تکنیکال صنعت

اندازه گیری

تعاریفی در اندازه گیری
اندازه گیری عبارت است از مقایسه یک کمیت مجهول با مقداری معلوم از همان کمیت که اصطلاحاً واحد نامیده می شود. واحدهای استاندارد که برای هر کمیت از اندازه گیریها تعیین می گردد بر طبق قراردادهای بین المللی تعیین شده و مقداری را که ما از هر اندازه گیری به دست می آوریم نشان می دهد که مقدار اندازه گیری شده در واقع چند برابر مقدار واحد آن کمیت است.
تعریف حدود اندازه گیری یا رنج (reng)
بر طبق تعریف حدود اندازه گیری یا رنج در یک دستگاه اندازه گیری عبارت است از ماکزیمم مقداری را که یک دستگاه اندازه گیری می تواند مورد اندازه گیری قرار دهد که در بیشتر موارد بیشترین عددی است که بر روی یک دستگاه اندازه گیری نوشته شده است
تعریف دستگاه اندازه گیری
به یک وسیله اندازه گیری به همراه کلیه وسایل و متعلقاتی که همراه آن است به طور کلی دستگاه اندازه گیری می گویند. هر چند اگر متعلقات آن از یکدیگر به صورت جدا قرار داشته باشن
روشهای اندازه گیری :
کمیت های مختلف الکتریکی را می توان به طور کلی از دو طریق مستقیم و غیر مستقیم مورد اندازه گیری قرار داد . منظور از روش اندازه گیری به روش مستقیم آن است که برای اندازه گیری یک مقدار از کمیت مورد نظر از دستگاه اندازه گیری مخصوص آن که کمیت مورد نظر از دستگاه اندازه گیری مخصوص آن است که کمیت مورد نظر را اندازه گیری می کند استفاده کنیم و مستقیماً پس از وصل دستگاه اندازه گیری به کمیت مورد نظر مقدار آن کمیت را بخوانیم . به عنوان مثال برای اندازه گیری مقدار ولتاژ در یک مدار می توانیم مستقیماً از یک دستگاه اندازه گیری ولت متر استفاده کرده و پس از وصل آن به مقدار ولتاژ را به دست آوریم. که به این روش اندازه گیری اصطلاحاً روش اندازه گیری مستقیم می گویند. در مواردی که دستگاه اندازه گیری مخصوص جهت اندازه گیری یک کمیت مورد نظر در اختیار نباشد می توان با استفاده از دستگاههای اندازه گیری دیگر که در دسترس است کمیت های دیگر مدار را مورد اندازه گیری قرار داد و سپس با استفاده از روابطی که بین کمیت مجهول و دیگر کمیتهای مورد اندازه گیری وجود دارد و با استفاده از فرمول و رایطه مخصوص به آن کمیت مورد نظر را مورد اندازه گیری قرار داد که به این روش ، روش غیر مستقیم در اندازه گیری گفته می شود.

انواع دستگاههای اندازه گیری :

دستگاههای اندازه گیری که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند از تنوع و گوناگونی بسیار بالایی برخوردارند . ولی می توان تمامی آنها را به طور کلی به دو دسته آنالوگ و دیجیتال تقسیم بندی نمود. تفاوت دو دستگاه اندازه گیری فوق در مشخصه نشان دهنده آنهاست . در دستگاههای اندازه گیری آنالوگ تغییرات نشان دهنده به صورت پیوسته و پشت سر هم است. یعنی در این دستگاهها برای نمایش یک مقدار مشخص قسمت نشان دهنده دستگاه اندازه گیری یا در بعضی موارد همان عقربه نشان دهنده از مقدار صفر شروع به حرکت کرده و پس از گذشتن از روی مقادیر مختلف مثلاً به مقدار مورد نظر ۵ می رسد. اما در دستگاههای اندازه گیری دیجیتال تغییرات نشان دهنده به صورت پله ای می رسد. اما در دستگاههای اندازه گیری دیجیتال تغییران نشان دهنده که در اکثر موارد رقمی می باشد به طور ناپیوسته و پله ای مثلا مقدار ۵ را نشان می دهد . در بیشتر موارد می توان چنین استنباط کرد که نشان دهنده دستگاههای آنالوگ غالباً به صورت عقربه یا شعاع نورانی می باشد. ولی نشان دهنده دستگاههای دیجیتال غالباً از یک شمارنده دیجیتالی تشکیل می گردد. شایان ذکر است که امروزه با وجود پله ای بودن تغییرات در دستگاههای دیجیتال نسبت به دستگاههای اندازه گیری آنالوگ ، با ساخت دستگاههای دیجیتال با اجزا الکترونیکی بسیار دقیق ، این دستگاهها دارای دقت بسیار بالایی هستند که در بیشتر موارد دستگاههای آنالوگ قادر به مقایسه با آنها از نظر دقت نیستند. اما این بدان معنی نیست که دستگاههای دیجیتال همواره دقیقتر از دستگاههای آنالوگ هستند. دستگاههای اندازه گیری آنالوگی نیز وجود دارند که در آنها از اجزاء الکترونیکی کمک گرفته شده است و به همین جهت نیز دارای دقت بالاتری هستند. اما به خاطر پیچیدگی و طریقه کاکرد آنها کمتر در اندازه گیری های معمولی از آنها استفاده می شود و در مقابل به دلیل ارزانی نسبی و دقت مناسب استفاده از دستگاههای دیجیتال رشد روزافزونی یافته است و چه بسا به دلایل فوق روزی برسد که جای دستگاههای آنالوگ را کاملاً بگیرند.

تعریف خطا و عوامل ایجاد کننده آن :

بشر همواره درصدد آن بوده است که به اندازه گیری دقیق و عاری از خطا دست یابد اما تا کنون نتوانسته است به این مهم دست یابد. زیرا به دلیل کامل نبودن عوامل سنجش هر اندازه گیری دارای خطا است . منابع ایجاد و اتفاق افتادن خطا به طور کلی عبارتند از :

– خطاهای ناشی از کیفیت دستگاه اندازه گیری

– خطای ناشی از شخص اندازه گیر .

به همین جهت اگر از یک دیدگاه کلی به موضوع نگاه کنیم می توانیم خطاها را به دو دسته کلی تقسیم نماییم:

۱- خطاهای اتفاقی

۲- خطاهای سیستماتیک

خطاهای اتفاقی : این نوع خطاها از هیچ قانونی خاصیت تبعیت نمی کنند و به صورت کاملاً نامشخص روی می دهد که موجب ناکارآمدی و عدم اطمینان کافی در نتیجه اندازه گیری می گردد. این خطا به دلایلی روی می دهد که عبارتند از استفاده غلط شخص از یک دستگاه اندازه گیری ، بی دقتی شخص اندازه گیر در خواندن کمیت مورد اندازه گیری ناشی می شود که علت آن هم بکارگیری افراد ناطلع و آموزش ندیده از یک دستگاه اندازه گیری مشخص و معین است .

خطاهای سیستماتیک : این خطاها نیز از عوامل متعددی ناشی می شود که یکی از این عوامل ناشی از کیفیت و سیستم بکار گرفته شده در هر دستگاه اندازه گیری الکتریکی است. برای بهتر روشن شدن این موضوع می توان از خطاهای جریان فوکو و خطاهای فرکانسی و خطاهای ناشی از حوزه های الکترومغناطیسی و الکتریکی و خطاهای حرارتی و … نام برد. همان طورکه از نام خطاهای فوق مشخص می شود این نوع از خطاها برخاسته از وسایل و تجهیزات داخلی به کار رفته در یک دستگاه اندازه گیری است و شخص اپراتور ، یا کابر از دستگاه اندازه گیری نقشی در ایجاد و یا کاهش آن ندارد. فقط با بکارگیری روشهای مناسب در ساخت دستگاههای اندازه گیری و بکار بردن کیفیت بالاتری از قطعات توسط سازندگان این نوع از وسایل می توان سبب کاهش ایجاد خطا گردید. اما همواره باید این نکته را مدنظر قرار داد که هر چه دستگاه اندازه گیری ساخته شده دارای کیفیت و مشخصات بالاتر و دقیق تری باشد باز هم نمی توان خطای آن را از بین برد و به صفر رساند .

خطای مطلق :

خطای مطلق طبق تعریف عبارت است از اختلاف مابین مقدار اندازه گیری شده با مقدار حقیقی یا واقعی کمیت مورد سنجش یا به بیان دیگر خطای مطلق حاصل تفریق مقدار اندازه گیری شده و مقدار واقعی می باشد.

خطای نسبی:

به طور کلی عبارت است از مقدار خطایی که برای اندازه گیری هر واحد از کمیت مورد اندازه گیری به طور متوسط روی می دهد. خطای نسبی از حاصل تقسیم مقدار خطا به مقدار واقعی به دست می آید .

مکانیسم دستگاههای اندازه گیری :

در دستگاههای اندازه گیری مختلف جهت بوجود آوردن حرکت به منظور نمایش مقدار اندازه گیری شده از روشهای مختلفی استفاده می گردد که به آن روشهای متفاوت که جهت ایجاد حرکت استفاده می گردد مکانیزم دستگاه اندازه گیری گفته می شود. به طور کلی می توان گفت که مکانیزم عبارت است از قسمتهایی از یک دستگاه اندازه گیری که در بوجود آمدن حرکت مستقیماً دخالت دارد. دستگاههای مختلف اندازه گیری بسته به موارد کمیت مورد سنجششان دارای مکانیزم های مختلفی نیز هستند ولی در همه آنها می توان گفت که بر اساس تاثیر میدان های مغناطیسی مختلف بر روی هم کار می کنند که می تواند این میدانها ناشی از یک آهنربای دائم و یا آهنربای الکتریکی باشد. البته در موارد نادری هم از اثر میدانهای الکتریکی و یا اثرات ناشی از حرارت جهت ایجاد حرکت در عضو متحرک دستگاه اندازه گیری استفاده می شود. نامگذاری دستگاههای اندازه گیری مختلف بسته به مکانیزم داخلی آنها می باشد که برخی از این مکانیزمها که کاربرد ببیشتری دارند به شرح زیر می باشند:

– مکانیزم آهنربای دائم یا قاب گردان

– مکانیزم آهن نرم گردان

– مکانیزم الکترودینامیکی

– مکانیزم الکترواستاتیکی

– مکانیزم اندوکسیونی

– مکانیزم حرارتی

اجزا مختلف یک دستگاه اندازه گیری :

اجزا مختلف تشکیل دهنده دستگاههای اندازه گیری در بیشتر موارد با اندک تفاوتی مشابه به هم هستند.

محور یاتاقانها :

قسمت متحرک در دستگاه اندازه گیری متصل به محوری می باشد که نوک آن به صورت مخروطی شکل است و بر روی یاتاقانهایی که معمولا جهت کم کردن نیروهایی اصطکاک از جنس یاقوت و عقیق و یا برنزی ساخته می شود قرار داده می شود. همچنین شایان ذکر است که این یاتاقانها را تا حدی که امکان داشته باشد به صورت صاف و صیقلی تراش می دهند تا نیروی اصطکاکی حاصل از محور متحرک و یاتاقان به حداقل ممکن خود برسد . همچنین جنس محور متحرک معمولا از فولاد آبدیده ساخته می شود تا حد ممکن در اثر کارکرد مداوم دچار خوردگی و آسیب دیدگی نگردد. شکل فوق چگونگی تماس محور مشترک و یاتاقان را به طور نمونه نشان می دهد.

– فنر به عنوان گشتاور مقاوم :

همان طور که در ابتدای بحث مکانیزم ها گفته شده هر وسیله اندازه گیری با توجه به هر نوع مکانیزم به کار رفته در داخل آن یک گشتاور محرک ایجاد می کند که اندازه و شدت این گشتاور محرک بستگی به کمیت الکتریکی مورد سنجش دارد. هر چه این مقدار بیشتر باشد حرکت گشتاور چرخشی آن نیز می باشد. حال اگر در مقابل این گشتاور چرخشی محرک نیروی مقاومی وجود نداشته باشد قسمت متحرک دستگاه اندازه گیری فوق نمی ایستد و به این ترتیب مقدار کمیت مورد اندازه گیری مشخص نمی شود. به بیان دیگر در چنین حالتی هر کمیت الکتریکی مورد اندازه گیری مشخص نمی شود. به بیان دیگر در چنین نیروی مقاومی در برابر خود باعث انحراف عقربه تا آخرین حد ممکن خود ندیدن هیچ نیروی مقاومی در برابر خود باعث انحراف عقربه تا آخرین حد ممکن خود می شود و در چنین حالتی فقط می توان به وجود کمیت الکتریکی مورد اندازه گیری در مدار پی برد و مقدار آن را نمی توان مشخص کرد. پس با توجه به مطالب گفته شده مشخص می شود که باید در برابر گشتاور چرخشی محرک حاصل از کمیت الکتریکی دستگاههای اندازه گیری به وسیله نیروی یک فنر مارپیچ ایجاد می شود. با ادامه حرکت قسمت متحرک مقدار گشتاور مقاوم حاصل از فنر نیز زیاد می گردد. و بالاخره درجایی که مقدار این دو گشتاور محرک و مقاوم با هم برابر شد عقربه متحرک از حرکت باز می ایستد . میزان نیروی مقاوم فنر متناسب با تغییر شکل آن است بنابراین اگر گشتاور مقاوم را با نشان دهیم این گشتاور مقاوم با زاویه انحراف عقربه که با? نمایش داده می شود متناسب خواهد بود.

– خفه کن ( دمفینگ ) :

یکی دیگر از وسایل مورد نیاز در هر دستگاه الکتریکی استفاده از خفه کن می یاشد. زیرا همان طور که می دانیم عضو متحرک دستگاه اندازه گیری پس از حرکت جهت نشان دادن یک کمیت مورد سنجش خاص دارای اینرسی بوده و در ابتدا بیش از حد منحرف می گردد و سپس مجدداً به عقب باز می گردد . در حقیقت عقربه جهت نشان دادن یک مقدار خاص از کمیت مورد اندازه گیری در ابتدا مرتب در حواشی مقدار مورد نظر می ایستد. از آنجایی که طبق استاندارد در دستگاههای اندازه گیری زمان ایست نباید بیش از ۴ ثانیه گردد نیاز به وسیله ای است که حداکثر در ظرف مدت زمان فوق حرکت نوسانی دستگاه اندازه گیری فوق را متوقف نماید که جهت جلوگیری از این نوسانات و به منظور آرام کردن حرکت عقربه از خفه کن یا ترمز استفاده می شود. همچنین استفاده از ترمز یا خفه کن موجب می گردد که عقربه در زمان برگشت به روی صفر با سرعت کمتری به سمت چپ دستگاه اندازه گیری برگردد و از آسیب دیدن عقربه در سرعت زیاد به هنگام برگشتن و برخورد به پین سمت چپ دستگاه اندازه گیری صدمه نبیند . خفه کن ها در دستگاههای اندازه گیری از نظر ساختمان و طرز کار دارای انواع مختلفی هستند که به صورت زیر می باشند.

۱) خفه کن بادی

۲) خفه کن فوکو یا جریان گردابی

۳) خفه کن با سیم پیچی گردان

– نشان دهنده :

همان طور که می دانیم هر دستگاه اندازه گیری نیاز به قسمتی جهت نشان دادن کمیت مورد سنجش خود دارد. قسمت درجه بندی یا نشان دهنده هر دستگاه اندازه گیری در دقت اندازه گیری بسیار موثر است. به همین جهت از عقربه های مختلفی مانند عقربه های نیزه ای ، میله ای ، و نیزه ای کاردی جهت نمایش کمیتهای مختلف مورد سنجش استفاده می گردد. با توجه به دستگاههای اندازه گیری مختلف جنس این عقربه ها بسیار سبک انتخاب می گردد و به همین جهت اکثراً از فلز آلومنیوم که نسبت به سایر انواع فلزات سبک تر است استفاده می گردد. اگر دستگاه اندازه گیری با دقت زیاد در نظر باشد اغلب از عقربه های نیزه ای کاردی استفاده می گردد . انتهای این عقربه ها کاردی شکل است و بر روی صفحه مدرج زیر آن یک آینه تعبیه گردیده است.

به همین جهت در موقعی که قصد قرائت یک کمیت مورد اندازه گیری را داریم باید طوری به صفحه مدرج نگاه کنیم که عقربه و تصویر آن در آینه کاملاً بر هم منطبق باشند. شایان ذکر است که در دستگاههای حساس برای نشان دادن مقدار مورد اندازه گیری شده از اشعه نورانی به عنوان عقربه استفاده می شود و طرز کار آن به این صورت است که بر روی قسمت متحرک این نوع دستگاههای اندازه گیری یک آینه کوچک قرار داده شده است و یک شعاع نورانی که به وسیله یک لامپ و یک عدسی متمرکز کننده ایجاد می گردد و یک شیشه که در روی آن یک خط سیاه رسم گردیده است بر روی آینه تابیده می شود و از آنجا بر روی صفحه مدرج منعکس می شود با توجه به این که زاویه اشعه تابیده شده برابر با زاویه برگشت آن است در نتیجه اشتعه نورانی توسط تصویری که از خط سیاه رنگ بر روی قسمت مدرج ایجاد می گردد مشخص می شود.

– صفحه مندرج در دستگاههای اندازه گیری :

در اکثر دستگاههای اندازه گیری قسمت مدرج از سمت چپ به راست درجه بندی شده است. دستگاههای اندازه گیری که دارای صفحه ای مدرجی به شکل دایره هستند در جهت حرکت عقربه های ساعت مدرج و عددگذاری می شوند. در بعضی از موارد دستگاههای اندازه گیری به دلیل استفاده از حدود اندازه گیری متفاوت در قسمت مدرج دارای تقسیم بندی های متفاوتی نیز هستند. این تقسیمات به صورتی است که هر یک از این تقسیمات نسبت به حدود اندازه گیری دستگاه مضربی از یک یا دو و یا پنج و ده می باشند. آخرین رنج در دستگاههای اندازه گیری جریان و قدرت و ولتاژ باید به صورت اعداد و یا مضربی دهدهی از اعداد زیر باشند.

۱-۲/۱-۵/۱-۲-۵/۲-۳-۴-۵-۶-۵/۷-۸

– تنظیم کننده صفر :

همان طور که می دانیم در اکثر دستگاههای اندازه گیری وقتی که مدتی زیاد از کارایی آنها می گذرد و یا به دلیل استفاده از این دستگاههای اندازه گیری در شرایط محیطی مختلف و تغییر در این گونه عوامل مکان ایستادن عضو متحرک در حالت خاموش و بدون بار همواره باید قبل از استفاده توسط سیم پیچ تنظیم مخصوص که جهت این کار در نظر گرفته شده است استفاده کرد و عضو متحرک را دقیقاً بر روی صفر تنظیم نمود.

قدرت مصرفی دستگاههای اندازه گیری :

همان طور که می دانید هر وسیله ای جهت انجام کار نیاز به انرژی دارد. دستگاههای اندازه گیری نیز از این مسئله مستثنی نیستند. هر دستگاه اندازه گیری جهت نشان دادن مقادیر نیاز به مصرف مقداری انرژی دارد. هر چه مصرف داخلی دستگاه جهت انجام اندازه گیری بیشتر باشد بالطبع حرارت ناشی از آن نیز بیشتر بوده و این حرارت بر کار اجزاء دستگاه اثر می گذارد و در نتیجه دستگاه اندازه گیری را دچار خطا می کند. شایان ذکر است که قسمت اعظم تلفات داخلی دستگاههای اندازه گیری ناشی از حرارت سیم پیچهای آن می باشد و فقط مقدار ناچیزی از این تلفات ناشی از تلفات در هسته های آهنی می باشد. که می توان در مقابل تلفات ناشی از سیم پیچها از آن صرف نظر نمود .

ولتاژ آزمایش عاقی در دستگاههای اندازه گیری :

در دستگاههای اندازه گیری هر یک از قسمتهای الکتریکی دستگاه را به طور مجزا نسبت به زمین با توجه به ولتاژ نامی آن دستگاه اندازه گیری نسبت به زمین مورد آزمایش قرار می گیرد قابل توجه است که منظور از ولتاژ نامی هر دستگاه ولتاژ شبکه ای است که دستگاه اندازه گیری مجاز به اتصال به آن می باشد.

علائم شناسی در دستگاههای اندازه گیری :

بر روی صفحه مدرج دستگاههای اندازه گیری علائم و مشخصات دیگری نیز ثبت می شود که بسته به نوع این علامتها می تواند نشان دهنده ی نوع و یا طریقه کاربرد این دستگاهها باشد. به طور معمول این علائم نشان دهنده مکانیزم دستگاه اندازه گیری ، ولتاژ آزمایش عایقی آن و یا نوع جریانی که دستگاه فوق الذکر می تواند با آن کار کند، کلاس دستگاه اندازه گیری و موارد دیگری از قبیل احتیاط ، و حفاظت در دستگاههای اندازه گیری می باشد .

انواع درجه بندی ها در دستگاههای اندازه گیری :

در دستگاههای با مکانیزم قاب گردان درجه بندی قسمت مدرج این دستگاهها به صورت خطی می باشد. یعنی در این نوع از درجه بندیها فاصله بین درجات یک اندازه و به صورت یکنواخت می باشد. در این نوع مکانیزم اگر جریان را دو برابر کنیم انحراف عقربه نیز نسبت به حالت قبل دوبرابر می شود. ولی در دستگاههای اندازه گیری با مکانیزم آهن نرم گردان درصورت دوبرابر شدن جریان انحراف عقربه چهار برابر می گردد.

مولتی متر یا آومتر و اجزا آن :

مفهوم کلمه مولتی متر به معنی چند اندازه گیر یا اندازه گیر مختلط است . یعنی وسیله اندازه گیری که قادر است چند کمیت مختلف مورد اندازه گیری را مورد سنجش و اندازه گیری قرار دهد. نام دیگری که در بعضی جاها برای چنین وسیله ای به کار برده می شود آومتر است. آومتر از مخفف کلمات آمپر ، ولت و اهم تشکیل یافته است. آومتر وسیله اندازه گیری است که می تواند میزان جریان یا آمپر و میزان اختلاف سطح و میزان مقاومت را مورد اندازه گیری قرار دهد. به طوری کلی می توان چنین گفت که هر دستگاه اندازه گیری آومتر از نظر نگاه ظاهری به سه دسته زیر تقسیم می شود:

۱- صفحه مدرج و عقربه

۲- سلکتور مدرج و عقربه

۳- ترمینال های ورودی دستگاه و پیچهای تنظیم کننده

ساده ترین روش تشخیص دستگاههای اندازه گیری آنالوگ از نوع دیجیتالی آن از نوع دیجیتال ، وجود عقربه می باشد. یعنی غالباً دستگاههای اندازه گیری که دارای عقربه جهت نمایش کمیت مورد اندازه گیری هستند آنالوگ یا پیوسته نامیده می شوند زیرا در این گونه دستگاهها جهت نمایش یک مقدار مشخص عقربه دستگاه فوق شروع به حرکت کرده و به صورت پیوسته و با عبور از روی کمیتهای قبلی به کمیت مورد نظر می رسد. اکنون به توضیح قسمتهای مختلف یک مولتی متر که در بالا آن را توضیح دادیم ، می پردازیم .

۱- صفحه مدرج و عقربه :

بر روی صفحه مدرج هر مولتی متر کمیتهایی را که اندازه گیری می کند مشخص می گردد. بر روی صفحه مدرج مولتی متر درجه بندیهایی صورت گرفته است. بدین صورت که برای کمیت مورد اندازه گیری ولتاژ حرف v و کمیت مورد اندازه گیری جریان حرف A و کمیت مورد اندازه گیری مقاومت علامت? بر روی صفحه مدرج حک شده است. همچنین از حروف A.C برای جریان متناوب و D.C برای جریان مستقیم منظور می گردد. بر روی صفحه مدرج همانطور که در بالا گتفه شد چند ردیف درجه بندی صورت گرفته است. این درجه بندیها برای ردیف ولتاژ معمولا به صورت ۱۰-۰ یا ۳۰-۰ یا ۵۰-۰ یا ۲۵۰-۰ می باشد. نکته قابل توجه در این طریقه قرار گرفتن درجه بندی روی مولتی مترها این است که درجه بندی اهم همیشه از سمت راستت صفحه به طرف چپ آن بوده و سایر درجه بندیها از طرف چپ به راست صفحه مدرج صورت می پذیرد.

۲- سلکتور :