книги из ГПНТБ / Векслер, М. С. Измерительные приборы с электростатическими механизмами

Схема автокомпенсационного малокосинусного микроваттметра Ф585 [26] отличается от рассмотренных выше схем (рис. 3-25). При измерении входные преобразователи напряжения 3 и тока 8 включаются соответственно парал­ лельно и последовательно с нагрузкой 2. Выходные напряжения преобразова­ телей после усиления в 4 и 7 поступают на вход фотоэлектрометрического преобразователя 5, с помощью которого осуществляется пропорциональное преобразование измеряемой активной мощности в нагрузке в эквивалентное значение постоянного тока, измеряемого выходным микроамперметром, про­

преобразователем 3 и электрометром 2. Длительность переходных процессов регулируется изменением СЗ. Фазовая погрешность прибора снижена использованием схемных и конструктивных ре

3-5. Высокочувствительные электрометры

В связи с необходимостью измерения весьма малых постоянных токов и электрических зарядов, очень больших сопротивлений и малых напряжений от высокоомных источников во многих областях науки и техники до настоя­ щего времени используются одни из самых старых электроизмерительных при­ боров — электростатические электрометры различных конструкций, удовлетво­ ряющие этим требованиям [29]. Наряду с квадрантными электрометрами, о которых шла речь выше (гл. 1 и 3), в нашей стране выпускаются и ши­ роко используются струнный электрометр ЭС-2 и крутильные электрометры СГ-1М и СГ-2М [22]. Основные технические характеристики этих электромет­ ров приведены в табл. 3-8.

Струнный электрометр состоит из платиновой нити 1 (см. рис. 1-3, е) толщиной от 1 мкм до 5 мкм, длиной 50—100 мм, перемещающейся в электро­ статическом поле между двумя металлическими электродами — ножами 2. Перемещение нити наблюдается в микроскоп. Верхний конец нити прикреп­ ляется к изолированному янтарем металлическому штифту, нижний — к ян­ тарному штифту или тонкому кварцевому кольцу. Натяжение нити может ре­ гулироваться с помощью микрометрического винта. Расстояние между ножами

91

электрометра, укрепляемыми также на янтарных изоляторах, может изме­ няться.

Для струнного электрометра, как и для квадрантного, возможны три схемы включения (рис. 1-7). По сравнению с квадрантным струнный электро­ метр имеет меньшую емкость и меньшее время успокоения (несколько сотых долей секунды).

Крутильные электрометры (рис. 1-3, ж) имеют два (СГ-2М), либо четыре (СГ-1М) ножа, между которыми на кварцевых петельках подвешен стерже­ нек с горизонтально укрепленным на нем коромыслом с указателем на конце. Угол поворота указателя коромысла отсчитывается посредством микроскопа. Чувствительность крутильных электрометров относительно невелика, однако при этом мала их собственная емкость, в связи с чем они используются в ос­ новном для измерения зарядов.

Электростатические электрометры выпускаются различными зарубежными фирмами табл. 3-9.

Таблица 3-9

Характеристики некоторых электрометров

Квадрантный электрометр Комптона обладает высокой чувствительностью и применяется для измерения очень малых зарядов и разностей потенциалов. Его можно использовать как в качестве электрометра, так и в качестве элек­ тростатического вольтметра.

92

Подвижная часть его укреплена на кварцевой позолоченной нити диамет­ ром 2—3 мкм. Чувствительность прибора составляет в среднем 5,2 • 103 мм/в.

С увеличением чувствительности электрометра время установления показаний меняется от 9 до 90 сек.

Электрометр Линдемана имеет очень небольшую подвижную систему. Отсчет его показаний производится с помощью микроскопа. Электрометр ха­

сических принципов построения, не всегда удовлетворяют возросшим совре­ менным требованиям в отношении механической прочности, перегрузочной способности и удобства в эксплуатации. Этим требованиям в основном удов­

движного электрода. Подбором вели­

чины компенсирующего напряжения U2 можно получить на дополнительных электродах с помощью резисторов R3 и /?4 такой потенциал, при котором по­ движный электрод будет находиться в состоянии покоя. Таким образом, электрометр с переменным возбуждением работает по принципу компенсации измеряемого напряжения компенсационным, которое может служить мерой измеряемого сигнала. Подвижный электрод выполняет в рассматриваемом электрометре роль нуль-органа. Для защиты его от повреждений при случай­ ных контактах со вспомогательными электродами в цепи последних установ­ лены резисторы R1 и R2.

Регулировка чувствительности электрометра осуществляется с помощью резисторов R8, R9 и /НО путем изменения подаваемого на дополнительные электроды вспомогательного напряжения, а симметрирование переменных по­ тенциалов на электродах производится резисторами R5, R6 и R7. Разделитель­ ные конденсаторы С1 и С2 исключают нагрузку источника компенсационного напряжения t/2 со стороны цепи управления вспомогательным полем.

На основе принципа построения электрометра с переменным электростати­ ческим возбуждением фирмой «Аргоне национал лаборатори» (США) создан прибор с высокими техническими характеристиками [ПО, 111]. Подвижный электрод электрометра выполнен из кварцевой нити диаметром 4 мкм с на­ пыленным слоем золота и консольно закреплен в зазоре шириной 1,5 мм

93

94

н о го н а п р я ж е н и я и зм е р я е м о м у н а п р я ж е н и ю т р е б у е т о т у си л и т ел я п р ак т и ­

д е л и т ел я и на в х о д ш и р о к о п о л о сн о го у си л и т ел я 2, в ы х о д н о е н а п р я ж ен и е к о т о ­

Глава четвертая

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОМПАРАТОРОВ МОМЕНТОВ

4-1. Принцип действия и классификация

Наиболее точные измерения основных электрических вели­ чин на переменном токе: напряжения, тока и мощности — в на­ стоящее время у нас в СССР и зарубежом осуществляются использованием компараторов [68], сравнивающих тепловое или механическое воздействие, создаваемое измеряемой величиной переменного тока, с воздействием постоянного тока, измерение которого можно осуществлять с высокой точностью.

В настоящей работе мы будем рассматривать лишь компа­ раторы электромеханические, в которых осуществляется срав­ нение электромеханических моментов, вызываемых изменением электромагнитной энергии постоянного и переменного тока, с ис­ пользованием для создания указанных компараторов моментов измерительных механизмов электростатической системы. Клас­

95

сификация компараторов с электростатическими механизмами приведена на рис. 4-1.

Электромеханические компараторы практически осуществля­ ются как компараторы разновременного и одновременного срав­ нения.

Электромеханические компараторы разновременного сравне­ ния — это по-существу обыкновенные одноэлементные приборы, которые перед каждым измерением на переменном токе градуи­ руются на постоянном токе. В качестве компараторов разновре­ менного сравнения могут применяться наиболее точные из по­ казывающих приборов постоянно-переменного тока, в частности приборы электростатической системы (см. табл. 3-1). В Нацио­ нальной физической лаборатории (НФЛ, Англия) около пятиде­ сяти лет применяют электростатический компаратор разновре­ менного сравнения в качестве первичного эталона для измерения переменного напряжения [82]. По существу же1 это одноэле­ ментный показывающий прибор.

Общим недостатком компараторов разновременного сравне­ ния является влияние остаточных деформаций растяжек или под­ весов на результат измерения. Для снижения влияния остаточ­ ных деформаций применяется специальная техника градуировки, при которой отсчет на постоянном токе делается до и после от­ счета на переменном токе. При этом переключение родов тока должно производиться настолько быстро, чтобы подвижная часть не успевала вернуться в нулевое положение.

Более совершенным является метод одновременного сравне­ ния, при котором преобразователь реагирует одновременно на измеряемую величину на переменном токе и эквивалентное ей значение на постоянном токе. Положение равновесия подвиж­ ной части преобразователя при любом конструктивном испол­ нении и любой системе уравновешивания определяется равен­ ством нулю суммы моментов, действующих на подвижную часть.

Вращающий и противодействующий моменты должны быть равны:

(4-1)

и направлены навстречу друг другу. Регулировкой постоянного тока достигают равенства этих моментов. Измеренный в момент компенсации постоянный ток является мерой измеряемого пере­ менного тока.

Наиболее простым способом реализации метода одновремен­ ного сравнения является использование электростатического из­ мерительного механизма — квадрантного электрометра. Квад­ рантный электрометр позволяет непосредственно сравнивать пе­ ременное напряжение с постоянным (рис. 4-2, а). Между одной парой квадрантов и подвижным электродом подается изме­ ряемое напряжение переменного тока Uu а между второй па­ рой квадрантов и подвижным электродом — напряжение посто-

96

Компараторы с электро­ статическими механизмами

Рис. 4-1. Классификация компараторов с электростатическими механизмами

янного тока U2, по величине которого судят о значении изме­ ряемого напряжения переменного тока. В момент равенства на­ пряжений указатель электрометра находится на нулевой отметке

логичны квадрантам обычного электрометра. Измеряемое на­ пряжение Ui прикладывается к одной паре пластин. Создавае-

Рис. 4-2. Принципиальная схема метода компарирования: а — на основе квадрантного электрометра; б — на основе двойного электрометра

мыи им момент сравнивается с моментом, создаваемым извест­ ным напряжением постоянного тока U2, приложенным к другой паре пластин. Между двумя парами электродов для снижения взаимного влияния цепей постоянного и переменного тока могут быть установлены дополнительные экраны 1. Однако для по­ строения измерительных устройств высокой точности использо­ вание одноэлементной конструкции электрометра не может обес­ печить высоких метрологических характеристик вследствие вза­ имного влияния квадрантов и наличия общих конструктивных элементов (например, подвижного электрода, оси и др.). Кроме того, такая система не обеспечивает возможности измерения мощности.

Использование двухэлементных измерительных механизмов делает возможным создание универсального и более точного компаратора. При этом возможен ряд сочетаний измерительных механизмов. Электростатические механизмы могут использо­ ваться совместно с любой другой известной измерительной си­ стемой. Практическую же реализацию нашли сочетания элект­ ростатического и магнитоэлектрического механизмов и двух

98

электростатических механизмов. Другие сочетания систем пред­ ставляются в настоящее время нецелесообразными.

Особенно перспективным является построение односистем­ ных преобразователей компараторов, состоящих из измеритель­ ных механизмов одной системы. Их преимущества перед разно­ системными измерительными механизмами компараторов состоят в возможности получения одинаковой чувствительности у эле­ ментов, практически равной временной стабилизации, одинако­ вой системы защиты от влияния внешних факторов (например, электростатического поля), в одинаковом влиянии температуры

и т. д. В силу наибольшей перспективности преобразователей компараторов, состоящих из двух электростатических механиз­ мов, в настоящей работе в основном рассматриваются двух­ элементные преобразователи компараторов на их основе.

В двухэлементном электростатическом компараторе вращаю­ щий момент создается измеряемым напряжением переменного тока t/i и равен:

Роль противодействующего момента выполняет момент, вы­ зываемый компарирующим напряжением U2 постоянного тока:

2 да

Двухэлементная система из двух вольтметровых механизмов обеспечивает измерение напряжения, но исключает возможность измерения мощности (рис. 4-3, а). Двухэлементная система, по­ строенная на вольтметровом и электрометрическом механизмах, позволяет измерять не только напряжение, но и мощность (рис. 4-3,6). Однако использование такой системы затруднило

бы калибровку компаратора или выравнивание характеристик его элементов.

Наиболее целесообразным вариантом построения измеритель­ ного механизма преобразователя компаратора является двух­ элементная система, состоящая из двух электрометрических ме­ ханизмов (рис. 4-3, в). Такая система при бисквитной схеме включения обеспечивает измерение мощности, при включении по схеме двойного включения позволяет измерять напряжение.

Построение измерительного механизма из двух одинаковых элементов значительно упрощает выравнивание характеристик компаратора. Каждый электрометрический механизм системы имеет три вывода: от подвижного электрода и от изолирован­ ных друг от друга неподвижных электродов. При измерении напряжения и при калибровке компаратора электрометр вклю­ чается по схеме, приведенной на рис. 4-3, в. Измерение компара­ тором однофазной мощности может осуществляться по схеме,

весьма малый вращающий момент и малый угол отклонения подвижной части, который не превосходит десятых и даже сотых долей градуса. Это обусловливает необходимость совместного конструктивного исполнения измерительного механизма преоб­ разователя компаратора и преобразователя угла отклонения. В современных конструкциях в качестве индикатора нулевого отклонения используются различные преобразователи угла пово­ рота в электрический параметр, удобный для дальнейшего пре­ образования либо для индикации показывающим прибором [6, 38, 40]. При создании преобразователя угла отклонения возни­ кают определенные трудности, так как он должен обеспечивать надежную фиксацию угла отклонения подвижной части.

Наиболее перспективными для применения в компараторах с электростатическим преобразованием являются фотоэлектри­ ческие преобразователи, состоящие из оптической системы и светочувствительного элемента. Оптическая система фотоэлек­ трического преобразователя не имеет каких-либо специфических особенностей, отличающих ее от применяемых в фотоэлектриче­ ских усилителях [6, 40]. Она состоит (рис. 4-4) из конденсора, диафрагмы, объектива, отражающего зеркала, маски и свето­ чувствительного элемента. Изображение диафрагмы при помощи объектива проектируется на маску и через ее щели попадает на фоторезистор.

Светочувствительный элемент должен обладать хорошей стабильностью во времени, низким температурным коэффициен­ том, линейностью, малой постоянной времени, большой чувст­

100