История электротехники
Шрифт:
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
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
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).