計装

計測とは、物理量を表示、測定、記録するために使用される計測機器の総称です。また、計測機器の製造に関する技術と科学の研究分野でもあり、計測学、自動化、制御理論の関連分野が含まれます。この用語は、科学機器の製造に関する技術と科学に由来しています。

計測機器とは、直読式温度計のような単純なものから、産業用制御システムのマルチセンサーコンポーネントのような複雑なものまで、さまざまなデバイスを指します。計測機器は、研究室、製油所、工場、車両のほか、日常の家庭でも使用されています (例:煙探知器、サーモスタット)。

計測機器は、次のような多くのパラメータ (物理値) を測定するために使用されます。

• 差圧または静圧​​
• 流れ
• 温度
• 液体のレベルなど
• 湿気または湿度
• 密度
• 粘度
• 電離放射線
• 頻度
• 現在
• 電圧
• インダクタンス
• キャパシタンス
• 抵抗率
• 化学組成
• 化学的性質
  • 有毒ガス
• 位置
• 振動
• 重さ

計測機器の歴史はいくつかの段階に分けられます。

工業用計器の要素には長い歴史があります。重量を比較するための秤や位置を示す単純な針は古代の技術です。最も古い測定法のいくつかは時間でした。最も古い水時計の1つは、紀元前1500年頃に埋葬された古代エジプトのファラオ、アメンホテプ1世の墓で発見されました。 ^[1]時計には改良が加えられ、紀元前270年までに自動制御システムデバイスの基礎が完成しました。^[2]

1663 年、クリストファー レンは王立協会に「天気時計」の設計図を提出しました。図面には、時計仕掛けで動く気象センサーが紙の上でペンを動かす様子が描かれています。このような装置は、2 世紀もの間、気象学の標準ではありませんでした。^[3]加圧されたふいごがペンを動かす空気圧チャート レコーダーが示すように、この概念は実質的に変わっていません。センサー、ディスプレイ、レコーダー、およびコントロールを統合することは、産業革命まで一般的ではなく、必要性と実用性の両方の制限がありました。

初期のシステムでは、制御と表示のためにローカル制御パネルへの直接プロセス接続が使用されていましたが、1930 年代初頭から空気圧トランスミッターと自動3 項 (PID) コントローラーが導入されました。

空気圧トランスミッターの範囲は、現場でバルブやアクチュエータを制御する必要性によって定義されました。通常、信号の範囲は 3 ～ 15 psi (20 ～ 100kPa または 0.2 ～ 1.0 kg/cm2) が標準で、6 ～ 30 psi がより大きなバルブに使用されることもありました。トランジスタ エレクトロニクスにより、配管の代わりに配線を使用できるようになりました。当初はループ電源デバイスで最大 90 V で 20 ～ 100 mA の範囲でしたが、より現代的なシステムでは 12 ～ 24 V で 4 ～ 20 mA に減少しました。トランスミッターは出力信号を生成するデバイスで、多くの場合 4 ～ 20 mAの電流信号の形式です が、電圧、周波数、圧力、またはイーサネットを使用した他の多くのオプションも可能です。トランジスタは1950 年代半ばまでに商品化されました。^[4]

制御システムに接続された機器は、ソレノイド、バルブ、レギュレータ、回路ブレーカ、リレーなどのデバイスを操作するために使用される信号を提供します。このようなデバイスは、必要な出力変数を制御し、リモート監視または自動制御機能のいずれかを提供できます。

各計器会社は独自の標準計器信号を導入し、4～20mAの範囲がトランスミッターとバルブの標準電子計器信号として使用されるようになるまで混乱を招きました。この信号は最終的に1970年代にANSI/ISA S50「電子工業プロセス計器のアナログ信号の互換性」として標準化されました。機械式空気圧トランスミッター、コントローラー、バルブから電子計器への計器の移行により、電子計器は機械式計器よりも信頼性が高く、メンテナンスコストが削減されました。また、精度が向上したため、効率と生産性も向上しました。空気圧には、腐食性および爆発性の雰囲気で有利になるなど、いくつかの利点がありました。^[5]

プロセス制御の初期には、プロセスインジケータやバルブなどの制御要素は、ユニット内を歩き回り、希望する温度、圧力、流量を得るためにバルブを調整するオペレータによって監視されていました。技術が進歩するにつれて、プロセスを監視しバルブを制御する空気圧コントローラが発明され、現場に設置されました。これにより、プロセスオペレータがプロセスを監視するのに必要な時間が短縮されました。後年、実際のコントローラは中央の部屋に移動され、プロセスを監視するために信号が制御室に送信され、必要に応じてプロセスを調整するために出力信号がバルブなどの最終制御要素に送信されました。これらのコントローラとインジケータは、制御盤と呼ばれる壁に取り付けられました。オペレータはこの盤の前に立ち、前後に歩きながらプロセスインジケータを監視しました。これにより、プロセスオペレータがユニット内を歩き回る必要のある人数と時間が再び削減されました。この時期に使用された最も標準的な空気圧信号レベルは、3～15 psigでした。^[6]

大規模工業プラントのプロセス制御は、多くの段階を経て進化してきました。当初、制御はプロセス プラントのローカル パネルから行われていました。しかし、分散したパネルを管理するには多くの人材が必要であり、プロセスの全体像を把握できませんでした。次に当然の展開となったのは、プラントのすべての計測値を常駐の中央制御室に送信することでした。これは実質的にすべてのローカル パネルを集中管理することであり、人員レベルが低く、プロセスの概要が簡単にわかるという利点があります。多くの場合、コントローラは制御室のパネルの背後にあり、すべての自動および手動制御出力はプラントに送り返されていました。

しかし、集中制御の焦点はあるものの、各制御ループに独自のコントローラ ハードウェアがあり、プロセスのさまざまな部分を確認するためにオペレータが制御室内を絶えず移動する必要があり、この配置は柔軟性に欠けていました。電子プロセッサとグラフィック ディスプレイの登場により、これらの個別のコントローラを、独自の制御プロセッサを備えた入出力ラックのネットワークでホストされるコンピューター ベースのアルゴリズムに置き換えることが可能になりました。これらは工場内に分散され、制御室のグラフィック ディスプレイと通信できます。分散制御の概念が生まれました。

DCS とSCADAの導入により、カスケード ループやインターロックなどのプラント制御の相互接続と再構成が容易になり、他の生産コンピュータ システムとのインターフェイスも容易になりました。高度なアラーム処理が可能になり、自動イベント ログが導入され、チャート レコーダーなどの物理的な記録が不要になり、制御ラックをネットワーク化してプラントの近くに配置して配線を減らすことができるようになり、プラントの状態と生産レベルの概要を高レベルで把握できるようになりました。

場合によっては、センサーはメカニズムの非常に小さな要素です。デジタル カメラや腕時計は、感知した情報を記録および/または表示するので、技術的には計測機器の緩い定義を満たす可能性があります。ほとんどの場合、どちらも計測機器とは呼ばれませんが、レースの経過時間を測定したり、ゴールラインで勝者を記録したりするために使用される場合は、どちらも計測機器と呼ばれます。

計測システムの非常に単純な例としては、家庭用の炉を制御して室温を制御するために使用される機械式サーモスタットがあります。一般的な装置は、バイメタルストリップで温度を感知します。ストリップの自由端にある針で温度を表示します。炉は水銀スイッチで作動します。ストリップによってスイッチが回転すると、水銀が電極間で物理的に（したがって電気的に）接触します。

計装システムのもう 1 つの例は、ホーム セキュリティ システムです。このようなシステムは、センサー (動作検出、ドアの開閉を検出するスイッチ)、侵入を検出する単純なアルゴリズム、ローカル制御 (起動/解除)、および警察を呼ぶことができるシステムのリモート監視で構成されます。通信は設計の本質的な部分です。

キッチン家電は制御にセンサーを使用します。

• 冷蔵庫は、温度が高くなりすぎると冷却システムを作動させて一定の温度を維持します。
• 自動製氷機はリミットスイッチがオンになるまで氷を作り続けます。
• ポップアップ式のパントースターなら時間設定が可能です。
• 非電子式ガスオーブンは、ガスバーナーへのガスの流れを制御するサーモスタットで温度を調節します。オーブンのメインチャンバー内にセンサーバルブが取り付けられている場合があります。さらに、安全遮断炎監視装置が付いている場合もあります。点火後、バーナーのコントロールノブをしばらく押したままにしてセンサーを熱くし、バーナーへのガスの流れを許可する必要があります。安全センサーが冷たくなった場合は、バーナーの炎が消えたことを示している可能性があり、ガスの継続的な漏れを防ぐために流れが停止されます。
• 電気オーブンは温度センサーを使用しており、温度が低すぎると加熱要素がオンになります。より高度なオーブンは、温度センサーに反応してファンを作動させ、熱を分散したり冷却したりします。
• 一般的なトイレは、フロートがバルブを閉じるまで水タンクに水を補充します。フロートは水位センサーとして機能します。

現代の自動車には複雑な計器が装備されています。エンジン回転速度や車両直線速度の表示に加えて、バッテリーの電圧と電流、液体レベル、液体温度、走行距離、およびさまざまなコントロール (方向指示器、パーキング ブレーキ、ヘッドライト、トランスミッションの位置) のフィードバックも表示されます。特別な問題 (燃料不足、エンジン チェック、タイヤ空気圧低下、半ドア、シート ベルト未着用) については、注意が表示される場合があります。問題は記録され、 診断装置に報告できます。ナビゲーション システムは、目的地に到着するための音声コマンドを提供できます。自動車の計器は、過酷な環境でも長期間にわたって安価で信頼性が高くなければなりません。センサー、ロジック、アクチュエーターを含む独立したエアバッグシステムが存在する場合があります。アンチスキッドブレーキ システムはセンサーを使用してブレーキを制御し、クルーズ コントロールはスロットルの位置に影響します。OnStar システムの通信リンクを介して、さまざまなサービスを提供できます。自動運転車(特殊な計器を使用) が展示されています。

初期の航空機にはいくつかのセンサーがありました。^[7]「蒸気計」は気圧を針の振れに変換し、高度と対気速度として解釈できました。磁気コンパスは方向感覚を提供しました。パイロットへの表示は測定値と同じくらい重要でした。

現代の航空機には、はるかに高度なセンサーとディスプレイが搭載されており、航空電子システムに組み込まれています。航空機には、慣性航法システム、全地球測位システム、気象レーダー、自動操縦装置、航空機安定化システムが搭載されている場合があります。信頼性を確保するために、冗長センサーが使用されています。情報のサブセットは、事故調査を支援するためにクラッシュレコーダーに転送される場合があります。現代のパイロットディスプレイには、ヘッドアップディスプレイなどのコンピューターディスプレイが含まれています。

航空管制レーダーは分散型計装システムです。地上部分は電磁パルスを送信し、エコーを受信します (少なくとも)。航空機はパルスを受信するとコードを送信するトランスポンダーを搭載しています。システムは航空機の地図上の位置、識別子、およびオプションで高度を表示します。地図上の位置は、感知されたアンテナ方向と感知された時間遅延に基づいています。その他の情報はトランスポンダー送信に埋め込まれています。

この用語の考えられる用途の 1 つは、IEEE-488 バス (汎用計測器バスの略称は GPIB、ヒューリット パッカード計測器バスの略称は HPIB とも呼ばれる) を介してコンピューターによって制御される実験室テスト機器の集合です。実験室機器は、さまざまな電気量や化学量を測定できます。このような機器の集合は、飲料水の汚染物質検査を自動化するために使用できます。

計装工学は、電気や空気圧などの分野で自動化システムの設計と構成、および測定対象の量の制御に使用される計測機器の原理と動作に焦点を当てた工学の専門分野です。通常、化学プラントや製造プラントなどの自動化プロセスを備えた業界で、システムの生産性、信頼性、安全性、最適化、安定性の向上を目的としています。プロセスまたは特定のシステムのパラメータを制御するために、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、PLCなどのデバイスが使用されますが、その最終的な目的はシステムのパラメータを制御することです。

計測工学は、必要なタスクがドメインに大きく依存するため、定義があいまいです。実験用ラットの生体医学計測の専門家とロケット計測の専門家では、懸念事項が大きく異なります。両者に共通する懸念事項は、サイズ、重量、コスト、信頼性、精度、寿命、環境堅牢性、周波数応答に基づいて適切なセンサーを選択することです。一部のセンサーは文字通り砲弾で発射されます。他のセンサーは破壊されるまで熱核爆発を感知します。センサー データは必ず記録、送信、または表示する必要があります。記録速度と容量は大きく異なります。送信は些細なこともあれば、妨害がある場合に秘密裏に暗号化され低電力で行われることもあります。表示はごく単純なこともあれば、ヒューマン ファクターの専門家との相談が必要なこともあります。制御システムの設計は些細なこともあれば、別の専門分野となることもあります。

計装エンジニアは、センサーをレコーダー、トランスミッター、ディスプレイ、または制御システムに統合し、プロセスの配管および計装図を作成する責任があります。また、設置、配線、信号調整を設計または指定することもあります。システムの試運転、較正、テスト、保守を担当することもあります。

研究環境では、主題の専門家が計測システムに関する豊富な専門知識を持っているのが一般的です。天文学者は宇宙の構造を熟知しており、望遠鏡の光学系、指向性、カメラ (またはその他の感知要素) について多くの知識を持っています。これには、最良の結果をもたらす操作手順に関する苦労して得た知識が含まれることがよくあります。たとえば、天文学者は望遠鏡内で空気の乱流を引き起こす温度勾配を最小限に抑える技術に精通していることがよくあります。

計測技術者、技術者、および整備士は、計測器および計測システムのトラブルシューティング、修理、および保守を専門としています。

• 空気圧ループ（20-100KPa / 3-15PSI） – 空気圧
• 電流ループ（4-20mA） – 電気
• HART – データ信号、多くの場合電流ループに重ねて使用される
• Foundation Fieldbus – データ信号
• Profibus – データ信号

ラルフ・ミュラー（1940）は、「物理科学の歴史は、主に計測機器とその賢明な使用の歴史であることはよく知られている。時折現れた広範な一般化や理論は、正確な測定に基づいて成り立ったり崩れたりしてきたが、いくつかの例では、その目的のために新しい計測機器を考案する必要があった。現代人の心が古代人のそれよりも優れていることを示す証拠はほとんどない。彼らの道具は比較にならないほど優れている。」と述べた。^{[8] [9] ：290}

デイヴィス・ベアードは、フロリス・コーエンが第二次世界大戦後に「第四の大きな科学革命」と定義したことに関連する大きな変化は、化学だけでなく科学全般にわたる科学機器の発達であると主張している。 ^{[9] [10]} 化学において、1940年代の新しい機器の導入は「まさに科学技術革命」であり^{[11] : 28–29}、構造有機化学の古典的な湿式法と乾式法が廃止され、新しい研究分野が開拓された。^{[11] : 38}

1954年という早い時期に、WAワイルドハックはプロセス制御に内在する生産的および破壊的潜在性の両方について論じました。^[12] 科学機器を使用して、以前は観察できなかったレベルで自然界の正確で検証可能で再現可能な測定を行う能力は、「世界の異なる質感を提供しました。」^{[13]この機器革命は、} DDT監視や水質汚染物質を監視するためのUV分光光度計とガスクロマトグラフィーの使用の例に示されているように、人間の監視および対応能力を根本的に変えます。^{[10] [13]}

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