Инструменти за физическо измерване

Въпреки че сензорните органи на човешкото тяло са изключително чувствителни и отзивчиви, съвременната наука и технология разчитат на разработването на много по-точни инструменти за измерване на физически величини. Тя е необходима за изучаване, наблюдение и контрол на всички видове природни явления.

Първи измервателни уреди

Най-ранните физически инструменти, използвани в астрономията и навигацията. Например армиларна сфера - най-старият известен астрономически инструмент. Беше топка, чиито пръстени изобразяваха най-важните кръгове на небесната сфера.

Древните гърци са го модифицирали, за да създадат астролаб, който определя времето или продължителността на деня и нощта, както и да измерва височината на слънцето и луната.

Компасът - най-ранният инструмент за намиране на посоката, който не се отнася до звездите, беше удивително успешен сред инструментите през XI век.

Телескопът е изобретен през 1608 г. от холандската оптика Йохан Липспидж и за първи път е широко използван от Галилео.

Първата инструментална система за управление беше термично реле и термостатична пещ, разработена от холандския изобретател Корнелий Дребелбел (1572-1634), в която термометърът контролира температурата на пещта със система от пръти и лостове.

Прибори за измерване и регулиране на налягането на парите вътре в котела се появяват приблизително по едно и също време. През 1788 г. шотландецът Джеймс Ват е изобретил центробежен регулатор, който да поддържа определена скорост на парния двигател.

Електричество и физически уреди

развитие измервателни уреди се движат бързо във времето индустриална революция XVIII и XIX век, особено в областта на измерването на електричеството. Производствените процеси от това време изискват физически инструменти, способни да достигнат нови стандарти за линейна прецизност. Това беше частично постигнато с микрометър, чиито специални модели достигнаха точност от 0.000025 мм (0.000001 инча).

Индустриална употреба на електричество изисква инструменти за измерване на ток, напрежение и съпротивление. Аналитичните методи, използващи инструменти като микроскоп, станаха по-важни. Например, спектроскопът анализира дължината на вълната на светлината от лампите с нажежаема жичка. Използва се и за определяне на състава на химикалите и звездите.

Революция в инструменталните техники

През 20-ти век растежът на съвременната индустрия, въвеждането на компютъризация и появата на космически изследвания стимулират по-нататъшното развитие на физическите инструменти, особено на електронните устройства. Често, датчик, т.е. инструмент, който променя енергията от една форма в друга (например, фотоклетка, термодвойка или микрофон), се използва за преобразуване на проба от измерената енергия в електрически импулси.

Въвеждането на електронен компютър през 50-те години на миналия век със способността му да обработва и съхранява информация революционизира методите на изработване на инструменти, тъй като позволява сравняване и анализиране на големи количества информация едновременно. Системите за обратна връзка са подобрени, тъй като данните от етапите на наблюдение на устройствата са незабавно оценени и използвани за създаване на параметри, влияещи на процеса. Системите за обратна връзка са критични за работата на автоматизираните процеси.

Примери за съвременни физически устройства

Инструментите се използват за измерване на физичните свойства на веществата, като неговата мътност или количеството твърди частици в разтвор. Процесите на пречистване и рафиниране на водата се контролират от турбидиметър, който измерва колко светлина от една определена дължина на вълната се абсорбира от разтвора. Плътността на течно вещество се определя от хидрометър, който определя плаваемостта на обект с известен обем, потопен в измерената течност. Скоростта на потока на веществото се измерва с турбинен измервателен уред, в който се изчисляват оборотите на свободно въртяща се турбина, потопена в течност, и вискозитетът на течността се измерва чрез редица методи, включително колко поглъща колебанията на стоманените лопатки.

Физическите инструменти включват също устройства за предаване на сигнали на дълги разстояния. Всички измервателни системи (дори силно автоматизирани) включват някакъв метод за показване на сигнал на наблюдател. Системите за визуално представяне могат да съдържат калибрирана диаграма и указател, вграден дисплей на електроннолъчева тръба или цифров дисплей.

Грешки при измерването

Точността на измервателните устройства се влияе от множество външни и вътрешни фактори. Сред първите са шумът и смущенията, които маскират или изкривяват измервателния сигнал. Вътрешните фактори включват линейност, резолюция и точност, специфични за дадена единица физическа величина или физическо устройство. Следователно за всяко измерване трябва да се разбере, че няма абсолютен точен инструмент. Поради това няма затруднения при решаването на повечето от задачите, тъй като отклоненията до стотна от процента са незначителни.