книги из ГПНТБ / Илюкович А.М. Измерительные усилители малых токов с логарифмической характеристикой

В табл. 8 приведены основные параметры некоторых приборов, выполненных на основе логарифмических из­ мерительных усилителей. Это в основном лабораторные разработки, не внедренные пока в серийное производводство.

15. Поверка аппаратуры с логарифмическими измерительными усилителями

Поверка электрометрической аппаратуры, выпол­ ненной на основе логарифмических измерительных уси­ лителей, может осуществляться либо поэлементным, ли­ бо комплектным методом.

При поэлементной поверке аппаратуры специфичной является поверка логарифмического измерительного уси­ лителя. Задачей поверки усилителя является выявление соответствия его передаточной характеристики номи­ нальной, т. е. соответствия значений смещения, крутиз­ ны и напряжения нелинейности передаточной характе­ ристики логарифмического измерительного усилителя номинальным значениям этих параметров.

Методы поверки логарифмического измерительного усилителя до настоящего времени не получили достаточ­ ного развития. Однако можно представить себе два раз­ личных метода проведения такой поверки: метод с использованием образцовой меры малых токов и об­ разцового измерителя выходного напряжения логариф­ мического усилителя и метод, основанный на сравнении

70

трим названные методы поверки более подробно.

При поверке по первому методу на вход поверяемого усилителя подается ток от образцового источника тока, а выходное напряжение усилителя измеряется образцо­ вым измерителем напряжения. Значения образцовых то­ ков задаются таким образом, чтобы перекрыть динами­ ческий диапазон передаточной характеристики усилителя

стребуемой дискретностью. Значение выходного напря­ жения, измеренное образцовым прибором, сравнивается

срасчетным значением напряжения, определяемым по номинальной передаточной характеристике поверяемого

усилителя при данном значении тока. По разности этих напряжений вычисляется относительная погрешность усилителя в виде, аналогичном виду (6).

Второй метод поверки логарифмического измеритель­ ного усилителя может быть выполнен по принципу мето­ да функционально связанных источников тока и напря­ жения, описанного в гл. 2. При этом передаточная ха­ рактеристика поверяемого усилителя сравнивается с опорной логарифмической зависимостью между вход­ ным током усилителя и опорным напряжением, причем смещение и крутизна этой зависимости устанавливаются равными номинальным значениям соответствующих па­ раметров передаточной характеристики усилителя.

Аналогичными методами могут быть определены вре­ менной дрейф и температурная нестабильность переда­ точной характеристики логарифмического измерительно­ го усилителя.

Одним из наиболее важных вопросов поверки лога­ рифмических измерительных усилителей малых токов (как и вообще поверки электрометрической аппаратуры) является создание образцовых источников малых токов. В настоящее время находят применение резистивные и ионизационные источники тока, а также источники тока, выполненные на основе генератора линейно изменяюще-. гося напряжения и дифференцирующего конденсатора.

Рассмотрим принципы построения резистивных источ­ ников тока и источников тока на основе генератора ли­ нейно изменяющегося напряжения и дифференцирующего конденсатора. Они допускают поэлементную аттестацию, что дает возможность их выполнения без образцовых

71

средств измерения малых токов (в отличие от ионизаци­ онных источников).

Принципиальная схема резистивного источника тока

вход поверяемого прибора подается напряжение U%. Ре­ гулируя Uь устанавливают стрелку поверяемого прибора на требуемую отметку шкалы. Отпускают-кнопку Кн (замыкая верхнюю, пару контактов) и регулировкой источника Ui при определенном сопротивлении резисто­ ров Ri—Rs, включенном переключателем Пр, стрелку поверяемого прибора устанавливают вновь на ту же от­ метку шкалы. Измеряют значения U2 и Ui (соответст­

венно в правом и левом по схеме положениях тумблера

где Як — значение сопротивления включенного резистора. Погрешность резистивного источника тока зависит от нестабильности и нелинейности резисторов Ri—R5, не­

точности измерения напряжений Ui и U2l а также от паразитных токов изоляторов высокоомной части схемы (переключатель, верхняя пара контактов кнопки). При самом тщательном выполнении такого источника не уда­ ется получить токи менее 10~12 А с погрешностями по­ рядка 3—5% (очевидно, что область больших токов

72

в данном источнике не имеет принципиальных ограни­ чений) .

Принципиальная схема источника малых токов на ос­ нове генератора линейно изменяющегося напряжения и дифференцирующего конденсатора приведена на рис. 30. Источник тока содержит источник стабилизированного напряжения f/CT, образцовый резистор R, электрометри­ ческий усилитель ЭМУ, интегрирующий конденсатор Сп и дифференцирующий конденсатор Сд. При достаточно высоком значении коэффициента усиления ЭМУ его входной ток определяется из выражения

J*x — R •

Этот ток заряжает конденсатор С„, и выходное на­ пряжение ЭМУ в любой момент времени

т. е. представляет собой напряжение, линейно изменяю­ щееся во времени.

Выходное напряжение ЭМУ дифференцируется кон­

тели малых токов и больших сопротивлений допускают применение комплектной по­

верки с применением соответствующих образцовых мер измеряемой величины, Для поверки измерителей тока

могут быть применены описанные выше образцовые источники малых токов, для поверки измерителей боль­ ших сопротивлений—-меры большого сопротивления различных типов (магазины сопротивления, пассивные и активные имитаторы больших сопротивлений). Ком­ плектная поверка логарифмической аппаратуры не име­ ет каких-либо принципиальных особенностей по сравне­ нию с поверкой обычной электроизмерительной аппа­ ратуры. Однако при поверке в области малых токов (10-12— 10~10 А и менее) необходимо выполнять ряд спе­ цифических требований. Основными из них являются полная экранировка высокоомных слаботочных цепей с целью устранения различного рода наводок, непосред­ ственное соединение меры со входом поверяемого при­ бора без применения кабелей, поскольку сам кабель является источником значительных (до 10~13— 10-12 А) паразитных токов, применение в необходимых случаях изоляторов из высококачественных диэлектриков (фто­ ропласта, янтаря, эскапона и т. п.).

Г Л А В А П Я Т А Я

ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ И ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ НА ИХ ОСНОВЕ

Логарифмические измерительные усилители с диод­ ным включением ЛЭ на входе ЭМУ в настоящее время применяются крайне редко, так как они имеют недостат­ ки, в частности низкое быстродействие и сравнительно высокое значение нижней границы логарифмического диапазона. В связи с этим схемы таких усилителей в кни­ ге не рассматриваются.

Логарифмические измерительные усилители с триодиым и пентодным включением ЛЭ на входе УПТ позво­ ляют работать в области меньших токов и находят в настоящее время применение в аппаратуре, к которой не предъявляется требование высокого быстродействия. Рассмотрим несколько схем логарифмических измери­ тельных усилителей такого типа.

Одна из наиболее совершенных схем логарифмиче­ ского усилителя с триодным включением ЛЭ на вход? УПТ применена в измерителе тока ионизационной каме­ ры, описанном в [Л. 25].

74

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 31. В состав усилителя входят дифференциальный логариф­ мирующий каскад, выполненный на лампах JIi и Лз

(E80F) в триодиом включении, и дифференциальный усилитель напряжения на лампе Л2 (5692). Кроме того, в схеме имеются цепи калибровки передаточной харак­ теристики усилителя и регулятор потенциала охранного электрода входного разъема Л-

Измеряемый ток подается на управляющую сетку лампы JIi (переключатель Я i в положении 3 — Измере­ ние). Логарифмирование измеряемого тока осуществля­ ется участком сетка — катод лампы. В качестве анодной нагрузки лампы JIi применен резистор Ri.

На управляющую сетку лампы Л3, работающей так­

же в режиме логарифмирования, подается ток неизмен­ ного значения от делителя напряжения Ягь R%3 через высокоомный резистор Я25. В цепь анода лампы Лз включены последовательно резистор Я22 и потенцио­ метр Rz3- Сопротивление анодных нагрузок ламп Л1 и Лз

выбрано достаточно высоким, поэтому лампы работают практически в режиме неизменного анодного тока. По­ скольку каскад на лампах Л 1 и Л 3 симметричен, а вы­ ходное напряжение снимается с анода лампы Л 1 и пол­

зунка потенциометра R33, на вход дифференциального усилителя постоянного тока на лампе Л2 подается на­

пряжение, равное

U—U01 + йц l g I — (ооз + оцз lg/ o+ Д Я ),

где I — входной ток прибора; /о — ток управляющей сет~

ки лампы Л 3; ДU — падение напряжения на нижней ча­ сти потенциометра Ягз- (Здесь индексами «1» и «3» обо­ значены параметры логарифмических характеристик </7i

иЛз.).

Видеальном случае (при ctQi= aQ3 и an = al3 =ai) вы­

ходное напряжение логарифмирующего каскада

U = - A U + ai lg -L, 1о

т. е. имеет место компенсация значений смещения логарифмических характеристик ламп, что улучшает стабиль­ ность характеристики усилителя при воздействии раз­ личных дестабилизирующих факторов.

В дифференциальном УПТ применен двойной триод Лг (5612), каждая из половин которого работает катод-

иым повторителем. Между нагрузками катодных повто­ рителей (Яю и Яи, R ib) включен выходной измеритель напряжения И, имеющий ток полного отклонения 1 мА. В цепь измерителя включены добавочные резисторы Я12, R1з и ЯкПоследовательно с измерителем может быть

включен самописец (к разъему Г3); при этом резистор Ян отключается переключателем Д 2. Измерение выход­ ного напряжения усилителя производится при переклю­

пропорциональный выходному напряжению усилителя (т. е. потенциалу управляющей сетки лампы Л{), сни­ мается с резистора Яа анодной нагрузки лампы Лга. че­ рез делитель R$—R^ и ЯнВыходное напряжение регу­ лятора с катода лампы Л± подается непосредственно на охранный электрод.

Калибровка передаточной характеристики логариф­ мического усилителя осуществляется в двух точках ра­ бочего диапазона — при токах Ю-10 и 10-5 А. Ток 10~10А

подается на управляющую сетку лампы Л у от делителя Язь Яз2 (снимаемое напряжение 100 В) через высокоом­

ный резистор Яг- В этой точке регулируется смещение передаточной характеристики логарифмического усилите­ ля потенциометром Я 2з- Калибровка крутизны переда­

точной характеристики усилителя (точнее — предела из­ мерения измерителя выходного напряжения И) осуще­ ствляется при подаче на управляющую сетку лампы Л у

лирования добавочного резистора Я13 в цепи измерите­

ля выходного напряжения.

Калибровка регулятора потенциала охранного элек­ трода производится также в двух точках характеристи­ ки с помощью резисторов Ri и ЯнПри этом потенциал охранного электрода измеряется измерителем И (пере­ ключатель Пз в положении 1 — Контроль). Предвари­ тельное смещение в схему контроля потенциала охран­ ного электрода задается от делителя Rig—Я21.

Питание ионизационной камеры осуществляется на­ пряжением 100 В от делителя Я27, Яге.

77

Удовлетворительная стабильность описанного усили­ теля даже при использовании высокостабильных рези­ сторов (проволочных, металлопленочных) получена была после тренировки его в течение нескольких сотен часов.

В схеме усилителя испытывались следующие электро­ метрические лампы: ЕТЗ (G EC)— сверхминиатюрный триод при напряжении накала 1,2В; МЕ1401 (Milliard) или 4065 (Philips) — сверхминиатюрный триод при напря­ жении накала 1,2 В; неэлектрометрическая лампа E80F — миниатюрный пентод в триодном включении при напряжении накала 4,3 В. При этом были получены следующие результаты:

для лампы ЕТЗ в диапазоне токов 10-14— 10-5 А по­

10~7 А погрешность измерения составила 3%, дрейф за

24 ч — 10%), дрейф за месяц — 20%);

для лампы E80F в диапазоне токов 3 - 10-11—ЗЛО-5 А погрешность измерений была равна 3%, дрейф за 24 ч не был заметен, дрейф за 3 мес. составил не более 10%.

В [Л. 25] не приведены условия калибровки и опреде­ ления погрешности описанного усилителя, однако следу­ ет заметить, что даже при нулевой погрешности источни­

ков контрольных и опорного токов (делителей Ягэ, Язь, Язи Язг, Яи, Ягз и высокоомных резисторов Rt, Яг и R25)

для обеспечения указанной погрешности измерения (3%0) необходимо применить измеритель И с погрешностью не больше 0,1%) (см. гл. 4). При погрешности измерителя 0,5%) ( минимальная погрешность отечественных щито­ вых микроамперметров) погрешность описанного прибо­ ра в лучшем случае будет находиться на уровне 7— 10%).

Логарифмический пикоамперметр с триодным вклю­ чением ЛЭ, выполненный на отечественных элементах, описан в работе [Л. 5]. Принципиальная схема пикоам­ перметра приведена на рис. 32.

Усилитель пикоамперметра состоит из логарифмиру­ ющего каскада на лампе Jli (ЭМ-5) с параллельно сое­ диненными управляющими сетками и анодами, усилите­ ля постоянного тока на фотогальванометре ФГ (Ф 117/2) и цепей калибровки передаточной характеристики.

Измеряемый ток подается иа управляющие сетки лам­ пы при замкнутой кнопке Khi. С анода лампы снимается напряжение, пропорциональное логарифму измеряемого

78

тока. Большое значение сопротивления анодной нагруз­ ки Яз обеспечивает работу логарифмирующего каскада с постоянным значением анодного тока. Напряжение ка­ тодной сетки лампы, снимаемое с делителя Яю—Ris, с целью улучшения линейности характеристики уменьше­ но до 1,7 В. При этом характеристика некоторых экзем­ пляров ламп ЭМ-5 имеет удовлетворительную линей­ ность в диапазоне токов 5 -10-13—5 -10-5 А.

В измерительную диагональ ■фотогальванометра ФГ включен измеритель выходного напряжения И. Смеще­

ние на выход усилителя снимается с делителя Яа—$ 15-

Рамка фотогальванометра соединена непосредственно с анодом J7i и общей точкой фоторезнсторов гальвано­ метра п зашунтирована резистором Т?4 с целью улучше­ ния устойчивости усилителя. Режим измерительной диа­ гонали определяется резисторами $ 5—Ян, с помощью которых обеспечиваются отклонение стрелки прибора И на всю шкалу при токе 5 -10-13 А и получение при этом токе напряжений 0—4 и 0— 1 В на выходах / и II.

Калибровка передаточной характеристики усилителя осуществляется при подаче на 'вход токов 5• 10-5 А (от делителя Яп—$24 через резистор Я{) и 5 • 10-9 А (от де­

79