با گسترش صنایع و به‌ویژه هوشمندسازی آن‌ها، نیاز به ابزاردقیق در صنایع نظامی، پزشکی، صنایع حساس (صنعت‌نفت، صنعت هسته‌ای ‌و...) افزایش یافته است. با توجه به اهمیت این موضوع، کتاب‌ حاضر به منظور آشنایی دانشجویان مهندسی برق، مکانیک، مکاترونیک، ابزاردقیق و فرآیند و همچنین مهندسان شاغل در صنایع تألیف شده است. در کتاب حاضر سعی شده تا از به‌روزترین منابع و جزوات دانشگاه‌های مطرح دنیا و کتاب‌های منتشرشده‌ی انجمن بین‌المللی اتوماسیون استفاده شود و به صورت خلاصه و کاربردی در اختیار دانش‌پژوهان گرامی قرار گیرد. در فصل اول کتاب مفاهیم اولیه و تعاریف توضیح داده شده است تا با استفاده از آن‌ها بتوانیم برگه‌ی مشخصات چند سنسور مدنظر را بررسی و مقایسه کنیم. در فصل دوم سنسورهای مورداستفاده در اندازه‌گیری‌ها شرح داده شده است و در فصل‌های بعد اصول اندازه‌گیری پارامترهای مختلف به‌صورت کاربردی و خلاصه‌شده توضیح داده شده است. در ضمیمه‌ی کتاب به سنسورها و وسایلی که در پزشکی و اندازه گیری اسیدی و بازی بودن استفاده می‌شود، اشاره شده است.   فهرست مطالب پیشگفتار................................................................................................................................................. 11 فصل 1: تعاریف..................................................................................................... 13 1-1. مثالی از فرآیند کنترلی.............................................................................................................. 13 1-2. انواع ابزار از لحاظ فعال و غیرفعال بودن................................................................................... 14 1-3. ابزارهای اولیه و ابزارهای عقربه‌ای........................................................................................... 14 1- 4. ابزارها از نظر آنالوگ یا دیجیتال بودن..................................................................................... 15 1-5. تعاریف اولیه.............................................................................................................................. 15 1-5-1. دقت و عدم‌دقت................................................................................................................ 16 1-5-2. صحت............................................................................................................................... 16 1-5-3. سازگاری............................................................................................................................ 17 1-5-4. محدوده............................................................................................................................. 17 1-5-5. خطی بودن........................................................................................................................ 17 1-5-7. آستانه................................................................................................................................ 19 1-5-8. رزولوشن یا مشاهده‌پذیری................................................................................................. 19 1-5-9. حساسیت به تغییرات.......................................................................................................... 19 10-5-1. اثر پدیده‌ی هیسترزیس................................................................................................... 21 1-5-11. ناحیه‌ی مرده................................................................................................................... 22 فصل 2: سنسور..................................................................................................... 24 2-1. انواع سنسورها........................................................................................................................... 24 2-1-1. سنسور خازنی.................................................................................................................... 25 2-1-2. سنسور مقاومتی................................................................................................................. 25 2-1-3. سنسور مغناطیسی.............................................................................................................. 25 2-1-4. سنسور اثر هال.................................................................................................................. 27 2-1-5. مبدل‌های پیزوالکتریک..................................................................................................... 28 2-1-6. سنسور نوری...................................................................................................................... 29 2-1-7. مبدل‌های آلتراسونیک....................................................................................................... 33 2-1-8. سنسور هسته‌ای................................................................................................................. 34 2-1-9. سنسور میکرو الکترومکانیکی............................................................................................. 34 فصل 3: دماسنج.................................................................................................... 37 3-1. اصول اندازه‌گیری دما................................................................................................................ 37 3-1-1. اثر ترموالکتریک................................................................................................................ 38 3-1-2. ترموکوپل........................................................................................................................... 38 3-1-3. ترموپیل............................................................................................................................. 44 3-1-4. دستگاه‌های مقاومت دمایی (آر.تی.دی)............................................................................. 46 3-1-5. ترمومترهای مقاومتی پلاتینی............................................................................................ 47 3-1-6. خطاهای خودگرمایی......................................................................................................... 50 3-1-7. دستگاه‌های نیمه‌هادی....................................................................................................... 51 3-1-8. کالیبراسیون....................................................................................................................... 51 3-1-9. ترمومترهای تابشی............................................................................................................ 53 3-1-10. پایرومترهای نوری........................................................................................................... 54 3-1-11. پایرومترهای دورنگی (پایرومترهای نسبی)...................................................................... 56 3-1-12. ترموگرافی (گرمانمایی).................................................................................................... 57 3-1- 13. ترمومتر مایع شیشه‌ای:................................................................................................... 58 3-1-14. ترمومتر دوفلزی.............................................................................................................. 59 3-1-15. ترمومترهای فشاری........................................................................................................ 60 3-1-16. ترمومترهای کوارتز.......................................................................................................... 60 3-1-17. سنسورهای دمایی فیبرنوری............................................................................................ 60 3-1-18. ترمومترهای صوتی......................................................................................................... 61 3-1-19. شناساگرهای رنگ........................................................................................................... 62 3-2. انتخاب بین مبدل‌های دمایی................................................................................................. 62 فصل 4: فشارسنج................................................................................................. 65 4-1. تعاریف....................................................................................................................................... 65 4-2. دیافراگم.................................................................................................................................... 66 4-3. سنسور فشار خازنی................................................................................................................... 68 4-4. سنسورهای فشار فیبرنوری....................................................................................................... 68 4-5. بادکش...................................................................................................................................... 69 4-6. بوردون تیوب (تیوب باتونی)...................................................................................................... 69 4-7. مانومتر...................................................................................................................................... 72 4-8. دستگاه‌های سیم تشدیدشونده.................................................................................................. 74 4-9. گیج‌ها........................................................................................................................................ 75 4-9-1. گیج‌های بی‌وزنی............................................................................................................... 75 4-9-2. گیج ترموکوپلی.................................................................................................................. 75 4-9-3. گیج پیرانی......................................................................................................................... 76 4-9-4. گیج ترمیستوری................................................................................................................ 77 4-9-5. گیج مک لئودی................................................................................................................. 77 4-9-6. گیج یونیزه شده................................................................................................................. 78 4-10. مبدل‌های هوشمند فشار......................................................................................................... 79 4-11. سوئیچ فشار............................................................................................................................. 80 4-12. ترنسمیتر فشار........................................................................................................................ 81 فصل 5: فلوسنج‌ها................................................................................................. 82 5-1. نرخ فلوی جرمی....................................................................................................................... 82 5-1-1. روش‌های بر پایه‌ی حامل.................................................................................................. 82 5-1-2. فلوسنج کوریولیس............................................................................................................... 83 5-1-3. سنجش گرمایی فلوی جرمی............................................................................................. 84 5-2. نرخ فلوی حجمی...................................................................................................................... 84 5-2-1. فشار تفاضلی..................................................................................................................... 86 5-2-2. صفحه‌ی اوریفیس............................................................................................................. 88 5-2-3. ونتوری و دستگاه‌های مشابه:............................................................................................. 88 5-2-4. لوله فلو دال:...................................................................................................................... 88 5-2-5. لوله پیتوت استاتیکی.......................................................................................................... 88 5-4. فلوسنج مساحت متغیر (روتامتر)................................................................................................ 89 5-5. فلوسنج جابه‌جایی مثبت............................................................................................................ 90 5-6. توربین متر................................................................................................................................. 91 5-7. فلوسنج‌های الکترومغناطیسی................................................................................................... 92 5-8. فلوسنج‌های آلتراسونیک........................................................................................................... 94 5-11. فلوسنج‌های جریان گردابی..................................................................................................... 96 5-9. فلوسنج همبستگی متقابل......................................................................................................... 97 فصل 6: اندازه‌گیری رطوبت و شرجیت.................................................................. 99 6-1. اندازه‌گیری رطوبت.................................................................................................................... 99 6-1-1. روش‌های الکتریکی........................................................................................................... 99 6-1-2. تعادل نوترونی................................................................................................................. 101 6-1-3. روش‌های نوری............................................................................................................... 101 6-2. تکنیک‌های آزمایشگاهی اندازه‌گیری رطوبت........................................................................ 102 6-3. اندازه‌گیری شرجیت................................................................................................................ 103 6-3-1. نم‌سنج الکتریکی هوا (هایگرومتر برقی)............................................................................ 103 6-3-2. سایکرومتر (هایگرومتر با حباب خشک و تر)..................................................................... 103 6-3-3. نقطه‌ی شبنم‌سنج.............................................................................................................. 104 فصل 7: مبدل‌های حرکت خطی.......................................................................... 105 7-1. جابه‌جایی................................................................................................................................ 105 7-1- 1. پتانسیومتر مقاومتی........................................................................................................ 105 7-1-2. ترانسفورماتورهای تفاضلی خطی متغیر (LVDT)............................................................. 106 7-1-3. مبدل‌های خازنی متغیر.................................................................................................... 108 7-1-4. مبدل‌های سلفی متغیر..................................................................................................... 110 7-1-5. استرین گیج..................................................................................................................... 110 7-1-6. مبدل‌های پیزوالکتریک................................................................................................... 111 7-1-7. روش‌های اندازه‌گیری جابه‌جایی کوچک......................................................................... 111 7-1-8. اندازه‌گیری جابه‌جایی‌های بزرگ..................................................................................... 113 7-1-9. انتخاب مبدل‌های اندازه‌گیری جابه‌جایی خطی................................................................ 114 7-1-10. اندازه‌گیری سرعت:....................................................................................................... 115 7-1-11. اندازه‌گیری شتاب:......................................................................................................... 115 7-1-12. ارتعاش.......................................................................................................................... 116   فصل 8: ضمیمه................................................................................................... 118 8-1. اندازه‌گیری غلظت یون هیدروژن (پی.هاچ)........................................................................... 118 8-2.سنسورهای پزشکی................................................................................................................. 119     فهرست اشکال شکل 1-1: از فرآیند کنترلی................................................................................................................. 13 شکل 1-2: ابزارهای فعال و غیرفعال................................................................................................... 15 شکل 1-3: مثالی از یک ترازو دیجیتال................................................................................................ 15 شکل 1- 4: مقایسه دقت و صحت....................................................................................................... 17 شکل 1-5:خطی‌بودن............................................................................................................................ 18 شکل 1-6: بررسی اثر تغییرات a) بدون تغییر b) حساسیت به تغییر c) مشخصه با تغییرات صفر و حساسیت به تغییرات................................................................................................................................... 20 شکل 1-7: مشخصه‌ی هیسترزیس ابزار.............................................................................................. 21 شکل 1-8:محل ناحیه‌ی مرده در نمودار.............................................................................................. 22 شکل 1-9:عملکرد چرخ‌دنده................................................................................................................. 22 شکل 2-1:اندوکتانس............................................................................................................................ 25 شکل 2-2:رلوکتانسی............................................................................................................................ 26 شکل 2-3:جریان اددی......................................................................................................................... 27 شکل 2-4:سنسور اثرهال...................................................................................................................... 28 شکل 2-5: گیج‌های کششی a) نوع سیمی b) نوع فویلی.................................................................. 29 شکل 2-6: سنسور نوری (مبتنی بر کانال هوا).................................................................................... 30 شکل 2-7: نمونه‌ای از یک فشارسنج................................................................................................... 31 شکل 2-8: فشارسنج زنجیری.............................................................................................................. 31 شکل 2-9: سنسور نزدیک‌سنج............................................................................................................. 31 شکل 2-10: سنسور PHسنج................................................................................................................ 32 شکل 2-11: کلید کرکره‌ای.................................................................................................................. 32 شکل 2-12: میکرو کلید نوری............................................................................................................. 32 شکل 2-13: کلید بازتابی...................................................................................................................... 33 شکل 2-14: زنجیره‌ی کالیبراسیون و ردیابی....................................................................................... 36 شکل 3-1: مشخصه‌های ولتاژ مؤثر خروجی بر حسب دما برای ترموکوبل‌های استاندارد با آلیاژهای مختلف........................................................................................................................................................ 39 شکل 3-2: مدار مدل............................................................................................................................ 39 شکل 3-4:مدار معادل راه‌حل اول......................................................................................................... 40 شکل 3-5:عدم تطابق اتصال بین‌دوطرف ترموکوپل........................................................................... 41 شکل 3-6:استفاده از بلوک ایزوله......................................................................................................... 41 جدول 3-1: جدول ترموکوپل................................................................................................................ 42 شکل 3-7:حساسیت دمایی ترموپیل..................................................................................................... 45 شکل 3-8:ترموکوپل............................................................................................................................. 45 شکل 3-9: تغییرات مقاومت فلزات مختلف بر اساس تغییر دما........................................................... 46 شکل 3-10: ترمومترهای مقاومتی پلاتینی استاندارد مورداستفاده در آزمایشگاه................................ 48 شکل 3-11: ترمومترهای مقاومتی پلاتینی ثانویه که به‌عنوان ترموکوبل ثانویه استفاده می‌شود...... 48 شکل 3-12: طراحی‌های دیگر............................................................................................................. 49 شکل 3-13: طراحی به‌صورت سیم‌پیچ منفصل و حفره‌ی کوچک...................................................... 49 شکل 3-14: طراحی به‌صورت نوار نازک پلاتین................................................................................. 50 شکل 3-15:نمودار طیف چگالی توان با تغییر دما................................................................................ 53 شکل 3-16:پایرومترهای نوری............................................................................................................ 54 شکل 3-17:پایرومتر و اصول عملکرد.................................................................................................. 55 شکل 3- 18:پایرومتر دورنگی.............................................................................................................. 57 شکل 3-19: اصول ترموگرافی............................................................................................................. 58 شکل 3-20: ترمومتر مایع شیشه‌ای..................................................................................................... 59 شکل 3-21: ترمومتر دوفلزی............................................................................................................... 59 شکل 3-22: ترمومترهای فشاری......................................................................................................... 60 شکل 3-23: نمونه‌ی یک شناساگر...................................................................................................... 62 شکل 4-1: واحدهای مختلف فشار....................................................................................................... 66 شکل 4-2:دیافراگم............................................................................................................................... 67 شکل 4-3: دیافراگم.............................................................................................................................. 67 شکل 4- 4: فشارسنج خازنی و مدار معادل.......................................................................................... 68 شکل 4-5: فشارسنج فیبر نوری........................................................................................................... 68 شکل 4-6:بادکش................................................................................................................................. 69 شکل 4-7: انواع بوردون تیوب (تیوب باتونی)...................................................................................... 69 شکل 4-8:گیج فشار............................................................................................................................. 70 شکل 4-9: گیج‌های فشار دارای دو مدل «سیم‌پیچی» و «دم خوکی»............................................. 71 شکل 4-10:نمای گیج فشار................................................................................................................. 72 شکل 4-11:گیج فشار........................................................................................................................... 72 شکل 4-12: مانومتر.............................................................................................................................. 73 شکل 4-13: دستگاه‌های سیم تشدیدشونده......................................................................................... 74 شکل 4-14: گیج ترموکوپلی................................................................................................................ 76 شکل 4-15: گیج پیرانی....................................................................................................................... 77 شکل 4-16: گیج مک لئودی............................................................................................................... 78 شکل 4-17: گیج یونیزه شده................................................................................................................ 79 شکل 4-18:اندازه‌گیری فشارهای بالا.................................................................................................. 79 شکل 4-19:سوئیچ فشار....................................................................................................................... 81 شکل 5-1: شماتیک روش‌ بر پایه‌ی حامل.......................................................................................... 82 شکل 5- 2: فلوسنج کوریولیس............................................................................................................ 83 شکل 5-3: اندازه‌گیری فشار تفاضلی (انسدادی).................................................................................. 85 شکل 5-4: فشار تفاضلی...................................................................................................................... 86 شکل 5-5:شمای فشار تفاضلی............................................................................................................ 87 شکل 5- 7. لوله پیتوت استاتیکی......................................................................................................... 89 شکل 5-8: فلوسنج مساحت متغیر (روتامتر)......................................................................................... 90 شکل 5-9: فلوسنج جابه‌جایی مثبت..................................................................................................... 91 شکل 5-10: توربین متر........................................................................................................................ 92 شکل 5-11: فلوسنج‌های الکترومغناطیسی.......................................................................................... 93 شکل 5-13: فلوسنج‌های آلتراسونیک بر پایه‌ی اثر داپلر..................................................................... 95 شکل 1-6: اندازه‌گیری شرجیت......................................................................................................... 103 شکل 6-2: نقطه‌ی شبنم‌سنج............................................................................................................ 104 شکل 7-1: پتانسیومتر مقاومتی.......................................................................................................... 106 شکل 7-2: ترانسفورماتورهای تفاضلی خطی متغیر........................................................................... 107 شکل 7-3: مبدل‌های خازنی متغیر.................................................................................................... 109 شکل 7-4: مبدل‌های سلفی متغیر..................................................................................................... 110 شکل 7-5: استرین گیج..................................................................................................................... 111 شکل 7-6:اندوکتوسیون خطی........................................................................................................... 112 شکل 7-7:سنسور فوتونیک................................................................................................................ 112 شکل 7-8:پتانسیومتر چرخشی........................................................................................................... 113 شکل 7-9: سنسورهای بازه‌ای........................................................................................................... 114