32225 IMG�04 (2)

Konstrukcyjnie detektory zera są wzmacniaczami elektronicznymi o bardzo dużym wzmocnieniu Nie oczekuje się od nich realizacji dokładnej wartości wzmocnienia, natomiast powinny zapewnić napięcie na wyjściu zależne tylko od wzmacnianej, małej różnicy. Buduje się w tym celu wzmacniacze specjalnie nieliniowe, w których wzmocnienie jest tym większe, im bardziej wzmacniana różnica zbliża się do zera¹, natomiast powinny dobrze „trzymać swoje zero" i mieć niski poziom szumu Gdy detektor jest przeznaczony do ręcznego równoważenia układu pomiarowego, to z wyjściem takiego wzmacniacza łączony jest np miernik wskazówkowy i razem ze wzmacniaczem tworzy on wówczas „wskaźnik zera”

Współczesne elektroniczne konstrukcje detektorów zera (podkreślmy detektorów zera a nie znaku różnicy) spełniają zadowalająco wszystkie oczekiwania pomiarowe, tak że błąd wynikający z niepełnego zrównania napięć w układzie pomiarowym może być pomi-jalme mały^{2 3 4} Takie też kryterium doboru detektora można zalecić dla wszystkich układów pomiarowych, w których wykryć trzeba stan zrównania odpowiednich potencjałów. Kryte-num błędu pomijalnie małego przy dobieraniu detektora zera wynika z tego, że nakłady ns detektor przy takim kryterium nie będą stanowić z zasady dominującego udziału w całych kosztach układu pomiarowego o danej dokładności

Podstawową wielkością charakterystyczną detektorów zera jest czułość Liczbowo czułość jest tożsama ze wzmocnieniem i jest bezwymiarowa, gdy na wejściu i wyjściu rozpatrywane jest napięcie, rozumiana jest jako stosunek napięcia na wyjściu do napięcia na wejściu Gdy detektor na wyjściu wyposażony jest w miernik, to przez czułość rozumie się stosunek przyrostu drogi przemieszczenia wskazówki (wyrażanej np w działkach podzialki) do przyrostu napięcia na wejściu wzmacniacza (3.5). Dla detektora nieliniowego czułość

(3 5)

_ Aa da

S=--► -—

AU dU

wyrażana jest ściśle za pomocą pochodnej, której wartość, w otoczeniu zerowej wartości różnicy, jest czułością miarodajną dla użytkownika

Gdy dokładność porównywania ma być pełna i uwzględniać również właściwości organu wykonawczego w procesie równoważenia (czyli organu reagującego na wielkość wyjściową detektora), to czułość nie charakteryzuje już w pełni możliwej dokładności tego procesu, bo organ wykonawczy może nie reagować na odpowiednio małą wielkość wyjściową, np. na odpowiednio małe AU w, lub człowiek może nie dostrzegać odpowiednio małego Aa na po dzielni miernika Wówczas ta wielkość AU»>, która jest progiem reakcji układu wykonawczego na „niezrównoważeme" flak samo Aa - reakcji człowieka-obserwatora) warunkuje możliwą dokładność zrównoważenia. Wielkość tę nazywa się progiem pobudliwości układu (w którym użyty jest detektor): próg pobudliwości może być wyrażony za pomocą wielkości po stronie wyjścia detektora, a może być po stronie wejścia. W ogólnym przypadku (bo nie musi być mierzone napięcie, a może być np zmiana rezystancji) próg pobudliwości może być określony w jednostkach wielkości mierzonej.

czyli na „wejściu układu pomiarowego”’. Przy takim podejściu próg budzie od razu liczbowo wyraiać granice składowej bezwzględnego błędu porównania napięć (lub ogólniej -porównywanych wielkości) ze względu na ograniczoną czułość detektora Na ogół próg pobudliwości jest symetryczny dla przyrostu dodatniego i ujemnego, a ±AU lub ±Aa wyznaczają przedział, tzw. strefę histerezy (pomiarowej) równoważenia układu Wielkość strefy mówi, w jakim stopniu nieokreślony jest stan zrównania (obojętne, za pomocą której wielkości wyrażony: na wyjściu detektora, na jego wejściu, czy też za pomocą wielkości mierzonej, gdy jest ona inna niż wielkość wejściowa detektora).

Omówiliśmy zagadnienie czułości i progu pobudliwości detektora łącznie z układem komparacji, w którym detektor jest używany Nie jest to ścisłe. Obie wielkości odnoszone do całego układu wprawdzie w dominującej części wynikają z właściwości detektora, jednak układ komparacji ma swój udział w wypadkowej czułości i progu pobudliwości układu

Detekcja napięcia stałego rzędu kilku czy kilkunastu mikrowoltów nie jest technicznym problemem i jest wystarczająca do dość dokładnych pomiarów Detekcja napięcia rzędu stu nanowoltów jest realizowalna w układach elektronicznych Taki detektor może mieć wówczas rezystancję wejściową rzędu megaoma ( wówczas pobierany prąd jest rzędu 10 A), co wystarczy do większości bardzo dokładnych pomiarów ..Pływanie” zera takiego detektora może wynieść do ±0.5pV na dobę, co oznacza ewentualną potrzebę „pilnowania" i bieżącego adiustowania zerowego wskazania. Jeszcze czulsze detektory elektroniczne napięcia stałego - najczęściej potrzebne w niskich temperaturach - wymagają schładzania (ze względu na szum) układu elektronicznego Buduje się też detektory bardzo czułe wykorzystując inne zjawiska jako zasadę działania³.

Zastosowanie detektorów napięcia zmiennego o dużej czułości jest sensowne, jeżeli one są selektywne, ponieważ detekcja zrównoważenia układu realizowana jest dla danej częstotliwości w obecności zakłóceń elektromagnetycznych z dużego pasma częstotliwości, a od tych zakłóceń nie potrafimy separować się skutecznie Wówczas dostrajając detektor do konkretnej częstotliwości napięcia, które jest użyte do wykonywania pomiaru, możemy separować się od napięcia o innych częstotliwościach, które mogą nam uniemożliwiać dokładne mierzenie. Nawet napięcie zmienne wygenerowane przez nas i użyte do pomiarów może zawierać wyższe harmoniczne i od nich tez separujemy się stosując detektor selektywny O znacza to, że równoważymy układ pomiarowy ze względu na napięcie jednej, wybranej przez nas częstotliwości

Selektywność uzyskuje się za pomocą filtrów selektywnych Na zasadzie strojonych filtrów selektywnych buduje się mikrowoltomierze i nanowoltomicrzc selektywne i takich przyrządów używa się do detekcji (i mierzenia) Dla większych częstotliwości (np. 1000 Hz lub więcej) potrzebną selektywność nie jest trudno uzyskać, natomiast dla małej częstotliwości uzyskanie selektywności jest problemem (np szczególnie dla 50Hz). Takie detektory (tj. selektywne dzięki filtrom) reagują tylko na moduł z różnicy potencjałów, natomiast „nie ¹

91

1

W naszym przypadku wielkość poddana detekcji (napięcie) i wielkość obserwowana na wyjściu wzmacniacza jest la sama. ale już dla człowieka, który obserwuje przemieszczenie wskazówki, jest inna niż napięcie porównywane. Z lego względu próg pobudliwości, żeby wyrażał błąd zrównoważenia - w ogólnym przypadku • trzeba określić za pomocą wielkości porównywanej, bo ostatecznie błąd dotyczyć ma porównywanej wielkości. Nie należy się dziwić, że la sama właściwość tego samego układu wyraża się za pomocą różnych wielkości, zależnie od tego, co chcemy akcentować

’ Stosowane są kriogeniczne dedektory SQUID (S-uperconducting Q-uantum I-ntcrfcrcncc D-cvicc, czyli nadprzewodnikowy, interferencyjny przyrząd kwantowy), wykorzystujące odwrócone zjawisko Josephsona (w stosunku do przedstawionego na stronie 77). Tam gdzie takie detektory są używane, zapewniają one -oprócz czułości - korzystne, elektromagnetyczne sprzężenie między obwodami układu pomiarowego znajdującymi się w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego a obwodami elektrycznymi znajdującymi się w temperaturze otoczenia. Jest to wówczas cenna właściwość rozwiązania

2

' Detektor zera nic musi mieć charakterystyki liniowej, przeciwnie, korzystne jest, gdy nu np. charakterystykę logarytmiczną, bo w miernictwie jest potrzebne duże wzmocnienie granicznie malej różnicy potencjałów i małe wzmocnienie dużej różnicy Dzięki takim właściwościom skuteczniej można osiągnąć stan zrównoważenia układu

3

Za błąd pomijalnie mały uważa się laką składową błędu, która stanowi mniej niż '/< wszystkich innych

4

łącznic wziętych składowych błędu danego układu pomiarowego.