История электротехники

Другой способ преобразования мощности в напряжение постоянного тока предложил в 1911 г. А. Лотц. Известно, что в индукционном счетчике активной или реактивной энергии частота вращения диска пропорциональна мощности. А. Лотц предложил связать с подвижной частью счетчика генератор постоянного тока; напряжение, создаваемое этим генератором, пропорционально частоте вращения, а следовательно, измеряемой мощности. В 20-х годах подобные телеизмерительные устройства выпускались во Франции и Германии.

Существенным недостатком телеизмерительных устройств с передачей информации постоянным током является влияние изменений сопротивления линии связи на точность измерений. Поиски путей преодоления этого недостатка привели к созданию в 20-х годах импульсных методов телеизмерений.

Одну из первых времяимпульсных систем создала в 1928 г. германская фирма «Телефонверк». В этой системе угол отклонения стрелки любого прибора преобразовывался с помощью специального электромеханического устройства в длительность импульсов, поступающих на самописец. Для передачи информации не требовалось специальной линии связи, а можно было использовать существующие линии, в частности телефонные.

Примерно в то же время германская фирма «Телефункен» построила первую числоимпульсную телеизмерительную систему, предназначенную для передачи показаний счетчиков электроэнергии. Частотно-импульсный метод реализовала в своей системе фирма «Вестингауз» (1924 г.). Для передачи информации фирма использовала существующие телефонные линии, причем передаваемые импульсы тока практически не влияли на качество телефонной связи.

В нашей стране производство электроизмерительной техники начало интенсивно развиваться с 20-х годов XX в. В 10-е годы в России было только два небольших завода электроизмерительных приборов в Санкт-Петербурге (фирм «Гейслер» и «Сименс-Гальске»). На них производилась сборка приборов из импортных деталей. Кроме того, в небольших количествах средства измерений изготавливались в мастерских некоторых университетов и научных учреждений. Более чем на 90% потребности страны в электроизмерительной технике удовлетворялись за счет импорта.

Однако к тому времени наша страна уже располагала научным потенциалом, необходимым для быстрого развития электроприборостроения. Исследования выдающихся физиков А.Г. Столетова и П.Н. Лебедева до сих пор могут служить образцами постановки измерительных экспериментов. А.Г. Столетов представлял Россию на Первом Международном электротехническом конгрессе.

Огромный вклад в развитие метрологии внес Д.И. Менделеев, возглавивший в 1892 г. Главную палату мер и весов в Санкт-Петербурге, где в 1900 г. было организовано специальное отделение для поверки электроизмерительных приборов. Там в 1909 г. А.Н. Георгиевский и М.Ф. Маликов приступили к созданию эталонов ома и вольта.

В начале XX в. отечественными учеными был предложен ряд оригинальных средств измерений электрических величин. Например, в 1909 г. М.А. Шателен и А.А. Чернышев создали один из первых образцов электронно-лучевого осциллографа; в 1910 г. А.А. Чернышев разработал высоковольтные вольтметры и ваттметры.

В середине 20-х годов в Ленинграде на базе заводов «Сименс-Гальске» и «Гейслер» было налажено производство лабораторных и щитовых амперметров и вольтметров магнитоэлектрической и электромагнитной систем, четырехплечих мостов постоянного тока, а также счетчиков электрической энергии. В 1927 г. там же вступил в строй новый завод «Электроприбор», начавший массовое производство электроизмерительных приборов.

С 1929 г. Ленинградский политехнический институт начал подготовку инженеров — специалистов по электроизмерительной технике. Большой вклад в разработку методов проектирования электромеханических измерительных приборов и подготовку инженерных кадров внесли Н.Н. Пономарев и Е.Г. Шрамков.

В 30-х годах во многих городах страны были построены научно-исследовательские институты, конструкторские бюро, заводы по разработке и производству электроизмерительной техники (ЗИП в Краснодаре, «Точэлектроприбор» в Киеве и др.). Со второй половины 30-х годов постепенно начали складываться новые научно-педагогические школы специалистов в области электроизмерительной техники. Становление этих школ тесно связано с именами К.Б. Карандеева, Л.Ф. Куликовского, М.И. Левина, П.П. Орнатского, А.В. Талицкого, А.В. Фремке, P.P. Харченко, В.М. Шляндина и др.

12.3. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Начало качественно нового этапа развития электроизмерительной техники связано, в первую очередь, с зарождением и развитием радиоэлектроники. Проникновение элементной базы и научных идей радиоэлектроники в измерительную технику привело к созданию радиоизмерительных приборов: электронно-лучевых осциллографов, электронных вольтметров, омметров, частотомеров, фазометров и ваттметров, измерительных усилителей и генераторов, анализаторов спектра и т.д. Применение радиоизмерительных приборов позволило резко расширить динамический и частотный диапазоны измерения электрических и магнитных величин, а также создать разнообразные измерительные преобразователи неэлектрических величин в электрические с высокими метрологическими характеристиками.

Первые научные открытия, положившие начало современной осциллографии, были сделаны в конце XIX в. Однако прежде чем осциллограф стал широко распространенным средством измерений, должно было пройти полвека. Нужно было преодолеть массу трудностей, связанных с получением требуемого вакуума, фокусировкой электронного луча и управления им, обеспечением достаточной яркости изображения, построением генераторов развертки, усилителей и т.д.

Одним из первых был построен осциллограф с тлеющим светом, запатентованный в 1904 г. немецким ученым Г. Герке. В нем использовалась стеклянная трубка длиной 275 диаметром 35 мм, заполненная азотом, в которой помещались два электрода длиной по 60 и шириной 10 мм. Было эмпирически установлено, что над электродом, который в данный момент служит катодом, появляется свечение в виде тонкой линии, длина которой пропорциональна мгновенной силе тока. Длина светящегося отрезка при токе 60 мА составляла примерно 50 мм. За счет снижения яркости можно было повышать чувствительность путем уменьшения давления газа в трубке.

Развертка изображения осуществлялась с помощью вращающегося зеркала; частота вращения достигала 200 об/с. Позже были разработаны другие конструкции данного осциллографа с частотным диапазоном до 1 МГц. Однако из-за низкой точности и ряда других серьезных недостатков этот прибор не выдержал конкуренции с катодным осциллографом — будущим аналоговым электронно-лучевым осциллографом.

Первые катодные осциллографы строились на основе трубки Брауна. Электронно-лучевые приборы с термоэлектронными катодами появились существенно позже, в 30-х годах XX в. Для обеспечения развертки в первых электронных осциллографах применялся вращающийся зеркальный барабан или движущаяся фотопленка, как в светолучевых (шлейфовых) осциллографах.

Однако вскоре начали использовать современные методы: развертку с помощью вспомогательного синусоидального или линейно изменяющегося напряжения соответствующей частоты.

Так, в 1924 г. фирма «Вестерн электрик» (США) в своем осциллографе применила в качестве генератора развертки генератор линейно изменяющегося напряжения на основе неоновой лампы с параллельно включенным конденсатором; при этом использовалось электростатическое отклонение луча как по вертикали, так и по горизонтали, как в большинстве современных осциллографов. Линейность развертки с помощью такого генератора оставляла желать лучшего. Позднее было предложено осуществлять заряд конденсатора, включенного параллельно горизонтально отклоняющим пластинам, через источник постоянного тока с высоким выходным сопротивлением, построенный на базе электронной лампы. Эта идея нашла широкое применение в генераторах развертки с высокой линейностью изменения выходного напряжения. Кроме того, в таких генераторах весьма просто решались вопросы синхронизации и осуществлялся режим ждущей развертки.