15.9. САМОПИСЦЫ И ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Для того чтобы измерить ток или напряжение, мы подключаем к электрической цепи электроизмерительные приборы и «снимаем» их показания.

Смотрим на прибор и запоминаем расположение стрелки на шкале. Если измерений много, то лучше показания прибора записать. Теперь представьте себе, что Вам нужно целый день следить за показаниями приборов и записывать цифры в журнал наблюдений. Это очень утомительная и однообразная работа. К концу дня Вы устанете и непременно начнете делать ошибки. Вместо 36,2 А Вы запишите в журнал 32,6 А. Такие ошибки называют грубыми, или промахом. Промах легко обнаружить при обработке результатов измерений. Но усталый и невнимательный экспериментатор может по небрежности сделать небольшую ошибку, неточно взять отсчет со шкалы прибора. Тогда вместо правильного значения 36,2 А в журнале будет записано 36,4 А. Такую ошибку найти очень трудно.

Работа экспериментатора значительно усложняется, если показания приборов изменяются часто. При очень быстрых изменениях тока в цепи снять отсчеты с прибора просто невозможно — стрелка непрерывно перемещается по шкале, ни на секунду не останавливаясь.

Очень давно догадались, как освободить человека от этой утомительной работы. Нужно заставить прибор самостоятельно записывать свои показания. Для этого достаточно на конце стрелки укрепить перо или пишущий стержень, который будет перемещаться по бумажной ленте. Мы получим самопишущий прибор, или просто самописец (рис. 15.15).

Специальный электрический двигатель или часовой механизм перематывает с одного валика на другой длинную бумажную ленту, на которой напечатана сетка — копия шкалы прибора.

К стрелке измерительного прибора прикреплена тонкая трубочка с капиллярным отверстием диаметром всего 0,15-0,25 мм. По этой трубочке из чернильницы поступают специальные чернила, которые оставляют тонкий и четкий след на движущейся ленте. Для того чтобы чернила не засыхали в трубочке, в них добавляют глицерин и сахар. Эти «сладкие» чернила быстро высыхают на бумаге.

Подача чернил происходит за счет атмосферного давления, как в сифоне, когда жидкость переливают из одного сосуда в другой.

При движении пера по бумаге возникает большое трение. Обычный измерительный прибор не сможет работать в качестве самописца. Здесь нужен другой, более мощный механизм.

Рис. 15.15. Схема устройства самопишущего прибора

Увеличение движущей силы прибора приводит к уменьшению его точности. Увеличивается также и собственное потребление прибора. Если это недопустимо, в схему прибора включают усилитель. Тогда самопишущий прибор может измерять и регистрировать очень малые токи и напряжения.

Очень часто самопишущие приборы применяют для измерения температуры в разнообразных печах и других нагревательных устройствах. Тогда они регистрируют ЭДС термопары — спая двух разнородных металлов, которые используют для измерения температуры. Термо-ЭДС весьма невелика, всего несколько милливольт.

Для измерения малых электрических величин применяют следящие самопишущие приборы. В таких самописцах перо перемещается не электроизмерительным прибором, а специальным маленьким двигателем, который «следит» за изменением измеряемого напряжения или тока. Это — самопишущие автоматические потенциометры, очень точные и чувствительные приборы.

Главным недостатком таких приборов является малое быстродействие, поэтому их и применяют для измерения медленных тепловых процессов.

В самописцах применяют также специальные методы записи, при которых трение уменьшается или даже полностью отсутствует.

Существуют, например, приборы со струйной записью. В них чернила нагнетаются в капиллярное перо специальным маленьким насосом и распыляются на бумагу.

Перо не касается бумаги, но находится от нее на небольшом расстоянии, поэтому запись получается достаточно четкой.

В самописцах с печатающим устройством на стрелке вместо пера закрепляется ударный штифт, который перемещается вдоль пишущей ленты. В определенные моменты времени тяжелая металлическая дужка падает на стрелку и печатает точку на бумажной ленте. Запись получается не непрерывная, а точечная.

Разработаны и специальные электрические методы записи. При электроискровой записи бумажная лента помещается между двумя электродами. Одним электродом служит стрелка прибора, другим — металлическая подкладка, по которой скользит лента. Между стрелкой и бумагой оставлен небольшой зазор.

К электродам прикладывается короткий импульс высокого напряжения, который пробивает тонкую бумажную ленту, оставляя в ней маленькую дырочку. Это тоже точечная запись, только точки на бумаге не напечатаны, а проколоты словно тонкой иголкой.

В самых совершенных самопишущих приборах — осциллографах запись ведут световым лучом. Мы уже говорили о световой стрелке гальванометра. Но световая стрелка не только увеличивает чувствительность прибора. Световой луч можно направить на светочувствительную пленку или бумагу, подобную той, которая применяется в фотографии. Перемещаясь по бумаге, луч оставит след, который можно увидеть после проявления. Такой прибор может не только измерять электрический ток, но и регистрировать результаты измерения. Светолучевой осциллограф находит применение для измерения и регистрации переменных токов высокой частоты.

В осциллографе применяют магнитоэлектрические измерительные приборы особой конструкции (рис. 15.16, а). Рамка прибора заменена тоненькой петелькой, сделанной из бронзовой проволочки или ленточки Л.

В средней части петельки укреплено очень маленькое зеркальце — размером меньше одной клеточки миллиметровой бумаги.

Петелька с зеркальцем помещена в поле сильного постоянного магнита. Когда она включена в цепь измеряемого тока, проволочки смещаются в поле магнита в разные стороны, зеркальце поворачивается и луч света, который падает на него, перемещается по бумаге.

Масса петельки и зеркальца очень мала, поэтому зеркальце может точно повторить колебания токов очень высокой частоты. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, такой прибор часто называют вибратором.

На рис. 15.16, б изображена схема магнитоэлектрического осциллографа. От осветительной лампы 1 луч света через диафрагму 2 и призму 3 падает на зеркальце магнитоэлектрического вибратора 4. Луч, отраженный от вибратора, через фокусирующую линзу 5 попадает на светочувствительную бумагу 6 и оставляет на ней точную копию изучаемого процесса.

В осциллографах есть специальная оптическая система для наблюдения периодических процессов перед их регистрацией и для настройки прибора. Есть и другие полезные усовершенствования, которые не показаны на рис. 15.16.

В последние годы стали применять особые самопишущие приборы с записью на магнитную ленту — магнитографы.

По своему принципу действия они напоминают обычный магнитофон.

Измеряемый ток после усиления и преобразования поступает в записывающую магнитную головку, которая намагничивает ферромагнитную пленку пропорционально току. Пленка непрерывно перематывается с одной катушки на другую и проходит мимо воспроизводящей магнитной головки. Магнитное поле намагниченной пленки наводит в обмотке воспроизводящей головки ЭДС, которая после усиления может быть измерена тем или другим способом.

Как видим, такой прибор нельзя назвать самопишущим в полном смысле этого слова, магнитную запись увидеть невозможно. Это скорее запоминающий прибор, который регистрирует величину тока и потом позволяет воспроизвести изменение тока во времени при помощи другого самопишущего прибора.

Магнитографы обладают многими ценными свойствами.

Рис. 15.16. Светолучевой осциллограф: а - магнитоэлектрический вибратор; б — схема регистрации светового луча на фотобумаге

Во-первых, они позволяют записывать и воспроизводить электрические сигналы с разной скоростью, например быстро записывать высокочастотный сигнал, а потом медленно его воспроизводить для подробного анализа.

Во-вторых, полученную запись можно автоматически преобразовать в цифровую форму и ввести в ЭВМ для дальнейшей обработки.

В-третьих, магнитную пленку не нужно проявлять или как-либо дополнительно обрабатывать: если запись стереть, то пленку можно использовать еще раз.

Последнее обстоятельство позволяет сконструировать очень интересный прибор — регистратор аварии.

Магнитная пленка склеивается в кольцо и движется мимо двух магнитных головок — записывающей и стирающей. Головки расположены на таком расстоянии, чтобы пленка двигалась между ними несколько секунд. Если работа электротехнической установки происходит в нормальных условиях, запись токов и напряжений, произведенная записывающей головкой, стирается. При аварии срабатывает защитное реле и отключает стирающую головку.

Запись сохраняется и ее потом можно воспроизвести и расшифровать. Магнитные регистраторы аварий устанавливаются на электростанциях.