История развития средств измерений

Измерительная техника существуют с глубокой древности. За несколько тысячелетий до н. э. развитие товарообмена привело к измерениям веса и появлению весов. Примитивная измерительная техника потребовалась при разделе земельных участков (измерение площадей), при установлении распорядка дня и суток, выработке календаря (измерение времени), в астрономических наблюдениях и кораблевождении (измерение углов и расстояний); в строительстве (измерение размеров). В античную эпоху в процессе научных исследований были выполнены некоторые тонкие измерения, например, были измерены углы преломления света, определена дуга земного меридиана. Примерно до XV века измерительная техника не отделялась от математики, о чём говорят такие названия, как «геометрия» (измерение Земли), «тригонометрия» (измерение треугольников), «пространство трех измерений» и т. д. Средневековые математические трактаты часто содержали простое перечисление правил измерения площадей и объёмов. Математическая идеализация реального процесса измерения сохранилась в ряде важных математических понятий (от иррационального числа до интеграла).

Среди великих открытий и изобретений феодальных времён стали очки и компас. Место и время изготовления первых очков точно неизвестно. Впервые оптические очки появились в Европе, в Венеции, в XIII веке. Потребность в очках вызвала развитие стекольного дела, и в частности шлифовки стекол. В XIV—XV веках стекольно-шлифовальное дело начинает быстро развиваться преимущественно в Голландии. Изготовление и применение очков подготовили изобретение подзорной трубы, микроскопа и привели к созданию теоретических основ оптики.

Возникновение оптики дало не только огромный материал наблюдений, но и совершенно иные, чем раньше, средства для науки, позволило сконструировать новые приборы для исследований.

Использование явления магнетизма и создание компаса позволили человеку значительно расширить масштабы путешествий как по суше, так и по морю. Точные данные о времени и месте применения магнетизма и изобретения компаса неизвестны. По-видимому, магнетизм впервые был обнаружен в виде естественной намагниченности некоторых железных руд. Наиболее древнее практическое применение магнетизма известно в Китае, где в летописи III в. до н. э. имеются записи о применении компаса, первоначально употреблявшегося при сухопутных путешествиях. До наших дней сохранилась медная с делениями пластинка от компаса, стрелкой которого служил природный магнитный железняк, отшлифованный в виде ложечки. Своей выгнутой поверхностью стрелка прикасалась к дощечке.

Первое упоминание о компасе в Европе относится к XII веку. Вначале компас представлял собой магнитную стрелку, укрепленную на пробке, которая плавала в сосуде с водой. В начале XIV века компас был усовершенствован: к стрелке прикрепили небольшой круг, получивший название «картушка». Круг разделялся на 16 делений, румбов. Вращающаяся стрелка с картушкой помещалась в круглой коробке. В XVI веке картушка делилась на 32 румба, по 11,4°. В России поморы в XVI в. называли компас «маткой». Главное применение компас нашел в морском деле, став основным прибором для судовождения. Компас, подзорная труба, а также выросшая техника морского дела позволили в конце XV и в начале XVI века осуществить великие географические открытия.

Совершенствование измерительной техники шло вместе с бурным развитием физики, которая, основываясь в то время только на эксперименте, полностью опиралась на измерительную технику. К этому периоду относятся усовершенствование часов, изобретение микроскопа, барометра, термометра, первых электроизмерительных приборов и других измерительных устройств, использовавшихся главным образом в научных исследованиях. Уже в конце XVI века повышение точности измерений способствовало революционным научным открытиям. Так, например, точные астрономические измерения Т. Браге позволили И. Кеплеру установить, что планеты обращаются по эллиптическим орбитам. В создании измерительных приборов и разработке их теории принимали участие крупнейшие учёные — Г. Галилей, И. Ньютон, Х. Гюйгенс, Г. Рихман и др. Каждое открываемое физическое явление воплощалось в соответствующем приборе, который, в свою очередь, помогал точно определить значение исследуемой величины и установить законы взаимодействия между различными величинами. Так, например, постепенно было выработано понятие температуры и создана температурная шкала.

В конце XVIII и первой половине XVIII века в связи с распространением паровых двигателей и развитием машиностроения резко повысились требования к точности обработки деталей машин, что обусловило быстрое развитие промышленной измерительной техники. В это время совершенствуются приборы для определения размеров, появляются измерительные машины, вводятся калибры и т. д. В XIX веке были созданы основы теории измерительной техники и метрологии; получила распространение метрическая система мер, обеспечившая единство измерений в науке и производстве. Огромное значение для измерительной техники имели труды К. Гаусса, разработавшего метод наименьших квадратов, теорию случайных погрешностей, абсолютную систему единиц (CGSE) и заложившего вместе с В. Вебером основы магнитных измерений. Благодаря развитию теплоэнергетики, внедрению электрических средств связи, а затем и первых электроэнергетических установок в промышленности начали использоваться методы и средства измерения, которые до этого применялись лишь при научных исследованиях, — появились теплотехнические и электроизмерительные приборы. На рубеже 19 и 20 вв. в промышленно развитых странах стали создаваться метрологические учреждения. В России в 1893 была образована Главная палата мер и весов, которую возглавил Д. И. Менделеев.

Начало XX века знаменует новый этап в развитии измерительной техники — электрические, а позднее и электронные средства начинают применяться для измерения механических, тепловых, оптических величин, для химического анализа, геологической разведки. Появляются такие новые отрасли, как радиоизмерения, спектрометрия и др. Возникает приборостроительная промышленность. Качественный скачок в развитии измерительной техники произошёл после 2-й мировой войны 1939—1945 гг., когда измерительная техника выступила как отрасль кибернетики, занимающаяся получением и преобразованием информации (измерительной), наряду с такими отраслями, как автоматика и вычислительная техника.

Измерения — важнейший этап деятельности исследователей и экспериментаторов во всех отраслях науки и техники. Измерительная аппаратура — основное оборудование научно-исследовательских институтов и лабораторий, неотъемлемая часть оснастки любого технологического процесса, главный полезный груз метеорологических ракет, искусственных спутников Земли и космических станций.

Современная измерительная аппаратура предназначается не только для воздействия на органы чувств человека, как, например, в случае сигнализации или отсчёта результатов измерения наблюдателем, но всё чаще для автоматической регистрации и математической обработки результатов измерения и передачи их на расстояние или для автоматического управления какими-либо процессами. В приборах и системах на разных участках измерительных каналов используются механические, электрические, пневматические, гидравлические, оптические, акустические сигналы, амплитудная, частотная и фазовая модуляции; чрезвычайно широко применяются импульсные и цифровые устройства, следящие системы. Процесс измерения современными измерительными устройствами состоит в целенаправленном преобразовании измеряемой величины в форму, наиболее удобную для конкретного использования (восприятия) человеком или машиной. Например, смысл действия всех электроизмерительных приборов (амперметров, вольтметров, гальванометров и др.) заключается в том, что с их помощью измеряемая электрическая величина, изменения которой непосредственно органами чувств человека не могут быть оценены количественно, преобразуется в определённое механическое перемещение указателя (стрелки или светового луча). Таково же назначение и многих механических измерительных приборов и измерительных преобразователей, с помощью которых разнообразные физические величины преобразуются в механическое перемещение (штангенциркуль, микрометр, пружинные весы, ртутный термометр, пружинный манометр или барометр, волосяной гигрометр и т. п.).

Для начала XXI века характерно осознание того факта, что измерительная техника, является не столько «искусством» измерения, сколько особой научной дисциплиной со своей собственной системой понятий и своими методами анализа.

Приборостроительная наука представлена тематикой отраслевых и академических организаций, дисциплинами высших и средних специальных учебных заведений, многочисленным персоналом учёных, книжными и периодическими изданиями, научно-техническими советами и обществами.

Международная кооперация в приборостроении имеет очень большое значение. Она позволяет обеспечить создание и производство приборов и средств автоматики с учётом традиционных возможностей и рационального использования научно-производственного потенциала разных стран.

Международная кооперация позволяет производить параметрические ряды унифицированных приборов контроля и регулирования температуры, давления, уровня, расхода, количества жидкостей и газов и др. теплоэнергетических величин. Кооперирование даёт возможность разрабатывать и выпускать системы управления технологическими процессами на базе средств извлечения, формирования, обработки, представления и использования информации.

Приборостроение занимает видное место в промышленности развитых стран. Разнообразные измерительные, аналитические, геофизические и другие приборы, вычислительные и испытательные машины, устройства передачи данных, средства телемеханики и оргтехники, комплексные системы контроля и регулирования выпускают большое количество компаний США, Европейского Союза, Китая, России, Ю.Кореи и многих других стран.

Наибольшее развитие в приборостроении получило производство механических и электрических измерительных приборов с деталями высокого класса точности. Наряду с классическими видами машиностроительной технологии при изготовлении деталей приборов применяют ультразвуковую, электроннолучевую, лазерную, электрохимическую, и другие прогрессивные виды обработки. Всё большее место в приборостроении занимает производство электронной техники с поточными автоматизированными гальваническими, электрофизическими, электрохимическими, фотохимическими, диффузионными и др. процессами обработки полупроводниковых и изоляционных материалов, процессами печатного монтажа элементов и схем на модульных платах, специализированным оборудованием для получения электронных функциональных блоков.

Достижения вычислительной техники позволяют приборостроению существенно расширить арсенал методов и средств автоматизированного управления технологическим оборудованием, энергетическими установками, промышленными предприятиями, транспортными средствами, научными исследованиями. Вычислительные устройства также входят в состав измерительных, аналитических, испытательных, разведочных установок и систем в качестве средств хранения и математической обработки информации для получения синтезированных результатов. Они применяются и как средства программного управления различными машинами, станками, манипуляторами и поточными линиями. Приборостроением создаются разнообразные средства обработки данных, ручного и автоматического формирования текстовой и графической информации для непосредственного использования в и передачи для дальнейшей машинной обработки.

Развитие автоматизации управления связано с совершенствованием сбора, передачи, обработки и представления информации посредством совмещения анализа технологических и экономических параметров для своевременного получения синтезированных показателей производства и деятельности предприятия в целом. Это путь развития интегрированных систем. Создание и распространение интегрированных систем связаны с выпуском необходимых унифицированных экономически целесообразных комплексов технических средств, алгоритмов, программ и типовых проектных решений автоматизации управления, применимых в различных отраслях народного хозяйства.

Важное значение имеет повышение информативности систем при одновременном сокращении количества частных сведений, представляемых человеку, что достигается за счёт расширения аналитической функции измерительных и вычислительных устройств. Существенно повышение автоматичности управления. Исследование технологических процессов, различных режимов работы оборудования и машин даёт возможность шире использовать методы адаптации систем управления для получения наилучших технико-экономических показателей.

Научные достижения в изучении различных состояний твёрдого тела, динамики движения жидкостей и газов, плазменной формы материи, физико-химических свойств веществ, энергетических преобразований, нестационарных полей, колебаний и излучений позволяют не только находить новые принципы действия приборов, но и повышать точность, надёжность и экономичность важнейших изделий приборостроения и обновлять их номенклатуру.

Ведущее место в приборостроении по количеству и разнообразию выпускаемых приборов занимают средства измерительной техники. Созданы методы и приборы измерения:

· электрических и магнитных величин (напряжение, ток, мощность, частота, фазы, сопротивление, ёмкость, магнитные величины);

· теплоэнергетических величин (температура, давление, расход, уровень);

· механических величин (вес, сила, вибрация, твёрдость, деформация, прочность).

Крупным, быстро развивающимся направлением является аналитическое приборостроение, создающее устройства для определения состава и концентрации веществ в различных средах, материалах и продуктах. К ним относятся электрохимические, ультразвуковые, оптические, ядерные и иные анализаторы, сложные многопараметровые аналитические системы. Современные средства физико-химического анализа используют разнообразные явления, вызываемые воздействием электрического тока, электромагнитных волн или проникающей радиации на исследуемую среду. Отбор и подготовка проб, преобразование, разделение, дозирование веществ, возбуждение их активности, селектирование сигналов и представление информации автоматизируются.

Развитие металлургии, химии, биологии и др. связано с необходимостью точного анализа руд, металлов и сплавов, нефтепродуктов, примесей в полупроводниках, присутствия различных элементов в пищевых продуктах и живых средах в широком диапазоне состава и концентрации, требует применения многокомпонентных анализаторов. Такими приборами являются рентгеновские квантометры, полярографы, масс-спектрометры, хроматографы, точно фиксирующие элементарную картину многих минеральных и органических соединений. Приборостроение не только создаёт и выпускает такие приборы, но и обеспечивает возможность комплексного применения средств аналитической техники в системах автоматического контроля и регулирования технологических процессов.

Достижения вычислительной техники позволяют приборостроению существенно расширить арсенал методов и средств автоматизированного управления технологическим оборудованием, энергетическими установками, промышленными предприятиями, транспортными средствами, научными исследованиями. Вычислительные устройства также входят в состав измерительных, аналитических, испытательных, разведочных установок и систем в качестве средств хранения и математической обработки информации для получения синтезированных результатов. Они применяются и как средства программного управления различными машинами, станками, манипуляторами и поточными линиями.

Значительное место в приборостроении занимают средства передачи информационных сигналов и управляющих импульсов на большие расстояния (телемеханика).

Автоматизация технологических процессов невозможна без исполнительных механизмов, преобразующих управляющие импульсы в перемещение регулирующих органов производственного оборудования.

Кроме основных средств извлечения, формирования, хранения, передачи, представления и использования информации широкого научного и промышленного назначения, приборостроение создаёт и выпускает много различных специальных приборов для геофизики, гидрометеорологии, медицины, сельского хозяйства, транспорта, лабораторное оборудование, специализированные комплектные лаборатории, часы и ювелирные изделия.

Развитие микроэлектроники, оптоэлектроники, нелинейной оптики, микромеханики обогащает приборостроения, способствует созданию компактных надёжных экономичных измерительных, аналитических, разведочных и др. приборов, средств управляющих ЭВМ, телемеханики и автоматики. Монокристаллы с особыми физическими свойствами, полупроводниковые, эпитаксиальные и др. плёнки, жидкие кристаллы, твёрдотельные интегральные схемы, магнитострикционные элементы в качестве чувствительных воспринимающих, преобразующих и индикаторных сред качественно меняют характер изделий и технологию приборостроения.

Ведущей тенденцией в современном приборостроении является унификация элементно-конструктивной базы приборов и их системное применение. Унификация обеспечивается нормализацией информационных сигналов, параметров источников питания, метрологических показателей, конструктивных форм и размеров, технических требований и технологий, а также условий эксплуатации. Этим существенно упрощается и удешевляется проектирование систем и повышается надёжность их функционирования.

Поиск по сайту: