سیستم های اندازه گیری در حین

ابزار اندازه گیری وسیله ای برای اندازه گیری کمیت های فیزیکی است. در علوم فیزیکی اندازه گیری فعالیتی جهت بدست آوردن و مقایسه مقادیر فیزیکی اشیاء و رویدادهای دنیای واقعی است. برای افزایش دقت اندازه گیری این کمیت ها با اشیاء یا رویدادهای استاندارد به عنوان واحد مقایسه شده یا کمیت اندازه گیری شده به آنها ارجاع داده می شود.

ابزارهای اندازه گیری و روش های کاربرد آنها یک ابزار را تعریف می کنند . همه ابزارهای اندازه گیری در معرض درجات مختلف خطای ابزار و عدم اطمینان اندازه گیری هستند. این ابزارها ممکن است از اجسام ساده مانند خط کش ها و کرنومترها گرفته تا میکروسکوپ های الکترونیکی و شتاب دهنده های ذرات باشد. از ابزار دقیق مجازی به طور گسترده ای در توسعه ابزار اندازه گیری مدرن استفاده می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه در ادامه مقاله با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

ابزار اندازه گیری و سیستم های اندازه گیری

به طور کلی ، سیستم های اندازه گیری شامل تعدادی مولفه عملکردی هستند. یک ابزار اندازه گیری برای تشخیص شی باید ابعاد یا فرکانس را اندازه گیری کند. سپس این اطلاعات توسط سیگنال های فیزیکی به سراسر سیستم منتقل می شود. اگر جسم خود فعال باشد ، مانند جریان آب ممکن است سیگنال را تأمین کند. اگر منفعل باشد ، باید سیگنال را با تعامل یا با یک پروب انرژی مانند منبع نور یا لوله اشعه X یا با یک سیگنال حامل تحریک کند.

سرانجام سیگنال فیزیکی با یک سیگنال مرجع با مقدار مشخص مقایسه می شود. سیگنال مرجع توسط فرآیندی به نام کالیبراسیون از اجسام با کمیت مشخص بدست می آید. مقایسه ممکن است یک فرایند آنالوگ باشد که در آن سیگنال ها در یک بعد پیوسته به برابری می رسند. فرایند مقایسه در واقع جایگزین ، کمی سازی با شمارش است.

سایر عملکردهای سیستم های اندازه گیری روند اساسی توضیح داده شده در بالا را تسهیل می کنند. مثلا روند تقویت اطمینان می دهد که سیگنال فیزیکی به اندازه کافی قوی است تا اندازه گیری را کامل کند. به منظور کاهش نقائص اندازه گیری همزمان با پیشرفت آن در سیستم ، ممکن است سیگنال ها به شکل کد شده یا دیجیتال تبدیل شود.

تئوری اندازه گیری

نظریه اندازه گیری به قرن ۴ قبل از میلاد مسیح برمی گردد ، زمانی که نظریه بزرگی توسط ریاضیدانان یونانی در عناصر اقلیدس گنجانده شد. اولین کار سیستماتیک در مورد خطای مشاهده توسط ریاضیدان انگلیسی توماس سیمپسون در سال ۱۷۵۷ معرفی  شد ، اما کار اساسی در مورد نظریه خطا توسط دو ستاره شناس فرانسوی قرن ۱۸ ، ژوزف لوئیس لاگرانژ و پیر سیمون لاپلاس انجام شد.

اولین تلاش برای ادغام نظریه اندازه گیری در علوم اجتماعی نیز در قرن هجدهم اتفاق افتاد ، زمانی که جرمی بنتام ، اخلاق گرای منفعت طلب انگلیسی ، سعی در ایجاد نظریه ای برای اندازه گیری ارزش داشت.

نظریه های اندازه گیری بدیهی مدرن از کار دو دانشمند آلمانی ، هرمان فون هلم هولتز و اوتو هولدر ، ناشی می شود و کارهای معاصر درباره کاربرد نظریه اندازه گیری در روانشناسی و اقتصاد ، تا حد زیادی از کارهای اوسکار مورگنسترن و جان فون نویمان ناشی می شود.

پارامترهای قابل اندازه گیری کدامند؟

علم تعیین  وزن و اندازه گیری را مترولوژی می گویند که باید بر اساس استانداردها انجام شود. به این منظور در سال ۱۸۵۷ دفتر بین ‌المللی وزن و اندازه گیری در فرانسه جهت فراهم کردن استانداردهای اندازه گیری براساس سیستم اندازه‌ گیری یکاهای استاندارد در جهان تاسیس شد.

بر این اساس سیستم اندازه گیری استاندارد یا SI شامل هفت واحد اصلی است که عبارتند از:

• طول (m): واحد اندازه گیری آن متر است.

• جرم (kg): واحد اندازه گیری آن کیلوگرم است.

• زمان (s): واحد اندازه گیری آن ثانیه است.

• دما (k): واحد اندازه گیری آن کلوین است.

• جریان الکتریکی (A): واحد اندازه گیری آن آمپر است.

• مقدار ماده (mol): واحد اندازه گیری آن مول است.

• شدت روشنایی (cd): واحد اندازه گیری آن کاندلا است.

از واحد اصلی واحدهای فرعی زیادی مشتق می شوند. به عنوان مثال از واحد جرم کمیت ‌های فرعی مانند فشار، جریان، گشتاور،  حجم ، نیرو و چگالی مشتق می شوند.

یکی از ویژگی های ابزار اندازه گیری دقت اندازه ‌گیری است. دقت اندازه گیری کوچکترین مقداری است که آن ابزار یا دستگاه می‌ تواند اندازه گیری کند. ابزارها و دستگاه  معمولاً  دارای دو کمیت عددی هستند که کمترین و بیشترین مقدار قابل اندازه گیری را نشان می دهد. اعشار بعد از عدد اندازه گیری نشان دهنده دقت یک ابزار است.

آشنایی با ابزار اندازه گیری

اندازه‌ گیری جرم

ترازو وسیله ای است که برای اندازه ‌گیری جرم استفاده می شود و اکنون در انواع و اقسام می توانید آنها را ببیند. تمام این ابزارها در طول تاریخ تغییر کرده اند تا به وسایلی به کارایی بهتر تبدیل شوند.

اندازه‌ گیری زمان

همه ما برای اندازه گیری زمان از ساعت استفاده می‌ کنیم و انواع آنالوگ یا دیجیتال ساعت اکنون به وفور در همه جا دیده می شود. یکی از وسایل کاربردی برای اندازه گیری زمان کرنومتر است که اکنون اکثر تلفن های همراه به آن مجهز هستند.

اندازه گیری مقدار ماده

برای اندازه گیری ماده برحسب مول باید جرم آنرا بر جرم مولار آن تقسیم کنید. جرم مولی ، جرم یک مول از آن ماده یا جرم  ۱۰۲۳ . ۶.۰۲۲۱۴۰۷۶ ذره بر حسب گرم است. این جرم توسط وزن اتمی واحد شیمیایی تشکیل دهنده آن ماده تعیین می شود. مثلا نقره که دارای وزن اتمی  amu  ۱۰۷.۸۶۸۲ است یک مول از آن دارای جرم  ۱۰۷.۸۶۸۲ گرم است.

اگر ماده ‌ای که از بیش از یک نوع اتم تشکیل شده باشد باید وزن اتمی اتم‌ های منفرد آن را باهم جمع کنید. به عنوان مثال برای  آب که  از دو اتم هیدروژن و یک اکسیژن تشکیل شده است وزن اتمی یک اتم هیدروژن ۱.۰۰۸  amu  بنابراین وزن دو اتم آن برابر ۲.۰۱۶  است. وزن اتمی یک اتم اکسیژن نیز ۱۵٫۹۹۹ می باشد. بنابراین جرم مولی آب  ۱۸.۰۱۵ گرم است.

اندازه ‌گیری طول

طول کمیتی است که با متر اندازه ‌گیری می‌ شود. این کمیت با ابزاری به نام متر سنجیده می شود. البته در مقیاس های کوچک برای اندازه گیری دقیق ‌تر وسایلی مانند کولیس، ریزسنج و … وجود دارد.

اندازه‌ گیری جریان الکتریکی

آمپرسنج وسیله ای است که جریان الکتریکی  توسط  آن اندازه گیری می ‌شود. آمپرسنج در واقع تعداد بارهای الکتریکی عبوری در واحد زمان را اندازه گیری می کند

اندازه گیری شدت روشنایی

شدت نور را می توانید با ابزاری به نام فوتومتر اندازه گیری کنید . این وسیله نور مرئی را اندازه گیری می کند.

ابزار اندازه گیری دما

برای اندازه گیری دما ابزاری به نام ترمومتر یا دماسنج وجود دارد که می توان از انواع مختلف آن برای تعیین دمای بدن ، هوا و اجسام استفاده کرد.

انواع تجهیزات اندازه گیری پرکاربرد سیستم‌های ابزار دقیق در صنایع مختلف را در این بخش بررسی می کنیم:

تجهیزات اندازه‌گیری یا گیج‌ها ( gauges ) : 

وظیفه این بخش در سیستم های ابزار دقیق کمی سازی متغیر‌ها است. به طور معمول هر ابزار اندازه‌گیری شامل سه جز اساسی شامل سنسور، ترانسدیوسر و ترانسمیتر است.

1) سنسور یا حسگر ( sensor )  : 

مهم ترین بخش از انواع تجهیزات اندازه گیری سنسور ها هستند. وظیفه سنسور یا حسگر تبدیل متغیر فیزیکی به سیگنال‌های قابل اندازه‌گیری است. از جمله پارامتر‌های فیزیکی‌ای که به وسیله سنسور‌ها اندازه‌گیری می‌شوند می توان به دما ، فشار ، سطح ، وزن و غیره اشاره کرد.

2) ترانسدیوسر ( Transducer ) :

بخش دیگر از انواع تجهیزات اندازه گیری ترانسدیوسرها هستند. ترانسدیوسر‌ها در واقع یک مبدل هستند که کمیت‌های پنوماتیکی، شیمیایی و غیره را به کمیت الکتریکی تبدیل می ‌کنند.

3) ترانسمیتر ( transmitter ) :

بخش آخر انواع تجهیزات اندازه گیری ترانسمیترها هستند. ترانسمیتر‌ها یا انتقال دهنده‌ها وظیفه تبدیل کردن سیگنال ورودی را به سیگنال خروجی‌ای که قابل استفاده سیستم و استاندارد باشد، دارند.

در شکل زیر بلوک دیاگرامی از اجزای انواع تجهیزات اندازه گیری را مشاهده می نمایید.

معرفی انواع تجهیزات اندازه گیری:

در این بخش انواع تجهیزات اندازه گیری را بر حسب کمیت مورد اندازه گیری بررسی می کنیم.

1) تجهیزات اندازه گیری دما:

در اکثر محیط های صنعتی دما (Temperature) یکی از شاخصه ها و کمیت های مهم است که می بایست با اندازه گیری آن، فرآیند های کنترلی انجام شوند به دنبال اهمیت این موضوع از انواع تجهیزات اندازه گیری دما برای کنترل دقیق درجه حرارت سیالات و جامدات مختلف، استفاده می شود. به طور کلی تجهیزات اندازه گیری دما را می توان به دو دسته تماسی (CONTACT) و غیر تماسی (NON-CONTACT) تقسیم بندی نمود. دماسنج مقاومتی، دماسنج ترموالکتریکی و یا دماسنج های معمولی که برای اندازه گیری دمای اتاق مورد استفاده قرار می گیرند جز دماسنج های تماسی هستند. دما سنج هایی که از روش های مانند لیزر و یا مادون قرمز برای اندازه گیری دما استفاده میکنند جز دماسنج های غیر تماسی هستند.

از دیگر انواع تجهیزات اندازه گیری دما می توان به ترموکوبل ها  ( متشکل از دو فلز عیز همجنس)، ترمومتر ها (اتصال پراب به سطح جسم، دادای انواع جیوه ای، الکلی و گازی)، دماسنج های کوارتزی (بر مبنای حساسیت فرکانس تشدید کریستال کوارتز)، ترمیستورها و پیرومترها اشاره کرد.

2) تجهیزات اندازه گیری رطوبت:

میزان بخار آب موجود در هوا به عنوان رطوبت  (Humidity)شناخته شده است. برای اندازه گیری رطوبت، میزان رطوبت موجود در هوا که به شکل های رطوبت نسبی، رطوبت مطلق و نقطه شبنم بیان می شود مورد بررسی قرار می گیرند.

3) تجهیزات اندازه گیری فشار:

فشار (Pressure) یکی از مهم ترین کمیت های فیزیکی است که در صنعت مورد اندازه گیر واقع می شود از این رو تجهیزات اندازه گیری فشار جهت سنجش و اندازه گیری فشار مخازن و لوله های انتقال، خطوط احتراق کوره و غیره مورد استفاده قرار می گیرند از اهمیت بالایی برخوردار هستند. تجهیزات اندازه گیری فشار شامل مانومتر (فشار سنج صنعتی، گیج فشار) نصب ثابت و پرتابل، ترانسمیترفشار، پرشرسوئیچ ها (سوئیچ فشار) و تجهیزات جانبی فشار می باشد.

4) تجهیزات اندازه گیری فلو ( جریان):

فلو (flow) یا همان جریان سیال یکی دیگر از مهم ترین متغیر های اندازه گیری در صنعت می باشد. در واقع فلو یا دبی لحظه ای، میزان عبور سیال در واحد زمان می باشد. تجهیزات اندازه گیری دبی شامل، فلو متر یا دبی سنج (جریان سنج)، فلو سوئیچ (سوئیچ جریان)، فلو ترانسمیتر (ترانسمیتر سطح) می شود. تجهیزات اندازه گیری فلو تقریبا در همه صنایعی که با سیالات سر و کار دارند مانند صنایع نفت وگاز، پتروشیمی و پالایشگاه، صنایع غذایی و دارویی، آب و فاضلاب، صنایع کاغذ سازی، صنایع برودتی و غیره مورد استفاده قرار می گیرند.

5) تجهیزات اندازه گیری سطح ( ارتفاع):

یک سیستم ابزار دقیق در حالت کلی شامل بخش هایی است که در تصویر نمایش داده شده است.

در بلوک دیاگرام فوق، مبدل ( Transducer ) وسیله ای است که با استفاده از یک یا چند نوع حسگر( Sensor ) کمیت فیزیکی مورد نظر مانند سرعت ، نیرو یا دما را به کمیتی دیگر و غالبا الکتریکی همانند مقاومت الکتریکی ، ولتاژ یا جریان الکتریکی تبدیل می‌ کند، امروزه در استفاده از تجهیزات اندازه گیری و کنترلی معمولا کمیت های مختلف را به ولتاژ و یا جریان های استانداردی تبدیل می کنند که با محصولات شرکت های مختلف سازگاری داشته باشند.

به عنوان مثال یک کرنش سنج ( Strain gauge ) تغییر طول نسبی را در یک جسم را به تغییر مقاومت تبدیل می‌ کند که توسط مدارات الکتریکی به ولتاژ تبدیل می‌ شود. این عملیات در بخش مدار بهسازی ( Conditioning Circuit ) صورت می ‌گیرد.
در ادامه با توجه به مقدار ولتاژ استاندارد سیستم ، ولتاژ خروجی از بخش مدار بهسازی وارد تقویت کننده می ‌شود تا به مقدار استاندارد برسد و در ادامه به منظور پایش ( monitoring ) یا کنترل فرآیند آن را به ثبت کننده ‌های دیجیتال منتقل می‌ شود. با توجه به تناسب کمیت فیزیکی ای که با تجهیزات اندازه گیری، اندازه گرفته شده است و ولتاژ تقویت شده خروجی سیستم، می توان با انجام عملیات کالیبراسیون ضریب تناسب یا همان ضریب حساسیت در سیستم ابزار دقیق را تعیین نمود.

به چه مشخصاتی از دستگاه‌های اندازه گیری  موقع خرید باید به دقت کنیم؟

انواع تجهیزات اندازه گیری باید داراي ویژگی‌ها و قابلیت‌هایی باشد تا بتواند نیازهاي طراح را برآورده کند مهمترین این ویژگی‌هایی که در هنگام خرید انواع تجهیزات اندازه گیری ابزار دقیق باید به آن ها توجه کنیم، عبارتند از:

• دامنه اندازه گیری (range)

• دقت (accuracy)

• تکرارپذیری (repeatability )

• حساسیت

• پایداري

• پاسخ دهی

• صحت (precision)

• پسماند(hysteresis)

• تفکیک پذیری(resolution)

• آستانه یا ناحیه ی مرده (dead zone, threshold )

• دریفت (drift)

• خطی بودن (linearity)

• تلرانس

• امپدانس ورودی و خروجی

• کالیبراسیون

• طول عمر

• شرایط نگهداری

• اندازه دستگاه

• استاندارد‌های دستگاه

• قیمت و هزینه نگهداری

• حفاظت در مقابل اضافه بار

• رفتار دینامیکی سیستم

• نویز پذیری

  منبع: 

  inergy

  jahaneshimi