دستگاه اندازه گیری
دستگاه اندازه گیری دستگاه یا مجموعه ای از دستگاه ها که برای اندازه گیری کمیتها طراحی شده اند.
مبدل اندازه گیری
دستگاهی که بین کمیت خروجی و کمیت ورودی آن یک ارتباط مشخص وجود دارد. برخی از این مبدلهای اندازه گیری عبارتند از :
ترموکوپل، ترانسفورمر جریان و الکترود PH .
سیستم اندازه گیری
مجموعه ای از دستگاه اندازه گیری و سایر وسایل یا مواد مونتاژ و سازگار شده که کمیتهای مشخصی را با بازه ای از مقادیر معین، اندازه گیری می کنند.
سنسور
جزئی از دستگاه اندازه گیری که به طور مستقیم تحت تاثیر پدیده، جسم یا ماده ی حاصل کمیت اندازه گیری شونده قرار می گیرد.
تنظیم سیستم اندازه گیری
مجموعه عملیات انجام شده بر روی سیستم اندازه گیری برای اینکه نشان دهی های مجازی متناظر با مقادیر معینی از کمیتی که اندازه گیری می شود، تامین گردد.
تنظیم صفر سیستم اندازه گیری
تنظیم سیستم اندازه گیری برای اینکه به ازای مقدار صفر کمیتی که اندازه گیری می شود، یک نشاندهی صفر ایجاد شود.
مشخصات سیستم های اندازه گیری
حساسیت سیستم اندازه گیری
نسبت تغییر نشاندهی دستگاه اندازه گیری به تغییر متناظر با مقدار کمیتی که اندازه گیری می شود، حساسیت سیستم اندازه گیری نام دارد.
حساسیت می تواند به مقدار کمیتی که اندازه گیری می شود باید در مقایسه با ریزنگری سیستم اندازه گیری بزرگ باشد.
ریزنگری سیستم اندازه گیری
کوچکترین تغییر در مقدار کمیت اندازه گیری شونده که باعث تغییر محسوسی در نشاندهی متناظر آن می شود.
ریزنگری سیستم اندازه گیری ممکن است به نویز (داخلی یا خارجی) یا اصطکاک و همچنین به مقدار کمیتی که اندازه گیری می شود، وابسته باشد.
آستانه ی تشخیص
بزرگترین تغییر در مقدار کمیت اندازه گیری شونده که هیچ تغییر قابل مشاهده ای در نشاندهی متناظر با آن ایجاد نگردد.
آستانه ی تشخیص ممکن است به نویز یا اصطکاک و همچنین به مقدار کمیتی که اندازه گیری می شود، وابسته باشد.
تکرار پذیری سیستم اندازه گیری
ویژگی سیستم اندازه گیری در تامین نشاندهی های تقریبا یکسان برای اندازه گیریهای مکرر یک کمیت، تحت شرایط تکرار پذیری.
عدم قطعیت دستگاهی
مؤلفه ی عدم قطعیت اندازه گیری که به دستگاه اندازه گیری نسبت داده می شود و از طریق کالیبراسیون آن تعیین می شود.
استاندارد های اندازه گیری
تحقق تعریف یک کمیت معین با مقدار و عدم قطعیت اندازه گیری مشخص که بعنوان مرجع استفاده شده است.
از استاندارد اندازه گیری خیلی اوقات به عنوان مرجع برای نسبت دادن نتایج اندازه گیری به سایر کمیتهای هم نوع استفاده می شود.
در بسیاری از موارد استاندارد اندازه گیری، تحقق تعریف یک واحد است.
عدم قطعیت استاندارد اندازه گیری می تواند به صورت عدم قطعیت اندازه گیری استاندارد با عدم قطعیت اندازه گیری گسترده ارائه شود.
عدم قطعیت اندازه گیری استاندارد برای یک استاندارد اندازه گیری همیشه مولفه ای از عدم قطعیت استاندارد ترکیبی است که به نتیجه ی اندازه گیری بدست آمده با استفاده از استاندارد اندازه گیری مربوط می شود.
برخی از این استاندارد ها عبارتند از :
– مقاومت استاندارد 100 اهم
– استاندارد فرکانس
استاندارد ملی
استاندارد اندازه گیریی که به عنوان مرجع مترولوژیکی ملی معین شده است.
استاندارد اولیه
استاندارد اندازه گیریی که مقدار و عدم قطعیت اندازه گیری آن بدون ارتباط با سایر استانداردهای اندازه گیری پایه گذاری می شود.
این تعریف اشاره می کند که تاسیس استاندارد اندازه گیری اولیه باید به تعریف واحد آن، مخصوصا یک واحد SI، منتسب گردد.
همیشه نخستین استاندارد اندازه گیری سلسله مراتب کالیبراسیون یک استاندارد اندازه گیری اولیه است.
استاندارد ثانویه
استاندارد اندازه گیریی که مقدار و عدم قطعیت اندازه گیری آن از طریق کالیبراسیون یا مقایسه با استاندارد اندازه گیری اولیه تعیین می شود.
استاندارد مرجع
استاندارد اندازه گیری استفاده شده برای کالیبراسیون استانداردهای اندازه گیری کاری در یک سازمان یا محل معین، استاندارد مرجع نامیده می شود.
برخی از استانداردهای ذاتی عبارتند از:
– نقطه ی سه گانه ی آب به عنوان استاندارد ذاتی دمای ترمودینامیکی
– استاندارد ذاتی اختلاف پتانسیل الکتریکی (تاسیس شده براساس اثر جوزفسون)
کالیبراتور
استاندارد اندازه گیری استفاده شده در کالیبراسیون سیستمهای اندازه گیری، کالیبراتور نامیده می شود.
مفاهیم استفاده شده در رویکرد سنتی به اندازه گیری
مقدار واقعی
مقداری برای کمیت که با تعریف آن کمیت سازگار است. در رویکرد سنتی، یک مقدار یکتا کمیت اندازه گیری شونده را توصیف می کند.
مقدار واقعی با یک اندازه گیری کامل که یک اندازه گیری بدون خطا است، بدست خواهد آمد. طبعا مقدار واقعی بدست نیامدنی است.
با توجه به تعریف عدم قطعیت اندازه گیری، توزیعی از مقادیر واقعی وجود دارد که با تعریف کمیت اندازه گیری شونده سازگار است.
طبعا این توزیع ناشناخته است. در رویکرد عدم قطعیت از مفهوم مقدار واقعی استفاده نمی شود.
درستی اندازه گیری
نزدیکی قراردادی بین مقدار بدست آمده از اندازه گیری و مقدار واقعی کمیت اندازه گیری شونده را درستی اندازه گیری می گویند.
درستی با خطای سیستماتیک و خطای تصادفی رابطه ی معکوس دارد.
نباید اصطلاح درستی اندازه گیری را به جای صحت اندازه گیری و اصطلاح دقت دستگاه اندازه گیری را به جای درستی اندازه گیری استفاده کرد.
درستی سیستم اندازه گیری
توانایی سیستم اندازه گیری در تامین مقداری از کمیت اندازه گیری شونده که به مقدار واقعی آن نزدیک است.
هرچه مقدار کمیت به مقدار واقعی نزدیک باشد،درستی بیشتر خواهد بود.
اصطلاح دقت نباید به جای درستی استفاده شود.
صحت اندازه گیری
نزدیکی قراردادی بین مقدار میانگین تعداد نامحدودی از مقادیر بدست آمده تحت شرایط مشخص اندازه گیری و مقدار واقعی کمیت اندازه گیری شونده را صحت اندازه گیری می گویند.
صحت را نمیتوان به صورت عددی بیان کرد.
صحت فقط به صورت معکوس با خطای سیستماتیک رابطه دارد.
اصطلاح صحت اندازه گیری نباید به جای درستی اندازه گیری استفاده شود.
تفاضل مقدار بدست آمده از اندازه گیری و مقدار واقعی کمیت اندازه گیری شونده را خطای اندازه گیری می گویند.
تشخیص خطای اندازه گیری از خطای نسبی اندازه گیری ضروری است.
خطای نشان دهی
تفاضل نشان دهی سیستم اندازه گیری و مقدار واقعی کمیت اندازه گیری شونده را خطای نشان دهی می نامند.
در رویکرد سنتی، فرض می شود که نشان دهی دستگاه اندازه گیری و مقدار واقعی، مقادیری از کمیتهای هم نوع اند.
خطای تصادفی
تفاضل مقدار بدست آمده از اندازه گیری و میانگین تعداد نامحدودی از اندازه گیریهای مکرر یک کمیت که تحت شرایط تکرار پذیری انجام شده، خطای تصادفی نامیده می شود.
خطای تصادفی مجموعه ای از اندازه گیریهای مکرر، توزیعی را شکل می دهد که بوسیله واریانس توصیف شده و امید ریاضی آن صفر است.
خطای تصادفی برابر با تفاضل خطای اندازه گیری و خطای سیستماتیک اندازه گیری است.
تعداد دفعات اندازه گیری محدود است، بنابراین خطای تصادفی را فقط می توان تخمین زد.
خطای سیستماتیک
تفاضل میانگین تعداد نامحدودی از اندازه گیریهای مکرر یک کمیت که تحت شرایط تکرارپذیری انجام شده و مقدار واقعی کمیت اندازه گیری شونده را خطای سیستماتیک می نامند.
خطای سیستماتیک و علل آن می تواند ناشناخته یا شناخته شده باشد.
باید تا حد امکان اثر ناشی از خطای سیستماتیک را تصحیح کرد.
خطای سیستماتیک برابر با تفاضل خطای اندازه گیری و خطای تصادفی اندازه گیری است.
ماکزیمم خطای مجاز
یکی از دو مقدار کرانی خطای نشان دهی که برای دستگاه اندازه گیری مشخص بر اساس مشخصات یا مقررات مجاز شمرده می شود.
خطای صفر
خطای دستگاه اندازه گیری به ازای مقدار صفر کمیت اندازه گیری شونده را خطای صفر می گویند.
خطای ذاتی
خطای نشان دهی دستگاه اندازه گیری که تحت شرایط مرجع تعیین شده است.
بایاس
خطای سیستماتیک نشان دهی یک سیستم اندازه گیری، بایاس نامیده می شود.
میانگین خطاهای نشان دهی تعداد نامحدودی از اندازه گیریهای یک کمیت که تحت شرایط تکرار پذیری انجام شده، بایاس سیستم اندازه گیری نامیده می شود.
استاندارد های اندازه گیری الکتریکی
اندازه گیری جریان الکتریکی، اختلاف پتانسیل، مقاومت، ظرفیت خازنی و القاکنایی در فرآیند های صنعتی از اهمیت حیاتی برخوردار است.
از انواع گوناگونی از دستگاه های اندازه گیری الکتریکی مانند مولتی مترها، پلها، دستگاه های آزمایش عایقی (insulation testers)، وسیله اندازه گیری ولتاژهای بزرگ بعلاوه مقاومتها، خازن ها و القاگرها استفاده می شود.
تعدادی از سایر تجهیزات، برای مثال ترازوهای الکترونیکی، لود سل ها (load cells) و دستگاه های تحلیلی از مبدلها یا حسگرهای الکتریکی استفاده می کنند.
واحدهای SI
آمپر : آمپر واحد مبنای SI برای جریان الکتریکی است . و به صورت زیر تعریف می شود :
آمپر جریان ثابتی است که اگر از دو هادی موازی به طول بی نهایت (با مقطع دایره ای ناچیز) که به فاصله یک متر از یکدیگر در خلاء قرار دارند، عبور کند، بین این هادیها نیروی معادل تولید می شود .
ولت : ولت ، واحد SI برای اختلاف پتانسیل الکتریکی است و به صورت زیر تعریف می شود :
اختلاف پتانسیل بین دونقطه از یک سیم هادی حامل جریان ثابت یک آمپر وقتی که توان تلفاتی بین این دو نقطه 1 وات است.
اهم : اهم ، واحد مقاومت الکتریکی است و به صورت زیر تعریف می شود :
مقاومت الکتریکی بین دو نقطه از یک هادی وقتی که با اعمال 1 ولت اختلاف پتانسیل ثابت بین این دو نقطه یک جریان 1 آمپر تولید شود .
فاراد : فاراد، واحد SI برای ظرفیت خازنی است.
هانری : هانری، واحد SI برای القاکنایی است.
تعاریف فوق در نهمین 1948 CGPM پذیرفته شدند و تا کنون معتبرند. تحقق واحد ها با استفاده از استانداردهای فیزیکی باعث پیدایش مشکلات عملی بی شماری شد.
بنابراین آمپر، ولت، اهم و سایر واحدهای تحقق یافته به وسیله BIPM و آزمایشگاه های ملی مختلف با عدم قطعیت هایی ناشی از محدودیت های ذاتی استانداردهای فیزیکی و شرایط اندازه گیری تولید می شوند .
جریان : استاندارد اولیه تحقق آمپر، ترازوی جریان است.
یک ترازوی جریان از اصول ارائه شده در تعریف آمپر استفاده می کند، ولی به روشی عملی تر.
به جای استفاده از هادیهای بلند و مستقیم از دور سیم پیچ دایره ای استفاده می شود.
یک سیم پیچ ثابت و دیگری در انتهای یکی از بازوهای ترازو نصب می شود.
نیروی تولید شده ی بین این دو سیم پیچ وقتی که جریان ثابتی از آنها عبور می کند به وسیله ی وزنه های قرار داده شده در بازوی دیگر ترازو متوازن می شود .
ولتاژ DC استاندارد جوزفسون
در 1962 برایان جوزفسون هنگام کار در سازمان ملی استانداردها (National Bureau of Standards,NBS) اثر جوزفسون را کشف کرد.
پیوند جوزفسون از دو ابر هادی که به وسیله ی یک مانع عایق کننده اکسیدی نازک از یکدیگر جدا شده اند، تشکیل می شود.
وقتی پیوند با یک ولتاژ DC بایاس شد و در معرض تشعشعات یک منبع میکرو ویو قرار گرفت، ولتاژی DC در پیوند تولید می شود که متناسب با فرکانس منبع میکروویو است.