انواع تجهیزات و روش های اندازه گیری و ابزار دقیق

تعریف اندازه گیری و یکاهای اصلی :

ابتدا به تعریف ساده از اندازه گیری میپردازیم.اندازه گیری به معنی انتساب یک عدد به یک مشخصه یک شی یا رویداد است که می تواند با سایر اشیا یا رویدادها مقایسه شود. محدوده و کاربرد اندازه گیری بستگی به زمینه و رشته دارد.

انواع داده ها و مقیاس های اندازه گیری: نامی( اسمی)، وصفی، فاصله ای و نسبی. این طبقه بندی را میتوان ساده ترین روش برای دسته بندی انواع مختلف متغیرها نامید که معمولا در زمینه های آکادمیک مورد استفاده قرار میگیرد. اما در دنیای واقعی اولین چیزی که پس از شنیدن کلمه اندازه گیری به ذهن متبادر میگردد انواع واحدهای اندازه گیری و استاندارد سازی هریک از آنهاس. به منظور اندازه گیری انواع پارامترها ،چند یکای اصلی  در سیستم متریک به صورت استاندارد (SI) تعریف شده است که در ادامه  به تشریح هر یک میپردازیم.

تعریف یکای اصلی در سیستم SI(ویکی پدیا)

سایر یکاها را میتوان از یکاهای اصلی به دست آورد که به آنها یکا های فرعی اس آی (SI) می نامند.

دقت اندازه گیری :

در بحث اندازه گیری نمیتوان جواب کامل از اندازه گیری ارائه کرد . هرکسی که مقدار اندازه گیری را گزارش میکند در واقع بهترین تخمین خود را از مقدار اصلی به همراه خطای اندازه گیری را بیان میکند. درستی اندازه گیری از روی تطبیق مقدار اندازه گیری شده  با واقعیت نتیجه می‌شود. اندازه گیری دقیق ، زمانی اتفاق می افتد که خطای آن ، در مقایسه با مقدار اندازه گیری شده عددی بسیار کوچک باشد. دقت اندازه گیری به عوامل مهمی از جمله : مهارت فرد اندازه گیری کننده در تخمین ، نحوه و ساختار اندازه گیری ، مقدار رزولوشن یا تفکیک پذیری وسیله اندازه گیری ، مقدار تفکیک پذیری چشمی  و غیره بستگی دارد. بنابراین ، صحت تمامی اندازه گیریها ، به دلیل محدودیت در دقت (تکرار پذیری آزمایش) و خطای ناشی از طبیعت وسیله اندازه گیری و جسمی که اندازه گیری می‌شود، محدود است.

در بحث اندازه گیری پارامترهای دیگری از جمله خطای اندازه گیری ، تجهیز مورد استفاده برای اندازه گیری ،نحوه محاسبه و تخمین خطا ، استفاده از یکا و ارقام با معنی و . نقشی تاثیر گذار در نتیجه اندازه گیری دارند اما دو فاکتور اصلی و مهم در هر اندازه گیری یکای مد نظر و دقت اندازه گیری مربوط به آن است که در بالا به این دو مورد پرداخته شد.

تعریف دما و تاریخچه آن:

دما به متوسط انرژی جنبشی ذرات سازنده یک جسم ( مولکولها ) گفته میشود که این انرژی به سه روش جابجایی، هدایت و تشعشع قابل انتقال از جسم گرم ( دمای بالا) به جسم سرد ( دمای پایین ) است. تاریخچه اندازه گیری دما به قرن 17 ام برمی گردد که تلاش برای یافتن دمای طبیعی استاندارد و ساخت وسیله ای برای اندازه گیری دما آغاز گردید. سپس در اواسط قرن هفدهم اولین دماسنج مهروموم شده ساخته شد و در اوایل قرن هجدهم آقای فارنهایت دماسنج جیوه ای بهمراه مقیاس مشخص را ساخت که این اتفاق را میتوان سر آغاز تحول در زمینه تعریف دقیق یکای دما و تجهیزات اندازه گیری دما دانست.

اندازه گیری دما :

به منظور اندازه گیری دما روش ها و متدهای زیادی ابداع گردیده که تماما بر اساس اندازه گیری تغییرات ویژگی های فیزیکی مواد در اثر تغییرات دمایی استوار است .یکی از رایج ترین ابزار برای اندازه گیری دما، دماسنج شیشه ای است. این وسیله شامل یک لوله شیشه ای پر از جیوه یا مایع دیگر است که به عنوان ماده موثر برای اندازه گیری دما در دماسنج کار میکند. افزایش دما موجب گسترش مایع می شود، بنابراین درجه حرارت را می توان با اندازه گیری حجم مایع تعیین کرد.

سایر دستگاه های مهم برای اندازه گیری دما عبارتند از:

 - ترموکوپل

ترموکوپل در واقع یک سنسور ( حسگر ) برای اندازه گیری دما است. ساختار داخلی ترموکوپل ها شامل  دو سیم ساخته شده از فات مختلف است. پایه های این دو سیم در یک طرف جوش داده میشوند . این محل اتصال دقیقا جایی است که اندازه گیری دما در این محل اتفاق می افتد. هنگامی که در محل اتصال تغییر دمایی اتفاق می افتد ، اختلاف ولتاژ بسیار کوچکی در محل اتصال دو سیم ایجاد میشود که با اندازه گیری این ولتاژ ( در حد میلی ولت ) و با استفاده از جداول مرجع ترموکوپل برای محاسبه درجه حرارت، میتوان دما را اندازه گیری کرد.

انواع مختلف ترموکوپل ها، براساس ب ویژگی های خاص خود را از نظر درجه حرارت، دوام، مقاومت در برابر ارتعاش، مقاومت شیمیایی و سازگاری نرم افزار وجود دارد. نوع J، K، T، و E ترموکوپل های پایه ف هستند که شایع ترین انواع ترموکوپل هستند. انواع ترموکوپل های R، S و B ترموکوپل های "Noble Metal" هستند که کاربرد آنها به صورت خاص می باشد.

 - ترمیستورها

ترمیستور در واقع نیمه هادی هایی هستند که  با تغییرات دمایی ، میزان مقاومت الکتریکی در آن تغییر می کند این نام از واژه توصیفی "thermally sensitive resistor"، نام اصلی این دستگاهها، مشتق شده است. ترمیستورها برای اولین بار توسط مایکل فارادی در سال 1833 کشف شد، هرچند ترمیستورهای مفید تجاری تا سال 1930 تولید نمی شد. در حال حاضر آنها به طور گسترده ای در انواع مختلفی از کاربردهای الکترونیکی، اغلب به عنوان سنسورهای دما استفاده می شود. استفاده های اضافی ترمیستورها شامل محدود کننده های جریان، محافظ های جریان و  رگولاتور عناصر گرمایشی است.ترمیستورها یک نوع نیمه هادی هستند، به این معنی که مقاومت بیشتری نسبت هادی های الکتریکی و مقاومت کمتر نسبت به مواد عایق بندی شده دارند. رابطه بین درجه حرارت ترمیستور و مقاومت آن بسیار وابسته به موادی است که از آن تشکیل شده است.

ترمیستورها شامل دو نوع  هستند:

- ترمیستورهای NTC: با افزایش دما مقدار مقاومت این نوع ترمیستور کاهش می یابد. ترمیستور نوع NTC معمولا به عنوان یک سنسور دما استفاده می شود و یا به طور سریال با یک مدار به عنوان محدود کننده  جریان هجومی مورد استفاده قرار میگیرد.
- ترمیستورهای PTC:  با افزایش دما مقدار مقاومت این نوع ترمیستور افزایش می یابد. ترمیستورهای PTC معمولا در سری با یک مدار نصب می شوند و برای حفاظت در برابر جریان های هجومی و یا جریان های بالا، به عنوان فیوز مجدد قابل تنظیم هستند.

- دماسنج های مقاومتی (RTD)

همانطور که از نام آن مشخص است این نوع دماسنج ها به کمک تغییرات مقاومتی که رابطه مستقیم با تغییرات دمایی دارد، میتواند مقدار دما را اندازه گیری کند  این نوع سنسور ها شامل یک  سیم نازک در اطراف یک هسته سرامیکی یا شیشه ای می باشند. ف مورد استفاده باید نقطه ذوب بالای و مقاوم در برابر خوردگی باشد. پلاتین بهترینین ف برای استفاده در RTD است، زیرا رابطه بین مقاومت و دما کاملا خطی است. در مس نیز این رابطه نسبتا خطی می باشد و دامنه آن کمتر از پلاتین است.در صورت استفاده از نیکل، حساسیت RTD بیشتر خواهد بود ولی برای دما بیشتر از 400 درجه ارتباط به شدت غیر خطی است. از تنگستن می توان برای اندازه گیری بسیار کم دما استفاده کرد، اما به دلیل مشکلات سازه و عدم استعداد آن، کمتر مورد استفاده قرار می گیرد. RTD ها استاندارد دارای مقاومت پلاتینی هستند که در درجه حرارت صفر درجه مقاومت آن 100 اهم است و به اصطلاح با آن PT100 گفته می شود.

- پیرو متر (پایرومتر ، ترمومتر لیزری)

این نوع دماسنج که شامل سنسور های اندازه گیری از راه دور است ، به کمک اندازه گیری شار نوری مادون قرمز که از سطح اشیا ساطع میگردد میتواند مقدار دمای سطحی اجسام را اندازه گیری کند. در واقع نام این دماسنج نشان دهنده طرز کار این دماسنج است که به کمک پایرومتری و در موارد جزئی رادیومتری میتواند دما را اندزاه گیری کند. ترمومتر های لیزری که در حال حاضر در بازار موجود است بر همین اساس میتوانند دمای سطحی جسم را در دماهای گوناگونی اندازه گیری کند. نکته ای که باید برای این دماسنج ها در نطر داشت اینست که سطح اندازه گیری باید کدر باشد زیرا دما به صورت تشعشعی منتقل نگردد. نکته مهم دیگر آنست که برای اندازه گیری دمای مواد مذاب و گداخته نمیتوان از این نوع دماسنج استفاده کرد.

- فرو سرخ (گرمانگار، ترمووِیژن)

این نوع دماسنج ها در واقع با نام دوربین حرارتی شناخته میشود. طرز کار این نوع دوربین ها به کمک یک آشکار ساز مادون قرمز است که میتواند پرتوهای مادون قرمز ساطع شده را دریافت و با پردازش و فیلتر گذاری به صورت یک تصویر حرارتی رنگ بندی شده نمایش دهد. تصویر نهایی به کمک یک پالت رنگی بر اساس دما رنگ بندی میشود به این ترتیب که نقاط با دمای بالا به طیف رنگی قرمز متمایل میشود و دمای نقاط سرد تر به طیف رنگی آبی و در نهایت تصویر حرارتی تولید میگردد. تکنولوژی بکار رفته در این دوربین ها به صورت های گوناگونی بوده و این دوربین ها به اشکال گوناگون مانند : دستی ، گجت موبایل ، آتشنشانی ، قابل نصب بر روی کلاه ، شکاری و در بازار موجود است.

- پروب لانگموری (برای دمای الکترونی پلاسما)

در دهه های اخیر، بسیاری از تکنیک های ترمومتریک(اندازه گیری دما) توسعه یافته اند. متداول ترین و گسترده ترین تکنیک های ترمومتری غیر تهاجمی در زمینه بیوتکنولوژی بر اساس تجزیه و تحلیل تصاویر رزونانس مغناطیسی، تصاویر توموگرافی کامپیوتری و اکوتوموگرافی است. این تکنیک ها امکان کنترل دما درون بافت ها بدون معرفی یک عنصر حساس را فراهم می کند.  در زمینه جریانهای واکنشی (مانند احتراق، پلاسما)، لیزر فلورسانس (LIF)، CARS و اسپکتروسکوپ جذبی لیزر برای اندازه گیری دما در داخل موتورها، توربین های گاز، لوله های شوک، راکتورهای سنتز و غیره مورد بهره برداری قرار گرفته اند .توانایی چنین تکنیک های مبتنی بر اپتیکشامل اندازه گیری سریع بدون تحریک است.

بی متال جیست ؟

از لحاظ لغوی Bimetal اشاره به یک شی متشکل از دو یا چند ف متصل بهم دارد. اشیای بیمتالیک بر خلاف آلیاژها که از مخلوط شدن دو یا چند ف تهیه میشود ، به شیی چند جداره متشکل از فهای مختلف اشاره دارد. اساس کار بی متال بر پایه اتصال کامل دو ف مختلف (آهن وبرنج ) با ضریب انبساط طولی متفاوت به یکدیگر است . هنگامی که دمای این دو ف افزایش می یابد ، بی متال به سمت فی که دارای ضریب انبساط طولی کمتر بوده خم میشود که این عکس العمل اساس کار بی متال را تشکیل میدهد.