книги из ГПНТБ / Илюкович А.М. Измерительные усилители малых токов с логарифмической характеристикой
.pdfА. М. ИЛЮКОВИЧ Л. А. ВСЕВОЛОЖСКИЙ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
УСИЛИТЕЛИ МАЛЫХ ТОКОВ
С ЛОГАРИФМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ
«Э Н Е Р Г И Я»
MQCKBA 1974
W |
i s |
m |
|
6Ф6.5 |
Гос. n |
6nnL |
7 |
H9VUHC-T6’ .......... я |
|
||
И 43 |
б и б п - о |
• |
; |
УДК 621.375.024 |
иу*ГЛ>.ЬВОГО--ЗАД.Я X |
||
|
Илюкович А. М. и Всеволожский Л. А.
И 43 Измерительные усилители малых токов с лога рифмической характеристикой. М., «Энергия», 1974.
104 с. с ил.
В книге рассмотрена измерительная аппаратура с логарифмиче скими характеристиками для измерений в высокоомных электрических цепях: измерители малых (менее 10-8—К)-10 А) постоянных и медленно изменяющихся токов и больших (более 1010—1012 Ом) сопротивлений. Приведены данные по логарифмирующим элементам, используемым для преобразования малых токов в напряжение, методам исследования их характеристик, рассмотрены свойства логарифмических нзмерптель-
•ных усилителей малых токов и принципы построения измерительной аппаратуры на их основе.
Книга предназначена для специалистов по электроизмерительной технике, автоматике и радиоэлектронике.
и |
30306-234 |
6Ф6.5 |
|
051(01)-74 |
|
©Издательство «Энергия», 1974 г.
Аскольд Михайлович Илюкович, Лев Алексеевич Всеволожский
Измерительные усилители малых токов с логарифмической характеристикой
Редактор В. А. К у л и к о в |
|
||
Редактор издательства Н. А. |
М е д в е д е в а |
|
|
Обложка художника И. Г. |
И в а н о в а |
|
|
Художественный |
редактор Д. И. Ч е р н ы ш е в |
|
|
Технический редактор Л. Н. |
Н и к и т и н а |
|
|
Корректор И. А. В о л о д я е в а |
|
||
Сдано в набор 29/X 1973 г. |
Подписано к печати 21/V 19Г-1 г. |
Т-09718 |
|
Формат 84х 108'/з2 |
|
Бумага типографская № 2 |
|
Уел. печ. л. 5,46 |
|
Уч.-нзд. л. 5,84 |
|
Тираж 8 000 экз. |
Зак. 462 |
Цена |
29 коп. |
Издательство «Энергия». Москва, М-114, Шлюзовая паб.. 10. |
|
||
Московская типография № 10 С.оюзполпграфпрома |
|
||
при Государственном комитете Совета Министров СССР |
|
||
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. |
|
||
Москва, |
М-114, Шлюзовая |
наб., 10- |
|
ВВЕДЕНИЕ
Развитие современных методов научного исследова ния и новых технологических процессов обусловило фор мирование сравнительно новой области электроизмери тельной техники — электрометрии, предметом которой является измерение параметров электрических сигналов и цепей в высокоомных объектах.
Задачи, решаемые с помощью электрометрической
аппаратуры, — это |
измерения |
напряжений |
высокоомных |
||
(с внутренним сопротивлением более |
108— 10ю |
Ом) |
|||
источников, малых |
(менее 10~10— 10~8 А) |
токов, малых |
|||
(менее |
10-10 Кл) |
зарядов |
и больших |
(более |
1010— |
1012 Ом) |
сопротивлений. |
|
|
|
Одним из основных направлений электрометрии явля ется измерение малых постоянных и медленно изменяю щихся токов. Для этих целей используется пассивный преобразователь тока в напряжение в сочетании с чув ствительным измерителем напряжения, имеющим очень высокое входное сопротивление и малый уровень шу мов. В качестве пассивных преобразователей в настоя щее время применяются высокоомные резисторы, нако пительные конденсаторы и логарифмирующие элементы (ЛЭ). Теория измерителей малых токов с первыми двумя типами преобразователей разработана достаточно полно. Что касается измерителей малых токов с ЛЭ, то, несмотря на почти двадцатилетнюю историю их разви тия, некоторые вопросы теоретического и практического характера не нашли пока удовлетворительного решения.
Измерители малых токов с ЛЭ имеют ряд эксплуа тационных преимуществ перед линейными измерителями, а именно: широкий диапазон измерения, перекрываемый без переключения поддиапазонов, постоянство относи тельной погрешности во всем диапазоне измерений и возможность функционального преобразования значений измеряемых величин.
3
Первая, известная авторам, работа в данной области относится к 1939 г. [Л. 66]. В последующее десятилетие
сведения о применении ЛЭ в электрометрической аппа ратуре в печати не появлялись, что объясняется, вероят но, как недостаточным развитием областей применения, так н отсутствием методов и аппаратуры для исследо вания ЛЭ в области малых токов.
Вновь интерес к электрометрической аппаратуре с ло гарифмическими характеристиками возник в начале 50-х годов, что было обусловлено требованиями бурно разви вающейся техники измерения интенсивности ионизирую щих излучений. В этот период были разработаны прибо ры такого типа для различных областей измерительной техники. Последнее десятилетие характеризуется еще более интенсивным развитием электрометрической аппа ратуры с ЛЭ. Некоторые зарубежные фирмы производят серийный' выпуск разнообразной логарифмической аппа ратуры.
В настоящее время трудно перечислить все области применения электрометрической аппаратуры с ЛЭ.
Основными из них являются: |
|
|
|
|||
измерение |
интенсивности |
ионизирующих |
излучений |
|||
в наземных условиях [Л. |
12, 82] |
и космическом простран |
||||
стве [Л. 59, 77]; |
|
|
|
|
|
|
измерение |
мощности |
и периода ядериых |
реакторов |
|||
[Л. 35, 60, 85]; |
|
|
|
|
|
|
измерение |
малых |
токов |
и |
больших сопротивлений |
||
[Л. 49, 61, 89]; |
|
|
|
|
|
|
функциональное преобразование значений измеряе |
||||||
мых величин [Л. 14, |
78]; |
|
|
|
|
широкодиапазонные измерения токов при физико-хи мических и других исследованиях [Л. 9, 13].
Параллельно с развитием логарифмической измери тельной аппаратуры проводятся исследования параме тров ЛЭ разных типов для работы в диапазоне токов до 10-14 А и выше [Л. 70, 74, 80, 81], а также прорабаты
ваются некоторые вопросы теории логарифмических уси лителей [Л. 7, 19, 58].
Однако обобщающие публикации по дайной тематике отсутствуют, а ряд основных вопросов не получил долж ного развития. В частности недостаточно полно иссле дованы характеристики ЛЭ, мало внимания уделено методам и аппаратуре для исследования ЛЭ с приемлемы ми для измерительной техники значениями погрешно-
4
сгей, плохо проработаны общие теоретические вопросы разработки логарифмических измерительных усилителен.
Настоящая книга представляет собой попытку вос полнить указанные пробелы в теории и практике элек трометрической аппаратуры с логарифмирующими эле ментами путем обобщения имеющихся материалов и разработки некоторых, не затронутых до настоящего вре мени, вопросов данной области электроизмерительной техники.
В книге рассматривается только измерительная аппа ратура на основе ЛЭ с естественной нелинейностью, а именно для электровакуумных и полупроводниковых элементов с вольт-амперной характеристикой, описы ваемой логарифмической зависимостью. Приборы на ос нове иных методов логарифмического преобразования малых токов — с кусочно-линейной аппроксимацией ло гарифмической характеристики, с разрядом конденсато ра на колебательный контур, с нелинейными электроме ханическими приборами и т. п .—-не рассматриваются в связи со сравнительно малым их распространением, специфическими характеристиками и иными областями применения. Некоторые публикации, посвященные таким приборам, перечислены в списке дополнительной литера туры. '
В основу книги положены материалы исследований, проведенных за период 1966— 1971 гг. в лаборатории электрометрии ВНИИФТРИ, а также сведения из имею щихся публикаций. Авторы выражают глубокую призна тельность инженеру И. ГГ Михайловой за большую по мощь в проведении экспериментальных работ по данной тематике.
Авторы
Г Л А В А П Е Р В А Я
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЯХ МАЛЫХ ТОКОВ
1. Принципы построения измерителей малых токов.
Преобразователи тока в напряжение
Основной особенностью измерителен малых токов является применение пассивных преобразователей тока в напряжение с весь ма большим значением сопротивления. Предельная чувствительность любого измерителя тока зависит от тока тепловых шумов, который определяется выражением
/ 2 = 4 kTAf/R, |
■ |
(О |
где £ = 1 ,3 8 -Ю -23 Д ж /К — постоянная |
Больцмана-, Т — абсолютная |
|
температура; Af — полоса частот, в которой определяются |
шумы; |
R — внутреннее сопротивление измерителя.
Как видно из этого выражения, ток тепловых шумов тем мень шем, чем больше сопротивление R. Нетрудно подсчитать, что для
снижения тока тепловых шумов до уровня 10~17—Ю-10 А в полосе
частот от нуля до 0,01—0,1 |
Гц необходимо применять приборы |
с внутренним сопротивлением |
не .менее 10й— Ю'а Ом. Сравнительно |
низкоомные измерительные устройства, чувствительные к току (маг нитоэлектрические гальванометры, гальванометрнческне усилители, магнитные усилители, усилители на биполярных транзисторах), не могут быть в связи с этим использованы при измерении токов ме нее 10-9__10-1» А. Измерение токов менее 10—10 А можно выполнить только с помощью устройств, состоящих из высокоомного преобра зователя тока в напряжение и измерителя напряжения на этом пре образователе. Требование высокого сопротивления преобразователя
приводит к необходимости- |
применения |
измерителен |
напряжения |
с очень большим входным |
сопротивлением |
.(до 10“ — К) |
им ), д о |
полнительным требованием, обусловленным малым уровнем измеря емых токов и соответственно малыми значениями напряжения на выходе преобразователя, является максимальное уменьшение пара зитных токов и шумов как самого пассивного преобразователя, так
ивходных цепей измерителя напряжения.
Вкачестве преобразователей находят применение высокоомные
композиционные резисторы, конденсаторы с высококачественной изоляцией и логарифмирующие элементы с естественной нелинеи-
Эквивалентная схема измерителя малых токов с высокоомным преобразователем приведена на рис. 1. Высокоомный пряобразова-
6
тель представлен основным параметром Р, эквивалентным источни
ком напряжения помех епр, эквивалентным источником тока помех (Пр, а также шунтирующим параметром Р т.
Входная цепь измерителя напряжения И характеризуется со противлением Rn, емкостью С„, током помех щ и напряжением по
мех |
еп. |
|
параметры |
эквивалентной схемы |
перечисленных |
||||||
|
Рассмотрим |
||||||||||
выше высокоомных преобразователей. |
|
|
|||||||||
|
Основным параметром высокоомного резистора, определяющим |
||||||||||
особенности |
его |
работы |
в качестве |
преобразователя |
малого тока |
||||||
в напряжение, |
является |
сопротивле |
|
|
|||||||
ние. Значение сопротивления в об |
|
|
|||||||||
щем случае зависит от протекающего |
|
|
|||||||||
через резистор тока и изменяется во |
|
|
|||||||||
времени под влиянием температуры, |
|
|
|||||||||
влажности и т. п. Отечественные вы |
|
|
|||||||||
сокоомные резисторы |
типов |
КВМ |
и |
|
|
||||||
КЛМ |
выпускаются |
с |
номинальными |
|
|
||||||
значениями до |
I012 |
Ом, |
значительно |
|
|
||||||
зависят от приложенного напряжения |
|
|
|||||||||
(коэффициент напряжения), имеют |
|
|
|||||||||
температурный |
коэффициент |
до |
|
|
|||||||
0,25%/К и временной дрейф |
до |
не |
|
|
|||||||
скольких процентов в год. |
напря |
|
|
||||||||
|
Эквивалентный |
источник |
|
|
|||||||
жения |
помех |
высокоомного резистора |
|
|
|||||||
представляет |
собой |
результирующее |
|
|
|||||||
напряжение, возникающее от дей |
|
|
|||||||||
ствия |
большого |
числа факторов, та |
|
|
|||||||
ких, |
как тепловой |
шум |
сопротивле |
|
|
||||||
ния, |
дробовой шум тока, |
термо-э. д. с., |
|
|
|||||||
электрохимические потенциалы и т. д. |
|
|
|||||||||
В общем случае этот источник удоб |
|
|
|||||||||
но |
представить |
постоянной |
состав |
Рис. 1. Эквивалентная схе |
|||||||
ляющей (точнее, составляющей, |
пе |
ма измерителя малых то |
|||||||||
риод |
изменения |
которой |
много боль |
ков. |
|
||||||
ше |
времени |
измерения) |
и |
перемен |
|
|
|||||
ной |
составляющей, |
период |
измене |
|
|
ния которой близок ко времени измерения. Разумеется, эквивалент ный источник может содержать и более высокочастотные состав ляющие, но они, как правило, не представляют интереса, поскольку могут быть отфильтрованы тем или иным способом.
Эквивалентный источник тока помех также является результа том действия многих факторов. Основной его составляющей можно считать так называемый паразитный ток конструктивных изоляторов резистора, обусловленный возникновением зарядов в объеме изоля тора под действием механических напряжений, химических реакций, радиационной загрязненности материалов и т. п. В общем случае эквивалентный источник тока помех также содержит постоянную и переменную составляющие.
В реальных случаях измерения напряжения на резисторе прак тически невозможно разделить составляющие помехи, обусловлен
ные |
эквивалентными |
источниками |
напряжения |
и |
тока |
резистора. |
|
Поскольку входное |
сопротивление |
измерителя |
R n |
в реальных |
слу |
||
чаях |
значительно больше сопротивления преобразователя |
У?пр, |
по- |
7
столикую и переменную составляющие помехи целесообразно пред ставить в виде эквивалентного источника напряжения, учитывающе го действие помех по току н напряжению.
Шунтирующим параметром резистора является емкость. В срав нительно узкой полосе частот высокоомный резистор может быть представлен з виде параллельного соединения сопротивления н емкости.
Последняя для реальных резисторов имеет порядок десятых до лей пикофарады. В широкой полосе частот (от нуля до 10— 100 Гц) приходится учитывать распределенную емкость резистора и приме нять более сложные схемы замещения.
В качестве емкостных преобразователен тока в напряжение (точнее, в скорость изменения напряжения) применяются серийные конденсаторы с высококачественной изоляцией или специально раз
рабатываемые |
двух- и трехзажимные воздушные |
конденсаторы |
с опорными |
изоляторами из высококачественного |
диэлектрика. |
Основным параметром конденсатора является емкость. Она прак тически не зависит от проходящего через конденсатор тока. Вре
менной и температурный дрейф емкости конденсатора |
незначителен |
|||
(на уровне десятых — сотых долей |
процента и |
в большинстве слу |
||
чаев может не учитываться. |
|
|
|
|
Погрешность преобразования |
в |
данном |
случае |
определяется |
неточностью измерения емкости |
конденсатора |
и изменением емко |
сти в процессе накопления заряда под влиянием медленной поляри зации (абсорбции) диэлектрика [Л. .10]. Благодаря абсорбции емкость конденсатора оказывается зависящей от частоты измеря емого тока. Для конденсаторов с высококачественным диэлектри ком (фторопласт, полистирол) составляющая погрешности, обуслов ленная абсорбцией, не превышает обычно 0,1—0,2%. Для воздушных конденсаторов эта составляющая пренебрежимо мала.
Для конденсатора в основном характерны те же источники по мех по току и напряжению, что и для резистора. Однако в связи с тем, что измерение напряжения на конденсаторе осуществляется при условии (где R m — шунтирующее сопротивление изо
ляции конденсатора), названные помехи целесообразно характери зовать эквивалентным источником тока, содержащим постоянную и переменную составляющие.
Шунтирующее сопротивление конденсатора определяется в ос новном поверхностным сопротивлением изоляторов и в высококаче ственных трехзажнмных конденсаторах достигает 1015— 1010 Ом.
В качестве логарифмирующих преобразователей тока в напря жение применяются электровакуумные и полупроводниковые прибо ры с вольт-амперной характеристикой, описываемой логарифмиче ской зависимостью. Сопротивление ЛЭ изменяется под действием измеряемого тока таким образом, что абсолютные приращения на пряжения при одинаковых относительных приращениях тока оста ются неизменными. В зависимости от типа ЛЭ и режима его рабо
ты приращение напряжения на декаду тока |
лежит в пределах от |
50 мВ до нескольких вольт. |
сопротивление. Одна |
Основным параметром ЛЭ является его |
ко в связи с тем, что сопротивление зависит от приложенного на пряжения (измеряемого тока), причем эта зависимость зачастую искажается различными паразитными факторами, поведение ЛЭ как преобразователя малого тока в напряжение наиболее полно может быть описано только его вольт-амперной характеристикой.
8
Помехи ЛЭ, так же как и в случае высокоомного реЗйбтОрф целесообразно представить в виде эквивалентного источника напря
жения. Однако |
постоянную |
составляющую напряжения помехи |
||
зачастую |
невозможно выделить из |
вольт-амперной характери |
||
стики ЛЭ. |
|
|
|
|
В общем случае ЛЭ шунтирован сопротивлением изоляции и |
||||
емкостью |
между |
электродами. |
Однако |
шунтирующее сопротивление |
в этом случае невозможно выделить в чистом виде, так -как его
влияние проявляется |
в искажении вольт-амперной характеристики |
|||
ЛЭ |
(особенно |
в области малых токов). |
Емкость ЛЭ определяет по |
|
лосу |
рабочих |
частот |
преобразователя. |
Более подробный анализ |
свойств ЛЭ дан в гл. |
2. |
|
2. Электрометрические усилители
Построение высокочувствительных измерителей |
напряженнг |
с достаточно большим входным сопротивлением для |
работы в ком |
плекте с высокоомными преобразователями тока в напряжение яв ляется достаточно сложной задачей. В подавляющем большинстве случаев такие измерители выполняются на основе так называемых
электрометрических |
усилителей (ЭМУ), назначением которых явля |
|||||||||
ется усиление мощности (а в |
|
|
. |
|
||||||
ряде случаев и напряжения) |
|
|
ЭМУ |
|
||||||
сигнала, снимаемого с преобра |
|
|
|
|
||||||
зователя, что необходимо для |
|
|
|
|
||||||
нормальной |
работы |
выходных |
|
|
|
|
||||
показывающих |
или |
регистри |
|
|
|
|
||||
рующих |
устройств. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Эффективность |
работы вы |
|
|
|
|
|||||
сокоомного |
преобразователя |
|
|
|
|
|||||
в комплекте с |
ЭМУ в |
значи |
Рис. 2. |
Эквивалентная |
схегла |
|||||
тельной |
степени |
зависит |
от па |
входной |
цепи ЭМУ. |
|
||||
раметров последнего. Экви |
|
|
|
|
||||||
валентная |
схема входной |
це |
|
|
|
|
||||
пи ЭМУ |
приведена |
на |
рис. |
2. |
|
|
|
|
||
Входная цепь усилителя в общем случае может |
быть охаракте |
|||||||||
ризована |
входным |
сопротивлением |
входной |
емкостью |
CDX, |
эквивалентным источником напряжения помех евх и эквивалентным
источником тока помех iDX. Аналогично эквивалентным источникам помех высокоомных преобразователей можно считать, что источники помех входной цепи ЭМУ также содержат постоянные и перемен ные составляющие. Однако если природа источников тока помех как у преобразователя, так и у ЭМУ практически одинакова, то экви валентный источник напряжения помех ЭМУ отражает результирую щее действие помех (временного дрейфа, температурной нестабиль ности, теплового и дробового шума и т. и.) всех элементов ЭМУ. приведенное ко входу усилителя.
Параметры эквивалентной схемы входной цепи ЭМУ в значи тельной степени определяют погрешность, а в некоторых случаях и быстродействие измерителя тока, что обусловливает жесткие тре бования к входному элементу ЭМУ.
Значительное увеличение входного сопротивления ЭМУ (в прин ципе до бесконечности) может быть получено только при исполь зовании во входном каскаде элемента, управляемого электростати-
9