книги из ГПНТБ / Илюкович А.М. Измерительные усилители малых токов с логарифмической характеристикой

фузионных транзисторов с проводимостью типа р-п-р (КТ349, КТ350 и др.), что дает возможность построения двухполярных логарифмических усилителен на отечест­ венных элементах. Однако логарифмические характери­ стики названных транзисторов пока не исследованы.

В общем случае калибровку передаточной характери­ стики двухполярного логарифмического измерительного усилителя необходимо производить отдельно на каждой полярности, поскольку по смещению и крутизне характе­ ристики применяемые ЛЭ могут отличаться друг от друга. Функциональная схема усилителя с регулировкой по смещению и крутизне в цепи каждого ЛЭ приведена на рнс. 24,г.

Электровакуумные ЛЭ в триодном п пентодном вклю­ чениях не позволяют осуществить измерение двухполяр­ ных токов, поскольку катод лампы соединен с общим зажимом входа и выхода н в связи с этим не может быть включен в высокоомную цепь.

Логарифмическая характеристика электровакуумных ЛЭ не имеет нулевой точки, т. е. нулевому значению то­ ка через ЛЭ соответствует определенное, отличное от нуля значение напряжения на ЛЭ. Характеристики по­ лупроводниковых ЛЭ имеют нулевую точку, т. е. нуле­ вому значению тока соответствует нулевое (точнее близкое к нулю) значение напряжения, однако характе­ ристика в области нуля значительно отличается от лога,- рифмической. Это вызывает необходимость ограничения динамического диапазона измерительного усилителя определенным значением минимального тока. При умень­ шении тока динамическое сопротивление ЛЭ увеличи­ вается, а измерительный усилитель выходит за пределы рабочего участка характеристики. При этом возникают перегрузки как в схеме усилителя, так и в измерителе выходного напряжения. Кроме того, значительно увели­ чивается время установления показаний при подаче измеряемого тока, поскольку динамическое сопротивле­ ние ЛЭ (а, следовательно, и постоянная времени) в об­ ласти нулевых значений токаможет быть очень боль­ шим.

Для устранения этого недостатка в некоторых случа­ ях целесообразно использовать усилители с так называе­ мыми псевдологарифмическими характеристиками. Такие характеристики получаются при подаче на вход прибора (от отдельного источника) тока со значением, равным

60

значению минимального тока динамического диапазона усилителя [Л. 82]. Псевдологарнфмическая .характеристи­ ка описывается выражением

^ВЫХ= A o + A i lg(/+/o) + А(/+/о),

где / — измеряемый ток; / 0 — ток встроенного источника. Псевдологарнфмическая характеристика близка к ло­ гарифмической зависимости только при условии / » / 0; усилитель с такой характеристикой имеет повышенное значение погрешности в области минимальных токов ди­ намического диапазона, обусловленных неточностью установления тока / 0. Применение такого усилителя в качестве функционального преобразователя ограниче­

конструктивными трудностями. В связи с этим усилители с псевдологарифмическими характеристиками не нашли широкого применения.

Г Л А В А Ч Е Т В Е Р Т А Я

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА НА ОСНОВЕ ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

ИМЕТОДЫ ЕЕ ПОВЕРКИ

12. Логарифмические измерители малых токов

ибольших сопротивлений

Логарифмические измерители малых постоянных то­ ков широко применяются как самостоятельные измери­ тельные приборы, а также используются в виде основ­ ных узлов различной электрометрической аппаратуры.

По сути дела логарифмический измеритель малых токов представляет собой логарифмический измеритель­ ный усилитель, выходное напряжение которого изме­ ряется встроенным прибором, градуированным в еди­ ницах тока. Основные параметры измерителя (пределы измерения, погрешность измерения, температурная по­ грешность, дрейф показаний, время установления пока­ заний) определяются свойствами логарифмического из­ мерительного усилителя и измерителя выходного напря­ жения.

61

Пределы измерения тока с нормированной погреш­ ностью зависят от динамического диапазона и погреш­ ности логарифмического измерительного усилителя, а также от предела измерения и погрешности измерителя выходного напряжения. Рассмотрим вопрос о влиянии названных погрешностей на общую погрешность измери­ теля тока более подробно.

Погрешность логарифмического измерителя малых токов зависит от погрешности калибровки передаточной характеристики логарифмического измерительного уси­ лителя и погрешности измерения выходного напряжения и равна

где у — приведенная погрешность измерителя выходного напряжения; а — число декад динамического диапазона логарифмического измерительного усилителя, то выра­ жение (18) примет вид

Анализируя последнее выражение, приходим к вы­ воду, что для реальных измерителен, в которых приме­ няются стрелочные приборы с у ^0,5% , вторая состав­ ляющая погрешности может принимать довольно боль­ шие значения, особенно в шнрокодиапазонных измери­ телях. Снижение погрешности измерения тока может быть достигнуто за счет применения высокоточных изме­ рителей выходного напряжения (потенциометров, циф­ ровых вольтметров), однако при этом значительно усложняются конструкция прибора и процесс измерения. Одним из достаточно простых и эффективных решений является применение в целях снижения погрешности из­ мерения выходного напряжения дифференциального из­ мерителя с суженным на время отсчета пределом изме­ рения (рис. 25). Измеритель выходного напряжения

62

в этой схеме содержит стрелочный прибор И, два доба­ вочных резистора Ri и Rz, источники напряжения Ui—Un

ипереключатель Пр. В режиме широкодиапазонного из­ мерения переключатель находится в верхнем положении

ипределы измерения напряжения определяются суммой

сопротивлений резисторов Ri и Rz- Перед отсчетом изме­ ряемого значения тока переключатель переводится в од­ но из нижних положений. При этом в цепь прибора И включаются только одни добавочный резистор Rz и со­ ответствующий источник напряжения, так что пределы

Рис. 25. Принципиальная схема логарифмического измерителя тока с дифференциальным измерите­ лем выходного напряжения.

измерения напряжения определяются напряжением ис­ точника и сопротивлением резистора R%. Выбрав соот­ ветствующим образом значения напряжений и i— Un и сопротивления резистора Rz, можно перекрыть весь диа­ пазон выходных напряжений усилителя с достаточной дискретностью. В этом случае п в выражении (19) уменьшается пропорционально числу поддиапазонов из­ мерения напряжения, обеспечивая значительное умень­ шение погрешности измерения тока. На практике удоб­ но уменьшать п до одной декады тока. В этом случае погрешность измерения тока при погрешности калибров­ ки 0,8—2,2% и классе стрелочного прибора 0,5— 1,5% (см. пример в гл. 3) составит:

8/ = У (8/к)2 + (yin 10)2 = 1,5-*- 4°/0.

Поскольку погрешность калибровки не превосходит значений, соответствующих крайним точкам диапазона токов, а приведенная погрешность стрелочного прибора постоянна, относительная погрешность измерения тока логарифмическим измерителем во всем диапазоне не превышает определенного значения (в отличие от линей-

63

она существенно искажает результаты сравнения погреш­ ностей логарифмической аппаратуры с погрешностями приборов других типов. К сожалению, подобные оценки погрешности распространены чрезвычайно широко и в зарубежной, и в отечественной литературе.

Наряду с логарифмическими измерителями малых то­ ков получили довольно широкое применение логарифми­ ческие измерители больших сопротивлений (логарифми­ ческие тераомметры).

Логарифмический тераомметр состоит из логарифми­ ческого измерителя малых токов и источника испыта­ тельных напряжений (рис.

26), причем шкала прибора имеет градуировку в едини­ цах сопротивления, т. е. об­ ратна шкале логарифмиче­ ского' измерителя тока.

Все соображения, выска­ занные по поводу логариф­ мических измерителей ма­ лых токов, справедливы и в этом случае. Следует от­ метить только, что в тераом­

метрах весьма целесообразно применение измерителей тока с возможно меньшим входным сопротивлением (на­ пример, с включением ЛЭ в цепь обратной связи ЭМУ).

Относительная погрешность измерения сопротивле­ ния логарифмическим тераомметром определяется вы­ ражением

s b / w T W i

где б(Уи— относительная погрешность источника опорно­ го напряжения; б/ — относительная погрешность измере­ ния тока логарифмическим измерителем, входящим в со­ став тераомметра.

Поскольку 8 U„, как правило, не зависит от измеряе­

мого сопротивления, а б/ логарифмического измерителя тока постоянна во всем диапазоне измеряемых токов, погрешность измерения сопротивления логарифмическим тераомметром также постоянна. Благодаря этому лога­ рифмические тераомметры более удобны.в эксплуата­ ции, чем линейные, особенно при измерениях сопротив­ лений в широком диапазоне, необходимость в которых возникает во многих случаях.

13.Измерители параметров атомных реакторов

Ватомной энергетике логарифмические измеритель­ ные усилители малых токов находят широкое примене­ ние в измерителях мощности и периода атомного реак­ тора [Л. 15].

так что в данном случае справедливы все положения, сформулированные по поводу логарифмических измери­ телей малых токов. В измерителях мощности следует обращать серьезное внимание на быстродействие, по­ скольку скорость изменения мощности может быть до­ статочно высокой.

По аналогичной схеме (ионизационная камера — ло­ гарифмический измеритель малых токов) выполняются измерители интенсивности ионизирующих излучений.

При измерении периода атомного реактора (времени, за которое мощность реактора возрастает в е раз) лога­ рифмический усилитель малых токов работает совмест­ но с дифференцирующей цепью (как правило, дифферен­ цирующим усилителем).

Мощность реактора в любой момент времени разгона определяется выражением

где Ро — мощность реактора в начальный момент; тр — период реактора; t — время разгона.

Конкретный реактор имеет вполне определенное опти­ мальное значение периода. При больших значениях пе­ риода реактора увеличивается время разгона до номи­ нальной мощности, что невыгодно по экономическим со­ ображениям, при меньших — скорость подъема мощности слишком велика, что может привести к аварии. Для регулирования периода реактора в процессе запуска и автоматического отключения его -при возникновении ава­ рийной ситуации применяются измерители периода (или, как их иначе называют, периодметры), выполненные на основе логарифмических измерительных усилителей

(рис. 27).

Ток ионизационной камеры ИК, пропорциональный количеству свободных нейтронов, или мощности реакто-

66

ра, измеряется логарифмическим измерительным усили­

Отсюда следует, что выходное напряжение дифферен­ цирующей цепи обратно пропорционально периоду атом­ ного реактора.

Дифференцирование выходного напряжения логариф­ мического измерительного усилителя осуществляется обычно дифференцирующим усилителем (УПТ, С, R).

Рис. 27. Принципиальная схема измерителя мощности и пе­ риода атомного реактора.

Измерительный прибор Иi дает отсчет логарифма числа свободных нейтронов, т. е. логарифма мощности реакто­ ра, измерительный прибор Иг — отсчет периода реакто­ ра тр. С выхода логарифмического измерительного уси­ лителя сигнал может быть подан в систему регулирова­ ния мощности реактора, с выхода дифференцирующего

нений значительно меньше скорости изменения мощности реактора, не влияют на показания измерителя периода, однако совмещение в одном приборе измерителя мощ­ ности и измерителя периода требует обеспечения ста­ бильности (или своевременной коррекции) и смещения,

и крутизны характеристики. В схеме на рис. 27 эта кор­ рекция осуществляется регулировкой источника напря­ жения U (по Ло) и потенциометра R? (по Ai), т. е. ка­ либровкой передаточной характеристики логарифмиче­ ского измерительного усилителя.

В измерителе периода затруднено внесение поправок на нелинейность характеристики логарифмического уси­ лителя, в связи с чем она должна быть минимальной. По остальным требованиям — временной и температурной нестабильности, влиянию питающих напряжений и т. п.— усилители для контроля параметров атомных реакторов идентичны усилителям измерителей малых токов.

14. Измерители отношений двух токов

Логарифмическое преобразование тока в схеме лога­ рифмического измерительного усилителя дает возмож­ ность построения измерителей отношений двух малых

токов, пропорциональных каким-либо физическим пара­ метрам исследуемых объектов.

Принципиально возможны два метода построения таких измерителей: с двухкапальным логарифмическим усилителем (рис. 28,а) и с коммутируемыми входом и выходом одноканального логарифмического усилителя

(рис. 28,6).

68

В первой схеме токи Я и h, отношение которых изме­ ряется, подаются на входы идентичных логарифмиче­ ских измерительных усилителей, состоящих из электро­ метрических усилителей 1ЭМУ и 2ЭМУ и логарифми­ рующих элементов 1ЛЭ и 2ЛЭ. Выходной измеритель­ ный прибор Я измеряет разность напряжений на выхо­

т. е. пропорциональны логарифму отношения токов и не зависят от значений смещения передаточных характери­ стик каждого логарифмического усилителя. Однако на практике добиться полной идентичности каналов трудно; к тому же такая схема сложна в настройке п кали­ бровке.

Эти недостатки устраняются во второй схеме (рис. 28,6), в которой измеряемые токи подаются пооче­ редно на вход одного и того же логарифмического из­ мерительного усилителя, причем одновременно с комму­ тацией входных токов контактами Ki осуществляется коммутация выхода усилителя на запоминающие устрой­ ства 13У и 23У, разность напряжений на которых изме­ ряется прибором Я. Очевидно, что работа второй схемы также описывается выражением (21). В этой схеме сме­ щение характеристики (в том случае, если оно неизмен­ но в течение одного цикла переключений) совершенно не влияет на результаты измерения. Однако схема полу­ чается конструктивно более сложной, требует примене­ ния запоминающих устройств и позволяет определять отношения токов только в отдельные интервалы време­ ни, зависящие от периодичности работы контактов Ki и Яг.

По схемам на рис. 28,о, б могут быть выполнены самые разные приборы, например измерители больших сопротивлений с показаниями, не зависящими от испы­ тательного напряжения, измерители коэффициента про­ зрачности оптических сред, ионизационные вакуумметры и т. п. Однако такие приборы не получили пока широ­ кого применения, главным образом из-за сложности схемных решений.

69