اندازه گیری

فصل اول

مقدمه اي براي اندازه گيري
اندازه گيري عبارت است از جمع آوري اطلاعات از دنياي فيزيك . حس كننده ها (sensors) يا مبدلها (trousnsducers) كه اولين طبقه يك سيستم اندازه گيري را تشكيل مي دهند ، سيگنالي متناسب با كميت فيزيكي مورد نظر را ايجاد

مي نمايند كه آنرا اصطلاحاً داده (Data) مي نامند براي اينكه داده ها حاصله نشان دهنده كميت فيزيكي اندازه گيري شده باشند مي بايست رابطه اي يك به يك بين اين دو ايجاد نمود ، براي اين منظور سيستم را با استفاده از مراجع استاندارد ، مدرج (كاليبره) مي كنند نتايج حاصل از سيستم مدرج شده را اصطلاحاًاطلاعات مي نامند.

تعاريف اساسي اندازه گيري
اندازه گيري : يك كميت اساساً مقايسة اين كميت با مقداري از نوع همانند آن است كه بعنوان واحد انتخاب شده است ، نتيجه اندازه گيري شده به وسيله عددي بيان مي شود كه نمايشگر نسبت كميت نامشخص به واحد اندازه گيري انتخاب شده است .
نمونه اصلي واحد اندازه گيري ، مضرب يا زير مضرب آن يك « استاندارد » ناميده ميشود وسيله اي كه براي مقايسه كميت نامعلوم با واحد اندازه گيري يا يك مقدار استاندارد بكار مي رود « وسيله اندازه گيري » ناميده ميشود .

استانداردها ، واحدها و نگهداري آنها :
استانداردها و وسائل اندازه گيري با عناوين «اوليه و ثانويه » طبقه بندي مي شوند ، منظور از طبقه اول وسائلي است كه بر روي حفظ يا توليد مثل واحدهاي اندازه گيري و همچنين براي امتحان و درجه بندي استانداردها و وسائل اندازه گيري بكار ميروند . طبقه دوم در اندازه گيري مستقيم بكار گرفته شده و به دو قسمت فرعي استاندارد ها و وسائل اندازه گيري آزمايشگاهي و صنعتي (تجاري) طبقه بندي

مي شود.
در حالتيكه كميات فيزيكي به دو دسته كميات اصلي و كميات فرعي تقسيم
مي شوند بطور يكه كميات فرعي تركيبي از دو يا چند كميت اصلي هستند ، سيستم SI از شش واحد اصلي ، زمان ، طول ، جرم ، شدت جريان الكتريكي ، درجه حرارت و شدت روشنايي و دو واحد فرعي زاويه صفحه اي و زاويه فضايي تشكيل شده است .
تعريف بكار رفته براي هر يك از اين واحد ها نشان دهندة ميزان دقت موجود در اندازه گيري آنها مي باشد . با پيشرفت علوم و تكنولوژي ، بشر توانسته هر روز به ت

 

عارف و اندازه گيري هاي دقيق تر و با عدم قطعيت كمتري دست يابد .

اهميت اندازه گيري :
پيشرفت علوم و تكنولوژي مستلزم پيشرفت همزمان روشهاي اندازه گيري است با اطمينان مي توان گفت كه سريعترين راه ارزيابي پشرفت هر ملت در علم و تكنولوژي بررسي نوع اندازه گيري هايي است كه انجام مي دهد و روشي كه با آن داده ها را از اندازه گيري بدست مي آورند و پردازش مي كنند اين امر دلائل روشني دارد همراه پيشرفت علوم و تكنولوژي پديده ها و معادلات جديدي كشف مي شود و اين پيشرفتها اندازه گيري هاي نوع جديد را ضروري مي سازد .
كشفيات جديد اگر با اندازه گيري هاي عملي پشتيباني نشوند ارزش علمي نخواهند داشت اندازه گيري بي شك نه تنها اعتبار يك فرضيه را تاييد مي كند بلكه به فهم آن نيز ياري مي رساند حاصل زنجير بي انتهاي است كه به كشفيات جديدي
مي انجامد كه خود روشهاي اندازه گيري نوع و پيچيده تري مي طلبد بنابراين علم و تكنولوژي جديد با روشهاي پيچيده اندازه گيري همراه است در حالي كه علم و تكنولوژي قديم تنها به روشهاي معمولي اندازه گيري نياز دارد .
هر رشته مهندسي دو وظيفه مهم بر عهده دارد ۱ – طراحي لوازم و فرآيندها
۲ – عملكرد و نگهداري درست لوازم و فرآيند .
هر دوي اين وظايف به اندازه گيري نياز دارند زيرا طراحي كار با دستگاه و نگهداري درست و باصرفه نيازمند برگشت اطلاعات است و اين اطلاعات از اندازه گيري مناسب به دست مي آيد .

كاربردهاي مختلف اندازه گيري :
استفاده و بكارگيري دستگاههاي اندازه گيري را مي توان به سه بخش عمده زير تقسيم نمود كه عبارت است از نمايش اطلاعات ، كنترل فرآيندها و تحليل تجارب مهندسي است .
الف) نمايش اندازه گيري : اين دستگاهها صرفاً براي نمايش اطلاعات اندازه گيري شده بكار مي روند و قرائت آنها منجر به كنترل خاص نمي گردد ، اندازه گيري درجه حرارت و رطوبت و فشار هوا توسط اداره هواشناسي مي تواند از اين مقوله باشند ، همچنين دستگاههاي اندازه گيري ميزان مصرف آب ، گاز و يا برق در منازل از اين نوعند.
ب) كنترل فرآيندها : يكي از كاربردهاي بسيار مهم اندازه گيري ، در كنترل اتومكانيك فرآيندهاي مختلف مي باشد كه ابتدا كميت تحت كنترل اندازه گيري شده و با مقدار كميت مطلوب مقايسه ميشود ، كنترلر نيز فرمان مناسب به فرآيند را در جهت به حداقل رساندن خطا ايجاد مي كند ، به اين ترتيب هر گونه تغيير ناشي از عوامل ناخواسته روي كميت تحت كنترل توسط واحد اندازه گيري آشكار گشته و توسط كنترلر جبران مي گردد .
ج) تحليل تجارب مهندسي : غالباً از دو روش تئوري و تجربي براي حل مسائل فني و مهندسي استفاده مي شود و در بسياري از مسائل بكارگيري هر د

و روش فوق لازم مي باشد كه اين بخش نيز وابسته به اندازه گيري صحيح دارد .

خطا در اندازه گيري
بطور كلي ميتوان خطا در اندازه گيري هاي مختلف را به سه نوع زير تقسيم كرد
۱ ) خطاي واضح : خطائي است كه مربوط به شخص اندازه گيرنده است .
۲ ) خطاي اصولي و مداوم ( سيستماتيك ) : وابسته به شرايط محيط كار است.
۳ ) خطاي اتفاقي : مثل اثر القائي ترانسهاي موجود در محيط .
و در يك تقسيم بندي ديگر خطاي اندازه گيري را ميتوان به دو نوع
الف ) خطاي مطلق و ب ) خطاي نسبي تقسيم كرد .
اندازه واقعي – كميت اندازه گيري شده = خطاي مطلق

= خطاي نسبي

مقدار كميت نامشخص كه توسط اندازه گيري با استاندارد ها و وسائل اندازه گيري اوليه پيدا ميشود بعنوان « مقادير واقعي » شناخته ميشود ، هر اندازه گيري
نتيجه اي مي دهد كه با مقدار واقعي كه بايد اندازه گيري مي شد تا اندازه اي تفاوت دارد .
تفاوت بين مقدار اندازه گيري شده (Am) و مقدار واقعي (A) كميت نامشخص
« خطاي مطلق اندازه گيري »A) Δ ( ناميده ميشود ، يعني :
A= Am-A Δ
تفاوت بين مقدار واقعي و مقدار اندازه گيري شده كميت مورد سنجش «تصحيح خواندن » ناميده ميشود بطوريكه اين تصحيح برابر است با :
§A=A-Am
تصحيح خواندن يا بطور ساده تر تصحيح از لحاظ تعداد مساوي خطا ولي با علامت مخالف است . A Δ- §A=
مشاهده مي شود كه مقدار واقعي كميت از جمع جبري تصحيح با مقداري كه وسيله اندازه گيري نشان مي دهد بدست مي آيد : A= Am+§A

نسبت خطاي مطلق اندازه گيري به تعداد واقعي كميت نا مشخص به صورت درصد به عنوان « خطاي نسبي » (rA ) ناميده مي شود .

از آنجا كه خطاي مطلق در اغلب حالتها قابل صرفه نظ كردن است در محاسبات عملي در معادله خطاي نسبي به جاي A مي توان Am نيز قرار داد .

روشهاي اندازه گيري
در حالتي كه مقدار كميت نا مشخص را مي توان با روش مستقيم به روش غير مستقيم اندازه گيري كرد در روشهاي اندازه گيري مستقيم اندازه گيري مقدار كميت نا مشخص مستقيماً اندازه گيري مي شود براي مثال اندازه گيري جريان توسط آمپرمتر ، اندازه گيري مقاومت توسط اهم متر و غيره .
روشهاي غيرمستقيم اندازه گيري روشهايي هستند كه در آنها مقدار كميت نامشخص از اندازه گيري كميتهاي ديگري كه رابطة تابعي با كميت نامشخص دارند و محاسباتي توسط آنها ، معلوم مي شود .
براي مثال مي توان مقدار مقاومت را با استفاده از قانون اهم
و با اندازه گيري كميتهاي ولتاژ( V ) و جريان (I ) پيدا كرد .
روشهاي مستقيم اندازه گيري را ميتوان به دو قسمت مقايسه اي و انحرافي تقسيم نمود :
روشهاي انحرافي ، روشهايي هستند كه در آنها مقدار كميت نا مشخص از انحراف عنصر متحركي در روي صفحه مدرجي به دست مي آيد ، اندازه گيري ولتاژ توسط ولتمتر و جريان توسط آمپرمتر و غيره .
روشهاي مقايسه اي روشي است كه توسط آن كميت نا مشخص با استانداردي با مقدار معلوم مقايسه تقسيم مي شود ، براي مثال ، اندازه گيري نيروي محرك الكتريكي توسط روش مقايسه آن با نيروي محرك باطري استاندارد .

فصل دوم
اجزاء تشكيل دهنده يك سيستم اندازه گيري
شكل زير اجزاء معمول به كار رفته در يك سيستم اندازه گيري را نشان مي دهد . طبقه اول را حس كننده تشكيل مي دهد ، اين طبقه كميت محيط اندازه گيري را دريافت كرده و آن را تبديل به يك كميت مناسب براي طبقات بعدي مي نمايد . ذكر اين نكته ضروري است كه به علت جذب انرژي از محيط ، توسط دستگاه اندازه گيري ، كميت مجهول تغيي

ر مي نمايد و بدين ترتيب از نظر تئوري اندازه گيري كاملاً ودرست غير ممكن خواهد بود دستگاههاي اندازه گيري خوب ، اين تأثير را به حداقل رسانده اند .
حس كننده ها به دو دسته فعال و غير فعال تقسيم مي شوند حس كننده غير فعال تمام انرژي خروجي خود را از تبديل انرژي كميت ورودي به دست مي آور

د ، در حالي كه در حس كننده فعال قسمت اعظم انرژي خروجي توسط يك منبع انرژي كمكي تأمين ميگردد .

توجه شود كه طبقه حس كننده مي تواند شامل چندين طبقه به نامهاي حس كننده اوليه ، حس كننده ثانويه و… باشد . اين حالت در مواردي پيش مي آيد كه تبديل مستقيم كميت مجهول مشكل بوده و لذا اين عمل را در چند مرحله انجام مي دهد . طبقه دوم عمل تغيير متغير را انجام مي دهد به طور كلي اين طبقه سيگنال دريافتي از حس كننده را براي پردازش يا عمليات لازم در طبقات بعدي آماده مي نمايد .پلهاي اندازه گيري و انواع تقويت كننده ها را مي توان در اين قسمت قرار داد . بايد توجه شود كه در يك سيستم واقعي ممكن است جداسازي فيزيكي طبق شكل بالا ممكن نبوده و مثلا ً يك عنصر كار چندين طبقه را انجام مي دهد ، همچنين ممكن است اين طبقه تا مرحله نهايي چندين بار تكرار شود .
طبقه سوم يك پردازشگر بوده كه در واقع تبديل داده به اطلاعات را عهده دار
مي باشد .اين طبقه مي تواند نسبتاً ساده و هم چون درجه بندي يك دستگاه عقربه اي باشد ، به طوري كه انحراف عقربه ( داده ) را به يك كميت با معني ( اطلاعات ) مانند درجه حرارت ، فشار ، جريان ، … تبديل مي نمايد .در دستگاههاي بسيار دقيق امروزي اين طبقه شامل يك ميكرو پروسسور مي باشد . توجه شود كه يك مبدل آنالوگ به ديجيتال نيز يك پردازشگر ساده محسوب شده و در اين طبقه قرار
مي گيرد .
در صورتيكه طبقات از يكديگر از نظر فيزيكي جدا باشند نياز به ارسال داده‌ها از يك طبقه به طبقه ديگر مي باشد لذا طبقه انتقال داده مي تواند در بين هر يك از طبقات موجود باشد . اطلاعات به دست آمده از واحد پردازشگر مي تواند مستقيماً به طبقه نمايشگر ارسال گردد و يا جهت ذخيره سازي به واحد ذخيره سازي فرستاده شود .

دستگاههاي اندازه گير از نقطه نظر روش اندازه گيري
روش اندازه گيري دستگاههاي اندازه گيري به دو روش تعادلي و انحرافي تقسيم مي شوند :
دستگاههاي اندازه گيري با روش انحرافي
در اين دستگاهها تغييرات كميت ورودي موجب تغيير يا انحراف در خروجي دستگاهها مي گردند ، اين انحراف مي تواند يك انحراف مكانيكي مانند نشان دهنده هاي عقربه اي و يا انحراف در يك كميت الكتريكي مثل جريان و ولتاژ باشد ، با مشخص شدن رابطه بين تغييرات خروجي و ورودي مي توان دستگاه را مدرج نمود .
دستگاههاي اندازه گيري با روش تعادلي
در اين روش هر گونه تغيير ناشي از كميت ورودي توسط يك عامل خارجي خنثي شده و حالت تعادل توسط يك آشكارساز نشان داده مي شود ، از آنجايي كه آشكار ساز حالت تعادل را نشان مي دهد نيازي به درجه بندي خاصي نداشته و فقط بايد داراي حساسيت خيلي زيادي باشد .

مزاياي استفاده از سيستمهاي اندازه گيري الكتريكي

– بدست آوردن سرعت پاسخ بالا
– تله متري يا اندازه گيري از راه دور كه كاربرد بسيار زيادي در زمينه هاي مختلف همچون پزشكي ، صنايع هوايي و … دارد.
– انتقال آسان و با صرفه به كمك كابل مسي ، فيبرهاي

نوري و يا امواج راديويي .
– امكان جمع آوري اطلاعات از حس كننده هاي مختلف تنها با يك خط انتقال با استفاده از امپدانس .
– مصرف كم ، امپدانس ورودي بالا و نتيجتا ً جذب انرژي بسيار كم از محيط فيزيكي تحت اندازه گيري .
– امكان ساخت كليه بلوكهاي تشكيل دهنده يك سيستم اندازه گيري روي يك تراشه كه در اين حالت اصطلاحاً آنرا حس كننده هوشمند مي نامند .
– استفاده از تكنولوژي پيشرفته سيلسيم جهت ساخت سنسورهاي بسيار كوچك ( در ابعاد ميكرون ) و امكان توليد انبوه آنها با قيمت كم .
مشخصات مبدلها ( طبقه اول ورودي يك سيستم اندازه گيري )
مبدلها داراي دو مشخصه استاتيك و ديناميك هستند كه هر دو از طرف كارخانه سازنده مشخص شده هستند ، در مشخصه استاتيك ، رابطه بين كميت فيزيكي ورودي و خروجي الكتريكي در شرايطي كه ورودي ثابت و ياداراي تغييرات بسيار كندي بوده و مبدل به حالت پايدار خود رسيده

بررسي مي گردد ، پارامترهايي كه در گروه مشخصات استاتيك قرار مي گيرند عبارتند از درستي ، قدرت تفكيك ، تكرار پذيري ، خطي بودن ، هيسترزيس ( پس ماند) ، عوامل محيطي.

در قسمت مشخصات استاتيك مبدلها رابطه بين ورودي – خروجي عنصر در شرايطي اندازه گي

ري مي شد كه مبدلها يا عنصر مورد آزمايش حالت گذراي خود را طي كرده باشد و در واقع ثبت اطلاعات در حالتي كه هنوز حالت پايدار ايجاد نشده باشد مي تواند خطاي زيادي را ايجاد نمايد ، بنابراين مبدلها در عمل به ندرت در شرايط استاتيك مورد استفاده واقع مي گردند .