کالیبراسیون و تعاریف آن
” مقايسه ابزار و تجهیزات به وسیله ی یک منبع و مرجع دقیق و استاندارد آزمایشگاه جهت اطلاع از دقت و سلامت محصول و مشخص نمودن میزان خطای آن وسیله” این جمله، تعریفی است که برای مفهوم کالیبراسیون ارائه شده است که بیان کننده ی ماهیت روند فعالیت کالیبره در آزمایشگاه کالیبراسیون می باشد.
در واقع به وسیله ی کالیبره می توان دو سیستم، ابزار و یا دو وسیله ی کار اندازه گیری را که یکی از این وسیله حالت مشخص و دیگری کاملا نامعلوم و نامشخص دارد، مقایسه کرد تا وسیله و ابزار با حالت نامعلوم را محاسبه (کالیبره) کرد.
کیفیت و هزینه ای که کالیبراسیون دربر دارد وابسته به روش و تعداد نقاط مورد بررسی است. روش هایی که در آزمایشگاه، کالیبره انجام می شود در هزینه ها دخیل است و آنها را متغیر می سازد. هدف از آن نیز در هزینه ها موثر است.
کالیبراسیون عملی است که مقادیر نا شناخته یک دستگاه تحت تست را با مقادیر مشخص یک دستگاه استاندارد مرجع مقایسه می کند.
معمولا یک شخص برای تعیین خطا یا تایید صحت مقدار ناشناخته دستگاه تحت کالیبره، کالیبراسیون را انجام می دهد.
توضیح کالیبراسیون با ذکر مثال
به عنوان یک مثال پایه، شما می توانید با اندازه گیری دمای یک دماسنج تحت کالیبره که در آب در نقطه جوش شناخته شده ( 100 درجه سلسیوس ) قرار دارد، یک کالیبراسیون انجام دهید تا خطای اندازه گیری را یاد بگیرید. از آنجایی که معمولا تعیین بصری دقیق نقطه جوش مبهم است و ممکن است نادرست باشد، شما میتوانید یک دماسنج مرجع را که در دمای مشخص آب ( اینجا 100 درجه سلسیوس ) کالیبره شده است، در آب قرار دهید و دمای نشان داده شده توسط دماسنج تحت کالیبره را با دمای نشان داده شده توسط دماسنج مرجع مقایسه کنید و از این مقایسه می توانید به نتایج دقیق تری برسید.
گام بعدی منطقی که می تواند بعد از یک فرآیند کالیبره رخ دهد ممکن است انجام یک تنظیم اصلاحی یا درست کردن دستگاه برای کاهش خطای اندازه گیری باشد.
از نظر فنی، تنظیم اصلاحی یک مرحله جدا از کالیبراسیون است.
تعریف کالیبراسیون از دیدگاه BIPM
برای یک تعریف رسمی تر از کالیبرسیون ما به BIPM، دفتر بین المللی اوزان و مقیاس ها در فرانسه، رجوع می کنیم که هماهنگ کننده سیستم اندازه گیری در سراسر جهان است و وظیفه اطمینان از وحدت جهانی اندازه گیری را دارد.
BIPM یک لیست از تعاریف را برای اصطلاحات مهم فنی که معمولا در اندازه گیری و کالیبراسیون استفاده می شوند، تولید می کند.
این لیست که به آن VIM (International Vocabulary of Metrology ) واژگان بین المللی اندازه شناسی، گفته می شود؛ معنی کالیبراسیون را تعریف می کند بطوریکه عملیاتی است که تحت شرایط مشخص انجام می شود، به طوری که در گام اول بین مقادیر کمیت و عدم قطعیت های اندازه گیری ارتباط برقرار می کند.
این عدم قطعیت های اندازه گیری توسط استانداردهای اندازه گیری و نشاندهی های متناظر، به همراه عدم قطعیت های اندازه گیری مربوط فراهم می شود و در گام دوم، از این اطلاعات برای برقراری رابطه ای جهت دستیابی به نتیجه اندازه گیری از نشاندهی استفاده می شود. این تعریف براساس تعریف پایه کالیبراسیون با روشن شدن این است که استانداردهای اندازه گیری استفاده شده در کالیبراسیون باید عدم قطعیت شناخته شده داشته باشند. (مقدار خطای احتمالی).
به عبارت دیگر، مقادیر شناخته شده باید دارای یک عدم قطعیت واضح و مشخص باشند که به مالک یا کاربر دستگاه کمک کنند تا تشخیص دهد که عدم قطعیت اندازه گیری برای دستگاه مناسب است یا خیر.
سیستم بین المللی یکاها (SI)
بالاترین سطح استانداردهای اندازه گیری
ما چگونه می توانیم به استانداردهای اندازه گیری از مقادیر شناخته شده ای برسیم که در برابر آنها دستگاه های تحت تست خود را کالیبره کنیم؟
برای پاسخ، ما به سیستم بین المللی یکاها (SI) مراجعه می کنیم. SI شامل هفت یکای پایه (متر، کیلوگرم، آمپر، ثانیه، کلوین، کاندلا، مول) است. هفت یکای پایه SI، از کمیت های طبیعت نشات گرفته اند بطوریکه تغییر نمی کنند مانند سرعت نور.
تا سال 2019، کیلوگرم یک استثناء بود که توسط یک استوانه از جنس مصنوعات آلیاژ فلزی شناخته شده به عنوان نمونه اولیه بین المللی کیلوگرم تعریف شده بود.
نگهداری این استوانه از اثراتی که ممکن است حتی خیلی کم تغییر کند آنقدر مهم بود که با دقت و ایمن در زیر محفظه دوشیشه ای در یک اتاق در پاریس نگهداری می شد که برای باز شدن آن نیاز به سه کلید بود. با وجود بهترین تلاش ها برای نگهداری این استوانه، مشخص شد که با گذشت زمان مقداری جرم از دست داد.
بنابراین با شور و شعف فراوان، در روز جهانی اندازه شناسی در سال 2019، این اعلام شد که تعریف کیلوگرم از مبتنی بر مصنوعات فلزی در پاریس به مبتنی بر ثابت پلانک تغییر می کند. یک ثابت در طبیعت که تغییر نمی کند و در هر کجای جهان قابل دسترس است. جالب است بدانید که تعاریف بعضی از یکاهای SI با گذشت زمان بهبود یافته است.
در این مرحله باید اشاره کرد که یکاهای پایه SI می توانند در هر رابطه جبری ترکیب شوند و یکاهای اندازه گیری مشتق شده مهم در کالیبراسیون را تشکیل دهند. مانند فشار ( پوند در هر اینچ مربع یا PSI ). در این حالت فشار از یکاهای پایه متر و کیلوگرم در SI حاصل می شود.
قابلیت همکاری کالیبراسیون
یک مزیت اصلی داشتن BIPM، مدیریت کردن SI در سراسر جهان بر پایه قابلیت همکاری کالیبراسیون است.
این بدان معنی است که ما در سراسر جهان از سیستم اندازه گیری و تعاریف یکسان استفاده می کنیم. این اجازه می دهد که شخصی در ایالات متحده مقاومت یک اهم را از استرالیا خریداری کند و مطمئن باشد که این همان یک اهم مقدار اندازه گرفته شده توسط استاندارد های ایالات متحده خواهد بود و برعکس.
به منظور داشتن قابلیت همکاری، ما نیاز داریم همه اندازه گیری های ما قابلیت دستیابی به تعاریف مشابه را داشته باشند.
هرم ردیابی کالیبراسیون
ورود SI به صنعت
حال که ما استانداردهای مرجع SI را داریم، چگونه می توانیم به طور کارآمد و اقتصادی آن را با دنیا به اشتراک بگذاریم؟
SI را در بالای هرم کالیبراسیون جایی که BIPM کمک می کند SI را به همه سطوح کاربردی در کشور ها برای ترقیب کشف علمی و نوآوری و همچنین تولیدات صنعتی و تجارت بین المللی منتقل کند، در نظر بگیرید.
درست زیر سطح SI، BIPM به طور مستقیم با کشورهای عضو انستیتوهای ملی اندازه شناسی یا کشورهایی که ترویج SI را در آن کشورها تسهیل می کنند، کار می کند.
NMI ایالات متحده، موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی National Institute of Standards and Technology (NIST) است. از آنجایی که مقرون به صرفه، کارآمد و یا حتی ممکن نیست که همه افراد در یک کشور بتوانند به طور مستقیم با موسسه ملی اندازه شناسی کشور خود کارکنند، از استانداردهای کالیبراسیون در سطح موسسه ملی اندازه شناسی، برای کالیبره کردن استانداردها و دستگاههای کالیبراسیون مرجع اولیه استفاده می شود. سپس از استانداردهای مرجع اولیه برای کالیبره کردن استانداردهای ثانویه و از استانداردهای ثانویه برای کالیبره کردن استانداردهای کاری استفاده می شود و از استانداردهای کاری برای این فرآیند دستگاه ها استفاده می شود. در این روش می توان با رجوع به استانداردهای SI، بطور موثرتر و مقرون به صرفه تر هرم کالیبراسیون را از طریق موسسه ملی اندازه شناسی به صنعت منتقل کرد. همانطور که مورد نیاز است.
در برخی موارد نادر، یک یکای SI، می تواند به طور مستقیم توسط یک آزمایشگاه با استفاده از ابزاری خاص که فیزیک را برای دستیابی به اندازه گیری اجرا می کند، تحقق یابد.
قابلیت ردیابی کالیبراسیون
از پایین ترین سطح هرم، تمام مسیرها تا استانداردهای SI، می توانند به عنوان قابلیت ردیابی معرفی شوند.
به عبارت دیگر، قابلیت ردیابی یا کالیبراسیون قابل ردیابی به این معنی است که کالیبراسیون بوسیله استانداردهای مرجع کالیبره شده انجام شده است که از طریق یک زنجیر قطع نشده تا یکاهای SI مرتبط، از طریق NMI، قابل ردیابی هستند.
همچنین قابلیت ردیابی کالیبراسیون را می توان به عنوان شجره این امر در نظر گرفت.
قابلیت ردیابی در آزمون و اندازه گیری نیز مهم است، زیرا بسیاری از استانداردهای فنی و کیفی صنعت نیاز به دستگاه های اندازه گیری دارند که قابل ردیابی باشند. برای مثال، اندازه گیری های قابل ردیابی در تجهیزات پزشکی، داروسازی، هوافضا، صنایع نظامی و دفاعی و همچنین در بسیاری از صنایع تولیدی دیگر مورد نیاز است. و کالیبراسیون قابل ردیابی همیشه با اطمینان از درستی داده های اندازه گیری و نتایج، به بهبود فرایند و تحقیقات کمک می کند.
همانند سایر مطالب مرتبط با کالیبره، بسیاری از الزامات فنی برای مدیریت و اطمینان از قابلیت ردیابی، توسعه یافته است. برای ذکر چند مورد، باید به عدم قطعیت کالیبراسیون، فواصل کالیبره و روش های استفاده شده برای اطمینان از سالم ماندن قابلیت ردیابی در برنامه کالیبره، توجه کرد.
اعتبارسنجی کالیبراسیون
این مهم است بتوانید به فرآیندی که آنها انجام می دهند، اعتماد کنید. اعتبارسنجی این اعتماد را فراهم می کند. اعتبارسنجی به صاحب ابزار اطمینان می دهد که کالیبره به درستی انجام شده است.
اعتبارسنجی به این معنی است که یک فرآیند کالیبره بررسی شده و مطابق با الزامات اندازه شناسی فنی و کیفی پذیرفته شده بین المللی است. ISO/IEC 17025 استاندارد کیفیت اندازه شناسی بین المللی است که به آزمایشگاه کالیبراسیون اعتبار می دهد.
خدمات اعتبارسنجی بوسیله سازمان های مستقلی ارائه می شود که گواهینامه انجام این نوع کار را دارند. هر کشور بزرگ معمولا حداقل یک ارائه دهنده اعتبارسنجی دارد. برای مثال، در ایالات متحده، NVLAP و A2LA و LAB ارائه دهنده های اعتبارسنجی هستند. در انگلیس UKAS ارائه دهنده اعتبارسنجی است.
موافقت نامه های بین المللی اطمینان می دهند که یکبار که یک فرایند کالیبراسیون در یک کشور اعتبارسنجی شود، همه کالیبراسیون های حاصل از آن فرایند می توانند در سراسر جهان بدون هیچگونه الزامات اضافی پذیرش فنی، پذیرفته شوند.
زمان کالیبراسیون
تعیین زمانی که قصد کالیبراسیون تجهیزات را دارید بسیار مهم است. این امر می بایست در فواصل زمانی معین صورت گیرد تا بهینه و موثر واقع گردد از این رو داشتن برنامه ی زمانی از اشتباهات ناشی از عدم وجود آن می کاهد. آزمایشگاه کالیبراسیون یکتا سنجش البرز برای تعیین فواصل زمانی جهت کالیبه مجدد به درصد عملکرد صحیح پیش بینی شده توجه میکند، که این درصد به وسیله ی مشخصات دستگاه قابل بررسی است. بزرگی این درصد شانس اندازه گیری نادرست را کم می کند. تمامی این فاکتورها به استاندارد ها و خط مشی های شرکت کالیبراسیون مرتبط است.
برای تعیین زمان و جدول زمانبندی کالیبراسیون مجدد محاسبات ریاضی و آماری و همچنین اطلاعات صحیح و کافی مورد نیاز است
هدف کالیبراسیون
در مرحله ی و هدف اول از کالیبراسیون می توان به وسیله ی اندازه گیری ها ادعای سازنده مبنی بر چگونگی عملکرد دستگاه را بررسی نمود. این نتایج با استانداردهای قابل ردیابی ارائه می شود در غیر این صورت صحت نتایج تایید شده نیست. در واقع آنچه در نتایج به دست آمده مهم است قابلیت ردیابی است که بتوان به نتیجه استناد کرد. قابلیت ردیابی یک مقدار و نتیجه ی استاندارد با مراجع بین المللی و ملی است.
آزمایشگاه کالیبراسیون
بهتر است انجام فرآیند کالیبراسیون تجهیزات در آزمایشگاه انجام شود.
مزایای این موضوع شامل:
- تنش جابجایی ابزارها به حداقل می رسد.
- ساده تر و ارزان تر است. اما در محل می تواند هزینه های اضافی ایجاد کند.
- در کوتاه ترین زمان انجام می شود.
معایب:
- ابعاد دستگاه می تواند باعث مشکل شود.
- تغیرات محیطی ممکن است بر دستگاه مرجع تاثیر بگذارد.