หลักการและความสำคัญของการวัด

หลักการและความสำคัญของการวัด 

 

1 หลักการวัดทางวิศวกรรม 

ระบบการวัดทางวิศวกรรม คืออะไร ? มีความสำคัญอย่างไร ? ทำไมต้องมีระบบการวัด ?

                1.1 ระบบการวัดทางวิศวกรรม หมายถึง เครื่องมือ (tool) ที่ใช้สำหรับวัดปริมาณของตัวแปรทางกายภาพในทางวิศวกรรม

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 เครื่องมือวัด(Instrument) คืออะไร

                                Instrument (equipment) หมายถึงอุปกรณ์(Device)ที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนที่ทำ    หน้าที่รับและส่งหรือสื่อ(Sense)ตัวแปรทางกายภาพ(Physical parameter)เช่น T , P                  , velocity , acceleration, etc. เพื่อนำผ่านไปยังชิ้นส่วนที่ทำหน้าที่ปรับเปลี่ยน (Transducer) ตัวแปรเหล่านี้ไปแสดงอยู่(Display)ในรูปแบบที่ซึ่งผู้ใช้งาน                                            (User)สามารถสังเกตเห็น บันทึกข้อมูลและเข้าใจความหมายที่ชัดเจนได้

 

2 ความสำคัญของการวัด

                1. สามารถระบุค่าที่ชัดเจนได้มากกว่าการใช้ความรู้สึกของผู้วัดเป็นตัวชี้บอก

                2. สามารถวัดค่าได้มีความละเอียดแม่นยำ และมีความน่าเชื่อถือมากขึ้นเมื่อมีมาตรฐานมารองรับ

        3.ในงานทางวิศวกรรม เช่น การหาอัตราการไหลของน้ำในท่อ การหาค่าความเครียดของชิ้นงาน – ต้องการค่าของตัวแปรที่ละเอียด+แม่นยำ เทคนิคการวัดและวิธีการเลือกเครื่องมือวัด จะมีความสำคัญอย่างมาก จำเป็นต้องใช้ข้อมูลมาช่วยในการเลือกวิธีการวัดที่เหมาะสมเพื่อการประมวลผลและตัดสินใจ

3 หน่วยของการวัด

                เนื่องจากการวัดปริมาณทางกายภาพทั้งในทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ หน่วยของปริมาณแต่ละชนิดมีมากมาย และหน่วยของการวัดก็มีหลายระบบดังนั้นในปีค.ศ.1960 จึงได้มีการประชุมและกำหนดหน่วยสากลขึ้นที่เรียกว่า หน่วย SI (The System International Unit) และระบบของหน่วยนี้ยังประกอบด้วยหน่วย3แบบ คือ หน่วยมูลฐาน หน่วยเสริม และหน่วยอนุพันธ์

 

     3.1 หน่วยมูลฐาน

                หน่วย SI ได้กำหนดหน่วยมูลฐานไว้ 7 หน่วย คือ

• ความยาวหรือระยะทาง                      เป็น        เมตร                       (m)
• มวล                                                        เป็น        กิโลกรัม (kg)
• เวลา                                                        เป็น        วินาที                     (s)
• กระแสไฟฟ้า                                        เป็น        แอมแปร์                (A)
• อุณหภูมิทางเทอร์โมไดนามิกส์        เป็น        เคลวิน                    (K)
• ความเข้มของแสงสว่าง                      เป็น        แคนเดลา               (cd)
• ปริมาณของสาร                                   เป็น        โมล                        (mol)

 

3.2 หน่วยเสริม

        หน่วยเสริมของระบบ SI  มี2หน่วยคือ

• เรเดียน (Radian : rad) เป็นหน่วยวัดมุมระนาบ (Plane Angle) ใช้สัญลักษณ์ rad
• สเตอร์เรเดียน (Steradian : sr) เป็นหน่วยวัดมุมตัน (Solid Angle) ใช้สัญลักษณ์ sr

เรเดียน เป็นหน่วยของมุมระนาบ มุม 1 เรเดียน คือมุมระหว่างรัศมีสองเส้นของวงกลมวงหนึ่งซึ่งตัดเส้นรอบวงออกเป็นส่วนโค้งยาวเท่ากับรัศมีของวงกลมนั้น

สเตอร์เรเดียน  เป็นหน่วยของมุมตัน (สามมิติ) มุม 1 สเตอร์เรเดียน คือ มุมตันซึ่งจุดยอดของกรวยกลมอยู่ที่จุดศูนย์กลางของทรงกลมไปตัดพื้นที่ผิวของทรงกลมเท่ากับพื้นที่สี่เหลี่ยมจตุรัสซึ่งมีด้านยาวเท่ากับรัศมีของทรงกลม

 

3.3 หน่วยอนุพันธ์ 

        หน่วยอนุพันธ์ เป็นหน่วยซึ่งมีหน่วยหลักหลายหน่วยมาเกี่ยวเนื่องกัน เช่น หน่วยของความเร็วเป็น เมตร/วินาที ซึ่งมีเมตรและวินาทีเป็นหน่วยหลัก มีอยู่หลายหน่วยซึ่งมีชื่อและสัญลักษณ์ตั้งขึ้นเป็นพิเศษ สำหรับหน่วยอนุพันธ์ซึ่งควรทราบมีดังนี้

3.4 คำอุปสรรค หรือตัวนำหน้า

4  โครงสร้างของระบบการวัด

         โครงสร้างของระบบการวัดทั่วๆไป จะประกอบด้วย 2ส่วนใหญ่ๆ คือ

        1 ส่วนประกอบพื้นฐาน(Basic Function element)

                        เป็นส่วนประกอบที่อย่างน้อยที่สุดแล้วจำเป็นต้องมีในเครื่องวัด

        2 ส่วนประกอบพิเศษ(Auxiliary element)

                        เป็นส่วนประกอบเสริมพิเศษเพื่อเป็นจุดเด่นของเครื่องมือนั้นๆหรือเพื่ออำนวยความสะดวกแก่ผู้ใช้มากขึ้น

4.1 ส่วนประกอบพื้นฐานของระบบการวัดประกอบด้วย 3 ส่วนดังรูป

 4.1.1) ส่วนจับสัญญาณ (Sensor-transducer element)

• Sensor : ทำหน้าที่จับสัญญาณของตัวแปรที่จะวัด
• Transducer : ทำหน้าที่แปลงสัญญาณจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่งที่สามารถเข้าใจได้ วัดได้ นิยมเรียกรวมกันว่า “Sensor-Transducer”

 

4.1.2) ส่วนปรับปรุงสัญญาณ (Signal conditioning element)

• เป็นส่วนที่ทำหน้าที่ปรับปรุงหรือเปลี่ยนแปลง (convert) สัญญาณจาก transducer ไปอยู่ในรูปแบบที่พร้อมหรือเหมาะสมที่จะแสดงผลเช่น A/D converter, D/A converter

 

4.1.3) ส่วนแสดงผล (Display or Data presentation element)

        ทำหน้าที่แปลงสัญญาณที่ได้จากส่วน signal conditioning มาเป็นสิ่งที่จะสื่อความเข้าใจถึงมนุษย์ได้หรือผู้ใช้งานได้ เช่น

• การพิมพ์อักขระบนกระดาษ
• เข็มชี้บนหน้าปัด (analog indicator)
• สัญญาณไฟติด-ดับ
• รูปกราฟ
• ตัวเลขดิจิตอล (digital display)
• tape recorders
• chart recorders

 

4.2 ส่วนประกอบพิเศษ(Auxiliary element)

                       

                        เป็นส่วนพิเศษที่สร้างขึ้นเพื่อช่วยเสริมให้เครื่องมือวัดนั้นๆ ทำงานได้ แม่นยำ     ถูกต้องขึ้นหรือได้รับความสะดวกมากขึ้น ประกอบด้วย

5 คุณลักษณะของเครื่องมือวัด

ความแม่นยำ (Accuracy)  หมายถึง ประสิทธิภาพของเครื่องมือที่จะแสดงค่าหรือบันทึกค่าได้ตรงตามความเป็นจริงของตัวแปรที่ต้องการวัดหรืออาจกล่าวได้อีกในลักษณะ คือเป็นความสามารถของการควบคุมตัวแปรให้ค่าถูกต้องตามต้องการได้

 

ความเที่ยงตรง (Precision or reproducibility) หมายถึง ประสิทธิภาพของเครื่องมือวัดที่จะแสดงค่าหรือบันทึกค่าของตัวแปรที่วัดได้เท่าเดิมทุกครั้งที่ค่าของตัวแปรที่วัดมีค่าเดียวกัน

 

เปรียบเทียบก็เหมือนกับการปาเป้าดังแสดงในรูป กล่าวคือถ้าปาเข้าเป้าได้ทุกครั้ง แต่ตำแหน่งไม่ซ้ำตำแหน่งเดิมคือความแม่นยำ  แต่ถ้าสามารถปาเป้าได้ตำแหน่งเดิมหรือใกล้เคียงได้ทุกครั้งคือความเที่ยงตรง และถ้าสามารถปาได้ตำแหน่งตรงกลางเป้าและได้ตำแหน่งใกล้เคียงกันทุกครั้งก็คือมีทั้งความแม่นยำและความเที่ยงตรงสูง

ความไวในการวัด (Sensitivity) หมายถึง ความสามารถของเครื่องมือที่จะทำการวัดค่าตัวแปรได้เมื่อการเปลี่ยนแปลงค่าตัวแปรในกระบวนการไปน้อยที่สุด หากเครื่องมือวัดสามารถทำการวัดค่าตัวแปรที่เปลี่ยนแปลงไปเพียงเล็กน้อยได้ก็หมายถึงว่าเครื่องมือนั้นมีค่าความไวในการวัดสูง

 

6 การวัดและความผิดพลาด

        ความผิดพลาดเป็นคุณลักษณะอย่างหนึ่งในระบบการวัด ซึ่งอาจเกิดขึ้นได้ขณะที่ตัวแปรคงที่และขณะที่ตัวแปรเปลี่ยนแปลงตามเวลา สาเหตุของความผิดพลาดมีหลายประการคือ

• เนื่องจากบุคคล สาเหตุนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการอ่านค่าจากเครื่องมือวัดผิดพลาดเอง ทั้งนี้เพราะผู้ใช้เครื่องมือวัดเหล่านั้นอาจใช้เครื่องมือไม่ถูกต้องนั้นเอง
• เนื่องจากเครื่องมือวัด ในเครื่องมือวัดทุกชนิดอาจเกิดคงามผิดพลาดเกี่ยวกับการทำงานของระบบได้ ซึ่งเกิดขึ้นได้เนื่องจากความเที่ยงตรงของกลไกการทำงานภายใน
• เนื่องจากสิ่งแวดล้อม การใช้เครื่องมือวัดที่มีความละเอียดมากจะต้องคำนึงถึงสภาวะแวดล้อมการใช้งานด้วยได้แก่ อุณหภูมิ , การสั่นสะเทือน , สนามแม่เหล็ก ฯลฯ สิ่งต่างๆเหล่านี้อาจทำให้การทำงานของระบบภายในเครื่องมือวัดผิดพลาด

วิธีการลดความผิดพลาด

• เลือก Transducer ที่เหมาะสม
• ตรวจความแม่นยำของเครื่องมือ
• สอบเทียบ(Calibrate)เครื่องมือ
• ตรวจสอบสภาพสิ่งแวดล้อมเพื่อให้ทราบว่า มีผลต่อการวัดอย่างไรและเท่าไหร่
• ตรวจสอบสัญญาณรบกวนต่างๆ

การสอบเทียบเครื่องมือ (Calibration) หมายถึง การตรวจสอบความแม่นยำของเครื่องมือวัด เป็นการปรับหรือกำหนดการทำงานของเครื่องมือวัดให้มีความถูกต้อง หลักการปรับเทียบหรือสอบเทียบมีหลักการง่ายๆคือ ใช้เครื่องมือที่มีความแม่นยำสูงกว่า10เท่าเป็นตัวเปรียบเทียบให้กับเครื่องมือที่มีความแม่นยำน้อยกว่า