2.6 Электростатические измерительные приборы

Принцип работы электростатических измерительных приборов основан на взаимодействии электрически заряженных электродов,разделенных диэлектриком. Конструктивно электростатические приборы представляют собой разновидность переменного конденсатора, так как в результате перемещения подвижной части изменяется емкость системы. Практическое применение нашли приборы с поверхностным механизмом (изменение емкости осуществляется за счет изменения активной площади электродов) и с линейным механизмом (изменение емкости осуществляется за счет изменения расстояния между электродами).

На рис. 2.16 представлен прибор с поверхностным измерительным механизмом. Он состоит из неподвижных электродов 1 и подвижных электродов 2, укрепленных на оси. Электроды выполняются из алюминия. Измеряемое напряжение U, приложенное к неподвижным и подвижным элек­тродам, создает между ними электростатическое поле, энергия которого _{э =} CU²/2, где С — емкость между электродами.

Электростатические силы взаимодействия заряженных электро­дов создают вращающий момент, под действием которого подвиж­ные электроды втягиваются в пространство между неподвижными и изменяют активную площадь электродов, т.е. изменяют ем­кость С:

/ = ( (2.37)

Рисунок 2.16 – Устройство электростатического измерительного механизма

Подвижные электроды втягиваются до тех пор, пока вращающий момент не станет равен противодействующему моменту. Из условия равенства моментов следует, что

(2.38)

Шкала прибора квадратичная, поэтому изменение полярности приложенного напряжения не изменяет направления вращения. При приложенном напряжении прибор реагирует на среднее значение момента за период: =0,5 (2.39)

где u (t) = мгновенное значение переменного напря­жения; U - среднеквадратичное значение напряжения; Т — пе­риод.-*

Достоинства электростатических приборов — высокое входное сопротивление; малая, но переменная входная емкость; малая мощность потребления; возможность использования как в цепи постоянного, так и в цепи переменного токов; широкий частотный диапазон; независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Показания прибора соответствуют среднеквадра­тичному значению измеряемого напряжения. К недостаткам элек­тростатических приборов относят квадратичную шкалу; малую чувствительность из-за слабого собственного электрического поля; невысокую точность; возможность пробоя между^- электродами; необходимость экрана.

Электростатические вольтметры применяют для измерения в це­пях с маломощными источниками и при лабораторных исследова­ниях в цепях высокого напряжения. В совокупности электрон­ными усилителями их используют как высокочувствительные элек­трометры и вольтметры переменного тока.

2.7 Логометры

Логометры— приборы электромеханической группы, измеряющие отношение двух электрических величин Y₁ и Y_г

ⁿ, (2.40)

где п — коэффициент, зависящий от системы измерительного меха­низма.

Особенность логометров заключается в том, что вращающий М и противодействующий М_ моменты в них создаются электрическим путем, поэтому логометр имеет два воспринимающих эле­мента, на которые воздействуют величины Y₁ и Y₂, составляю­щие измеряемое отношение. Направления величин и Y₂ должны выбираться такими, чтобы моменты М и М_, действующие на под­вижную часть, были направлены навстречу друг другу, при этом подвижная часть будет поворачиваться под действием большего момента. Для выполнения этих условий моменты М и М_а должны по-разному зависеть от угла отклонения подвижной части прибора.

Источниками погрешности логометра служат неидентичное вы­полнение двух воспринимающих элементов, особенно при наличии ферромагнитных материалов; наличие в логометре дополнительных моментов (от трения в опорах, безмоментных подводок, неурав­новешенности подвижной части). Следовательно,

М = М_ + М_доп , (2.41)

Присутствие дополнительного момента М_доп делает показания логометра зависящими от побочных факторов (например, напря­жения). Поэтому на шкале логометра указывают рабочий диапазон напряжения, в пределах которого градуировка шкалы справедлива. Верхний предел напряжения определяется максимальной мощ­ностью, выделяемой в цепях логометра, а нижний— . Стрелка невключенного под напряжение логометра из-за отсутствия механического противодействующего момента занимает безразличное положение.

Магнитоэлектрические логометры.

Действие данного логометра заключается в следующем. В неравномерное поле постоянного магнита (рис. 2. 17) помещают подвижную часть измерительного механизма, содержащую две рамки, жестко скреп­ленные под некоторым углом (30 — 90°) и насаженные на об­щую ось. Токи /₁ и /₂ подводят к рамкам с помощью безмоментных токоподводов. Направление токов таково, что ток 1₁ создает вра­щающий, а ток /₂ — противодействующий моменты:

, ( , (2.42)

где , — потоки, создаваемые магнитом и сцепленные с рам­ками. Моменты М и М_а изменяются в зависимости от изменения угла . Максимальные значения моментов будут сдвинуты на угол , что позволяет получить на рабочем участке уменьшение М и уве­личение М_а. При равновесии = откуда

= = f () , (2.43)

где , — величины, определяющие скорость изменения потокосцепления.

Из равенства моментов следует, что

 = F ( (2.44)

Если отношение токов в свою очередь выразить через искомую величину X, то

(2.45)

Существование данной функциональной зависимости возможно при выполнении основного условия работы логометра, т. е. при , которое обеспечивается при искусственно соз­данной неравномерности магнитного поля в воздушном зазоре логометра. Магнитоэлектрические логометры применяют для измерения сопротивлении, частоты и неэлектрических величин.

Рисунок 2.17 – Механизм магнитоэлектрического логометра