Коллектив авторов - История электротехники
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.
Светолучевые осциллографы использовались в течение примерно 50 лет. Во второй половине XX в. они были постепенно вытеснены электронными осциллографами и компьютерными средствами измерений.
Жизнь магнитоэлектрических приборов была существенно продлена в связи с разработкой измерительных преобразователей различных электрических и неэлектрических величин в постоянное напряжение или ток. На их основе разработаны многочисленные средства измерений, в которых данные приборы использовались в качестве выходных.
Например, с начала XX в. начали применяться термоэлектрические приборы на базе термопреобразователей, позволявшие измерять переменные токи и напряжения. Эти приборы, работающие в частотном диапазоне 0–50 МГц, широко использовались и во второй половине века. В середине века появились выпрямительные преобразователи, на основе которых были созданы универсальные приборы для измерений постоянных и переменных напряжений и токов, а также сопротивлений — так называемые «тестеры» — одни из самых распространенных средств измерений. Нельзя не отметить также использование магнитоэлектрических приборов в качестве выходных в аналоговых электронных средствах измерений — вольтметрах, омметрах, фазометрах, веберметрах и т.д.
Первым средством измерений, позволявшим производить измерения как на постоянном, так и на переменном токе, был тепловой электроизмерительный прибор, который сконструировал в 1837 г. швейцарский физик Огюст де ла Рив. В нем использовался эффект удлинения проволоки при нагревании ее током.
В 1886 г. во Франции был построен первый технический тепловой прибор со стрелкой — амперметр Кардью. В нем использовалась проволока из сплава платины и серебра длиной около 3 м и диаметром 0,06 мм, которая располагалась в длинной трубе — насадке на круглом приборе. В дальнейшем конструкция таких приборов была усовершенствована. Например, в тепловом приборе германской фирмы «Гартман и Браун» была использована платинородиевая проволока длиной всего 17 см, что позволило резко уменьшить его габариты.
Тепловые приборы широко применялись в первой трети XX в. в качестве амперметров, вольтметров и ваттметров в частотном диапазоне от 0 до 3 МГц. Затем они были вытеснены из области низких частот другими, более простыми, точными и надежными электромеханическими приборами, а из области высоких частот — термоэлектрическими.
В конце XIX в. в связи с необходимостью измерений высоких напряжений вернулись к старой идее построения электростатических вольтметров. За основу были взяты квадрантный электрометр и многокамерный вольтметр Кельвина. В начале XX в. были разработаны лабораторные и щитовые электростатические вольтметры с пределами измерений 50 В — 400 кВ. Обычно изоляцией между металлическими пластинами, к которым прикладывалось измеряемое напряжение, служил просто воздух; в качестве материала для крепления использовались фарфоровые или стеклянные изоляторы.
Для точных измерений высоких напряжений были разработаны более сложные конструкции. Например, фирмой «Гартман и Браун» выпускался абсолютный вольтметр на напряжения до 300 кВ. В нем вращающий момент, создаваемый силами электростатического взаимодействия между заряженными пластинами, уравновешивался противодействующим, создаваемым электродинамическим притяжением между двумя катушками, обтекаемыми вспомогательным током. Значение этого тока являлось мерой измеряемого напряжения. Изолирующим веществом служил сжатый азот под давлением 12 ат. Наибольшая приведенная погрешность вольтметра не превышала 0,5%.
Английская Кембриджская компания в 1913 г. разработала электростатический осциллограф, предназначенный для исследования переходных процессов в цепях высокого напряжения. Роль магнитного поля обычного светолучевого осциллографа в нем выполняло электрическое поле, возникающее между неподвижными пластинами при включении исследуемого переменного напряжения. Петля с зеркальцем, помещенная в это поле, состояла из двух изолированных проводников, к которым прикладывалось вспомогательное постоянное напряжение.
Электростатические вольтметры использовались на протяжении всего XX в., однако область их применения даже в технике высоких напряжений постепенно уменьшалась.
Предпосылки для разработки электромагнитных приборов были созданы еще в 1825 г., когда английский ученый В. Стерджен изобрел электромагнит. Одним из первых приборов этого типа был прибор с железной иглой, выпущенный в 1880 г. фирмой «Карпантье» (Франция). В этой конструкции подвижная игла из магнитомягкого железа занимала определенное положение под действием двух магнитных полей, сдвинутых в пространстве на 90°: поля постоянного магнита и поля катушки, создаваемого измеряемым током. При изменении тока изменялось направление результирующего магнитного поля, за которым следовала игла, являвшаяся стрелкой прибора.
В 1881 г. немецкий инженер Ф. Уиппенборн изобрел электромагнитный прибор с эллиптическим сердечником, а в 1884 г. немецкий профессор Ф. Кольрауш (1840–1910 гг.) разработал конструкцию электромагнитного пружинного гальванометра. Примерно в то же время были предложены использовавшиеся в течение последующих 100 лет и ставшие классическими конструкции с круглыми и плоскими катушками, а также сделаны первые попытки применения магнитопроводов для увеличения вращающего момента. Последняя конструкция достигла своего совершенства в 60-х годах XX в., когда на основе электромагнитного механизма с замкнутым магнитопроводом удалось создать дешевые и надежные малогабаритные щитовые приборы с малым собственным потреблением энергии — наиболее распространенные в те годы приборы для измерений в цепях переменного тока промышленной частоты (амперметры, вольтметры, частотомеры).
В конце XIX в. были разработаны также электродинамические приборы — наиболее точные для своего времени средства измерений на переменном токе промышленной частоты. Они стали широко использоваться в качестве образцовых переносных амперметров, вольтметров и, главное, фазометров. Эти приборы обладали важным свойством: после градуировки на постоянном токе они могли использоваться как на постоянном, так и на переменном токе практически без потери точности.
Предшественниками этих приборов были электродинамические весы У. Кельвина, а также крутильные электродинамические приборы Сименса, выпускавшиеся с 1883 г. Ценными качествами последних являлись высокая точность и надежность. Поэтому крутильные электродинамические приборы были модернизированы и долгое время выпускались в качестве образцовых фирмами США, Англии, Франции и других стран.
В 90-х годах XIX в. появились первые стрелочные электродинамические приборы. В XX в. были предложены многочисленные конструкции этих приборов, обеспечивших измерения с высокой точностью токов, напряжений, мощности в однофазных и трехфазных цепях, фазовых сдвигов и частоты. До последнего времени выпускались амперметры, вольтметры и ваттметры класса 0,05, фазометры класса 0,1; однако наибольшее распространение получили электродинамические ваттметры класса 0,5.
Высокая точность электродинамических приборов связана с отсутствием магнитопровода в конструкции их измерительного механизма. Данная особенность объясняет и главный недостаток подобных механизмов: малый вращающий момент, что не позволяет строить щитовые приборы, работающие в сравнительно жестких условиях эксплуатации. Этот недостаток удалось преодолеть в ферродинамических приборах ценой потери точности (их класс точности обычно не выше 0,5).
Одним из первых получил патент на конструкцию ферродинамического ваттметра А. Лотц (Германия, 1902 г.), но его прибор не был внедрен в производство. Однако развитие электротехники ставило перед инженерами задачи, которые решались наиболее просто путем применения ферродинамических приборов. Например, необходимость разработки ферродинамических ваттметров встала перед фирмой «Сименс и Гальске» в начале XX в., когда при приемочных испытаниях двигателей постоянного тока для прокатных станов потребовались точные измерения мощности. Речь шла при этом о токах до 10 кА и напряжениях до 1 кВ. Первоначально задача решалась путем записи тока и напряжения двумя приборами с последующим вычислением мощности, однако это не обеспечивало требуемой точности. В конце концов было решено изготовить специальный ваттметр. В 1909 г. этот ваттметр с разомкнутой магнитной цепью и магнитным шунтом для компенсации погрешностей был создан. Примерно в те же годы различные конструкции ферродинамических ваттметров были запатентованы в Англии.
