مقدمه

کالیبراسیون را به گونه های مختلفی تعریف می کنند. با توجه به دیکشنری اتوماسیون و ابزار دقیق ISA، واژه کالیبراسیون به معنای تستی است که در طی آن مقدار مشخصی از کمیت تحت اندازه گیری به یک ترانسدیوسر اعمال شده و قرائت خروجی متناظر با آن تحت شرایطی خاص ثبت می شود. یکی از تعارف دیگر، کالیبراسیون را قابلیت تنظیم Zero و تعیین Span  مورد نظر بیانمی کند. به تعبیری دیگر، کالیبراسیون فرآیندی است که در آن یک تجهیز ابزار دقیق با یک دستگاه استاندارد دقت بالاتر مقایسه شده که هدف از آن آشکار سازی، همبستگی، تنظیم، اصلاح و مستندسازی دقت و صحت تجهیز ابزار دقیق تحت مقایسه می باشد.

خطاهای یک تجهیز ابزار دقیق به دلایل مختلفی رخ می دهد که از آن جمله می توان انحراف (Drift)، عوامل محیطی، تغذیه الکتریکی، اضافه کردن اجزا مختلف به لوپ خروجی، تغییرات فرآیند و غیره نام برد.

تعریف کالیبراسیون

برای واژه کالیبراسیون تعاریف زیادی وجود دارد. اما با توجه به تعاریف ISA، کالیبراسیون به معنای آزمونی است که در طی آن مقادیر مشخصی از کمیت تحت اندازه گیری را به ترانسدیوسر اعمال کرده و قرائت های خروجی متناظر با  آنها را تحت شرایطی مشخص ثبت می کنند. این تعریف، قابلیت تنظیم Zero و Span مطلوب را نیز شامل می شود. به تعبیری دیگر، کالیبراسیون در واقع مقایسه تجهیز اندازه گیری با تجهیز استاندارد دقت بالاتر می باشد که به منظور تشخیص، مرتبط کردن، تنظیم، اصلاح و مستندسازی صحت تجهیز ابزار دقیق در حال مقایسه انجام می پذیرد. کالیبراسون یک دستگاه ابزار دقیق معمولاً در چند نقطه از رنج کالیبراسیون تجهیز چک و بررسی می شود.

منظور از رنج کالیبراسیون، ناحیه ای است که بین دو محدوده قرار گرفته و در آن یک کمیت خاص اندازه گیری ، دریافت یا ارسال می شود. رنج کالیبراسیون را توسط مقدار بالای رنج (URV) و مقدار پایین رنج (LRV) بیان می کنند. به عنوان مثال وقتی که می گویند یک ترانسیمتر دما دارای رنج 500 hsj  است ، یعنیLRV آن   و URV آن  می باشد. در اینجا span برابر با   خواهد بود. (1000-500=500).

محدوده ها نیز با مقادیر zero و span تعریف می شوند. مقدار zero،  انتهای پایینی رنج می باشد. اختلاف جبری مقادیر بالا و پایین رنج را نیز span می گویند. رنج کالیبراسیون ممکن است با رنج دستگاه متفاوت باشد. رنج دستگاه به قابلیت تجهیز اشاره دارد. به عنوان مثال ، یک ترانسیمتر فشار الکترونیکی را فرض کنید که رنج روی nameplate آن  و خروجی آن  باشد. با این حال، مهندس ابزار دقیق تعیین کند که ترانسیمتر فشار باید  و خروجی  کالیبره شود.به طوری که در حین کالیبراسیون، مقدار ورودی zero برابر با 0 psi و مقدار خروجی zero برابر با 4 mA می باشد. همچنین، مقدار ورودی span برابر با 300 psi و مقدار خروجی سحشد برابر با 20 mA است.

توجه داشته باشید که در کارخانجات مختلف ممکن است از اصطلاحات متفاوتی استفاده شود. مراقب باشید که هیچگاه قابلیت رنج پذیری را با رنج کالیبره شده بر روی تجهیز ابزار دقیق اشتباه نگیرید.

هر تجهیز ابزار دقیق حداقل دارای دو ورودی و یک خروجی است. به عنوان مثال، برای یک سنسور فشار، به احتمال زیاد ورودی ما فشار سیال بوده و خروجی یک سیگنال الکتریکی می باشد.  برای یک نشان دهنده لوپ (loop indicator)، ورودی ما یک سیگنال جریان  بوده و خروجی یک صفحه نمایش قابل خواندن توسط اپراتور می باشد، برای یک درایو موتور الکتریکی، ورودی یک سیگنال الکتریکی بوده و خروجی یک توان الکتریکی (Electric power) برای موتور خواهد بود.

کالیبراسیون و تنظیم رنج (ranging)  دو کار مرتبط با یکدیگر هستند که بین سیگنال ورودی و سیگنال خروجی یک تجهیز ابزار دقیق مطابقت ایجاد می کنند. به عبارت ساده تر، کالیبراسیون اطمینان می دهد که تجهیز ابزار دقیق، متغیر (دما، فشار و فلو و ...) تحت اندازه گیری یا تحت کنترل را با دقت و به درستی حس می کند، و تنظیم رنج یک رابطه و نسبت مطلوب را در بین ورودی و خروجی یک تجهیز ابزار دقیق ایجاد می کند.

مقایسه بین کالیبراسیون و تنظیم رنج

مثلاً در مورد ترانسیمترهای فشار اگر بخواهیم دستگاه را در یک موقعیت و جهت دیگر نصب کنیم. نیاز به کالیبراسیون مجدد آن می باشد. تغییر موقعیت و جهت فیزیکی یک ترانسمیتر فشار سبب تغییر در نیروی گرانش اعمالی بر المان سنجش آن می شود، که منجر به اعمال یک بایاس ثابت فشار بر روی المان سنجش می گردد. این بایاس اغلب چیزی در حدود یک اینچ آب( یا کمتر)      می باشد.

برعکس، در یک ترانسمیتر آنالوگ عملکردهای کالیبراسیون و تنظیم رنج (ranging) با یکدیگر آمیخنته شده و در واقع یکی می باشند.

مقایسه کالیبراسیون با تنظیم رنج مجدد

کالیبره  یک دستگاه ابزار دقیق به معنای تست و تنظیم پاسخ آن تجهیز می باشد به طوری در سرتاسر یک رنج مشخص شده، خروجی دستگاه متناظر با ورودی آن باشد. به منظور انجام این کار، ابتدا باید تجهیز ابزار دقیق رادر معرض یک محرک ورودی واقعی که مقدار ان دقیقا مشخص است قرار دهیم. برای کالیبره کردن یک گیج، نشان دهنده، و یا ترانسمیتر فشار، باید این دستگاه های ابزار دقیق سنجش فشار را در معرض فشارهای سیال مشخص قرار داده و پاسخ تجهیز را با مقادیر فشار مشخص اعمال شده به آنها مقایسه کنید. در واقع بدون مقایسه پاسخ دستگاه های ابرار دقیق با محرک های فیزیکی معلوم نمی توان عمل کاليبراسيون را انجام داد.
برای تعیین رنج دستگاه ابزار دقیق باید مقادیر پایین و بالای رنج را تنظیم کنید، تا آن تجهیر ابزار دقیق بتواند با حساسیت مطلوبی به تغییرات ورودی پاسخ دهد. به عنوان مثال، یک ترانسمیتر فشار که بر روی رنج  ( یعنی با اعمال0 PSI  به ورودی، در خروجی 4 mA ظاهر شود، و با اعمال200 PSI  به ورودی، در خروجی 20 mA نمایان گردد) تنظیم شده است را می توان برای پاسخ به مقیاس  (یعنی با اعمال 0 PSI به ورودی، در خروجی4 mA  ظاهر شود، و با اعمال 150 PSI  به ورودی، در خروجی 20 mA نمایان گردد) مجدداً تنظیم رنج کرد.

 برای تغییر رنج دستگاه های ابزار دقیق آنالوگ، معمولاً تنها نیاز به کالیبره دوباره آنها می باشد، چرا که معمولاً در این تجهیزات چه برای تغییر رنج و چه برای کالیبراسیون از تنظیمات مشابهی استفاده می شود. در دستگاه های ابزار دقیق دیجیتالی، کالیبراسیون و تغییر رنج دستگاه معمولا هر کدام دارای تنظیمات جداگانه ای می باشند (به عنوان مثال برای یک ترانسمیتر دیجیتالی، بدون نیاز به انجام کالیبراسیون کامل تجهیز، می توان رنج کاری آن را تغییر داد) که درک این تفاوتها خود دارای اهمیت خاصی می باشد.

تنظیمات zero و span ( تجهیزات ابزار دقیق آنالوگ)

هدف از کالیبراسیون این است که اطمینان حاصل کنیم ورودی و خروجی یک تجهیز ابزار دقیق در کل رنج عملیاتی خود یک تطابق قابل پیش بینی را با یکدیگر خواهند داشت.

در یک تجهیز ابزار دقیق واقعی (یک ترانسمیتر فشار) دو تنظیم وجود دارد که به ما اجازه می دهد رفتار دستگاه ابزار دقیق را با معادله ایده آلی مطابقت دهیم. یکی از این تنظیم ها را Zero (صفر) و تنظیم دیگر را Span (محدوده) می نامند. این دو تنظیم دقیقاً متناظر با اصطلاحات bوm به کار رفته در تابع خطی می باشند. تنظیم Zero تابع تجهیز ابزار دقیق را بطور عمود بر روی نمودار شیفت می دهد (b)، در حالی که تنظیم Span شیب تابع را بر روی گراف تغییر می دهد (m). در نتیجه، با تنظیم هم zero  و هم span ما می توانیم تجهیز ابزار دقیق را برای  رنج  اندازه گیری قرار گرفته و  محدوده تعیین شده توسط کارخانه سازنده تنظیم کنیم.

ارتباط معادله خط "شیب - عرض از مبدأ" با تنظیمات Zero و Span یک تجهیز ابزار دقیق، چگونگی عملکرد این دو تنظیم را در هر تجهیز ابزاردقیق نشان می دهد. همیشه با اضافه و یا کم کردن یک مقدار می توان تنظیم Zero را انجام داد، درست مثل زمانی که b را از y کم می کنیم یا با آن جمع می کنیم تا mx به دست بیاید. همچنین همیشه بواسطه ضرب یا تقسیم کردن با یک مقدار می توان تنظیم Span را انجام داد، درست شبیه به شیب m که با متغیر ورودی x یک حاصل را شکل می دهد.

برای تنظیم صفر در تجهیزات ابزار دقیق مختلف، معمولاً از یک یا چند روش زیر استفاده می شود.

• نیروی بایاس (نیروی فنر یا یک جرم بر روی مکانیزم اعمال می شود)
• آفست مکانیکی (اضافه یا کم کردن یک مقدار مشخص از حرکت)
• ولتاژ بایاس (اضافه یا کم کردن یک مقدار از مشخص از ولتاژ)

تنظیم span غالباً بواسطه یکی از روش های زیر انجام می شود:

• موقعیت تکیه گاه (Fulcrum) برای یک اهرم (Lever).
• گین تقویت کننده ( ضرب یا تقسیم یک سیگنال ولتاژ).
• میزان فنریت ( تغییر نیرو در هر فاصله واحد از کشش ).

لازم به ذکر است که در بسیاری از تجهیزات ابزار دقیق آنالوگ، تنظیمات Zero و Span به صورت تعاملی (بر هم کنشی) می باشد. این بدان معنی است که تنظیم یکی بر روی دیگری تأثیر می گذارد. خصوصاً تغییرات انجام شده بر روی Span تقریباً همیشه نقطه صفر دستگاه ابزار دقیق آناوگ را عوض می کند. البته به سختی می توان  دستگاهی را پیدا کرد که تغییر تنظیم Zero بر روی span آن تأثیرگذار باشد. برای کالیبره دقیق یک تجهیز ابزار دقیق با تنظیمات Zero و Span تعاملی نیاز به تلاش بیشتری می باشد، به طوری که برای تنظیم دقیق باید به طور مکرر بین نقاط بالای رنج و پایین رنج سوئیچ کرد.

مقدمه

کالیبراسیون را به گونه های مختلفی تعریف می کنند. با توجه به دیکشنری اتوماسیون و ابزار دقیق ISA، واژه کالیبراسیون به معنای تستی است که در طی آن مقدار مشخصی از کمیت تحت اندازه گیری به یک ترانسدیوسر اعمال شده و قرائت خروجی متناظر با آن تحت شرایطی خاص ثبت می شود. یکی از تعارف دیگر، کالیبراسیون را قابلیت تنظیم Zero و تعیین Span  مورد نظر بیانمی کند. به تعبیری دیگر، کالیبراسیون فرآیندی است که در آن یک تجهیز ابزار دقیق با یک دستگاه استاندارد دقت بالاتر مقایسه شده که هدف از آن آشکار سازی، همبستگی، تنظیم، اصلاح و مستندسازی دقت و صحت تجهیز ابزار دقیق تحت مقایسه می باشد.

خطاهای یک تجهیز ابزار دقیق به دلایل مختلفی رخ می دهد که از آن جمله می توان انحراف (Drift)، عوامل محیطی، تغذیه الکتریکی، اضافه کردن اجزا مختلف به لوپ خروجی، تغییرات فرآیند و غیره نام برد.

تعریف کالیبراسیون

برای واژه کالیبراسیون تعاریف زیادی وجود دارد. اما با توجه به تعاریف ISA، کالیبراسیون به معنای آزمونی است که در طی آن مقادیر مشخصی از کمیت تحت اندازه گیری را به ترانسدیوسر اعمال کرده و قرائت های خروجی متناظر با  آنها را تحت شرایطی مشخص ثبت می کنند. این تعریف، قابلیت تنظیم Zero و Span مطلوب را نیز شامل می شود. به تعبیری دیگر، کالیبراسیون در واقع مقایسه تجهیز اندازه گیری با تجهیز استاندارد دقت بالاتر می باشد که به منظور تشخیص، مرتبط کردن، تنظیم، اصلاح و مستندسازی صحت تجهیز ابزار دقیق در حال مقایسه انجام می پذیرد. کالیبراسون یک دستگاه ابزار دقیق معمولاً در چند نقطه از رنج کالیبراسیون تجهیز چک و بررسی می شود.

منظور از رنج کالیبراسیون، ناحیه ای است که بین دو محدوده قرار گرفته و در آن یک کمیت خاص اندازه گیری ، دریافت یا ارسال می شود. رنج کالیبراسیون را توسط مقدار بالای رنج (URV) و مقدار پایین رنج (LRV) بیان می کنند. به عنوان مثال وقتی که می گویند یک ترانسیمتر دما دارای رنج 500 hsj  است ، یعنیLRV آن   و URV آن  می باشد. در اینجا span برابر با   خواهد بود. (1000-500=500).

محدوده ها نیز با مقادیر zero و span تعریف می شوند. مقدار zero،  انتهای پایینی رنج می باشد. اختلاف جبری مقادیر بالا و پایین رنج را نیز span می گویند. رنج کالیبراسیون ممکن است با رنج دستگاه متفاوت باشد. رنج دستگاه به قابلیت تجهیز اشاره دارد. به عنوان مثال ، یک ترانسیمتر فشار الکترونیکی را فرض کنید که رنج روی nameplate آن  و خروجی آن  باشد. با این حال، مهندس ابزار دقیق تعیین کند که ترانسیمتر فشار باید  و خروجی  کالیبره شود.به طوری که در حین کالیبراسیون، مقدار ورودی zero برابر با 0 psi و مقدار خروجی zero برابر با 4 mA می باشد. همچنین، مقدار ورودی span برابر با 300 psi و مقدار خروجی سحشد برابر با 20 mA است.

توجه داشته باشید که در کارخانجات مختلف ممکن است از اصطلاحات متفاوتی استفاده شود. مراقب باشید که هیچگاه قابلیت رنج پذیری را با رنج کالیبره شده بر روی تجهیز ابزار دقیق اشتباه نگیرید.

هر تجهیز ابزار دقیق حداقل دارای دو ورودی و یک خروجی است. به عنوان مثال، برای یک سنسور فشار، به احتمال زیاد ورودی ما فشار سیال بوده و خروجی یک سیگنال الکتریکی می باشد.  برای یک نشان دهنده لوپ (loop indicator)، ورودی ما یک سیگنال جریان  بوده و خروجی یک صفحه نمایش قابل خواندن توسط اپراتور می باشد، برای یک درایو موتور الکتریکی، ورودی یک سیگنال الکتریکی بوده و خروجی یک توان الکتریکی (Electric power) برای موتور خواهد بود.

کالیبراسیون و تنظیم رنج (ranging)  دو کار مرتبط با یکدیگر هستند که بین سیگنال ورودی و سیگنال خروجی یک تجهیز ابزار دقیق مطابقت ایجاد می کنند. به عبارت ساده تر، کالیبراسیون اطمینان می دهد که تجهیز ابزار دقیق، متغیر (دما، فشار و فلو و ...) تحت اندازه گیری یا تحت کنترل را با دقت و به درستی حس می کند، و تنظیم رنج یک رابطه و نسبت مطلوب را در بین ورودی و خروجی یک تجهیز ابزار دقیق ایجاد می کند.

مقایسه بین کالیبراسیون و تنظیم رنج

مثلاً در مورد ترانسیمترهای فشار اگر بخواهیم دستگاه را در یک موقعیت و جهت دیگر نصب کنیم. نیاز به کالیبراسیون مجدد آن می باشد. تغییر موقعیت و جهت فیزیکی یک ترانسمیتر فشار سبب تغییر در نیروی گرانش اعمالی بر المان سنجش آن می شود، که منجر به اعمال یک بایاس ثابت فشار بر روی المان سنجش می گردد. این بایاس اغلب چیزی در حدود یک اینچ آب( یا کمتر)      می باشد.

برعکس، در یک ترانسمیتر آنالوگ عملکردهای کالیبراسیون و تنظیم رنج (ranging) با یکدیگر آمیخنته شده و در واقع یکی می باشند.

مقایسه کالیبراسیون با تنظیم رنج مجدد

کالیبره  یک دستگاه ابزار دقیق به معنای تست و تنظیم پاسخ آن تجهیز می باشد به طوری در سرتاسر یک رنج مشخص شده، خروجی دستگاه متناظر با ورودی آن باشد. به منظور انجام این کار، ابتدا باید تجهیز ابزار دقیق رادر معرض یک محرک ورودی واقعی که مقدار ان دقیقا مشخص است قرار دهیم. برای کالیبره کردن یک گیج، نشان دهنده، و یا ترانسمیتر فشار، باید این دستگاه های ابزار دقیق سنجش فشار را در معرض فشارهای سیال مشخص قرار داده و پاسخ تجهیز را با مقادیر فشار مشخص اعمال شده به آنها مقایسه کنید. در واقع بدون مقایسه پاسخ دستگاه های ابرار دقیق با محرک های فیزیکی معلوم نمی توان عمل کاليبراسيون را انجام داد.
برای تعیین رنج دستگاه ابزار دقیق باید مقادیر پایین و بالای رنج را تنظیم کنید، تا آن تجهیر ابزار دقیق بتواند با حساسیت مطلوبی به تغییرات ورودی پاسخ دهد. به عنوان مثال، یک ترانسمیتر فشار که بر روی رنج  ( یعنی با اعمال0 PSI  به ورودی، در خروجی 4 mA ظاهر شود، و با اعمال200 PSI  به ورودی، در خروجی 20 mA نمایان گردد) تنظیم شده است را می توان برای پاسخ به مقیاس  (یعنی با اعمال 0 PSI به ورودی، در خروجی4 mA  ظاهر شود، و با اعمال 150 PSI  به ورودی، در خروجی 20 mA نمایان گردد) مجدداً تنظیم رنج کرد.

 برای تغییر رنج دستگاه های ابزار دقیق آنالوگ، معمولاً تنها نیاز به کالیبره دوباره آنها می باشد، چرا که معمولاً در این تجهیزات چه برای تغییر رنج و چه برای کالیبراسیون از تنظیمات مشابهی استفاده می شود. در دستگاه های ابزار دقیق دیجیتالی، کالیبراسیون و تغییر رنج دستگاه معمولا هر کدام دارای تنظیمات جداگانه ای می باشند (به عنوان مثال برای یک ترانسمیتر دیجیتالی، بدون نیاز به انجام کالیبراسیون کامل تجهیز، می توان رنج کاری آن را تغییر داد) که درک این تفاوتها خود دارای اهمیت خاصی می باشد.

تنظیمات zero و span ( تجهیزات ابزار دقیق آنالوگ)

هدف از کالیبراسیون این است که اطمینان حاصل کنیم ورودی و خروجی یک تجهیز ابزار دقیق در کل رنج عملیاتی خود یک تطابق قابل پیش بینی را با یکدیگر خواهند داشت.

در یک تجهیز ابزار دقیق واقعی (یک ترانسمیتر فشار) دو تنظیم وجود دارد که به ما اجازه می دهد رفتار دستگاه ابزار دقیق را با معادله ایده آلی مطابقت دهیم. یکی از این تنظیم ها را Zero (صفر) و تنظیم دیگر را Span (محدوده) می نامند. این دو تنظیم دقیقاً متناظر با اصطلاحات bوm به کار رفته در تابع خطی می باشند. تنظیم Zero تابع تجهیز ابزار دقیق را بطور عمود بر روی نمودار شیفت می دهد (b)، در حالی که تنظیم Span شیب تابع را بر روی گراف تغییر می دهد (m). در نتیجه، با تنظیم هم zero  و هم span ما می توانیم تجهیز ابزار دقیق را برای  رنج  اندازه گیری قرار گرفته و  محدوده تعیین شده توسط کارخانه سازنده تنظیم کنیم.

ارتباط معادله خط "شیب - عرض از مبدأ" با تنظیمات Zero و Span یک تجهیز ابزار دقیق، چگونگی عملکرد این دو تنظیم را در هر تجهیز ابزاردقیق نشان می دهد. همیشه با اضافه و یا کم کردن یک مقدار می توان تنظیم Zero را انجام داد، درست مثل زمانی که b را از y کم می کنیم یا با آن جمع می کنیم تا mx به دست بیاید. همچنین همیشه بواسطه ضرب یا تقسیم کردن با یک مقدار می توان تنظیم Span را انجام داد، درست شبیه به شیب m که با متغیر ورودی x یک حاصل را شکل می دهد.

برای تنظیم صفر در تجهیزات ابزار دقیق مختلف، معمولاً از یک یا چند روش زیر استفاده می شود.

• نیروی بایاس (نیروی فنر یا یک جرم بر روی مکانیزم اعمال می شود)
• آفست مکانیکی (اضافه یا کم کردن یک مقدار مشخص از حرکت)
• ولتاژ بایاس (اضافه یا کم کردن یک مقدار از مشخص از ولتاژ)

تنظیم span غالباً بواسطه یکی از روش های زیر انجام می شود:

• موقعیت تکیه گاه (Fulcrum) برای یک اهرم (Lever).
• گین تقویت کننده ( ضرب یا تقسیم یک سیگنال ولتاژ).
• میزان فنریت ( تغییر نیرو در هر فاصله واحد از کشش ).

لازم به ذکر است که در بسیاری از تجهیزات ابزار دقیق آنالوگ، تنظیمات Zero و Span به صورت تعاملی (بر هم کنشی) می باشد. این بدان معنی است که تنظیم یکی بر روی دیگری تأثیر می گذارد. خصوصاً تغییرات انجام شده بر روی Span تقریباً همیشه نقطه صفر دستگاه ابزار دقیق آناوگ را عوض می کند. البته به سختی می توان  دستگاهی را پیدا کرد که تغییر تنظیم Zero بر روی span آن تأثیرگذار باشد. برای کالیبره دقیق یک تجهیز ابزار دقیق با تنظیمات Zero و Span تعاملی نیاز به تلاش بیشتری می باشد، به طوری که برای تنظیم دقیق باید به طور مکرر بین نقاط بالای رنج و پایین رنج سوئیچ کرد.