Коллектив авторов - История электротехники
С другой стороны, прогресс в области электрических измерений приводит не только к научным открытиям, но и к развитию производства, так как любое, особенно современное, производство немыслимо без точного, объективного контроля технологических процессов, осуществляемого с помощью средств измерений.
Электроизмерительную технику можно разделить на три основные группы средств измерений, зародившихся и эволюционировавших на определенных этапах:
электромеханические приборы разных систем (магнитоэлектрические, тепловые, электростатические и т.д.), а также приборы сравнения с ручным уравновешиванием (компенсаторы и мосты);
аналоговые электронные преобразователи и приборы, а также приборы сравнения с автоматическим уравновешиванием;
цифровые электронные преобразователи, приборы и системы.
Электромеханические приборы были изобретены в XIX в. практически одновременно с великими открытиями в области электротехники, однако основной этап их развития приходится на первую половину XX в.
Компенсационный и мостовой методы измерений были почти одновременно предложены в 40-х годах XIX в., однако потенциально высокая точность этих методов могла быть реализована только в самом конце XIX в., когда были разработаны прецизионные резисторы, делители напряжения и источники ЭДС — нормальные элементы. Как самостоятельные изделия компенсаторы и мосты начали выпускать в начале XX в.
Первые аналоговые электронные измерительные приборы и преобразователи появились в 20-х годах XX в. в связи с зарождением и развитием радиоэлектроники, а автоматические компенсаторы и мосты — в 30-х годах.
Цифровые средства измерений возникли во второй половине XX в.; их становление и развитие теснейшим образом связано с прогрессом в области микроэлектроники и вычислительной техники.
Рассмотрим теперь основные этапы развития указанных групп средств измерений более подробно.
12.2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Первыми магнитоэлектрическими приборами были гальванометры с подвижным магнитом в виде магнитной стрелки, находящейся в поле катушки с измеряемым током. Более 100 лет, до 30-х годов XX в., они оставались наиболее чувствительными приборами постоянного тока и широко использовались в качестве лабораторных приборов. С целью увеличения чувствительности и улучшения других технических характеристик конструкции этих приборов непрерывно совершенствовались: для отсчета показаний использовались световые указатели, для компенсации магнитного поля Земли применялись вспомогательные магниты, вместо коконовых шелковых нитей для подвеса использовались кварцевые, обеспечивающие меньший дрейф нуля, вводились электромагнитные успокоители и магнитные экраны и т.д. Получили распространение также вибрационные гальванометры с подвижными магнитами — резонансные приборы, используемые в качестве нулевых индикаторов в цепях переменного тока при частотах от нескольких десятков до нескольких сотен герц.
В 30-е годы был достигнут пик развития гальванометров с подвижными магнитами. По чувствительности они превосходили все имевшиеся в то время приборы. Например, чувствительность по току гальванометра, выпускавшегося германской фирмой «Сименс и Гальске», составляла 50 мм/нА, а чувствительность по напряжению гальванометра, выпускаемого английской фирмой «Кембриджская компания», — 330 мм/мкВ. С середины XX в. данные гальванометры были постепенно вытеснены более совершенными электронными средствами измерений.
Непосредственным предшественником электродинамических и магнитоэлектрических приборов с подвижной катушкой был самопишущий прибор — телеграфный приемник, сконструированный в 1867 г. лордом Кельвиным (У. Томсоном). Вращающий момент, действующий на подвижную катушку, возникал в результате взаимодействия магнитного поля катушки, подключенной к источнику постоянного тока (примерно 1 мА), с полем сильного электромагнита. Посредством капиллярной трубки с чернилами, механически связанной с подвижной катушкой, приемник записывал знаки азбуки Морзе на бумажной ленте.
В 1881 г. французский ученый Ж. д'Арсонваль использовал аналогичную идею для создания магнитоэлектрического гальванометра, заменив электромагнит постоянным магнитом. Ж. д'Арсонваль и М. Депре (Франция, фирма «Карпантье») вскоре усовершенствовали конструкцию этого гальванометра, основы которой оставались неизменными более 100 лет: наличие постоянного магнита, полюсных наконечников и неподвижного ферромагнитного сердечника, обеспечивающих равномерное радиальное магнитное поле в зазоре; подвижной катушки, подключенной к источнику тока посредством нитей подвеса или спиральных пружин. В 1888 г., используя аналогичные идеи, Э. Вестон построил в США более точные приборы — первые стрелочные магнитоэлектрические амперметры и вольтметры.
В те же годы на основе гальванометра М. Депре был построен первый электроизмерительный прибор с регистрацией показаний. В нем на подвижной пластине кроме обыкновенного указателя находился вертикальный стержень, оканчивающийся пером с глицериновыми чернилами. Это перо упиралось в барабан, вращающийся при помощи часового механизма. В результате движений пера и барабана на бумажной ленте, намотанной на барабан, рисовалась непрерывная кривая — зависимость регистрируемого тока от времени.
До середины XX в. магнитоэлектрические приборы с подвижной катушкой были самыми распространенными средствами измерений на постоянном токе. Они использовались (и продолжают использоваться) в качестве гальванометров, амперметров, вольтметров, кулонметров, веберметров, омметров и других приборов.
К достоинствам этих приборов следует отнести равномерность шкалы, высокие точность и чувствительность, малое собственное потребление энергии, слабое влияние внешних магнитных полей на их показания, возможность изменений диапазонов измерений в широких пределах.
Конструкции магнитоэлектрических измерительных механизмов постоянно совершенствовались, что значительно расширяло область их применения. В 1894 г. Г. Бругером в Германии были разработаны приборы со скрещенными катушками — логометры, показания которых определяются отношением токов в катушках. На их основе были построены омметры, показания которых практически не зависели от напряжения питания. Омметры, в свою очередь, использовались, например, для измерений температур с помощью термометров сопротивления, измерений давления с помощью реостатных преобразователей и т.п.
На основе магнитоэлектрических измерительных механизмов начали строить приборы для магнитных измерений. Еще в 1872 г. А.Г. Столетов использовал баллистический гальванометр для определения кривой намагничивания ферромагнитных материалов. Позже были разработаны магнитоэлектрические веберметры (флюксметры) — первые измерительные приборы со шкалами, отградуированными в единицах магнитного потока.
С начала XX в. начали серийно выпускаться щитовые магнитоэлектрические приборы разнообразных конструкций: квадрантные, секторные, трубчатые, плоскопрофильные, выпукло-профильные (рис. 12.1); позже были разработаны миниатюрные приборы с внутрирамочным магнитом. Щитовые приборы нашли широкое применение для создания пультов управления распределением электроэнергии (рис. 12.2).
На основе магнитоэлектрических измерительных механизмов были созданы не только приборы для регистрации медленно изменяющихся величин (токов, напряжений, температур и т.д.), но и светолучевые (шлейфовые) осциллографы с частотным диапазоном от 0 до 10 кГц. В последних использовались миниатюрные осциллографические гальванометры с высокой частотой собственных колебаний подвижной части.
Светолучевые осциллографы появились в 20-х годах XX в. Для развертки изображения, проектируемого на матовый экран, в них использовался вращающийся зеркальный барабан; была также предусмотрена возможность записи на фотобумагу. В отличие от более поздних моделей в качестве источника света применялись мощные дуговые лампы или мощные лампы накаливания, автоматически перегружаемые в момент съемки; для создания магнитного поля использовался электромагнит.
Рис. 12.1. Профильные щитовые приборы а — выпуклопрофильный прибор; б — выпуклопрофильнмй прибор с плоским стеклом; в — плоскопрофильный прибор утопленного типа; г — выпуклопрофильный прибор выступающего типа Рис. 12.2. Пульт управления распределением электроэнергии с плоскопрофильными приборами фирмы «Сименс и Гальске» (20-е годы XX в.)Первые светолучевые осциллографы были очень громоздкими и дорогими. Так, например, шестишлейфовый осциллограф Сименс — Блон-деля был выполнен в виде трех блоков, смонтированных на металлической стойке; дуговая лампа потребляла ток 8 А от источника постоянного напряжения 220 В. Первый переносный осциллограф фирмы «Вестингауз» (США, 1923 г.) весил 50 кг и стоил 6000 дол.
