تويت
مبادئ أساسية عن القياسات
INTRODUCTION AND BASICS OF METROLOGY
INTRODUCTION AND BASICS OF METROLOGY
مقدمة
لقد استعمل الإنسان القياسات منذ فجر التاريخ كوسيلة عملية للتعرف على الظواهر الطبيعية المحيطة به و لتحديد أشياء يستعملها خلال حياته اليومية. فقد اخترع الإنسان أجهزة قياس الأطوال و الكيل منذ الحضارات الإنسانية الأولى لتنظيم أسلوب حياته الاجتماعية و الاقتصادية. فقد استعملت قياسات الأبعاد من طرف المصريين الفراعنة بالدقة التي سمحت ببناء الأهرامات كما استعملت مكاييل دقيقة في المعاملات التجارية بين مختلف الأمم في ذلك الزمان. و قد أخذ القياس دورا مهما جدا في جميع مجالات الحياة البشرية القديمة و الحديثة. إن التطور الصناعي و التكنولوجي و الاقتصادي الذي نعيشه في العصر الحديث هو نتاج الاستعمال الصحيح لمبادئ القياسات و ديمومته مرتبطة بدقة عملية القياس و خلوها من الأخطاء.
إنه لمن السهل أن يلاحظ أحدنا أن حياته اليومية مملوءة بأنواع عدة من القياسات بل أصبحت حياتنا (الاجتماعية, الاقتصادية و السياسية) مرتبطة بأجهزة قياس مختلفة. فعلى سبيل المثال لا الحصر :
- الساعة التي نضعها على أيدينا لمعرفة و تنظيم وقتنا جهاز قياس مهم. أليس كذلك ؟
- قيادتك للسيارة بأمان مرتبطة بعدة أجهزة قياس (عداد سرعة السيارة - مؤشر درجة الحرارة - مؤشر خزان الوقود إلخ.)
- قياس درجة الحرارة و سرعة الرياح و اتجاهها عن طريق أجهزة قياس مهم جدا للملاحة الجوية و بالتالي على تنقلاتنا.
- عداد الكهرباء و الماء المجودين عند مدخل البيت هما أجهزة قياس الاستهلاك و على أساسها ندفع الفاتورة إلى الشركات الممونة.
- التبادلات التجارية بين مختلف الدول مبني على الموازيين و المكاييل.
- خلال دراستك لمختلف العلوم منذ المدرسة الابتدائية استعملت عدة أجهزة قياس من أبسطها المسطرة لتحديد أطوال المربعات و المستطيلات و المنقلة لحساب الزوايا.
| السورة | رقم الآية | الآية |
| المطففين | 1 - 3 | ويل للمطففين (1) الذين إذا اكتالوا على الناس يستوفون (2) و إذا كالوهم أو وزنوهم يخسرون (3) |
| هود | 84- 85 | و إلى مدين أخاهم شعيبا ج قال يا قوم اعبدوا الله ما لكم من إله غيره صلى و لا تنقصوا المكيال و الميزان صلى إني أراكم بخير و إني أخاف عليكم عذاب يوم محيط (84) و يقوم أوفوا المكيال و الميزان بالقسط صلى و لا تبخسوا الناس أشياءهم و لا تعثوا في الأرض مفسدين (85) |
| الإسراء | 35 | و أوفوا الكيل إذا كلتم و زنوا بالقسطاس المستقيم ذلك خير و أحسن تأويلا (35) |
كما رُوِيَ أَنَّ النَّبِيَّ صَلَّى اللَّهُ عَلَيْهِ وَسَلَّمَ قَالَ "الْمِكْيَالُ مِكْيَالُ أَهْلِ الْمَدِينَةِ وَالْمِيزَانُ مِيزَانُ أَهْلِ مَكَّةَ". و هذه دعوة صريحة منه صلى الله عليه و سلم لتوحيد معايير القياس المتداولة في شؤون الناس و عباداتهم. و من هذا المنظور تطور معيار المد و الصاع النبويين الذين لا يزالان في التداول في معظم البلاد الإسلامية لأداء فريضة الزكاة.
و لقد قام الفكر الإنساني بإيجاد تنظيم و تشريع وضعي للقياسات حتى يمكن تنظيم مختلف مجالات الحياة المعاصرة خاصة منها ما يتعلق بالمعاملات التجارية و الصناعية. و منه جاءت المنظمات الدولية و الوطنية للمقاييس و المواصفات. و قد اهتمت هذه الهيئات بدقة القياس و ضبط أجهزته و توحيد الوحدات المستعملة فيه و أساليبه. و قد أدى هذا التنظيم إلى الوصول إلى نتائج مهمة جدا على مستوى الصناعة التي أصبحت قادرة على تصنيع منتجات تتوفر فيها خاصية التبادلية و ذات جودة عالية و حسب المواصفات المطلوبة في الأسواق الدولية و المحلية مما أدى إلى نمو و ازدهار الاقتصاد العالمي.
2 - علميا ما هو القياس (المترولوجيا) ؟
عرف علم القياس (المترولوجيا Metrology ) في القاموس الدولي للقياسات 1993 م :
بأنه " علم إجراء عملية القياس مع تحديد نسبة الخطأ المترتبة على عملية القياس ."
The International Vocabulary of Metrology (VIM- 1993) defines metrology as the Science of measurements associated to the evaluation of its uncertainty.
ا - العناصر الأساسية لعلم القياسات Basic Components of Metrology
من هذا التعريف نلاحظ أن لعلم القياسات ثلاثة عناصر أساسية :
- عملية القياس Measurement
- نظام وحدات القياس الدولي International System of Units - SI
- مرجعية عملية القياس Traceability
تعرف عملية القياس بأنها : عملية مقارنة بين البعد المراد قياسه و وحدة قياس معلومة مجسدة في جهاز قياس.
الشكل 1 - قياس طول الشغلة = مقارنة الطول مع مسطرة القياس
تسمح عملية القياس بتحديد قيمة البعد المقاس بقيمة عددية بالنسبة لوحدة قياس معلومة. فمثلا نتيجة قياس أبعاد الشغلة باستخدام مسطرة القياس أعطت النتائج التالية :
الطول : L = 45.5 mm الارتفاع : H = 12.5 mm
تتم عملية القياس باستخدام أجهزة و معدات خاصة مهيأة لأغراض القياس (مثل : أجهزة القياس - Measurement Instruments أو محددات القياس - Gages).
تحتوي نتيجة عملية القياس على ثلاثة معلومات أساسية و هي :
- القيمة العددية التي من خلالها يحدد وصف للبعد أو الخاصية المقاسة.
- وحدة قياس مناسبة متفق عليها في إطار نظام وحدات القياس الدولي.
- نسبة خطأ معينة, بحيث أن كل عملية قياس إلا و بها نسبة أخطاء معينة تعود لأسباب متعلقة بالجهاز أو مستعمل الجهاز و طريقة و ظروف استعماله.
- المحافظة على جهاز القياس في حالة عملية جيدة و عدم تعرضه لأي شيء قد يخربه.
- المحافظة على بيئة عمل خاصة (درجة حرارة = 20 ْ , درجة رطوبة = 50% و محيط نظيف).
- اتخاذ جميع الاحتياطات لإجراء قراءة نتيجة القياس الصحيحة (القراءة العمودية على الجهاز الخ..).
- استعمال وحدة القياس المناسبة.
- المعايرة الدورية لجهاز القياس و هذا بمقارنته مع معايير معلومة.
ج - طرق إجراء عملية القياس
تجرى عملية القياس على طريقتين : إما أن يكون بطريقة مباشرة Direct Measurement أو غير مباشرة Indirect Measurement.
- يتم القياس المباشر بمقارنة البعد المراد قياسه مباشرة مع جهاز القياس (الشكل 1).
- أما القياس الغير مباشر فيتم عن طريق وسائل مساعدة مثل الفرجارات لاستشعار البعد المراد قياسه و من ثم مقارنته مع جهاز قياس مثل المسطرة أو القدمة ذات الورنية. (الشكل 2). الفرجارات هي أدوات مساعدة لإجراء عملية القياس للأبعاد بطريقة غير مباشرة بحيث أنها تسمح بنقل قيمة البعد المراد قياسه من الشغلة إلى جهاز القياس. تستعمل هذه الوسائل في الحالات التي يتعذر فيها وصول جهاز القياس الى البعد المقاس.
 فرجار خارجي |
 فرجار داخلي |
| الشكل 2 - الشكل يوضح استعمال الفرجار لنقل الأبعاد و إجراء القياس الغير مباشر. | |
3 - وحدات القياس الدولية International System of Units
لقد استعمل الإنسان منذ فجر التاريخ القياسات لتحديد و معرفة العوامل الفيزيائية المتواجدة في محيطه. و لتحديد ذلك كان توجهه إلى استعمال وحدات قياس طبيعية مستقاة من محيطه المعهود. فقد استعمل الذراع و القدم لتحديد الأبعاد و الأطوال كما استعمل وحدة الزمن المتمثلة في الليلة و اليوم لتحديد المسافات البعيدة. كانت هذه المعايير و وحدات القياس كافية في العصور الأولى من التاريخ البشري رغم تنوعها و اختلافها من مكان إلى آخر. و مع التقدم الصناعي الذي واكب الثورة الصناعية مع مطلع القرن الثامن عشر الميلادي أصبحت هذه المعايير و وحدات القياس لا تفي بالغرض. و قد دفعت ظروف الحرب العالمية الثانية إلى تطور صناعي مذهل كان أساسه تبادلية المنتجات الصناعية مما أبرز الحاجة الماسة إلى توحيد نظم القياس على المستوى الدولي. انبثق عن هذا النظام الدولي لوحدات القياس International System of Units - SI المتفق عليه في المؤتمر الدولي للقياسات في سنة 1960 م. يحدد هذا النظام وحدات قياس الكميات الطبيعية التي نتعامل معها في حياتنا الصناعية, الاقتصادية و الاجتماعية.
يحتوي النظام الدولي لوحدات القياس على وحدات أساسية مبينة في الجدول 1 و وحدات مشتقة مبينة في الجدول 2.
- الوحدات الاساسية SI Base Units
| الكمية المقاسة Measured Quantity | الوحدة | الرمز | |||
| الطول أو البعد | Length | المتر | meter | م | m |
| الكتلة | Mass | الكيلوجرام | Kilogram | كلج | Kg |
| الزمن | Time | الثانية | Second | ث | s |
| درجة الحرارة | Temperature | درجة الكلفين | Kelvin | K | |
| التيار الكهربائي | Electrical Current | الأمبير | Ampere | A | |
| كمية المادة | Quantity of matter | ألمول | Mole | mol | |
| شدة الاستضاءة | Luminosity | القنديلة | Candela | Cd | |
| الزاوية المسطحة | Plane angle | الراديان | Radian | rd | |
- الوحدات المستنبطة Derived Units
| الكمية المقاسة Measured Quantity | الوحدة من القانون الفيزيائي | الرمز | |
| المساحة | Surface | الطول x الطول | m2 |
| الحجم | Volume | الطول x الطول x الطول | m3 |
| السرعة الخطية | Speed | الطول / الزمن | m/s |
| الذبذبة | Frequency | 1 / الزمن | Hz |
| الكثافة | Density | الكتلة / الحجم | kg/m3 |
| التسارع | Acceleration | السرعة / الزمن | m/s2 |
| القوة | Force | الكتلة x التسارع | N |
| الضغط | Pressure | القوة / المساحة | N/m2 |
| التدفق | Flow Rate | الحجم / الزمن | m3/s |
عمليا تستعمل بعض أجزاء أو مضاعفات وحدة القياس و هي مبينة على الجدول 3.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 mm = 1/1000 m = 10-3 m
1 cm = 1/100 m = 10-2 m
- وحدات القياس في النظام الإنجليزي English Units
| الوحدة الانجليزية | رمزها و قيمتها | قيمتها في نظام الدولي SI | |
| الميل | miles | 1 mile = 1760 yard | 1 mile = 1.609 km |
| الياردة | yard | 1 yard = 3 ft | 1yd = 91.44 cm |
| القدم | foot | 1 ft = 12 in | 1 ft = 30.48 cm |
| البوصة * | inch | in | 1 in = 25.4 mm |
أجزاء البوصة هي :
1/128 , 1/64 , 1/32 , 1/16 , 1/8 , 1/4 , 1/2 , 5/8 , 3/4 , 7/8 .
- عمليات على التحويل بين الوحدات Conversion of Units
| التدريب 1 | التدريب 2 | ||
| D = 4 in = ....... mm = ......... cm | L = 25.60 cm + 50.5 mm = .... mm = ......cm |
||
| الحل | D = 4 in = 4x25.4 mm = 101.6 mm D = 4 in = 101.6 / 10 = 10.16 cm |
الحل | L = 25.60 cm = 256.0 mm L = 256.0 mm + 50.5 mm = 306.5 mm L = 306.5 mm = 306.5 / 10 cm = 30.65 cm |
تدريب ذاتي
| التدريب 3 | التدريب 4 | ||
| H = 5 in = ....... cm = ......... mm | A = 35.85 cm + 150.5 mm + 20 cm A = ........ mm = ......cm |
||
| الحل | الحل | |
|