Приборостроение. Введение в специальность

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва
ИНФРА-М
2018

Б.Ю. КАПЛАН

Рекомендовано Учебно-методическим объединением
вузов Российской Федерации по образованию
в области приборостроения и оптотехники для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлению
подготовки бакалавриата 12.03.01 «Приборостроение»

Каплан Б.Ю.
Приборостроение. Введение в специальность : учеб. пособие / 
Б.Ю. Каплан. — М. : ИНФРА-М, 2018. — 112 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). – www.dx.doi.org/10.12737/827.
ISBN 978-5-16-006719-3 (print)
ISBN 978-5-16-100445-6 (online)
В пособии дается объяснение областей деятельности, относящихся к приборостроению, показаны познавательная сущность измерений, их значение 
в развитии науки и техники.
Рассмотрена система единиц СИ, даются начальные сведения об их метрологических свойствах и характеристиках, о методах оценки погрешностей 
средств измерения и результатов измерения. 
Приводятся основные положения Закона об обеспечении единства измерений в РФ, основные организационные и технические мероприятия по 
обеспечению единства измерений, поверочные схемы для основных видов 
средств измерений теплотехнических величин, основные понятия систем автоматического регулирования и управления. Рассмотрены  автоматизированные 
системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). 
Для студентов, специализирующихся по направлению подготовки 12.03.01 
«Приборостроение» и другим специальностям, для которых необходимы 
начальные представления об измерительной технике.
УДК 681.2(075.8)
ББК 34.9я73

К20

© Каплан Б.Ю., 2014

Р е ц е н з е н т ы:
В.В. Слепцов – д-р техн. наук, профессор;
В.К. Гарипов – д-р техн. наук, профессор

УДК 681.2(075.8)
ББК 
34.9я73
 
К20

Оригинал-макет подготовлен в НИЦ ИНФРА-М

Подписано в печать 25.09.2013. 
Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Печать цифровая. Усл. печ. л. 6,86. 
ПТ10. 

ТК 436950-12232-250913
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ISBN 978-5-16-006719-3 (print)
ISBN 978-5-16-100445-6 (online)

ВВЕДЕНИЕ

К приборостроению относятся две области человеческой деятель
ности: 1) часть машиностроения, занятая производством средств 
измерения, анализа, обработки и представления информации, 
устройств регулирования, автоматических и автоматизированных 
систем управления; 2) область науки и техники, разрабатывающая 
средства измерений, автоматизации и системы управления.

Каждая из областей настолько обширна и многогранна, что опи
сать 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. Поэтому в пособии 
будут рассмотрены только начальные сведения о средствах измерений и автоматическом управлении, однако достаточные для общего 
качественного представления о них.

Исторически сначала начали развиваться техника и теория изме
рений, определившие развитие научных знаний и обеспечившие 
фундамент современного технического прогресса. Причины определяющей роли измерений в развитии человечества не очевидны и 
станут понятны из дальнейшего изложения. Пока же можно повторить изречения великих ученых [13]:
• «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 гг. 
Национальным институтом стандартов и технологий США (сокращенно NIST) [6]. Приведем краткие сведения из заключительного 
доклада института.

Были проанализированы состояние и потребности промышлен
ности, медицины и обороны США. О роли измерений можно судить 
хотя бы по следующим данным: в год в США тратится более 100 млрд 
долл. на измерения в области здравоохрания; в Вооруженных силах 
находится 58 тыс. наименований средств измерения и автоматического управления, обеспечивающих оперативную готовность систем 
вооружения страны; только полупроводниковая промышленность 
потратила в 2007 г. на разработку и оснащение измерительной техникой и оборудованием 9 млрд долл.

Результаты проведенной оценки состояния измерительной тех
ники были обобщены следующим образом:
• основным препятствием на пути инноваций во всех сферах эко
номики, медицины, обороны, экологии остается недостаточная 
точность методов и средств измерений;

• практически во всех новых технологиях сдерживающим их раз
витие фактором является 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 создавае
мых технологий служит барьером для инноваций в новых развивающихся технологиях.
Отдельно авторы доклада останавливались на вопросе внедрения 

нанотехнологий. По прогнозам экономистов рынок продукции нанотехнологий в течение 10 лет превысит 2,5 трлн долл. Однако указанная продукция серийно не производится ввиду отсутствия необходимых теоретических основ, стандартов и измерительных средств.

Сказанное не означает, что в США низкий научный и технологи
ческий 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 измеритель
ной техники необходимо понимать как общую задачу для всех стран, 
не желающих оказаться (или остаться) в ряду развивающихся.

Системы автоматического управления, включающие как состав
ную 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.

Системы, выполняющие первую задачу, поддерживают постоян
ными 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, выполняющие изменение 

параметров процессов в управляемых системах по заданным законам 
функционирования, сложнее первых, поскольку позволяют не просто поддерживать заданные режимы, но и 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 не
возможно, 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 про
цессами в силу физиологических ограничений (по скорости реакции 
на возникшую ситуацию; по габаритам; невозможности нахождения 
в районе расположения управляемого объекта типа спутника или 
космической станции).

Все сказанное 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, составляющие основу 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.

ГлаВа 1

КРаТКаЯ ИСТОРИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

1.1.
ЗаРОЖДЕНИЕ И РаЗВИТИЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ В МИРЕ

Приборостроение как отрасль зародилось относительно недав
но – с развитием машинного серийного производства, характерного 
для капитализма, хотя измерения и отдельные измерительные устройства известны с глубокой древности – с момента распада первобытно-общинного строя, возникновения земледелия и скотоводства. 

Образно писал об этом времени живший 2000 лет тому назад ев
рейский историк Иосиф бен Маттафий (Иосиф Флавий) в известном 
сочинении «Иудейские древности» [21]. Описывая зарождение человечества, он рассказывает об Адаме и Еве, которых Бог изгнал из 
рая (за любознательность) и у которых родились два брата – Каин 
и Авель. Каин убил Авеля (подробности можно прочитать в Ветхом 
завете), за что Бог отправил Каина со всем его семейством в изгнание. Далее бен Маттафий пишет о Каине: «Изобретением весов и мер 
он изменил ту простоту нравов, в которой дотоле жили между собою 
люди, так как жизнь их, вследствие незнакомства со всем этим, была 
бесхитростна, и ввел вместо прежней прямоты лукавство и хитрость. 
Он первый поставил на земле разграничительные столбы, построил 
город и, укрепив его стенами, принудил своих близких жить в одном 
определенном месте».

Таким образом, усложнение производства, появление товарного 

обмена, строительство культовых сооружений и пирамид вызвали 
потребность в измерениях веса тел, длин, углов, расстояний, площадей и объемов.

Кроме того, для ведения сельского хозяйства, проведения рели
гиозных обрядов и праздников необходимо было измерять интервалы времени. С этой целью создавались календари и часы. Часы были 
довольно грубыми (в солнечных время определялось по положению 
тени от вертикального стержня, в водяных – по понижению уровня 
воды в мерном сосуде, из которого она вытекала отдельными каплями). А для установления длительности года и месяцев жрецы вели 
тщательные наблюдения за положением Луны и планет.

Необходимо отметить два важных обстоятельства: во-первых, на
учные знания были уделом узкого круга служителей религиозных 
культов и философов и, во-вторых, научные знания никак не использовались в повседневной производственной деятельности ремесленников или земледельцев.

Резкий перелом наступил к концу XVI в, когда образовалось мно
го городов с ремесленниками, которые из руды выплавляли металлы 
(железо, медь, свинец, олово, серебро, золото), изготавливали огнестрельное и холодное оружие, украшения, ткани, обувь, одежду, кухонную утварь, мебель, телеги, кареты и т.д. В городах (Париж, Оксфорд, Кембридж, Пиза, Венеция и др.) стали открываться университеты, в которых давались систематические знания и проводились 
исследования.

История сохранила для нас фамилии ученых, начавших подтвер
ждать теоретические предположения физическими экспериментами 
и черпавших идеи из своих опытов; они же создали измерительные 
приборы для исследования новых физических величин. Первым в 
этом ряду стоит Г. Галилей (1564–1642), который придумал термометр, телескоп, часы с маятником. Его ученик Э. Торичелли (1608–
1647) изобрел преобразователь давления в высоту столба ртути, т. е. 
первый датчик давления и разряжения (вакуума). Р. Гук (1635–1703) 
исследовал упругие свойства твердых тел, вывел закон упругой деформации (закон Гука), на его основе создал пружинные весы; придумал воздушный насос, установил связь между давлением газа и его 
объемом. Р. Бойль (1627–1691) ввел в химию экспериментальные 
методы, положив начало химическому анализу. Х. Гюйгенс (1629–
1695) предложил волновую теорию света, создал маятниковые часы 
со спусковым механизмом, придумал использовать в часах вместо 
гирь спиральную упругую пружину. И, наконец, И. Ньютон (1643–
1727) открыл основные законы механики, свойства света и изобрел 
оптические приборы.

Необходимо отметить, что как таковой приборостроительной 

промышленности в те времена не существовало, отдельные измерительные приборы изготавливались ремесленниками в единичных 
экземплярах или малыми партиями.

Изобретение Д. Уаттом (1736–1819) парового двигателя двойного 

действия ознаменовало новую эпоху в промышленности и транспорте. Паровые машины стали применяться для привода исполнительных машин любой мощности – токарных, фрезерных, сверлильных, 
шлифовальных станков, прессов, прядильных машин; появились 
паровозы и пароходы.

Новые задачи промышленности потребовали новых средств из
мерений. Действительно, давление или температуру в паровом котле 
трубчатым манометром Торичелли и термометром с ртутью в стеклянном капилляре не измерить. Необходимы стали компактные, 
надежные и стабильные средства измерений. И они были придуманы. Для измерения давления наиболее удачным оказалось решение 
Э. Бурдона, наладившего выпуск трубчатых деформационных манометров по своему патенту в 1849 г.

Для измерения температуры стали применять термометры сопро
тивления, основанные на эффекте, обнаруженном в 1827 г. Омом: 
под действием температуры электрическое сопротивление металлической проволоки меняется — с ростом температуры оно увеличивается. Больший диапазон измерения температур обеспечивают термопары (сваренные с одного конца две проволочки из разных металлов или специальных сплавов), основанные на эффекте Зеебека, 
открытого в 1821 г.

Вместе с развитием промышленности, транспорта, медицины, 

научных исследований резко возросла потребность в средствах измерения. Производство их стали осуществлять на тех же принципах, 
на которых работали машиностроительные заводы XIX в. 

Характерным примером, подробно описанным в литературе, мо
жет служить немецкая оптическая фирма Carl Zeiss. В 40-х гг. XIX в. 
Карл Цейс организовал в Йене предприятие по изготовлению оптико-механических приборов. Он начал с выпуска микроскопов. Основные принципы производства приборов были таковы: вся разработка приборов, конструирование, технология производства, контроль качества осуществлялись на научной основе [2]. Для реализации 
основных принципов организации предприятия Цейс привлек к 
работе преподавателей местного университета. Особенно плодотворным оказалось сотрудничество с профессором Э. Аббе.

Аббе не только разработал теорию появления изображения в ми
кроскопах, но на базе своей теории создал несколько конструкций 
превосходных микроскопов. Кроме того, он разработал апертометр, 
фотометр, дальномер, оптический компаратор. В 1894 г. Аббе сконструировал призменный бинокль, который производился миллионами.

Принципиально новым направлением развития приборостроения 

во второй половине XIX в. стало появление электрических станций, 
сетей и потребителей электрической энергии как на промышленных 
предприятиях (электрический привод станков, электролиз, гальваника, электросварка), так и в городском хозяйстве (освещение, трамваи на электрической тяге и т.д.). Остро встал вопрос удовлетворения 
всех щитовыми и переносными измерительными приборами, в первую очередь вольтметрами и амперметрами. Очевидно, что гальванометр с подвесом в виде упругой нити для этих целей не подходил. 
М. Депре с 1880 по 1884 г. разрабатывал гальванометр, содержащий 
постоянный магнит, между полюсами которого расположена рамка 
из проволоки, по которой пропускают измеряемый ток. К оси рамки 
крепилась спиральная пружина, благодаря силе противодействия 
которой поворот рамки в магнитном поле был пропорционален измеряемому току, протекавшему через рамку [8]. 

В настоящее время измерения пронизывают все области промыш
ленности, науки, медицины, сельского хозяйства, быта – дать их 

общее описание не представляется возможным. Возникли отдельные 
направления теории и практики измерений и соответственно измерительные приборы промышленного назначения, медицинские приборы, приборы химического анализа (аналитические приборы), авиационные приборы, средства неразрушающего контроля и т.д. 

Для того чтобы дать представление о содержании хотя бы одной 

из групп средств измерения, рассмотрим средства выполнения технических измерений в промышленности. Согласно справочнику [7], 
в эту группу входят:
• измерители времени и счетчики;
• измерители линейных размеров и их производных;
• измерители сил и их производных;
• измерители массы и ее производных (весы, измерители расхода, 

измерители плотности);

• измерители гидростатических и гидродинамических величин 

(измерители давления, разностей давлений и вакуума, измерение направления потока, вискозиметры);

• измерители температуры;
• измерители тепловых величин (измерители количества тепла, 

измерители плотности теплового потока);

• измерители концентрации и состава;
• световые измерители;
• измерители шума (шумомеры, измерители мощности шума).

В настоящее время большинство физических величин преобра
зуются в электрические сигналы, которые далее усиливаются, передаются по линиям связи, преобразуются в цифровую форму, подаются в компьютеры, где отображаются на дисплеях и запоминаются 
в базах данных. Подобные системы образуют класс информационноизмерительных систем. 

Кроме того, измерительные сигналы могут подаваться на устрой
ства сравнения, в которых заданы требуемые параметры технологических процессов (температуры, числа оборотов валов, давлений, 
расходов жидкостей или газов и т.д.). Если результаты измерений 
отличаются от заданных, то на регулирующие органы подаются сигналы такой величины, чтобы измеряемый параметр стал равным 
заданному значению. Подобные системы называются системами 
автоматического регулирования и управления.

Подсчитать количество средств измерений в мире просто невоз
можно, оценочно можно утверждать, что их порядка 10 млрд. 

1.2.
РаЗВИТИЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ В РОССИИ

Развитие приборостроения в России легко проследить, поскольку 

в 2004 г. была выпущена монография [8] с достаточно детальным опи

санием этапов становления отрасли. Мы просто перечислим основные этапы становления и развития отрасли, следуя этому источнику.

До революции 1917 г. в России приборостроения как отрасли не 

существовало. Первое в СССР крупное предприятие, специализирующееся на производстве электроизмерительной аппаратуры, — завод 
«Электроприбор» (Ленинград) — вошло в строй в 1927 г. Здесь впервые 
в мире была организована конвейерная сборка приборов. Для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на 
заводе была открыта Отраслевая лаборатория измерений (ОЛИЗ).

В январе 1941 г. был создан Всесоюзный институт приборострое
ния (ВИЭП).

В конце 30-х гг. вступает в строй Киевский завод КЗЭТА (в после
дующем «Точэлектроприбор»). В 1939 г. в г. Львове начали работать 
заводы «Контакт» и «Теплоконтроль».

Теплообменные процессы в химической, нефтеперерабатываю
щей промышленности, металлургии, машиностроении и ряде других 
отраслей нуждались в автоматическом регулировании и специальных 
регуляторах. В начале 30-х гг. лаборатории автоматики с экспериментально-производственными мастерскими уже работали во Всесоюзном электротехническом институте (ВЭИ), Всесоюзном теплотехническом институте (ВТИ), Центральном котлотурбинном институте 
(ЦКТИ).

В 1933 г. из завода «Авиаприбор» выделился завод точных изме
рительных приборов «Тизприбор», который начал производить дифманометры типа кольцевых весов и приборы для нефтяной промышленности. В 1936 г. этот завод освоил производство ртутных поплавковых дифманометров местного и дистанционного действия, 
манометрических термометров и пневматических регуляторов, а также ряд тепловых показывающих и самопишущих приборов. 

В 1956 г. в Москве был открыт Научно-исследовательский инсти
тут теплоэнергетического приборостроения – НИИтеплоприбор, 
которому была поручена разработка и координация работ в области 
приборов промышленного контроля, а также создание приборов специального назначения для атомных энергетических установок 
и атомного подводного флота.

Достижения в ядерной физике, физической и радиационной хи
мии, физике полупроводников и в других областях знания существенно повлияли на развитие практически всех видов приборов, 
привели к возникновению новых направлений приборостроения – 
радиоспектрометрии, рентгеноспектрометрии, хроматографии и т.д. 
Значительное место в промышленном контроле стали занимать оптические методы и приборы.

Агрегатные комплексы благодаря стандартным сигналам и блоч
но-модульной конструкции устройств позволяют наиболее просто