Введение

К приборостроению относятся две области человеческой деятельности. С одной стороны, это часть машиностроения, занятая производством средств измерения, анализа, обработки и представления информации, устройств регулирования, автоматических и автоматизированных систем управления. С другой стороны, это область науки и техники, разрабатывающая средства измерений, автоматизации и системы управления.

Каждая из перечисленных областей настолько обширна и многогранна, что описать их с какой-то степенью подробности не представляется возможным. Тем более что средства измерений и автоматизации развиваются и совершенствуются опережающими темпами относительно других областей человеческой деятельности, определяя направления и скорость научного и технического прогресса человечества. Поэтому далее будут рассмотрены только начальные сведения по средствам измерений и автоматическому управлению, однако, достаточные для общего качественного представления об обсуждаемых темах.

Исторически сначала начали развиваться техника и теория измерений. Она определила развитие научных знаний и обеспечила фундамент современного технического прогресса. Причины определяющей роли измерений в развитии человечества не очевидны и станут понятны из дальнейшего изложения. Пока же можно повторить слова великих ученых [1]:

- «Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить» (У. Кельвин);

- «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука немыслима без меры» (Д.И. Менделеев).

Последнее всестороннее исследование состояния и потребностей развития измерительной техники было проведено в 2005 - 2006 г.г. Национальным институтом Стандартов и Технологий США (сокращенно NIST) [2]. Приведем краткие сведения из заключительного доклада института.

Авторами были проанализированы состояние и потребности промышленности, медицины и обороны США. О роли измерений можно судить хотя бы по следующим данным: в год в США тратится более 100 миллиардов долларов на измерения в области здравоохрания; в вооруженных силах находится 58 тысяч наименований средств измерения и автоматического управления, обеспечивающих оперативную готовность систем вооружения страны; только полупроводниковая промышленность собирается потратить в 2007 г. на разработку и оснащение измерительной техникой и оборудованием 9 миллиардов долларов.

Результаты проведенной оценки состояния измерительной техники были обобщены и сформулированы в трех положениях:

- Основным препятствием на пути инноваций во всех сферах экономики, медицины, обороны, экологии остаются недостаточная точность методов и средств измерений.

- Практически во всех новых технологиях сдерживающим их развитие фактором служит отсутствие точных и достаточно чувствительных датчиков различных величин, необходимых для реализации новых производственных процессов и создания систем управления новыми технологическими процессами.

- Отсутствие стандартов и эталонов для оценки качества создаваемых технологий, что служит барьером для инноваций в новых развивающихся технологиях.

Отдельно авторы доклада останавливаются на вопросе внедрения нанотехнологий. По прогнозам экономистов рынок продукции нанотехнологий в течение 10 лет превысит 2,5 триллионов долларов. Однако указанная продукция серийно не производится в виду отсутствия необходимых теоретических основ, стандартов и измерительных средств.

Сказанное выше не означает, что в США низкий научный и технологический уровень измерительной техники. Как раз наоборот. Во многих областях специалисты США являются пионерами новых направлений создания теории, методов и средств измерений. Ими создан массовый расходомер (Кориолисов расходомер) высокой точности, разработаны первые сенсорные измерители влажности газов, микропроцессорные системы измерений, космический телескоп «Хаббл», глобальная навигационная система определения положения объектов GPS и т.д.

Поэтому указанные в отчете направления развития измерительной техники необходимо понимать как общую задачу для всех стран, не желающих оказаться (или остаться) в ряду развивающихся.

Системы автоматического управления, включающие как составную часть средства измерений, получили широчайшее распространение во всех областях техники. Задачей систем подобного типа является поддержание неизменными (заданными) значения каких - то параметров процессов управляемых объектов или изменение их по заданному закону функционирования.

Первые из указанных систем поддерживают постоянными напряжение и частоту на выходе электрогенераторов электростанций при изменении потребителями величин нагрузок (отбираемой мощности); состав компонентов и параметры процессов (температура, давление, расход) в химических производствах; высоту, скорость и направление полета самолета, заданного пилотами (автопилот) и т.д.

Системы автоматического управления, выполняющих изменение параметров процессов в управляемых системах по заданным законам функционирования, сложнее первых, однако они позволяют не просто поддерживать заданные режимы, а изменять их по какому-то критерию. Например, по данным о температуре автомобильного двигателя, числу оборотов коленчатого вала автоматически устанавливать соотношение между количеством поступающего воздуха и расходом бензина, обеспечивающих максимальный коэффициент полезного действия двигателя.

Переоценить важность систем автоматического управления невозможно, поскольку они, исключая человека из процессов управления, позволяют выпускать серийную продукцию с гарантированными параметрами при любом объеме производства.

Во многих случаях человек не в состоянии вести управление процессами в силу физиологических ограничений (по скорости реакции на возникшую ситуацию; по габаритам; невозможности нахождения в районе расположения управляемых объектов типа спутника или космической станции).

Все сказанное выше только доказывает важность средств измерений и автоматического управления, не объясняя, как они функционируют и обеспечивают заданные требования. Поэтому далее покажем, на качественном уровне (т.е. без строгого математического анализа), основные положения, лежащие в основе теории измерительных приборов и систем автоматического управления.

Поскольку изложение ведется на качественном уровне, пособие не может служить руководством для проведения анализа или синтеза средств измерения или автоматического управления. Оно дает только общее представление о составе средств измерений и управления, общих принципах функционирования и оценки качества полученных результатов.

Пособие предназначено для первоначального ознакомления с кругом основных тем, подлежащих углубленному изучению в процессе обучения в ВУЗе студентами специальностей:

190100 – Приборостроение;

190200 – Приборы и методы контроля качества и диагностики;

190900 – Информационно-измерительная техника и технологии;

191000 – Технология приборостроения.

1 ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Имеется большое число определений понятия «измерение». Наиболее ясным является классическое определение, данное выдающимся метрологом М.Ф. Маликовым, которое мы и приводим ниже.

Под измерением понимается нахождение значения физической величины путем физического эксперимента сравнения данной физической величины с известной физической величиной того же рода, принятой за единицу измерения.

Запись общей математической формулы процесса измерений и рассмотрение характерных процедур для всех видов измерений требуют предварительного уточнения каждого термина, входящего в данное определение. Вот этим и займемся.