Коллектив авторов - История электротехники

Первые катодные осциллографы строились на основе трубки Брауна. Электронно-лучевые приборы с термоэлектронными катодами появились существенно позже, в 30-х годах XX в. Для обеспечения развертки в первых электронных осциллографах применялся вращающийся зеркальный барабан или движущаяся фотопленка, как в светолучевых (шлейфовых) осциллографах.

Однако вскоре начали использовать современные методы: развертку с помощью вспомогательного синусоидального или линейно изменяющегося напряжения соответствующей частоты.

Так, в 1924 г. фирма «Вестерн электрик» (США) в своем осциллографе применила в качестве генератора развертки генератор линейно изменяющегося напряжения на основе неоновой лампы с параллельно включенным конденсатором; при этом использовалось электростатическое отклонение луча как по вертикали, так и по горизонтали, как в большинстве современных осциллографов. Линейность развертки с помощью такого генератора оставляла желать лучшего. Позднее было предложено осуществлять заряд конденсатора, включенного параллельно горизонтально отклоняющим пластинам, через источник постоянного тока с высоким выходным сопротивлением, построенный на базе электронной лампы. Эта идея нашла широкое применение в генераторах развертки с высокой линейностью изменения выходного напряжения. Кроме того, в таких генераторах весьма просто решались вопросы синхронизации и осуществлялся режим ждущей развертки.

Малая интенсивность электронного пучка в осциллографах с трубкой Брауна не позволяла производить фотографирование экрана при исследовании быстро протекающих процессов, например блуждающих волн в электрических сетях. Эта трудность была преодолена в 1923 г. в осциллографе Дюфура, производство которого организовала фирма «Ш. Будуен» (Франция). В нем фотографическая пластинка помещалась в вакуум и подвергалась прямому воздействию электронного луча без посредства фосфоресцирующего экрана.

Осциллограф Дюфура (рис. 12.4) по внешнему виду мало напоминал современный. Это был громоздкий прибор без экрана, с вакуумной камерой в бронзовом корпусе, соединенной с трубкой Брауна. К нему подсоединялся вакуумный насос, приводившийся в действие после каждой смены фотопластинки. Тем не менее он позволил исследовать процессы с частотами до 1 ГГц; скорость записи достигала 10 мм/нс. Для экономного использования фотопластинки применялось два развертывающих напряжения: синусоидальное горизонтально отклоняющее и сравнительно медленно изменяющееся вертикально отклоняющее (сметание). При отсутствии исследуемого напряжения луч вычерчивал на фотопластинке несколько периодов синусоиды. Исследуемое напряжение высокой частоты, но сравнительно малого значения, записывалось на этой синусоиде.

Некоторые технические характеристики осциллографа Дюфура были улучшены в двух осциллографах, разработанных в то же время в Германии, однако не выпускавшихся серийно. В первом из них в вакуумной камере можно было размещать несколько фотопластинок или фотопленку, что позволяло делать до 20 снимков. Пленка передвигалась с помощью электромагнитного устройства, так что откачивать камеру приходилось лишь после использования всей пленки. Процесс откачивания диффузионным насосом длился примерно 15 мин. Этим осциллографом удалось получить осциллограммы процессов пробоя изоляции длительностью от 1 до 10 не при напряжениях до 20 кВ.

Второй осциллограф был предназначен для регистрации естественных блуждающих волн, возникающих в случайные моменты времени, как это происходит в линиях электропередачи при атмосферных разрядах. Задача была решена в 1924–1926 гг. путем применения режима ждущей развертки, который осуществлялся с помощью электронного переключающего реле, собранного на двух электронных лампах.

Следует заметить, что для исследования блуждающих волн применялись не только осциллографические методы. Были построены специальные приборы — клиндографы (волнописцы).

Работа клиндографа основывалась на том, что при ударе искры, вызванной блуждающей волной, о фотографическую пластинку в ней возникает кистеобразная фигура, анализ которой позволяет получить информацию о параметрах волны. Эффект образования подобных фигур был известен с XVIII в., однако первые клиндографы были изготовлены только в 1924 г. фирмой «Вестингауз».

Конструктивно клиндограф представлял собой корпус, в который вставлялись три или четыре изолированных острия (по числу проводов линии электропередачи). Острия касались светочувствительной пленки, которая медленно передвигалась с помощью часового механизма. Для регистрации напряжений свыше 20 кВ использовались внешние делители напряжения.

С помощью клиндографов оказалось возможным устанавливать время появления, полярность и значения перенапряжений, форму фронта и направление блуждающей волны, промежутки времени между непосредственно следующими друг за другом разрядами. Технические характеристики клиндографов позволили, например, исследовать перенапряжения до 2 MB в трехфазной линии электропередачи напряжением 220 кВ. Разрешение по времени составляло 1 пс, что было недостижимо для осциллографов того времени.

Между тем электронные осциллографы продолжали совершенствоваться. Были разработаны электронно-лучевые трубки с термоэлектронными катодами, люминесцентными экранами, высококачественными магнитными и электростатическими линзами. Повышенная яркость изображения позволила отказаться от фотосъемок в вакууме. Применение измерительных усилителей и генераторов развертки привело к созданию осциллографов с калиброванными усилением и разверткой, ставших полноценными средствами измерений мгновенных значений напряжений и интервалов времени. Первый такой осциллограф (модель 511) был разработан в США Дж. Мердоком и X. Воллумом и выпущен в 1946 г. фирмой «Тектроникс» («Tektronix»).

В течение последующих 50 лет было разработано большое число осциллографов различного назначения: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие, многоканальные, многолучевые и др. И только в 80-х годах аналоговые осциллографы начали постепенно вытесняться цифровыми, а также компьютерными средствами измерений.

Элементная база, необходимая для создания аналоговых электронных вольтметров, возникла и стала быстро развиваться с начала XX в.

Одной из первых электронные (катодные) вольтметры выпустила в 1922 г. Кембриджская компания. Эти приборы предназначались для измерений переменных напряжений на двух диапазонах: либо от 0 до 1,5 В, либо от 0 до 10 В. Чуть позже появились вольтметры Сименса, построенные на тетроде. В конце 20-х годов вольтметр Сименса строился уже на четырех электронных лампах; его шкала была практически равномерной в диапазоне 20–300 мВ; приведенная погрешность не превышала 2% в частотном диапазоне 0,5–15 кГц. Главным преимуществом первых электронных вольтметров перед электромеханическими были высокое входное сопротивление при хорошей чувствительности на переменном токе; немаловажное значение имела также их высокая перегрузочная способность.