ЛАМПОВЫЙ ВОЛЬТМЕТР Советский патент 1936 года по МПК G01R5/00 

Ламповые вольтметры различных схем получили очень широкое распространение в лабораторной радиоизмерительной практике, главным образом, потому, что они могут быть использованы для весьма широкого диапазона частот измеряемых переменных напряжений, могут быть осуществлены как приборы, потребляющие ничтожную энергию, или даже вовсе ее не потребляющие, и, наконец, могут быть осуществлены с весьма небольшими затратами средств и приборов.

Наряду с этим, ламповые вольтметры обладают и большими отрицательными качествами, тормозящим их широкое распространение, как технические приборы. Из этих недостатков основные заключаются в необходимости иметь для питания лампы источники напряжения и в зависимости градуировки (показании прибора) от питающих напряжений (их величины). Первый недостаток многие авторы и фирмы, производящее подобные приборы, стремятся уменьшить двумя путями: или строят вольтметр, лампа которого питается всего лишь от одной батареи, что до известной степени уменьшает и второй недостаток, так как следить за напряжением одной батареи и регулировать его в работе легче, чем при нескольких батареях, или строят вольтметр с питанием от осветительной сети переменного тока. Типичным прибором с одной батареей питания является широко распространенный в лабораторной практике вольтметр по патенту выпускаемый иностранной фирмой Cambridge С°, а типичным прибором с питанием от осветительной сети переменного тока является вольтметр фирмы General Radio С°.

Однако, второй недостаток - зависимость градуировки от напряжения питания, до сих пор ни в одной на существующих систем не получил радикального устранения. Так, в упомянутом вольтметре фирмы Cambridge имеется контроль напряжения батареи и орган его регулировки, который часто приходится использовать во время работы, а в вольтметре фирмы General Radio С° приходится вводить поправки, достигающие весьма большой величины, на изменения напряжения сети. Из большого количества существующих схем ламповых вольтметров наиболее широкое распространение получили вольтметры, основанные на принципе анодного детектирования, так как в них особенно ярко сказываются основные достоинства ламповых вольтметров, а именно применимость их для широкого диапазона частот и возможность осуществления прибора без потребления энергии при измерении. В дальнейшем изложении, в основном предполагаются именно такие схемы или их видоизменения, осуществленные, как приборы, прямо показывающие, т.е. отсчет измеряемого напряжения в которых производится непосредственное по величине детектированного тока по гальванометру в анодной цепи лампы.

Предлагаемое изобретение преследует цель устранения необходимости регулировать напряжение питания в процессе эксплоатации вольтметра или вводить какие-либо поправки в показания прибора при изменении режима питания, т.е. имеет целью подучить прибор, в широких пределах не зависящий от величины питающего напряжения. Как будет указано ниже, без особенного труда можно получить стабилизацию показаний вольтметра в пределах изменения напряжения источников питания в ±15% от номинального. При этом все достоинства вольтметра (пригодность для широкого диапазона частот, отсутствие потребления мощности, легкость осуществления) не нарушаются, а наоборот, могут быть увеличены.

На чертеже фиг. 1 изображает схему самого по себе известного лампового вольтметра с питанием лампы от одной батареи; фиг. 2 - то же с питанием от сети переменного тока; фиг. 3 - вольтметра, согласно изобретению.

В вольтметре первого типа независимость градуировки от напряжении на аноде и на сетке лампы достигается тем, что оба эти напряжения подводятся к электродам лампы с общего потенциометра от одного и того же источника, как эго показано на фиг. 1. Подобрав отношение между анодным напряжением и смещением такое, чтобы при изменении в требуемых пределах напряжения на потенциометре анодный ток не менялся, мы обеспечим постоянство рабочей точки на характеристике, следовательно, постоянство кривой детектировании, - определяющей в данном случае градуировку прибора.

Действительно, повышение анодного напряжения влечет за собой увеличение анодного тока со сдвигом характеристики лампы влево. При этом, в некоторых пределах можно считать, что характеристика по своей форме не изменяется, перемещаясь параллельно самой себе. Одновременное увеличение смешения на сетке лампы уменьшает анодный ток, вследствие чего рабочая точка перемещается по характеристике влево. Величина анодного тока не изменяется в том случае, если приращение смещения ΔV_g и приращение анодного напряжения ΔV_a удовлетворяют соотношению

где D - коэфициент проницаемости лампы.

Так как напряжения V_g и V_a снимаются с потенциометра от общего источника, то при условии (1) имеем

Условие (2) определяет соотношение между напряжениями на электродах, при котором величина детектированного тока (градуировка) не будет зависеть от напряжения источника питания. Разумеется, коэфициент проницаемости D лампы не является абсолютно постоянным и это соотношение может быть удовлетворено только в некоторых (однако, вполне достаточных для практики) пределах изменения напряжения источника питания.

Величина анодного тока трехэлектродной лампы выражается обычно уравнением

При выполнении условия (2) следовало бы получить i_a=0. Однако, практически это совсем не оправдывается.

Для вольтметра, питающегося от сети переменного тока, приходится учитывать изменения тока, компенсирующего начальный анодный ток лампы (на фиг. 2 этот ток обозначен У_k), и самого начального анодного тока У_a.

Так как напряжение V_o (фиг. 2) в этом случае должно подаваться через небольшой выпрямитель, одновременно для питания электродов лампы (V_a и V_g) и для компенсации тока У_a (V_k), то при изменении напряжения V_o от выпрямителя неизбежно меняется и ток компенсации У_k.

Начальный анодный ток, несмотря на удовлетворение условия (2), также меняется за счет одновременного изменения напряжения накала. Оба эти изменения до известной степени компенсируют друг друга, так как всегда направлены в одну и ту же сторону. Однако, зависимость изменения токов У_o и У_k от подводимого от сети напряжения, как правило, различна. Вследствие этого, в процессе работы начальный анодный ток может оказаться нескомпенсированным, что повлечет за собой ошибку при измерениях.

Возможность такой ошибки совершенно устраняется применением еще одной лампы, включенной в цепь компенсации, как это показано на фиг. 3, изображающей схему вольтметра, согласно изобретению.

Подбирая напряжения накала этой лампы К и ее анодное напряжение экспериментально, очень легко добиться компенсации, т.е. полного равенства токов У_о и У_k при любом значении питающего прибор напряжения сети в пределах ±15%.

Существенными элементами предлагаемого лампового вольтметра являются конденсаторы С₁ и С₂, причем конденсатор C₁ - необходим во всех ламповых вольтметрах для уменьшения полного сопротивления анодной цепи переменного тока, конденсатор же С₃ включен и подобран так, чтобы имеете с конденсатором С₁ и секциями r₁+r_а и r₃+r₄ потенциометра по обе стороны от точки присоединения гальванометра получался -уравновешенный мост. Благодаря этому, мгновенные пульсации напряжения питания не влияют на подвижную систему гальванометра.

Осуществление по изложенному способу прибора не сложно и он получается небольшим и удобным в эксплоатации, что подтверждается опытной эксплоатацией таких приборов в лабораториях ЦВИРЛ, показавшей надежность и практичность предлагаемого метода.

Ламповый вольтметр, отличающийся тем, что в общем потенциометре питания анода и сетки плечи r₁ и (r₂+r₃+r₄) подобраны так, чтобы отношение напряжений сеток, и анода равнялось проницаемости лампы, для компенсирования же начального тока через лампу применен кенотрон К, а гальванометр включен в диагональ моста Витстона, состоящего из двух конденсаторов C₁ и С₂.