Файл: Александров В.С. Электронные гальванометры постоянного тока.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.07.2024
Просмотров: 131
Скачиваний: 0
В.С.АЛЕКСАНДРОВ, В.А.ПРЯНИШНИКОВ
ЭЛЕКТРОННЫЕ
ГАЛЬВАНОМЕТРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
В.С.АЛЕКСАНДРОВ, В. А.ПРЯНИШНИКОВ
ЭЛЕКТРОННЫЕ
ГАЛЬВАНОМЕТРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
«Э Н Е Р Г И Я»
Ленинградское отделение 1974
I
УДК 621.317.715
S é |
/ |
Poo» публичная |
|
н дун^тсхн;пвс«ая |
|
|
|
сЛ^ ;.йТФКа 0 - ср ' |
n. л - Л ’ X |
' 5S EilfTirf-p |
|
■ ^ Т Д Я ^НЯВРд/^дд.д i |
||
|
В |
книге |
излагаются вопросы |
построения |
приборов |
|
для измерения |
малых постоянных |
токов. Систематизирова |
|||
ны методы построения и расчета |
таких приборов. При |
||||
водятся |
сведения |
по усилителям |
электронных |
гальвано |
|
метров. |
Подробно |
рассмотрены принципы построения и |
практические схемы цифровых электронных гальваномет ров. Большое внимание уделено практическому применению этих приборов.
Книга рассчитана на широкий круг читателей, имею щих дело с проектированием, изготовлением и применением приборов для измерения малых постоянных и медленно меняющихся токов, зарядов, напряжений и больших сопро тивлений, а также на инженерно-технический персонал, работающий в области ядериой физики, химии, медицины и биологии. Она может быть полезна студентам старших курсов вузов, специализирующихся по измерительной тех нике и автоматике.
А 30307-127222-74
051(0І)-74
(6) Издательство «Энергия», 1974
ПРЕДИСЛОВИЕ
Электронными гальванометрами постоянного тока называют приборы, предназначенные для измерения весьма малых постоян ных и медленно изменяющихся токов. Иногда такие приборы на зывают электрометрами и используют для измерения статических зарядов, потенциалов и токов.
Первой отечественной книгой, посвященной электронным галь ванометрам, была монография Б. А. Лопатина [18]. Электронные гальванометры широко используют в ядерной физике, им посвя щены некоторые разделы книг А. А. Санина [33], В. Элмора и М. Сендса [36], А. М. Бонч-Бруевича [3], В. В. Павлова [25] и ряда других книг.
В технике электронные гальванометры применяются для изме рения сопротивления изоляции, токов электронных лучей, в до зиметрии и для многих других целей. В биофизике они ис пользуются при измерении биотоков, статических зарядов и потен циалов. Лучшие модели приборов способны измерять токи до
ІО-18 А. Основные характеристики этих приборов находятся на уровне, весьма близком к теоретическому пределу.
ВСССР освоен промышленный выпуск электрометров типов ЭД-05М и ВК2-16. Ведутся работы по созданию интегрирующих
ицифровых гальванометров.
Вкниге рассматриваются принципы построения аналоговых и цифровых гальванометров, приводятся сведения по усилителям тока и напряжения. Большое внимание уделено практическому ис пользованию гальванометров.
Главы 1, |
3, 4 и § 2-1 - 2 - 4 написаны В. |
А. Прянишниковым, |
§ 2-6 — 2-8 |
написаны В. С. Александровым, |
§ 2-5 написан инж. |
Назаряном |
К. X. |
|
Отзывы и замечания, касающиеся книги, просьба направлять |
||
по адресу: 192041, Ленинград, Марсово поле, |
1, Ленинградское от |
|
деление издательства «Энергия». |
|
Авторы
3
В — магнитная индукция
b — реактивная проводимость Ьс — емкостная проводимость
С— емкость
Е— постоянная э. д. с.
е— мгновенное значение э. д. с.
Е— комплексная э. д. с.
F (/со) — спектральная характери
|
стика |
|
функции |
по |
F (р) — изображение |
||||
/ |
Лапласу |
периодической |
||
F — частота |
||||
g, |
функции |
проводимость |
||
G — активная |
||||
Н (р) — операторная |
переходная |
|||
|
функция |
|
функция |
|
h (0 — переходная |
|
|||
|
/ — постоянный |
ток |
|
|
|
1 — комплексный ток |
тока |
||
|
і ~ мгновенное |
значение |
/= / —
К(р) — операторный коэффициент передачи
Кі — коэффициент передачи по
току Кц — коэффициент передачи по
напряжению
k— 1,38-10~23 Дж/К — постоян ная Больцмана
L — индуктивность
N — количество импульсов
Р —• активная мощность
q.О — электрический заряд
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
г. R — активное сопротивление
S— чувствительность; крутизна характеристики
5 — комплексная чувствитель ность
Т— период колебания; темпе ратура
t — время
U — постоянное напряжение U — комплексное напряжение
и— мгновенное значение напря жения
W —• |
энергия |
|
W — число витков |
сопротивление |
|
X — реактивное |
||
Y — комплексная |
проводимость |
|
Y (р) — операторная |
проводимость |
|
у — полная проводимость |
||
Z —• комплексное |
сопротивле |
|
|
ние |
|
2 (р) — операторное сопротивление z — полное сопротивление
ß— коэффициент передачи цепи обратной связи
6 — относительная |
погреш |
ность |
|
Д — абсолютная |
погрешность; |
приращение |
|
в— порог чувствительности
т— постоянная времени
Ф— потенциал; начальная фаза ■ф— начальная фаза со — угловая частота
Г Л А В А П Е Р В А Я
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ГАЛЬВАНОМЕТРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
1-1. Назначение электронных гальванометров
Электронные гальванометры являются приборами, предназна ченными для измерения малых постоянных токов. Благодаря на личию в них электронных усилителей они имеют высокую чувстви тельность; хорошие быстродействие и точность, не боятся толчков, ударов и вибраций.
Малыми постоянными токами в дальнейшем будут называться
токи величиной от ІО-6 А до ICH18 А (т. е. от 1 мкА до 1 аА), частота которых такова, что измеряется или регистрируется мгновенное значение тока. Если частота тока достаточно высокая, то вместо мгновенного значения измеряются действующее или среднее значе ния тока. Такие приборы относятся к гальванометрам переменного тока и в настоящей работе не рассматриваются.
В зависимости от величины предельной чувствительности элек тронные гальванометры делятся на микроамперметры ( ІО-6—ІО-9 А) >
наноамперметры |
(lO- 9 — Ю-12 |
А), пикоамперметры (ІО-12— |
||
ІО-15 А) |
и фемтоамперметры |
(ІО-15— ІО-18 А). Поскольку за |
||
ряд электрона е = |
1,6-ІО-19 Кл, то ток величиной |
ІО-18 А соот |
||
ветствует |
прохождению через |
поперечное сечение |
проводника б |
электронов за время 1 с.
При измерении тока электронные гальванометры включают в цепь последовательно с нагрузкой. Для того чтобы включение прибора не вызывало заметного изменения тока в цепи, его вход ное сопротивление делают по возможности малым.
Электронные гальванометры применяют также для измерения электрических зарядов и напряжений. Определение движущихся
зарядов производится посредством интегрирования тока: |
|
q = ]оi d t . - |
(1-1) |
5
В связи с этим приборы для измерения движущихся зарядов называют интеграторами тока или кулонометрами. Они также мо гут использоваться для измерения среднего тока
/ ер = 41" іО1 ^ dL
Иногда электронные гальванометры применяют для измерения статических зарядов. При этом обычно используют принцип элек тростатической индукции. Если проводник, соединенный со вхо дом гальванометра, вносится в электрическое поле, создаваемое статическим зарядом, то свободные заряды, входящие в структуру проводника, приходят в движение и возникает электрический ток. В случае электростатического поля этот ток весьма кратковреме нен. В результате движения свободных зарядов происходит их пе рераспределение в проводнике таким образом, что на поверхности проводника возникают поверхностные заряды, на одной части по верхности —- положительные, а на другой —■отрицательные. Ве личина индуцированного заряда определяется выражением (1-1).
Измерение напряжений (разности потенциалов) производится или по току в цепи с большим калиброванным сопротивлением г
и - іг
или по заряду на входной емкости прибора
Ы= 7Г.І *(9 dt.
с о
Однако чаще при измерении напряжений изменяют структуру электронного гальванометра таким образом, чтобы увеличить его входное сопротивление и превратить в вольтметр.
1-2. Основные характеристики электронных гальванометров
При проектировании или выборе электронного гальванометра должны быть известны некоторые данные об объекте исследования:
диапазон изменения измеряемого сигнала; внутреннее сопротивление источника сигнала;
полоса частот сигнала или допустимое время измерения; требуемая точность измерения; величины помех постоянного или переменного тока, наложенных
на измеряемый сигнал; форма представления результатов измерения (аналоговая или
цифровая); форма использования или запоминания информации.
Все эти сведения необходимы для определения основных харак теристик электронного гальванометра.
Диапазон изменения измеряемого сигнала определяет предел измерения прибора, т. е. максимальное значение его шкалы. Когда
6
диапазон изменения измеряемого сигнала очень велик, то гальва нометры делают многопредельными. Переключение пределов из мерения может производиться вручную или автоматически. Способ ность приборов работать при сигналах, превышающих предел из мерения, называется их перегрузочной способностью. Современные электронные гальванометры делают многопредельными с числом пределов до двадцати и более, а их перегрузочная способность иногда достигает 300%.
Одной из основных характеристик электронного гальванометра, зависящей от диапазона изменения измеряемого сигнала, является его чувствительность S, под которой подразумевается отношение
приращения выходной величины |
Х 2 к входному току / х: |
|
S |
d X 2 _ |
АЛС |
rf/j |
( 1-2) |
|
|
Д/j |
При этом выходной величиной Х2 могут быть угловое или ли
нейное перемещение указателей, цифровой отсчет, кодовый набор, выходные токи и напряжения и т. д.
Если прибор имеет линейную шкалу, то чувствительность во всем диапазоне измерения остается постоянной (S = const). Если шкала прибора нелинейная, то выходная величина Х2 меняется
не пропорционально входному току / и чувствительность на от
дельных участках диапазона измерения различна. При изменении входного тока во времени чувствительность также оказывается функцией времени: S (t) = dx2 (^/dij (t). Для синусоидального входного тока в установившемся режиме работы прибора вводится комплексная чувствительность
.9= dXt
dl\
Для оценки степени изменения чувствительности по диапазону измерения пользуются безразмерной относительной чувствитель ностью S 0, под которой понимают отношение чувствительности 5 в любой точке диапазона измерения к чувствительности 5 К в конце (или начале) диапазона: S0 = S /S K. Для приборов с линейной шка
лой относительная чувствительность S 0 = 1. |
вклю |
Если на выходе гальванометра с чувствительностью |
|
чено регистрирующее устройство с чувствительностью S2, |
то пол |
ная чувствительность системы определяется формулой 5 |
= S XS 2. |
При работе гальванометра в условиях помех различают чувст вительность его к измеряемому сигналу / 1н и помехам / 1п постоян ного или переменного тока. Так как выходная величина Х 2 =
= f U Іи- 7 1п). то
dX-z — |
dllu+ |
dlln= SlHdIX|1-)- Sindlln, |
II |
|
ö / j n |
7
где S u — d X J d I u — чувствительность гальванометра к полезному сигналу; S ln = д Х 2/дІ1п — чувствительность гальванометра к по мехам.
Величина, обратная чувствительности, С = 1/S, называется постоянной гальванометра и определяет цену деления шкалы при бора. Понятие цены деления широко используется для аналоговых многопредельных приборов. Для цифровых гальванометров цена деления обычно определяется как единица младшего разряда.
Для расширения пределов измерения часто используют логариф мирующие электронные гальванометры, у которых Х.2 = а 1п / х. У таких приборов чувствительность изменяется обратно пропор ционально измеряемому току — S = о/Д, а цена деления увели чивается с ростом тока (С = I Ja).
При использовании электронных гальванометров для измере ния напряжения, заряда или сопротивления соответственно по фор мулам, аналогичным (1-2), определяют чувствительности по напря жению, заряду и сопротивлению:
d X о |
, |
Sq |
dXj |
. „ |
_ |
dX 2 |
5 и |
' |
dqx |
’ |
r |
dr |
|
dUt |
|
|||||
Большое значение имеет также порог чувствительности гальва |
||||||
нометра, определяемый |
как |
минимальное |
значение входного тока |
|||
/ 1М11Н, которое обнаруживается на выходе. |
Иногда это минималь |
ное значение тока связывают с погрешностью нуля прибора. Однако для гальванометров постоянного тока погрешность нуля зависит от дрейфа нулевого уровня и не может отождествляться с порогом чувствительности.
Если для аналоговых приборов порог чувствительности не имеет строго определенного значения, то для цифровых приборов эта ве личина определяется достаточно просто. Порогом чувствительно сти цифровых электронных гальванометров называется минималь ный входной ток / х МИІ!, который вызывает изменение выходной ве личины X, на одну единицу младшего разряда.
Порог чувствительности определяет полный, или динамический
диапазон |
гальванометра |
|
|
|
|
|
д п = |
/імаксі |
(1-3) |
|
|
|
• 1 МИН |
|
гДе f 1 накс — предел |
измерения, |
т. е. максимальное значение тока, |
||
которое |
может быть |
отсчитано |
по шкале |
прибора. |
Полный диапазон гальванометра зависит от его перегрузочной способности. С увеличением перегрузочной способности динамиче ский диапазон прибора возрастает.
Для многопредельных приборов динамический диапазон указы вается или на каждом пределе измерения, или на крайних пределах. У приборов с автоматическим переключением пределов динамиче ский диапазон определяется как отношение максимального изме
8