چکیده

اندازه‌گیری در تست‌های عملکردی تجهیزات دوار و توربوماشین‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا دقت این اندازه‌گیری‌ها تأثیر مستقیمی بر صحت تحلیل‌های فنی، بهینه‌سازی طراحی و افزایش قابلیت اطمینان تجهیزات دارد. با این حال، عوامل متعددی مانند خطای ابزار، تغییرات محیطی، نحوه نمونه‌گیری و پردازش داده‌ها منجر به بروز عدم قطعیت (Uncertainty) در اندازه‌گیری می‌شوند. در این مقاله، به بررسی مفاهیم عدم قطعیت اندازه‌گیری، عوامل مؤثر بر آن، روش‌های کمی‌سازی عدم قطعیت و استانداردهای بین‌المللی در این حوزه پرداخته خواهد شد.

۱. مقدمه

تجهیزات دوار از جمله توربین‌های گاز، توربین‌های بخار، کمپرسورها و پمپ‌ها، نیازمند تست‌های عملکردی دقیق برای بررسی راندمان، ایمنی و طول عمر هستند. در این تست‌ها، پارامترهایی مانند فشار، دما، سرعت دورانی، ارتعاشات و جریان سیال اندازه‌گیری می‌شوند. اما همواره محدودیت‌های ابزاری، تغییرات محیطی و خطاهای تصادفی و سیستماتیک باعث ایجاد عدم قطعیت در این اندازه‌گیری‌ها می‌شود.

شناخت و ارزیابی عدم قطعیت اندازه‌گیری برای بهبود دقت تست‌ها، افزایش قابلیت اطمینان نتایج و تصمیم‌گیری صحیح در طراحی و بهره‌برداری از توربوماشین‌ها ضروری است.

۲. عوامل ایجاد عدم قطعیت در تست‌های تجهیزات دوار

خطاهای ابزار اندازه‌گیری

• عدم دقت حسگرها (Sensors) و ترانسدیوسرها مانند ترموکوپل‌ها، فشارسنج‌ها و شتاب‌سنج‌ها.
• عدم کالیبراسیون دقیق تجهیزات اندازه‌گیری که منجر به خطای سیستماتیک می‌شود.
• تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و نویزهای محیطی که باعث اختلال در سیگنال‌های اندازه‌گیری می‌شوند.

تأثیرات محیطی

• تغییرات دمایی و فشار محیطی که دقت حسگرها را کاهش می‌دهد.
• ارتعاشات و نویز مکانیکی که می‌تواند داده‌های حسگرها را دچار نویز کند.
• اثر شرایط جریان سیال مانند توربولانس یا تغییرات لحظه‌ای سرعت و فشار.

خطاهای انسانی و روش نمونه‌برداری

• عدم نصب صحیح تجهیزات اندازه‌گیری بر روی تجهیزات دوار.
• نرخ نامناسب نمونه‌برداری (Sampling Rate) که منجر به از دست رفتن داده‌های حیاتی یا ایجاد داده‌های غیرواقعی می‌شود.
• تأخیر در پاسخ حسگرها که دقت اندازه‌گیری را کاهش می‌دهد.

پردازش و تحلیل داده‌ها

• استفاده از فیلترهای نامناسب که می‌تواند داده‌ها را تغییر داده و موجب حذف سیگنال‌های مهم شود.
• خطا در تبدیل واحدها و پردازش عددی داده‌ها که باعث انحراف در نتایج نهایی می‌شود.

۳. روش‌های کمی‌سازی عدم قطعیت در اندازه‌گیری

روش GUM (ISO/IEC Guide 98-3)

استاندارد GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement) چارچوبی برای محاسبه عدم قطعیت بر اساس تحلیل خطاهای سیستماتیک و تصادفی ارائه می‌دهد. مراحل کلی این روش عبارتند از:

• شناسایی منابع عدم قطعیت در سیستم اندازه‌گیری.
• محاسبه عدم قطعیت استاندارد (Standard Uncertainty) برای هر مؤلفه.
• ترکیب عدم قطعیت‌ها با استفاده از روش‌های آماری برای تعیین عدم قطعیت ترکیبی (Combined Uncertainty).
• محاسبه عدم قطعیت گسترده (Expanded Uncertainty) با استفاده از ضریب پوشش (Coverage Factor).

روش مونت‌کارلو (Monte Carlo Simulation)

• شبیه‌سازی عددی برای تخمین توزیع عدم قطعیت با در نظر گرفتن تمامی منابع خطا انجام می‌شود.
• این روش به ویژه در مواردی که توزیع خطاهای اندازه‌گیری نامشخص است، بسیار مفید است.

روش مقایسه‌ای و کالیبراسیون

• کالیبراسیون در برابر استانداردهای مرجع برای کاهش عدم قطعیت اندازه‌گیری.
• مقایسه با نتایج تست‌های مختلف و آنالیز داده‌های چندگانه برای بهبود دقت نتایج.

۴. استانداردهای بین‌المللی در ارزیابی عدم قطعیت اندازه‌گیری

• ISO/IEC 17025: الزامات عمومی برای صلاحیت آزمایشگاه‌های تست و کالیبراسیون.
• ISO 5725: دقت و صحت روش‌های اندازه‌گیری و نتایج.
• ASME PTC 19.1: دستورالعمل عدم قطعیت در تست‌های عملکردی.
• VIM (International Vocabulary of Metrology): واژه‌نامه بین‌المللی مترولوژی برای تعاریف مربوط به اندازه‌گیری و عدم قطعیت.

۵. کاربردهای عملی در تست توربوماشین‌ها و تجهیزات دوار

تست عملکردی توربین‌های گازی

• اندازه‌گیری‌های دما، فشار، دبی و ارتعاشات با عدم قطعیت همراه است.
• استفاده از حسگرهای کالیبره شده با استانداردهای دقیق برای کاهش خطا.
• پردازش داده‌ها با روش‌های آماری پیشرفته برای حذف نویز و انحراف.

تست کمپرسورهای صنعتی

• تحلیل نسبت فشار و دبی جرمی با روش GUM.
• استفاده از اتاق‌های تست با کنترل شرایط محیطی برای کاهش اثر تغییرات محیطی.

تست ارتعاشات در پمپ‌ها و ماشین‌های دوار

• تحلیل طیفی و فیلترهای سیگنال برای کاهش نویز.
• بهره‌گیری از روش مونت‌کارلو برای تعیین عدم قطعیت در داده‌های ارتعاشی.

۶. نتیجه‌گیری و پیشنهادات

عدم قطعیت اندازه‌گیری در تست‌های تجهیزات دوار و توربوماشین‌ها تأثیر مستقیمی بر دقت نتایج دارد و باید با روش‌های استاندارد مورد ارزیابی قرار گیرد. پیشنهادات زیر برای بهبود دقت اندازه‌گیری ارائه می‌شود:

• استفاده از حسگرهای دقیق و کالیبراسیون منظم تجهیزات برای کاهش خطاهای ابزاری.
• بهینه‌سازی روش‌های نمونه‌برداری و پردازش داده‌ها برای کاهش تأثیر نویز و عدم دقت‌های محیطی.
• بهره‌گیری از روش‌های آماری مانند GUM و مونت‌کارلو برای تحلیل عدم قطعیت.
• توسعه روش‌های تست استاندارد و پایش شرایط محیطی برای بهبود قابلیت اطمینان نتایج.

با رعایت این موارد، دقت تست‌ها افزایش یافته و تصمیم‌گیری‌های فنی مبتنی بر داده‌های معتبر انجام خواهد شد.

در ادامه: مقدمه‌ای بر استاندارد ناسا ۷۰۰۹ - استانداردی برای مدل‌ها و شبیه‌سازی‌ها