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計測機器（/ ˌɪnstrʊmənˈteɪʃən / ）は、物理量を表示、測定、記録するために使用される計測機器の総称です。[ a ]また、計測機器の製造に関する技術と科学の研究分野でもあり、計測学、自動化、制御理論などの関連分野を含みます。この用語は、科学機器製造の技術と科学に由来しています。
計測機器とは、直読式温度計のような単純なものから、産業用制御システムのマルチセンサーコンポーネントのような複雑なものまで、幅広い機器を指します。計測機器は、研究所、製油所、工場、車両だけでなく、日常生活における家庭での使用（例：煙感知器やサーモスタット）にも見られます。
計測機器は、以下のような多くのパラメータ（物理量）を測定するために使用されます。
測定装置は「メートル」として知られており、特定の種類のものは英語のすべての変種で「-meter」という接尾辞が付けられます（例： thermometer、speedometer ）。 [ 1 ]接尾辞「-meter」は、長さの単位「metron」と同じギリシャ語起源を持ち[ 2 ] [ 3 ]、文字通り「物を測るもの」を意味します。
計測機器の歴史は、いくつかの段階に分けることができる。
産業計測機器の要素には長い歴史があります。重量を比較するための秤や位置を示すための単純な指針は、古代の技術です。最も初期の計測の中には、時間の計測がありました。最も古い水時計の1つは、紀元前1500年頃に埋葬された古代エジプトのファラオ、アメンホテプ1世の墓で発見されました。[ 4 ]時計には改良が加えられました。紀元前270年までには、自動制御システムの原型となるものが備わっていました。[ 5 ]
1663年、クリストファー・レンは王立協会に「気象時計」の設計図を提出した。図面には、時計仕掛けで駆動されるペンが紙の上で動く気象センサーが描かれている。このような装置が気象学で標準となるまでには2世紀を要した。[ 6 ]加圧されたふいごがペンを動かす空気圧式チャートレコーダーに見られるように、この概念は事実上変わっていない。センサー、ディスプレイ、レコーダー、制御を統合することは、必要性と実用性の両方によって制限され、産業革命まで一般的ではなかった。
初期のシステムでは、制御と表示のためにローカル制御盤への直接的なプロセス接続が使用されていましたが、1930年代初頭から空気圧トランスミッターと自動3項（PID）コントローラが導入されました。
空気圧トランスミッタのレンジは、現場でバルブやアクチュエータを制御する必要性によって定義されました。通常、信号範囲は 3 ～ 15 psi (20 ～ 100 kPa または 0.2 ～ 1.0 kg/cm2) が標準でしたが、より大きなバルブには 6 ～ 30 psi が使用されることもありました。トランジスタ電子回路により、パイプの代わりに配線が可能になり、当初はループ電源デバイスで最大 90 V で 20 ～ 100 mA の範囲でしたが、より現代的なシステムでは 12 ～ 24 V で 4 ～ 20 mA に縮小されました。トランスミッタは出力信号を生成するデバイスであり、多くの場合 4 ～ 20 mAの電流信号の形式ですが、電圧、周波数、圧力、イーサネットを使用した他の多くのオプションも可能です。トランジスタは1950 年代半ばまでに商品化されました。[ 7 ]
制御システムに接続された計器類は、ソレノイド、バルブ、レギュレータ、回路ブレーカー、リレーなどの機器を動作させるための信号を提供する。これらの機器は、所望の出力変数を制御し、遠隔監視機能または自動制御機能を提供することができる。
各計測機器メーカーが独自の標準計測信号を導入したため、 トランスミッターやバルブの標準電子計測信号として 4～20 mA の範囲が使用されるまで混乱が生じました。この信号は最終的に 1970 年代に ANSI/ISA S50「電子工業プロセス計測機器のアナログ信号の互換性」として標準化されました。計測機器が機械式空気圧トランスミッター、コントローラ、バルブから電子計測機器に移行したことで、電子計測機器は機械式計測機器よりも信頼性が高くなったため、メンテナンス コストが削減されました。また、精度が向上したため、効率と生産性も向上しました。空気圧は腐食性雰囲気や爆発性雰囲気で好まれるなど、いくつかの利点がありました。[ 8 ]
In the early years of process control, process indicators and control elements such as valves were monitored by an operator, that walked around the unit adjusting the valves to obtain the desired temperatures, pressures, and flows. As technology evolved pneumatic controllers were invented and mounted in the field that monitored the process and controlled the valves. This reduced the amount of time process operators needed to monitor the process. Latter years, the actual controllers were moved to a central room and signals were sent into the control room to monitor the process and outputs signals were sent to the final control element such as a valve to adjust the process as needed. These controllers and indicators were mounted on a wall called a control board. The operators stood in front of this board walking back and forth monitoring the process indicators. This again reduced the number and amount of time process operators were needed to walk around the units. The most standard pneumatic signal level used during these years was 3–15 psig.[9]
Process control of large industrial plants has evolved through many stages. Initially, control would be from panels local to the process plant. However, this required a large manpower resource to attend to these dispersed panels, and there was no overall view of the process. The next logical development was the transmission of all plant measurements to a permanently staffed central control room. Effectively this was the centralization of all the localized panels, with the advantages of lower manning levels and easy overview of the process. Often the controllers were behind the control room panels, and all automatic and manual control outputs were transmitted back to plant.
しかし、この方式は中央制御という利点はあったものの、各制御ループにそれぞれ独自のコントローラハードウェアが備わっていたため、柔軟性に欠けていました。また、プロセスのさまざまな部分を確認するには、オペレーターが制御室内を絶えず移動する必要がありました。電子プロセッサとグラフィックディスプレイの登場により、これらの個別のコントローラを、独自の制御プロセッサを備えた入出力ラックのネットワーク上で動作するコンピュータベースのアルゴリズムに置き換えることが可能になりました。これらのアルゴリズムは工場全体に分散配置でき、制御室のグラフィックディスプレイと通信できます。こうして分散制御の概念が誕生しました。
DCSとSCADAの導入により、カスケードループやインターロックなどのプラント制御の相互接続と再構成が容易になり、他の生産コンピュータシステムとのインターフェースも容易になりました。また、高度なアラーム処理が可能になり、イベントの自動ログ記録が導入され、チャートレコーダーなどの物理的な記録が不要になり、制御ラックをネットワーク化してプラントの近くに配置することで配線距離を短縮でき、プラントの状態や生産レベルの概要を俯瞰的に把握できるようになりました。
場合によっては、センサーは機構のごく小さな要素に過ぎない。デジタルカメラや腕時計は、感知した情報を記録したり表示したりするため、厳密には計測機器の定義に当てはまるかもしれない。ほとんどの場合、どちらも計測機器とは呼ばれないだろうが、レースの経過時間を計測したり、ゴール地点で勝者を記録したりするために使用される場合は、どちらも計測機器と呼ばれることになる。
計測システムの非常にシンプルな例として、家庭用暖房炉を制御し、ひいては室温を制御する機械式サーモスタットが挙げられます。一般的なサーモスタットは、バイメタルストリップで温度を感知します。ストリップの自由端にある針で温度を表示します。水銀スイッチによって暖房炉が作動します。ストリップによってスイッチが回転すると、水銀が電極間で物理的（つまり電気的）に接触します。
計測システムのもう一つの例は、ホームセキュリティシステムです。このようなシステムは、センサー（動き検知、ドアの開閉を検知するスイッチ）、侵入を検知するシンプルなアルゴリズム、ローカル制御（警戒/解除）、そして警察への通報を可能にするためのシステムのリモート監視で構成されています。通信は設計に不可欠な要素です。
キッチン家電は制御にセンサーを使用する。
現代の自動車には複雑な計器類が搭載されています。エンジンの回転速度や車両の直線速度の表示に加え、バッテリーの電圧と電流、液面レベル、液温、走行距離、各種制御（方向指示器、パーキングブレーキ、ヘッドライト、トランスミッション位置）のフィードバックも表示されます。特別な問題（燃料不足、エンジンチェックランプ点灯、タイヤ空気圧低下、ドアが半開き、シートベルト未装着）については警告が表示される場合があります。問題は記録され、 診断機器に報告されます。ナビゲーションシステムは、目的地までの音声コマンドを提供できます。自動車の計器類は、過酷な環境下でも長期間にわたって安価で信頼性が高くなければなりません。センサー、ロジック、アクチュエーターを含む独立したエアバッグシステムが搭載されている場合があります。アンチスキッドブレーキシステムはセンサーを使用してブレーキを制御し、クルーズコントロールはスロットル位置に影響を与えます。OnStarシステムの通信リンクを介して、さまざまなサービスが提供されます。高度な計器類を備えた自動運転車も展示されています。
初期の航空機にはいくつかのセンサーが搭載されていました。[ 10 ]「蒸気計」は気圧を針の偏向に変換し、高度と対気速度として解釈できました。磁気コンパスは方向感覚を提供しました。パイロットへの表示は、測定値と同じくらい重要でした。
現代の航空機には、航空電子機器システムに組み込まれた、はるかに高度なセンサーとディスプレイが搭載されています。航空機には、慣性航法システム、全地球測位システム、気象レーダー、自動操縦装置、機体安定化システムなどが含まれる場合があります。信頼性を高めるために、冗長センサーが使用されています。情報の一部は、事故調査を支援するために、墜落記録装置に転送されることがあります。現代のパイロットディスプレイには、ヘッドアップディスプレイを含むコンピューターディスプレイが搭載されています。
航空交通管制レーダーは、分散型計測システムです。地上部は電磁パルスを送信し、少なくとも反射波を受信します。航空機は、パルスを受信するとコードを送信するトランスポンダを搭載しています。システムは、航空機の地図上の位置、識別番号、およびオプションで高度を表示します。地図上の位置は、検出されたアンテナの方向と時間遅延に基づいて算出されます。その他の情報は、トランスポンダの送信データに埋め込まれています。
この用語の考えられる用途の一つとして、IEEE-488バス（汎用計測器バスGPIB、またはヒューレット・パッカード計測器バスHPIBとも呼ばれる）を介してコンピュータによって制御される実験室用試験装置の集合体が挙げられる。実験室用装置は、多くの電気的および化学的量を測定できる。このような装置群は、飲料水の汚染物質検査を自動化するために使用できる可能性がある。
計測工学は、電気や空気圧などの分野における自動化システムの設計と構成、および測定対象量の制御に使用される計測機器の原理と動作に焦点を当てた工学専門分野です。計測エンジニアは通常、化学プラントや製造プラントなど、自動化されたプロセスを持つ産業に従事し、システムの生産性、信頼性、安全性、最適化、および安定性の向上を目指します。プロセスまたは特定のシステムのパラメータを制御するために、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、PLCなどのデバイスが使用されますが、その究極の目的はシステムのパラメータを制御することです。システムのパラメータの制御は、計測機器および制御システムとともに閉ループを形成する最終制御要素で行われます。計測エンジニアは多くの場合、ループ全体に責任を負い、最終制御要素（例：制御弁、ダンパー（流量）、モーター、ソレノイド弁、リレーなど）の設計、サイズ決定、および選定にも関わります。
計測工学は、必要な作業が分野によって大きく異なるため、定義が曖昧です。実験用ラットの生体計測の専門家とロケット計測の専門家では、関心事が大きく異なります。両者に共通する関心事は、サイズ、重量、コスト、信頼性、精度、寿命、環境耐性、周波数応答に基づいて適切なセンサーを選択することです。センサーの中には、砲弾に搭載されて発射されるものもあれば、核爆発を感知して破壊されるものもあります。センサーデータは必ず記録、送信、または表示されなければなりません。記録速度と容量は大きく異なります。送信は簡単なものから、妨害電波が存在する状況下で暗号化され低電力で秘密裏に行われるものまで様々です。表示は非常に簡単なものから、人間工学の専門家との協議が必要なものまであります。制御システムの設計は、簡単なものから独立した専門分野まで多岐にわたります。
計装エンジニアは、センサーを記録計、送信機、表示装置、または制御システムと統合し、プロセスの配管計装図を作成する責任を負います。また、設置、配線、信号調整の設計または仕様策定を行う場合もあります。さらに、システムの試運転、校正、試験、保守を担当することもあります。
研究環境においては、専門家が計測機器システムに関する高度な専門知識を持っていることは一般的です。天文学者は宇宙の構造を熟知しており、望遠鏡（光学系、指向機構、カメラ（またはその他のセンサー））についても深い知識を持っています。多くの場合、最良の結果をもたらす運用手順に関する、苦労して得た知識も含まれます。例えば、天文学者は望遠鏡内部の空気の乱れを引き起こす温度勾配を最小限に抑える技術に精通していることが多いのです。
計測技術者、技師、整備士は、計測機器および計測システムのトラブルシューティング、修理、保守を専門としています。
ラルフ・ミュラー（1940）は、「物理科学の歴史は、主に計測機器とその賢明な使用の歴史であることはよく知られている。これまで時折現れてきた広範な一般化や理論は、正確な測定に基づいて成り立ったり、あるいは崩れたりしてきた。そして、いくつかの事例では、その目的のために新しい計測機器を考案する必要があった。現代人の知性が古代人の知性よりも優れていることを示す証拠はほとんどない。彼らの道具は、比較にならないほど優れているのだ。」と述べている。[ 11 ] [ 12 ]： 290
デイビス・ベアードは、第二次世界大戦後にフロリス・コーエンが提唱した「第四の科学革命」、あるいはより一般的には第四次産業革命と呼ばれる現象に伴う大きな変化は、化学だけでなく科学全般における科学計測機器の発展であると主張している。[ 12 ] [ 13 ] 化学においては、1940年代に導入された新しい計測機器は「まさに科学技術革命」であり[ 14 ]、構造有機化学における従来の湿式・乾式法は廃止され、新たな研究分野が開拓された。[ 14 ] : 38
1954年にはすでに、WA Wildhackはプロセス制御に内在する生産的および破壊的な可能性の両方について論じていた。[ 15 ] 科学機器を使用して、これまで観測できなかったレベルで自然界の正確で検証可能かつ再現可能な測定を行う能力は、「世界の異なる質感をもたらした」。[ 16 ]この計測機器の革命は、 DDTのモニタリングや、水質汚染物質のモニタリングにUV分光光度法やガスクロマトグラフィーを使用する例に見られるように、人間の監視および対応能力を根本的に変える。[ 13 ] [ 16 ]
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