معايرة

لتحسين جودة المعايرة وضمان قبول النتائج من قبل المنظمات الخارجية، يُفضّل أن تكون المعايرة والقياسات اللاحقة قابلة للتتبع إلى وحدات القياس المُعرّفة دوليًا. ويتحقق ذلك من خلال مقارنة رسمية بمعيار يرتبط بشكل مباشر أو غير مباشر بالمعايير الوطنية (مثل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في الولايات المتحدة الأمريكية)، أو المعايير الدولية، أو المواد المرجعية المعتمدة . ويمكن أن يتم ذلك من خلال مختبرات المعايير الوطنية التي تديرها الحكومة، أو من خلال شركات خاصة تُقدّم خدمات القياس.

تتطلب أنظمة إدارة الجودة نظام قياس فعال يشمل معايرة رسمية ودورية وموثقة لجميع أدوات القياس. وتشترط معايير ISO 9000 ^{[ 2 ]} و ISO 17025 ^{[ 3 ]} أن تكون هذه الإجراءات القابلة للتتبع على مستوى عالٍ، وتحدد كيفية قياسها كمياً.

لبيان جودة المعايرة، غالبًا ما تُرفق قيمة المعايرة ببيان عدم يقين قابل للتتبع إلى مستوى ثقة محدد. ويتم تقييم ذلك من خلال تحليل دقيق لعدم اليقين. في بعض الأحيان، يتطلب تشغيل الآلات في حالة متدهورة تصريحًا بانحراف عن المواصفات. وعند حدوث ذلك، يجب أن يكون موثقًا كتابيًا ومعتمدًا من قِبل المدير بمساعدة فنية من فني معايرة.

تُصنَّف أجهزة القياس وفقًا للكميات الفيزيائية التي صُمِّمت لقياسها. وتختلف هذه التصنيفات دوليًا، على سبيل المثال، معيار NIST 150-2G في الولايات المتحدة ^{[ 4 ]} ومعيار NABL -141 في الهند ^{[ 5 ]} . وتغطي هذه المعايير مجتمعةً أجهزةً تقيس كميات فيزيائية متنوعة، مثل الإشعاع الكهرومغناطيسي ( مجسات الترددات الراديوية )، والصوت ( مقياس مستوى الصوت أو مقياس جرعة الضوضاء )، والزمن والتردد ( مقياس الفواصل الزمنية )، والإشعاع المؤين ( عداد جايجر ) ، والضوء ( مقياس الضوء )، والكميات الميكانيكية ( مفتاح الحد ، ومقياس الضغط ، ومفتاح الضغط )، والخصائص الديناميكية الحرارية أو الحرارية ( مقياس الحرارة ، وجهاز التحكم في درجة الحرارة ). ويختلف الجهاز القياسي لكل جهاز اختبار تبعًا لذلك، على سبيل المثال، جهاز اختبار الوزن الميت لمعايرة مقياس الضغط، وجهاز اختبار درجة حرارة الكتلة الجافة لمعايرة مقياس درجة الحرارة.

تبدأ عملية المعايرة بتصميم جهاز القياس المراد معايرته. يجب أن يكون التصميم قادرًا على الحفاظ على دقة المعايرة طوال فترة المعايرة المحددة. بعبارة أخرى، يجب أن يكون التصميم قادرًا على إجراء قياسات ضمن الحدود المسموح بها هندسيًا عند استخدامه في الظروف البيئية المحددة لفترة زمنية معقولة. ^{[ 6 ]} إن وجود تصميم بهذه الخصائص يزيد من احتمالية أداء أجهزة القياس الفعلية كما هو متوقع. باختصار، يهدف المعايرة إلى الحفاظ على جودة القياس وضمان الأداء السليم للجهاز.

تختلف آلية تحديد قيم التفاوت المسموح به باختلاف البلد ونوع الصناعة. عادةً ما يُحدد مُصنِّع جهاز القياس التفاوت المسموح به، ويقترح فترة معايرة، ويُحدد النطاق البيئي للاستخدام والتخزين. أما الجهة المُستخدِمة، فتُحدد عادةً فترة المعايرة الفعلية، والتي تعتمد على مستوى الاستخدام المُحتمل لهذا الجهاز. قد يكون تحديد فترات المعايرة عملية رسمية تستند إلى نتائج المعايرات السابقة. ولا تُحدد المعايير نفسها قيم فترات المعايرة المُوصى بها بوضوح: ^{[ 7 ]}

ISO 17025 ^{[ 3 ]}

لا يجوز أن تتضمن شهادة المعايرة (أو ملصق المعايرة) أي توصية بشأن فترة المعايرة إلا إذا تم الاتفاق على ذلك مع العميل. ويجوز أن تحل اللوائح القانونية محل هذا الشرط.

ANSI/NCSL Z540 ^{[ 8 ]}

"...يجب معايرتها أو التحقق منها على فترات دورية محددة ومُحافظ عليها لضمان موثوقية مقبولة..."

ISO-9001 ^{[ 2 ]}

"عند الضرورة لضمان صحة النتائج، يجب معايرة أو التحقق من معدات القياس على فترات زمنية محددة، أو قبل الاستخدام..."

MIL-STD-45662A ^{[ 9 ]}

"... يجب معايرتها على فترات دورية محددة ومُحافظ عليها لضمان دقة وموثوقية مقبولتين... يجب تقصير الفترات أو إطالتها، من قبل المقاول، عندما تشير نتائج المعايرات السابقة إلى أن هذا الإجراء مناسب للحفاظ على موثوقية مقبولة."

تتمثل الخطوة التالية في تحديد عملية المعايرة. ويُعدّ اختيار معيار أو معايير الجزء الأكثر وضوحًا في هذه العملية. من الناحية المثالية، يجب ألا تتجاوز نسبة عدم اليقين في قياس المعيار ربع نسبة عدم اليقين في قياس الجهاز المراد معايرته. وعند تحقيق هذا الهدف، يُعتبر مجموع عدم اليقين في قياس جميع المعايير المستخدمة ضئيلاً عند إجراء القياس النهائي بنسبة 4:1. ^{[ 10 ]} وقد تمّت صياغة هذه النسبة رسميًا لأول مرة في الدليل رقم 52 المرفق بالمعيار MIL-STD-45662A، وهو أحد أوائل مواصفات برنامج القياس التابع لوزارة الدفاع الأمريكية. وكانت النسبة 10:1 منذ بدايتها في خمسينيات القرن الماضي وحتى سبعينياته، حين جعل التطور التكنولوجي استخدام هذه النسبة مستحيلاً في معظم القياسات الإلكترونية. ^{[ 11 ]}

يُعدّ الحفاظ على نسبة دقة 4:1 باستخدام المعدات الحديثة أمرًا صعبًا. فقد تكون دقة جهاز الاختبار المُعاير مساوية لدقة المعيار المرجعي. ^{[ 10 ]} إذا كانت نسبة الدقة أقل من 4:1، فيمكن تقليل هامش التفاوت في المعايرة للتعويض. وعند الوصول إلى نسبة 1:1، لا تُعتبر المعايرة صحيحة تمامًا إلا إذا تطابق المعيار والجهاز المُعاير تطابقًا تامًا. ومن الطرق الشائعة الأخرى للتعامل مع هذا التباين في القدرات تقليل دقة الجهاز المُعاير.

على سبيل المثال، يمكن تغيير دقة مقياس مُصنّع بدقة 3% إلى 4%، بحيث يُمكن استخدام معيار دقة 1% بنسبة 4:1. إذا استُخدم المقياس في تطبيق يتطلب دقة 16%، فإن خفض دقة المقياس إلى 4% لن يؤثر على دقة القياسات النهائية. يُسمى هذا بالمعايرة المحدودة. ولكن إذا تطلب القياس النهائي دقة 10%، فلن تتجاوز دقة المقياس ذي الدقة 3% نسبة 3.3:1. في هذه الحالة، قد يكون تعديل هامش المعايرة للمقياس حلاً أفضل. إذا أُجريت المعايرة عند 100 وحدة، فسيكون معيار 1% في الواقع بين 99 و101 وحدة. ستكون القيم المقبولة للمعايرات، حيث تكون معدات الاختبار بنسبة 4:1، من 96 إلى 104 وحدات شاملةً. سيؤدي تغيير النطاق المقبول إلى 97 إلى 103 وحدات إلى إزالة التأثير المحتمل لجميع المعايير والحفاظ على نسبة 3.3:1. واستمراراً لذلك، فإن إجراء تغيير إضافي على النطاق المقبول إلى 98 إلى 102 يعيد النسبة النهائية إلى أكثر من 4:1.

هذا مثال مبسط، ويمكن التشكيك في صحة الرياضيات المستخدمة فيه. من المهم توثيق أي منهجية استرشدت بها هذه العملية في عملية المعايرة الفعلية، وجعلها متاحة. فالإهمال في تطبيق المنهجية يُسهم في تراكم التفاوتات وظهور مشاكل أخرى يصعب تشخيصها بعد المعايرة.

في المثال المذكور أعلاه، تُعدّ قيمة المعايرة المثالية البالغة 100 وحدة هي الأنسب ضمن نطاق المقياس لإجراء معايرة أحادية النقطة. قد تكون هذه توصية من الشركة المصنّعة، أو قد تكون الطريقة المُتبعة في معايرة الأجهزة المماثلة. تُستخدم أيضًا معايرات متعددة النقاط. اعتمادًا على الجهاز، قد تكون حالة الصفر، أي غياب الظاهرة المقاسة، نقطة معايرة. أو قد يكون من الممكن إعادة ضبط الصفر من قِبل المستخدم - فهناك عدة احتمالات. مرة أخرى، يجب تسجيل النقاط المستخدمة أثناء المعايرة.

قد توجد تقنيات توصيل محددة بين المعيار والجهاز المراد معايرته، والتي قد تؤثر على عملية المعايرة. على سبيل المثال، في المعايرات الإلكترونية التي تتضمن ظواهر تناظرية، يمكن أن تؤثر مقاومة توصيلات الكابلات بشكل مباشر على النتيجة.

يمكن أن تكون طرق معايرة الأجهزة الحديثة يدوية أو آلية.

على سبيل المثال، يمكن استخدام عملية يدوية لمعايرة مقياس الضغط. تتطلب هذه العملية عدة خطوات ^{[ 12 ]} : توصيل المقياس قيد الاختبار بمقياس مرجعي رئيسي ومصدر ضغط قابل للتعديل، وتطبيق ضغط السائل على كل من المقياس المرجعي ومقياس الاختبار عند نقاط محددة على امتداد المقياس، ومقارنة قراءات المقياسين. يمكن ضبط المقياس قيد الاختبار لضمان توافق نقطة الصفر واستجابته للضغط مع الدقة المطلوبة قدر الإمكان. تتطلب كل خطوة من خطوات هذه العملية تسجيلًا يدويًا.

جهاز معايرة الضغط التلقائي ^{[ 13 ]} هو جهاز يجمع بين وحدة تحكم إلكترونية، ومُكثِّف ضغط يُستخدم لضغط غاز مثل النيتروجين ، ومحول ضغط يُستخدم للكشف عن المستويات المطلوبة في مُراكم هيدروليكي ، وملحقات مثل مصائد السوائل ووصلات القياس . وقد يشتمل النظام التلقائي أيضًا على مرافق لجمع البيانات لأتمتة عملية جمع البيانات لأغراض حفظ السجلات.

تُجمع جميع المعلومات المذكورة أعلاه في إجراء معايرة، وهو عبارة عن طريقة اختبار محددة . تشمل هذه الإجراءات جميع الخطوات اللازمة لإجراء معايرة ناجحة. قد يُقدم المُصنِّع إجراءً للمعايرة، أو قد تُعدّ المنظمة إجراءً يُغطي جميع متطلباتها الأخرى. توجد مراكز تبادل بيانات لإجراءات المعايرة، مثل برنامج تبادل البيانات بين الحكومة والصناعة (GIDEP) في الولايات المتحدة.

تُكرر هذه العملية نفسها لكل معيار من المعايير المستخدمة حتى الوصول إلى معايير النقل، والمواد المرجعية المعتمدة ، و/أو الثوابت الفيزيائية الطبيعية، وهي معايير القياس ذات أقل قدر من عدم اليقين في المختبر. وهذا يضمن إمكانية تتبع عملية المعايرة.

راجع قسم القياسات للاطلاع على العوامل الأخرى التي يتم أخذها في الاعتبار أثناء تطوير عملية المعايرة.

بعد كل ذلك، يمكن معايرة الأجهزة الفردية من النوع المحدد المذكور أعلاه. تبدأ العملية عادةً بفحص أساسي للأضرار. تقوم بعض المؤسسات، مثل محطات الطاقة النووية، بجمع بيانات المعايرة "كما وُجدت" قبل إجراء أي صيانة دورية . بعد الصيانة الدورية ومعالجة أوجه القصور التي تم اكتشافها أثناء المعايرة، تُجرى معايرة "كما تُركت".

في أغلب الأحيان، يُعهد إلى فني معايرة بكامل العملية ويوقع على شهادة المعايرة التي توثق إتمامها بنجاح. تُعدّ العملية الأساسية المذكورة أعلاه تحديًا صعبًا ومكلفًا. تبلغ تكلفة صيانة المعدات العادية حوالي 10% من سعر الشراء الأصلي سنويًا، وفقًا لقاعدة عامة متعارف عليها . أما الأجهزة المتخصصة، مثل المجاهر الإلكترونية الماسحة وأنظمة كروماتوغرافيا الغاز وأجهزة قياس التداخل الليزري ، فقد تكون صيانتها أكثر تكلفة.

يوجد بالفعل جهاز "القياس الفردي" المستخدم في وصف عملية المعايرة الأساسية أعلاه. ولكن، بحسب المؤسسة، قد تحتوي معظم الأجهزة التي تحتاج إلى معايرة على نطاقات متعددة ووظائف عديدة في جهاز واحد. ومن الأمثلة الجيدة على ذلك راسم الإشارة الحديث الشائع . قد يصل عدد تركيبات الإعدادات التي يجب معايرتها بالكامل إلى 200,000 تركيبة، وهناك قيود على مدى إمكانية أتمتة عملية المعايرة الشاملة.

لمنع الوصول غير المصرح به إلى الجهاز، تُوضع عادةً أختام مقاومة للعبث بعد المعايرة. تُظهر صورة حامل راسم الإشارة هذه الأختام، وتُثبت أن الجهاز لم يُنزع منذ آخر معايرة له، إذ يُمكن الوصول إلى عناصر ضبطه دون إذن. كما توجد ملصقات تُبين تاريخ آخر معايرة وموعد المعايرة التالية وفقًا لفترة المعايرة. تُخصص بعض المؤسسات أيضًا مُعرّفًا فريدًا لكل جهاز لتوحيد حفظ السجلات وتتبع الملحقات الضرورية لظروف معايرة مُحددة.

عندما يتم دمج الأجهزة التي تتم معايرتها مع أجهزة الكمبيوتر، فإن برامج الكمبيوتر المدمجة وأي تصحيحات للمعايرة تكون أيضًا تحت السيطرة.

دخلت كلمتا "calibrate" و "calibration" إلى اللغة الإنجليزية في وقت قريب من الحرب الأهلية الأمريكية ، ^{[ 14 ]} في وصف المدفعية ، ويعتقد أنها مشتقة من قياس عيار البندقية.

يبدو أن بعضًا من أقدم أنظمة القياس والمعايرة المعروفة قد نشأت بين الحضارات القديمة في مصر وبلاد ما بين النهرين ووادي السند ، حيث كشفت الحفريات عن استخدام التدرجات الزاوية في البناء. ^{[ 15 ]} وربما ارتبط مصطلح "المعايرة" في البداية بالتقسيم الدقيق للمسافات والزوايا الخطية باستخدام آلة التقسيم ، وقياس الكتلة الجاذبية باستخدام الميزان . وقد دعمت هاتان الطريقتان للقياس، بالإضافة إلى مشتقاتهما المباشرة، جميع جوانب التجارة والتطور التكنولوجي تقريبًا منذ أقدم الحضارات وحتى حوالي عام 1800 ميلادي. ^{[ 16 ]}

كانت أجهزة القياس المبكرة مباشرة ، أي أنها كانت تستخدم نفس وحدات الكمية المقاسة. ومن الأمثلة على ذلك قياس الطول باستخدام المسطرة وقياس الكتلة باستخدام الميزان. في بداية القرن الثاني عشر، خلال عهد هنري الأول (1100-1135)، صدر مرسوم بأن الياردة هي "المسافة من طرف أنف الملك إلى نهاية إبهامه الممدود". ^{[ 17 ]} ومع ذلك، لم نجد دليلاً موثقاً على ذلك إلا في عهد ريتشارد الأول (1197). ^{[ 18 ]}

قياسات

"في جميع أنحاء المملكة، يجب أن تكون هناك ساحة واحدة بنفس الحجم، ويجب أن تكون من الحديد."

وتبع ذلك محاولات أخرى للتوحيد القياسي، مثل الماجنا كارتا (1225) لقياس السوائل، حتى ظهور نظام الأرشيف الفرنسي وإنشاء النظام المتري .

كان البارومتر الزئبقي، الذي يُنسب إلى توريتشيلي (1643)، من أوائل أجهزة قياس الضغط ^{[ 19 ]} ، حيث كان يقيس الضغط الجوي باستخدام الزئبق . وبعد ذلك بوقت قصير، صُممت مانومترات مملوءة بالماء . وكانت جميع هذه الأجهزة تُعاير خطيًا باستخدام مبادئ قياس الوزن، حيث يتناسب الفرق في المستويات طرديًا مع الضغط. وكانت وحدات القياس الشائعة هي بوصات الزئبق أو الماء.

في تصميم المانومتر الهيدروستاتيكي ذي القراءة المباشرة على اليسار، يدفع الضغط المطبق (P_{_a)} السائل إلى أسفل الجانب الأيمن من أنبوب المانومتر على شكل حرف U، بينما يقيس مقياس الطول المجاور للأنبوب فرق المستويات. يمثل فرق الارتفاع الناتج (H) قياسًا مباشرًا للضغط أو الفراغ بالنسبة للضغط الجوي . في حالة انعدام فرق الضغط، يتساوى كلا المستويين، ويُستخدم هذا كنقطة الصفر.

شهدت الثورة الصناعية اعتماد أجهزة قياس الضغط "غير المباشرة"، التي كانت أكثر عملية من المانومتر. ^{[ 20 ]} ومن الأمثلة على ذلك محركات البخار ذات الضغط العالي (حتى 50 رطل لكل بوصة مربعة)، حيث استُخدم الزئبق لتقليل طول المقياس إلى حوالي 60 بوصة، ولكن هذا المانومتر كان باهظ الثمن وعرضة للتلف. ^{[ 21 ]} وقد حفّز ذلك تطوير أدوات القراءة غير المباشرة، ومن أبرزها أنبوب بوردون الذي اخترعه يوجين بوردون .

تصميم القراءة غير المباشرة الذي يوضح أنبوب بوردون من الأمام (يسار) ومن الخلف (يمين).

في المنظرين الأمامي والخلفي لمقياس بوردون على اليمين، يقلل الضغط المطبق عند الوصلة السفلية من انحناء الأنبوب المسطح بما يتناسب مع الضغط. يؤدي ذلك إلى تحريك الطرف الحر للأنبوب المتصل بالمؤشر. تتم معايرة الجهاز باستخدام مانومتر، والذي يُعد معيار المعايرة. لقياس كميات الضغط غير المباشرة لكل وحدة مساحة، يعتمد عدم اليقين في المعايرة على كثافة سائل المانومتر، ووسيلة قياس فرق الارتفاع. ومن هذا، يمكن استنتاج وحدات أخرى مثل رطل لكل بوصة مربعة ووضع علامات عليها على المقياس.