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

подвижных электродов, неточное изготовление электродов, экс­ центриситет при повороте подвижной части, наличие КРП, термо-э. д. с. и поляризации. Некоторые из перечисленных выше факторов (КРП, термо-э. д. с., поляризация) были рассмотрены выше (см. гл. 2), и были указаны меры для уменьшения или ликвидации их влияния. В настоящем параграфе будут рассмот­ рены лишь геометрические факторы, вызывающие неидентичность элементов.

При отсутствии дополнительных моментов условие равнове­ сия компаратора имеет вид:

при этом рабочая емкость Ci = C2. В этом случае Ui = U2, т. е. напряжения измеряемое и компарирующее равны.

Как видно из (4-51), неидентичность элементов при равенстве напряжений измеряемого и компарирующего может быть выз­ вана различным характером изменения дС/да.

Несовпадение электрического и механического нулей изме­ рительного механизма преобразователя, обусловленное перечис­ ленными выше причинами, практически имеет место в любом измерительном механизме ввиду сложности изготовления, сбор­ ки и регулировки. Возможна также неточность установки меха­ нического нуля, обусловленная недостатками устройства кор­ ректора.

В реальной конструкции всегда имеем

С\ ф Сг.

Тогда, приняв первый элемент за исходный, можно записать,

что

который вносит погрешность при компарировании.

121

При наличии дополнительного момента можно записать

М г= М 2 ± Л46,

откуда

M1 = M2( l ± ^ - ) = M2(l + Ye).

где у6— погрешность компарирования, обусловленная асиммет­ рией элементов.

Воспользовавшись (4-52) и (4-53), можно записать:

Отношение производной приращения емкости (от асиммет­ рии конструкции) к производной ее полного значения прибли­ женно можно заменить отношением приращения емкости АС к значению емкости С2 для принятого угла отклонения подвиж­ ной части. Тогда:

АС

Ye

С "

Представляет интерес рассмотрение влияния отклонения раз­ меров конструкции от идеально симметричного положения на изменение емкости измерительного механизма одного элемента преобразователя компаратора.

При симметричном расположении подвижного электрода от­ носительно неподвижных емкость измерительного механизма

С = ^ - d

где k — геометрическая постоянная.

Емкость элемента измерительного механизма со смещенным на Ad подвижным электродом (рис. 4-9, а)

Составляющая погрешности из-за несимметрии воздушных зазоров

Сd

122

Как показывает (4-54), асимметричное расположение подвиж­ ного электрода ведет к увеличению погрешности компарирования.

Расчет влияния асимметрии воздушного зазора (табл. 4-1) показывает, что изменение зазора в пределах 0,004—0,006 мм вызывает погрешность от неидентичности, равную 0,01%.

Указанные изменения воздушных зазоров вполне возможны, так как технологически не осуществима абсолютно симметрич­ ная установка подвижных электродов.

Рис. 4-9. Конструктивная схема элемента измерительного механизма: а —со смещенным подвижным электродом; б —с расположением подвижного элек­ трода наклонно к оси; в — с эксцентричным расположением подвижной части; г — с взаимным наклоном электродов

Наряду с осевыми смещениями возможен и взаимный наклон электродов, который имеет место при не строго перпендикуляр­ ном расположении электродов относительно оси (рис. 4-9, б), а также при эксцентричном расположении подвижной части от­

123

где d S — площадь участка измерительного механизма шириной dr; ki — постоянный конструктивный коэффициент.

Величина Adr может быть выражена в виде:

Adr= Adp Щ т

R

Проведя несложные преобразования, выполнив интегрирова­ ние и разложение в ряд, получим

В этом выражении два последних члена определяют измене­ ние емкости измерительного механизма вследствие взаимного наклона электродов, так что

Составляющая погрешности от асимметрии, обусловленная наклоном электродов, имеет вид:

(4-55)

При Adp<0,3d можно пренебречь последним членом выраже­ ния (4-55) ввиду его малости.

Тогда

(4-55) для осевого перемещения электродов показывает, что значение последней примерно в три раза больше, чем первой.

Практически возможно также сочетание взаимного смещения и наклона электродов.

Погрешности у6' и у6" могут частично взаимно компенсиро­ ваться вследствие наличия асимметрии конструкции в обоих элементах измерительного механизма.

Рассмотрение конструкции любого электростатического изме­ рительного механизма позволяет сделать вывод о невозмож­ ности изготовления деталей и их сборки с требуемой точностью для получения необходимой идентичности. Поэтому .производят регулировку симметрии измерительного механизма преобразо­ вателя путем перемещения неподвижных электродов изменением зазора между некоторыми парами электродов или изменением их взаимного расположения. Такой процесс симметрирования является несовершенным, так как требует многочисленных пере-

124

сборок измерительного механизма — операций кропотливых и чрезвычайно длительных, которые не всегда приводят к требуе­ мым результатам. Не поддающаяся дальнейшему устранению погрешность от асимметрии (I на рис. 4-10) может достигать 1—2 %. Она характеризуется величиной

AU = UZ- U U

где Hi — измеряемое напряжение, U2— компарирующее напря­ жение.

Способы симметрирования путем перемещения электродов исключают возможность регулирования симметрии при работе

электрический способ симметрирования с помощью регулируе­ мого делителя напряжения в цепи компарирующего напряже­

ние.

Схема, обеспечивающая осуществление этого способа, приве­ дена на рис. 4-11. Вращающий момент от измеряемого напря­

125

(нагрузкой Ri является сопротивление изоляции электростати­ ческого прибора), отношение напряжений выразится в виде:

Экспериментальная проверка выравнивания постоянных (см. 2 на рис. 4-10, на котором Ш = и 2 — U1) подтвердила возмож­ ность использования схемы (см. рис. 4-11) для электростатиче­ ских компараторов.

Таким образом, применение дополнительного делителя на­ пряжения для компарирующего элемента позволяет легко и с высокой точностью устанавливать необходимую идентичность между элементами измерительного механизма электростатиче­ ского преобразователя компаратора.

Механический противодействующий момент. Одной из основ­ ных причин, препятствующих получению высокой точности из­ мерения с помощью компаратора моментов, является наличие механического противодействующего момента. В реальном из­ мерительном механизме преобразователя компаратора растяж­ ками создается дополнительный момент Л47, обусловливающий появление одной из составляющих у7 погрешности компариро-

Вместе с тем даже у самых тонких растяжек все же имеется небольшой противодействующий момент, который будет вно­ сить погрешность. Применение очень тонких растяжек создает трудности обеспечения механической прочности прибора, по­ вышает его чувствительность к сотрясению. Кроме того, малая величина поперечного сечения растяжек с малым противодейст­ вующим моментом не позволяет обеспечить достаточный пред­

126

верительный натяг растяжек при сборке, что приводит к повы­ шению чувствительности прибора к механическим воздействиям.

В связи с этим наиболее целесообразным и эффективным путем для снижения влияния механического противодействую­ щего момента является его компенсация, т. е. создание дополни­ тельного момента, направленного противоположно моменту

Известен ряд способов компенсации механического противо­ действующего момента.

Для электростатического измерительного механизма наибо­ лее целесообразно применение электростатического компенса­ ционного момента. Компенсация, заключающаяся в использова,-

иии электростатической системы двух взаимодействующих меж­ ду собой плоских электродов,одни из ко­ торых расположен на подвижной части, а другой является неподвижным, описан в [39]. Между электродами подключен источник постоянного напряжения. Недо­ статком устройства является наличие дополнительных электродов, утяжеляю­ щих подвижную часть. Неудобство этой системы заключается также в необходи­ мости подачи дополнительного потен­ циала на подвижный электрод.

Для компенсации механического про­ тиводействующего момента растяжек для электростатических механизмов мо­ жет быть использовано устройство, кон­

структивная схема которого приведена на рис. 4-12. В качестве подвижного электрода компенсатора используются крылья воз­ душного успокоителя. Неподвижные электроды 1 представляют собой две изолированные металлические пластины, расположен­ ные на стенках камеры успокоителя 3 по обе стороны от под­ вижного электрода— крыла успокоителя 2. На неподвижные пластины 1 подается вспмогательное напряжение для создания компенсирующего момента.

Подача напряжения на пластины вызывает индуцирование потенциала на подвижном электроде. Индуцированный потен­ циал на подвижной части совместно с потенциалом на непод­ вижных электродах вызывает появление дополнительного вра­ щающего момента, который компенсирует противодействующий момент растяжек.

Для получения требуемой компенсации противодействую­ щего момента растяжек результирующий электростатический момент устройства должен быть равен нулю при положении под­ вижного электрода симметрично относительно неподвижных и будет направлен противоположно моменту растяжек. Регули­ ровкой напряжения между обкладками можно достичь необхо­ димой компенсации. Остаточный момент может в этом случае

127

составлять не более 10% той величины, которую он имел при отсутствии компенсации. Исследования показали, что чувстви­ тельность измерительного механизма преобразователя компара­ тора растет по мере увеличения вспомогательного напряжения. Следует отметить, что преимуществом устройства является так­ же возможность использования в качестве источника вспомога­ тельного напряжения как постоянного, так и переменного тока.

Взаимное влияние цепей преобразователя. При создании пре­ образователей компараторов возникает вопрос о взаимном влия­ нии цепей измерительных механизмов. Наличие нежелательной электрической связи между отдельными элементами схемы при­ водит к ухудшению ее параметров, а в отдельных случаях и к полному нарушению работы преобразователя. Так, например, электрическая связь между элементами преобразователя компа­ ратора может вызвать ложное положение равновесия схемы.

Основными связями между элементами механизма являются емкостная связь и связь за счет общих токовых путей. Емкост­ ная связь может устраняться введением между элементами сис­ темы электростатических экранов, которые должны полностью перекрывать площадь электродов каждого из элементов преоб­ разователя и по возможности выходить за пределы электродов. Связь за счет общих токовых путей может иметь место в ос­ новном в преобразователях, в которых подвижные электроды обоих элементов соединены металлической осью. Эта связь опре­ деляется активными и реактивными сопротивлениями общих участков для токов различных цепей компаратора.

Иллюстрация системы экранов одной из возможных конст­ рукций преобразователя приведена на рис. 4-13.

Для снижения взаимного влияния элементов необходимо применение экранов 3, 4, 5 и 6, каждый из которых соединен с соответствующим подвижным электродом.

Представляют также опасность в отношении токов утечки все конструктивные детали, выполненные из диэлектрика, в част­ ности из керамики. Все изолирующие материалы ухудшают свои свойства с течением времени из-за поверхностной проводимости от влажности и загрязнения. Эффективным средством ликвида­ ции влияния токов утечки может являться применение эквипо­ тенциальной защиты, представляющей собой многослойную изо­ ляцию, между которой прокладываются металлические экраны, соединенные с соответствующими неподвижными электродами. Для измерительного механизма преобразователя компаратора многослойными должны выполняться втулки 2, фиксирующие взаимное расстояние между элементами механизма. Все нежела­ тельные токи утечки отводятся на металлические экраны 1. Тем самым ликвидируется их паразитное действие.

Применение указанного комплекса мер позволяет создавать преобразователи с погрешностью измерения, равной сотым и даже тысячным долям процента.

128

Температурная погрешность. Для показывающих электро­ статических приборов при увеличении класса точности выше 0,5 требуются специальные меры для ликвидации температурной погрешности, вызываемой в основном влиянием растяжек. Од-

Рис. 4-13. Конструктивная схема измерительного механизма двухэлементного преобразователя ком­ паратора

ним из путей снижения температурной погрешности показываю­ щих приборов на растяжках является ее компенсация [57]. Вместе с тем методы компенсации, пригодные для показываю­ щих приборов, неприемлемы для преобразователей компара­ торов.

Для определения температурной погрешности проведем ана­ лиз выражения для вращающего момента преобразователя ком­ паратора:

После преобразования и логарифмирования получим:

21nna + l n f - ^ - W l n f n ? ^ - - 2 W 'a '\ .

\ да ] \ да J

Дифференцирование последнего выражения с учетом изме нения его членов, зависящих от температуры, дает:

Рассмотрение выражения (4-65) позволяет сделать следую­ щие выводы.

1. Первый член представляет собой температурную погреш­ ность, вызванную изменением приращения емкости с изменением угла поворота подвижной части со стороны измеряемого напря­ жения с изменением внешней температуры. На ее величину влияет также отношение моментов Mi и М2. Для компараторов это отношение весьма близко к единице.

130