Физические приборы для измерения величин. Измерительные приборы древние

Эволюция и геодезия: краткая история землемерных инструментов

Приблизительно с тех самых пор как охота и собирательство вышли из моды, а человечество начало вести сельское хозяйство, стало прокладывать дороги и возводить города, перед людьми встала проблема распределения земли. Возможно, геодезия, название которой так и переводится, «разделение земли», появилась именно в эпоху неолитической революции.

Локти и жезлы

Чтобы распределить землю справедливо (или не очень), надо как-то ее измерить, определив точные расстояния, направления и углы между ними, а для измерений требуются мерные инструменты. Первым из них стало наше собственное тело: шаг и локоть, аршин (длина целой руки) и сажень (размах обеих рук), фут (размер стопы) и пядь (расстояние между кончиками разведенных большого и указательного пальцев) – все это меры длины, сколь древние, столь и неточные. Чей локоть мы возьмем за эталон и как быть, если с хозяином локтя что-то случится?

Выход был найден простой: изготовить палку – шест, посох – нужной длины. Упоминания о металлических мерных жезлах можно найти даже в Библии: «в руке того мужа трость измерения в шесть локтей, считая каждый локоть в локоть с ладонью», – сказано в Книге пророка Иезекииля.

Палки долговечнее людей, но для измерений земельных наделов недостаточно удобны и точны. Чтобы отмерить десятину (2400 кв. саженей), палку придется многажды перекладывать с места на место, отмеряя 120 саженей сперва в одну сторону, а затем, взяв прямой угол, – еще столько же в другую. Легко представить, какие ошибки при этом накопятся.

От шнуров к цепям

Другой древнейший геодезический инструмент можно увидеть на памятниках Египта эпохи фараонов: наместники здесь нередко изображаются с мерным шнуром – средством распределения земельных наделов, которое быстро стало одним из символов их власти. При точно зафиксированных узлах, разделяющих шнур в пропорции 5:4:3, он позволяет быстро построить и прямой угол, сложив треугольник с гипотенузой длиной 5 и катетами.

Но и мерный шнур – вещь не слишком надежная. Он подвержен износу, а при намокании и высыхании заметно меняет длину. Конечно, к изготовлению их подходили с особенной тщательностью: в «Истории развития геодезии» Георгия Тетерина упоминается описание этого технологического процесса, данное Героном Александрийским. Мерные шнуры закреплялись между двумя вбитыми в землю колами и длительное время выдерживались в растянутом виде, смачивались и высушивались.

По словам Герона, по точности такие шнуры практически не отличались от более надежных – но и более тяжелых и дорогих – мерных цепей. Использование таких инструментов продолжалось тысячелетиями: в коллекции Политехнического музея хранится землемерная цепь, изготовленная в России в XVIII – первой половине XIX века. А мерные шнуры, пусть и в измененном виде, дошли до нас до сих пор – как обычные строительные рулетки.

В погоне за углом

Мало-помалу геодезические инструменты совершенствовались, расширялись их возможности, повышалась точность и удобство. Появились угломеры и пантометры, кипрегели и астролябии – но все они в основе представляли собой усовершенствованные жезлы и шнуры. Возьмите мерный жезл и сделайте на нем отметки для измерения небольших расстояний, и вы получите линейку. Согните ее дугой – и у вас готов транспортир для измерения произвольных углов.

Замкните транспортир в окружность – и вы получите лимб, позволяющий измерять углы между двумя направлениями. Закрепите на нем пару небольших «жезлов»-стрелок – и приступайте к межеванию: вы получили еще один угломерный инструмент, использовавшийся не одно столетие, «римский крест», или эккер.

Для максимально точного наведения по концам креста размещались диоптры – прорези с тонкими нитями посередине. Сделайте одну линейку эккера подвижной, добавьте сюда транспортир для измерения ее поворота и магнитную стрелку компаса для ориентирования в пространстве – и готова астролябия.

Кстати, можно обойтись и без выступающих в стороны диоптров, превратив всю окружность в пару вставленных друг в друга цилиндров с прорезями. Глядя сквозь них, можно навести инструмент с не меньшей точностью – только называться он будет уже не астролябией, а гониометром.

В XIX веке применяли и «усеченные» версии этих инструментов, например, градуированную буссоль (или компас) с широко разнесенными диоптрами. Разнесенные диоптры увеличивали точность наведения на ориентиры, что повышало точность измерения горизонтальных углов и определения азимутов.

Явление трубы

Следующий «эволюционный скачок» совершился с появлением линз и оптической зрительной трубы. Направив ее в ночное небо, Галилей обнаружил четыре спутника Юпитера. Установив ее на стол и заглянув в каплю воды, Левенгук открыл целый микромир, прежде скрытый от глаз людей. Совместив со зрительной трубой гониометр, геодезисты получили пантометр – инструмент, который использовался вплоть до первой половины ХХ века.

Дополняли трубой и астролябию: такой прибор, оснащенный парой лимбов для измерения горизонтальных и вертикальных углов, прямой аналог всем известных теодолитов, которые до недавнего времени можно было увидеть на любой улице, где ведутся строительные работы.

Но, пожалуй, вершиной эволюции геодезических инструментов стали приборы, которые так и назывались – «универсалами». Они имели оптические трубы для точного наведения и компасы для ориентации на местности, точные вертикальный и горизонтальный лимбы, и могли измерять практически все. Казалось, добавить к ним уже нечего.

По счастью, человеческую изобретательность усмирить невозможно, и вскоре появились совершенно новые, опосредованные способы измерения углов и расстояний – по регистрации времени прохождения радиосигнала, светового, звукового или лазерного луча. Распространение компьютеров привело к окончательному вытеснению теодолитов и универсалов, несмотря на все совершенство их конструкции.

Современная геодезическая станция или электронный геодезический сканер – это уже скорее специализированные компьютеры с измерительными приборами и программным интерфейсом, с датчиками систем GPS и ГЛОНАСС. И если в каталогах прошлых лет наиболее важной технической характеристикой прибора являлась точность измерений, то сейчас класс сканеров определяет лишь его производительность – количество сканируемых точек за единицу времени, которое может достигать сотен тысяч точек в секунду. Ну а пантометры и теодолиты, цепи и астролябии навсегда обосновались в музейных коллекциях.

polymus.ru

Контрольно-измерительные инструменты и приборы: виды и принцип действия

Любое производство подразумевает использование контрольно-измерительных приборов. Они необходимы и в быту: согласитесь, сложно обойтись во время ремонта без самых простых измерительных приборов, таких как линейка, рулетка, штангенциркуль и т. п. Давайте поговорим о том, какие существуют измерительные инструменты и приборы, в чем их принципиальные отличия и где применяются те или иные виды.

Общие сведения и термины

Измерительный прибор – устройство, с помощью которого получают значение физической величины в заданном диапазоне, определяемом шкалой прибора. Кроме того, такой инструмент позволяет переводить величины, делая их более понятными оператору.

Контрольный прибор используется для контроля проведения технологического процесса. К примеру, это может быть какой-либо датчик, установленный в нагревательной печи, кондиционере, отопительном оборудовании и так далее. Такой инструмент нередко определяет качество продукции и свойства. В настоящее время выпускают самые различные измерительные инструменты и приборы, среди которых есть как простые, так и сложные. Некоторые нашли свое применение в одной отрасли промышленности, другие же используются повсеместно. Чтобы более подробно разобраться с этим вопросом, необходимо классифицировать данный инструмент.

Аналоговые и цифровые

Контрольно-измерительные приборы и инструменты разделяются на аналоговые и цифровые. Второй вид более популярен, так как различные величины, к примеру, сила тока или напряжение, переводятся в числа и выводятся на экран. Это очень удобно и только так можно добиться высокой точности снятия показаний. Однако необходимо понимать, что в любой контрольно-измерительный цифровой прибор входит аналоговый преобразователь. Последний представляет собой датчик, который снимает показания и отправляет данные для преобразования в цифровой код.

Классификация по разным признакам

Измерительные инструменты и приборы принято разделять на группы в зависимости от способа предоставления информации. Так, бывают регистрирующие и показывающие инструменты. Первые характерны тем, что способны записывать показания в память. Нередко используются самопишущие приборы, которые самостоятельно распечатывают данные. Вторая группа предназначена исключительно для контроля в реальном времени, то есть во время снятия показаний оператор должен находиться около прибора. Также контрольно-измерительный инструмент классифицируют по методу измерений:

• прямого действия – осуществляется преобразование одной или нескольких величин без сравнения с одноименной величиной;
• сравнительные – измерительный инструмент, предназначенный для сравнения измеряемой величины с уже известной.

Какие бывают приборы по форме представления показаний (аналоговые и цифровые), мы уже разобрались. Также классифицируют измерительные инструменты и приборы по другим параметрам. К примеру, бывают суммирующие и интегрирующие, стационарные и щитовые, нормируемые и ненормируемые приборы.

Измерительные слесарные инструменты

С такими приборами мы встречаемся наиболее часто. Тут важна точность работ, а так как используется механический инструмент (по большей части), то удается добиться погрешности от 0,1 до 0,005 мм. Любая недопустимая погрешность приводит к тому, что потребуется переточка или вовсе замена детали или целого узла. Именно поэтому при подгонке вала под втулку слесарь использует не линейки, а более точные инструменты.

Самое популярное слесарное измерительное оборудование – штангенциркуль. Но и такой относительно точный прибор не гарантирует 100%-ный результат. Именно поэтому опытные слесари всегда делают большое количество измерений, после чего выбирается среднее значение. Если требуется получить более точные показания, то используют микрометр. Он позволяет проводить измерения до сотых долей миллиметров. Однако многие думают, что данный инструмент способен измерять до микронов, что не совсем так. Да и вряд ли при проведении простых слесарных работ в домашних условиях потребуется такая точность.

Про угломеры и щупы

Нельзя не рассказать о таком популярном и эффективном инструменте, как угломер. Из названия можно понять, что он используется, если требуется точно измерить углы деталей. Состоит прибор из полудиска с намеченной шкалой. На нем имеется линейка с передвижным сектором, на который нанесена шкала нониуса. Для закрепления передвижного сектора линейки на полудиске используется стопорный винт. Сам по себе процесс измерения довольно прост. Для начала необходимо приложить измеряемую деталь одной гранью к линейке. При этом линейка сдвигается так, чтобы между гранями детали и линейками образовался равномерный просвет. После этого сектор закрепляется стопорным винтом. Первым делом снимаются показания с основной линейки, а затем с нониуса.

Нередко для измерения зазора используется щуп. Он представляет собой элементарный набор пластин, закрепленных в одной точке. Каждая пластина имеет свою толщину, которую мы знаем. Устанавливая большее или меньшее количество пластин, можно довольно точно измерить зазор. В принципе, все эти измерительные инструменты ручные, но они довольно эффективны и вряд ли предоставляется возможным их заменить. А сейчас пойдем дальше.

Немного истории

Следует отметить, рассматривая измерительные инструменты: виды их очень разнообразны. Основные приборы мы с вами уже изучили, а сейчас бы хотелось поговорить о немного и о других инструментах. К примеру, ацетометр используется для измерения крепости уксусной кислоты. Данный прибор способен определять количество свободных уксусных кислот в растворе, а был изобретен Отто и использовался на протяжении 19 и 20 веков. Сам по себе ацетометр похож на градусник и состоит из стеклянной трубки 30х15см. Также имеется специальная шкала, которая и позволяет определять необходимый параметр. Тем не менее сегодня есть более продвинутые и точные методы определения химического состава жидкости.

Барометры и амперметры

А вот с данными инструментами знаком практически каждый из нас еще со школы, техникума или университета. К примеру, барометр используется для измерения атмосферного давления. Сегодня применяются жидкостные и механические барометры. Первые можно назвать профессиональными, так как их конструкция несколько сложней, а показания точней. На метеостанциях используют ртутные барометры, так как они наиболее точные и надежные. Механические варианты хороши своей простотой и надежностью, но они постепенно заменяются цифровыми приборами.

Такие инструменты и приборы для измерений, как амперметры, тоже знакомы каждому. Они нужны для измерения силы тока в амперах. Шкала современных приборов градируется по-разному: микроамперами, килоамперами, миллиамперами и т. п. Амперметры всегда стараются подключать последовательно: это необходимо для понижения сопротивления, что позволит увеличить точность снимаемых показаний.

Заключение

Вот мы и поговорили с вами о том, что такое контрольные и измерительные инструменты. Как вы видите, все друг от друга отличаются и имеют совершенно разную сферу применения. Одни используются в метеорологии, другие в машиностроении, а третьи – в химической промышленности. Тем не менее цель у них одна – измерить показания, записать их и проконтролировать качество. Для этого целесообразно использовать точные измерительные инструменты. Но этот параметр способствует и тому, что устройство становится сложнее, и процесс измерения зависит от большего количества факторов.

fb.ru

Измерения и измерительные приборы » Детская энциклопедия (первое издание)

Чтобы изготовить авиационный двигатель, нужно выполнить более 100 тыс. технологических операций. И почти половина их связана с измерениями. Измерения — неотъемлемая часть современного производства. Только у нас в стране ежедневно выполняются, несколько миллиардов различных измерений, которыми заняты миллионы человек. Уровень развития измерительной техники стал одним из важнейших показателей научно-технического прогресса.

С давних пор измерения служат основным источником объективной информации об окружающем мире. Получая с их помощью количественную характеристику физических объектов и явлений, ученые раскрывают действующие в природе закономерности.

Измерить — это значит найти с помощью специальных технических средств значение некоторой физической величины. При этом ее сравнивают с однотипной величиной, принятой за единицу. Выражаемое числом отношение этих величин есть результат измерения. Технические устройства, при помощи которых осуществляют это сравнение, называют средствами измерения. К ним относятся измерительные приборы, контрольно-измерительный инструмент.

Огромно число измеряемых величин. Бывают измерения линейные, угловые, оптические, механические, акустические, электрические, теплофизические, физико-химические, магнитные, радиоизмерения, измерения частоты, времени и излучений. Но по способу получения результата все они делятся на прямые и косвенные. Взвешивая груз на весах, определяя длину тела масштабной линейкой, измеряя силу тока амперметром или электрическое напряжение вольтметром, мы находим искомое значение величины непосредственно в опытных данных, по показаниям приборов. Это прямые измерения.

Однако не всегда можно провести прямое измерение величины. Поэтому нередко прибегают к косвенному измерению, при котором значение величины вычисляют по известной зависимости между нею и другими, непосредственно измеряемыми величинами. Так определяют, например, объем куба по измерению его ребра.

Косвенным измерением определяют сопротивление электрического проводника при помощи амперметра и вольтметра.

В повседневной жизни мы постоянно пользуемся измерительными приборами — часами, измеряющими время, электрическим счетчиком, термометром на стене или за окном.

При измерении какой-либо величины ее надо преобразовать в количественное показание. Например, при измерении температуры тела термометром используется тепловое расширение тел для отсчета градусов на шкале.

Преобразование величин при измерении происходит в термометрах, манометрах, амперметрах, вольтметрах, циферблатных весах — все это приборы прямого действия. В них измеряемая величина превращается специальным устройством в сигнал, способствующий перемещению подвижной части прибора с указателем.

В приборах сравнения измеряемая величина сравнивается с некоторой известной величиной. Так работают рычажные весы — один из наиболее древних измерительных приборов; здесь вес груза сравнивается с весом гири. Сравнение происходит путем уравновешивания, компенсирования. Поэтому рычажные весы относят к приборам с компенсированной схемой. В них измеряемая величина — вес тела — уравновешивается, компенсируется противодействием другой величины, известное значение которой и дает результат измерения.

Но есть величины, которые не обладают энергией и не могут сами по себе производить никакого действия, например длина, угол, объем, концентрация вещества, емкость конденсатора. Их невозможно сравнивать путем компенсации.

Для измерения подобных величин применяют совсем иную схему. Те же самые рычажные весы можно приспособить для сравнения двух длин. Если одно плечо — это измеряемая длина, то значение ее можно установить по известной длине другого плеча, которое его уравновешивает при одинаковых грузах на чашах весов. Таков принцип работы прибора с мостовой схемой. В нем сравниваются какие-то действия, производимые одновременно на измеряемую и известную величины. При равенстве значений этих величин встречно направленные действия взаимно погашаются. Так измеряют электрические, гидравлические сопротивления и др.

Результат измерения проще всего фиксировать, наблюдая за перемещениями стрелки прибора или какого-нибудь другого указателя. Такие приборы называются показывающими. В последние годы широкое распространение получили показывающие приборы с цифровыми отсчетными устройствами, например обычные электрические счетчики.

Однако такая подача результатов измерения не всегда целесообразна. Так, стрелки приборов сейсмической службы долгое время могут оставаться неподвижными. И только после внезапного подземного толчка они совершают резкий скачок и возвращаются в первоначальное положение. В этих случаях используют не показывающие, а самопишущие и печатающие приборы. Запись, сделанная прибором, — это объективный и долговечный результат научного эксперимента, заводского испытания или медицинского обследования.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

.

de-ussr.ru

История приборов для измерения времени: любопытные факты

История приборов для измерения времени: любопытные факты

С древности человеку хотелось «приручить» время, однако оно всячески изворачивалось и не давалась, продолжая течь сквозь пальцы. Этим объясняется желание создать легендарную машину времени. А после выхода в свет романа Г. Уэллса «Машина времени» попытки возобновились, однако не увенчались успехом. Но хитрые и изобретательные умы человечества не теряли надежды в охоте за таким беспощадным «зверем» и создали «капканы», а именно приборы для измерения времени, призванные вести отсчет.

Сейчас все мы называем их часами и воспринимаем как нечто тривиальное и само собой разумеющееся, а подчас и вовсе не придаем им особого значения. Однако задолго до появления этих обычных приборов, человеку все же приходилось определять время. Ориентироваться по небесному светилу умели не все, зато многие были обладателями инструментов, известных как перочинные ножи. Разумеется, тогда они именовались иначе, но функция их состояла не только в том, чтобы добыть дичь и прокормить себя и детей.

Ими делали небольшие отметки на деревьях. Ранние часы обозначались короткой отметкой и удлинялись с течением времени, поэтому самые внушительные черточки появлялись в поздние часы. По ним люди ориентировались, когда лучше отправлялся в объятия Морфея, а когда идти на охоту. Разумеется, были у людей и приспособления для заточки ножей. Инструмент этот был одним из важнейших, ведь служил в целях безопасности от незваных гостей и был «добытчиком» пищи.

Задолго до появления настенных и наручных часов с элементарным и долговечным механизмом, человек в попытках обуздать время осваивал «стихии». Первоначально в помощники было призвано Солнце, и тогда были изобретены так называемые солнечные часы. Их самый простейший механизм упоминается в Библии. К тому же солнечные часы являются вариацией гномона — точного и древнего астрономического инструмента, необходимого для определения направления истинного меридиана и высоты солнца.

Но солнце пасовало с наступлением ночи. Человек вновь задумался и призвал в союзницы воду. Часы-клепсидры успешно распространились на территориях Египта, Вавилона и Древней Греции. С их помощью промежуток времени мерили по капле вытекавшей воды. Достигла своего расцвета и восточная мудрость в Индии и Китае, где не опустошался плавающий сосуд, а напротив, наполнялся через миниатюрное отверстие водой. К сожалению, точность таких часов была относительна и субъективна, но устраивала человека до некоторых пор.

В виде песка на помощь человеку пожаловала и земля: люди придумали песочные приборы для измерения времени. В отличие от воды песок не испарялся и казался на тот период надежнее. Поэтому моряки Средневековья привыкли «ловить» время оптимальными песчаными «сетями». Однако все эти попытки служили человеку лишь подступами к истинной «ловушке» для утекающего в небытие времени.

Столетия сменяли друг друга и колесные часы уже облюбовали башни городов, а человеку стало доступно открытие механизма маятника, он сумел «приручить» атом и появилась возможность «ловить» время. Однако это лишь иллюзия, ведь управлять ходом приборов все равно не удается. До сих пор живет человек безучастным свидетелем поступи этого непокорного и своенравного «зверя».

drunov.ru

Физические приборы для измерения величин :: SYL.ru

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.

www.syl.ru

Смотрите также

• 
  Фивы древняя греция
• 
  Древние морские чудовища
• 
  Древние дороги тартарии
• 
  Древние руины фото
• 
  Гороскоп славян древних
• 
  Искусство древней америки
• 
  Шрифт русский древний
• 
  Первая древнейшая профессия
• 
  Древние индийские веды
• 
  Римские древние цифры
• 
  Сословия древней греции