مرز و بوم

پيش گفتار

امروزه شاهد گسترش روز افزون اتوماسیون فرآیندهای پیشرفته صنعتی در کشور می باشیم. با

ی ابزار دقیق سهم مهمی از اتوماسیون صنایع را در بر می گیرد و به سیستم ها این کهتوجه به

خودی خود نیز به عنوان شاخه مهمی از گرایش کنترل در صنعت شناخته می شود، ضرورت

ی ابزار دقیق بیش از پیش مشهود سیستم هاآشنائی دانش پژوهان و متخصصین صنایع با مبانی

از صنعت و دانشگاهها گوناگونیموضوع در بخشهای . تحقیقات و گسترش فناوری در این است

تعقیب می شود و با توجه به ماهیت چند رشته ای این زمینه تخصصی و نبود مرجع واحد مهندسی

به زبان فارسی، این کتاب از ترجمه و تلخیص مراجع مرتبط و تالیف بخشهای دیگر مورد نیاز، به

ابزار "طی چند سال به صورت درس کارشناسی رشته تحریر در آمده است. موضوع این نگارش

در گروه کنترل دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی به همراه آزمایشگاه ارائه شده "دقیق

است و حجم فصول آن متناسب با نیاز برازش شده است.

به نظر مولفین ابزار دقیق از زمینه های مهندسی است که دارای ماهیت چند رشته ای بوده و

محصوالت آن آمیزه ای از علم و هنر می باشند. یکی از نکات برجسته این رشته ظهور خالقیتهای

مهندسان و مخترعین است که با الهام از طبیعت و با استفاده از دانش مهندسی به تولید

-های فیزیکی مورد نیاز در صنعت را اندازهاند که با شیوه های مختلف کمیتمحصوالتی پرداخته

ی و پایش می نمایند. از طرف دیگر اتوماسیون صنایع بدون حضور بخش ابزار دقیق بی معنی گیر

های صنعتی مرهون گسترش این شاخه از فرآینداست و کیفیت بسیاری از محصوالت تجاری و

مهندسی است.

با توجه به ساختار تدوین شده در این کتاب سعی شده است توجه دو طیف از مخاطبین را به

استفاده از این کتاب جلب نماییم. از یک طرف این کتاب به عنوان مرجع درسی دانشگاهی

تواند مورد استفاده دانشجویان مقطع کارشناسی و یا کارشناسی ارشد رشته های مهندسی برق، می

مکانیک و مکاترونیک قرار گیرد. هرچند این کتاب نیاز به کتب مرجعی را که در بخش مراجع هر

ام ا می تواند به عنوان راهنمای درسی مورد استفاده ،نمی سازد بر طرفرفی شده اند فصل مع

دانشجویان و اساتید ارجمند قرار گیرد. از طرف دیگر مخاطب دیگر این کتاب کارشناسان محترمی

ند. امروزه هیچ کارخانه یا خط تولیدی وجود هست می باشند که در صنایع کشور مشغول به فعالیت

که در بخشهای مختلف آن به نوعی از سیستم های اندازه گیری و ابزار دقیق یا مدارهای ندارد

هایابدر نتیجه این کتاب به عنوان یکی از معدود کت .بهسازی مربوط به آن استفاده نشده باشد

فارسی در این زمینه می تواند راهگشای این متخصصین باشد.

های ابزاردقیق گیری در سیستممبانی اندازه ب

گیری های ابزار دقیق و روشهای گوناگون اندازهستمدر این کتاب و در فصل او ل اجزای سی

های مختلف حسگرهای مختلف به صورت مختصر توضیح داده می شود و آشنایی کلی با کمیت

-سیگنالسازی صنعتی در این فصل تشریح می گردد. در فصل دوم مدارهای بهسازی جهت آماده

خروجی حسگرها را برای های سیگنالاندازه گیری شده معرفی شده اند. مدارهای بهسازی های

پردازش و انجام محاسبات آماده می نمایند. فیلترها برای عمل گزینش فرکانسی، تقویت کننده

های عملیاتی برای مقیاس کردن یا تقویت سیگنالها و برخی دیگر از مدارها در این فصل معرفی و

کنترل فرآیندهای صنعتی به صورت بررسی شده اند. در فصل سوم کاربرد الکترونیک دیجیتال در

ی مختلف در یک حسگرهاهای خالصه مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به این که سیگنال

های سیستم ابزار دقیق معموال به صورت آنالوگ هستند، به منظور پردازش آنها توسط پردازنده

تال تبدیل شوند، از طرف دیگر های دیجیبه داده ADCدیجیتال الزم است ابتدا توسط مبدل های

به عملگرهای کنترلی ارسال شوند. به همین DACهای خروجی معموال می بایست توسط داده

منظور در این فصل در مورد اصول کارکرد این تجهیزات و روش های مختلف استفاده شده در آنها

کننده ها و مبدل های توضیحاتی ارائه شده است. منطق کلی کنترل دیجیتال و انواع مقایسه

آنالوگ به فرکانس، موارد دیگری می باشند که در این فصل به آنها پرداخته شده است.

در ادامه کتاب و در چهار فصل پایانی مبانی اندازه گیری کمیتهای مهم صنعتی مورد توجه قرار

ر صنعت مد نظر گرفته است. در صورتی که پوشش کاملی از کمیتهای مهندسی مورد اندازه گیری د

های مرجع در این زمینه مراجعه نمود. بدین دلیل در این کتاب تنها قرار گیرد بایستی به کتاب

جایی، سرعت و شتاب در فصل پنجم، فشار در فصل چهارم، کمیتهای جابهکمیتهای نیرو گشتاور و

رد بررسی قرار در فصل ششم و اندازه گیری شدت جریان سیال در فصل هفتم مو دمااندازه گیری

سال گرفته است. به تجربه ثابت شده است بیش از این محتوی را نمی توان در طول یک نیم

تحصیلی مورد تدریس قرار داد. به منظور تکمیل مطالب درس و تحقیق بر روی روشهای

گیری سایر کمیتهای مهم صنعتی، پروژه های درسی تدوین شده است که توسط دانشجویان اندازه

گاه درس ابزار دقیق اینجانب به آدرسانجام رسیده است. گزارش فنی این پروژه ها بر روی وببه

http://saba.kntu.ac.ir/eecd/ecourses/instrumentation .موجود می باشد

ن زیادی مورد بازبینی و تصحیح قرار گرفته است. علیرغم این کتاب توسط همکاران و دانشجویا

همچنان اشکاالت دیگری در آن وجود دارد، که به یقینان نسبت به تصحیح اشکاالت وتالش فرا

آدرس باعث خوشحالی مولفین خواهد شد اگر این موارد به صورت الکترونیکی به

@kntu.ac.irtaghirad گاه درسی فوق الذکر به روز رسانی خواهد ارسال شود. موارد اصالحی در وب

را ا م از کلیه کسانی که در تدوین کتاب و انجام اصالحات الزم میشد. در اینجا بر خود واجب می دان

علی دکتر محمدتوان آقایان م. از جمله این افراد میییاری نموده اند تشکر و قدردانی نمای

ج پیش گفتار

جواد رضوانی جالل، محمد رضا مهدی شرع پسند، محمد علی انصاری، ینپژوه، مهندس احمدی

مروی، لرنی، صباحی، ،زاده خانمها حسین، و بهاره صبوری نیری، صمیم خسروی، کیوان محمدی

شکوهی پور، نجفی، محرمی، شبانی، میثمی، عبداله نژاد، محمد قلی زاده و مجیدی، قاسم کشاورز،

م این مجموعه برای دانش پژوهان و یرا نام برد. در پایان امیدوارمقدسی و آقایان محجوبو یکتا

.متخصصین صنعتی کشور مفید و موثر قرار گیرد

حمید رضا تقی راد

سید علی سالمتی

1392 مرداد

صفحه عنوان

1 مقدمه -1 فصل

1 گفتار شیپ -1-1

1 قیدق ابزار یهاستمیس یمعرف -1-2 4 صنعت در متداول یاجزا -1-2-1

6 ابزاردقیق هایسیستم کاربرد -1-3 6 مهندسی تحلیل -1-3-1

7 صنعتی فرآیندهای شیپا -1-3-2

7 فرآیند خودکار کنترل -1-3-3

7 دقیق ابزار هایسیستم در خطا -1-4

9 قیابزاردق یهاستمیس در مهم یارهایمع -1-5 10 دقت و صحت -1-5-1

11 خطا انواع -1-5-2

13 پذیری تفکیک -1-5-3

14 پذیری تکرار -1-5-4

15 حسگرها مشخصات سایر -1-5-5

16 صنعتی مبدلهای در استفاده مورد حسگرهای معرفی -1-6

16 ومترهایپتانس -1-6-1

18 تفاضلی ترانسفورمر -1-6-2

21 مقاومتی سنج کرنش -1-6-3

24 خازنی یحسگرها -1-6-4

26 پیزوالکتریک یسگرهاح -1-6-5

29 مقاومتی پیزو یحسگرها -1-6-6

30 الکتریک فتو یحسگرها -1-6-7

33 (RTD) حرارت مقاومتی آشکارساز -1-6-8

34 ترمیستور -1-6-9

35 ترموکوپل -1-6-10

36 فرکانس و زمان حسگرهای -1-6-11

39 بندی جمع -1-7

39 مسائل

44 مراجع

ج فهرست مطالب

74 بهسازي مدارهاي -2 فصل

47 مقدمه -2-1

47 سیگنال بایاس و سطح تبدیل -2-1-1

47 سازی خطی -2-1-2

48 سیگنال تبدیل -2-1-3

49 امپدانس تطابق و کردن یلترف -2-1-4

49 بارگذاری تأثیر -2-1-5

51 فعال غیر بهسازی یمدارها -2-2

51 ولتاژ تقسیم -2-2-1

53 پل مدار -2-2-2

53 وتستون پل -2-2-3

63 فعال غیر فیلترهای -2-3

63 گذر پائین RC فیلتر -2-3-1

66 باالگذر RC فیلتر -2-3-2

70 گذر میان فیلتر -2-3-3

73 قطع میان فیلترهای -2-3-4

75 دقیق ابزار هایسیستم در استفاده مورد فعال مدارهای -2-4

76 ولتاژ کننده تعقیب -2-4-1

76 ساز معکوس کننده تقویت -2-4-2

78 کننده جمع کننده تقویت -2-4-3

79 میمستق کننده تقویت -2-4-4

80 تفاضلی کننده تقویت -2-4-5

84 جریان به ولتاژ مبدل -2-4-6

86 ولتاژ به جریان مبدل -2-4-7

87 گیر انتگرال مدار -2-4-8

87 گیر مشتق مدار -2-4-9

88 ولتاژ کننده بیتعق -2-4-10

88 غیرخطی یها کننده تیتقو -2-4-11

89 ابزاردقیق یها کننده تیتقو -2-4-12

91 بهسازی مدارهای طراحی راهنمای -2-5

95 یبند جمع -2-6

96 مسائل

100 مراجع

های ابزاردقیق گیری در سیستممبانی اندازه د

103 ابزاردقيق هايسيستم در برداري نمونه مباني -3 فصل

103 مقدمه -3-1

103 دیجیتال های بلوک -3-2

105 ها مبدل -3-3

105 ها کننده مقایسه -3-3-1

106 آنالوگ به دیجیتال های مبدل -3-3-2

110 دیجیتال به آنالوگ های مبدل -3-3-3

112 داری نگه و برداری نمونه -3-3-4

113 فرکانس به ولتاژ های مبدل -3-3-5

114 داده تیریمد های دستگاه -3-4

114 آنالوگ پلکسر مالتی -3-4-1

114 دیجیتال پلکسر مالتی -3-4-2

115 یمرکز پردازنده -3-5

117 گنالیس یبازساز و یبردار نمونه یمبان -3-6

117 شانون یبردار نمونه هیقض -3-6-1

119 تداخل -3-6-2

119 ستمیس ییشناسا یهاگنالیس -3-6-3

120 زینو -3-7

120 خارجی نویز انتقال های راه -3-7-1

124 داخلی نویز -3-7-2

128 داخلی نویز اثر کردن کم -3-7-3

129 دقیق ابزار در فیلترها های کاربرد -3-7-4

129 بندی جمع -3-8

130 مسائل

134 مراجع

134 فشار و گشتاور نيرو، گيري اندازه هاي سيستم -7 فصل

137 مقدمه -4-1

137 کرنش و تنش -4-2

137 فیتعار -4-2-1

140 کرنش و نشت رابطه -4-2-2

142 ها سنج تنش و ها سنج کرنش -4-3

142 استفاده نحوه و اصول -4-3-1

146 سنجها کرنش نصب نحوه -4-3-2

ه فهرست مطالب

148 سنج تنش و سنج کرنش انواع -4-3-3

150 روین یریگ اندازه -4-4

151 ییبازو نوع روسنجین -4-4-1

154 ریت نوع روین مبدل -4-4-2

157 یحلقها نوع روسنجین -4-4-3

159 (گشتاورسنج) گشتاور یریگ اندازه -4-5

159 محوره تک گشتاورسنج -4-5-1

162 امتداد کی در گشتاور و روین توأم یریگ اندازه -4-5-2

164 محور دو در گشتاور و محور کی در روین توام یریگ اندازه -4-5-3

166 فشار مبدل -4-6

167 فشار به مربوط فیتعار و اصول -4-6-1

168 ییجاجابه نوع فشارسنج -4-6-2

170 یافراگمید نوع فشارسنج -4-6-3

172 کیزوالکتریپ نوع یها فشارسنج -4-6-4

173 یخالءسنج یحسگرها -4-6-5

174 فشار دیکل -4-6-6

175 بندی جمع -4-7

176 مسائل

182 مراجع

185 شتاب و سرعت ،ييجا به جا يريگ اندازه -5 فصل

185 مقدمه -5-1

186 سینماتیکی روابط -5-2

188 ییجاجابه گیری اندازه -5-3

189 یمقاومت یومترهایپتانس -5-3-1

191 یمقاومت چند ییجا به جا یریگ اندازه لیوسا -5-3-2

191 کرنش اثر در مقاومت رییتغ نوع سنج ییجاجابه -5-3-3

193 ریمتغ اندوکتانس یسنجها ییجا به جا -5-3-4

195 یخازن یها سنج ییجاجابه -5-3-5

195 هال اثر حسگر -5-3-6

201 کیفتوالکتر ییجا به جا یها مبدل -5-3-7

202 ینور یانکودرها -5-3-8

206 سرعت گیری اندازه -5-4

207 یخط سرعت مبدل -5-4-1

های ابزاردقیق گیری در سیستممبانی اندازه و

209 یا هیزاو سرعت مبدل -5-4-2

210 تاکومتر -5-4-3

218 یشمارش سرعت مبدل -5-4-4

219 داپلر اثر حسگر -5-5

219 داپلر اثر یفیک حیتوض -5-5-1

220 یسنج سرعت در داپلر اثر -5-5-2

220 سایزمیک مبدلهای -5-6

220 کیزمیسا یها مبدل یمبان -5-6-1

221 کیزمیسا ییجا به جا مبدل -5-6-2

223 کیزمیسا سرعت مبدل -5-6-3

224 کیزمیسا شتاب مبدل -5-6-4

226 زویپ سرعت یمبد لها -5-7

227 شتاب یریگ اندازه -5-8

227 یسنج شتاب اصول -5-8-1

228 کیزوالکتریپ سنج شتاب -5-8-2

235 کیزوالکتریپ یها مبدل در خطا منابع -5-8-3

236 یزومقاومتیپ یها سنج شتاب -5-8-4

237 یخازن یها سنج شتاب -5-8-5

MEMS 239 یخازن یها سنج شتاب -5-8-6

243 یا شانه یخازن یها سنج شتاب -5-8-7

244 بندی جمع -5-9

244 مسائل

248 مراجع

251 دما يريگ اندازه -6 فصل

251 مقدمه -6-1

253 یمقاومت یمترها ترمو -6-2

262 ستورهایترم -6-3

272 ترموکوپل -6-4

272 کیترموالکتر اثرات -6-4-1

276 ترموکوپل اتیخصوص -6-4-2

278 کیترموالکتر مواد -6-4-3

283 (یرومتریپ) یتشعشع یها دماسنج -6-5

283 مقدمه -6-5-1

ز فهرست مطالب

283 دما یتشعش یریگ اندازه اصول -6-5-2

285 ینور رومتریپ -6-5-3

287 یفوتون ساز آشکار یها ماسنجد -6-5-4

291 سنجی دما حسگرهای سایر -6-6

291 یفلز دو یها دماسنج -6-6-1

293 یا وهیج یها دماسنج -6-6-2

294 یفشار یها دماسنج -6-6-3

295 دما گیری اندازه های سیستم طراحی -6-7

302 بندی جمع -6-8

303 مسائل

308 مراجع

311 اليس انيجر شدت يريگ اندازه -4 فصل

311 مقدمه -7-1

314 سیال جریان سرعت گیری اندازه -7-2

314 ریناپذ تراکم الیسدر تویپ یها لوله -7-2-1

318 ریپذ تراکم الیس در تویپ ی لوله -7-2-2

319 داغ لمیف و میس یمومترهایآن -7-2-3

321 پسا یروین از استفاده با سرعت مبدل روتامتر -7-2-4

324 ها سنج انیجر -7-2-5

325 ینیتورب یها یسنج یدب -7-2-6

326 صوت ماورأ یها یسنج یدب -7-2-7

328 فشار یریگ اندازه توسط بسته یها ستمیس در یسنج یدب -7-3

330 یونتور یسنج یدب -7-3-1

331 نازل سنج یدب -7-3-2

331 سیفیار -7-3-3

334 ییزانو سنج یدب -7-3-4

335 بسته مهین یها ستمیس در سنج یدب -7-4

336 فشار اختالف گیری اندازه توسط باز کانالهای در سنجی دبی -7-5

337 سلوس ی چهیدر -7-5-1

338 ریو مانع -7-5-2

339 بسته های سیستم در پذیر تراکم سیال سنجی دبی -7-6

340 الیس انیجر یریگ اندازه گرید یها روش -7-7

340 یالریکاپ یها سنج یدب -7-7-1

های ابزاردقیق گیری در سیستممبانی اندازه ح

341 داغ لمیف نوع از یجرم یدب یها مبدل -7-7-2

342 داپلر – زریل یمومترهایآن -7-7-3

344 بندی جمع -7-8

345 مسائل

350 مراجع

352 مهندسي هاي واحد: الف وستيپ

356 مختلف دماسنجهاي يها جدول: ب وستيپ

356 ها ترموکوپل یها جدول -1 -ب

362 ترمیستورها مشخصات یها جدول -2-ب

RTD 365 مشخصات یها جدول 3-ب

341 انگليسي به فارسي نامه واژه

343 فارسي به انگليسي نامه واژه

345 راهنما فهرست