اصول و مفاهيم مقدماتي کاليبراسيون

مقدمه: اندازه گيري کاري است عمومي و مهم و بدون چون و چرا. علم اندازه گيري يا مترولوژي يکي از ارکاني است که تمدن کنوني ما بر آن بنا نهاده شده است. لرد کلوين دانشمند برجسته انگليسي مي گويد: ” اگر آنچه را که درباره اش صحبت مي کنيد بتوانيد اندازه گيري کرده با عدد بيان کنيد در اينصورت دربارهء آن شيء چيزهائي ميدانيد در غير اينصورت دانش شما درباره آن ضعيف بوده ورضايت بخش نيست و تنها مي تواند مبنائي براي آگاهي شما باشد.“ اندازه گيري را مي توان بعنوان يک علم و يا يک هنر بحساب آورد.

مفهوم اندازه گيري معني اندازه گيري تنها شمردن نيست بلکه هرگونه مقايسه عددي يک اندازه گيري بحساب مي آيد و در معناي جديد آن اندازه گيري يعني مقايسه دقيق. يک اندازه گيري مناسب بايد داراي سه خاصيت زير باشد: برحسب يکاهاي کميت هاي فيزيکي در کشور بيان شود. دقت و اعتبار نتايج با آنچه اين دقت را تضمين مي کند معلوم باشد. دقت تضمين شده نتايج با نيازهاي مبتني بر محتواي خاص مساله و آنچه که اين نتيجه براي آن در نظر گرفته شده است مطابقت داشته باشد.

يکاهاي اندازه گيري اوزان مقياسهاي قديم داراي معايب اساسي زيربودند: هر گوشه از جهان براي خود يکاي مخصوصي داشت که با يکاهاي ساير نقاط متفاوت بود و حتي يکاهاي همنام در نقاط مختلف وحتي در يک کشور باهم اختلاف داشتند مانند گالن آمريکايي ها و انگليسي ها و يا يکاي ”من“ در نقاط مختلف کشور خودمان. مضارب و کسر يکاهاي اندازه گيري نسبت به يکديگر مضربهاي گوناگون داشتند. اين يکاها فقط براي نيازهاي روزمره آن زمان مناسب بوده و پاسخگوي نيازهاي متناسب با پيشرفت صنايع وعلوم نبودند.

انتخاب دستگاه متري: فرهنگستان علوم فرانسه به جمعي از دانشمندان آن زمان از قبيل: بوردار-لاگرانژ- لاپلاس- سونز و کندورسه ماموريت داد تا درباره ي انتخاب يکايي براي طول که پذيرش بين المللي داشته باشد به مشاوره و تحقيق بپردازند. و به دو نفر از منجمان فرانسوي به نام هاي : دالامبر و مشن ماموريت دادند تا طول نصف النهار بين ”دونکرک“ در فرانسه و ”بارسلون“ در اسپانيا را اندازه بگيرند. بدين ترتيب کشور فرانسه توانست رسما اعلام نمايد که هر ”متر“ يکاي جديد طول برابر است با 5131/. ”تواز“ که يکاي طول در آن زمان بود.

انتخاب دستگاه متري (ادامه) ”کنواسيون متر“ يک سازمان بين المللي مترولوژي است که اين سازمان به دفتر بين المللي اوزن و مقياس ها که اختصارا B.I.P.M ناميده مي شود مربوط مي گردد. زبان رسمي B.I.P.M فرانسه بوده و کليه ي قطعنامه ها به اين زبان منتشر مي شود و تنها ترجمه ي انگليسي آنکه توسط N.P.L انگليس ويا N.B.S آمريکا انجام شده باشد معتبر مي باشد. سازمان بين المللي اندازه شناسي قانوني است که باختصار O.I.M.L ناميده مي شود. استاندارد ها را مي توان با نشريات سازمان بين المللي استاندارد “ISO“ مقايسه کرد.

انتخاب دستگاه متري (ادامه) مقبوليت واژه نامه OIML در سال 1984 ميلادي، چهار سازمان I.E.C (کميته ي بين المللي الکتروتکنيک)- ISO ( سازمان بين المللي استاندارد ها) B.I .P.M ( دفتر بين المللي اوزان ومقياسها ) وO.I.M.L (سازمان بين المللي اندازه شناسي قانوني ) يک واژه نامه مشترک تحت عنوان ” واژه نامه بين المللي اصطلاحات عمومي و اساسي در اندازه شناسي ” منتشر کردند . يکي از اولين دستگاهها M.K.F.S (متر- کيلوگرم- نيرو – ثانيه ) بود . در سال 1881 ميلادي کميته بين المللي الکتروتکنيک اولين دستگاه C.G.S (سانتيمتر- گرم – ثانيه ) را اختيار کرد و در سال 1900 ميلاي جيورجي ايتاليائي دستگاه M.K.S ( متر – کيلوگرم – ثانيه )را پيشنهاد کرد .

انتخاب دستگاه متري (ادامه) در يازدهمين کنفرانس عمومي اوزان و مقياسها که در اکتبر1960 ميلادي در پاريس تشکيل شد شش يکاي پايه اخير را ”دستگاه بين المللي يکاها ” ناميدند که به اختصار به يکاهاي ”SI“ معروفند . در حال حاضر بيش از 80 درصد کشورهاي جهان سيستم متري راپذيرفته اند بطوريکه کشورهاي انگلستان و آمريکا هم پذيرفته اند .

رواج دستگاه متري در ايران اولين بار در دهم خرداد ماه 1304 شمسي قانوني به تصويب رسيد که بر اساس آن جهت اندازه گيري ها از يکاهای بين المللی استفاده شود .

آزمايشگاههاي اندازه شناسي و کاليبراسيون بر اساس توصيه هاي پرفسور يوگ موسسه استاندارد ايران در سال 1968 شروع به ساختمان مرکز نمود و در همان سال کميسيوني مرکب از يونيدو و يونسکو به ايران آمدند مجري طرح يونيدو بود اما قرارداد هاي جنبي مربوط به تجهيز آزمايشگاههاي اندازه شناسي طول – جرم – دما و فتو متري به يونسکو واگذار گرديد .

نام يکاهاي پايه و دستگاه SIبقرار زير است : الف. متر (نماد.m) يکاي درازا ب.کيلوگرم (نماد.kg) يکاي جرم ج.ثانيه (نماد.s) يکاي زمان د.آمپر (نماد.A) يکاي شدت جريان الکتريسيته ه.کلوين (نماد.k) يکاي دماي ترموديناميکي و.مول (نماد.mol) يکاي اندازه دما ز.کاندلا (نماد.cd) يکاي شدت نور

تعريف يکاهاي پايه 1-متر.درازائي است که نور در مدت 1 به روي 299792458 ثانيه در خلا مي پيمايد .(مصوب هفتمين کنفرانس عمومي و اوزان و مقياسها در اکتبر 1938 ) 2- کيلو گرم . جرم استوانه اي است از آلياژ پلاتين و ايريديم که در سال 1889 ميلادي مطابق با 1268 هجري شمسي بعنوان نمونه اصلي کيلو گرم مورد قبول اولين کنفرانس عمومي اوزان و مقياسها واقع در شهر سور فرانسه مي شود . 3- ثانيه . مدتي است مساوي 9192631770 برابر دور (پرتو ) مربوط به گذار بين دو تراز بسيار ظريف (هيپرفن) وابسته به حالت بنيادي اتم سزيم 133.(مصوب سيزدهمين کنفرانس عمومي اوزان و مقياسها در1967).

تعريف يکاهاي پايه(ادامه) 4-آمپر. شدت جريان الکتريسيته ثابتي است که چون از دو سيم رساناي مستقيم متوازي بسيار بلند (نا محدود) و با سطح مقطع بسيار کوچک دايره اي شکل که در خلا بفاصله يک متر از يکديگر قرار گرفته باشند بگذرد نيروي الکترومغناطيسي که در نتيجه اين جريان بين دو رسانا ايجاد مي شود برابر 2 ضرب در 10به توان 7- نيوتن در هر متر از درازاي آنها باشد .(مصوب نهمين کنفرانس عمومي اوزلن و مقياسها در 1948) و ....

مترولوژي چيست ؟ مترولوژي (metrology) عنواني است که به علم اندازه گيري محض اطلاق مي گردد در مورد مقاصد مهندسي اين مفهوم به اندازه گيريهاي طول و زاويه و مقاديري که به صورت خطي يا زاويه اي بيان مي شوند محدود مي گردد . اندازه گيري (measurement) عبارت است از فرايند مقايسه اي که در آن يک کميت مجهول با يک کميت معلوم يا استاندارد مقايسه مي شود .اين مقايسه بوسيله ي ابزاري که نشان دهنده ي تفاوتهاي بين کميت مجهول و استاندارد مي باشد صورت مي گيرد .

کاليبراسيون چيست؟ کاليبراسيون مجموعه اي از عمليات اندازه گيري دقيق است که طي آن وروديها و خروجيها ي يک وسيله ي اندازه گيري با يک برسنج (standard) معلوم و مقايسه مي شود .

اهميت کاليبراسيون مجدد ابزارهاي اندازه گيري به دلايل متعددي نياز به کاليبراسيون مجدد دارند . ابزارهاي اندازه گيري معمولا از طرف کارخانه هاي سازنده کاليبره مي شوند. جابجايي و حمل ونقل آنها اغلب باعث از تنظيم خارج شدن دستگاهها مي شود و لذا کاليبراسيون مجدد ادوات اندازه گيري جديد ضروري است. ضمنا پس از انجام عمليات تعميري و اصلاحي بر روي ابزارهاي اندازه گيري مجدد بايد آنها را کاليبره نمود.

مشخصه هاي اندازه گيري بطور کلي هر اندازه گيري داراي سه مشخصه ي زير مي باشد : ريز نگري (resolution) صحت (accuracy) و تکرار پذيري ( repeatability) . ريزنگري : يکي از مهمترين ملاحظات در اندازه گيري ريزنگري وسيله ي اندازه گيري مي باشد ريز نگري عبارتست از حداقل تغيير در مقداري که وسيله ي اندازه گيري ميتواند نشان دهد . صحت : به معني نزديک بودن به واقعيت ميباشد. تکرار پذيري : اولين نيازمندي هر سيستم اندازه گيري اين است که داراي تکرار پذيري کافي باشد. تکرار پذيري گروهي از اندازه گيري هاي تکراري عبارت است ازميزان يا حدي که اين اندازه ها نزديک به هم قرارميگيرند. اين ميزان عموما” بر حسب اصطلاحات آماري بيان مي گردد. در شرايط عادي مقادير اندازه گيري شده از توزيع نرمال تبعيت مي کنند. توزيع نرمال داراي دو مشخصه مي باشد : ميانگين و انحراف استاندارد مقدار ميانگين عبارت است از معدل رياضي مقادير اندازه گيري شده . انحراف استاندارد نشان دهنده پراکندگي مقادير اندازه گيري شده يا دقت آنها مي باشد.

اصطلاحات و تعاريف اندازه گيري و کاليبراسيون صحت (Accuracy) : درجه انطباق يک اندازهء نشان داده شده توسط يک وسيله اندازه گيري با اندازه واقعي يک کميت مورد اندازه گيري. کاليبراسيون(Calibration) :تعين رابطه تجربي ميان کميت مورد اندازه گيري و خروجي وسيلهء اندازه گيري از طريق مقايسه با يک استاندارد اندازه گيري شناخته شده. دقت(Precision): درجه تکرارپذيري اندازه گيري هاي مستقل متعدد از يک اندازهء واقعي يکسان. دامنه-گستره (Range): حوزه قابل اندازه گيري توسط يک وسيله اندازه گيري. تکرار پذيري(Repeatability): نزديکي عددي اندازه گيري هاي متعدد يک کميت اندازه گيري تحت شرايط عملياتي يکسان. محدوده(Span) : اختلاف جبري ميان حد بالايي و پاييني اندازه گيري. مثلا” دماسنجي که در دامنه20 تا 250 درجه سانتيگراد قادر به نمايش درجه حرارت است داراي محدوده برابر با230درجه سانتيگراد مي باشد.

آشنايي با تعاريف و اصطلاحات اندازه گيري کميتQuantity: مشخصه ذاتي يک پديده جسم يا ماده که بتوان آنرا به طور کيفي تشخيص داد و به طور کمي تعيين نمود مثل جرم – دما – زمان- مقاومت الکتريکي. الف)کميت پايهBase Quantity: کميتي که مستقل از ساير کميت ها در يک سيستم کميتي است مثل طول- جرم- زمان به عنوان کميت مبناي مکانيکي در سيستم SI. ب)کميت فرعيDerived Quantity: کميتي است که بر مبناي کميت هاي پايه تعريف مي شوند مانند سرعت (مسافت طي شده در زمان مشخص متر بر ثانيه)

ادامه مقدار واقعيTrue value: مقدار موافقت شده و يا تعريف شده از يک کميت ويژه مانند کيلوگرم موزه سور. ياد آوري: مقدار يک کميت مقدار ايده آلي است و بطور کلي طبيعتي تعيين ناپذير دارد. اندازه گيريMeasurement: مجموعه عمليات به منظور تعيين يک کميت . اندازه شناسيMetrology: علم اندازه گيري و آشنايي به آن را اندازه شناسي گويند. اصول اندازه گيريPrinciple of Measurement: پايه عملي اندازه گيري را اصول اندازه گيري گويند. مثل پديده ترمو الکتريکي در اندازه گيري دما.

روش اندازه گيري Measurement مجموعه عملياتي که براي انجام اندازه گيري هاي مشخص مطابق با يک روش معين بطور خاص شرح داده مي شود. روش اندازه گيري بايد به نحوي باشد که براي انجام آن اندازه گيري نيازي به منابع ديگر نباشد.

کميت هاي تاءثير گذار Influence Quantity به کليه کميت ها غير از کميت اندازه ده ،که در نتيجه اندازه گيري اثر دارد کميت تاءثيرگذار گويند.

درستي اندازه گيري Accuracy Of Measurement ميزان نزديکي نتيجه يک اندازه گيري با مقدار واقعي.

تکرار پذيريRepeatability ميزان نزديکي بين نتايج اندازه گيري پياپي از يک دستگاه تحت شرايط ”يکسان” شرايط تکرار پذيري: 1- همان روش 2- همان شخص 3- همان دستگاه 4- همان شرايط محيطي 5- تکرار در فاصله زماني کوتاه

تجديد پذيريReproducibility: ميزان نزديکي بين نتايج اندازه گيري يک دستگاه تحت شرايط”متغير” . شرايطي که مي تواند تغيير يابد: 1- اصول اندازه گيري 2- روش اندازه گيري 3- شخص آزمايش کننده 4- دستگاه اندازه گيري 5- استاندار مرجع 6- محل آزمايشگاه 7- شرايط محيطي 8- زمان

انحراف Deviation: مجموعه مقادير محدود شده بوسيله ماکزيمم مقدار نشان داده شده . طول درجه بندي : طول درجه بندي عبارتست از طول خط بين اولين و آخرين نشانه هاي آن که از مرکز همه نشانه ها ميگذرد .

انواع درجه بندي : الف) درجه بندي خطي Linear scale : در اين درجه بندي هر فاصله طولي درجه بندي با فاصله کمي متناظرش با ضريب ثابتي به هم مربوط مي شوند . ب) درجه بندي غير خطي Nonlinear scale: در اين درجه بندي هر فاصله طولي درجه بندي با فاصله کمي متناظرش با ضريب ثابتي به هم مربوط نمي شوند . ج) درجه بندي بدون صفر : در وسايل اندازه گيري که داراي باند مرده باشيم و صفر را شامل نشوند . مانند دماسنجهاي پزشکي که فاقد درجه بندي کمتر از 30 مي باشد .

گستردگيSpan: قدر مطق تفاضل دو حد گستره اسمي يک دستگاه اندازه گير. 10تا 10- در بعضي موارد اختلاف بين بزرگترين و کوچکترين مقدار را Range گستره مي نامند .

حساسيت دستگاه Sensitivity : حساسيت عبارتست از مقدار ورودي به خروجي .

ريز بيني دستگاه Resolution : مانند ديجيتالي يک رقم به يک رقم نشان دادن .

باند مرده Dead Band: آستانه کار مثل دستگاههايي که خروجي آنها 4 تا 20 ميلي آمپر است.

پايداري دستگاه Stability : نگهداشتن خواص مترولوژي دستگاه با گذشت زمان .

شفافيت Trans Parence: شفافيت تاثير نگذاشتن سيستم روي دستگاه .

Drift: مقدار تغييرات مترولوژي دستگاه نسبت به گذشت زمان .

Respones Time: زماني که طول مي کشد تا سيستم نسبت به تغييرات زمان پاسخ دهد.