Вимірювальна техніка
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Вимірювальна техніка

Вимірювальна техніка, галузь науки і техніки, що вивчає методи і засоби здобуття дослідним шляхом інформації про величини, характеризуючої властивості і стану об'єктів дослідження і виробничих процесів. Для 2-ої половини 20 ст характерні поступове усвідомлення того факту, що І. т. є не стільки «мистецтвом» виміру, скільки особливою науковою дисципліною зі своєю власною системою понять і своїми методами аналізу. Проте процес формування І. т. як єдиної наукової дисципліни ще не закінчений. У багатьох промислово розвинених країнах, не дивлячись на високий технічний рівень приладобудування, І. т. розглядається швидшим як галузь промисловості, чим як галузь науки. У англійській мові, наприклад, немає навіть точного еквіваленту терміну «І. т.»; одним з найбільш споживаних термінів є «instrumentation», що можна перевести як «пріборістіка».

  І. т. існує з глибокої старовини. За декілька тисячоліть до н.е.(наша ера) розвиток товарообміну привів до вимірів ваги і появи вагів; примітивна І. т. потрібна також при розділі земельних ділянок (вимір площ); при встановленні розпорядку дня і доби, виробленні календаря (вимір часу); у астрономічних спостереженнях і кораблеводінні (вимір кутів і відстаней); у будівництві (вимір розмірів). У античну епоху в процесі наукових досліджень були виконані деякі тонкі виміри, наприклад були виміряні кути заломлення світла, визначена дуга земного меридіана. Приблизно до 15 ст І. т. не відділялася від математики, про що говорять такі назви, як «геометрія» (вимір Землі), «тригонометрія» (вимір трикутників), «простір трьох вимірів» і так далі Середньовічні математичні трактати часто містили просте перерахування правил виміру площ і об'ємів. Математична ідеалізація реального процесу виміру збереглася у ряді важливих математичних понять (від ірраціонального числа до інтеграла).

  В 16—18 вв.(століття) вдосконалення І. т. йшло разом з бурхливим розвитком фізики, яка, грунтуючись у той час лише на експерименті, повністю спиралася на І. т. До цього періоду відносяться удосконалення годинника, винахід мікроскопа, барометра, термометра, перших приладів електровимірювань і ін. вимірювальних пристроїв, що використалися головним чином в наукових дослідженнях. Вже в кінці 16 — початку 17 вв.(століття) підвищення точності вимірів сприяло революційним науковим відкриттям. Так наприклад, точні астрономічні виміри Т. Бразі дозволили І. Кеплеру встановити, що планети звертаються по еліптичних орбітах. У створенні вимірювальних приладів і розробці їх теорії брали участь найбільші учені — Р. Галілей, І.  Ньютон, Х. Гюйгенс, — Р. Ріхман і ін. Кожне фізичне явище, що відкривається, втілювалося у відповідному приладі, який, у свою чергу, допомагав точно визначити значення досліджуваної величини і встановити закони взаємодії між різними величинами. Так, наприклад, поступово було вироблено поняття температури і створена температурна шкала.

  В кінці 18 і першій половині 19 вв.(століття) у зв'язку з поширенням парових двигунів і розвитком машинобудування різко підвищилися вимоги до точності обробки деталей машин, що зумовило швидкий розвиток промислової І. т. В это час удосконалюються прилади для визначення розмірів, з'являються вимірювальні машини, вводяться калібри і так далі В 19 ст були створені основи теорії І. т. і метрології ; набула поширення метрична система заходів, що забезпечила єдність вимірів в науці і виробництві. Величезне значення для І. т. мали праці До. Гауса, що розробив метод найменших квадратів, теорію випадкових погрішностей, абсолютну систему одиниць (CGSE) і що заклав разом с В. Вебером основи магнітних вимірів. Завдяки розвитку теплоенергетики, впровадженню електричних засобів зв'язку, а потім і перших електроенергетичних установок в промисловості почали використовуватися методи і засоби виміри, які до цього застосовувалися лише при наукових дослідженнях, — з'явилися теплотехнічні і прилади електровимірювань. На рубежі 19 і 20 вв.(століття) у промислово розвинених країнах стали створюватися метрологічні установи. В России у 1893 була утворена Головна палата мір і вагів, яку очолив Д. И. Менделєєв .

  Почало 20 ст знаменує новий етап в розвитку І. т. — електричні, а пізніше і електронні засоби починають застосовуватися для виміру механічних, теплових, оптичних величин, для хімічного аналізу, геологічної розвідки і т. д., тобто для вимірів будь-яких величин. З'являються такі нові галузі, як радіовиміри, спектрометрія і ін. Виникає приладобудівна промисловість. Якісний стрибок в розвитку І. т. стався після 2-ої світової війни 1939—1945, коли І. т. виступила як галузь кібернетики, що займається здобуттям і перетворенням інформації (вимірником), поряд з такими галузями, як автоматика і обчислювальна техніка .

  Виміри — найважливіший етап діяльності дослідників і експериментаторів у всіх галузях науки і техніки. Вимірювальна апаратура — основне устаткування науково-дослідних інститутів і лабораторій, невід'ємна частина оснащення будь-якого технологічного процесу, головний корисний вантаж метеорологічних ракет, штучних супутників Землі і космічних станцій.

  Сучасна вимірювальна апаратура призначається не лише для дії на органи відчуттів людини, як, наприклад, в разі сигналізації або відліку результатів виміру спостерігачем, але все частіше для автоматичної реєстрації і математичної обробки результатів виміру і передачі їх на відстань або для автоматичного управління якими-небудь процесами. У приладах і системах на різних ділянках вимірювальних каналів використовуються механічні, електричні, пневматичні, гідравлічні, оптичні, акустичні сигнали, амплітудна, частотна і фазова модуляції; надзвичайно широко застосовуються імпульсні і цифрові пристрої, стежачі системи. Процес виміру сучасними вимірювальними пристроями полягає в цілеспрямованому перетворенні вимірюваної величини у форму найбільш зручну для конкретного використання (сприйняття) людиною або машиною. Наприклад, сенс дії всіх приладів (амперметрів, вольтметрів, гальванометрів і ін.) електровимірювань полягає в тому, що з їх допомогою вимірювана електрична величина, зміни якої безпосередньо органами чуття людини не можуть бути оцінені кількісно, перетвориться в певне механічне переміщення покажчика (стрілки або світлового променя). Таке ж призначення і багатьох механічних вимірювальних приладів і вимірювальних перетворювачів, за допомогою яких всілякі фізичні величини перетворяться в механічне переміщення (штангенциркуль, мікрометр, пружинні ваги, ртутний термометр, пружинний манометр або барометр, волосяний гігрометр і т. п.). Розвиток І. т. в кінці першої половини 20 ст показало, що найбільш зручне таке перетворення вимірюваних величин, результат якого представляється не як механічні переміщення, а у вигляді електричної величини (струму, напруги, частоти, тривалості імпульсів і ін.). Тоді для всіх подальших операцій (передача результатів виміру на відстань, їх реєстрація, математична обробка, використання в системах автоматичного управління) може бути застосована стандартна електрична апаратура. Основні переваги використання електричних методів І. т. — простота регулювання чутливості і мала інерційність електричних пристроїв, можливість одночасного виміру безлічі різних за своєю природою величин, зручність комплектації з типових блоків електричної апаратури машин, що управляють, і інформаційних для вимірника систем. С помощью електричних вимірювальних пристроїв можна виміряти як повільно, так і процеси, що дуже швидко змінюються в часі, передавати результати вимірів на великих відстані або перетворювати їх в сигнали для управління контрольованими процесами, що має найважливіше практичне значення як для промисловості, так і для наукових досліджень.

  Сучасна І. т. має ряд напрямів відповідно до сфер застосування приладів і типів вимірюваних величин: лінійні і кутові виміри; механічні, оптичні, акустичні, теплофізичні, физико-хімічні виміри; електричні і магнітні виміри; радіовиміри: виміри частоти і часу; виміри випромінювань і так далі В межах кожної гілки І. т. існує безліч приватних методів виміру фізичних величин (які до того ж виявляються неоднаковими при вимірі величин різних порядків; так, відстані 10 -9 м-код , 10 -3 м-код , 10 3 м-коду , 10 9 м-коду вимірюються абсолютно різними методами). Тому окремі гілки І. т. виявляються досить слабо зв'язаними між собою. І, крім того, в межах кожної гілки безперервно виникають дрібніші підрозділи по окремих вимірюваних величинах, наприклад тензометрія (виміри механічної напруги на поверхні деталей), віброметрія (виміри віброзсуву, віброшвидкості, віброприскорення, частоти і спектрального складу вібрації), кондуктометрія (вимір складу розчинів по їх електричній провідності) і багато інших. Окремо існують галузі І. т., що відрізняються особливим підходом до процесу виміру або його метою; наприклад, телеметрія (вимір на відстані) — в рамках цієї галузі є ще радіотелеметрія, що включає космічну радіотелеметрію; виміру характеристик випадкових процесів — амплітудних розподілів, кореляційних функцій і спектрів потужності; електричні виміри неелектричних величин; цифрова І. т., що включає аналого-цифрове перетворення для введення вимірювальній інформації в обчислювальну машину, і ін. Поряд з тенденцією дроблення І. т. на все більш приватні напрями існує і протилежна тенденція — об'єднання різних галузей І. т. на базі спільності вихідних позицій, принципів побудови і структурних схем апаратури, а останнім часом також і спільності використовуваних засобів виміру. У Радянському Союзі втіленням цієї єдності стала Державна система промислових приладів і засобів автоматизації — ГСП, агрегатована система засобів техніки електровимірювання — АСЕТ.

  Потреба в засобах І. т. настільки велика і всіляка, що поряд із загальним приладобудуванням існує авіаційне, аналітичне, геофизичне, медичне приладобудування і так далі Вивчення основ І. т. входить в учбові програми практично всіх технічних вузів СРСР; ряд політехнічних і енергетичних вузів готує фахівців з інформаційно-вимірювальній техніці.

  Тенденції розвитку І. т. на початок 70-х рр. визначилися досить чітко. Основними з них у всіх областях І. т. є: 1) різке підвищення якості приладів — зниження погрішностей до 0,01% і нижче, збільшення швидкодії до тисяч і навіть мільйонів вимірів в 1 сік , підвищення надійності приладів і зменшення їх розмірів; 2) розширення сфери застосування вимірювальної апаратури в напрямі виміри величин, раніше тих, що не піддавалися виміру, а також у напрямі посилювання умов експлуатації приладів; 3) повсеместный перехід до цифрових методів не лише в області вимірів електричних величин, але і у всіх інших областях (вже є цифрові термометри, манометри, газоаналізатори, віброметри і т. д.), при цьому аналогові прилади як і раніше застосовуються і продовжують удосконалюватися; 4) дальнейшее розвиток системного підходу до уніфікації вимірювальної апаратури; 5) широке впровадження у всі засоби І. т. методів логічної і математичної обробки вимірювальної інформації.

  В області метрології слід особливо виділити тенденцію переходу від еталонів, виготовлених людиною, до природних еталонів, заснованих на хвилевих і дискретних властивостях матерії. Так, одиниця довжини відтворюється за допомогою довжини світлової хвилі, а одиниця часу — за допомогою періоду коливань природного випромінювача. Подібно до цього, одиниця електричного заряду може бути встановлена через заряд електрона, одиниця маси — через масу який-небудь з елементарних часток і так далі В приладобудуванні широке промислове вживання знаходять методи вимірів, які раніше вважалися суто лабораторними і навіть метрологічними, наприклад автоматичні інтерферометри з цифровим відліком для вимірів малих переміщень. Найважливішою тенденцією в приладобудуванні є мініатюризація і мікромініатюрізация засобів вимірів з використанням новітніх досягнень науки, зокрема фізики твердого тіла. Насущним завданням є формування загальних теоретичних основ І. т. Трудність розробки полягає в тому, що теорія І. т. граничить із складними питаннями гносеології (див. Теорія пізнання ) і математики.

  В СРСР регулярно видаються загальносоюзні журнали: «Вимірювальна техніка» (с 1939), «Прилади і системи управління» (з 1956), «Автометрія» (з 1965), «Прилади і техніка експерименту» (з 1956), реферативний журнал «Метрологія і вимірювальна техніка» (з 1963), «Контрольно-вимірювальна техніка» (з 1958), «Енциклопедія вимірів, контролю і автоматизації» (з 1962) і ін., а також монографії, довідники, брошури як по окремих напрямах, так і по загальних проблемах І. т. і приладобудування. За кордоном питанням І. т. присвячені періодичні видання: у ФРН(Федеральна Республіка Німеччини) — «Archiv für technisches Messen» (Münch., з 1931), в ГДР(Німецька Демократична Республіка) — «Messen. Steuern. Regeln» (Ст, з 1958), «Feingerätetechnik» (Ст, з 1952), у США — «Instruments and Control Systems» (Pittsburgh, з 1928), «Journal of the Instrument Society of America» (Pittsburgh, з 1946), «Review of Scientific Instruments» (N. Y., з 1930), «IEEE Transactions. Instrumentation and Measurement» (N. Y., з 1952), у ВНР(Угорська Народна Республіка) — «Mérés és automatika» (Bdpst, з 1953) і ін.

  Літ.: Маліков М. Ф., Основи метрології, ч. 1, М., 1949; Арутюнов Ст О., Електричні вимірювальні прилади і виміри, М. — Л., 1958, Курс електричних вимірів, під ред. В. Т. Приткова і А. Ст Таліцкого, ч. 1—2, М. — Л., 1960; Островський Л. А., Основи загальної теорії пристроїв електровимірювань, М. — Л., 1965; Турічин А. М., Електричні виміри електричних величин, основи інформаційної теорії вимірювальних пристроїв, Л., 1968.

  П. Ст Новіцкий, Ст Р. Кноррінг.