Измерительная техника

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, совокупность технических средств, используемых для определения опытным путём параметров изделий и предметов (например, их размеров, качества поверхности); технологических процессов; характеристик явлений природы и состояния окружающей среды; свойств технических, биологических и других объектов.

Историческая справка. Измерительные средства использовались с глубокой древности в связи с необходимостью непосредственно получать сведения о количестве продаваемого либо получаемого в результате обмена товара, оценки результатов производства и др. За несколько тысяч лет до нашей эры для определения массы (веса) пользовались простейшими весами, приспособлениями для измерения площадей, длин, объёма. На смену солнечным и водяным часам позднее пришли механические часы, и другие приборы для более точного определения времени. Развитие ремёсел и необходимость учёта больших периодов времени привели к разработке календаря. Задачи, решаемые астрономией, геодезией, развитие кораблевождения и строительства способствовали созданию различных измерительных устройств (например, средств для определения углов, расстояний, высот). Понятиями измерительной техники пользовались средневековые математики, закладывая основы геометрии, тригонометрии и др. В 16-18 веках совершенствование измерений шло параллельно с развитием математики, физики и других естественных наук, экспериментальная часть которых, в свою очередь, опиралась на разрабатываемые новые измерительные средства. К этому периоду относится изобретение барометра, микроскопа, термометра. В конце 18 - начале 19 века в связи с развитием машиностроения, созданием обрабатывающих инструментов, машин и станков появилась необходимость в разработке контрольно-измерительных инструментов. Увеличение объёмов производства требовало создания измерительных средств, предназначенных для воспроизведения нескольких значений физической величины (величин). На определённом этапе для решения измерительных задач началось теоретическое и методическое обобщение накопленных результатов и определение перспектив дальнейшего развития, что привело к появлению науки об измерениях - метрологии.

Технические средства измерения. Для измерений служат специальные технические средства, имеющие нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и/или хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности измерений) в течение известного интервала времени. К основным видам средств измерений относятся: измерительные приборы, меры, измерительные преобразователи. В прибор на входное устройство поступает измеряемая величина, а выводится результат измерения на устройства отображения (стрелочные или цифровые, например, в весах, микрометрах, термометрах, вольтметрах). Меры служат для воспроизведения одного и/или нескольких значений некоторой физической величины, например набор гирь, рулетка, концевые меры длины, магазин сопротивлений, генератор сигналов и др. В измерительных преобразователях полученные физические величины преобразуются в величину, удобную для снятия показаний, например в механическое перемещение (в упругих элементах машин, динамометрах, термопарах, тензорезисторах и др.). Объединение средств измерения и других технических средств позволяет создавать измерительные системы для решения конкретных измерительных задач. Такие системы также расширяют возможности использования полученных данных, могут выдавать окончательный результат при измерении нескольких параметров (например, при объединении весов и средства измерения линейных размеров можно получать за одно измерение значение плотности вещества). Как самостоятельный подвид измерительных систем можно выделить измерительные информационные системы. Характерная особенность таких систем - обязательное наличие вычислительных устройств, используемых для сбора, обработки, отображения и хранения больших массивов информации, что невозможно при использовании других измерительных средств. К техническим средствам измерительной техники относятся также некоторые вспомогательные средства: устройства сравнения - компараторы (в том числе рычажные весы); источники питания энергией; устройства базирования (например, измерительные стойки, плиты) и др.

До середины 20 века измерительные средства, как правило, показывали результаты измерения, воспринимаемые только непосредственно человеком. Во многих современных средствах измерения используются устройства для автоматической регистрации и математической обработки результатов измерения и передачи их на расстояние или для автоматического управления какими-либо процессами, что оказывает существенное влияние на организацию технологического процесса производства. Измерение состоит в целенаправленном преобразовании измеряемой величины, наиболее удобной для конкретного использования (восприятия) человеком или машиной. Например, для многих автоматизированных систем удобно преобразование измеряемых величин в электрические - напряжение, частоту, индуктивность и др. В этом случае для всех последующих операций (передача результатов измерения на расстояние, их регистрация, математическая обработка, использование в системах автоматического управления) может быть применена унифицированная электрическая (электронная) аппаратура. Основные преимущества системных методов - простота регулирования чувствительности и малая инерционность электрических устройств; возможность одновременного измерения нескольких различных по своей природе величин; удобство комплектации конкретной системы из типовых блоков, управляющих машин и измерительных информационных устройств. С помощью электрических измерительных устройств можно измерить как медленно, так и очень быстро изменяющиеся во времени величины, передавать результаты измерений на большие расстояния или преобразовывать их в сигналы для управления контролируемыми процессами, что имеет важнейшее практическое значение как для промышленности, так и для научных исследований.

Основные направления и тенденции развития. Современная измерительная техника имеет ряд направлений в соответствии с областями применения и видами измеряемых величин: линейные и угловые измерения; механические, оптические, акустические, теплофизические, физико-химические измерения; электрические и магнитные измерения; радиоизмерения; измерения частоты и времени; измерения излучений и т.д. В пределах каждого из направлений существуют частные методы измерения физических величин, которые оказываются неодинаковыми при измерении величин различных порядков (например, для определения расстояния от 10^-9 до 10⁹ м применяют совершенно разные методы). По характеру и целям решаемых измерительных задач эти направления оказываются практически несвязанными между собой. Неавтоматизированные средства измерений и первичные измерительные преобразователи оказываются специфичными для каждого направления.

Автоматизированные измерительные приборы для различных областей измерительной техники имеют много общего в части элементной базы, методов построения, анализа метрологических характеристик и др. В этой связи наряду с тенденцией разделения измерительной техники на более частные направления существует и противоположная тенденция - объединение различных областей измерительной техники на базе общности исходных позиций, принципов построения структурных схем аппаратуры, а в последнее время также и общности используемых средств измерения.

В измерительной технике существуют области, отличающиеся особым подходом к процессу измерения или имеющие особую цель измерения, независимо от физической природы исследуемого объекта. К таким областям относятся телеизмерения; измерения характеристик случайных процессов; электрические измерения неэлектрических величин (например, электронные весы); исследование динамических систем; аналого-цифровое преобразование для ввода измерительной информации в компьютер и др. Эти области, как правило, динамичны, внутри них происходят изменения, появляются новые методы. Потребность в средствах измерения настолько велика и разнообразна, что наряду с общим приборостроением измерительная техника является не только составной частью практической деятельности и научных исследований, но также и самостоятельным научным направлением, дисциплиной со своей собственной системой понятий, методами анализа, логикой развития, поэтому часто рассматривается как самостоятельная область производства.

Тенденции развития измерений определились во всех областях науки и техники, охватывающих следующие направления: повышение качества средств измерений (уменьшение погрешностей, увеличение быстродействия, повышение надёжности приборов и уменьшение их размеров); создание аппаратуры для измерения величин, прежде не поддававшихся измерению, а также ужесточение условий эксплуатации; повсеместный переход к цифровым методам не только в области измерений электрических величин, но и в других областях. Широкое внедрение в измерительной технике математических средств обработки информации позволяет повысить функциональные возможности и улучшить эргономические свойства средств измерений; ведёт к дальнейшему развитию системного подхода и унификации измерительной аппаратуры и созданию автоматизированных измерительных приборов.

Лит.: Информационно-измерительная техника и электроника / Под редакцией Г. Г. Раннева. М., 2006; Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника / Под редакцией К. К. Кима. М. [и др.), 2006; Ратхор Т. С. Цифровые измерения. АЦП / ЦАП. М., 2006.