3-16. Ламповые приборы
Электронная лампа отзывается на очень маленькую мощность, подведенную к ее сетке.
Поэтому с электронными лампами можно строить очень чувствительные приборы — такие, которые берут минимальное количество энергии из измеряемой цепи. Маленькая лампа с короткими выводами точно отзывается на напряжения, меняющиеся с частотой в сотни миллионов герц. Ламповые измерительные приборы дают точные показания вплоть до очень высоких частот.
Но есть недостаток у ламповых приборов — к ним требуются источники питания. Надо накаливать катод электронной лампы. Надо подавать несколько десятков вольт в ее анодную цепь. В самом приборе надо помещать батареи питания или тянуть к прибору вспомогательные провода от общей сети. Благодаря этому ламповый прибор получается более громоздким и дорогим, чем простой рамочный прибор. Но ламповые приборы все совершенствуются, и применение их становится все шире и шире.
Ламповые вольтметры (рис. 3-24) измеряют напряжения от тысячных долей вольта до тысяч и десятков тысяч вольт. Это незаменимый прибор для лабораторных исследований. Нет теперь электротехнических лабораторий без ламповых вольтметров.
Но с электронными лампами могут быть построены и более хитрые приборы. Они могут измерять такие электрические величины, которые другим способом трудно получить.
Можно, например увидеть прямо на экране осциллографа кривую резонанса какой-нибудь исследуемой системы. Можно получить на экране характеристику или даже целое семейство характеристик электронной лампы. Можно измерять искажение — «клирфактор». Получить сразу процентное содержание гармоник. Есть приборы — «каналисты»: они позволяют проследить канал передачи энергии и выяснить все его особенности и дефекты.
Только с лампами могли быть осуществлены генераторы стандартных сигналов ГСС, которые позволяют получать колебания с любой частотой от десятков герц до тысяч мегагерц с высокой точностью по частоте и форме кривой, необходимой для измерений.
Наконец, с лампами выполняются точные измерители времени. Для измерения единичных коротких отрезков времени применяется зарядка конденсатора, и по величине получившегося напряжений судит о количестве времени.
Рис. 3-24. Упрощенная принципиальная схема лампового вольтметра.
Измеряемое напряжение через конденсатор подается на лампу, включенную как однополупериодный выпрямитель. Выпрямленное напряжение попадает на сетку второй лампы и изменяет ее анодный ток. В анодную цепь этой лампы включен миллиамперметр, шкала которого проградуирована в вольтах.
Есть также ламповые стандарты частоты — ламповые часы, в которых вместо маятника колеблется кварцевый кристалл. Они дают точность, недостижимую иными способами. Кварцевый кристалл колеблется с очень высокой частотой — в сотни тысяч герц. Эту частоту понижают, делят ее в нескольких каскадах и в конце концов получают частоту, соответствующую ударам маятника. Кладут карманные часы на доску, микрофон точно записывает их стук, и на ленте получается ход часов, сравненный с эталоном.
3-17. Самописцы
Пульсируют токи и напряжения в электрических цепях. Следом за их изменениями колышутся стрелки измерительных приборов. Склоняясь к зеркальной шкале, поглядывая на рядом лежащие часы, исследователь списывает в назначенное время одно показание за другим.
Рис. 3-25. Записывающая часть регистрирующего прибора.
1 — бумажная лента; 2 — зубчатка, приводимая в действие от часового механизма (сам механизм на рисунке не показан). Она перематывает бумажную ленту с ролика 3 на ролик 4; 5 — ось подвижной части прибора; она поворачивается вместе с рычагом 6, который через шарнирное соединение 8 двигает стрелку 7. Один конец стрелки соединен с роликом 9, который ходит по направляющим плоскостям 10. На другом конце стрелки перо 11, а также указатель 13, который ходит над шкалой 12.
Вот ток возрос, упал. Но, право, как это скучно — точка за точкой отмечать показания. Человек слишком ценен, чтобы его долго занимать такой работой. Только при кратковременных единичных измерениях запись показаний прибора ведет человек. Если же такую запись надо вести длительное время, то эту работу перекладывают на машину, на мертвый бесчувственный механизм.
Самопишущие измерительные приборы — регистрирующие приборы-самописцы, как их сокращенно называют, ведут запись показаний лучше человека. Автоматический прибор не пропустит отсчета, не ошибется, он может фиксировать изменения, происходящие в доли секунды, и вести такую запись дни и месяцы подряд.
Но пишущие приборы (рис. 3-25 и 3-26) значительно сложнее и дороже простых показывающих приборов. А единичные измерения приходится производить значительно чаще, неужели систематическую запись. Простые показывающие приборы выпускаются сотнями тысяч, а самопишущие — в значительно меньшем количестве.
Запись медленно меняющихся процессов — таких, в которых показание от показания может отстоять на несколько секунд или даже минут, ведется на обычной бумаге.
Часовой механизм или маленький электрический двигатель перематывает с рулона на рулон длинную бумажную ленту или поворачивает диск с круглым бумажным листком. К стрелке измерительного прибора приделано перо. Оно наносит на движущуюся бумагу чернильную линию. Иногда само это перо является и чернильницей. Оно имеет вид крохотного чайника, носик которого чертит по бумаге.
Рис. 3-26. Регистрирующий вольтметр со снятым кожухом.
В других конструкциях самопишущих приборов пером служит тонкая трубочка, согнутая в виде буквы П. Одна ножка этого П погружена в баночку медленно сохнущих чернил (с глицерином), другая чертит по бумаге. Трубочка действует как сифон.
Чтобы водить пером по бумаге, нужна мощность, во много раз большая, чем для отклонения легкой стрелки. Конструкция подвижной части самопишущего прибора получается более массивной, грубой и громоздкой, чем у простого показывающего прибора. Такой самопишущий прибор потребляет из измеряемой цепи во много раз большую мощность, чем простой показывающий прибор. Часто такую мощность и неоткуда взять, измерительная цепь слишком маломощна. Иногда ставят специальные усилители между измеряемой цепью и пишущим прибором.
Найдено много способов, чтобы уменьшить мощность, потребную для записи показаний.
Наименьшая работа требуется от измерительной системы при записи лучом света. На подвижном органе измерительного прибора укрепляется зеркальце. Оно отбрасывает луч на светочувствительную пластинку, движущуюся с определенной быстротой, или на фотопленку, которая перематывается с рулона на рулон. Таким путем можно записывать очень слабые токи и напряжения без предварительного усиления.
Но запись лучом света имеет и неудобства. Светочувствительная пластинка или пленка должны находиться в темной камере. Чтобы прочесть запись, ее надо предварительно проявить, зафиксировать, высушить. Это может быть хорошо в лаборатории, но мало удобно для производства, для оперативного контроля и наблюдения.
Иногда в самописцах применяется следящая система. Стрелку с пером водит взад и вперед маленький электродвигатель. Но перо не касается бумаги. Специальный отметчик определяет, в какой момент положение стрелки с пером в точности соответствует измеряемой величине. В этот момент на стрелку опускается дужка, прижимает перо к бумаге, и на бумажной ленте появляется точка.
Такие самописцы с падающей дужкой применяются часто для одновременной записи целой дюжины показаний. В промышленных печах необходимо замерять температуру в разных точках. В каждой такой точке помещается термопара. Концы от всех термопар сходятся к самописцу. Переключатель по очереди присоединяет измерительный орган то к одной, то к другой термопаре.
Рис. 3-27. Суточные графики изменения нагрузки большого металлургического завода.
Кривая изменения нагрузки за каждые сутки наносится на плотный картон и вырезается. Такие картонные шаблоны изготавливаются день за днем. Поставленные один за другим, такие графики за год напоминают горный ландшафт.
Слева — графики активной мощности, справа — графики реактивной мощности.
Перо все время качается взад и вперед, и в каждый момент совпадения его положения с показаниями термопары дужка падает и ставит точку; сначала точку в одной кривой, затем в следующей, и так все кривые подряд. Иногда еще добавляют такой механизм, чтобы цвет точек для разных кривых получался разный; такую запись легче читать.
Существует система записи электрической искрой. К концу стрелки прибора приделывается маленькое острие. Оно движется над бумагой на близком расстоянии, почти касаясь ее. Поэтому потери на трение малы. Время от времени к острию прикладываются импульсы высокого напряжения. Электрическая искра прокалывает бумагу. На ней остается крохотная дырочка. Так дырочка за дырочкой отмечаются показания прибора.
На центральных электростанциях самопишущие приборы непрерывно записывают все изменения нагрузки.
Утро, начало рабочего дня, пущены на полный ход станки. Самописец фиксирует нагрузку.
Наступает обеденный перерыв. Стрелка самописца идет вниз. Нагрузка падает. Вот снова включаются отдельные потребители. Вечер. Миллоны рук тянутся к выключателям, штепселям. Вспыхивают лампочки, шипит еда на сковородках, греются чайники. Часы максимума, часы пик.
Можно нанести график изменения дневной нагрузки энергосистем на плотный картон и вырезать его (рис. 3-27). Так можно вырезать графики день за днем в течение года и, если их все вместе составить в ящик, то получится горный ландшафт с высокими пиками — максимумами нагрузки, с ущельями в часы минимума. Над всем графиком возвышается максимум максиморум — наибольшая из всех нагрузок, нагрузка в декабрьские вечера. Маленькие долинки, плато соответствуют часам неизменной нагрузки. Изучение этой горной страны позволяет делать важные заключения о необходимых резервах мощности, о тарифах на электроэнергию, о мерах, которые необходимы, чтобы сравнять график нагрузки. Лента самопишущего прибора многое говорит и о работе каждого отдельного предприятия. Можно не заходить в цехи, а взглянуть на заводской подстанции на запись показаний амперметра или ваттметра и сразу увидеть, ритмично ли, с равномерной нагрузкой работают цехи или бывают перерывы, когда станки простаивают.
По ленте видно, сразу ли с началом смены идут на полный ход все станки. В этом случае кривая нагрузки круто поднимается вверх. Если же кривая нагрузки идет вверх вяло, медленно, значит и цех раскачивается лениво.
