اندازه گیری دما

از دیدگاه صنعتی دما یکی از مهمترین پارامترهای اندازه گیری است. در بیشتر سیستم های صنعتی از تجهیزات اندازه گیری دما مانند دماسنج مایع =در- شیشه، دماسنج با صفحه ی مدرج، حسگرهای ترموکوپلی، اسباب های دمایی- مقاومتی(RTD) و انتقال دهنده های دما استفاده می شود. همچنین دما یکی از مهمترین پارامترهای خدمات بهداشتی برای پایش محیط زیست و سیستم های ایمنی است.

واحدهای SI

واحد مبنای SI برای دما، کلوین است که برابر است با 273.16/1 دمای ترمودینامیکی نقطه سه گانه آب، درجه سلسیوس نیز در سیستم SI به رسمیت شناخته می شود و از معادله زیر بدست می آید:

t = T – 273.16

که در معادله فوق t دما برحسب درجه سلسیوس و T معادل آن برحسب کلوین است.

مقیاس ترمودینامیکی

دما میزان گرمی یک شیی و تابع قوانین ترمودینامیک است. مقیاس دما بر قانون اول و دوم ترمودینامیک معروف به مقیاس دمای دمای ترمودینامیکی مبتنی است. کوچکترین حد مقیاس ترمودینامیکی صفر مطلق یا صفر کلوین(K) است.چون این مقیاس خطی است برای تکمیل شدن فقط به یک نقطه مرجع غیر صفر دیگر نیاز دارد. در اصل این نقطه مرجع، نقطه انجماد آب(0˚C یا 273.16 ) است. در 1960 این نقطه مرجع به نقطه تجدید پذیر بهتری بنام نقطه سه گانه آب(0.01˚C)تبدیل شد.

دلیل علمی وجود دارد:

الف. اندازه گیری دما های ترمودینامیکی مشکل است. صرفنظر از پیچیدگی های فنی اندازه گیری یک دمای ترمودینامیکی ممکن است هفته ها یا حداقل روزها طول بکشد.

ب. در تعیین دما بر روی مقیاس ترمودینامیکی، خطاهای سیستماتیک بزرگی بوجود می آید، هر چند این خطاها در سال های اخیر حداقل شده اند.

ج. ریزنگری و تکرارپذیری بسیاری از دماسنج های تجربی از دماسنج های ترمودینامیکی بهتر است. از اینرو همه اندازه گیری های کاربردی دما مبتنی بر مقیاس دمای تجربی است که گاهی CGPM تعریف می کند.

مبانی و اصول کالیبراسیون تجهیزات اندازه‌گیری

مبانی و اصول کالیبراسیون تجهیزات اندازه‌گیری

کیفیت مقوله‌ای است که همواره مورد نیاز مادی و معنوی انسان بوده است و نبود آن می‌تواند دشواری‌هایی برای وی بوجود آورد. بدیهی است کنترل کیفیت و تضمین آن بر اندازه‌گیری استوار است. فراگیری روش اندازه‌گیری کمیت‌های گوناگون و در نگاهی وسیع‌تر کالیبراسیون دستگاه‌ها، راهی برای نیل به این خواسته است.

هر دستگاه ویژگی‌های فنی و ویژگی‌های اندازه شناختی خود را دارد. با توجه به اینکه دستیابی به کیفیت برتر از طریق انجام آزمون‌ها و اندازه‌گیری‌های مطمئن ارزیابی می‌گردد. آیا نو بودن تجهیزات یا استفاده ازتکنولوژی جدید دستگاهی، می‌تواند منجر به اندازه‌گیری مطمئن شود. پاسخ اینست که تنها کالیبراسیون صحیح و دوره‌ای به نتایج خروجی دستگاه‌ها کیفیت می‌بخشد. با انجام کالیبراسیون به دنبال یافتن ویژگی‌های اندازه شناختی دستگاه هستیم تا در صورت نیاز اصلاحات لازم را انجام دهیم. اغلب استانداردهای مدیریت کیفیت در بخش الزامات فنی، از کالیبراسیون تجهیزات نام برده و آنرا الزام نموده‌اند.

اصول کالیبراسیون،مبانی،ظروف حجمی،کالیبره،شیشه الات،آزمایشگاه حجم،کالیبراسیون حجم،گواهینامه،روش هدف کالیبراسیون ایجاد نظامی موثر به منظور کنترل صحت و دقت پارامترهای مترولوژیکی دستگاه‌های آزمون و وسایل اندازه‌گیری و کلیه تجهیزاتی است که عملکرد آنها بر کیفیت فرایند تاثیرگذار می‌باشد. این کار به منظور اطمینان از تطابق اندازه گیری‌های انجام شده با استانداردهای جهانی مورد استفاده قرار میگیرد

به طور کلی کالیبراسیون به سه روش قابل اجراست. روش اول کالیبراسیون برای به دست آوردن خطا و ثبت نتایج حاصله است. روش دوم کالیبراسیون روش اول را در برگرفته و علاوه بر آن نتایج حاصله با استاندارد  و دستورالعمل مقایسه شده  و وضعیت وسیله نیز از جهت قبول یا رد آن مشخص میشود. روش سوم کالیبراسیون روش دوم را دربرگرفته و تنظیم، تعمیر یا حذف خطای ایجاد شده را نیز دربرمیگیرد.

تعیین حداکثر زمان فواصل کالیبراسیون دورهای دستگاه های اندازه گیری یکی از عناصر مؤثر در یک نظام کالیبراسیون است.

برخی منابع خطا وعدم قطعیت در اندازه گیری حجم با استفاده از ظروف و وسائل حجمی یکی از فعالیتهای متداول در آزمایشگاههای آزمون ، استفاده از حجم معینی از مایعات برای انجام آزمایشات مختلف است.

برای این منظور از ظروف و وسائل حجمی مختلفی مانند پیپت ، ارلن ، بالن و …  استفاده میشود .

مشابه سایر  سیستمهای اندازه گیری و کالیبراسیون  ، نتیجه اندازه گیری (اصطلاحأ کمیت خروجی سیستم کالیبراسیون)  و عدم قطعیت گسترده آن متأثر از عوامل مختلفی (اصطلاحأ کمیتهای ورودی) است .هر یک از این عوامل تأثیر گذار،سهم عدم قطعیت استاندارد خودرا برروی عدم قطعیت گسترده نتیجه اندازه گیری دارند. بنابراین شناسائی این عوامل و بدنبال آن  نحوه ارزیابی عدم قطعیت استاندارد آنها باتوجه به توزیع آماری که از آن تبعیت میکنند و نحوه ترکیب این عدم قطعیتها با توجه به مدل ریاضی متصور برای سیستم کالبیراسیون (مانند قانون انتشار عدم قطعیتها) از اهمیت بالائی برخوردار است.

بطور کلی صرف نظر از مدل ریاضی سیستم اندازه گیری حجم با استفاده ازظروف و وسائل حجمی ،عوامل تأثیر گذار (کمیتهای ورودی ) در کالیبراسیون  جرم عبارتند از:

1- کالیبراسیون  ظروف و وسائل حجمی

عدم قطعیت نسبت داده شده به کالیبراسیون ظروف و وسائل حجمی که در گواهی کالیبراسیون آنها یا درمشخصات فنی آنها و یا روی خود ظروف درج شده است و بایستی بصورت عدم قطعیت استاندارد (انحراف استاندارد) تبدیل شود.

با توجه به اطلاعات مندرج در گواهی کالیبراسیون مانند ضریب پوشش ، سطح اطمینان ، نوع توزیع آماری نتیجه اندازه گیری ، تعداد درجات آزادی مؤثر (برای توزیع آماری t ) و … میتوان عدم قطعیت استاندارد این عامل را براحتی برآورد کرد.

در صورتیکه کلاس درستی درج شده بروی این وسائل و ظروف حجمی یا ارائه شده در مشخصات فنی آنها تغییر نکرده باشد و قابل اطمینان و استناد باشد ، میتوان با توجه به کلاس درستی و حد رواداری مربوطه ، سهم عدم قطعیت استاندارد این عامل را ارزیابی کرد. بطور مثال برای ظروف شیشه ای کلاسA که مطابق با استاندارد آمریکائی ASTM ساخته می شوند ، حدرواداری 02/0 میلی لیتر تا حجم 10میلی لیتری ذکر شده است و برای ارزیابی عدم قطعیت استاندارد آن بهتراست توزیع مستطیلی در نظر گرفته شود.

2- دما

حجم ظروف و وسائل حجمی دریک دمای استاندارد (مثلأ 20 درجه سلسیوس) تعیین می شوند و هرگونه اختلاف دما با آن ، باعث بروز خطا می شود . همچنین عدم پایداری دمائی محیط ، باعث تغییرات حجم و بروز عدم قطعیت دراندازه گیری حجمی است. برای ارزیابی خطا و همچنین عدم قطعیت این عامل از رابطه زیر که ارتباط حجم با دما را نشان میدهد و با فرض توزیع مستطیلی،  میتوان استفاده کرد:

V=V₀( 1 + a ΔT)

 ΔV=V – V₀ = V₀ a ΔT

که ΔT میزان تغییرات دما در مقایسه با دمای استاندارد ، V₀ حجم اسمی ظرف یا وسیله حجمی در دمای استاندارد  و a ضریب انبساط حجمی مایع درون ظرف یا وسیله حجمی است . ضریب انبساط حجمی a ،   برای آب تقریبأ  ^4-10 2x و برای مایعات آلی ^3-10 1x  بازاء هردرجه کلوین (درجه سلسیوس) است.

غالبأ ظروف حجمی از جنسی ساخته میشوند که ضریب انبساط حجمی آن در مقایسه با ضریب انبساط حجمی مایعی که درون آنها ریخته می شود بسیار کمتر است و از تغییر حجم آن میتوان صرف نظر کرد.

 3- عدم تکرارپذیری و پراکندگی نتایج در آزمونهای تکراری

برای ارزیابی این عامل  میتوان از عدم قطعیت استاندارد مقادیر مشاهده شده از تکرار اندازه گیری مقدار حجم که میتواند بروش توزین(با استفاده از ترازو)  انجام گیرد ( ارزیابی نوع A ) .

بطور مثال برای یک پیپت آزمایشگاهی ، میتوان آنرا چند بار با مایعی با جرم حجمی معین پر و سپس خالی و جرم مقادیر تخلیه شده را با ترازو تعیین کرد و با استفاده از نتایج حاصل ، انحراف استاندارد و عدم قطعیت استاندارد  را تعیین کرد.

کیفیت مقوله‌ای است که همواره مورد نیاز مادی و معنوی انسان بوده است و نبود آن می‌تواند دشواری‌هایی برای وی بوجود آورد. بدیهی است کنترل کیفیت و تضمین آن بر اندازه‌گیری استوار است. فراگیری روش اندازه‌گیری کمیت‌های گوناگون و در نگاهی وسیع‌تر کالیبراسیون دستگاه‌ها، راهی برای نیل به این خواسته است.

هر دستگاه ویژگی‌های فنی و ویژگی‌های اندازه شناختی خود را دارد. با توجه به اینکه دستیابی به کیفیت برتر از طریق انجام آزمون‌ها و اندازه‌گیری‌های مطمئن ارزیابی می‌گردد. آیا نو بودن تجهیزات یا استفاده از تکنولوژی جدید دستگاهی، می‌تواند منجر به اندازه‌گیری مطمئن شود. پاسخ اینست که تنها کالیبراسیون صحیح و دوره‌ای به نتایج خروجی دستگاه‌ها کیفیت می‌بخشد. با انجام کالیبراسیون به دنبال یافتن ویژگی‌های اندازه شناختی دستگاه هستیم تا در صورت نیاز اصلاحات لازم را انجام دهیم. اغلب استانداردهای مدیریت کیفیت در بخش الزامات فنی، از کالیبراسیون تجهیزات نام برده و آنرا الزام نموده‌اند.

اصول کالیبراسیون،مبانی،ظروف حجمی،کالیبره،شیشه الات،آزمایشگاه حجم،کالیبراسیون حجم،گواهینامه،روش Calibration of laboratory glassware

کالیبراسیون دما

کالیبراسیون دما چیست؟

کالیبراسیون دما روشی برای بررسی و در اکثر موارد اصلاح دقت دستگاه اندازه گیری دما است. با چک کردن توسط وسیله ای بسیار دقیق که به طور دقیق شناخته شده است، تفاوت در خواندن نشان می دهد که دستگاه شما برای خواندن همان دستگاه استاندارد، باید کالیبره شود. گاهی اوقات دماسنج یکی است که کاملا مکانیکی است و به انبساط یا انقباض مایع بستگی دارد.

در سایر مواقع، این دستگاه دیجیتالی است.

انواع دستگاه های کالیبراسیون دما:

ترموکوپل ها:

این دستگاه تقریبا مورد استفاده ترین دستگاه دما است. از دو فلز مختلف تشکیل شده است که ولتاژ تولید می کنند که نشان دهنده دما است.

آشکار سازهای دمای مقاومت (RTD):

اینها اغلب از سیم زخیم پلاتینی ساخته شده اند. اگر چه گران هستند، اما دقیق هستند و سریع پاسخ می دهند.

ترمیستورها:

از یک پایه نیمه هادی تشکیل شده و دما را در یک محدوده محدود اندازه گیری می کنند.آنها اغلب در شرایط پزشکی استفاده می شوند.

آشکار سازهای تشعشع مادون قرمز(IR):

این ها به دلیل داشتن سنسورهای غیر تماسی بی نظیر هستند. آنها از یکی از دو نوع فناوری استفاده می کنند :دوربین تصویر برداری حرارتی یا فشار سنج IR.

دماسنج های مایع در شیشه:

بسیار ارزان اما شکننده هستند. به دلیل ماهیت مکانیکی آنها، نمی توانند کالیبره شوند، اما تفاوت خطا را می توان در بالا یا زیر قرائت استاندارد ذکر کرد.

استانداردهای اندازه گیری الکتریکی

مقدمه

اندازه گیری جریان الکتریکی،اختلاف پتانسیل،مقاومت،ظرفیت خازنی و القاکنایی در فرآیندهای صنعتی از اهمیت حیاتی برخوردار است.از انواع گوناگونی از دستگاههای اندازه گیری الکتریکی مانند مولتی مترها،پلها،دستگاه های آزمایش عایقی(insulation tester)، وسیله اندازه گیری ولتاژهای بزرگ بعلاوه مقاومت ها ،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

آمپرمتر

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 نیرویی معادل m/N7 -^10*2 تولید می شود.

ولت

ولت،واحد SI برای اختلاف پتانسیل الکتریکی است و به صورت زیر تعریف می شود:

اختلاف پتانسیل بین دو نقطه از یک سیم هادی حامل جریان ثابت یک آمپر وقتی که توان تلفاتی بین این دو نقطه 1 وات است.

ولت بر حسب واحدهای مکانیکی عبارت است از:

  1 آمپر/1 ولت ₌ 1 ولت

1 ثانیه/1 ژول ₌ 1 وات

1 متر/1 نیوتن ₌ 1 ژول

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. این واحد از ولت ،آمپر و ثانیه گرفته می شود:

1 ولت / 1 کولمب ₌ 1 فاراد

1 ثانیه * 1 آمپر ₌ 1 کولمب

کولمب واحد SI برای بار الکتریکی است.

هانری

هانری ، واحد SI برای القاکنایی است . این واحد از ولت ، ثانیه و آمپر گرفته می شود :

1 آمپر / 1 وبر ₌ 1 هانری

1 ثانیه * 1 ولت ₌ 1 وبر

واحد شار مغناطیسی در SI  وبر است.

تعاریف فوق در نهمین CGPM 1948 پذیرفته شدند و تاکنون معتبرند.تحقق واحدها با استفاده از استانداردهای فیزیکی باعث پیدایش مشکلات عملی بیشماری شد.بنابراین ، آمپر ،ولت ، اهم و سایر واحدهای تحقق یافته  به وسیله BIPM و آزمایشگاه های ملی مختلف با عدم قطعیت هایی ناشی از محدودیتهای ذاتی استانداردهای فیزیکی و شرایط اندازه گیری تولید می شوند.

استانداردهای اولیه

جریان

استانداردهای اولیه تحقق آمپر ، ترازوی جریان است. یک ترازوی جریان از اصول ارائه شده در تعریف آمپر استفاده می کند ، ولی به روش عملی تر . به جای استفاده از هادی های بلند و مستقیم از دوسیم پیچ دایره ای استفاده می شود. یک سیم پیچ ثابت و دیگری در انتهای یکی از بازوهای ترازو نصب می شود.نیروی تولید شده بین ایندو سیم پیچ وقتی که جریان ثابتی از آنها عبور می کند به وسیله وزنه های قرار داده شده در بازوی دیگر ترازو متوازن می شود. عدم قطعیت تحقق آمپر با استفاده از ترازوی جریان تقریبا ppm15 است. به علت مشکلات تحقق آمپر با استفاده از ترازوی جریان و دسترسی به استانداردهای ولت  و اهم در بسیاری از کشورها و آزمایشگاه های ملی ، آمپر از نسبت ولت و اهم و بااستفاده از  قانون اهم بدست می آید:

1 اهم / 1 ولت ₌ 1 آمپر

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 شود و در معرض تشعشعات یک منبع میکروویو قرار گرفت ، ولتاژی  DCدر پیوند تولید می شود که متناسب با فرکانس منبع میکروویو است.یک سری ولتاژهای DC ثابت در پیوند به علت تونل زنی (tunneling) مکانیکی- کوانتومی جریان AC پیوند تولید می شوند ، ولتاژDC گامها از معادله ی زیر بدست می آید :

V=((fnh)/(2e) )=((fn)/(kj))

f: فرکانس جریان AC

n : عدم گام

h  : ثابت پلانک

e  : مقدار بار الکتریکی

Kj ثابت جوزفسون نامیده می شود و مقدار اختصاصی آن برابر است با V/GHZ9/483597 .

پیوند باید در دمای کمتر از 2/4 کلوین نگهداری شود و در یک محفظه عایق دو جداره حاوی هلیم مایع قرار گیرد. ولتاژ تولید شده به وسیله ی یک تک پیوند mv10 است. امروزه استانداردهای جوزفسون از آرایشی از پیوندها که با یکدیگر سری شده و ولتاژ خروجی ای تا VDC10 تولید می کنند ، تشکیل می شوند. آزمایشهای اخیر نشان می دهد که ولتاژ DC ایجاد شده به وسیله پیوندهای جوزفسون که در معرض تشعشعات یک منبع میکروویو معمولی قرار دارد و در محدوده ی 3 3 بخش بر 9^10 قرار می گیرد.

محققانی که در موسسه ملی استانداردها و تکنولوژی (NIST) کار میکنند اخیرا یک استاندارد جوزفسون جمع و جور ، قابل حمل و تماما خودکار را معرفی کردند. عدم قطعیت تحقق ولت با استفاده از این استاندارد به ازای سطح اطمینان 95 درصد 1 بخش بر 9^10 است.

مقاومت

استاندارد مقاومت

استاندارد مقاومت بر اساس اثر هال کوانتومی (Quantum Hall Effect,QHE) ایجاد می شود. در 1980 ون کلیتزینگ اثر هال کوانتومی را در ماسفت های سیلیکونی با کیفیت مشاهده کرد (ترانزیستورهای اثر میدانی نیمه هادیها اکسید فلز) . آزمایشهای بعدی با همکاری PTB آلمان و سایر کارکنان در چندین آزمایشگاه ملی دیگر نشان داد که می توان از اثر هال کوانتومی برای ساخت استاندارد مقاومت بین اللملی استفاده کرد. یک ترانزیستور ماسفت سطحی ساخته می شود تا جریانی از الکترونها را به یک لایه نازک وارد کند ، این ترانزستور از اجزای اصلی یک وسیله QHE است. ترانزیستور سطحی در محیطی سرمازا ودر دمای کمتر از 2/4 کلوین کار می کند، به طور نمونه در محدوده ی 1 تا 2 کلوین.میدانی مغناطیسی با چگالی چندین تسلا به صورت عمودی به سطح این نمونه اعمال می شود. جریانی مستقیم در امتداد محور طولی این وسیله اعمال می شود و ولتاژ هال تولید شده که بر میدان مغناطیسی و جهت جریان عمود است ، اندازه گیری می شود.

در یک جریان ثابت با تغییر میدان مغناطیسی ، ولتاژ هال به خاطر رفتار کوانتایی الکترونها شکلی پله ی یا گام مانند دارد.بنابراین تغییرات کوچک در میدان مغناطیسی بر اندازه ولتاژ هال اثر نمی گذارد.استانداردهای مقاومت هال که قابل حمل باشند نیز در دسترس قرار دارند.اخیرا محققان موسسه استانداردهای اندازه گیری ملی وابسته به شورای پژوهشی ملی کانادا استاندارد قابل حملی را معرفی کردند.

ولتاژ و مقاومت هال عبارت است از :

Vh=((Rk-90I))/n

Rh=((Vh)/(I))=((Rk-90)/(n))

Vh : ولتاژ هال

Rk-90 : مقدار اختصاصی ثابت ون کلیتزینگ

Rh: مقاومت هال

N : عددی صحیح که تعداد plateau ها در محل اندازه گیری مقاومت هال را نشان می دهد

مقدار بین اللملی توصیه شده برای ثابت ون کلیتزینگ دقیقا 807/25812 اهم است

ظرفیت خازنی

خازن قابل محاسبه

واحد SI برای ظرفیت خازنی ، فاراد ، با استفاده از خازن قابل محاسبه تامسون لمپارد ((Thompson Lampard

محقق می شود. این خازن قابل محاسبه وسیله ای خطی و به خازن عرضیاستوانه ای معروف است.ظرفیت خازنی بر واحد طول این خازن عرضی را می توان با دقت بالایی محاسبه کرد. چهار میله با مقطع عرضی دایره ای طوری قرار می گیرند که وقتی از انتها به آنها نگاه می کنیم در رئوس یک مستطیل قرار می گیرند . این چهار میله موازی را یک حفاظ الکترواستاتیکی احاطه کرده است. دو میله مورب روبرو ، یک خازن تشکیل می دهند.

اگر خازنهای هر دو میله را با نماد C1و C2 نمایش دهیم ، از اینرو خازن متوسط Cعبارت است از :

C=((C1+C2)/2)

C=ԐL[Ln2/π][1+0.087((C2-C1)/C))^2]+عبارات مرتبه چهارم و بالاتر

Ԑµ)/1= *C^2)

L: طول میله ها بر حسب متر

µ : نفوذپذیری خلاء

C: سرعت نور در خلاء

اگر C=C1=C2 باشد ،آنگاه C=ԐL(Ln2)/π

معمولا از عبارتهای مرتبه چهارم و بالاتر صرف نظر می شود و ظرفیت خازنی تقریبا برابر است با 2pF/m.

اما به علت اعوجاج میدان الکتریکی در نزدیکی انتهای میله ها ، خطا بوجود می آید. تعدادی از روشها مانند میله زمین متحرک مورد استفاده قرار می گیرد تا این اشکالات از بین برود.

استانداردهای ثانویه

سل های استاندارد

مجمعه ای از سل های کادمیومی و ستون اشباع شده ، استاندارد ولتاژ DC بودند که سالها آزمایشگاه های استاندارد آنها را نگهداری می کردند.اگر از سل های اشباع شده به دقت استفاده شود ، پایداری ولتاژ آنها مناسب و عمر مفیدشان طولانی است.

ولتاژ خروجی اسمی یک سل اشباع شده در دمای 20 درجه سلسیوس 0183/1 ولت است.سلهای منحصر بفردی ممکن است چند ده میکروولت با مقدار اسمی اختلاف داشته باشند.سل اشباع شده ضریب دمایی نسبتا بزرگی دارد، تقریبا ppm/c40- در دمای c20 ، بنابراین باید در یک حمام با دمای ثابت یا کوره نگهداری شوند تا ولتاژی پایدار داشته باشند.

محفظه های حاوی سلهای استاندارد به صورت تجاری در دسترس قرار دارند که معمولا حاوی چهار سل هستند و دمای کاری آنها تقریبا 30 درجه سلسیوس است. اگر دمای سلی تغییر کند و دوباره به حالت عادی بازگردد، پسماند ی قابل توجه در آن بوجود می آید.بعد از برگشت دما به مقدار اولیه اش، مقدار خروجی سل به مقدار قبلی اش یا یک مقدار جدید بر می گردد.اما برای رسیدن به محدوده ی ppm5/0 از مقدار قبلی اش به 90 روز وقت نیاز دارد. شوک یا ارتعاش ، بر هم زده تعادل ، تشکیل حباب گاز در الکترودها یا ورود جریان به سل یا خروج جریان از آن باعث رانش طولانی مدت قابل توجه ای در مقدار خروجی می شود.

نگهداری سل های استاندارد

خروجی استاندارد سل ها می تواند رانشی غیر قابل پیش بینی داشته باشد.در نتیجه ، از تعدادی محفظه که هر کدام حاوی چهار سل است به عنوان استاندارد ولتاژ استفاده می شود. حداقل سه یا چهار محفظه ی سل (12 سل ) نیاز است تا استاندارد ولتاژ قابل اطمینانی داشته باشیم.

ولتاژهای خروجی سل ها به طور منظم با یکدیگر مقایسه می شوند تا انحراف آنها از مقدار متوسط مجموعه سل ها با رسم نتایج اندازه گیری بر روی نمودارهای کنترلی تعیین شود. در این روش از یک (یا دو ) محفظه به عنوان استاندارد انتقالی برای تامین قابلیت ردیابی از طریق یک آزمایشگاه ملی یا بین المللی استفاده می شود.ورود یا خروج جریان بیش از حد به سل ها باعث آسیب جدی آنها می شود. بنابراین ، بسیا مهم است که از ورود و خروج جریان از سل ها جلوگیری شود.جریان کوچکی به به انداره ی 15-^10 آمپر ، برای مدت چندین دقیقه ،باعث تغییری می شود که زمان بازیابی آن بسیار طولانی خواهد بود.

استاندارد های ولتاژ dc  حالت جامد

امروزه از استانداردهای حالت جامد dc به طور گسترده در آزمایشگاه های استاندارد استفاده می شود. این استانداردها ضرایب دمایی کوچکی دارند که باعث می شود در برابر  جریان هی و جریان کشی آسیب نبینند و در برابر ضربات مکانیکی مقاوم  باشند. همچنین ولتاژهای خروجی بزرگتری دارند (10 ولت اسمی )که باعث حداقل شدن اثر emf حرارتی سیمهای اتصال دهنده می شود.

امروز از دو نوع استاندارد ولتاژ dc  استفاده می شود : 1. تقویت کننده مرجع 2.دیود زینر گسسته.

تقویت کننده مرجع

تقویت کننده مرجع مداری یکپارچه شامل یک دیود زینر و یک ترانزیستور است.استفاده از تقویت کننده مرجع دو مزیت دارد.جریان دیود زینر را می توان مستقل از جریان بیس ترانزیستور انتخاب کرد.در نتیجه جریان کلکتور تقویت کننده طوری تنظیم می شود که ضریب دمایی خروجی در یک محدوده ی دمایی کوچک تقریبا صفر باشد. همچنین ترانزیستور تقویت کننده مرجع بهره ی بالایی را برای آن فراهم و فیدبک منفی در یک ولتاژ مرجع بزرگتر خروجی تنظیم شده ای (regulated) را تامین می کند.

دیود زینر گسسته

از یک دیود با بایاس معکوس که به دیود زینر معروف است از ابتدای پیدایش وسایل حالت جامدبه عنوان رگولاتور ولتاژ استفاده شده است. دیودهای زینر اولیه خیلی پایدار نبودند و میزان نویز آنها نسبتا بالا بود.دیودهای زینر امروزی به اندازه ی سل های اشباع شده پایدارند. این دیود ها در برابر ضربات مکانیکی ،شوک، ارتعاش ، و تغییرات نسبتا شدید دما مقاومند.یک دیود زینر با یک دیود با بایاس مستقیم برای دستیابی به ضریب دمایی نزدیک به صفر ترکیب شود در این آرایش ، ضریب دمایی مثبت زینر (mv/c2) با ضریب دمایی منفی (-2 mv/c)دیود با بایاس مستقیم ، جبران می شود تا ضریب دمایی این ترکیب صفر شود.برای نمونه ولتاژ مرجع زینری بینV 2/6 و V3/6است.اما V 10 یا ضریبی از آنرا آزمایشگاه های استاندارد ترجیح می دهند. بیشتر مراجع ولتاژ حالت جامد که در آزمایشگاه ها استفاده می شوند برای تولید ولتاژ V10 وv10 و V018/1 طراحی شده اند.

با استفاده از ولتاژ مرجع زینری V2/6 و یک منبع تغذیه ، ولتاژ V10 دقیق بدست می آید. ایزولاسیون مرجع زینری و جریان دهی بالا را تقویت کننده منبع تغذیه تامین می کند. همچنین در این آرایش برای جلوگیری از آسیب شناسی از اتصال کوتاه شدن تصادفی ، حفاظت در مقابل اضافه جریان نیز وجود دارد.

اشکال اصلی تقویت کننده گسسته عدم قطعیتی است که از رانش آفست و نویز آن بوجود می آید، رانش موجود در تقسیم کننده ولتاژ و کنترل تنظیم خروجی ،رانش ولتاژ مرجع زینر  را افزایش می دهد. خروجیهایV 1 و V018/1 استاندارد از تقسیم خروجی V10 آن بدست می آید ، در نتیجه عدم قطعیت آن به علت رانش تقسیم کننده ولتاژ مقاومتی افزایش می یابد.

نگهداری استانداردهای حالت جامد

تغذیه استاندارد حالت جامد نباید قطع شود ، زیرا با قطع و وصل شدن تغذیه ممکن است خروجی آن مقدار کمی تغییر کند. این موضوع زمانی که مراجع حالت جامد حمل و نقل می شوند بسیار مهم است.

پایداری خروجی با زمان

پایداری خروجی V10 استاندارد حالت جامد حدود ppm/year5/0 است. بر خلاف سلهای استاندارد که برای داشتن یک استاندارد قابل اطمینان حداقل به 12 سل نیاز است ، 4 استاندارد حالت جامد برای این کافی است. سلها به طور منظم و با استفاده از ولت متر دیجیتال امپدانس بالا یا پتانسیومتر با یکدیگر مقایسه می شوند. بسیاری از آزمایشگاه ها از یک سیستم خودکار تحت کامپیوتر شامل یک اسکنر حرارتی (thermal scanner) و ولت متر دیجیتال که با IEEE 488به یکدیگر متصل شده اند، استفاده می کنند. این سیستمهای  خودکار به طور منظم ( مثلا هر دو هفته ) سل ها را با هم مقایسه می کنند تا رانش آنها را تعیین کنند. اغلب از رگرسیون خطی و روشهای مناسب برای پیش بینی خروجی استفاده می شود.

استاندارد انتقالی AC-DC

از استاندارد انتقالی AC-DC برای انتقال ولتاژها و جریان های DC به کمیتهای ACاستفاده می شود یا برعکس.امروزه از مدلهای متفاوتی از استانداردهای انتقالی AC-DCاستفاده می شود.

در سال 1950، استاندارهای قدیمی میتنی بر ترموکوپل خلاء را NBS (NIST کنونی) گسترش داد.بسیاری از استانداردهای انتقالی AC-DC از یک وسیله حالت جامد که به حسگر RMSمعروف است و در 1974 معرفی شد ، استفاده می کنند.

استادارد مبتنی بر ترموکوپل خلاء

استاندار مبتنی بر ترموکوپل خلاء از یک المان حرارتی که بر اساس گرمای تولید شده در یک مقاومت که با ترموکوپل متصل به آن حس می شود، کار می کند. چون گرمای تولیدی در المان مقاومتی فقط به میانگین جریان عبوری از آن بستگی دارد ، مقدار RMSجریان متناوب می تواند با مقدار جریان مستقیم عبوری از المان برابر باشد.

عیب اصلی یک ترموکوپل تکی اینست که خروجی آن فقط چند میلی ولت است ( برای نمونه 5 تا 10 میلی ولت). سایر معایب آن عبارتند از : ثابت زمانی حرارتی بزرگ و خطای  معکوس ولتاژ مستقیم.در سالهای اخیر معرفی المانهای حرارتی چند پیوندی (multijunction) باعث شده تا به خروجی 100 میلی ولت نیز دست یابیم که مشکل خروجیهای کوچک را ندارد.اما مشکل ثابت زمانی حرارتی بزرگ ، خطای معکوس ولتاژ مستقیم و پاسخ فرکانسی ضعیف ( حدود KHZ100) کاملا برطرف نمی شود.

استاندار مبتنی بر حسگر RMS

اولین حسگر RMS که وسیله ای یکپارچه شامل یک ترانزیستور و مقاومت بر روی یک لایه سیلیکونی بود ، در 1974 معرفی شد. توتن تلف شده در مقاومت را ترانزیستور به واسطه ی حساسیت دمایی پیوند  بیس – امیتر آشکار می کند. این وسیله معایب اصلی ترموکوپل یا المان حرارتی چند پیوندی را ندارد ، مثلا ثابت زمانی حرارتی بزرگ . اما این حسگر خطای معکوس ولتاژ مستقیم بزرگی دارد ، اگرچه بزرگتر از ترموکوپل تک پیوندی نیست.

این مشکل با ساخت حسگر به صورت یک جفت تفاضلی با استفاده از ترکیب خازن و مقاومت برطرف می شود.با اعمال ولتاژ ورودی به مقاومت R1 دمای پیوند بیس – امیتر T1 اغییر می کند. این تغییر باعث تغییر ولتاژ بیس – امیتر T1 می شود که ولتاژ کلکتور  را کنترل می کند. تقویت کننده تفاضلی  A ولتاژ کلکتور T1 و T2را مقایسه می کند. با عبور جریان از R2 ولتاژ بیس – امیتر T2تغییر می کند که باعث تغییر ولتاز کلکتور می شود. تعادل ، زمانی ایجاد می شود که ولتاژ کلکتور T1 و T2مساوی باشد. وقتی تعادل برقرار شد ولتاژ ورودی Vin، هر نوع شکل موجی ، تقریبا با ولتاژ مستقیم Vout برابر است.

مقاومت

استاندار یک اهم توماس

استاندارد یک اهم توماس ، استاندار مقاومت بسیار پایداری است . المان مقاومتی در یک ظرف فلزی دو جداره مهر و موم شده قرار می گیرد. ضریب دمایی این مقاومت نسبتا بزرگ است ، در نتیجه در حمام روغنی که دمای آن کنترل شده است ، نگهداری می شود. در بسیاری از آزمایشگاه های استاندارد از استاندارد مقاومت یک اهم توماس به عنوان استاندارد مرجع ثانویه استفاده می شود. مقدار مقاومت یک اهم توماس با استفاده از روشهای مقایسه پلی به استانداردهای دارای مقادیر بزرگتر منتقل می شود.رانش یک مقاومت توماسی که در شرایط خوب نگهداری می شود از مرتبه ی ppm/year02/0 است.

استاندارد یک اهم CSIRO

بتازگی مقاومت استاندارد یک اهمی با ویژگیهای بهتر از مقاومت توماس، به ویژه از نظر ضرایب دما و فشار ، توسط سازمان تحقیقات صنعتی و علمی مشترک المنافع( Commonwealth Science and Industrial Research Organization,CSIRO) استرالیا ساخته شده است.

المان مقاومتی ، سیم پیچی است که در دمای C980  بازپخت شده است. از گرما در دماهای پایین تر بیشتر استفاده می شود تا ضریب دمایی بسیار کوچکی بدست آید (K/6-^10*1 یا کوچکتر در دمای C20) . سیم پیچ  قرار گرفته در معرض گرما روی پایه ای خاص و بدون مهر و موم نصب می شود.از ضریب فشار می توان چشم پوشی کرد و پایداری بلند مدت بخش کوچکی از 8-^10 در هر سال است.

استاندارد Reichsanstalt

اغلب از طرح Reichsanstalt برای مقاومت های استاندار دارای مقادیر کوچک ( از اهم 001/0 تا اهم 1/0) که جریانهای بزرگ از آنها عبور می کند ، استفاده می شود.در این طرح یک مقاومت سیمی روی یک لوله فلزی پیچانده می شود که آنرا ظرفی منفذدار احاطه کرده است . وقتی این استاندارد در یک حمام روغن که دمای آن کنترل شده است ، قرار داده می شود منافذ امکان چرخش آزاد روغن را برای المان مقاومتی فراهم می کنند که موجب سرد شدن مقاومت می شود ، به ویژه هنگام استفاده از جریانهای آزمایش بزرگ.

استاندارد ROSA

از طرح پیشنهادی ROSA برای ساخت مقاومتهای استاندارد با مقادیر بزرگتر از 10 اهم استفاده میشود . همچنین این طرح به مدل NBS معروف است.

المان مقاومتی که روی یک لوله فلزی عایق شده پیچانده شده است درون یک ظرف مملواز روغن قرار می گیرد.

ESI SR 104

ESI SR 104 یک استاندارد مقاومت قابل حمل و نقل 10 کیلو اهمی است که صنایع علمی الکترو آنرا ساخته است.از این استاندارد به طور گسترده در آزمایشگاه های استاندارد استفاده می شود. همچنین از آن در مقایسات بین آزمایشگاهی نیز استفاده می شود. ، زیرا قابل حمل است . این استاندارد در حمام روغن قرار دارد.پایداری بلند مدت این استاندارد در سال اول ppm1 و پس از دو سالppm/year5/0 است.ضریب دمایی در  C23 ، ppm/c1/0± است. یک حسگر دمایی در داخل این استاندارد قرار دارد که می توان با استفاده از آن دمای داخلی مقاومت را اندازه گیری کرد.جدول ضرایب تصحیح برای تصحیح مقدار مقاومت به ازای دمای محیط نیز در نظر گرفته شده است.

ظرفیت خازنی

انواع گوناگونی از خازنهای استاندارد ثانویه وجود دارد. گستره این استانداردها که با دی الکتریک جامد یا دی الکتریک گاز بی اثر ساخته می شوند از Pf1 تا Pf1000 است. خازنهای Pf10 یا Pf100 با دی الکتریک جامد وجود دارند. از خازنهای Pf5 و Pf10 با دی الکتریک گازی  نیز استفاده می شود.خازنها با دی الکتریک گازی (نیتروژن ) با مقادبر بزرگتر ، Pf100 تا Pf1000 از صفحات موازی مجزایی که در ظرفی مهر و موم شده قرار دارند ، ساخته می شوند.

معمولا خازنهای استاندارد سه یا پنج ترمیناله اند. در نوع سه ترمیناله از حفاظ فارادی (faraday shield) استفاده می شود. حفاظ به ترمینال سوم وصل می شود.دو ترمینال اضافی در خازنهای پنج ترمیناله امکان اتصال چهار ترمیناله را فراهم می کند که از دو ترمینال جریان اعمال و از دو ترمینال دیگر ولتاژ اندازه گیری می شود. از حفاظ نیز مانند خازنهای سه ترمیناله استفاده می شود.

در خازنهای ساخته شده از صفحات موازی از یک حلقه محافظ (guard) استفاده می شود تا اثرات لبه ای (fringing) ایجاد شده در لبه های خارجی صفحات اکتیو را کاهش دهند.معمولا خازنهای استاندارد ثانویه هر دو سال یا بیشتر یا کمتر با خازنهای استاندارد اولیه کالیبره می شوند.

القاکنایی

اگرچه می توان استانداردهای القاکنایی قابل محاسبه ای را با پیچاندن یک هادی به دور یک هسته ساخت ، اما این کار انجام نمی شود، زیرا ساخت خازنهای استاندار درست و اختصاص مقادیر آنها به القاکنایی اقتصادی تر است.

استاندارهای کاری

مولتی فانکشن کالیبراتور

امروزه در آزمایشگاههای کالیبراسیون الکتریک بیشترین حجم کار با استفاده از مولتی فانکشن کالیبراتور انجام می شود. مولتی فانکشن کالیبراتور استاندارد کاری است که بیشتر برای کالیبراسیون مولتی مترها استفاده می شود ، اما از برخی مدلها می توان به عنوان استاندارد ولتاژ DC برای اندازه گیری انتقالی AC-DC ولتاژهای متناوب یا به عنوان منبع تغذیه دارای نویز کوچک در پلها و تقسیم کننده ها استفاده کرد.در ادامه ویژگیهای مهمی از این تجهیزات که در حال حاضر در دسترس قرار دارند ، ارایه خواهد شد.

کارکردها و گستره های کالیبراتور

مولتی فانکشن کالیبراتورها ولتاژمستقیم و متناوب، جریان مستقیم و متناوب ، مقاومت و خازن را تولید می کنند. برخی از تجهیزات که به عنوان کالیبراتورهای چند کاره فروخته می شوند  محرکهای دماسنج های ترموکوپلی و مقاومتی را نیز تولید می کنند.

استانداردهای ابزاردقیق2

6-استاندارد NFPA در ابزار دقیق

استاندارد انجمن حفاظت از آتش سوزی ملی National Fire Protection Association، که به نوعی شبیه به استاندارد EN است.

دقیقا مشابه بند 54 از استاندادر EN، بند 72 از استاندارد NFPA نیز مربوط به حفاظت از آتش سوری است.

7-استاندارد IEC

یک استاندار برقی توسط کمیسیون بین المللی الکتروتکنیک International Electrotechnical Commission بوده
که در حوزه الکتریکال و برق بیشتر با آن سر و کار داریم.
بندهایی از این استاندارد به طور مستقیم در حوزه ابزار دقیق کاربرد دارد.

ما از استاندارد برقی IEC به عنوان یکی از استاندارهای ابزار دقیق پرکاربرد استفاده می کنیم.

برای نمونه در زمینه حفاظت از نفوذ Ingress Protection  یا به اختصار IP، از بند 60-529 این استاندارد، استفاده خواهیم کرد.

در طراحی کابل ها از استاندارد های IEC 60-331 و IEC 60-332 استفاده خواهیم کرد.

8-استاندارد ASTM

یک استاندارد مکانیکی بوده که مهندسین مکانیک بیشتر با آن سر و کار دارند.
استاندارد انجمن آزمایش و متریال آمریکا American Society Testing and Materials، که در مورد متریال ها در حوزه مکانیک صحبت می کند.

البته یک مهندس ابزار دقیق بایستی در زمینه های مختلف اطلاعات مناسبی داشته باشد.
مهندسی کنترل و ابزار دقیق یک تخصصِ میان رشته ای است.
پس بایستی با این استاندارد مکانیکی نیز آشنا باشیم.

این استاندارد بیان می کند که در صورت نوشته شدن ASTM-110 بر روی یک تجهیز،
یعنی آن تجهیز با چه غلظتی و از چه موادی ساخته شده است.

مهندس ابزار دقیق هنگامی که در یک پروژه می شنود که یک تجهیز با ASTM A-182 است،
این نکته باید به ذهنش بیاید که متریال مورد استفاده، استنلس استیل است.

9- استاندارد ASME

یکی دیگر استانداردهای ابزار دقیق، استاندارد انجمن مکانیک آمریکا AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS
که مجددا یک استاندارد مکانیکی است.

همانند استاندارد ASTM، یک مهندس ابزار دقیق بایستی با استاندارد “اَز مِ” یا اِی اس ام ای ASME، آشنایی داشته باشد.

در هنگام مطالعه فلنج ها به عنوان یکی از روش های اتصال، حتما بایستی ASME B-16.5 را مطالعه کرده و تحمل فلنج را برای فشار های مختلف بدست بیاوریم.
پس حتما بایستی با ASME B-16.5 آشنایی داشته و بدانید که در مورد لوله ها و اتصالات صحبت می کند.

10-استاندارد NACE

یکی از استانداردهایی که بسیار با آنها سر و کار داریم، استاندارد نیس (نِیس) NACE است.

انجمن ملی کالج ها و کارفرمایان National Association of Colleges and Employers، که یک استاندارد بین المللی در حوزه خورندگی است.

خورندگی از ترشح ساده ی مقدار اندکی اسید می تواند شروع شود، تا موارد مختلف دیگر.

البته خورندگی فقط محدود به ترشح اسید ها نمی شود،
مثلا شما اگر بر روی سینی های کابلی که عموما به صورت آهن گالوانیزه گرم گرفته می شود،
پیچ و مهره استنلس استیل ببندید، حتما خوردگی خواهید داشت.

استاندارد NACE در مورد هر کدام از خورندگی ها راهکار هایی را ارائه داده که با استفاده از آنها قادر به جلوگیری از خورندگی خواهید بود.