اندازه گیری در فیزیک 1
کميت - قابل اندازه گيري QUANTITY MEASURABLE) : )
خصوصيت ذاتي يك پديده ‚ جسم يا ماده که بتوان آنرا بطور کيفي تشخيص داد وبطور
کمي تعيين نمود
بطور مثال : زمان ‚ دما ‚ طول ‚ مقاومت الكتريكي
طول : هر جسم فيزيكي داراي ابعادي مي باشدکه مي توان بطور کيفي با چشم تشخيص
داد بوسيله اندازه گيري مي توان از لحاظ کمي طول هريك از ابعاد آنرا تعين نمود .
دستگاه بينالمللي يكاها (SI)
INTERNATIONAL SYSTEM OF UNITS
دستگاه مرتبطي از يكاها که توسط يازدهمين کنفرانس عمومي اوزان و مقياسها (CG PM) در سال
1960 به تصويب رسيد. در اين دستگاه 7 کميت پايه تعريف شده است که در جدول زير مشخص شده است :
کميت پايه نام نماد
m طول متر
kg جرم كيلوگرم
s زمان ثانيه
A جريان الكتريكي آمپر
k دماي ترموديناميك كلوين
mol مقدار ماده مول
cd شدت روشنايي كاتداندازه گيري (MEASUREMENT )
• مقايسه يك کميت مجهول با مقداري از نوع همانند خود که به عنوان واحد انتخاب
مي شود را اندازه گيري (MEASUREMENT)
• مجموعه عملياتي که به منظور تعيين مقدار يك کميت انجام ميشود .
• نتيجه اندازه گيري توسط يك عدد مشخص مي شود که آن عدد نسبت کميت مجهول
به واحد اندازه گيري مي باشد . اندازه گيري داراي واحد ‚ علا ئم و الفاظ خاصي
مي باشد که به کمك آنها پديده فيزيكي را مي توان بصورت کمي وکيفي تشريح نمود
.
• وسيله اي که با آن کميت مجهول و نمونه اصلي ) واحد اندازه گيري( مقايسه مي شود
را وسيله اندازه گيري مي نامند .
اندازهشناسي METROLOGY
علم اندازهگيري را اندازهشناسي ميگويند .
نمونه هاي از اندازه گيري که به صورت روزمره انجام مي دهيم
• اندازه گيري زمان
• اندازه گيري سرعت خودرو وکنترل آن درحين رانندگي
• اندازه گيري وزن ، درجه حرارت و زمان در حين آشپزي
پيشرفت فن آوري به توانايي انسان دراندازه گيري بستگي دارد .
با پيشرفت فن آوري احتياج به اندازه گيري دقيقترو پيشرفته تر
احساس مي شود
علم اندازه گيري وسيله اي براي رد يا قبول فرضيه بوده است .
بطور مثال قانون اصل بقايي ماده
بسياري از قوانين فيزيكي و شميايي در ابتدا بدليل اينكه وسايل اندازه گيري مناسبي جهت اثبات وجود نداشته بصورت
فرضيه مطرح شده اند وسپس با پيشرفت درعلم اندازه گيري آن فرضيه رد يا قبول شده است.
(A + D) gr (C + D) gr(صورتهاي ماده هستند A,B,C,D )
(A + D) gr (C + D) gr +E
مي توان نتيجه گرفت انسان مي تواند با بكارگيري وسايل اندازه گيري جديد و پيشرفته در علم پيشرفت کرده و به کشفيات
جديد نايل شود .
آنچه در ساخت وسايل اندازه گيري مهم است اين است که بتوان يك پديده فيزيكي را کامل شناخت وسپس بتوان
آنرا به زبان رياضي بيان نمود .
اهميت " اندازهگيري " براساس گفته لرد کلوين :
دانشمند انگليسي لرد کلوين در سخنرانيش در انستيتوي مهندسي عمران در سال 1883 گفته است :
" من اغلب ميگويم زماني كه ميتوانيد چيزي كه در باره آن حرف ميزنيد را اندازهگيري كنيد و آن را به صورت
عدد بيان كنيد . در بارهي آن ميدانيد و وقتي كه نميتوانيد آن را بصورت عدد بيان كنيد دانش شما در بارهي
آن كافي و رضايتبخش نيست . ممكن است شما در مقدمه اطلاع و آگاهي از موضوع باشيد امّا بعيد است به
مرحله علم و دانش در آن باره رسيده باشيد و اين در بارهي هر موضوعي صدق ميكند ."
اولين استاندار طول ساخت انسان :
اولين استاندار طول به 2900 سال پيش از ميلاد مسيح زماني كه فرعون خوفر تصميم گرفت براي خود كاخي بسازد
بر مي گردد.) وتا آن زمان هيچ تلاشي جهت برقراري استاندارد دائمي ثبت نشده است ( طبق دستور فرعون يك تكه
سنگ از گرانيت سياه با طول مشخص جهت استاندارد طول مشخص شد و آنرا كوبيت سلطنتي ناميداند . بر
طبق اسناد تاريخي طول اين كوبيت برابر طول دست فرعون از آرنج تا نوك انگشتان بوده . )ذراع فرعون(
بر اساس بررسسيهاي انجام شده است مشخص شده كه استفاده از اين استاندارد بر دقت ساخت تاثير به سزاي
داشته، بطوريكه درطول هريك از ابعاد هرم كه 9000 اينچي ) 750 فوت( بوده بيش از 1 / 20 اينچ يا % 3 / خطا
وجود ندارد
آنچه باعث شد اين استاندارد همانند استانداردهاي امروزي موثر واقع شود چند اصل
مهم بوده :
1 -کوبيت سلطنتي بر اساس يك مصوبه حكومتي مشخص و لازم اجرا شد .2 - اين استاندارد بصورت يك شي ، فيزيكي قابل استفاده عملي ارا ئه شده است
3 -در ساخت اين استاندارد از با دوام ترين جنس موجود در آن زمان استفاده شد .4 -استانداردهاي ثانويه اي وجود داشته که بطور تناوبي با اين استاندارد مقايسه
مي شده .5 -اين استاندارد اوليه براي اندازه گيريهاي دقيق مورد استفاده قرار مي گرفته است .
در سال 1790 ميلادي فرهنگستان علوم فرانسه به جمعي از دانشمندان آن زمان ازقبيل
بوردا ، لاگرانژ ، لاپلاس ، سونژ و کندروس ماموريت داد تا درباره يكائي براي طول
که پديرش بين المللي داشته باشد به مشاوره و تحقيق بپردازند.
اين گروه بعد از يكسال تبادل نظر با دانشمندان سرانجان در ماه مارس 1791 به دو نفر
از منجمان فرانسه به نامهاي دالامبر و مشن ماموريت دادند تا طول بين نصف و
النهار دونكرك در فرانسه و بارسلون در اسپانيا را اندازه گيري نمايند .
در اين زمان که مقارن با انقلاب فرانسه بود ، اين دو نفرکار خود را شروع نموده وسرانجام
پس از 9 سال با تحمل مصائب گوناگون موفق شده در سال 1799 ميلادي نتيجه کار
خودرا به فرهنگستان علوم فرانسه ارائه دهند .
بدين ترتيب فرانسه رسما اعلام نمود که هر متر بعنوان يكاي اندازه گيري جديد براي
طول برابر با 5131/0 تواز مي باشد ) تواز واحد اندازه گيري طول آن زمان فرانسه بوده( و
براي اندازه گيري جرم نيز يكاي گرم پيشنهاد شد که معادل وزن يك سانتيمتر مكعب
آب چهار درجه سانتيگراد بود .
در سال 1875 ميلادي بسياري از کشورهاي جهان سيستم متريك را پذيرفته و براي
امضا قرار دادي به نام ” پيمان جهاني متريك ” ) International metric convection )
دورهم جمع شده ودفتر بين المللي اوزان و مقياسها در موزه سور پاريس با نام BIPM
تاسيس کرده .
مترولوژي ( METROLOGY )
مترولوژي ( metrology ) علم اندازه گيري بوده واندازه گيري زبان علم مي باشد . هر زباني از گرامر
ونگارش تشكيل شده است . گرامر يك علم است ولي نگارش يك هنر مي باشد . گرامر زبان اندازه گيري
را مي توان به صورت تحرير نوشت و تدريس نمود ، اما نگارش زبان اندازه گيري فقط با تجريه قابل
پيشرفت مي باشد . زبان اندازه گيري خيلي ساده تراز زبانهاي مانند فرانسوي و روسي مي باشد زيرا هر
فردي در اين مورد مهارتهاي داردو در صورت استفاده صحيح از اين مهارتها نتيجه كار بهتر خواهد بود .
دلايل احتياج به اندازه گيري :1 - براي ساخت هر چيز كه طرح خودمان يا ديگران باشد احتياج به اندازه گيري داريم )اين مورد
درباره تمامي صنعت گران چه ماهر و چه آماتور صدق مي كند(
2 - براي كنترل روش ساخت قطعات ساخته شده توسط ديگران نياز به اندازه گيري مي باشد
3 - براي توضيحات علمي نياز به اندازه گيري مي باشد. بدون اندازه گيري امكان اينكه بتوان
اطلاعات واضحي به فرد ديگري انتقال داد وجود ندارد .
اصطلاحات مترولوژي
تعاريف و اصطلاحاتي كه در زمينه مترولوژي)اندازهگيري( مورداستفاده
قرار ميگيرد داراي معاني خاص و تعريف شدهاي است كه البته با آنچه
در زبان محاوره و روزانه مورد استفاده قرار ميگيرد مغايرتي ندارد .
به منظور يكنواخت كردن اين اصطلاحات در سطح بينالمللي ، گروه
مترولوژي ISO به شش سازمان بينالمللي ديگر كه دست اندركار
مترولوژي بودند پيشنهاد كرد كه به هم بپيوندند و يك فرهنگ لغات
بينالمللي در زمينه علم اندازهگيري فراهم آورند
هفت سازماني که در انتشارفرهنگ لغت علم اندازه شناسي موثر بوده اند :
1-BIPM : INTERNATIONAL BUREAU WEIGHT & MEASURES .2-IEC :INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION .3-IFCC : INTERNATIONAL FEDERATION OF CLINICAL .4-ISO : INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARAZATION.5-IUPAC:INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLEID CHEMISTRY .6-IUPAP : INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLEID PHYSICS.7-OIML : INTERNATIONAL ORGANIZATION OF LEGAL METROLOGY .
نتيجه كار گروه فوق بصورت كتابچهاي با عنوان واژهنامه بينالمللي اندازهشناسي
VIM (International vocabulary Basic and General terms in metrology)
در سال 1984 منتشر شد .
اين كتابچه توسط موسسه استاندارد وتحقيقات صنعتي ايران در مرداد ماه 1378
بعنوان “ استاندارد واژه ها واصطلاحات پايه وعمومي اندازه شناسي “ به شماره
4723 منتشر شد .
طول :
يكا اندازهگيري طول متر است که طبق تعريف مسافتي است که نور در مدت ثانيه
در خلاء ميپيمايد.
جرم:
يكا اندازهگيري جرم کيلوگرم است که طبق تعريف جرم يك استوانه از جنس پلاتين ايريديوم
است که در اداره بينالمللي اوزان و مقياسها در موزه سور پاريس نگهداري ميشود.
زمان :
يكا اندازهگيري زمان ثانيه است که طبق تعريف يكثانيه 770,631,192,9 برابر دوره تناوب
تابش متناظربا گذر ميان دوتراز فوق ريز حالت پايه اتم سزيوم 133 مي باشد.
299,792,258
1
دماي ترموديناميكي :
يكا اندازهگيري دماي ترموديناميك کلوين است که طبق تعريف برابر دماي ترمو ديناميك
نقطه سه گانه آب مي باشد.
جريان الكتريكي :
يكا اندازهگيري جريان الكتريكي آمپر است که طبق تعريف جريان ثابتي است که اگر در دو سيم
راست بطول نامحدود و سطح مقطع دايرهاي ناچيز که به فاصله يك متر و موازي که در خلاء
2 نيوتن به ازاي هر متر از طول سيمها ميان آنها ايجاد ميشود. 10 قرار دارند عبور کند و نيرويي برابر 7
شدت روشنايي:
يكا اندازهگيري شدت جريان الكتريكي کاندلا است که طبق تعريف شدت روشنايي ناشي ازتابش عمودي
101 نيوتن ‚ بر سطح برابر مترمربع از جسم سياهي که دماي ذوب پلاتين و فشار 325
برمتر مربع
مقدار ماده :
يكا اندازهگيري مقدار ماده مول است که طبق تعريف مقدار ماده موجود يك دستگاه که
0 کيلوگرم از کربن 12 ./ تعداد ذرات بنيادي آن برابر با تعداد اتمهاي موجود در 012
600,000
1
)VALUE OF A QUANTITY) مقدار يك کميت
بزرگي يك کميت پايه يا فرعي که عمدتا "بصورت يك يكاي اندازهگيري که در عددي ضرب شده بيان شود.
534 نشان مي دهيم C مثال : دماي يك كوره را بصورت
420 نشان مي دهيم V ولتاژ يك نقطه از مدار الكتريكي را بصورت
:TRUE VALUE (OF QUANTITY) ) مقدار واقعي)يك کميت
مقدار قراردادي مورد توافق يا مقدار تعريف شده از يك کميت ويژه مانند وزن استوانه در موزه مور فرانسه
که بطور قراردادي آن را يك کيلوگرم تعريف کردهاند.
نكته : مقدار واقعي يك کميت يك مفهوم ايدهآل است و در عمل قابل دسترسي نيست . بطور مثال وقتي
2 / ميگوييم وزن يك جسم 2 کيلو گرم است آيا ميتوان آنرا بدين صورت بيان کنيم ؟ 00000000000
2 مميز بينهايت صفر در جلو ( همانطور که مشخص است نميتوان وزن جسم مود نظر را بصورت بالا (
تعريف کنيم . بنابراين وزن واقعي را نمي توان دقيق مشخص نمود.
مقدارواقعي قراردادي CONVENTIONAL TRUE VALUE (OF QUANTITY) :
مقداري که به کميت ويژه نسبت داده مي شود که گاهي بنابه قرارداد با عدم قطعيت مناسب براي يك هدف معيني
پذيرفته ميشود .
مقدار واقعي قراردادي گاهي مقدار نسبت داده شده (Assigned value) يا بهترين برآورد (Best estimate)
يا مقدار قراردادي (Conventional value) و يا مقدار مرجع (Reference value) گفته ميشود .
مثال : نتيجه اي که از کاليبراسيون براي کميت گزارش داده مي شود.
اصول اندازهگيري : PRINCIPLE OF MEASUREMENT
مثال :
1 - پديده ترمو الكتريكي در اندازهگيري دما ) اصول کار ترموکوپل (
2 - اثر داپلر در اندازه گيري سرعت : تغيير فرکانس اموج برگشتي زمانيكه که به سمت جسم متحرك
ارسال شده ودريافت مي شود ازاين تغير فرکانس جهت اندازه گيري سرعت جسم متحرك استفاده مي شود
پايه علمي اندازهگيري را اصول اندازهگيري ميگويند .
روش اندازهگيري :METHOD OF MEASUREMENT
نكته : روش هاي اندازهگيري را به بصورت زير دسته بندي نمود :
1- روش تفاضلي (Differential method)
مقايسه اي
1- مستقيم : 2 - روش صفر (Null method)
انحرافي
2- غير مستقيم
مجموعه عمليات پياپي با ترکيب منطقي جهت اندازهگيريها که بصورت کلي شرح داده ميشود .
مثال :1 ( اگر گيج فشاري را با يك گيج فشار ديگر بطور مستقيم مقايسه شود ) با اعمال فشار يكسان به هر
دو گيج ( اين روش اندازه گيري را روش مستقيم از نوع تفاضلي مي گويند .
2 ( اگر يك وزنه يا به يك وزنه ديگر بوسيله يك ترازوي شاهيندار مقايسه شود روش اندازهگيري از
روش مستقيم ازنوع صفر است .
3 ( اگربا اعمال ولتاژ مشخص به دو سر يك مقاومت و بدست آوردن جريان عبوري از آن وسپس بوسيله
رابطه مقدار مقاومت را بدست مي آوريم اين روش اندازه گيري غير مستقيم مي باشد .
ivR
راهكار اندازهگيري :MEASUREMENT PROCEDURE
مجموعه عملياتي که براي انجام اندازهگيريهاي ويژه مطابق با يك روش يعني بطور مشخص شرح داده
ميشود . روش اندازهگيري بايد به نحوي باشد که براي انجام آن اندازهگيري نيازي به منابع ديگر نباشد .
اندازه MEASURAND :
کميت ويژهاي که اندازهگيري ميشود . مثلا" فشار بخار مقداري آب در 20
نكته : ويژگي يك اندازه ممكن است نياز به بيان وضعيت کميتهائي مانند دما ، فشار ، زمان داشته باشد .
کميت تاثيرگذار MEASURAND :
کميتي غير از کميت اندازه ده که در نتيجه اندازهگيري اثر دارد .
مثال:
تاثير شتاب جاذبه زمين هنگام اعمال فشار توسط “ديد ويد تستر” به گيج فشار
اصول کار " ديد ويد تستر " بدين صورت است که فشار توسط وزنه هاي با جرم دقيق از طريق
پيستوني که به مخزن روغن متصل مي باشد به ”گيج فشار ” فشار وارد مي کند.طبق فرمول فشار
اعمالي توسط وزنه ها با جرم دقيق متناسب با شتاب جاذبه زمين مي باشد .
AmgAFP
:TRANSPARENCY شفافيت در اندازه گيري
V 10 50V
200
100
1
توانايي يك دستگاه اندازهگيري بطوريكه درحين اندازه گيري در مقدار اندازه ده تاثيري نگذارد.
مثال :
يك ترازوي اندازهگيري جرم در حين اندازه گيري شفاف ميباشد چون تأثيري در مقدار جرم وزنه در حال اندازهگيري ندارد.
مثال :
در دو مدار زيراستفاده ميشودكه كدام حالت ولتمتر V ولتمتري داراي امپدانس ورودي 1 گيگا اهم براي اندازهگيري ولتاژ 1
تقريبا" شفاف و در كدام حالت غير شفاف است ؟
الف )
+-
V
+
-
V1
Vin = 100 V 100
100
R(out) 1M
مقدار واقعي
M V مقدار خوانده شده بوسيله ولت متر
M
V (100 111 ) 49.997
(100 111 ) 100
100
1
+-
V
+
-
V1
Vin = 100 V 5M
5M R(out) 1M
همانطور كه از جوابها مشخص است در حالت الف مولتيمتر تقريبا“ شفاف است . درصورتيكه در حالت ”ب” شفافيتي
وجود ندارد.
ب(
V 5 50V
10
100
1
V M M V
M M M
(5 111 ) 7.1428
(5 111 ) 5
100
1
مقدار واقعي
مقدار خوانده شده بوسيله ولت متر
به نام یزدان پاک