книги / Специальные методы электрических измерений

весьма элементарной (см. § 4-5). Конечно, можно было бы воспользоваться усилителями и на постоянном токе, но, к сожалению, подобные усилители значительно менее совершенны, надежны и удобны, чем усилители пере­ менного тока. Поэтому и применяются они в сравни­ тельно редких случаях, когда без них обойтись невоз­ можно, например в сочетании с мостами, имеющими очень высокое выходное сопротивление. В измеритель­ ных же установках постоянного тока, работающих по методу уравновешивания, усилители практически не применяются.

Однако если подбор нулевого указателя переменно­ го тока требуемой чувствительности относительно не­ сложен, все же существуют некоторые, специфические для цепей переменного тока требования, удовлетворе­ ние которых вызывает дополнительные затруднения.

В первую очередь следует обратить внимание на то обстоятельство, что если измерительные установки по­ стоянного тока нуждаются в защите от токов утечки да­ леко не во всех случаях измерительной практики, то при измерениях на переменном токе (особенно при по­ вышенных частотах) практически почти всегда прихо­ дится считаться с возможностью возникновения суще­ ственной погрешности за счет влияния паразитных свя­ зей (чаще емкостных). Поэтому, если борьба -с утечка­ ми на постоянном токе не так уж актуальна и, кроме того, в простейших случаях относительна проста, для измерительных цепей переменного тока проблема за­ щиты очень существенна' и достаточно сложна. Есте­ ственно, что защищенным должен быть и нулевой ука­ затель; следовательно, его устройство должно допускать возможность этой защиты ('подробнее ем. гл. 9).

Вторым специфическим требованием к указателям переменного тока, приобретающим за последние годы все большее значение, является требование чувствитель­ ности не только к амплитуде, но также и к фазе вы­ ходного напряжения. Дело в том, что подобные фазо­ чувствительные указатели во многих случаях измери­ тельной практики сильно упрощают и ускоряют про­ цессы уравновешивания, позволяя вести их в опреде­ ленном направлении, а не «вслепую», как это имеет ме­ сто при амплитудных указателях. Кроме того, иногда требуется, чтобы указатель обладал также избиратель-

ностыо по частоте. Такими свойствами обладают, в ча­ стности, фазочувствительные схемы, вибрационные галь­ ванометры и др.

Следует сразу оговорить, что всем этим требованиям (включая естественные пожелания простоты, надежно­ сти и дешевизны), легче всего удовлетворить при помо­ щи различных вариантов электронных устройств, кото­ рые в последнее время получают все большее и большее распространение.

В первой половине столетия исключительно широкое распространение в качестве нулевых указателей пере­ менного тока имели телефоны и вибрационные гальва­ нометры. Действительно, телефон, отсутствие тока в ко­ тором определяется по прекращению звука, представ­ ляет собой простой, дешевый и достаточно чувствитель­ ный (до 10~8 а) нулевой указатель тока звуковой ча­ стоты. Однако заметная субъективность определения момента исчезновения звука, существенная частотная зависимость чувствительности, которая в диапазоне зву­ ковых частот меняется примерно в 2 000 раз, и доста­ точно сильное влияние высших гармоник являлись су­ щественными недостатками. Но, пожалуй, самым непри­ ятным обстоятельством является необходимость при­ кладывать телефонную трубку непосредственно к уху, что вызывает появление довольно большой (при этом меняющейся) емкости между измерительной цепью и телом экспериментатора, и, кроме того, это небезопас­ но, если установка работает на высоком напряжении. Ток утечки через эту емкость создает специфический, так называемый «головной эффект», заключающийся в том, что минимум звука делается весьма «размытым» и определяется с трудом. Борьба с головным эффектом возможна, но требует применения вспомогательных при­ способлений и существенно осложняет процесс измере­ ния. Эти обстоятельства и привели к тому, что в со­ временных условиях телефон <в -практике измерений почти «е применяется.

Хорошо известные вибрационные гальванометры раз­ ных конструкций также являлись ранее распространен­ ными нулевыми указателями при работе в области низ­ ких частот. Несомненным их достоинством являются резонансные свойства, позволяющие настроить подвиж­ ную систему на-основную частоту и тем самым в зиачи-

тельной степени избавиться от влияния высших гармо­ ник. Однако относительная сложность и дороговизна этих приборов, неудобство светового отсчета по «раз­ мыванию» зайчика и достаточно узкий частотный диапа­ зон при не очень высокой чувствительности (постоян­ ная порядка 10-7 а/дел) привели к тому, что в настоя­ щее время вибрационные гальванометры хотя и приме­ няются, но относительно редко, главным образом, в ста­ ционарных измерительных установках.

Упомянутые приборы — телефон и вибрационный гальванометр — принадлежат к чисто амплитудным ука­ зателям, никак не реагируя на фазу подведенного на­ пряжения. От этого недостатка свободны зеркальные электродинамометры с вспомогательным возбуждением, представляющие собой гальванометры электродинами­ ческой системы, с рамкой на подвесе и зеркальным (как правило) отсчетом. Действительно, в случае питания неподвижной катушки вспомогательным током /0, вра­ щающий момент прибора динамической системы, как известно, будет: Л

М = к! Л/ 0 соз (/*, / 0).

Следовательно, гори /о=|оопз{, отсчет будет пропорциопален не только току 1Хл но и косинусу угла сдвига меж­ ду этим током и вспомогательным опорным током, пи­ тающим неподвижные катушки.

Амплитудная чувствительность прибора (пропорцио­ нальная числу витков и силе опорного тока) может быть получена достаточно высокой. Однако чисто технические трудности работы с электродинамометром (необходи­ мость установки по уровню, защиты от механических вибраций, световой отсчет со всеми его неудобствами), а также его достаточно высокая стоимость привели к то­ му, что нулевые указатели электродинамической систе­ мы практического применения не получили и в промыш­ ленных масштабах не выпускаются.

Изложенные соображения подтверждают, что наибо­ лее интересными и перспективными, но в то же время наименее известными являются в настоящее время ну­ левые указатели переменного тока, основанные на при­ менении электронных ламп или транзисторов с магни­

3-2. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГАЛЬВАНОМЕТР

Современные гальванометры позволяют обнаружи­ вать токи до 10"11 а и напряжения до 10-7—10~8 в, что оказывается достаточным .в большинстве случаев изме­ рительной практики.

По принципу своего действия, как известно, магни­ тоэлектрические гальванометры вполне идентичны тех­ ническим магнитоэлектрическим приборам. Однако стремление получить наиболее высокую чувствитель­ ность обусловило ряд специфических конструктивных отличий.

Одним из отличий является способ крепления по­ движной системы (катушки) путем подвески на упру­ гой нити или упругого растягивания двумя нитями. При этом практически исключается трение и появляется воз­ можность легко создать малую величину противодей­ ствующего момента. Вторым отличием является исполь­ зуемый в большинстве случаев зеркальный способ от­ счета показаний, позволяющий обнаружить очень малые углы закручивания нити.

Индукция в зазоре магнитной системы обычно вы­ бирается для гальванометров максимально возможной, что, с одной стороны, приводит к повышению чувстви­ тельности, а с другой — повышает успокоение за счет взаимодействия токов, наводимых в катушке с магнит­ ным полем. Это обстоятельство заставляет уменьшать ток, наводимый в катушке при ее движении, для чего требуется ввести некоторое сопротивление в измеряе­ мую цепь. Величина внешнего сопротивления цепи, при которой успокоение равно критической величине, являет­ ся следующей после чувствительности характеристикой гальванометра. Оптимальным, с точки зрения минималь­ ного времени успокоения, является режим, близкий к кри­ тическому. Обычно у гальванометров, чувствительных к току, величина критического сопротивления во много раз превышает внутреннее сопротивление гальваномет­ ра; поэтому достижение оптимального успокоения при малом сопротивлении измеряемого источника (г*) тре­ бует потери чувствительности из-за включения добавоч­ ного сопротивления /?д последовательно в цепь измере­ ния (рис. 3-1). Если же сопротивление источника (п) превышает' критическую величину, то оптимальный ре­ жим может быть достигнут при незначительной потере

чувствительности шунтированием гальванометра сопро­ тивлением 7?д, близким к критической величине (рис. 3-2). Наконец, в случае, если сопротивление изме­ ряемого источника меняется в широких пределах, то для обеспечения режима, близкого к критическому, можно включить два добавочных сопротивления, при­ мерно равных критической величине; одно из них шун­ тирует гальванометр, а второе включено последова­ тельно.

Одной из особенностей гальванометров является также большая величина периода собственных колеба­ ний, иногда более десятка секунд. Поскольку период собственных колебаний обратно пропорционален корню

квадратному из величины противодействующего момен­ та, то очевидно, что повышение чувствительности путем уменьшения момента подвеса отрицательно сказывает­ ся на быстродействии гальванометра.

Таким образом, достижение максимальной чувстви­ тельности находится в противоречии с эксплуатацион­ ными удобствами и с быстродействием гальванометра. Поэтому необходимо стремиться получить максималь­ ную чувствительность схемы (максимальную выходную мощность) и согласовать гальванометр со схемой по максимуму отдачи мощности в цепь гальванометра, ибо в противном случае придется выбирать более чувстви­ тельный гальванометр в ущерб механическим свойствам и быстродействию. Большой интерес представляют так­ же различные способы повышения чувствительности гальванометров.

В настоящее время, видимо, нет оснований рассчи­ тывать на заметное увеличение чувствительности галь­ ванометров за -счет улучшения их конструктивных данных. Все попытки подобного рода упираются в воз­ никающие в приборе самопроизвольные небольшие перемещения рамки (неустойчивость нуля) — так назы-

йаемые флуктуаций, вызываемые рядом физических причин.

В связи с этим прибегают для повышения чувстви­ тельности к некоторым косвенным приемам. Под «уве­ личением чувствительности» в этом случае подразуме­ вается собственно не увеличение чувствительности при­ бора в строгом смысле этого слова, а результирующее увеличение чувствительности системы, состоящей из гальванометра и вспомогательных (например, отсчегных) устройств. В конечном счете мы получаем воз­ можность обнаруживать и измерять более слабые токи и напряжения, чем это способен сделать прибор само­ стоятельно, а это в сущности нам и требуется.

Подобные дополнительные методы, исключая само­ стоятельную группу электронных приборов, представ­ ляющих собой, совокупность некоторой усилительной схемы и сравнительно грубого магнитоэлектрического измерителя, могут быть в основном разбиты на четыре группы:

1. Методы и устройства, увеличивающие разрешаю­

с помощью электрических устройств (чаще всего фото- и термоэлектрических). Характерной особенностью ме­ тодов второй группы является наличие второго гальва­ нометра и отсутствие обратной связи.

3.Методы, служащие для искусственного увеличе­ ния угла отклонения рамки при малом токе, основной идеей которых является использование в той или иной форме положительной обратной связи, благодаря кото­ рой увеличивается отклонение гальванометра.

4.Методы электрического усиления тока гальвано­ метра (обычно фотоэлектрические), использующие прин­ цип компенсации (т. е. схемы с отрицательной обрат­

ной связью).

Устройства, относящиеся к первым двум группам, относительно просты, но работают обычно в узком диа­ пазоне измеряемых величин, т. е. при весьма малых углах поворота рамки первичного гальванометра. Одна­ ко, так как нас сейчас интересует работа гальваномет­ ра только в режиме нулевого указателя, то малые пре­ делы отклонения рамки в этом случае роли не играют,

и подобные устройства могут быть использованы' в пер­ вую очередь именно как указатели нуля тока или на­ пряжения

Последние две группы устройств (с использованием обратной связи) могут, вообще говоря, дать лучшие результаты в более широком диапазоне измеряемых ве­ личин (например, выпускаемые нашей промышлен­ ностью фотокомпенсационные усилители). Но эти при­ боры значительно сложнее, дороже и их применение

вкачестве нулевых указателей вряд ли целесообразно

иоправдано. Поэтому рассматривать их мы не будем, ограничившись кратким обзором принципов действия устройств, относящихся к первым двум группам.

Широкое применение зеркального отсчета в совре­ менной гальванометрии, естественно, предрасполагает к попыткам увеличить чувствительность путем повыше­ ния разрешающей способности оптических приспособ­ лений и устройств. Нормальный метод зеркального от­ счета, предложенный еще в 1826 г., был неоднократно усовершенствован при помощи специальных оптических систем — у м н о ж и т е л е й , увеличивающих конечный угол отклонения светового указателя при неизменном угле поворота рамки. Наиболее простое решение этой задачи базируется на использовании принципа много­ кратного отражения от двух непараллельных зеркал. Нетрудно видеть, что конечный угол отклонения будет прямо пропорционален числу отражений. Подобный ме­ тод иногда применяется, но обычно число отражений из-за большого поглощения светового потока при этом невелико, а, следовательно, и выигрыш в чувствитель­ ности незначителен.

Вообще можно предложить различные варианты оптических систем с углом выхода, меняющимся во мно­ го раз больше, чем угол входа, но с однократным отра­ жением. Наиболее эффективный, вероятно, принцип со­ здания подобных оптических умножителей заключается в использовании отражения от криволинейного (в ча­ стности, цилиндрического) неподвижного вспомогатель­ ного зеркала. Принципиальная схема (ход лучей) тако-1

1 Следует все же оговориться, что существуют приборы, отно­ сящиеся ко второй группе и предназначенные для прямых измере­ ний малых токов и напряжений, например фотоэлектрооптлческИе усилители (ФЭОУ) (проф. Б. П. Козырева.

го умножителя изображена на рис. 3:3. Луч света, от­ раженный от зеркала гальванометра, падает на вспо­ могательное цилиндрическое зеркало радиуса г, нахо­ дящееся на расстоянии /? от гальванометра, и отра­ жается от него под некоторым начальным углом 0.

Угол между касательной в точке падения луча на цилиндрическое зеркало и самим лучом обозначим че­ рез ср. После поворота падающего луча на угол Да отраженный луч повернется на ДО, причем ДО > Да Таким образом, при помощи подобного устройства лег­ ко получить кажущееся увеличение угла поворота зеркала гальванометра в несколько сотен раз. Напри­ мер, при /? = 100 см, г —1 см, ф=450, а также учитывая, что а=2ао> где а0 — угол поворота зеркала гальваномет­ ра, получим, что

Д0 = 8ООао.

Главным недостатком систем подобного рода являет­ ся отсутствие прямой пропорциональности между Д О и Д а о , что, однако, не играет никакой роли для нулевых указателей. Разными авторами был предложен еще ряд иных методов увеличения чувствительности зер­

световой зайчик, падающий на зеркало гальванометра, включенного в измерительную цепь, отражается и 'п а­ дает на какой-нибудь чувствительный элемент.

В зависимости от угла поворота зеркала первичного прибора меняется ток, созданный этим элементом, а, следовательно, и отклонение подключенного к нему вторичного гальванометра, причем в значительно боль­ шей степени, чем у первичного прибора. Такова общая принципиальная схема устройств подобного рода; раз­ ница заключается только в характере чувствительного

элемента (обычно это какое-либо дифференциальное устройство) и в связанных с этим деталях схемы, глав­ ным образом в ее оптической части.

Устройство подобного рода, использующее в каче­ стве чувствительного элемента дифференциальный тер­ моэлемент, описано еще в 1925 г. Если пучок света па­ дает на дифференциальный термоэлемент совершенно симметрично, так что оба спая нагреваются1 вполне одинаково, результирующая термо-э. д. с. равна нулю. Если луч немного сместится, следствием этого будет нарушение симметрии в нагревании спаев. Следователь­ но, их термо-э. д. с. уже не будут равны, и разность их отлична от нуля. Во внешней цепи, на которую замкнут термоэлемент, будет проходить ток, величина которого зависит от степени асимметрии в нагревании, а направ­ ление— от того, в какую сторону передвинулся луч, отраженный от зеркала первичного гальванометра. Этот результирующий термоток измеряется при помощи вто­ ричного гальванометра, показания которого довольно точно пропорциональны ('по величине и направлению) показаниям первичного, но при достаточной чувстви­ тельности термоэлемента и вторичного прибора эти по­ казания превышают показания первичного гальваномет­ ра во много раз. При помощи подобного устройства можно получить усиление порядка ста раз.

Используя подобный терморадиационный принцип, можно осуществить сравнительно грубый, переносный указатель, например, на растяжках и со стрелкой, но обладающий в то же время достаточной чувствитель­ ностью. В этом случае на стрелку первичного гальвано­ метра наматывается вспомогательный нагреватель из тонкого нихрома, питаемый через безмоментные подвод­ ки электрическим током. Перемещение стрелки, а следо­ вательно, и нагревателя относительно дифференциаль­ ной термобатареи вызывают появление термотока, изме­ ряемого вторичным гальванометром, чаще всего тоже стрелочным.

На описанном принципе работает весьма удачно сконструированный указатель нуля типа Т-316 (термо­

1 В данном случае для нагревания термоспаев используется тепловая энергия светового луча; очевидно, что эта энергия весьма мала, и термоэлементы, следовательно, должны быть очень чувст­ вительны.

радиационный гальванометр), являющийся конструк­ тивным узлом переносного моста Р316 (см. § 5-6). При­ меняемая в этом приборе последовательно-параллель­ ная дифференциальная термобатарея из 80 горячих спаев обеспечивает усиление порядка 100 раз, в резуль­ тате чего общая постоянная прибора получается поряд­ ка 5 • 10—8 а!дел.

Подобные термоэлектрические усилители достаточно просты и удобны, но, к сожалению, основным недостат­ ком их является заметная тепловая инерция, -благодаря чему даже короткопериодиый прибор Т-316 имеет время установки стрелки вторичного гальванометра порядка

ные вакуумные термоэлементы из очень тонких прово­ лок, что, однако, сильно усложняет все устройство, тре­ буя специальной дифференциальной оптической си­ стемы.

Следует заметить, что как бы ни усовершенствовали термоэлементы, целиком освободиться от свойственной им заметной тепловой инерции невозможно. Так как во многих случаях измерительной практики это обстоятель­ ство является существенным, желательно иметь возмож­ ность построить подобную установку с малой инерцией. Наиболее радикальным решением вопроса в этом слу­ чае является применение фотоэлементовУстройство таких указателей, очевидно, повторяет только что опи­ санное с заменой дифференциальных термоэлементов на соответствующие фотоэлементы.

Разумеется, применять можно любую конструкцию фотоэлемента, но вентильные фотоэлементы имеют большие преимущества перед электровакуумными. Пер­ вые гораздо проще выполнить конструктивно в виде дифференциального реле, и. они не требуют вспомога­ тельных источников питания. То, что вентильные фото­ элементы плохо работают в комбинации с усилителем, не имеет существенного значения, ибо даваемый ими1

1 В .последнее время для обнаружения малых отклонений ука­ зателей измерительных приборов стали применяться радиоактивные изотопы — путем нанесения излучающей метки на стрелку с диффе­ ренциальным измерением излучения. Однако такие устройства до­ статочно сложны; можно (сильно сомневаться в целесообразности их применения.