книги из ГПНТБ / Александров В.С. 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

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.

Авторы

3

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) >

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

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

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

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

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:

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

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

ряемого тока на старшем пределе измерения к порогу чувствитель­ ности на младшем пределе измерения.

Если максимальное Л Макс и минимальное Д мн„ значения из­ меряемого тока определяют с заранее установленными погрешно­

намический диапазон обычно измеряется в дБ.

В некоторых случаях электронные гальванометры характери­ зуются разрешающей способностью R, под которой понимают мак­ симальное число достоверно различимых градаций измерения во всем динамическом диапазоне прибора. Разрешающая способность мно­ гопредельных гальванометров определяется как полное число раз­ личимых градаций по всем не перекрывающим друг друга участкам всех его пределов измерения. Для цифровых электронных гальва­ нометров разрешающая способность равна максимальному числу, которое может быть указано на цифровом индикаторе.

Наиболее важной метрологической характеристикой гальвано­ метров является их погрешность, под которой понимается степень отклонения результатов измерения от действительного значения измеряемого тока. В общем случае

где г'д (t) — действительное значение тока; і (/) — измеренное зна­ чение тока; I (Д — случайная погрешность с нулевым средним зна­ чением; с — постоянная составляющая систематической погреш-

т

ности; 2 a A ( 0 — переменная составляющая систематической

/г=1

погрешности, представленная в виде разложения по линейно неза­ висимым функциям ѲА(t) с весовыми коэффициентами ak.

Разность измеренного и действительного значений тока пред­

многократных измерениях не повторяется. Для большинства при­ боров значения случайной погрешности подчиняются нормальному закону распределения. Если систематическая погрешность отсутст­ вует, то разность измеренного и действительного значений тока определяет случайную погрешность. Так как значение случайной погрешности изменяется от измерения к измерению (или во време­ ни), то на практике пользуются среднеквадратичным значением случайной погрешности

9