خلاصه پایان نامه طراحی و ساخت آزمایشگاه استاندارد سیار کالیبراسیون ویژه کمیت های الکتریکی
پایان نامه جهت اخذ مدرک کارشناسی ارشد برق گرایش الکترونیک
چکیده
مزایای زیاد کالیبراسیون در محل، نسبت به کالیبراسیون در مرکز کالیبراسیون باعث تشکیل تیم های مجهز سیار کالیبراسیون در تمامی شرکت هایی که در حوزه کالیبراسیون کار می کنند، شده است. از این رو در سال های اخیر طراحی استانداردها و تجهیزاتی که مناسب کارهای سیار باشد مورد توجه قرار گرفته است. طراحی استانداردهایی که در عین داشتن دقت لازم از نظر وزن و امکانات بهینه باشد، موضوع بسیاری از پژوهش ها و طراحی های اخیر انجام شده در حوزه کالیبراسیون میباشد. در بین دستگاههای ساخته شده، مولتی کالیبراتورها بهترین ساختار از لحاظ وزن و ابعاد را دارند. اما از مهمترین معایب این نوع کالیبراتورها طراحی پیچیده و تفاوت اساسی ظاهر آنها نسبت به کالیبراتورهای قدیمی می باشد. تعداد زیاد کمیت های موجود و آشنایی با تمام آنها برای یک متخصص امری پیچیده و گاهی نشدنی است. حضور تعداد متخصصین بیشتر در یک تیم ماموریتی هزینه تمام شده را بالا می برد. با توجه به اینکه اکثر کمیت ها برای اندازه گیری باید به جریان، مقاومت و ولتاژ تبدیل شوند. بنابراین در این سیستم کمیتهای ولتاژ، مقاومت، فرکانس و غیره را تولید کرده و به کمک یک نرم افزار تولید سایر کمیت هایی وابسته به ولتاژ و مقاومت نظیر دما، رطوبت، فشار و غیره را امکان پذیر ساخته‌ایم. ظاهر مناسب، سادگی عملکرد و یادگیری دستگاه را فراهم ساخته ایم. تمرکز بیشتر بر نرمافزار به جای سخت افزار در طراحی موجب حذف قسمت های الکترومکانیکی در نتیجه کاهش چشمگیر وزن دستگاه و امکان اضافه کردن امکانات جدید بدون تغییر در سخت افزار از استفاده از نرمافزار می باشد. آیندگان می توانند براحتی با توسعه قسمت نرم افزاری امکان کالیبراسیون از راه دور را مهیا سازند.
کلید واژه ها:
کالیبراسیون Calibration، استانداردStandard ، کالیبراتورCalibrator
پیشگفتار
انسانها در راه دستیابی به رفاه بیشتر از ابزارهای مختلفی بهره گرفته‌اند و هر زمان که ابزارهای موجود جوابگوی نیاز آنها نبوده است، دست به تولید ابزار جدید و ارتقاء کیفیت آنها زده اند. بالا بردن کیفیت، نیازمند توانایی اندازه‌گیری دقیق پارامترهای خاص هر ابزار و دستگاه است تا بتوان کیفیت آن را در رنج قابل قبول تضمین کرد. برای اطمینان از دقت قابل قبول اندازه‌گیری های انجام شده، نیاز به مراجع استانداردی با دقت بالا احساس می شود تا بتوان با مقایسه کمیت های اندازه گیری شده با این مراجع دقت دستگاه را محاسبه کرد. روشهای مختلفی برای ساخت دستگاه های اندازه گیری استاندارد در جهان به کار رفته است که هر کدام به نوع خود مفید و کاربردی هستند. با توجه به ماشینی شدن هر چه بیشتر و افزایش سرعت زندگی نیاز به سیستمی با حجم و وزن کم و امکان دسترسی سریعتر احساس می شود.
هدف از این مقاله ارائه روش‌هایی برای ساخت آزمایشگاه استاندارد سیار کالیبراسیون به گونه‌ای است که علاوه بر دقت بالا، با کاهش حجم، وزن و قیمت، استفاده از آن را راحت تر کند.این پروژه شامل دو بخش سختافزاری و نرمافزاری میباشد که در بخش سختافزاری سعی بر آن بوده تا از تراشههای رایج در بازار استفاده گردد و برای ارتباط بخشهای مختلف سخت افزار با یکدیگر، از روشهای استاندارد ارتباطی میان تراشههای الکترونیکی استفاده شده است.
از آنجایی که این سامانه اشکالات و کمبودهای خود را دارا است، از تمام اساتید، علاقمندان و دانشجویان درخواست میشود تا با انتقادات و پیشنهادات خود در مورد عیوب و کمبودهای احتمالی نرمافزاری و سختافزاری، بنده را در بهبود نسخههای بعدی این سامانه یاری فرمایند.
کالیبراسیون[2]
تعاریف متعددی برای کالیبراسیون ارائه شده است. دراستاندارد ملی ایران در بخش «واژه ها واصطلاحات پایه و عمومی اندازه شناسی» کالیبراسیون چنین تعریف شده است:
مقایسه ابزار دقیق با یک مرجع استاندارد آزمایشگاهی در شرایط استاندارد، جهت اطمینان از دقت و سلامت آن و تعیین میزان خطای این وسیله نسبت به آن استاندارد وتنظیم آن در مقایسه با استاندارد.
تعریف دیگری که می‌توان ارائه داد این است که:
کالیبراسیون مقایسه دو سیستم یا وسیله اندازه گیری است (یکی باعدم قطعیت معلوم ودیگری با عدم قطعیت نامعلوم) به منظورمحاسبه عدم قطعیت وسیله ای که عدم قطعیت آن نامعلوم است.
تعریف دیگری که در ISO10012 آمده است، کالیبره کردن را چنین معرفی کرده است: مجموعه‌ای ازعملیات که تحت شرایط مشخصی برقرار می شود و رابطه‌ی بین مقادیر نشان داده شده توسط وسیله اندازه‌گیری و مقادیر متناظر آن کمیت توسط استاندارد مرجع را مشخص می‌نماید.
معمولاً کالیبراسیون اولیه دستگاه آزمون و اندازه‌گیری (TME) در مرحله‌ی ساخت و تولید آن انجام می‌گیرد که می‌تواند شامل این مراحل باشد: درجه بندی دستگاه، تنظیم مدارات الکتریکی موجود روی وسیله مانند تنظیم نشان دهنده های دیجیتالی،تخمین عدم قطعیت و پایداری دستگاه.
پس از این مراحل وسیله اندازه گیری با توجه به طول عمر آن مورد استفاده قرار می گیرد. کالیبراسون مجدد جهت اطمینان از عملکرد صحیح دستگاه ها و کنترل کیفیت اجزای آنها مورد نیاز است. بنابراین با کالیبراسیون مجدد می‌توان عوامل و اجزایی از دستگاه را که کیفیت خود را از دست داده‌اند، شناسایی کرد.
علت کالیبراسیون
کالیبراسیون اولیه وسیله اندازه‌گیری چگونگی کارایی مورد ادعای سازنده را به مشتری نشان می‌دهد. پارامترهایی که توسط دستگاه اندازه‌گیری میشود به استاندارد‌های اندازه‌گیری قابل ردیابی ارجاع داده میشود که اگر چنین نباشد اطمینانی به آنها نمی‌توان داشت.
کالیبراسیون مجدد به خاطر کنترل و نگهداری فرآیند‌های اندازه‌گیری که با وسیله‌ی اندازه‌گیری انجام میشود لازم است. معمولاً عدم قطعیت وسیله نسبت به زمان و با استفاده‌های مکرر از آن افزایش می‌یابد. شناسایی رشد تدریجی عدم قطعیت و افزایش آن به راحتی توسط کاربر امکان‌پذیر نیست. آنچه که در اندازه‌گیری بسیار ضروری است قابلیت ردیابی است. برقراری قابلیت ردیابی که با کالیبراسیون امکان پذیر میشود در کنترل سیستم اندازه‌گیری و تجارت بین المللی ضروری می باشد.
قابلیت ردیابی
قابلیت ارتباط مقدار یک استاندارد یا نتیجه‌ی یک اندازه‌گیری با مرجع‌های ملی و بین‌المللی، از طریق زنجیره‌ی پیوسته‌ی مقایسه‌ها که همگی عدم قطعیتی معین دارند به صورت ملی یا بین المللی تعیین یا مشخص می‌شوند.
از ملزومات هر تحقیقات، طراحی فعالیت‌های تولیدی، آزمون‌های نهایی و کالیبراسیون تولیدات و تجهیزات قبل از تحویل میباشد. همچنین کالیبراسیون قابل ردیابی، حصول اطمینان از عدم قطعیت اندازه‌گیری در یک بخش از فرآیند را که بر بخشهای دیگر فرآیند تاثیرگذار است امکان پذیر می‌سازد.
اعتبار اندازه‌گیری‌ها بستگی به درستی برآورد پدیده‌های تحت مطالعه و عدم قطعیت‌های به دست آمده دارد. کالیبراسیون وسیله‌هایی که در تحقیقات مورد استفاده قرار می‌گیرند، عدم قطعیت و کنترل رشد عدم قطعیت را مشخص می‌نماید و به محقق کمک می‌کند که به نتایج حاصل از تحقیقات خود اطمینان داشته باشد؛ که این نتایج ناشی از تغییرات واقعی پدیده است؛ نه ناشی از عدم درستی در تخمین عدم قطعیت های اندازه‌گیری.
زمان کالیبراسیون
تعیین زمان کالیبراسیون یکی از تصمیمات مهم و قابل توجه است که البته به نظر برخی منجر به اتلاف وقت و پول می‌گردد. عدم قطعیت‌های اندازه‌گیری سبب اتخاذ تصمیمات نادرستی میشود که این تصمیمات نادرست، ناشی از نتایج اندازه‌گیری فریبنده میباشد.
هدف، انجام کالیبراسیون مجدد در فواصل زمانی بهینه است؛ به طوری که بین هزینه کالیبراسیون و هزینه‌های ناشی از عدم کالیبراسیون تعادل ایجاد شود. در حال حاضر برای تعیین فواصل کالیبراسیون مجدد، بیشتر به درصد درستی مورد انتظار وسیله‌های اندازه‌گیری توجه میشود؛ که این درصد را می‌توان از مشخصات آن به دست آورد. بزرگی این درصد نشانگر کم بودن شانس بروز اندازه‌گیری نادرست بوسیله دستگاه اندازه‌گیری است. برخی از کاربران این درصد را به منظور اطمینان بیشتر از کنترل کیفیت اندازه‌گیری، 95 درصد و یا بیشتر انتخاب می کنند؛ که آن هم بستگی به سیاست و خط مشی کلی کیفیت در شرکت مربوطه دارد. بنابراین انتخاب این درصد قراردادی بوده و راحت‌ترین انتخاب قابل قبول 85 تا 90 درصد است. فرآیند تعیین زمان کالیبراسیون از محاسبات مشکل ریاضی و آماری است و نیازمند داده‌های درست و کافی در حین کالیبراسیون است.
مکان کالیبراسیون
کالیبراسیون در آزمایشگاه‌های مرجع انجام می‌پذیرد. کالیبراسیون می‌تواند در مکانی که وسیله اندازه گیری مورد استفاده قرار می‌گیرد نیز انجام شود. این عمل از مزایای زیر برخوردار است:
تنش‌های ناشی از جابجایی وسیله به حداقل می‌رسد.
کالیبراسیون ساده‌تر و ارزان‌تر تمام میشود چون فقط در نقاط مورد نظر کاربران انجام میشود.
کاربران می‌توانند از حفاظت دستگاههای خود مطمئن باشند.
کالیبراسیون در کوتاه‌ترین زمان خود انجام می‌گیرد و در عملکرد دستگاه انقطاعی پیش نمی‌آید.
از معایب این عمل می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- تغییرات شرایط محیطی روی دستگاههای مرجع ممکن است تاثیرگذار باشد.
2- ابعاد دستگاههای مرجع ممکن است مشکل ایجاد کند.
3-کالیبراسیون در محل، هزینه های اضافی دربر دارد.
چگونگی کالیبراسیون
کیفیت و هزینه کالیبراسیون بستگی به روش کالیبراسیون و تعداد نقاط مورد بررسی دارد. هزینه کالیبراسیون از عوامل مهم و تعیین کننده در انجام آن میباشد. در روشهای مختلف کالیبراسیون هزینه‌ها متغیّر است؛ بنابراین لازم است توضیحات بیشتری درباره انواع روشهای کالیبراسیون ارائه شود. سیستم های کالیبراسیون را می‌توان به چهار گروه زیر تقسیم کرد.
1-6-1-کالیبراسیون جهت بازرسی و تصحیح
با توجه به نتایج حاصل از بازرسی،تصحیح اعمال می شود. تا وقتی که خطا در حدود قابل قبول سیستم اندازه گیری باشد، نیازی به تصحیح نیست و از وسیله‌ی اندازه گیری می‌توان استفاده کرد. اما اگر خطای مقادیر مورد اندازه گیری از حدود قابل قبول بیشتر باشد اعمال تصمیمات لازم ضروری است.
1-6-2-کالیبراسیون فقط به منظور بازرسی
اگر خطای مقادیر مورد اندازه گیری که از اعمال بازرسی حاصل می شوند در حدود تعریف شده باشد، از دستگاه اندازه گیری می توان استفاده کرد. از آنجایی که تصحیح ویا تعمیر دستگاه اندازه گیری گران است با بازرسی های دوره ای تا زمانی که خطای وسیله اندازه گیری در حدود تعریف شده باشد استفاده از آن بلامانع است.چنانچه خطاها ازحدود تعریف شده تجاوز کنند وسیله اندازه گیری را باید کنار گذاشت ویا تقلیل رده وکلاس داد.
1-6-3- کالیبراسیون فقط به منظور تصحیح
در این روش بازرسی انجام نمی‌شود اما تصمیمات لازم جهت رسیدن به مفهومی معادل کالیبراسیون جدید واستفاده از وسیله اندازه‌گیری انجام میشود. به عنوان مثال تصحیح نقطه صفر وسیله اندازه‌گیری که به صورت دوره‌ای انجام می‌پذیرد، استفاده مجدد از آن را امکان پذیر می‌نماید.چنانچه نقطه صفر تغییر کرده باشد، با تصحیح مجدد می‌توان وسیله اندازه‌گیری را تنظیم نمود.
1-6-4- عدم کالیبراسیون
در این روش بدون انجام بازرسی و تصمیمات لازم از دستگاه‌اندازه‌گیری استفاده میشود. در این حالت به دلیل آنکه مقدار بعضی از خطاهای مشخص دستگاه از حدود کنترل تعریف شده برای وسیله اندازه‌گیری در فرآیند تولید کوچکترند، بدون انجام کالیبراسیون دوره‌ای از وسیله اندازه‌گیری استفاده میشود.
وضعیت کالیبراسیون
پس از انجام کالیبراسیون وضعیت کالیبراسیون ابزار باید مشخص باشد. این بدین معنی است که به طریقی ابزارهایی که کالیبره شده‌اند را مشخص کنیم. برای این منظور معمولاً از یک برچسب کالیبراسیون استفاده میشود. توصیه میشود که این برچسب با برچسبی که برای شناسایی ابزار استفاده می شود متفاوت باشد. مواردی که باید در وضعیت کالیبراسیون مشخص شوند عبارتند از:
کالیبره بودن ابزار؛
دقت و صحت واقعی ابزار؛
تاریخ انجام کالیبراسیون بعدی؛
محدودیت های کاربرد و استفاده از ابزار نگهداری سوابق کالیبراسیون؛
1-8- سوابق کالیبراسیون
بعداز انجام کالیبراسیون، سوابق کالیبراسیون باید نگهداری شود دلایل نگهداری این سوابق عبارتند از:
امکان بررسی وضعیت و تغییرات ابزار در طول زمان جهت تعیین توالی انجام کالیبراسیون و نحوه بکارگیری ابزار؛
اثبات ادعای کالیبره بودن ابزار؛ سوابق کالیبراسیون باید موارد زیر را شامل شود:
1) اطلاعات شناسایی دقیق ابزار مورد نظر (نوع، نام، شماره سریال و...)؛
2) نام مسئول و محل نگهداری؛ 3) تاریخی که کالیبراسیون انجام شده است؛ 4) نتیجه کالیبراسیون در قالب مقادیر خوانده شده پیش از تنظیم و پس از تنظیم برای هریک از پارامترهای مورد کالیبراسیون (این مورد برای بررسی وضعیت و روند تغییرات ابزار ضروری است) ؛ 5) تاریخ کالیبراسیون بعدی؛ 6) حدود خطای قابل قبول؛ 7) شماره سریال استانداردهایی که برای کالیبره کردن ابزار به کار رفته اند؛
8) شرایط محیطی در حین کالیبراسیون؛ 9) بیان مقدار خطای احتمالی (در قالب دقت و صحت)؛ 10) جزئیات تمامی تنظیمات، خدمات، تعمیرات و تغییراتی که انجام شده است؛
11) نام شخصی که عمل کالیبراسیون را انجام داده است؛
12) جزئیات هر گونه محدودیت استفاده؛
1-9- پیشینه کالیبراسیون در ایران[1]
فهرست پایان نامه طراحی و ساخت آزمایشگاه استاندارد سیار کالیبراسیون ویژه کمیت های الکتریکی
فهرست:
پیشگفتار ......................................................................................................................................... 1
کالیبراسیون و کالیبراتورها ................................................................................................... 2
کالیبراسیون ........................................................................................................... 3
علت کالیبراسیون ................................................................................................. 3
قابلیت ردیابی ...................................................................................................... 4
زمان کالیبراسیون ................................................................................................. 4
مکان کالیبراسیون ................................................................................................. 5
چگونگی کالیبراسیون .......................................................................................... 5
کالیبراسیون جهت بازرسی و تصحیح ................................................... 6
کالیبراسیون فقط به منظور بازرسی ....................................................... 6
کالیبراسیون فقط به منظور تصحیح ....................................................... 6
عدم کالیبراسیون ................................................................................... 6
وضعیت کالیبراسیون ............................................................................................. 7
سوابق کالیبراسیون ................................................................................................ 7
پیشینه کالیبراسیون در ایران ................................................................................... 8
تکنولوژی ساخت تجهیزات استاندارد در گذر زمان ............................................. 10
دستگاه های تک منظوره، پر حجم و سنگین ......................................... 10
دستگاه های چند منظوره، پر حجم و سنگین ........................................ 10
دستگاه های چند منظوره، کم حجم و سبک .......................................... 10
نسل کنونی تجهیزات اندازه گیری ......................................................... 10
چشم‌انداز طرح ..................................................................................................... 11
سختافزار کالیبراتور MCSL ............................................................................................... 13
کلیات کالیبراتور ................................................................................................... 14
سخت افزار CMSL ............................................................................................. 14
برد کنترل ............................................................................................... 15
اندازه گیری دما ...................................................................................... 16
مقاومت دودویی .................................................................................... 17
استاندارد DC ......................................................................................... 19
مقسم ولتاژ ............................................................................................. 20
استاندارد AC ......................................................................................... 21
2-2-6-1-
2-2-6-2-
2-2-6-3-
2-2-6-4-
پتانسیومتر دیجیتال ................................................................................. 24
صفحه جلویی ........................................................................................ 25
مبدل USB به سریال و بالعکس ............................................................ 25
برنامه میکروکنترلر ................................................................................................ 26
بسته دریافتی میکرو از کامپیوتر ............................................................. 26
بسته میکرو جهت ارسال به کامپیوتر ..................................................... 28
نرمافزار کالیبراتور MCSL ................................................................................................... 30مشخصات کلی برنامه کامپیوتری قسمت عمومی ................................................. 31
CMS.VI................................................................................................ 33
Packet (Sub VI).VI............................................................................. 33
کالیبراتور دما Type K............................................................................ 33
Temp to mV (Sub VI)........................................................................ 36
Spread Sheet (Sub VI) ...................................................................... 36
XOR (Sub VI) .................................................................................... 39
مشخصات کلی برنامه کامپیوتری قسمت سنتی .................................................... 40
راهنمای کاربری سامانه ......................................................................................................... 43سختافزار ............................................................................................................ 44
امکانات و لوازم جانبی ........................................................................... 44
نصب دستگاه ......................................................................................... 44
کنترل‌های صفحه جلویی ....................................................................... 44
4-1-3-1-
4-1-3-2-
4-1-3-3-
صفحه پشتی ........................................................................................... 47
نرمافزار ................................................................................................................. 48
تنظیمات برنامه ....................................................................................... 48
ولتاژ AC ............................................................................................... 48
ولتاژ DC ............................................................................................... 49
مقاومت الکتریکی .................................................................................. 51
کالیبراتور دما Type k ............................................................................ 51
کالیبراتور کمیت خاص ولتاژی .............................................................. 52
ثبت کننده دمای محیط ........................................................................... 53
خطاهای برنامه ....................................................................................... 54
پایان برنامه ............................................................................................. 55
تعمیر و نگهداری .................................................................................................................. 56کالیبراسیون ........................................................................................................... 57
کالیبراسیون منبع تغذیه ........................................................................... 57
کالیبراسیون تقویت کننده ....................................................................... 58
کالیبراسیون فرکانس ............................................................................... 59
کالیبراسیون فاز ....................................................................................... 60
کالیبراسیون ولتاژ DC ............................................................................ 61
کالیبراسیون مقاومت ............................................................................... 61
کالیبراسیون سایر کمیت‌ها ...................................................................... 63
عیب‌یابی دستگاه ................................................................................................... 63
اندازه‌گیری مقاومت .............................................................................................. 65
نتیجه‌گیری و پیشنهادات .................................................................................................................. 66
مراجع .............................................................................................................................................. 67
پیوست الف استاندارد ITS-90 ....................................................................................................... 68
پیوست ب اطلاعات ضروری تراشه‌ها ......................................................................................... 73
پیوست ج شکل سیگنال‌های خروجی کالیبراتور ............................................................................. 81
منبع:
مراجع
[1] نشریات فنی شرکت نهال
[2] http://www.kpp.co.ir/?q=node/54
[3] Instruction Manual 5100 Series B Calibrators
[3] Instruction Manual 5100 Series B Calibrators
[5] “DataSheet DAC7611”, Burr-Brown
[6] “DataSheet AD9833”, ANALOG DEVICES, 2003-2012
[7] “DataSheet AD8403”, ANALOG DEVICES, 1997
[8] ITS-90 Thermocouple Direct and Inverse Polynomials
[9] www.ni.com
[10] NI Multisim 13.0
[11] A Remote Calibration System for Industrial Thermometers, Le Chen, Yiyi Shao, Yaqiong Fu, Min Xie College of Mechanical and Electronic Engineering, China Jiliang University,Hangzhou, Zhejiang Province 310018, China