2.2.6. Электростатические вольтметры

Электростатические (ЭС) вольтметры применяются в основ­ном для измерения напряжений в высоковольтных цепях как по­стоянного, так и переменного тока.

Конструкция и принцип действия. Принцип действия устрой­ства электростатического механизма основан на взаимодействии заряженных электродов. В основе конструкции этого ИМ (рис. 23) два электрода (алюминиевые пластины, между которыми воздуш­ный зазор), образующих переменную емкость. Измеряемое напря­жение U подается на неподвижную пластину 1, образующую свое­образную камеру, и подвижную 2, закрепленную на оси 3. Спи­ральная пружина 4 служит для создания противодействующего момента М_пр. Стрелка 5 и шкала 6 образуют отсчетное устройство.

Подведенное к пластинам напряжение U создает между пласти­нами электрическое поле. Под действием электростатических сил притяжения подвижная пластина втягивается в камеру неподвиж­ной пластины, поворачивая при этом ось со стрелкой. Чем выше приложенное (измеряемое) напряжение U, тем глубже входит подвижная пластина внутрь неподвижной (увеличивается площадь перекрытия пластин) и тем больше угол поворота. Геометрия под­вижной пластины выбирается такой, чтобы повысить линейность (равномерность) шкалы прибора.

Вращающий момент М равен производной энергии этой элек­тромеханической системы по углу поворота α :

М = ,

где U – напряжение на пласти­нах; С – емкость между пласти­нами; α – угол поворота оси сер­дечника.

Рис. 23. Устройство электростатического механизма: 1 – неподвижная пластина;

2 – подвижная пластина; 3 – ось; 4 – спираль­ная пружина; 5 – стрелка; 6 – шкала

Противодействующий момент определяется по формуле

М_пр = αΩ,

где Ω – удельный противодействующий момент. Моменты М и М_пр направлены навстречу друг другу. С ростом угла поворота α противодействующий момент М_пр пропорцио­нально растет. Это происходит до тех пор, пока моменты не станут равными. При М = М_пр

= αΩ .

Следовательно, уравнение шкалы ЭС вольтметра имеет вид

.

Из последнего уравнения следует, во-первых, что ЭС приборы могут измерять напряжение в цепях и постоянного, и переменно­го тока, а во-вторых, что шкала у ЭС вольтметров – нелинейная (квадратичная).

Расширение диапазонов измерения ЭС вольтметров можно вы­полнять несколькими способами. На постоянном токе это дела­ется с помощью резистивного делителя напряжения (рис. 24, а). На переменном токе используют емкостной делитель напряжения (рис. 24, б) или, в крайнем случае, добавочный конденсатор (рис. 24, в), который совместно с емкостью самого ЭС механизма также создает делитель напряжения.

а б в

Рис. 24. Способы расширения диапазонов измерения ЭС вольтметра с помощью:

а – резистивного делителя; б – емкостного делителя; в – добавочногоконденсатора

Особенности ЭС вольтметров. К достоинствам ЭС вольтметров можно отнести следующие:

• высокое входное сопротивление (на постоянном напряжении – практически бесконечное, а на низких и средних частотах состав­ляет десятки мегаом и более), что означает чрезвычайно малое собственное потребление энергии от источника измеряемого напряжения;

• реакция на среднее квадратическое (действующее) значение напряжения не зависит от формы сигнала;

• широкий диапазон частот измеряемых напряжений (единицы – десятки мегагерц);

• сравнительно высокая точность (типичные классы точности 1,0…1,5);

• простая конструкции и, следовательно, достаточная надеж­ность.

Недостатки ЭС вольтметров:

• нелинейная шкала;

• малая чувствительность;

• возможное значительное влияние внешних электрических полей, требующее экранирования механизма.

Основное применение ЭС вольтметров – измерения в высоко­вольтных цепях, в маломощных цепях, а также в цепях с высоко­частотными сигналами.

О бозначение вольтметров ЭС системы на шкалах: