الأجهزة (Instrumentation)

تاريخ الأجهزة

يعود تاريخ الأجهزة إلى العصور القديمة، حيث استخدم البشر أدوات بسيطة للقياس مثل الساعات والموازين والمساطر. مع مرور الوقت، تطورت هذه الأدوات وأصبحت أكثر تعقيدًا ودقة. في القرن السابع عشر، شهدنا تطورًا كبيرًا في مجال الأجهزة مع اختراع البارومتر والترمومتر، وهما من أهم الأدوات التي ساهمت في فهمنا للبيئة من حولنا. في القرن الثامن عشر، ظهرت أولى أجهزة التحكم الآلي، مثل منظمات البخار التي استخدمت في المحركات البخارية.

شهد القرن التاسع عشر تطورًا كبيرًا في مجال الكهرباء، مما أدى إلى ظهور أجهزة قياس كهربائية دقيقة مثل الأميتر والفولتميتر والأومميتر. في القرن العشرين، مع ظهور الإلكترونيات والحواسيب، شهدت الأجهزة تطورًا هائلاً في الدقة والحجم والتعقيد. أدت هذه التطورات إلى ظهور أجهزة استشعار دقيقة، وأجهزة تحكم رقمية، وأنظمة أتمتة معقدة.

مكونات الأجهزة الرئيسية

تتكون الأجهزة بشكل عام من عدة مكونات رئيسية تعمل معًا لتحقيق القياس والتحكم المطلوبين. هذه المكونات تشمل:

أجهزة الاستشعار (Sensors): وهي الأجهزة التي تستشعر الكمية الفيزيائية المراد قياسها، مثل درجة الحرارة أو الضغط أو التدفق. تقوم أجهزة الاستشعار بتحويل هذه الكميات إلى إشارات كهربائية أو ميكانيكية أو بصرية.
المحولات (Transmitters): وهي الأجهزة التي تقوم بتحويل إشارات أجهزة الاستشعار إلى إشارات قياسية، مثل إشارات التيار أو الجهد. هذه الإشارات القياسية يتم إرسالها إلى أجهزة التحكم أو العرض.
أجهزة العرض (Indicators): وهي الأجهزة التي تعرض قيم القياس للمستخدم، مثل الشاشات الرقمية أو المؤشرات التناظرية.
أجهزة التحكم (Controllers): وهي الأجهزة التي تقوم بمعالجة إشارات القياس وإصدار أوامر للتحكم في العمليات، مثل فتح أو إغلاق الصمامات أو تشغيل أو إيقاف المحركات.
العناصر النهائية (Final Control Elements): وهي الأجهزة التي تنفذ أوامر التحكم، مثل الصمامات والمضخات والمحركات.

أنواع الأجهزة

تتنوع الأجهزة بشكل كبير، ويمكن تصنيفها بناءً على عدة معايير، منها:

نوع الكمية المقاسة: مثل أجهزة قياس درجة الحرارة، والضغط، والتدفق، والمستوى، والتحليل الكيميائي.
تقنية القياس: مثل الأجهزة الميكانيكية، والكهربائية، والإلكترونية، والضوئية، والحرارية، والكيميائية.
وظيفة الجهاز: مثل أجهزة القياس، وأجهزة التحكم، وأجهزة التسجيل، وأجهزة الإنذار.
تطبيق الجهاز: مثل الأجهزة الصناعية، والأجهزة الطبية، والأجهزة البيئية، والأجهزة الفلكية.

تشمل بعض الأمثلة على أنواع الأجهزة:

أجهزة قياس درجة الحرارة: مثل الثرمستورات، والمزدوجات الحرارية، ومقاييس الحرارة المقاومة.
أجهزة قياس الضغط: مثل مقاييس الضغط الميكانيكية، ومحولات الضغط.
أجهزة قياس التدفق: مثل مقاييس التدفق الفوهية، ومقاييس التدفق الدوامية، ومقاييس التدفق فوق الصوتية.
أجهزة قياس المستوى: مثل المستشعرات العائمة، والمستشعرات بالموجات فوق الصوتية، والمستشعرات الرادارية.
أجهزة التحكم: مثل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs)، وأجهزة التحكم الموزعة (DCSs).

تطبيقات الأجهزة

تستخدم الأجهزة في مجموعة واسعة من الصناعات والتطبيقات، بما في ذلك:

الصناعات البتروكيماوية: تستخدم الأجهزة للتحكم في عمليات التكرير والمعالجة، وقياس درجة الحرارة والضغط والتدفق والمستوى.
صناعة الطاقة: تستخدم الأجهزة في محطات الطاقة لتوليد الطاقة الكهربائية، وقياس ومراقبة الأداء.
الصناعات الغذائية: تستخدم الأجهزة للتحكم في عمليات الإنتاج والتعبئة والتغليف، وقياس درجة الحرارة والضغط والوزن.
الصناعات الدوائية: تستخدم الأجهزة في عمليات الإنتاج والتحكم في الجودة، وقياس درجة الحرارة والضغط والرطوبة.
الصناعات التحويلية: تستخدم الأجهزة في المصانع لعمليات الإنتاج والأتمتة، وقياس ومراقبة العمليات المختلفة.
المجال الطبي: تستخدم الأجهزة في التشخيص والعلاج ومراقبة المرضى، مثل أجهزة قياس ضغط الدم، وأجهزة تخطيط القلب، وأجهزة التصوير الطبي.
البيئة: تستخدم الأجهزة لرصد جودة الهواء والماء، وقياس التلوث، ومراقبة الظروف البيئية.
الفضاء والفلك: تستخدم الأجهزة في المركبات الفضائية والمراصد الفلكية، لقياس الظواهر الفلكية وجمع البيانات.

أهمية الأجهزة في التحكم الآلي

تلعب الأجهزة دورًا حيويًا في مجال التحكم الآلي، حيث تساهم في:

تحسين كفاءة العمليات: من خلال مراقبة والتحكم في العمليات بدقة، مما يؤدي إلى تقليل الفاقد وتحسين الإنتاجية.
زيادة السلامة: من خلال اكتشاف الأعطال والأخطاء والتحكم في العمليات الخطرة، مما يقلل من مخاطر الحوادث.
تحسين الجودة: من خلال مراقبة وضبط المعلمات الهامة، مما يضمن جودة المنتجات النهائية.
توفير التكاليف: من خلال تحسين كفاءة استخدام الموارد وتقليل النفايات، مما يؤدي إلى توفير التكاليف.
زيادة الإنتاجية: من خلال أتمتة العمليات وتقليل الاعتماد على العمالة البشرية، مما يؤدي إلى زيادة الإنتاجية.

تعتبر الأجهزة ضرورية في تصميم وتنفيذ أنظمة التحكم الآلي، والتي تهدف إلى أداء المهام تلقائيًا دون تدخل بشري كبير. يتم تحقيق ذلك من خلال استخدام أجهزة الاستشعار، وأجهزة التحكم، والعناصر النهائية، بالإضافة إلى البرمجيات والاتصالات.

التحديات والاتجاهات المستقبلية في مجال الأجهزة

يواجه مجال الأجهزة العديد من التحديات، مثل:

الحاجة إلى أجهزة أكثر دقة وموثوقية: خاصة في التطبيقات التي تتطلب قياسات دقيقة للغاية، مثل الصناعات الدوائية والفلكية.
الحاجة إلى أجهزة أكثر ذكاءً: قادرة على اتخاذ قرارات مستقلة بناءً على البيانات التي تجمعها، مثل أجهزة الاستشعار الذكية.
الحاجة إلى تحسين الاتصال والتكامل: بين الأجهزة المختلفة والأنظمة، لتسهيل تبادل البيانات والتحكم في العمليات.
الحاجة إلى أجهزة صديقة للبيئة: تستهلك طاقة أقل وتنتج نفايات أقل.

تشمل الاتجاهات المستقبلية في مجال الأجهزة:

تطوير أجهزة استشعار دقيقة وصغيرة الحجم: مثل أجهزة الاستشعار النانوية والميكروية.
استخدام الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة: لتحسين أداء الأجهزة والتحكم في العمليات.
تطوير شبكات الاستشعار اللاسلكية: لتبسيط تركيب الأجهزة وتقليل التكاليف.
تطوير أجهزة تعتمد على إنترنت الأشياء: لتمكين التواصل بين الأجهزة والأنظمة المختلفة.
التركيز على الاستدامة وكفاءة الطاقة: في تصميم وتصنيع الأجهزة.

الأجهزة والتعليم الهندسي

تعتبر الأجهزة جزءًا أساسيًا من مناهج الهندسة الكهربائية والإلكترونية والميكاترونكس والعديد من التخصصات الهندسية الأخرى. يتعلم الطلاب عن تصميم وتصنيع واستخدام الأجهزة، وكيفية تطبيقها في مجموعة متنوعة من التطبيقات. يتضمن التعليم العملي في هذا المجال استخدام أجهزة القياس، وتصميم دوائر الاستشعار، وبرمجة أجهزة التحكم. مع التقدم التكنولوجي المستمر، يتطور التعليم الهندسي في مجال الأجهزة ليشمل أحدث التقنيات والاتجاهات.

خاتمة

علم الأجهزة هو مجال حيوي يتطور باستمرار، يلعب دورًا حاسمًا في حياتنا اليومية. من خلال توفير القياسات والتحكم اللازمين، تساهم الأجهزة في تحسين كفاءة العمليات، وزيادة السلامة، وتحسين الجودة، وتوفير التكاليف، وزيادة الإنتاجية. مع التطورات المستمرة في التكنولوجيا، من المتوقع أن يستمر هذا المجال في النمو والتطور، مما يؤدي إلى ظهور أجهزة أكثر دقة وذكاءً وكفاءة.

المراجع

“`