Коллектив авторов - История электротехники

Такой датчик содержит не только чувствительный элемент, но и сложное электронное устройство, состоящее из аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, а также микропроцессорных устройств с соответствующим программным обеспечением. Конструкция «интеллектуального» датчика позволяет устанавливать его в непосредственной близости от объекта исследований и производить ту или иную обработку измерительной информации. При этом в центр сбора данных, который может находиться на значительном расстоянии от объекта, информация передается с помощью сигналов, обладающих высокой помехоустойчивостью, что повышает точность измерений.

В качестве примера рассмотрим технические возможности «интеллектуального» датчика абсолютного давления, выпускаемого японской фирмой «Фуджи» (FUJI, модель FKA), который обеспечивает измерение давления жидкости, газа или пара в диапазоне от 0,16 до 30 бар с погрешностью не более 0,2% в диапазоне рабочих температур от -40 до + 85°С. Он состоит из емкостного чувствительного элемента и электронного устройства, смонтированного в стальном корпусе объемом со спичечный коробок. Его питание осуществляется от внешнего источника постоянного тока с напряжением от 11 до 45 В, который может располагаться в нескольких километрах от датчика в центре сбора данных. Измерительная информация передается по проводам источника питания (двухпроводный датчик) в аналоговой форме — постоянным током от 4 до 20 мА, а также цифровым сигналом, наложенным на аналоговый.

Датчик может быть легко превращен в измерительный прибор путем установки на нем четырехразрядного цифрового жидкокристаллического индикатора или аналогового милливольтметра. Такими датчиками можно управлять с помощью специальных пультов и объединять их в измерительную систему. Каждый датчик осуществляет операции самодиагностики, линеаризации функции преобразования, масштабирования, установки диапазона измерений, температурной компенсации и т.д.

Наряду с компьютеризацией электроизмерительной техники интенсивно развивается ее метрологическое обеспечение, причем эталоны высокой точности становятся доступными промышленности. Например, еще в 1982 г. фирма «Флюк» (Fluke, США) выпустила калибратор напряжения для поверки 6,5- и 7,5-разрядных мультиметров. Этот прибор (модель 5440А), построенный на базе ЦАП с широтно-импульсной модуляцией, обеспечивает относительную погрешность не более 0,0004% при работе непосредственно в цехе.

Для построения современных средств измерений с наиболее высокими метрологическими характеристиками, включая эталоны вольта и ампера, решающее значение имеет использование квантовых эффектов Б. Джозефсона и Холла.

Эффект Б. Джозефсона был предсказан в 1962 г. английским физиком Б. Джозефсоном и экспериментально обнаружен в 1963 г. американскими физиками П. Андерсоном и Дж. Роуэллом. Одно из проявлений данного эффекта состоит в следующем. При облучении контакта Б. Джозефсона — тонкого слоя диэлектрика между двумя сверхпроводниками — высокочастотным электромагнитным полем, на вольт-амперной характеристике такого контакта возникают скачки напряжения, пропорциональные частоте. Высокая точность воспроизведения скачков напряжения на контактах Б. Джозефсона позволила в 80-х годах построить эталоны вольта с погрешностями не более 0,0001%.

Использование эффекта Б. Джозефсона и явления квантования магнитного поля в односвязных сверхпроводниках привело к созданию чрезвычайно чувствительных сверхпроводящих квантовых интерференционных приборов — СКВИДов, измеряющих магнитные потоки. Применение измерительных преобразователей различных физических величин в магнитные потоки позволило создать на основе СКВИДов измерительные приборы и устройства различного назначения, обладающие рекордно высокой чувствительностью: гальванометры, компараторы, термометры, магнитометры, градиентометры, усилители. На основе эффекта Б. Джозефсона строятся и другие устройства, служащие для обработки измерительной информации, например, АЦП и цифровые процессоры сигналов с тактовыми частотами свыше 10 ГГц.

Квантовый эффект Холла был открыт в 1980 г. К. фон Клитцингом (ФРГ). Эффект наблюдается при низких температурах (около 1 К) и проявляется в виде горизонтального участка на графике зависимости холловского сопротивления полупроводниковых датчиков Холла от магнитной индукции. Погрешность сопротивления, соответствующего этому участку, не превышает 0,00001%. Это позволило использовать квантовый эффект Холла для создания эталонов электрического сопротивления.

Использование квантовых эффектов Б. Джозефсона и Холла позволило разработать эталоны постоянного электрического тока, превышающие по точности эталоны на основе токовых весов, применявшихся почти всю вторую половину XX в. В нашей стране новый государственный первичный эталон введен с 1992 г. Он воспроизводит ампер с погрешностью не более 0,00002% (токовые весы обеспечивали погрешность не более 0,0008%).

Рассмотренные эффекты проявляются при низких температурах, что служит главным препятствием для их широкого использования. Однако открытие в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников позволяет ожидать создания средств измерений, построенных на интегральных схемах и работающих при температурах около 100 К. Это был бы новый качественный скачок в развитии электроизмерительной техники.

12.1. Депре М. О гальванометре, показания которого пропорциональны силе тока // Электричество. 1884. № 24.

12.2. Шателен М. Счетчики электрической энергии // Электричество. 1893. № 20.

12.3. Жерар Эрик. Курс электричества. Т. 1. Санкт-Петербург, 1896.

12.4. Чернышев А. Методы измерений высоких напряжений и новый абсолютный высоковольтный вольтметр // Электричество. 1910. №15.

12.5. Ферингер А.Б. Новейшие измерительные приборы (обзор) // Электричество. 1912. №1.

12.6. Маликов М.Ф. Основные электрические единицы в их современном состоянии // Электричество. 1924. № 3.

12.7. Грун К. Электротехнические измерительные приборы. М.: Гостехиздат, 1927.

12.8. Банденбургер В.И. Электрические телеизмерения // Электричество. 1931. № 17.

12.9. Шумиловский Н.Н. Электрические счетчики: теория, расчет, конструирование. Л.: Кубуч, 1932.

12.10. Стекольников И.С. Катодный осциллограф для контактного фотографирования // Электричество. 1933. № 12.

12.11. Городецкий С.С. Измерения на высоком напряжении. М.-Л.: Энергоиздат, 1934.

12.12. Конструкции электроизмерительных приборов / Под ред. Н.Н. Пономарева. Л. — М.: Энергоиздат, 1935.

12.13. Кейнат Г. Электроизмерительная техника. Т. 1. Л.: Ленинградский индустриальный институт, 1935.

12.14. Кейкат Г. Электроизмерительная техника. Т.2. Л.: Ленинградский индустриальный институт, 1937.