Fizyczne instrumenty pomiarowe

Chociaż narządy zmysłów ludzkiego ciała są niezwykle wrażliwe i reagują, nowoczesna nauka i technologia polegają na opracowaniu znacznie dokładniejszych przyrządów do pomiaru wielkości fizycznych. Jest to niezbędne do badania, monitorowania i kontroli wszelkiego rodzaju zjawisk przyrodniczych.

Pierwsze przyrządy pomiarowe

Najwcześniejsze fizyczne instrumenty używane w astronomii i nawigacji. Na przykład kula armilarna - najstarszy znany instrument astronomiczny. Była to piłka, której pierścienie przedstawiają najważniejsze kręgi sfery niebieskiej.

Starożytni Grecy zmodyfikowali go, tworząc astrolabium, które określa czas lub długość dnia i nocy, a także mierzy wysokość Słońca i Księżyca.

Compass - najwcześniejszy instrument do odnajdywania kierunków, który nie odnosił się do gwiazd, był zaskakująco udany wśród instrumentów w XI wieku.

Teleskop został wynaleziony w 1608 roku przez holenderską optykę Johanna Lippersgeya i był po raz pierwszy szeroko stosowany przez Galileo.

Pierwszy instrumentalny system kontroli był przekaźnik termiczny oraz piec termostatyczny opracowany przez holenderskiego wynalazcę Corneliusa Drebelbla (1572-1634), w którym termometr kontrolował temperaturę pieca za pomocą układu prętów i dźwigni.

Urządzenia do pomiaru i regulacji ciśnienia pary wewnątrz kotła pojawiły się mniej więcej w tym samym czasie. W 1788 r. Szkot James Watt wynalazł regulator odśrodkowy, aby utrzymać daną prędkość silnika parowego.

Elektryczność i urządzenia fizyczne

Rozwój przyrządy pomiarowe porusza się szybko w czasie rewolucja przemysłowa XVIII i XIX w., Zwłaszcza w dziedzinie pomiaru energii elektrycznej. Procesy produkcyjne w tym czasie wymagały fizycznych instrumentów zdolnych do osiągnięcia nowych standardów precyzji liniowej. Częściowo udało się to osiągnąć za pomocą mikrometru, którego specjalne modele osiągnęły dokładność 0,000025 mm (0,000001 cala).

Przemysłowe wykorzystanie energii elektrycznej wymaga przyrządów do pomiaru prądu, napięcia i rezystancji. Metody analityczne wykorzystujące narzędzia takie jak mikroskop stały się ważniejsze. Na przykład spektroskop analizuje długość fali światła z lamp żarowych. Wykorzystano go również do określenia składu chemikaliów i gwiazd.

Rewolucja w technikach instrumentacji

W XX wieku rozwój nowoczesnego przemysłu, wprowadzenie komputeryzacji i pojawienie się badań kosmicznych stymulowały dalszy rozwój instrumentów fizycznych, w szczególności urządzeń elektronicznych. Często przetwornik, to znaczy narzędzie, które zmienia energię z jednej postaci na drugą (na przykład fotokomórka, termopara lub mikrofon), jest używany do przekształcania próbki mierzonej energii w impulsy elektryczne.

Wprowadzenie komputera elektronicznego w latach pięćdziesiątych z jego zdolnością do przetwarzania i przechowywania informacji zrewolucjonizowało metody tworzenia instrumentów, ponieważ umożliwiło porównywanie i analizowanie dużych ilości informacji w tym samym czasie. Systemy sprzężenia zwrotnego zostały ulepszone, ponieważ dane z etapów monitorowania urządzeń zostały natychmiast ocenione i wykorzystane do ustawienia parametrów wpływających na proces. Systemy sprzężenia zwrotnego mają kluczowe znaczenie dla działania zautomatyzowanych procesów.

Przykłady nowoczesnych urządzeń fizycznych

Przyrządy są używane do pomiaru fizycznych właściwości substancji, takich jak jej zmętnienie lub ilość stałych cząstek w roztworze. Procesy oczyszczania i rafinacji wody są kontrolowane za pomocą turbidymetru, który mierzy ile światła jednej konkretnej długości fali jest absorbowane przez roztwór. Gęstość cieczy określa się za pomocą areometru, który określa wyporność obiektu o znanej objętości zanurzonej w mierzonej cieczy. Szybkość przepływu substancji mierzy się za pomocą miernika turbiny, w którym oblicza się zwoje swobodnie wirującej turbiny zanurzonej w cieczy, a lepkość cieczy mierzy się wieloma metodami, w tym stopniem tłumienia oscylacji ostrza stalowego.

Instrumenty fizyczne obejmują również urządzenia do przesyłania sygnałów na duże odległości. Wszystkie systemy pomiarowe (nawet wysoce zautomatyzowane) obejmują pewną metodę wyświetlania sygnału obserwatorowi. Systemy wyświetlania wizualnego mogą zawierać skalibrowaną tabelę i wskaźnik, wbudowany wyświetlacz na lampie katodowej lub wyświetlacz cyfrowy.

Błędy pomiaru

Na dokładność urządzeń pomiarowych wpływają liczne czynniki zewnętrzne i wewnętrzne. Do pierwszych należą szum i zakłócenia, które maskują lub zniekształcają sygnał pomiarowy. Czynniki wewnętrzne obejmują liniowość, rozdzielczość i dokładność charakterystyczną dla konkretnej jednostki fizycznej wielkości lub urządzenia fizycznego. Dlatego dla każdego pomiaru należy rozumieć, że nie ma absolutnie dokładnego instrumentu. Z tego powodu nie ma trudności w rozwiązaniu większości zadań, ponieważ odchylenia do setnych procent są nieistotne.