Коллектив авторов - История электротехники
В начале XX в. отечественными учеными был предложен ряд оригинальных средств измерений электрических величин. Например, в 1909 г. М.А. Шателен и А.А. Чернышев создали один из первых образцов электронно-лучевого осциллографа; в 1910 г. А.А. Чернышев разработал высоковольтные вольтметры и ваттметры.
В середине 20-х годов в Ленинграде на базе заводов «Сименс-Гальске» и «Гейслер» было налажено производство лабораторных и щитовых амперметров и вольтметров магнитоэлектрической и электромагнитной систем, четырехплечих мостов постоянного тока, а также счетчиков электрической энергии. В 1927 г. там же вступил в строй новый завод «Электроприбор», начавший массовое производство электроизмерительных приборов.
С 1929 г. Ленинградский политехнический институт начал подготовку инженеров — специалистов по электроизмерительной технике. Большой вклад в разработку методов проектирования электромеханических измерительных приборов и подготовку инженерных кадров внесли Н.Н. Пономарев и Е.Г. Шрамков.
В 30-х годах во многих городах страны были построены научно-исследовательские институты, конструкторские бюро, заводы по разработке и производству электроизмерительной техники (ЗИП в Краснодаре, «Точэлектроприбор» в Киеве и др.). Со второй половины 30-х годов постепенно начали складываться новые научно-педагогические школы специалистов в области электроизмерительной техники. Становление этих школ тесно связано с именами К.Б. Карандеева, Л.Ф. Куликовского, М.И. Левина, П.П. Орнатского, А.В. Талицкого, А.В. Фремке, P.P. Харченко, В.М. Шляндина и др.
12.3. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Начало качественно нового этапа развития электроизмерительной техники связано, в первую очередь, с зарождением и развитием радиоэлектроники. Проникновение элементной базы и научных идей радиоэлектроники в измерительную технику привело к созданию радиоизмерительных приборов: электронно-лучевых осциллографов, электронных вольтметров, омметров, частотомеров, фазометров и ваттметров, измерительных усилителей и генераторов, анализаторов спектра и т.д. Применение радиоизмерительных приборов позволило резко расширить динамический и частотный диапазоны измерения электрических и магнитных величин, а также создать разнообразные измерительные преобразователи неэлектрических величин в электрические с высокими метрологическими характеристиками.
Первые научные открытия, положившие начало современной осциллографии, были сделаны в конце XIX в. Однако прежде чем осциллограф стал широко распространенным средством измерений, должно было пройти полвека. Нужно было преодолеть массу трудностей, связанных с получением требуемого вакуума, фокусировкой электронного луча и управления им, обеспечением достаточной яркости изображения, построением генераторов развертки, усилителей и т.д.
Одним из первых был построен осциллограф с тлеющим светом, запатентованный в 1904 г. немецким ученым Г. Герке. В нем использовалась стеклянная трубка длиной 275 диаметром 35 мм, заполненная азотом, в которой помещались два электрода длиной по 60 и шириной 10 мм. Было эмпирически установлено, что над электродом, который в данный момент служит катодом, появляется свечение в виде тонкой линии, длина которой пропорциональна мгновенной силе тока. Длина светящегося отрезка при токе 60 мА составляла примерно 50 мм. За счет снижения яркости можно было повышать чувствительность путем уменьшения давления газа в трубке.
Развертка изображения осуществлялась с помощью вращающегося зеркала; частота вращения достигала 200 об/с. Позже были разработаны другие конструкции данного осциллографа с частотным диапазоном до 1 МГц. Однако из-за низкой точности и ряда других серьезных недостатков этот прибор не выдержал конкуренции с катодным осциллографом — будущим аналоговым электронно-лучевым осциллографом.
Первые катодные осциллографы строились на основе трубки Брауна. Электронно-лучевые приборы с термоэлектронными катодами появились существенно позже, в 30-х годах XX в. Для обеспечения развертки в первых электронных осциллографах применялся вращающийся зеркальный барабан или движущаяся фотопленка, как в светолучевых (шлейфовых) осциллографах.
Однако вскоре начали использовать современные методы: развертку с помощью вспомогательного синусоидального или линейно изменяющегося напряжения соответствующей частоты.
Так, в 1924 г. фирма «Вестерн электрик» (США) в своем осциллографе применила в качестве генератора развертки генератор линейно изменяющегося напряжения на основе неоновой лампы с параллельно включенным конденсатором; при этом использовалось электростатическое отклонение луча как по вертикали, так и по горизонтали, как в большинстве современных осциллографов. Линейность развертки с помощью такого генератора оставляла желать лучшего. Позднее было предложено осуществлять заряд конденсатора, включенного параллельно горизонтально отклоняющим пластинам, через источник постоянного тока с высоким выходным сопротивлением, построенный на базе электронной лампы. Эта идея нашла широкое применение в генераторах развертки с высокой линейностью изменения выходного напряжения. Кроме того, в таких генераторах весьма просто решались вопросы синхронизации и осуществлялся режим ждущей развертки.
Малая интенсивность электронного пучка в осциллографах с трубкой Брауна не позволяла производить фотографирование экрана при исследовании быстро протекающих процессов, например блуждающих волн в электрических сетях. Эта трудность была преодолена в 1923 г. в осциллографе Дюфура, производство которого организовала фирма «Ш. Будуен» (Франция). В нем фотографическая пластинка помещалась в вакуум и подвергалась прямому воздействию электронного луча без посредства фосфоресцирующего экрана.
Осциллограф Дюфура (рис. 12.4) по внешнему виду мало напоминал современный. Это был громоздкий прибор без экрана, с вакуумной камерой в бронзовом корпусе, соединенной с трубкой Брауна. К нему подсоединялся вакуумный насос, приводившийся в действие после каждой смены фотопластинки. Тем не менее он позволил исследовать процессы с частотами до 1 ГГц; скорость записи достигала 10 мм/нс. Для экономного использования фотопластинки применялось два развертывающих напряжения: синусоидальное горизонтально отклоняющее и сравнительно медленно изменяющееся вертикально отклоняющее (сметание). При отсутствии исследуемого напряжения луч вычерчивал на фотопластинке несколько периодов синусоиды. Исследуемое напряжение высокой частоты, но сравнительно малого значения, записывалось на этой синусоиде.
Рис. 12.4. Осциллограф Дюфура (модель 1927 г.)Некоторые технические характеристики осциллографа Дюфура были улучшены в двух осциллографах, разработанных в то же время в Германии, однако не выпускавшихся серийно. В первом из них в вакуумной камере можно было размещать несколько фотопластинок или фотопленку, что позволяло делать до 20 снимков. Пленка передвигалась с помощью электромагнитного устройства, так что откачивать камеру приходилось лишь после использования всей пленки. Процесс откачивания диффузионным насосом длился примерно 15 мин. Этим осциллографом удалось получить осциллограммы процессов пробоя изоляции длительностью от 1 до 10 не при напряжениях до 20 кВ.
Второй осциллограф был предназначен для регистрации естественных блуждающих волн, возникающих в случайные моменты времени, как это происходит в линиях электропередачи при атмосферных разрядах. Задача была решена в 1924–1926 гг. путем применения режима ждущей развертки, который осуществлялся с помощью электронного переключающего реле, собранного на двух электронных лампах.
Следует заметить, что для исследования блуждающих волн применялись не только осциллографические методы. Были построены специальные приборы — клиндографы (волнописцы).
Работа клиндографа основывалась на том, что при ударе искры, вызванной блуждающей волной, о фотографическую пластинку в ней возникает кистеобразная фигура, анализ которой позволяет получить информацию о параметрах волны. Эффект образования подобных фигур был известен с XVIII в., однако первые клиндографы были изготовлены только в 1924 г. фирмой «Вестингауз».
Конструктивно клиндограф представлял собой корпус, в который вставлялись три или четыре изолированных острия (по числу проводов линии электропередачи). Острия касались светочувствительной пленки, которая медленно передвигалась с помощью часового механизма. Для регистрации напряжений свыше 20 кВ использовались внешние делители напряжения.
С помощью клиндографов оказалось возможным устанавливать время появления, полярность и значения перенапряжений, форму фронта и направление блуждающей волны, промежутки времени между непосредственно следующими друг за другом разрядами. Технические характеристики клиндографов позволили, например, исследовать перенапряжения до 2 MB в трехфазной линии электропередачи напряжением 220 кВ. Разрешение по времени составляло 1 пс, что было недостижимо для осциллографов того времени.
