ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

THE HISTORY OF THE EMERGENCE OF INSTRUMENTATION

Maxim Nazarenko

Student, Bauman Moscow State Technical University (National Research University) Mytishchi Branch, (Bauman Moscow State Technical University MF), Russia, Mytishchi

Аннотация. В статье дана краткая история возникновения приборостроения, в основе которого лежит метрология – наука об измерениях, дана классификация средств измерений, показана Международная система единиц – система СИ, указаны эталоны единицы длины, времени, силы электрического тока, температуры, силы света.

Abstract. The article gives a brief history of the emergence of instrumentation, which is based on metrology - the science of measurements, gives a classification of measuring instruments, shows the International System of Units - the SI system, indicates the standards of the unit of length, time, electric current, temperature, light intensity.

Ключевые слова: приборостроение, метрология, средства измерения, измерительная техника, эталоны длины, силы электрического тока, температуры, силы света, времени.

Keywords: instrumentation, metrology, measuring instruments, measuring equipment, standards of length, electric current strength, temperature, light intensity, time.

Приборостроение – это отрасль науки и техники, разрабатывающая    и производящая средства измерения, обработки и представления информации, автоматические и автоматизированные системы управления.

Основным направлением развития приборостроения является измерительная техника, состоящая из методов и приборов измерения механических, электрических, магнитных, тепловых, оптических, акустических   и других физических величин. На измерительной технике и электронике основаны системы контроля качества и диагностики в различных областях деятельности и жизни человека и созданные им научные и производственные системы.

Приборостроение – отрасль, определяющая научно-технический уровень любой страны мира. В жизни общества по мере его развития измерения занимают все большую роль, так как это единственный способ получения объективной количественной информации об явлениях и объектах окружающей среды.

Измерительная техника существует с глубокой древности. За несколько тысячелетий до новой эры развитие товарообмена привело к необходимости измерения веса и появлению весов. Измерительная техника требовалась также для измерения площадей земельных участков, в астрономических наблюдениях и кораблевождении (измерение углов и расстояний), в строительстве (измерение размеров). Сложившаяся со временем классификация средств измерений приведена на рис.1.

Рисунок 1. Классификация средств измерений [4]

Приведенная классификация не является исчерпывающей. С развитием техники и технологий возникают как новые измеряемые величины, так и новые средства измерений.

Совершенствование измерительной техники происходило одновременно с бурным развитием физики, которая, основываясь первоначально только на эксперименте, полностью опиралась на измерительную технику. К периоду XV–XVI вв. относятся усовершенствование часов, изобретение микроскопа, барометра, термометра, первых электроизмерительных приборов и других измерительных устройств, использовавшихся главным образом в научных исследованиях.

В конце XVI – начале XVII в. повышение точности измерений способствовало революционным научным открытиям. Так, например, точные астрономические измерения позволили И. Кеплеру установить, что планеты обращаются по эллиптическим орбитам.

В XIX в. были созданы основы теории измерительной техники и метрологии, получила распространение метрическая система мер, обеспечившая единство измерений в науке и производстве.

В создании измерительных приборов и разработке их теории принимали участие крупнейшие учёные – Г. Галилей, И. Ньютон, Х. Гюйгенс и другие. Каждое открываемое физическое явление воплощалось в соответствующем приборе, который, в свою очередь, помогал точно определить значение исследуемой величины и установить законы природы.

Благодаря развитию теплоэнергетики, внедрению электрических средств связи, а затем и первых электроэнергетических установок начали использоваться методы и средства измерения, которые до этого применялись лишь при научных исследованиях, – появились теплотехнические     и электроизмерительные приборы. Начало ХХ в. знаменует новый этап в развитии измерительной техники – электрические средства, а позднее и электронные средства начинают применяться для измерения механических, тепловых, оптических величин, для химического анализа, геологической разведки, т. е. для измерений любых величин [5]. Появляются такие новые отрасли, как радиоизмерение, спектрометрия и др. Возникает приборостроительная промышленность.

В ХХ в. большинство приборов было модернизировано на базе электроники, что значительно повысило их точность, расширило функциональные возможности, радикально улучшило эксплуатационные характеристики, а также совместимость с различными устройствами, машинами и механизмами.

В основе технологий приборостроения лежит метрология (от греч. métron – мера и logos – наука) – наука об измерениях, методах достижения их единства и требуемой точности. Метрология занимается вопросами организации измерений, их согласованности, достоверности и соответствия требованиям в рамках организации, региона, страны, а также на международном уровне.

Одним из важнейших предназначений метрологии как науки и области практической деятельности является обеспечение единства измерений. Первым условием обеспечения единства измерений является представление результатов измерений в узаконенных единицах, которые были бы одними и теми же всюду, где проводятся измерения и используются их результаты.

На рубеже XIX и XX вв. в промышленно развитых странах стали создаваться метрологические учреждения. В России в 1893 г. была образована Главная палата мер и весов, которую возглавил Дмитрий Иванович Менделеев. Именно благодаря трудам и энергии Д. И. Менделеева отечественная метрология стала подлинной наукой об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения точности в соответствии с потребностями развивающихся отраслей науки, промышленности, всей экономической жизни страны. В настоящее время бывшая Главная палата мер и весов – это Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии (ВНИИМ) им. Д. И. Менделеева, находящийся в распоряжении Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарта) [2]. В 1960 г. на XI Международной конференции по мерам и весам была принята Международная система единиц – система СИ. Сегодня метрическая система узаконена более чем в 124 странах мира.

В области метрологии следует отметить тенденцию перехода от эталонов, изготовленных человеком, к естественным эталонам, основанным на волновых и дискретных свойствах материи.

В качестве эталона единицы длины утвержден метр, который равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды, где 299792458 – фундаментальная константа, равная значению скорости света.

Единица времени секунда соответствует 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями основного состояния атома цезия-133. Единица силы электрического тока ампер – значение тока, который, протекая в вакууме по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным один от другого на расстоянии 1 м, создает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия 2·10 ^–7 Н.

Единицей температуры является кельвин, составляющий 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Эталон единицы силы света – кандела – представляет собой силу света источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 ТГц, энергетическая сила света которого составляет 1/683 Вт/ср [1].

Подобно этому, единица электрического заряда может быть установлена через заряд электрона, единица массы – через массу какой-либо из элементарных частиц и т. д. Большой раздел метрологии посвящен методам нахождения оценок погрешностей измерений, для чего используется аппарат теории вероятностей и математической статистики, а также других разделов математики.

Измерительная аппаратура – основное оборудование научно-исследовательских институтов и лабораторий, неотъемлемая часть оснастки любого технологического процесса, главный полезный груз ракет, искусственных спутников Земли и космических станций.

Быстро развивающимся перспективным 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.

Развитие металлургии, химии, биологии и других отраслей связано с необходимостью точного анализа состава руд, металлов и сплавов, нефтепродуктов, примесей в полупроводниках, наличия 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 [3].

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 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. В настоящее время нет такого вида человеческой деятельности, которая обходилась бы без аналитических и измерительных приборов.

Кроме приборов для 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.

С прогрессом в области приборостроения и промышленной электроники связаны перспективы создания полностью автоматизированных производств, что является радикальным средством многократного повышения производительности труда. Так, например, уже есть полностью автоматизированные заводы по сборке телевизоров, автомобилей и т. п. В сборочных цехах нет людей, там погашен свет, выключены отопление и вентиляция – они роботам не нужны. Практически на всех подобных производствах, где можно заменить ручной труд приборами, роботами и манипуляторами исчезнут профессии, основанные на низкой квалификации рабочих. Люди, потерявшие работу, будут повышать или менять свою квалификацию, находить новые сферы приложения своих способностей.