Глава девятая. Изучение быстропеременных процессов

Как записывают быстрые процессы

При решении целого ряда научных и технических задач важно знать не только промежуток времени между началом и окончанием того или иного явления, но и характер протекания изучаемых процессов. Для этого нужны уже не секундомеры, а записывающие устройства. Для записи не очень быстрых процессов применяются различного типа самописцы, состоящие из двух основных частей: пишущего устройства и лентопротяжного механизма.

Пишущее устройство самописца делается, подобно подвижной части электроизмерительных приборов, в виде легкой рамки, помещенной между полюсами сильного магнита. При протекании электрического тока через эту рамку она поворачивается. Угол поворота рамки тем больше, чем больше сила протекающего через нее тока. Вместо стрелки-указателя в самописце обычно с подвижной рамкой скрепляется тонкое перо, пишущее чернилами на бумаге.

Передвижение ленты осуществляется с помощью специального часового механизма или электромотора, обеспечивающих равномерное ее движение. Лентопротяжные устройства таких приборов позволяют получить скорости движения ленты от нескольких сантиметров в сутки до нескольких метров в секунду.

Самые быстродействующие из таких приборов имеют разрешающую способность порядка тысячных долей секунды. Для увеличения скорости записи надо уменьшить вес подвижных частей прибора. Как это сделать? Если сделать перо самописца короче, то оно станет легче, но масштаб записи мельче. Этот путь при выигрыше в одном несет проигрыш в другом. Это затруднение остроумно преодолевается в шлейфовом осциллографе. Подвижная часть осциллографа состоит из тонкой проволочной петельки, помещенной между полюсами сильного магнита. К проволочной петельке прикреплено маленькое зеркальце. При протекании электрического тока через проволочную петельку она поворачивается вместе с зеркальцем. От специального осветителя на зеркальце направляется узкий пучок света, который оно отбрасывает на движущуюся фотографическую бумагу. Фотобумага помещается на расстоянии нескольких десятков сантиметров от зеркальца. Таким образом, в шлейфовом осциллографе для записи вместо тяжелого стержня с пером используется луч света.

При протекании через шлейфовый осциллограф измеряемого электрического тока той или иной величины, его шлейф с зеркальцем поворачивается на соответствующий угол, а световой зайчик смещается по фотографической бумаге на соответствующее расстояние. Благодаря легкости подвижного устройства шлейфовый осциллограф позволяет записывать изменения различных величин, происходящие в течение тысячных и десятитысячных долей секунды.

Самописцы и шлейфовые осциллографы нашли широкое применение в самых различных областях науки и техники. Они применяются для статистического контроля машинного времени (т. е. определения длительности работы и простоя машин), контроля работы энергосетей и контроля различных технологических процессов; в медицине их успешно используют для записи токов сердца (электрокардиография), в сейсмологии - для записи упругих колебаний земной коры, и т. д.

В этих приборах прием сигналов и их регистрация производятся электрическим блоком, а временная развертка осуществляется лентопротяжным устройством, т. е. блоком механическим. Таким образом, эти приборы являются наполовину электрическими и наполовину механическими. Поэтому для записи очень быстрых процессов они оказались непригодными.

Электронно-лучевой осциллограф

Если струйку воды под напором выпустить через очень узкое отверстие, то вследствие трения о стенки трубки она окажется наэлектризованной. Пропустив эту струйку между двумя металлическими разноименно заряженными пластинками, можно увидеть, как она отклоняется при включении тока. Изменив с помощью переключателя полярность этих пластинок, можно наблюдать, как струйка поворачивается в другую сторону. При этом угол ее отклонения оказывается тем больше, чем больше разность потенциалов между заряженными пластинками.

Будучи студентом, автор этой книги собрал такой "струнный осциллограф" и демонстрировал своим товарищам. Если вы захотите его сделать, то поместите сосуд с водой на высоте 1,5-2 м над рабочим столом, чтобы создать напор воды. Соедините этот сосуд резиновым шлангом с пипеткой или иной стеклянной трубкой с узким отверстием. Между сосудом и пипеткой пристройте кран или зажим для регулировки подачи воды. На пути струйки установите на изоляторах две металлические пластинки и подведите к ним через двухполюсный перекидной рубильник провода от сухой батарейки. Зазор между пластинками должен быть небольшим. Разность потенциалов должна составлять несколько десятков вольт. Внизу нужно поставить какой-нибудь поддон или ведро.

Такая система может быть использована для записи различных процессов, но не очень быстрых, так как даже самая тонкая струйка, состоящая из маленьких капелек воды, обладает все еще слишком большой массой и инерцией.

Можно ли создать струйку, частицы которой были бы настолько легкими, чтобы их инерция не сказывалась при записи даже весьма быстрых процессов? Оказывается, что это сделать можно. Для этого нужно воспользоваться пучком электронов - мельчайших отрицательно заряженных частичек, вес каждой из которых всего 9*10^-28 грамма. Устройство, в котором запись различных процессов осуществляется с помощью пучка электронов, называется электронно-лучевым осциллографом.

Электронно-лучевой осциллограф состоит из двух основных частей: электронно-лучевой трубки и электрической схемы. В электронно-лучевой трубке имеется Устройство для получения узкого пучка быстрых электронов и экран, который светится в тех местах, куда ударяют электроны. Электрическая схема управляет движением электронного пучка таким образом, что в зависимости от характера записываемого процесса на экране электронно-лучевой трубки получается то или иное изображение.

Устройство электронно-лучевой трубки (рис. 33) следующее: в одном конце трубки, в узком ее горле, помещается катод К, испускающий электроны. Катод осциллографной трубки представляет собой маленький никелевый стаканчик, на донышко которого, обращенное к экрану трубки, нанесен оксидный слой. Внутри стаканчика расположена металлическая нить-подогреватель. При включении тока накала эта нить раскаляется и разогревает никелевый стаканчик. При этом оксидный слой интенсивно испускает электроны.

Рис. 33. Электронно-лучевая трубка

Теперь электроны, испускаемые катодом, нужно свести в узкий пучок, направить их на экран и сообщить им скорость, достаточную для получения яркого изображения. Для этого на катод К надевается еще один никелевый стаканчик В с небольшим круглым отверстием в донышке. Этот стаканчик называют управляющим электродом, или цилиндром Венельта.

При подаче на него отрицательного напряжения электроны отталкиваются от его боковых стенок и сплошной части донышка и устремляются в его отверстие. Пучок электронов, вылетающих из катода, приобретает форму пламени свечи, острие которого проходит через отверстие в цилиндре Венельта. Увеличивая отрицательное напряжение на цилиндре Венельта, можно свести электроны в очень узкий пучок. При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения на цилиндр6 Венельта интенсивность электронного пучка можно ослабить и даже запереть его совсем. Таким образом, цилиндр Венельта в осциллографической трубке выполняет две важные функции: фокусирование луча и изменение его интенсивности, вплоть до полного запирания.

За цилиндром Венельта расположено несколько анодов А, на которые подается положительный относительно катода потенциал в несколько сотен или тысяч вольт. Аноды выполняются в виде цилиндрических стаканчиков с отверстием в донышке и круглых диафрагм отверстием в середине. Их роль заключается в дальнейшей фокусировке электронного пучка и ускорении электронов.

Вся эта система электродов из катода К, цилиндра Венельта В и анодов А образует так называемый электронный прожектор ЭП - устройство, которое дает очень узкий пучок быстрых электронов, электронный луч.

В середине электронно-лучевой трубки расположены все пары отклоняющих пластин (1, 1', 2, 2' на рис. 33). В широком конце трубки расположен флуоресцирующий экран, приготовленный из специального состава, который ярко светится в тех местах, куда ударяют электроны.

Пока на отклоняющих пластинах нет электрических зарядов, они не создают отклонения электронного луча, он попадает на середину экрана, где и создает яркое ветлое пятнышко.

Если какую-нибудь пару отклоняющих пластин, апример 2, 2' зарядить, причем пластине 2 сообщить положительный, а пластине 2' отрицательный заряд, то электронный луч, состоящий из отрицательно заряженных частичек, будет притягиваться к пластине 2 и отталкиваться от пластины 2'. В результате луч отклоняется светлое пятно на экране смещается по горизонтали вправо. При изменении полярности пластин луч смещается влево. Чем больше заряд на пластинах, т. е. чем больше разность потенциалов между ними, тем больше смещение луча. Если зарядить пластины 1, 1', то происходит смещение луча по вертикали.

В электронно-лучевом осциллографе экран неподвижен. Вместо движения ленты или экрана заставляют читаться электронный луч. Для этого служит вторая пара отклоняющих пластин 2, 2' на которую подается постепенно нарастающее электрическое напряжение, заставляющее электронный луч смещаться по горизонтали вдоль экрана с постоянной скоростью. На первую пару отклоняющих пластин (пластины явления) 1, 1' подаются электрические сигналы, характеризующие исследуемый процесс.

Когда с помощью электронно-лучевого осциллографа записывается быстрое однократное явление, например электрический разряд, то картина на экране осциллографа мелькает столь быстро, что ее трудно рассмотреть или сфотографировать. Это затруднение легко преодолевается, если изучаемое явление периодическое или его можно повторять много раз в течение секунды.

В этом случае горизонтальную развертку электронного луча так согласовывают с моментом начала явления, что на экране осциллографа ряд последовательных изображений одного и того же явления получаются точно на одном и том же месте и накладываются друг на друга. Эту картину, фактически мелькающую много раз в секунду, наш глаз воспринимает как неподвижное слитное изображение, имеющее некоторую среднюю яркость. Средняя яркость тем больше, чем выше частота повторения. При достаточной частоте повторения изображение можно спокойно рассмотреть, измерить и без особого труда сфотографировать.

В тех случаях, когда нельзя добиться многократного повторения явления, для получения достаточной яркости изображения пользуются высоковольтным осциллографом.

В высоковольтном осциллографе между катодом и анодом электронно-лучевой трубки создается разность потенциалов в несколько десятков тысяч вольт. При этом электронам сообщается настолько большая энергия, что при ударе об экран они вызывают ослепительное свечение. Изображение на экране получается настолько ярким, что, несмотря на кратковременность, его легко можно сфотографировать.

В осциллографе скорость горизонтального движения электронного луча может быть задана заранее. Выбором этой скорости устанавливается масштаб времени развертки.

Электронно-лучевой осциллограф позволяет записывать самые различные процессы и при этом измерять их длительность, скорость течения, а также измерять промежутки времени между отдельными фазами данного процесса.

Радиодальномерное устройство

В густом тумане самолет идет на посадку. Пилот с помощью радиодальномерной установки определяет расстояние между самолетом и землей. Определение расстояния производится быстро и достаточно точно. Как это делается?

В радиолокационных установках, столь распространенных в настоящее время, расстояние до различных предметов определяется по времени запаздывания отраженных от этих предметов радиосигналов. Для этого применяется специальный импульсный радиопередатчик, который несколько тысяч раз в секунду посылает короткие порции высокочастотных электромагнитных колебаний, разделенных паузами. Каждая такая высокочастотная посылка с помощью специального устройства расщепляется на две части, одна из которых непосредственно поступает в приемное устройство, а другая К помощью направленной антенны передатчика посылается в заданном направлении, отражается от преграды и, возвращаясь назад, улавливается антенной приемника.

Измерению подлежит величина запаздывания - эхо, т. е. промежуток времени между посылкой передатчиком первичного радиосигнала и приходом отраженного сигнала. Величина времени запаздывания отраженного сигнала. Величина времени запаздывания отраженного сигнала поделенная пополам, т. е. длительность прохождения сигналом пути до преграды, умноженная на скорость распространения радиосигнала, дает расстояние до предмета. Таков принцип работы радиодальномера. В радиолокационных устройствах па этом же принципе решается более широкая задача определения не только расстояний, но и контуров удаленных предметов. Радиолокационные устройства оказались чрезвычайно полезными для самолетовождения, мореплавания и во многих других случаях, так как их работе не мешают ни туман, ни темнота.

Величина промежутков времени, которые приходится определять при работе радиодальномерной установки, зависит от расстояний до предметов и скорости распространения радиосигналов.

Скорость распространения радиосигналов очень велика. Пешеход проходит за одну секунду 1-1,5 м, бегун пробегает 5-10 м, автомобиль проезжает 20-40 м, самолет пролетает 100-300 м, ружейная пуля и дальнобойный снаряд 500-800 м, а электромагнитная волна (радио- или световой сигнал) -300 000 км. За одну миллионную долю секунды радиосигнал успевает продвинуться на расстояние 300 м.

При измерении с помощью радиодальномера расстояния в 1,5 км запаздывание отраженного сигнала составляет стотысячную долю секунды, а при измерении расстояния в 15 м - лишь десятимиллионную долю секунды. В радиодальномерном приборе измерение столь коротких промежутков времени производится с помощью электрической схемы и электронно-лучевой трубки. В этом устройстве вторая пара отклоняющих пластин электронно-лучевой трубки, как обычно, служит для развертки изображения. На нее от специального генератора развертки подается нарастающее напряжение, которое вынуждает электронный луч двигаться по горизонтальной прямой с определенной скоростью. В результате получается прямая развертка изображения. На электроды первой пары отклоняющих пластин трубки один за другим попадают два импульса тока: первый - в момент посылки сигнала радиолокационным передатчиком, второй - в момент прихода эхо.

Расстояние между этими сигналами (рис. 34) пропорционально времени запаздывания эхо и в определенном масштабе соответствует измеряемому расстоянию. На экран электронно-лучевой трубки радиодальномерного устройства деления обычно наносятся непосредственно в единицах измеряемого расстояния.

Рис. 34. Прямая развертка изображения

Рассмотрим вопрос о том, какие промежутки времени позволяет отсчитывать описанное устройство и с какой точностью. Если расстояние от одного края экрана трубки до другого электронный луч проходит за 0,01 сек, а наименьшее расстояние между сигналами на экране, которое можно с уверенностью отсчитать, составляет 0,01 диаметра экрана, то самый меньший промежуток времени, который можно измерить, равняется десятитысячной доле секунды, а самый большой - сотой доле секунды.

Если увеличить скорость горизонтального движения электронного луча в десять раз, так что расстояние от одного края экрана до другого он пройдет за 0,001 сек, о и чувствительность отсчета повысится в десять раз, теперь наименьший промежуток времени, который можно отсчитать, составляет стотысячную долю секунды, но нельзя отсчитывать промежутков времени большe 0,001 сек.

Можно ли отсчитывать относительно большие промежутки времени с большой точностью, т. е. увеличить чувствительность отсчета, не уменьшая интервала измерений?

Для этого есть два пути. Один заключается в том, что увеличивается скорость развертки и в электрическую схему прибора вводится блок задержки сигнала. Увеличение скорости развертки увеличивает чувствительность измерений, так как теперь тот же интервал времени соответствует большему смещению горбика на экране осциллографа. Введение калиброванной задержки сигнала позволяет при этом сохранить или даже увеличить измеряемый промежуток времени.

Но есть и другой путь увеличения широты шкалы прибора и чувствительности измерений. Ведь, пользуясь описанным выше методом прямой развертки изображения, поступают столь же неэкономно, как если бы, печатая книгу, на каждой ее странице использовали для текста только одну строку, оставляя все остальное место свободным. Заставляя с помощью специальной электрической схемы электронный луч двигаться по экрану трубки, как по строчкам книги: слева направо от одного края экрана до другого, затем чуть ниже опять от одного края до другого и т. д. (рис. 35), можно значительно увеличить длину записи. При такой, строчной, развертке площадь экрана используется значительно лучше.

Рис. 35. Строчная развертка изображения

Применение строчной развертки позволяет решить поставленную ранее задачу, так как, когда электронный луч движется с повышенной скоростью по более длинному пути, то можно отсчитать относительно большие промежутки времени с большой точностью.

Еще лучшее использование всей площади экрана трубки дает спиральная развертка (рис. 36). Длительность прохождения лучом всех витков спирали соответствует наибольшему промежутку времени, доступному для отсчета, а каждый виток спирали - некоторой кратной доле этого промежутка. Значительное увеличение длины записи позволяет в этом случае, не уменьшая пределов, доступных для измерения промежутков времени, еще более повысить точность измерений.

Рис. 36. Осциллограмма развертки изображения с прерывистой спиралью

Сколько хорошей выдумки заложено в эти методы и приборы, как остроумно использованы богатые возможности электронно-лучевой техники, но одна трудность еще не преодолена. Дело в том, что во всех описанных приборах предполагалась строгая равномерность движения луча по экрану осциллографа. Между тем на самом деле это не так.

Затруднения, связанные с неравномерностью развертки, преодолеваются введением калибровочных меток времени. В приборе такого типа, разработанном в Принстонском университете, переменное напряжение, имеющее частоту 10 000 периодов в секунду, подводится к пластинам осциллографа для управления движением луча. Таким образом, одну окружность луч обходит за 100 микросекунд. Блок запирания луча через каждые 5 мксек выдает отрицательный сигнал длительностью в 0,5 мксек. Этот сигнал запирает электронный луч, создавая перерыв в записи. Таким образом, по длине окружности получается 20 перерывов записи.

При поступлении на вход прибора первого внешнего управляющего сигнала электронный луч начинает описывать спираль; прочертив в течение измеряемого промежутка времени дугу определенной длины, при поступлении второго управляющего сигнала луч останавливается и выключается. На экране осциллографа получается изображение прерывистой спирали (рис. 36).

Определение величины измеряемого промежутка времени сводится к измерению длины дуги. В данном приборе каждый целый виток спирали соответствует 100 микросекундам, а расстояние между метками - 5 мксек. При другой частоте развертки масштаб получается другим.

Приборы такого типа позволяют отсчитывать различные промежутки времени с точностью в миллионные и десятимиллионные доли секунды.

Молния на экране осциллографа

Вот где-то вдали вспыхивают зарницы. По мере приближения грозового фронта облаков молния все ярче озаряет их края розовато-красным светом; спустя некоторое время после вспышки доносится гром. Когда грозовые облака оказываются очень близко, молнии одна за другой ослепительно яркими зигзагами прорезают небо, и оглушительный гром почти непосредственно следует за вспышкой.

Молния представляет собой электрический разряд огромной мощности и нередко приносит большие бедствия. Попадание молнии в человека грозит смертью. Попадание молнии в дома, в провода линии передачи электрической энергии или линии телефонной и телеграфной связи угрожает серьезными разрушениями. Поэтому для народного хозяйства разработка грозозащитных устройств является весьма важной задачей.

Для успешной разработки различных грозозащитных устройств необходимо изучить свойства молнии: величину тока и напряжения грозового разряда, скорость их изменения и т. д. Как это сделать?

Грозовой разряд протекает столь быстро, что для его изучения необходимо уметь измерять тысячные и даже миллионные доли секунды. Обычную фотографию молнии получить нетрудно. Для этого достаточно в грозовую ночь на некоторое время оставить заряженный фотоаппарат с открытым затвором. Полученные таким образом фотографии очень красивы, но дают лишь общий вид молнии и, к сожалению, ничего не могут сказать о ее электрических свойствах.

Если фотопленку намотать на барабан, соединенный с мотором, и сообщить пленке быстрое вращение с определенной скоростью, то получится фотография молнии, развернутая во времени, называемая бойсограммой. Изображение молнии получается растянутым и изогнутым. Зная скорость движения фотопленки, по углу изгиба изображения молнии и некоторым дополнительным данным можно вычислить скорость движения грозового разряда. Эти сведения сами по себе интересны, но недостаточны для выяснения электрических свойств молнии.

Очень удобным прибором, пригодным для изучения столь быстро протекающих процессов,- является электронно-лучевой осциллограф. При изучении молнии на первую пару пластин электронно-лучевой трубки подается ток или напряжение грозового разряда. На вторую пару пластин от специального генератора развертки подается быстро нарастающее напряжение развертки, вынуждающее электронный луч двигаться по горизонтали с большой скоростью. Сила тока и напряжение грозового разряда слишком велики для того, чтобы их можно было непосредственно подать на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. Поэтому между антенной, воспринимающей ток молнии, и электронно-лучевым осциллографом, записывающим его, ставятся делители тока и. напряжения, которые уменьшают измеряемые величины в определенное число раз.

При изучении молнии задача осложняется еще и тем, что грозовой разряд представляет собой случайное однократное явление, возникающее внезапно на разных расстояниях от наблюдателя. Для решения такого рода задач И. С. Стекольниковым был построен импульсный высоковольтный осциллограф, снабженный ждущей схемой развертки, включающей прибор при возникновении явления. Скорость горизонтального движения электронного луча в этом приборе - порядка сотни тысяч километров в секунду. Достаточная яркость изображения обеспечивается за счет высокого напряжения в 20 000 вольт, разгоняющего электроны так сильно, что при их ударах об экран получается ослепительное свечение.

Работа импульсного высоковольтного осциллографа полностью автоматизирована. В нерабочем, "ждущем" положении прибора электронный луч убран за экран. При грозовом разряде ток, появляющийся в приемной антенке, включает осциллограф и спускает развертку времени, управляющую горизонтальным движением электронного луча.

Ток грозового разряда, подлежащий измерению, сначала проходит отрезок кабеля, свернутого петлей, а уже затем поступает на пластины электронного осциллографа. Таким образом создается задержка сигнала от наблюдаемого явления, необходимая для того, чтобы электронный луч успел дойти до края экрана. После записи Ванного грозового разряда импульсный электронный осциллограф автоматически подготовляется к записи следующего.

В результате таких исследований удалось выяснить характер изменений во времени силы тока и напряжения грозового разряда, а также установить, что скорость движения молнии составляет около 0,1 скорости света, причем молния движется толчками. Сначала молния пробивает перед собой узкий проводящий канал, электризуя окружающий воздух, потом по этому каналу устремляя основной мощный заряд, значительно расширяющий, затем вновь пробивается узкий проводящий канал. Измерения показали, что сила тока в канале молнии достигает 200 000 ампер, а напряжение, при котором начинается грозовой разряд, имеет величину порядка 50-100 миллионов вольт.

Эти исследования оказались очень полезными при разработке методов и устройств для защиты от грозы.