УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ НА РАССТОЯНИЕ ПОКАЗАНИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ Советский патент 1935 года по МПК G08C19/36 

Предлагаемое устройство для передачи на расстояние показаний измерительных приборов основано на фотокомпенсационном методе и допускает плавное изменение компенсационного тока с помощью заслонок, регулирующих степень освещенности фотоэлемента. Для успокоения колебаний в предлагаемом устройстве применяется трансформатор обратной связи или емкость и активное или реактивное сопротивление.

На чертежа фиг. 1 изображает схему устройства без применения устраняющих колебания приспособлений; фиг. 2 - устройство и взаимное расположение заслонок ширмы, управляющей световым потоком; фиг. 3, 4 и 5 - кривые зависимости направляющего момента рамки от угла отклонения; фиг. 6 - схему с применением повышающего трансформатора низкой частоты для компенсации колебаний и фиг. 7 - схему с применением для той же цели конденсатора и омического сопротивления или дросселя.

Как видно на фиг. 1, рамка 4 магнитоэлектрического прибора расположена коаксиально с подвижной системой 1 измерителя. Рычаг 15 закреплен на оси подвижной системы 1 и соединен механически со спиральной пружиной 3 рамки 4 весов. При отклонении подвижной системы измерителя через рычаг 15 и спираль 3 на рамку весов будет передаваться весь создаваемый измерителем момент. С другой стороны, у рамки весов имеется еще одна спиральная пружина 16, закрепленная на корпусе прибора и служащая для создания начального нулевого момента, причем при закручивании этой спирали на рамку весов передается момент одного направления с моментом, передаваемым от измерителя через систему 15 и 3. Рамка весов включена в анодную цепь электронной лампы 12 таким образом, чтобы создаваемый момент при прохождении через рамку анодного тока был направлен навстречу моментам от спиралей 3 и 16. К рамке 4 весов прикреплен легкий рычаг 5, на конце которого имеется небольшая ширма 6 с прорезами. Фотоэлемент 8, включенный между анодом и сеткой электронной лампы, помещен в светонепроницаемый кожух (не показанный на схеме), имеющий со стороны расположения подвижной ширмы 6 точно такие же прорезы 17, как и на последней. За подвижной ширмой помещен источник света 7. Взаимное расположение этих прорезов, кожуха фотоэлемента к подвижной ширмы источника света и самого фотоэлемента таково, что при поворотах рамки весов, несущей подвижную ширму, свет от лампы накаливания в большей или меньшей степени проникает через прорезы обеих ширм и попадает на катод фотоэлемента; при перекрытии же прорезов кожуха экранирующими промежутками подвижной ширмы доступ света к фотоэлементу полностью прекращается. Направление движения подвижной ширмы таково, что при перемещениях ее под действием момента от анодного тока в рамке весов прорезы (или окно фотоэлемента) закрываются и уменьшается количество света, попадающего на фотоэлемент, и наоборот, при перемещениях подвижной ширмы под действием моментов, передаваемых от измерителя через систему 3 и 15, окно фотоэлемента открывается, и количество падающего на фотоэлемент света увеличивается. В цепь сетки электронной лампы 12 включены батарея сетки Бс, создающая на сетке отрицательный потенциал, и большое сопротивление 9 (порядка 4-5 мегом). К клеммам А и В анодной цепи подключается линия, по которой производится передача показаний измерителя. В конце линии включен обычный магнитоэлектрический прибор, воспроизводящий передаваемые показания.

Как видно из схемы, при освещении фотоэлемента светом, проходящим через прорезы ширм, возникающие фототоки создают падение напряжения на сопротивлении 9, увеличивая абсолютный потенциал сетки. Следовательно, с увеличением освещенности фотоэлемента возрастает анодный ток лампы. Величины напряжения Бс, сопротивления 9, чувствительности фотоэлемента, интенсивности источника света, напряжения батарей анода и накала, размеры и количество прорезов подобраны так, чтобы при полном закрытии окна фотоэлемента анодный ток , а при полном открытии всех прорезов достигался бы потенциал, соответствующий началу сеточного тока лампы 12.

Таким образом, увеличение освещенности фотоэлемента происходит при перемещениях ширмы под действием момента, передаваемого от измерителя, или при закручивании спирали 16, поскольку эти моменты одного знака. Допустим, что момент измерителя, который мы обозначим через , разен 0. Закрутим на некоторый, угол спираль 16. Очевидно, что под действием момента, созданного закручиванием этой спирали, рамка весов начнет поворачиваться. Вместе с рамкой будет перемещаться и ширма 6. Это перемещение ширмы повлечет за собой открытие окна фотоэлемента, увеличение освещенности последнего и увеличение анодного тока. Анодный ток, протекая по рамке весов, будет создавать момент, направленный навстречу моменту от пружины 16, и при каком-то пространственном положений рамки весов и подвижной ширмы наступит состояние равновесия между моментом от пружины 16 и моментом от анодного тока, и движение рамки прекратится. Система обязательно должна притти в равновесие, поскольку наибольший ток лампы, соответствующий полному открытию окна фотоэлемента, в несколько раз больше тока, необходимого для компенсации момента М_о пружины. При этом положении рамки весов (положении равновесия при М_о заданном) спираль 3 находится в свободном состоянии, и стрелка измерителя находится на нуле шкалы. В анодной цепи лампы 12 течет некоторый ток , соответствующий моменту от пружины 16. Измерительный прибор, помещаемый на приемном конце линии, обтекается тем же током и соответствующей затяжкой его противодействующих спиралей приведен в нулевое положение. Таким именно образом передача нуля показаний осуществляется при помощи некоторого начального тока. Благодаря этому при обрыве линии передачи в результате какого-либо повреждения всей системы стрелка прибора уходит от нулевой точки за шкалу до упора и этим автоматически сигнализирует о нарушении передачи. Без этого приспособления стрелка прибора стояла бы на нуле шкалы, и было бы неясно, имеем ли мы нуль показаний измерителя или нарушение передачи показаний.

Для большей простоты дальнейшего рассмотрения работы схемы будем считать, что наличие пружины 16 не сказывается на работе схемы, и имеется только одна передающая спираль 3. Если теперь в измерителе будет создан некоторый момент , под действием которого последует отклонение подвижной системы 1, очевидно, что спираль 3 рычагом 15 будет закручиваться, и в результате весь момент измерителя будет передан на рамку весов. Под действием этого момента рамка должна будет притти в движение, а вместе с ней начнет перемешаться и подвижная ширма 6. Данное перемещение ширмы, вызванное моментом от измерителя, увеличит количество света, проникающего через прорезы на катод фотоэлемента, что в свою очередь вызовет увеличение потенциала сетки и увеличение анодного тока. Это перемещение рамки весов и подвижной ширм будет происходить до тех пор, пока момент, создаваемый анодным током в рамке, не достигнет величины, равной моменту, передаваемому на рамку весов от измерителя, и поскольку, как мы уже говорили, эти моменты противоположных знаков, то при система придет в состояние устойчивого равновесия, и дальнейшее перемещение прекратится.

Для каждого момента, передаваемого от измерителя на рамку весов, при его изменениях от нуля до максимума для системы будет существовать положение устойчивого равновесия при котором . Это достигается возможностью получения тока лампы, значительно превышающего ток, необходимый для компенсации наибольшего момента измерителя.

Так как рамкой весов служит рамка магнитоэлектрического прибора, то можно, считая к постоянным, выразить момент весов, создаваемый анодным током: , а так как , то или , где k=const; таким образом, анодный ток электронной лампы 12 всегда оказывается пропорциональным моментам, передаваемым от измерителя на рамку весов, пропорциональным углам отклонения измерителя. Благодаря этому шкала прибора 14 явится точной копией шкалы измерителя. Для уменьшения погрешности передатчика для сохранения шкалы 2 необходимо, чтобы рабочий угол поворота рамки 4 был наименьшим. В компенсационной системе с жидкостным сопротивлением (согласно другому изобретению автора) это достигалось применением жидкости большого удельного сопротивления. Здесь же уменьшение рабочего угла поворота рамки 2 осуществлено при помощи особой конструкции ширмы, управляющей светопотоком, падающим на фотоэлемент (фиг. 2). Неподвижная и подвижная ширмы представляют собой пластины из непрозрачного диамагнитного материала (например, алюминия) с рядом параллельных узких щелей, чередующихся с непрозрачными простенками. Размер щелей в направлении радиуса, идущего из оси вращения рамки 4, делается возможно наибольшим; размер же их в перпендикулярном направлении должен быть наименьшим. Простенки и щели имеют совершенно одинаковые размеры, поэтому когда простенки подвижной ширмы находятся против щелей неподвижной, свет на фотоэлемент не проникает. При перемещении подвижной ширмы на ширину щели поток через ширму достигнет максимума, так как простенки подвижной окажутся против простенков неподвижной ширмы. Чем уже щели (чем больше их количество) и чем они длиннее, тем меньшее перемещение ширмы нужно для получения того же светового потока. Возможно доведение рабочего угла поворота рамки 4 до долей градуса.

Однако, уменьшение этого угла ведет к другому затруднению: к неустойчивой работе прибора, к непрерывным колебаниям рамки 4 и колебаниям анодного тока передачи показаний. Теоретическое рассмотрение вопроса приводит к ряду искусственных схем, описываемых далее, которые уничтожают всякие колебания рамки 4, а следовательно и анодного тока, даже при рабочих поворотах рамки на угол порядка минут.

При этих колебаниях синфазно с ними колеблется и световой поток Ф, а синфазно с последним колеблется и потенциал сетки электронной лампы, а следовательно и ток через рамку 4. Однако силы, создаваемые анодным током, являются не чем иным, как направляющей силой для однажды возбужденных, колебаний. Кроме существует и другая направляющая сила от спиралей, связанных с рамкой 4. В дальнейшем для простоты рассуждений мы отвлечемся от , ибо нас интересует в большей степени зависимость колебаний рамки 4 от величины в направлении .

Если бы колебания , вызванные механическими колебаниями рамки 4, находились строго в фазе с последними, то после вынужденного отклонения от положения равновесия рамки 4 мы имели бы длительно затухающие механические колебания ее в виду того, что даже при малых углах отклонения рамки 4 возбужденная энергия оказывается слишком большой, чтобы при нормальных условиях демпфирования быстро затухнуть. На фиг. 3 дана функция - зависимость направляющего момента от угла отклонения α от положения равновесия. Для простоты рассуждений она принята прямолинейной. Для случая совпадения фазы колебаний (а след. и ) с фазой изменения угла α тормозящая энергия будет равна возбуждающей энергии что и характеризует незатухающие колебания при отсутствии потерь в системе и длительно затухающие при слабом или нормальном демпфировании. Однако, сохранить вышеуказанное совпадение фаз невозможно из-за наличия между сеткой электронной лампы и ее катодом большого сопротивления и паразитной емкости, хоть небольшой, но достаточной для создания потенциальной инерции сетки относительно катода. При наличии же отставания от α прямая на фиг. 2 превратится в петлю. Это превращение аналогично превращению прямой в эллипс в фигурах Лиссажу. Направление функции (по часовой стрелке или против) определится знаком фазы относительно фазы α. В случае отставания от α направление будет против часовой стрелки. В этом случае всегда тормозящая энергия будет меньше возбуждающей , и колебания будут усиливаться, а амплитуда непрерывно расти, как это показано на фиг. 4, где α₀ - начальное отклонение рамки 4 от положения равновесия.

Наоборот при отставании α от мы будем иметь направление в петлеобразной функции по часовой стрелке (фиг. 5). Тормозящая энергия будет больше возбуждающей , и всегда любая амплитуда быстро затухнет. Все предложенные ниже искусственные схемы успокоения базируются на последнем принципе: помощью их мы сдвигаем в сторону опережения α, чем и компенсируем вредную для нас возбуждающую энергию колебаний.

Из числа возможных схем рассмотрим следующие:

1. Схема компенсации возбуждаемой энергии колебаний помощью обратной связи. Здесь опережение достигается подачей на сетку электронной лампы вспомогательной переменной составляющей смещения, вызывающей в анодном токе опережающую составляющую, которая и заставляет результирующие колебания опережать α.

Подача вспомогательного Vc осуществляется помощью повышающего трансформатора 10 низкой частоты, первичная обмотка которого включена в анод, вторичная - в сетку (фиг. 6); э.д.с, наведенная во вторичной обмотке, равна , благодаря чему она будет опережать на 90°. Слагаясь с колебаниями Vc от колебаний светового потока в фотоэлементе, эта э.д.с. создает перманентное опережение относительно колебаний α вне зависимости от частоты и амплитуды последних. В виду малой частоты колебаний α и их амплитуды трансформатор желательно брать с большим количеством железа. Включение его первичной обмотки желательно осуществить через конденсатор параллельно к достаточному сопротивлению, включенному в анодную цепь.

II. Схема компенсации возбуждающей энергии колебаний помощью конденсатора и омического сопротивления. На фиг. 7 дана такая схема, в которой в данном случае дроссель должен быть заменен активным сопротивлением. Принцип ее действия заключается в том, что при достаточном омическом сопротивлении 19, включенном в анодной цепи, зарядные и разрядные токи конденсатора 11, подключенного параллельно к этому сопротивлению, превращают прямую на фиг. 3 в петлю с изменением функции по часовой стрелке (случай успокоения). В основном процесс компенсации возбуждающей энергии протекает так:

При движении ширмы 6 (фиг. 1) в сторону увеличения светового потока, а следовательно и от -α до 0 (фиг. 3), к добавится зарядный ток конденсатора 11, который, протекая по рамке 4, создает на участке от -α до 0 некоторый момент , имеющий противоположный знак по отношению к на том же участке. Тогда суммарная возбуждающая энергия на этом участке выразится:

При дальнейшем движении ширмы 6 от 0 до будет иметь тот же знак, что и на участке от -α до 0, а изменит свое направление, благодаря чему суммарная тормозящая энергия на участке от 0 до +α будет . При обратном движении ширмы 6 от +α к -α, конденсатор 11 будет разряжаться на сопротивлении 19 и сопротивлении лампы, понижая тем самым анодное напряжение лампы (а следовательно и уменьшая анодный ток), создавая , но уже другого знака, чем при движении ширмы 6 от -α к +α. Все это и создает условия успокоения.

III. Схема компенсации возбуждающей энергии колебаний помощью конденсатора и дросселя. Включение дросселя вместо омического сопротивления в предыдущей схеме компенсации дает более благоприятные результаты благодаря тому, что дроссель, представляя сопротивление переменным составляющим анодного тока, не снижает анодного напряжения лампы и крутизны ее характеристики. Дроссель дает возможность заряжаться конденсатору, подключенному к нему параллельно до большего напряжения, чем при омическом сопротивлении. Однако, не надо забывать, что включение дросселя оправдывает себя лишь при больших емкостях конденсатора 11. Эта емкость должна быть настолько велика, чтобы действие зарядных токов ее доминировало, над нежелательным действием самоиндукции, имеющим место при отсутствии емкости. При достаточной емкости мы получим условия успокоения.

1. Устройство для передачи на расстояние показаний измерительных приборов по компенсационному методу в системе по типу весов Томсона, в котором управление величиной компенсационного тока осуществляется фотоэлементом, освещение которого меняется помощью заслонки, укрепленной на подвижной части одного из двух приборов системы, отличающееся тем, что, с целью устранения колебаний несущей заслонку 6 подвижной системы 1-4, применен введенный в схему усиления фототоков трансформатор 10 обратной связи, одна из обмоток которого включена последовательно с фотоэлементом в цепь сетки, а другая - в анодную цепь лампы 12.

2. Видоизменение устройства по п. 1, отличающееся применением вместо трансформатора обратной связи, емкости и активного или реактивного сопротивления 19, включенные в анодную цепь лампы 12.