Физические приборы для измерения величин

Хотя сенсорные органы человеческого организма чрезвычайно чувствительны и отзывчивы, современная наука и техника полагаются на разработку гораздо более точных приборов для измерения физических величин. Это необходимо для изучения, мониторинга и контроля над всеми видами природных явлений.

Первые измерительные инструменты

Самые ранние физические приборы использовались в астрономии и навигации. Например, армиллярная сфера - старейший известный астрономический инструмент. Она представляла собой шар, кольца которого изображали важнейшие круги небесной сферы.

Древние греки модифицировали его для создания астролябии, определяющей время или продолжительность дня и ночи, а также для измерения солнечной и лунной высоты.

Компас - самый ранний инструмент для пеленгации, который не ссылался на звезды, был поразительно успешным среди приборов в XI веке.

Телескоп был изобретен в 1608 г. голландским оптиком Иоганном Липперсгеем и впервые стал широко использоваться Галилеем.

Первой инструментальной системой управления было тепловое реле и термостатическая печь, разработанная голландским изобретателем Корнелиусом Дреббелем (1572-1634), в которой термометр контролировал температуру печи системой стержней и рычагов.

Устройства для измерения и регулирования давления пара внутри котла появились примерно в одно и то же время. В 1788 году шотландец Джеймс Уотт изобрел центробежный регулятор для поддержания заданной скорости парового двигателя.

Электроэнергия и физические приборы

Развитие измерительных приборов движется быстрыми темпами во время промышленной революции XVIII и XIX веков особенно в области измерения электричества. Производственные процессы того времени потребовали физических приборов, способных достигать новых стандартов линейной точности. Частично это удавалось при помощи микрометра, специальные модели которого достигали точности 0,000025 мм (0,000001 дюйма).

Промышленное применение электроэнергии требовало инструментов для измерения тока, напряжения и сопротивления. Аналитические методы с использованием таких инструментов, как микроскоп, становились более важными. Например, спектроскоп анализирует по длине волны световое излучение ламп накаливания. Он стал использоваться еще и для определения состава химических веществ и звезд.

Революция в методах приборостроения

В XX веке рост современной промышленности, внедрение компьютеризации и появление космических исследований стимулировали еще большее развитие физических приборов, особенно электронных устройств. Часто преобразователь, то есть инструмент, который изменяет энергию из одной формы на другую (например, фотоэлемент, термопара или микрофон), используется для преобразования образца измеряемой энергии в электрические импульсы.

Внедрение электронного компьютера в 1950-х годах с его способностью к обработке и хранению информации произвело революцию в методах приборостроения, поскольку позволяло одновременно сравнивать и анализировать большие объемы информации. Системы обратной связи были усовершенствованы, так как данные с этапов мониторинга приборов мгновенно оценивались и использовались для настройки параметров, влияющих на процесс. Системы обратной связи имеют решающее значение для работы автоматизированных процессов.

Примеры современных физических приборов

Приборы используются для измерения физических свойств веществ, таких как его мутность или количество твердых частиц в растворе. Очистка воды и процессы нефтепереработки контролируются турбидиметром, который измеряет, насколько свет одной конкретной длины волны поглощается раствором. Плотность жидкого вещества определяется ареометром, определяющим плавучесть объекта с известным объемом, погруженным в измеряемую жидкость. Скорость потока вещества измеряется турбинным расходомером, в котором вычисляются обороты свободно вращающейся турбины, погруженной в жидкость, а вязкость жидкости измеряется рядом методов, в том числе насколько она гасит колебания стального лезвия.

Физические приборы также включают устройства для передачи сигналов на большие расстояния. Все измерительные системы (даже высокоавтоматизированные) включают в себя некоторый способ отображения сигнала наблюдателю. Системы визуального отображения могут содержать калиброванную диаграмму и указатель, встроенный дисплей на электронно-лучевой трубке или цифровую индикацию.

Погрешности измерений

На точность измерительных приборов влияют многочисленные внешние и внутренние факторы. Среди первых - шум и помехи, которые маскируют или искажают измерительный сигнал. Внутренние факторы включают в себя линейность, разрешение и точность, характерные для конкретной единицы физической величины или физического прибора. Поэтому при любых измерениях следуют понимать, что не существует абсолютного точного прибора. Для решения большинства задач из-за этого не возникает никаких сложностей, поскольку отклонения в сотую долю процента несущественно.