История электрических измерений

April 17, 2015 by admin Комментировать »

Электромагнитный телеграф был первым практическим применением электричества, и телеграфисты первые почувствовали необходимость точно измерять электрические явления.

Как сравнить между собой две телеграфные линии? На одном конце линии находится батарея гальванических элементов, на другом телеграфный аппарат. Чем длиннее линия, тем большая батарея нужна, чтобы привести в действие телеграфный аппарат. Но зато чем толще проводники линии, тем меньшей батареи хватает для работы аппарата. Телеграфная линия оказывает сопротивление электрическому току и это сопротивление зависит и от длины линии, и от толщины ее проводников. Электрическое сопротивление — это была первая электрическая величина, которую понадобилось практически измерять.

Измерять можно, лишь сравнивая неизвестную величину с каким-то образцом — эталоном. И вот во всех странах, где только применялся электрический телеграф, стали готовить свои эталоны, образцы или, как говорят теперь, единицы сопротивлений. Всюду предлагалось за единицу брать сопротивление отрезка медной проволоки, только в разных странах устанавливали разную длину и разное сечение этого отрезка. Большое распространение получила единица сопротивления академика Якоби, предложенная им в 1848 г.

Образцовое сопротивление Якоби было выполнено из медной проволоки длиною в 25 футов (7,62 м) и диаметром около 2/3 мм. Точную величину диаметра измерять трудно, и Якоби предложил поэтому узаконить вес образца. Диаметр должен быть таким, чтобы весь отрезок проволоки Бесил 345 гран.

Медная проволока — не очень хороший материал для эталона. Во-первых, электрическое сопротивление меди сильно зависит от температуры. Затем оно зависит от чистоты меди. Различные примеси увеличивают ее электросопротивление. Взамен медного эталона стали предлагаться образцовые сопротивления, сделанные из ртути. Этот металл легче получить химически чистым. Кроме того, при одинаковой длине и сечении сопротивление ртутного проводника в 57 раз больше, нежели сопротивление медного. Поэтому ртутный эталон может быть меньших размеров. Разные ученые предлагали как образцы сопротивлений ртутные столбики разйой длины.

Но измерить сопротивление — это еще не все, что требуется. Разные гальванические элементы будут прогонять через это сопротивление разные токи,. Следовательно, надо еще иметь единицу для измерения электрического напряжения. Долгое время в качестве такой единицы брали один из наиболее распространенных элементов — медно-цинковый элемент.

Все эти единицы были произвольные — такие, как аршин, локоть, и сравнивать измерения, проведенные различными исследователями в разных странах, было очень неудобно.

На первом метре, изготовленном 150 лет назад, был выгравирован гордый девиз: «На все времена, всем народам». И последующий опыт действительно показал, какие огромные удобства несет с собой единая система мер.

По мере развития практической электротехники необходимость установления единообразия измерений становилась все более и более насущной.

Установление единства системы

В 1881 г. в Париже была открыта Международная электротехническая выставка и состоялся Первый международный конгресс электриков, на котором был обсужден вопрос о международных единицах измерений.

В числе делегатов от России на этом конгрессе был А. Г. Столетов.

На этом конгрессе решено было связать электрические единицы с общей системой мер и весов, с системой грамм-метр-секунда.

Чтобы связать электрическую систему измерений с общей системой измерений, надо было сравнить силы электрические и силы тяготения. Для этого были построены специальные весы.

К чашке весов подвешивается одна катушка. Другая катушка, неподвижная, крепится на ящике, в котором стоят весы. Через катушки пропускался электрический ток. Тогда они притягивались одна к другой. Сила притяжения катушек уравновешивалась гирьками, которые клались на другую чашку. Так производились точные эталонные измерения токов. Но весы с чашками — это не самый удобный инструмент для измерений. В наши дни ведь и в торговле весы с чашками все больше вытесняются весами пружинными со стрелкой.

И для электрических измерений силу тока стали уравновешивать маленькой пружинкой — так утвердилась общепринятая теперь конструкция электрического измерительного прибора.

Электрифицированная математика

Сумма сил токов в разветвлении всегда равна току в главной цепи. На основании этого закона можно электрическим путем производить операцию сложения. Токи в ветвях задаются как отдельные слагаемые, а ток, который получится в главной цепи, будет суммой всех этих слагаемых. По этой же схеме производится и вычитание. Задается ток в главной цепи, из него вычитаются токи ответвлений и в последнем из ответвлений остается искомая разность.

Можно также производить операции сложения и вычитания не по току, а по напряжению. Вольтметр будет отмечать сумму и разность задаваемых напряжений.

Существуют суммирующие приборы, в которых складываются не силы токов, а количества импульсов. В измерительной системе есть ряд датчиков и каждый из них вырабатывает импульсы с частотой, пропорциональной измеряемой величине. Чем больше эта величина, тем больше импульсов в секунду посылает датчик. Простыми приспособлениями мож!но получить сумму или разность приходящих от многих датчиков импульсов.

Импульсные системы очень хороши для дальнеизмерения. Сила тока или напряжение могут ослабеть в пути, но число импульсов ни при каком состоянии линии связи не изменится. Bd многих энергосистемах на главном диспетчерском пункте есть прибор, который показывает суммарную нагрузку всей системы. Это суммирующий ваттметр, к нему сходятся импульсы от суммирующих приборов отдельных электростанций.

Умножение и деление

Сила взаимодействия между двумя катушками пропорциональна произведению токов в этих катушках. Электроизмерительный прибор с двумя катушками является умножающим механизмом. Так сконструированы электродинамические ваттметры. По их неподвижной катушке идет ток, потребляемый нагрузкой, а к подвижной катушке подводится напряжение нагрузки. Отклонение подвижной катушки пропорционально произведению тока на напряжение.

Но иногда электрики производят операцию умножения по-иному. Есть приборы с квадратичной зависимостью, т. е. такие, что их отклонение пропорционально квадрату прилагаемой величины. Берут два таких прибора и подводят к одному сумму, а к другому разность тех величин, которые требуется перемножить. Отклонение одного прибора будет квадрат суммы, а другого — квадрат разности. А разность этих квадратов дает величину суммы и разности, пропорциональную произведению.

Квадратичную зависимость можно получить от электростатических, тепловых, ламповых, электродинамических приборов.

Деление одной величины на другую производится в электрических приборах, называемых логометрами. В них устроены две рамки, которые тянут указательную стрелку в, разные стороны. Устанавливающей пружины в этих приборах нет. Положение стрелки на шкале определяется отношением двух величин, подведенных к рамкам, т. е. стрелка показывает частное.

Дифференцирование и интегрирование

Несложно производить электрическим путем и операции высшей математики. Взять производную от какойлибо величины — это определить, как эта величина меняется в каждой данной точке. Если пропустить ток через катушку с малым активным сопротивлением и большой индуктивностью, то напряжение на этой катушке будет пропорционально не силе тока, а изменению во времени силы тока. Катушка производит операцию дифференцирования, берет производную от функции изменения тока. Если сила тока не меняется, то напряжение на катушке равно нулю, как то и следует из определения производной; для постоянной величины она равна нулю. А чем быстрее меняется ток, тем больше напряжение. Если ток через катушку меняется по закону синуса, то напряжение будет меняться, как косинус.

Можно) подать полученный результат на вторую катушку и таким образом получить вторую производную. При желании можно взять третью, четвертую и т. д. Суммирование последовательных значений переменной величины можно производить при помощи конденсатора. Напряжение на конденсаторе пропорционально влитому в него заряду. А заряд — это ток, умноженный на время. Если к конденсатору подвести ток, изменяющийся во времени, то результирующее напряжение на конденсаторе явится суммой всех отдельных значений тока. Конденсатор проинтегрирует кривую изменения силы тока. Кривая изменения напряжения на конденсаторе — это интегральная кривая от кривой изменения силы тока. Получившееся на конденсаторе напряжение можно подать на следующий конденсатор и таким образом повторить операцию интегрирования.

При помощи емкостей и самоиндукций можно интегрировать и дифференцировать процессы, которые совершаются в короткие доли секунды. Для относительно медленно совершающихся процессов применяются и Другие приспособления.

Очень распространенный электроинтегрирующий прибор— это обычный счетчик. Скорость вращения его якоря пропорциональна мощности, которая потребляется в контролируемой счетчиком цепи. А полное число оборотов, которое якорь счетчика сделает за какой-нибудь отрезок времени, пропорционально интегралу от этой мощности по времени за интересующее нас время. Этот интеграл, т. е. потребленную энергию, и показывают цифры за окошечком счетчика.

Разумные машины

Электрические измерительные приборы явились могучими помощниками человеческих органов чувств. Они позволили нам глубже проникнуть в окружающий мир, более тонко и точно познать его сложную структуру.

Электрическими методами удобно измерять и очень маленькие, и очень большие величины. С электронным^ усилителями можно «услышать», как растет трава.

С помощью фотоэлементов и трансформаторов времени можно «увидеть» полет снаряда в канале орудия.

Точность и быстрота измерений все возрастают.

Электрическая же измерительная техника породила новый тип машин, помогающих не только органам чувств, но и мыслительным процессам. Это машины, способные анализировать явления природы, сопоставлять их, находить закономерности, управляющие этими явлениями.

В лабораториях Советского Союза разрабатывают и исследуют все новые электровычислительные машины. С помощью этих машин решаются сложнейшие задачи аэродинамики, баллистики, метеорологии. В несколько минут такая машина выполняет работу, которую группа вычислителей, вооруженных простыми арифмометрами, должна была бы делать много дней.

* *

*

Чем больше работ выполняет машина, чем сложнее эти работы, тем квалифицированнее становится человек, тем больше простора для его высшей интеллектуальной дятельноети в условиях социалистического общества.

Источник: Электричество работает Г.И.Бабат 1950-600M

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты