Давайте немного отдохнем от погрешностей и сложных определений. Давайте займемся чем-нибудь более интересным и полезным. Например, будем измерять напряжение. Думаете это очень просто и банально? Вы очень сильно заблуждаетесь! Потому что есть множество способов измерения, причем и весьма неожиданных. Да и напряжение бывает разное, прямо скажем.
В сегодняшней статье мы начнем рассматривать методы и методологии измерений. Но не просто так, а с точки зрения построения измерительных приборов. Почему я выбрал именно напряжение? Очень просто, все таки я электронщик, а в электротехнике и электронике измерение напряжения требуется наиболее часто.
Обратите внимание, что в заголовок статьи вынесен вопрос "КАК", а не "ЧЕМ"! Поэтому ответ "вольтметром" (милливольтметром, киловольтметром) будет неверным. Давайте начнем разбираться именно с "КАК".
И да, это тоже метрология!
Из глубины веков
С момента открытия электричества прошло много времени. И сегодня может показаться странным, что когда-то об электричестве почти ничего не знали. Притягивающие к расческе ниточки, встающие дыбом волосы, проскакивающая между предметом и пальцем искра. Занимательно, наглядно, но не более того. Искрой между пальцем и краем металлической чаши поджигали спирт или эфир во время публичных демонстраций физических опытов.
В изучении электричества значительную помощь оказала возможность его получения во время опытов. Электростатические методы, которые дошли до наших дней в виде эбонитовой палочки и кусочка шерстяной ткани и достигли почти совершенства в электрофорной машине
Позже появился и Вольтов столб, что сделало изучения электричества еще более удобным и немного более безопасным
Это положило начало химическим источникам тока, многочисленных батареям и аккумуляторам. Следующий важный шаг был сделан с появлением электромагнитных генераторов (динамо-машин)
И электричество постепенно стало привычным, сталь повсеместно использоваться. Но изучение электричества требует и возможности как измерять связанные с ним параметры. В частности, то самое напряжение.
Давайте начнем с, условно, постоянного напряжения.
Насколько велика искра. Или искровой метод
Первые измерения использовали органолептические методы. То есть, буквально на вкус/запах/ощупь. Помните проверку батареек "на язык"? В первых опытах напряжения было достаточно высокими поэтому между заряженным предметом и пальцами экспериментаторов проскакивали искры. Иногда довольно болезненные. На эти искры обратили внимание и стали использовать их для оценки "количества электричества". Да, это еще не было измерением напряжения, но начало было положено.
Искра может быть охарактеризована двумя основными параметрами. Во первых, длиной искры. Во вторых, силой искры. Это разные параметры! Длина искры характеризует напряжение между электродами. Чем оно выше, тем большее расстояние будет пробито. Но сама искра при этом может быть очень слабой, едва различимой. Потому что сила искры, параметр во многом субъективный, определяется током в искровом разряде. А это уже характеризует количество электричества.
Посмотрите на фото электрофорной машины. У нее есть два металлических шарика, которые и образуют разрядник. Расстояние между шариками, электродами разрядника, можно изменять. Чем оно больше, тем дольше нужно крутить ручку, что бы две лейденские банки (конденсаторы) зарядились до напряжения, способного пробить промежуток между шариками.
Наверняка многие сами пользовались "измерением" напряжения "на искру". Например, при проверке наличия напряжения (и его величины) на свечах зажигания. Некоторые, заставшие ламповые телевизоры, "на искру" проверяли и высокое ускоряющее напряжение на кинескопе. В черно-белых оно обычно было 8-12 кВ, а в цветных доходило до 27 кВ.
С заменой ламп на полупроводники, которое началось с замены высоковольтных кенотронов селеновыми столбами, появились и грозные надписи "запрещено проверять наличие напряжения на искру". Просто полупроводники были гораздо более нежными.
Пробивное напряжение воздуха, к сожалению, зависит от многих факторов. И от химического состава смеси газов (воздух это смесь газов), и от давления, и от влажности, и от формы электродов разрядника. Поэтому о точности измерения высокого напряжения искровым методом говорить не приходится.
Тем не менее, искровые киловольтметры действительно существовали. А в журнале "Радио" даже публиковались статьи о их самостоятельном изготовлении любителями. Кстати, как раз для измерения ускоряющего напряжения кинескопов
По сути, это линейка позволяющая измерить длину искрового промежутка. Электроды разводят на максимальное расстояние и киловольтметр подключают к источнику высокого напряжения, которое нужно измерить. Затем начинают уменьшать расстояние между электродами. Как только в разряднике начинают проскакивать искры, не одиночные, а повторяющиеся, но при этом разряд не должен быть непрерывным, по шкале можно считать длину искрового промежутка и рассчитать напряжение. Часто шкала сразу была градуирована в киловольтах.
Низкая точность и множество влияющих на результат измерения факторов не позволяют искровому методу измерения напряжения стать популярным. С точки зрения метрологии. Но есть и другие причины. Такой метод измерения может вызвать протекание большого тока через разряд, что просто разрушит электроды. Даже сделанные из вольфрама. И может быть опасным для человека. Разряд сильно шунтирует участок цепи (не обязательно источник напряжения), на котором измеряют напряжение. А значит, вносит значительную погрешность в протекающие там процессы. Я рассказывал о влиянии измерительных приборов на исследуемые процессы в статье
Да и измерять можно только высокое напряжение.
Тем не менее, это действительно использовавшийся, иногда и использующийся, метод измерения напряжения. И о нем нельзя было не рассказать.
Их что-то тянет друг к другу. Электростатический метод
Гораздо более точно, и безопаснее, можно измерить высокое напряжение призвав на помощь закон Кулона. Думаю, все помнят опыты из школьного курса физики, когда два висящих на нитях шарика, будучи заряженными, притягиваются или отталкиваются. И все знают, как выглядит электроскоп.
По изменению расстояния между шариками или лепестками электроскопа можно оценить силу взаимодействия и, с учетом расстояния, величины зарядов
Существуют электроскопы, в которых вместо лепестков используется легкая стрелка
И это дальний прообраз электростатического вольтметра. Однако, в формуле Кулона используются заряды, а нам нужно измерять напряжение. Перейти от зарядов к напряжению позволяет понятие электрической емкости.
То есть, мы можем зарядить конденсатор от источника измеряемого напряжения и измерить силу взаимодействия между обкладками. Эта сила будет пропорциональна напряжению между обкладками конденсатора. Электростатический вольтметр (вольтметр электростатической системы) именно так и устроен
А вот так выглядит реальный электростатический киловольтметр С196. Я с таким работал
Если обеспечить достаточную чувствительность измерения силы взаимодействия зарядов, то можно изготовить и электростатический вольтметр на более низкие напряжения. Например, С50
Кстати, обратите внимание, что на этих приборах нет видимой стрелки! В предыдущих статьях я говорил о том, что существуют оптические шкалы и оптические стрелки. Именно такие и используются в этих приборах. Вместо стрелки используется маленькое подвижное зеркальце с нанесенной на нем риской. Зеркальце освещается источником света (лампочкой), а "зайчик", который отбрасывается на шкалу, и является видимой "стрелкой".
Электростатический вольтметр, в отличии от искрового, практически не нагружает исследуемую электрическую цепь, так как является просто конденсатором относительно небольшой емкости. Но все таки, влияние не нулевое.
Искровой вольтметр можно, хоть и несколько условно, считать измеряющим напряжение напрямую. Немного условно по той причине, что напряжение, напряженность электрического поля в разряднике, вызывает ионизацию молекул газа. А вот с электростатическим вольтметром немного сложнее. Во первых, он фактически измеряет силу взаимодействия зарядов, а не напряжение напрямую. Во вторых, эта сила сначала преобразуется в механическую величину поворота или перемещения. И шкала отражает именно это механическое перемещение. Да, оно связано с измеряемым напряжение. Но, все таки, не совсем напрямую.
А если нужно измерять не такие высокие напряжения?
Ампер и Ом. Электромагнитный метод
В основе вольтметров использующих электромагнитный метод лежит взаимодействие проводника с током и магнитного поля. Как и эксперимент с взаимодействием двух зарядов, эксперимент с взаимодействием двух проводников с током показывают на уроках физики в школе. Протекающие по проводникам токи создают вокруг них магнитное поле. И взаимодействуют именно эти магнитные поля.
Мы можем заменить один из проводников, вместе с создаваемым им магнитным полем, на постоянный магнит. И на оставшийся проводник будет действовать сила Ампера
На самом деле, не имеет значения, как именно создается магнитное поле. Эта сила, точно так же, как сила Кулона, может вызывать перемещение проводника. И мы можем это перемещение зафиксировать. Но тут возникает еще один интересный момент. Мы же знаем, что "действие равно противодействию". И на если на проводник с током в поле постоянного магнита действует сила Ампера, то и на сам постоянный магнит она действует. И мы получаем два разных типа: электромагнитный и магнитоэлектрический. Реже встречаются приборы электродинамические.
Не трудно заметить, что это классический гальванометр. Рамка с током вращается в магнитном поле. Причем магнитное поле создается неподвижным постоянным магнитом. Это, пожалуй, наиболее распространенный тип стрелочного прибора. Такие приборы довольно точные и обладают высокой чувствительностью, что и обеспечило их популярность. Однако, конструкция подвижной рамки с токоподводами сложнее, чем в приборах электромагнитной системы.
В приборах электромагнитной системы подвижным является стальной сердечник, который намагничивается неподвижной катушкой с током и втягивается в нее. Есть и альтернативный вариант, в котором используется не стальной сердечник, а постоянный магнит. У приборов с стальным (ферромагнитным) сердечником дополнительную погрешность вносит остаточная намагниченность сердечника после прекращения тока через неподвижную катушку.
Приборы электродинамической системы являются неким обобщением предыдущих. В них есть и подвижная рамка с током, и неподвижная катушка. И угол поворота стрелки определяется не одним током, а сразу двумя.
Есть и еще один тип приборов - ферродинамический. От электродинамического он отличается тем, что неподвижная катушка располагается на сердечнике, а подвижная рамка намотана на стальной гильзе.
Повторю, все такие приборы используют взаимодействие двух магнитных полей. Просто, как минимум, одно поле создается протекающим током. Один принцип работы реализуется различными конструктивными решениями. Только и всего.
Однако,, давайте задумаемся. Ведь эти приборы измеряют совсем не напряжение! Они измеряют ток. Все правильно, но, если помните, и электростатические приборы измеряли силу взаимодействия зарядов, а не напряжение. Просто призовем на помощь эмпирический закон описывающий соотношения между током в проводнике и приложенным к нему напряжением. Да, это тот самый, всем известный, закон Ома. Протекающий через катушку прибора ток создает падение напряжения на омическом сопротивлении катушки.
Например, если ток полного отклонения стрелки равен 1 мА, а сопротивление рамки 100 Ом, то стрелка будет полностью отклоняться при приложении напряжения 0.1 В. Конечно, это очень маленькое напряжение. Но проблема решается гораздо проще, чем для электростатических приборов, которым нужно высокое напряжение.
Достаточно последовательно с, например, магнитоэлектрическим стрелочным прибором включить балластный резистор. Например, если нам нужно измерять напряжение до 10 В, то потребуется резистор сопротивлением
(10 В / 0.001 А) - 100 = 9900 Ом
Используя несколько разных балластных резисторов можно сделать многопредельный вольтметр.
Вольтметры использующие электромагнитный метод измеряют не напряжение, а ток, протекающий через прибор. И нам требуется преобразовывать измеряемое напряжение в ток с помощью балластных резисторов. При этом возникающая в приборе сила Ампера преобразуется в механическую величину - перемещение. Точно так же, как в электростатических приборах. И мы считываем со шкалы именно величину механического перемещения. Но сопоставляем ее с током/напряжением.
Давайте что-нибудь нагреем. Измеряем напряжение термометром
Не спешите ехидно улыбаться и крутить пальцем у виска, мол автор то совсем сбрендил... Всем известно тепловое действие тока, это тоже изучают в курсе физики в школе. И если мы можем измерять, можно сказать динамометром, силу взаимодействия зарядов или магнитных полей, то почему нельзя измерять выделяющееся при протекании тока тепло?
Повторюсь, это отнюдь не глупость! Более того, именно на этом основано понятие действующего (эффективного) значения тока/напряжения
Действующее (эффективное, среднеквадратичное) значение переменного тока/напряжения численно равно такому значению постоянного тока/напряжения, при котором тепловое действие (выделяемое количество теплоты) этого постоянного тока на активном сопротивлении за один период синусоиды равно тепловому действию данного синусоидального тока/напряжения за тот же период.
Зачем это потребовалось? Помните "войну токов"? Постоянного и переменного. Тогда же решались вопросы учета и оплаты количества поставляемой потребителям электроэнергии. Вот тут то и выяснилось, что есть разница между количеством выделяемой постоянным и переменным током теплоты при протекании через нагревательные электроприборы. Если использовать амплитудные значения переменного тока/напряжения.
Постоянное напряжение 110 В и нагревало воду быстрее и до более высокой температуры, чем переменное амплитудой те же самые 110 В. Использовать это как аргумент в пользу постоянного тока не получилось, так как вмешалась математика
Другими словами, тепловой действие определяется интегральным, а не амплитудным значением тока. А как связан ток в проводнике с приложенным к проводнику напряжением мы уже знаем.
Поэтому измерение напряжения (на самом деле, тока) через измерение количества выделяющегося тепла вовсе не так безумна, как может показаться. Однако, у нас при этом возникает проблема, и большая. Дело в том, что температура тела, нагреваемого током или электрическим нагревателем, будет определяться балансом двух термодинамических процессов. Процесса передачи тепла телу от нагревателя и процессу отдачи тепла телом в окружающую среду. И на это влияет температура окружающей среды, как минимум.
Поэтому метод прямого измерения не используется. Но используется компенсационный метод измерения среднеквадратичного значения протекающего тока. Причем этот метод обеспечивает и линейность, и универсальность. Он обеспечивает верный результат независимо от формы переменного тока. И тока импульсного.
Вот так устроен термоэлектрический преобразователь действующего значения переменного тока
Есть два идентичных нагревателя и два идентичных датчика температуры. На иллюстрации я показал термопары. Одна термопара измеряет температуру нагревателя, через который протекает измеряемый ток. Другая термопара измеряет температуру нагревателя, через который протекает выходной ток усилителя. Этот ток отображается амперметром. Термопары включены встречно. То есть, при равенстве температур на входе усилителя нулевое напряжение. Если температура разная, на выходе усилителя появляется усиленный сигнал рассогласования, ток рассогласования, величина которого определяется величиной и знаком напряжения рассогласования на входе усилителя.
Таким образом устраняется влияние факторов окружающей среды и постоянный выходной ток усилителя оказывается равен действующему значению измеряемого переменного тока. А вы говорили, что использовать термометр для измерения напряжения глупо...
Еще раз обращаю внимание, что этот метод измеряет не напряжение, а ток. Причем форма тока не имеет никакого значения. Это может быть и постоянный ток. Для измерения напряжения нам надо преобразовать его в ток с помощью, например, балластного резистора. Как мы это делали при использовании электромагнитного метода (не зависимо от конкретного варианта реализации).
Термоэлектрический преобразователь обладает заметной инерционностью, что сказывается на оперативности измерений.. Особенно, при низких частотах измеряемого тока/напряжения. Поэтому сегодня термоэлектрические преобразователи применяются довольно редко. Их заменили специализированные интегральные полупроводниковые преобразователи. Но у них есть свои ограничения.
Измерение это сравнение с эталоном. Измеряем с помощью простого индикатора
Мы начинали с этого утверждения цикл статей. Но это не лозунг, а действительно рабочий принцип измерения. Но его мы сегодня рассмотрим вскользь. Просто этот метод будет использоваться в одной из последующих статей, где будем разбираться уже с цифровыми методами.
Мы можем сравнивать измеряемое напряжение с выходным напряжением регулируемого источника эталонного напряжения. Фактически, нам при этом потребуется лишь простой индикатор баланса, который будет фиксировать рассогласование напряжений. Это дифференциальный метод, который лежит в основе компенсационного метода работы термоэлектрического преобразователя, который мы рассматривали чуть ранее. Этот метод лежит в основе работы моста Уитстона
Считывать результат измерения мы будем не со шкалы индикатора баланса, ее вообще не нужно, нужна лишь отметка полного баланса, а со шкалы регулируемого источника эталонного напряжения.
Заключение
Мы только чуть чуть затронули тему методов измерения напряжения. Упомянули даже не все методы аналоговых измерений. И наглядно увидели не только связь тока с напряжением, но и связь напряжения с другими электрическими, и даже неэлектрическими, величинами. И все это можно использовать для измерения напряжения.
Ну разве это просто, скучно, или банально? В следующей статье мы посмотрим, как может электроника помочь в улучшении параметров вольтметров. Ну а там и до цифровых методов будет недалеко.
