3.2.6. 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. 3.13) два электрода (алюминиевые пластины, между которыми воздушный зазор), образующих переменную емкость.
Измеряемое напряжение U подается на неподвижную пластину образующую своеобразную камеру, и подвижную 2, закрепленную на оси З.
Спиральная пружина 4 служит для создания противодействующего момента МПР. Стрелка 5 и шкала б 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 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 = ½ U² dC / dα ,
где U — напряжение на пластинах; С — емкость между пластинами; α — угол поворота оси сердечника.
Противодействующий момент определяется по формуле
Мпр = αΩ,
где Ω — удельный противодействующий момент.
Моменты М и МПР направлены навстречу друг другу. С ростом угла поворота α противодействующий момент МПР, пропорционально растет. Это происходит до тех пор, пока моменты не станут равными. При М= МПР
½ U² dC / d α = αΩ
Следовательно, уравнение шкалы ЭС вольтметра имеет вид
α = [ ½ U² dC / d α ] / 2 Ω
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. 3.14, а).
На переменном токе используют емкостной делитель напряжения (рис. 3.14, 6) или, в крайнем случае, добавочный конденсатор (рис. 3.14, в), который совместно с емкостью самого ЭС механизма также создает делитель напряжения.
Особенности ЭС вольтметров.
Достоинства ЭС вольтметров :
• 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 ( 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 высоко- частотными сигналами.
Обозначение вольтметров ЭС системы на шкалах:
Обозначение ЭС вольтметров с экранированным ИМ:
