4.4. Электростатические измерительные механизмы и приборы

В электростатических измерительных механизмах вращающий момент создается в результате взаимодействия двух систем заряженных пластин, одна из которых является неподвижной.

Фактически этот измерительный механизм представляют собой конденсатор переменной емкости, который конструктивно имеет две разновидности. В первом случае, при приложении к подвижным и неподвижным пластинам разности потенциалов и под действием возникающих при этом на них разноименных зарядов подвижные пластины стремятся втянуться между неподвижными, изменяя при этом электрическую емкость конденсатора за счет изменения активной площади взаимодействия пластин (такая конструкция применяется в вольтметрах на низкие напряжения до единиц киловольт). Во втором случае, под действием разноименных зарядов изменяется расстояние между пластинами, что также ведет к изменению емкости конденсатора (эта конструкция применяется в вольтметрах на большие напряжения до сотен киловольт – в киловольтметрах).

Условное обозначение электростатических приборов представлено в табл. 4.1. По существующей классификации в названии типа прибора им присвоена буква С (например, С50).

Энергия электростатического поля системы заряженных тел

W_э = ,

где С – электрическая емкость между подвижными и неподвижными пластинами, u – напряжение (разность потенциалов) между ними.

Мгновенный вращающий момент, определяемый выражением (4.2), будет равен

M_{вр t} = = = . (4.13)

Если приложенное напряжение постоянно (u=U), то вращающий момент

M_вр = . (4.14)

Если u = U_m sin ωt, то мгновенное значение вращающего момента

M_{вр t} = = . (4.15)

Как видно из выражения (4.15), мгновенный вращающий момент имеет постоянную и гармоническую составляющие. При этом на частотах свыше 10 Гц подвижная часть измерительного механизма в силу своей инерционности не будет успевать реагировать на изменения напряжения. Вследствие этого, угол поворота подвижной части будет определяться средним за период T значением вращающего момента

M_вр = dt = = , (4.16)

где U - действующее значение измеряемого синусоидального напряжения.

Если измеряется напряжение несинусоидальной формы с периодом T, которое аналитически может быть представлено в виде разложения в ряд Фурье по гармоническим составляющим

u = U₀ + ,

где U₀ – постоянная составляющая, k – номер гармоники, U_mk – амплитуда k-ой гармоники, ω = , ψ_k – начальная фаза k-ой гармоники, то согласно (4.16) получим для среднего значения вращающего момента следующее выражение:

M_вр = dt = =

= = . (4.17)

Здесь U₀, U₁, U₂, … – постоянная и действующие значения гармонических составляющих напряжения, U – действующее значение переменного несинусоидального напряжения. Поскольку противодействующий момент создается упругим элементом, то в соответствии с (4.3) и (4.7) угол поворота подвижной части (для всех трех рассмотренных видов напряжения)

α = . (4.18)

Из выражения (4.18) следует, что:

• зависимость угла поворота подвижной части от напряжения не линейна;

• поворот подвижной части одинаков как при постоянном напряжении, так и при переменном, имеющем действующее значение, равное значению постоянного напряжения;

• показание прибора не зависит от формы кривой измеряемого напряжения.

Л инейную зависимость угла поворота α от напряжения получают для значительной части рабочего диапазона показаний, изготавливая подвижные пластины специальной формы, при которой является требуемой функцией α.

Область применения. Электростатические измерительные механизмы применяются главным образом в качестве измерителей напряжения - вольтметров. Измеряемое вольтметром напряжение непосредственно подается на измерительный механизм. При этом схемы включения электростатических вольтметров обладают некоторыми особенностями. У вольтметров на малые и средние пределы измерения воздушный зазор между пластинами очень мал, поэтому возникает опасность короткого замыкания пластин, а следовательно, и источника измеряемого напряжения при случайных ударах, тряске и т. п. Для исключения этого внутрь вольтметра встраивается защитный резистор, и прибор включается в цепь с помощью зажимов 1 и 2 (рис. 4.1). При измерении напряжений повышенной частоты (сотни килогерц) во избежание дополнительной погрешности защитный резистор отключается путем включения вольтметра через зажимы 1 и Э (экран).

В настоящее время промышленностью выпускаются несколько типов электростатических вольтметров с верхними пределами измерений от 30 В до 75 кВ классов точности 0,5; 1,0; 1,5 на частотный диапазон до 30 МГц.

Эксплуатационные свойства. К достоинствам электростатических приборов относятся, в первую очередь, очень малое собственное потребление мощности от измеряемой цепи. На постоянном токе оно определяется сопротивлением изоляции между входными зажимами вольтметра (порядка 10¹⁰ – 10¹⁴ Ом), на переменном – зависит от емкости измерительного механизма (приблизительно 3 – 30 пФ) и частоты измеряемого напряжения. Кроме того, показания электростатических вольтметров не зависят от формы кривой измеряемого напряжения, на них слабое влияние оказывает температура окружающей среды и полностью отсутствует влияние магнитных полей. К достоинством следует отнести достаточно широкий диапазон рабочих частот и возможность изготовления вольтметров для измерения больших напряжений до сотен киловольт без применения громоздких, дорогих и потребляющих большую мощность добавочных резисторов и измерительных трансформаторов.

Однако электростатические приборы имеют малую чувствительность, их шкала равномерна в пределах только 25 – 100% и на них оказывают сильное влияние внешние электростатические поля, для защиты от которых измерительный механизм помещается в заземляемый металлический экран.

Расширение пределов измерений электростатических вольтметров на переменном токе достигается при помощи включения добавочных конденсаторов С_Д (рис. 4.2, а) или емкостных делителей напряжения С₁ – С₂ (рис. 4.2, б), а на постоянном токе – посредством омических делителей напряжения R₁ – R₂ (рис. 4.2, в).

Для схемы на рис. 4.2, а можно записать

U_V = U .

Собственная емкость вольтметра C_V изменяется в соответствии с поворотом подвижной части. Кроме того, конденсаторы обладают потерями, зависящими от частоты. Поэтому при использовании добавочных конденсаторов погрешности измерений существенно возрастают.

Для схемы с емкостным делителем напряжения (рис. 4.2, б) получим

U_V = U .

Если выбрать емкость C₂ >> C_V, то отношение напряжений – измеряемого и на вольтметре – останется постоянным для всех значений измеряемого напряжения. В этом случае включение емкостного делителя напряжения не будет искажать шкалу вольтметра.