الباب الأول
مقدمة و مبادئ أساسية عن القياسات
Chapter 1 - 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.
إن القياسات (أو المترولوجيا) هي علم شامل يدخل في جميع العلوم الطبيعية و التكنولوجيا. و لتطبيقاتها تأثير بالغ و مهم على جميع النشاطات البشرية. بحيث أن عدم إجراء القياسات الدقيقة عن قصد أو عن غير قصد يؤدي إلى نتائج سلبية جدا على كل المستويات. لهذا فقد حظي القياس و بالأخص الكيل و الميزان (و هما من بين أهم أجهزة القياس المستعملة في المعاملات التجارية قديما و حديثا) باهتمام المشرع الحكيم و جاء ذكره في القرآن الكريم في عدة آيات نذكر منها:
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
ب - عملية القياس :(Measurement)
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.
خلال إجراء عملية القياس في المختبرات و في ورش التشغيل تكمن مهمة المهندس و الفني في تحديد قيم الأبعاد بالنسبة لوحدة القياس الدولية بالدقة اللازمة و اتخاذ جميع التدابير للحيلولة دون وقوع أخطاء قياس بنسب كبيرة. من بين أهم هذه الإجراءات العملية نذكر ما يلي:
1. المحافظة على جهاز القياس في حالة عملية جيدة و عدم تعرضه لأي شيء قد يخربه.
2. المحافظة على بيئة عمل خاصة (درجة حرارة = 20 ْ , درجة رطوبة = 50% و محيط نظيف).
3. اتخاذ جميع الاحتياطات لإجراء قراءة نتيجة القياس الصحيحة (القراءة العمودية على الجهاز الخ..).
4. استعمال وحدة القياس المناسبة.
5. 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
جدول 1
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
لكل وحدة من الوحدات الأساسية معيار دولي معرف بدقة متناهية و محفوظ من طرف المنظمة العالمية للمقاييس International Standards Organization ISO . يستعمل هذا المعيار الدولي لمعايرة المعايير الوطنية الموجودة على مستوى مختلف دول العالم و المحفوظة من طرف الهيئات الوطنية للمقاييس و المواصفات مثل الهيئة العربية السعودية للمقاييس Saudi Arabian Standards Organization SASO.
• الوحدات المستنبطة Derived Units
من الوحدات الأساسية يمكن استنباط وحدات عملية أخرى تسمى بالوحدات المشتقة. تشتق هذه الوحدات عن طريق القوانين الفيزيائية التي تحكم الكمية المدروسة. الجدول 2 يمثل بعض الوحدات المشتقة التي نستعملها بكثرة في واقعنا الصناعي.
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.
• الجدول 3 - مضاعفات و أجزاء الوحدات الأساسية المعتمدة
اســم المعامل Prefix الرمز معامل الضرب
التيرا Tera T 1012
الجيقا Giga G 109
الميجا Mega M 106
الكيلو kilo k 103
الوحدة الأساسية Base Unit
السنتي centi- c 10-2
الميلي milli- m 10-3
الميكرو micro- µ 10-6
النانو nano- n 10-9
البيكو pico- p 10-12
________________________________________
حسب النظام الدولي للمقاييس SI ففي المختبرات و ورش الميكانيكا نستعمل وحدة المتر في قياس الأبعاد و الأطوال كوحدة أساسية. إلا أنه عمليا كثيرا ما نستعمل وحدة المليمتر أو السنتيمتر و هي معرفة كما يلي:
1 mm = 1/1000 m = 10-3 m
1 cm = 1/100 m = 10-2 m
• وحدات القياس في النظام الإنجليزي English Units
إن وحدة المتر المستعملة في النظام الدولي أخذت من النظام المتري الفرنسي. و بالموازاة مع هذا النظام يوجد هناك النظام الإنجليزي الذي ما زال مستعملا بصورة أقل شمولية من النظام الدولي. يعتمد النظام الإنجليزي على وحدات القياس التالية: الميل , الياردة , القدم و البوصة. و هي معرفة كما يلي:
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
تعتبر وحدة البوصة من بين الوحدات المعمول بها في المجال الصناعي. لذا نجد أن معظم أجهزة قياس الأبعاد مثل المسطرة الحديدية أو القدمة ذات الورنية مدرجة بهذه الوحدة إضافة إلى وحدة المليمتر.
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
نظرا لأهمية وحدات قياس الأبعاد ( mm, cm, in) في مجال القياسات الصناعية فعلى الطالب أن يتدرب على عمليات التحويل بين مختلف هذه الوحدات. إنه من الأهمية بمكان أن ننبه هنا إلى خطورة الخلط بين هذه الوحدات و ما قد تسببه من أخطاء فادحة: الأمر الذي يقع فيه معظم المتدربين و الفنيين الصناعيين. إن انفجار المكوك الفضائي الأمريكي في فضاء كوكب المريخ في أكتوبر 1999 م لم يكن إلا نتيجة خلط في استعمال وحدات القياس للتسارع بين الوحدة البريطانية و وحدة النظام الدولي. (انظر المرجع).
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
الباب الثاني
قياس الأبعاد باستخدام المساطر الحديدية
Chapter 2 - DIMENSIONAL MEASUREMENTS USING STEEL RULERS
________________________________________
1 - مقدمة
يعتبر قياس الأبعاد من بين أهم العمليات التقنية التي نقوم بها خلال عمليات التشغيل و الإنتاج الصناعي للقطع بحيث تلعب هذه العملية دورا مهما في تصنيع القطع حسب المواصفات الفنية و بالتالي ضمان جودتها. تستعمل كذلك القياسات الدقيقة كأداة تقييم العمليات الإنتاجية و ضمان تصنيع منتجات تحقق مستوى الأداء المطلوب.
رغم التقدم التكنولوجي الهائل في مجال القياسات الذي سمح بتوفير أجهزة الكترونية دقيقة و معقدة لقياس الأبعاد , إلا أن الأجهزة الميكانيكية البسيطة تبقى سيدة مجال القياسات في ورش التشغيل و المختبرات التدريبية. و من أهم هذه الأجهزة و التي ما زالت و ستبقى إلى أجل غير مسمى في متناول الفني و المهندس لإجراء قياسات الأبعاد :
• المسطرة الحديدية Steel rule
• القدمة ذات الورنية Vernier Caliper
• الميكرومتر Micrometer
في هذا الدرس سنستعرض معا طريقة استعمال المسطرة الحديدية لقياس الأبعاد. يلي بعد ذلك عرض تقنية القدمة ذات الورنية و الميكرومتر في الأبواب اللاحقة.
2 - قياس الأبعاد باستخدام المسطرة الحديدية
تعتبر المسطرة الحديدية من أدوات قياس الأبعاد الأكثر شيوعا في الورش و في المصانع. تستعمل عادة في إجراء القياسات العادية للقطع المشغولة و في نقل الأبعاد من الرسومات و التصاميم إلى خامات التشغيل و القطع المصنعة.
تصنع المساطر عادة من الصلب الذي لا يتأثر كثيرا بالتغيرات التي قد تحدث في محيط العمل من درجة الحرارة, الرطوبة و الاهتزازات.
عادة ما تحتوي المسطرة الحديدية على تدرج بالبوصة من ناحية و بالمليمتر من ناحية أخرى. ينصح باستعمال وحدة المليمتر في قياساتنا و هذا تماشيا مع النظام الدولي للقياسات (SI) إلا انه في بعض الحالات يمكن إجراء القياس غلى النظام الانجليزي حيث نستعمل وحدة البوصة. يمكن أن نذكر هنا بقانون التحويل بين الوحدتين :
1 بوصة = 25.4 مم
1 inch = 1 " = 25.4 mm
على الفني و المهندس أن يتقن القياس على المسطرة الحديدية بالوحدتين و أن يعرف قانون التحويل كما يمكنه استعمال بعض الجداول الصناعية المتواجدة في الورش.
تسمح المسطرة الحديدية بإجراء قياس أطوال المشغولات بدقة قياس تساوي 1 مم في حين يمكن إجراء القياس بدقة 0.5 مم على بعض المساطر.
بالنسبة للمسطرة المجسدة للوحدة البريطانية (البوصة) فقد تكون مدرجة بأحد أجزاء البوصة و هي:
1/128 , 1/64 , 1/32 , 1/16 , 1/8 , 1/4 , 1/2 , 5/8 , 3/4 , 7/8 .
حتى يسهل علينا استعمال هذه الأجزاء و ما يقابله كأعداد عشرية يمكن لنا أن نستعمل الجداول الصناعية المتوفرة في ورش التشغيل و التي تعد كأدوات مساعدة للفني في عمليات القياس و مثال منها موضح على الشكل التالي:
3 - أنواع المساطر الحديدية
أكثر أنواع مساطر القياس المستعملة في الورش هي ذات أطوال 6 بوصة (أو مسطرة الجيب) , 12 بوصة و 18 بوصة.
قصد الحصول على أحسن دقة قياس يمكن استعمال مسطرة حديدية مع نهاية لوضعها مع حافة القطعة المقاسة.
مسطرة ضيقة لقياس أعماق الثقوب
مسطرة حديدية صغيرة مع ممسك لقياس الأبعاد الصغيرة .
4 - قراءة قياس المسطرة الحديدية
تعتبر المسطرة الحديدية من أول أجهزة قياس الأبعاد التي تعاملنا معها منذ السنوات الأولى للدراسة الابتدائية نظرا لسهولة استعمالها حيث أن قراءة القياس عليها بسيط جدا. عادة ما تكون المسطرة مدرجة بالمليمتر ( 1 mm) و بنصف المليمتر ( 0.5 mm).
دقة المسطرة = 0.5 mm
قصد إجراء القياس الدقيق على المسطرة الحديدية يجب إتباع الطريقة التالية:
1 - نقوم بتحديد دقة القياس على المسطرة (إما أن تكون 1 مم أو 0.5 مم في حالة المسطرة المترية أو أحد أجزاء البوصة في حالة المسطرة البريطانية (1/8 أو 1/16 إلخ..)
2 - نوازي الحافة الأولى للبعد المراد قياسه مع صفر المسطرة (عادة ما يكون مع حافتها).
3 - نقرأ قيمة القياس على المسطرة و الذي يكون موازيا للحافة الثانية للبعد. يجب أن نراعي دائما أن يكون نظرنا عموديا على القياس لأن القراءة من زاوية غير عمودية يسبب خطأ في القياس يسمى بخطأ الزاوية (Paralax Error)
دقة المسطرة = 1/16 "
أمثلة عن قراءة القياس على المسطرة
• أولا نحدد قيمة دقة القياس على المسطرة و هي واضحة على الجهاز و تساوي 0.5 مم. ثم نقوم بإجراء قراءة القياس.
• تقع قراءة القياس A على التدرج 22 بالمليمتر الصحيح و بالتالي فنتيجة قياس A هي:
A = 22 mm
• بنفس الطريقة تحدد نتيجة قياس B هي : B = 12 mm
• في حين تكون نتيجة قياس C هي : C = 31 +0.5 = 31.5 mm
• و تكون نتيجة قياس D هي : D = 40 +0.5 = 40.5 mm
