Коллектив авторов - История электротехники
В качестве примера рассмотрим технические возможности «интеллектуального» датчика абсолютного давления, выпускаемого японской фирмой «Фуджи» (FUJI, модель FKA), который обеспечивает измерение давления жидкости, газа или пара в диапазоне от 0,16 до 30 бар с погрешностью не более 0,2% в диапазоне рабочих температур от -40 до + 85°С. Он состоит из емкостного чувствительного элемента и электронного устройства, смонтированного в стальном корпусе объемом со спичечный коробок. Его питание осуществляется от внешнего источника постоянного тока с напряжением от 11 до 45 В, который может располагаться в нескольких километрах от датчика в центре сбора данных. Измерительная информация передается по проводам источника питания (двухпроводный датчик) в аналоговой форме — постоянным током от 4 до 20 мА, а также цифровым сигналом, наложенным на аналоговый.
Датчик может быть легко превращен в измерительный прибор путем установки на нем четырехразрядного цифрового жидкокристаллического индикатора или аналогового милливольтметра. Такими датчиками можно управлять с помощью специальных пультов и объединять их в измерительную систему. Каждый датчик осуществляет операции самодиагностики, линеаризации функции преобразования, масштабирования, установки диапазона измерений, температурной компенсации и т.д.
Наряду с компьютеризацией электроизмерительной техники интенсивно развивается ее метрологическое обеспечение, причем эталоны высокой точности становятся доступными промышленности. Например, еще в 1982 г. фирма «Флюк» (Fluke, США) выпустила калибратор напряжения для поверки 6,5- и 7,5-разрядных мультиметров. Этот прибор (модель 5440А), построенный на базе ЦАП с широтно-импульсной модуляцией, обеспечивает относительную погрешность не более 0,0004% при работе непосредственно в цехе.
Для построения современных средств измерений с наиболее высокими метрологическими характеристиками, включая эталоны вольта и ампера, решающее значение имеет использование квантовых эффектов Б. Джозефсона и Холла.
Эффект Б. Джозефсона был предсказан в 1962 г. английским физиком Б. Джозефсоном и экспериментально обнаружен в 1963 г. американскими физиками П. Андерсоном и Дж. Роуэллом. Одно из проявлений данного эффекта состоит в следующем. При облучении контакта Б. Джозефсона — тонкого слоя диэлектрика между двумя сверхпроводниками — высокочастотным электромагнитным полем, на вольт-амперной характеристике такого контакта возникают скачки напряжения, пропорциональные частоте. Высокая точность воспроизведения скачков напряжения на контактах Б. Джозефсона позволила в 80-х годах построить эталоны вольта с погрешностями не более 0,0001%.
Использование эффекта Б. Джозефсона и явления квантования магнитного поля в односвязных сверхпроводниках привело к созданию чрезвычайно чувствительных сверхпроводящих квантовых интерференционных приборов — СКВИДов, измеряющих магнитные потоки. Применение измерительных преобразователей различных физических величин в магнитные потоки позволило создать на основе СКВИДов измерительные приборы и устройства различного назначения, обладающие рекордно высокой чувствительностью: гальванометры, компараторы, термометры, магнитометры, градиентометры, усилители. На основе эффекта Б. Джозефсона строятся и другие устройства, служащие для обработки измерительной информации, например, АЦП и цифровые процессоры сигналов с тактовыми частотами свыше 10 ГГц.
Квантовый эффект Холла был открыт в 1980 г. К. фон Клитцингом (ФРГ). Эффект наблюдается при низких температурах (около 1 К) и проявляется в виде горизонтального участка на графике зависимости холловского сопротивления полупроводниковых датчиков Холла от магнитной индукции. Погрешность сопротивления, соответствующего этому участку, не превышает 0,00001%. Это позволило использовать квантовый эффект Холла для создания эталонов электрического сопротивления.
Использование квантовых эффектов Б. Джозефсона и Холла позволило разработать эталоны постоянного электрического тока, превышающие по точности эталоны на основе токовых весов, применявшихся почти всю вторую половину XX в. В нашей стране новый государственный первичный эталон введен с 1992 г. Он воспроизводит ампер с погрешностью не более 0,00002% (токовые весы обеспечивали погрешность не более 0,0008%).
Рассмотренные эффекты проявляются при низких температурах, что служит главным препятствием для их широкого использования. Однако открытие в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников позволяет ожидать создания средств измерений, построенных на интегральных схемах и работающих при температурах около 100 К. Это был бы новый качественный скачок в развитии электроизмерительной техники.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ12.1. Депре М. О гальванометре, показания которого пропорциональны силе тока // Электричество. 1884. № 24.
12.2. Шателен М. Счетчики электрической энергии // Электричество. 1893. № 20.
12.3. Жерар Эрик. Курс электричества. Т. 1. Санкт-Петербург, 1896.
12.4. Чернышев А. Методы измерений высоких напряжений и новый абсолютный высоковольтный вольтметр // Электричество. 1910. №15.
12.5. Ферингер А.Б. Новейшие измерительные приборы (обзор) // Электричество. 1912. №1.
12.6. Маликов М.Ф. Основные электрические единицы в их современном состоянии // Электричество. 1924. № 3.
12.7. Грун К. Электротехнические измерительные приборы. М.: Гостехиздат, 1927.
12.8. Банденбургер В.И. Электрические телеизмерения // Электричество. 1931. № 17.
12.9. Шумиловский Н.Н. Электрические счетчики: теория, расчет, конструирование. Л.: Кубуч, 1932.
12.10. Стекольников И.С. Катодный осциллограф для контактного фотографирования // Электричество. 1933. № 12.
12.11. Городецкий С.С. Измерения на высоком напряжении. М.-Л.: Энергоиздат, 1934.
12.12. Конструкции электроизмерительных приборов / Под ред. Н.Н. Пономарева. Л. — М.: Энергоиздат, 1935.
12.13. Кейнат Г. Электроизмерительная техника. Т. 1. Л.: Ленинградский индустриальный институт, 1935.
12.14. Кейкат Г. Электроизмерительная техника. Т.2. Л.: Ленинградский индустриальный институт, 1937.
12.15. Кузнецов Б.Г. История энергетической техники. М.: Гостехиздат, 1937.
12.16. Электрические и магнитные измерения / Под ред. Е.Г. Шрамкова. М.-Л.: ОНТИ, 1937.
12.17. Темников Ф.Е., Харченко P.P. Электрические измерения неэлектрических величин. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948.
12.18. Шкурин Г.П. Электроизмерительные приборы: Справочник-каталог М.: Машгиз, 1948.
12.19.Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1951.
12.20. Карандеев К.Б. Методы электрических измерений. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1952.
12.21. Белькинд Л.Д., Конфедератов И.Я., ШнейбергЯ.А. История техники. М.: Госэнергоиздат, 1956.
12.22. История энергетической техники СССР. Т.2. Электротехника. М.: Госэнергоиздат, 1957.
12.23.Веселовский О.Н. Михаил Осипович Доливо-Добровольский. М.: Госэнергоиздат, 1958.
12.24. История энергетической техники / Л.Д. Белькинд, О.Н. Веселовский, И.Я. Конфедератов, Я.А. Шнейберг. М.: Госэнергоиздат, 1960.
12.25. Темников Ф.Е. Теория развертывающих систем. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.
12.26.Веселовский О.Н., ШнейбергЯ.А. Энергетическая техника и ее развитие. М.: Высшая школа, 1976.
12.27.Стил Р. Принципы дельта-модуляции. М.: Связь, 1979.
12.28. Арутюнов В.О. Избранные труды в области электрических измерений, теории и прикладных вопросов метрологии. М.: Изд-во стандартов, 1979.
12.29. Бароне А., Патерно Д. Эффект Джозефсона: физика и применения. М.: Мир, 1984.
12.30. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы. Ч. 1.М.:Мир, 1988.
12.31. Электроника: Энциклопедический словарь / Гл. ред. В.Г Колесников. М.: Сов. энциклопедия, 1991.
12.32. Волшебство аналоговой схемотехники // Электроника (русский перевод). 1993. № 11/12.
12.33. Уилер Р. Испытания и измерения за 40 лет // Электроника (русский перевод). 1993. № 11/12.
12.34. Веселовский О.Н., Шнейберг Я.А. Очерки по истории электротехники. М.: Изд-во МЭИ, 1993.
12.35.Герасимов В.Г., Орлов И.Н., Филиппов Л.И. От знаний — к творчеству. М.: Изд-во МЭИ, 1995.
Глава 13.
ПЕРСОНАЛИИ
13.1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О РОССИЙСКИХ И ЗАРУБЕЖНЫХ УЧЕНЫХ, ВНЕСШИХ ЗНАЧИТЕЛЬНЫЙ ВКЛАД В РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Алексеев Александр Емельянович (1891–1975 гг.) — российский ученый, профессор, доктор технических наук, член-корреспондент АН СССР, заслуженный деятель науки РФ, лауреат государственных премий. Основное направление деятельности — разработка научных принципов конструирования электрических машин различного типа; руководил конструкторскими работами по созданию электросварочных агрегатов, затем разрабатывал конструкции первых отечественных турбо- и гидрогенераторов, в частности гидрогенераторов Волховской ГЭС; руководил разработками первых тяговых электродвигателей; занимался теоретическими и конструкторскими разработками перевода железных дорог с постоянного на переменный ток. А.Е. Алексеев обобщил вопросы конструирования, выбора вентиляционных схем, тепловых расчетов электрических машин общего назначения и тяговых электродвигателей в монографиях: «Конструкция электрических машин» и «Тяговые электродвигатели».
