История электротехники - Коллектив авторов

Один из первых патентов на ферродинамический прибор был получен в 1909 г. М.О. Доливо-Добровольским (Россия).

В последующие годы XX в. ферродинамические приборы получили широкое распространение в качестве щитовых и регистрирующих.

С появлением первых электростанций возникла потребность в счетчиках электрической энергии. В качестве одного из первых счетчиков электроэнергии постоянного тока Т. Эдисон использовал вольтаметр, предложенный еще М. Фарадеем для измерения количества электричества. В этом приборе 0,001-я часть измеряемого электрического тока пропускалась через раствор азотно-кислого серебра. Ежемесячно приходилось измерять приращение массы катода, по которому рассчитывали расход электроэнергии.

Через несколько лет в Европе и США были изобретены более совершенные динамометрические и магнитомоторные счетчики постоянного тока, а также индукционные переменного тока (счетчики Арона, Бореля, Томсона, Ферранти, Шалленбергера и др.).

Создание последних стало возможным после того, как в 1888 г. Г. Феррарису и Н. Тесла независимо друг от друга удалось получить вращающееся магнитное поле. Трехфазные счетчики строились на основе однофазных в соответствии со схемами измерения энергии в трехфазных цепях.

Идея вращающегося магнитного поля лежала также в основе создания «приборов Феррариса» — индукционных ваттметров, амперметров, вольтметров и других средств измерений. Вращающий момент в них пропорционален измеряемой величине, а противодействующий — углу поворота подвижной части, как в обычных стрелочных приборах. Оригинальные индукционные приборы — фазометр и измеритель реактивной мощности — одним из первых разработал и внедрил в фирме АЕГ М.О. Доливо-Добровольский, запатентовавший эти приборы в 1892 г. В конце прошлого века фирма АЕГ приступила к серийному производству стрелочных индукционных приборов различного назначения.

В 20-е годы XX в. индукционные приборы начали постепенно вытесняться электромеханическими приборами других систем; в настоящее время сохранились лишь индукционные счетчики электроэнергии.

Бурно развивающаяся электроизмерительная техника требовала соответствующего метрологического обеспечения. Первые попытки создания мер электрических величин относятся к середине XIX в. Ученые разных стран начали создавать свои меры, принимаемые ими в качестве эталонов, а затем производили измерения в единицах, воспроизводимых этими мерами.

Так, например, во Франции эталоном единицы сопротивления служила железная проволока диаметром 4 мм и длиной 1 км (единица Бреге). В России Б.С. Якоби предложил сделать аналогичный эталон из медной проволоки, а в Германии таким эталоном являлся столб ртути длиной 1 м и сечением 1 мм.

К 1881 г. насчитывалось 15 различных единиц сопротивления, 8 единиц ЭДС и 5 единиц тока. Естественно, что такое многообразие крайне затрудняло сопоставление результатов измерений. Требовалось введение общепринятых международных единиц измерения электрических и магнитных величин.

В 1881 г. в Париже собрался 1-й Международный электротехнический конгресс. Он принял две системы единиц: электростатическую (СГСЭ) и электромагнитную (СГСМ), которые ранее были разработаны и приняты в 1862 г. Британской ассоциацией развития наук. При этом в дополнение к уже принятым Британской ассоциацией практическим единицам — ому, вольту и фараде — конгресс ввел еще ампер и кулон. На 2-м конгрессе в 1889 г. в список практических единиц были включены еще три: джоуль, ватт и квадрант (позже последней единице было присвоено наименование «Генри»).

На 3-м Международном электротехническом конгрессе (Чикаго, 1893 г.) были приняты спецификации для создания эталонов ома и ампера, которым было суждено на многие годы стать основой унификации электрических измерений. Конгресс постановил, что ом следует воспроизводить при температуре таяния льда с помощью столба ртути длиной 106,3 см и массой 14,4521 г, а ампер — с помощью вольтаметра, в котором из раствора азотно-кислого серебра должно выделяться серебро со скоростью 1,118 мг/с. Эти единицы были названы международными в отличие от абсолютных, теоретических единиц, принятых ранее.

Вслед за омом и ампером появились международные вольт, кулон, ватт, джоуль и др. В 1908 г. определения международных ома и ампера были уточнены Лондонской международной конференцией в связи с возрастающими требованиями к точности: длина ртутного столба была принята равной 106,300 см, а скорость выделения серебра — 1,11800 мг/с. В таком виде определения единиц электрических и магнитных величин действовали до 1 января 1948 г., когда был сделан переход от международных единиц к абсолютным.

Для технических измерений и поверки электроизмерительных приборов непосредственно использовались не эталоны, а периодически сличаемые с ними и между собой образцовые и рабочие меры: прецизионные источники ЭДС — нормальные элементы, измерительные катушки сопротивления четырехзажимной конструкции с сопротивлениями 0,0001 Ом и более, магазины сопротивлений, катушки индуктивности и взаимной индуктивности, измерительные конденсаторы, магазины емкостей и т.д. Для расширения диапазонов измерений были разработаны делители напряжения, шунты, добавочные сопротивления, измерительные преобразователи тока и напряжения.

Эти средства измерений начали создаваться в конце XIX в. В 1872 г. появился нормальный элемент Кларка, а в 1893 г. — более точный элемент Вестона, погрешность которого не превосходила 0,001%. Американский ученый Э. Вес-тон предложил также в 1885 г. медно-марганцевый сплав с высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом — родоначальник манганина, до сих пор используемого для производства образцовых мер сопротивления и делителей напряжения.

Разработка прецизионных источников ЭДС, резисторов и делителей напряжения позволила приступить с начала XX в. к выпуску в качестве самостоятельных изделий компенсаторов постоянного тока, которые стали широко использоваться для поверки вольтметров, амперметров и ваттметров, а также для измерений ЭДС, токов, сопротивлений и функционально связанных с ними неэлектрических величин. Компенсаторы переменного тока с вибрационными гальванометрами в качестве нуль-индикаторов появились в 20-е годы XX в.

В те же годы начали выпускаться мосты постоянного и переменного тока для точного измерения параметров электрических цепей. Позже идеи компенсационного метода измерения напряжения, а также мостовые схемы легли в основу создания ряда аналоговых и цифровых приборов с автоматическим уравновешиванием.

Первые измерительные трансформаторы, появившиеся в самом начале XX в., удовлетворяли весьма скромным техническим требованиям и должны были градуироваться вместе с соответствующими приборами на рабочей частоте. Однако уже в 20-е годы это были вполне современные средства измерений разнообразных конструкций. Трансформаторы тока изготавливались на токи до 50 кА при рабочем напряжении до 250 кВ; трансформаторы напряжения выпускались на напряжения до 100 кВ.

С конца XIX в. началось бурное развитие самопишущих приборов, предназначенных для измерения и записи медленно изменяющихся величин: тока, напряжения, мощности, частоты, угла сдвига фаз, а также неэлектрических величин: температуры, давления и др. Первые самопишущие приборы использовали магнитоэлектрический измерительный механизм. Однако вскоре в них стали применяться, кроме того, ферродинамические, индукционные и электромагнитные механизмы, а также компенсационные и мостовые измерительные схемы.

В 20-е годы самопишущие приборы в конструктивном отношении были доведены до высокой степени совершенства. Например, при записи пером и чернилами использовались капиллярные перья с отверстием 0,07 мм, позволяющие при расходе 0,5 г чернил сделать линию длиной 300 м. Использовалась также точечная регистрация с помощью цветных лент (до шести различных красящих лент в многоканальных приборах). Применялись также искровые, световые и другие способы записи. Чаще всего запись осуществлялась на протягиваемую перфорированную бумажную ленту с полезной шириной от 60 до 250 мм.

В многоканальных самопишущих приборах использовалось либо несколько измерительных механизмов, либо один механизм с механическим коммутатором каналов; применялась также комбинация этих способов. Например, фирма «Гартман и Браун» выпускала прибор с двумя стоящими рядом измерительными механизмами, который писал 12 точечных кривых.

Та же фирма выпускала мультитермограф — прибор для записи температур в нескольких местах (рис. 12.3). Этот прибор был шестиканальным, в нем использовалось шесть различных цветных красящих лент. Одновременно с переключением красящих лент происходило переключение подвижной катушки магнитоэлектрического механизма на очередное измерительное устройство. В приборе использовалась точечная запись. Все шесть каналов опрашивались циклически за 108 с (18 с на канал).