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

2.Второй член характеризует температурную погрешность от изменения приращения емкости в зависимости от угла по­ ворота измерительного механизма со стороны компарирующего напряжения при изменении внешней температуры.

3.Третий член обусловлен температурным коэффициентом упругости материала растяжек, на которых укреплена подвиж­ ная часть. Величина температурной погрешности, вызываемой этой причиной, тем меньше, чем меньше величина остаточного момента растяжек. Так как для преобразовате­

лей компараторов M7/Af2<Cl, то влияние этой составляющей погрешности в дальнейшем не рассматривается.

Таким образом, основными составляющими температурной погрешности преобразователя компаратора являются относительные изменения приращения емкости элементов в зависимости от угла поворота подвижной части при измене­ нии внешней температуры, которые по существу являются температурными коэффициентами емкости соответствующих механизмов. Тогда вы­ ражение (4-65) запишется в виде:

Это равенство представляет собой алгебраическую сумму температурных коэффициентов диэлектрической проницаемости диэлектрика, площади электродов и зазора между ними.

Первое слагаемое в (4-66) представляет собой сумму тем­ пературных коэффициентов диэлектрической проницаемости воздуха рев и твердого диэлектрика Ред

Наличие твердого диэлектрика обусловлено конструктивной изоляцией между подвижным и неподвижным электродами.

131

Второе слагаемое выражения (4-66) определяет температур­ ную погрешность, зависящую от изменения активной площади электродов и платы, на которой они закреплены. Учитывая, что площадь выражается произведением линейных размеров, можно написать:

_ 1_ dSj_ * 2 р э, dt

где рэ — температурный коэффициент линейного расширения ма­ териала электрода.

Неподвижные электроды механически жестко связаны с пла­ той, в связи с чем .

где рд — температурный коэффициент линейного расширения диэлектрика.

Таким образом,

Третье слагаемое выражения (4-66) определяет температур­ ную погрешность, обусловленную неодинаковым зазором между электродами — подвижным и неподвижным. Приняв условно, что ось для каждого элемента как бы закреплена в центре ме­ ханизма, можно считать, что при этом допущении центр меха­ низма является неподвижной базой, общей для подвижного и неподвижного электродов.

Конструктивная схема элемента для расчета осевой состав­ ляющей температурной погрешности приведена на рис. 4-14. При симметричном расположении подвижного электрода в за­ зоре можно записать для элементов крепления неподвижных электродов

D = 2d-\-qJrm-\-k-\-h.

Для подвижного электрода

где l — d + m + k + h — длина оси от условной базы до места креп­ ления подвижного электрода.

Откуда

Продифференцировав (4-69) по температуре, получим

132

Однако

всегда имеет место несимметричное расположение подвижного электрода в рабочем зазоре, т. е. подвижный и неподвижный электроды смещены относительно друг друга в осевом направле­ нии. В этом случае воздушные зазоры по обе стороны подвиж­ ного электрода не равны между собой.

Пусть асимметрия расположения подвижного электрода при­

d ( l + p )

133

При параллельном соединении этих емкостей общий темпе­ ратурный коэффициент будет:

~Сг + С2

где Сi и С2— емкости элемента при асимметрии зазора. Примем емкости

Как видно из (4-79), при осевом смещении подвижного элек­ трода температурный коэффициент зазора |3<г зависит от вели­ чины относительного смещения р. Влияние р оказывается тем больше, чем меньше зазор и чем больше величина I. Если учесть, что в элементах измерительного механизма преобразователя отклонения зазоров могут иметь разные знаки, то усложняется получение взаимной компенсации температурных коэффициен­ тов p<i элементов [65].

Анализируя в каждом конкретном случае допустимую вели­ чину смещения электродов и принимая соответствующие конст­ руктивно-технологические меры, следует выбирать размеры и материалы деталей измерительного механизма (оси, электродов, плат, колонок и т. д.) так, чтобы получить необходимые значе­ ния температурных коэффициентов емкости измерительного ме­ ханизма, обеспечивающие снижение либо даже ликвидацию температурной погрешности преобразователя компаратора.

Исследования температурной погрешности образцов преоб­ разователей [15] позволили получить значения уt, достигающие 0,004—0,005%/10° С при соответствующей калибровке компа­ ратора.

4-6. Конструкции преобразователей компараторов

Для реализации метода одновременного компарирования ис­ пользуются различные конструкции измерительных механизмов преобразователей компараторов.

В компараторе с электростатическим преобразователем, раз­ работанном во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева [89, 90] для по­ верки ваттметров на повышенных частотах момент, обусловлен­

134

ный измеряемым параметром, создается электростатическим ме­ ханизмом, а направленный встречно момент от постоянного тока создается магнитоэлектрическим механизмом (см. рис. 5-2). Электростатический измерительный механизм выполнен в виде двух параллельных плат, на которых укреплены неподвижные электроды — квадранты. Для регулирования положения непод­ вижных электродов по высоте, взаимного расстояния и наклона между плоскостями неподвижных электродов в конструкции предусмотрены три регулировочных винта. Подвижный электрод в виде бисквита из дюралюминиевой фольги закреплен на оси из дюралюминиевой трубки, на которой укреплены также рамка магнитоэлектрического механизма и зеркало. Рамка переме­ щается в поле постоянного магнита, находящегося под электро­ статическим механизмом.

Подвижная часть укреплена на подвесе из бронзы, к обоим концам которого припаяны крючки. Аналогичные крючки име­ ются на оси подвижной части и на верхней части корпуса при­ бора. Длина подвеса равна 100 мм. Успокоение подвижной части преобразователя компаратора осуществляется бисквитом, дви­ жущимся между неподвижными электродами. При этом время успокоения не превышает 5 сек.

Подключение преобразователя компаратора в измерительную схему осуществляется с помощью зажимов, закрепленных на изоляторах из янтаря.

Разработанный во ВНИИЭП преобразователь компаратора типа С729 состоит из двух электрометрических элементов, сов­ мещенных на одной оси таким образом, чтобы моменты, созда­ ваемые каждым из элементов, были направлены навстречу друг другу.

Измерительный механизм электростатического преобразова­ теля компаратора вместе с фотоэлектрическим преобразовате­ лем угла поворота конструктивно выполнен в виде одного блока (рис. 4-15). Электроды нижнего 4 и верхнего 9 элементов укреп­ лены на соответствующих керамических платах — 5 и 8. Для снижения погрешности от поляризации неподвижные электроды выполняются ступенчатыми, а поверхность платы между непод­ вижными электродами металлизируется и соединяется с под­ вижным электродом (см. гл. 2). Оба элемента укреплены на металлической обойме 12. Взаимное расстояние между элемен­ тами фиксируется тремя керамическими втулками 19. Подвиж­ ная часть 15 с электродами 3 я 11 крепится на растяжках 13 посредством амортизационных пружин 14 к обойме 12. Ось под­ вижной части для повышения стабильности механизма выпол­ няется из керамики. Измерительный механизм преобразователя закреплен через нижнюю плату 5 в трех точках на основании 2 корпуса, не имея с ним электрического контакта. Для ликвида­ ции взаимного влияния элементов и влияния корпуса измери­ тельный механизм снабжен системой экранов 1, 6, 7 и 10.

135

Для снижения погрешностей от КРП и изменения частоты, а также для обеспечения стабильности этих параметров во вре­ мени измерительный механизм помещен в герметичный корпус. Герметизация узла корректора осуществлена с помощью ме­ таллической диафрагмы. Для выводов 16 использованы стеклян­ ные проходные изоляторы.

11 12 13 П

Снижение влияния момента растяжек производится с помо­ щью дополнительного электростатического устройства, совме­ щенного с успокоителем.

В преобразователе приняты меры тепловой защиты измери­ тельного механизма. Для снижения нагрева измерительного ме­ ханизма узел осветительной лампы теплоизолирован экраном 17 из пенопласта. На пути светового потока осветительной лампы расположен теплозащитный фильтр, поглощающий инфракрас­ ные лучи. Помимо теплоизолирующего экрана измерительный механизм помещен в толстый медный тепловыравнивающий корпус 20. В теплоизолирующие экраны помещены также фото­ резисторы.

136

Измерительный механизм и фотопреобразователь размещены на массивном литом основании 21, обеспечивающем стабиль­ ность свойств преобразователя компаратора. Подключение пре­ образователя в измерительную цепь осуществляется посредст­ вом коаксиальных разъемов 18.

Р и с . 4 -16 . К он ст р у к ти в н а я сх е м а о д н о эл ем ен т н о г о эл ек тр о ста ти ч еск о го к ом ­ п а р а т о р а S Q i (Я п о н и я )

Система неподвижных электродов 11 установлена на дер­ жателях 10, изготовленных из кварца. Верхние электроды кре­ пятся неподвижно к стойкам 2, а нижние для регулировки рабочего зазора могут перемещаться в вертикальном направле­ нии вращением ручки 6, которое передается через зубчатую пе­ редачу 15. Чтобы избежать поворота неподвижных электродов при регулировке зазора, в измерительном механизме имеется направляющая 1, а для ограничения вертикального перемеще­ ния— упор 12. Неподвижные электроды диаметром 90 мм и

137

толщиной 4 мм выполнены из латуни. Подвижный электрод 14 имеет форму бисквита диаметром 50 мм, а угол, образованный сторонами электрода, равен 50°. В центральной части электрода закреплена трубка из листового алюминия, являющаяся осью 7 подвижной части, на которой установлено плоское зеркало 8 диаметром 5 мм. Верхняя часть оси заканчивается крючком для крепления подвижной части к подвесу, представляющему собой 48 пар нитей из фосфористой бронзы длиной 200 мм\ на нижнем конце подвеса также закреплен металлический крючок. Конструкция крючков обеспечивает надежное взаимное меха­ ническое и электрическое соединение. Верхний конец подвеса прикреплен с помощью плавленого кварца к устройству для вертикального перемещения и вращения подвижного электрода посредством соответствующих регулирующих ручек 4 и 5.

Для стабилизации параметров измерительного механизма и снижения КРП электроды покрываются золотом путем катод­ ного распыления.

Измерительный механизм помещен в металлический корпус 13 с окном 9 для индикации положения подвижной части. Уст­ ройство индикации выполнено по типу зеркального гальвано­ метра со шкалой, находящейся на расстоянии около 2 м от собственно электрометра.

Подключение к прибору измеряемого напряжения произво­ дится посредством зажимов 3, установленных на изоляторах из кварца.

Глава пятая

РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИБОРОВ

С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМИ МЕХАНИЗМАМИ

5-1. Состояние вопроса

В последнее время достигнуты значительные успехи в созда­ нии электростатических приборов прямого преобразования вы­ сокой точности, до класса 0,05 (см. гл. 3). Дальнейшее увели­ чение точности приборов прямого преобразования наталкива­ ется на ряд трудностей, часть которых непреодолима. Одной из таких трудностей является невозможность снижения погрешно­ сти отсчета* связанная с ограничением длины шкалы. При по­ вышении точности выше класса 0,05 габариты приборов стано­ вятся неприемлемыми. К точным приборам прямого преобразо­ вания предъявляются также высокие требования в отношении стабильности. Именно этой свойство прибора определяет дости­ жимый класс точности прибора и его метрологическую надеж­

138

ность. Выполнить эти требования у приборов прямого преобра­ зования не удается, что и ограничивает возможности их совер­ шенствования.

В связи с этим представляют интерес приборы и устройства, которые позволяют преодолеть указанные затруднения и суще­ ственно повысить точность измерения. К таким измерительным средствам относятся приборы, основанные на методе компарирования, в которых за счет калибровки непосредственно перед измерением могут быть в значительной степени снижены по­ грешности от нестабильности и от влияния изменения окружа­ ющих условий по сравнению с такими же погрешностями у при­ боров прямого преобразования, не говоря уже о широких возможностях повышения точности отсчета. Таким образом, точ-

СЕН

Рис. 5-1. Структурные схемы компараторов: а —с ручным уравнове­ шиванием; 6 —со статической схемой автоматического уравновешива­ ния; в — с астатической схемой автоматического уравновешивания

ность измерения компараторами переменного тока может быть получена значительно выше, чем у приборов прямого преобра­ зования.

Использование электростатических преобразователей воз­ можно в различных структурных схемах устройств, выполнен­ ных на основе компараторов моментов.

Простейшая структурная схема такого устройства приведена на рис. 5-1, а. Схема предполагает ручное уравновешивание и измерение компарирующего напряжения. Она включает в себя следующие основные узлы: электростатический преобразователь 2, регулируемый источник постоянного напряжения 3, измери­ тель постоянного напряжения 4 и индикатор равновесия 1. При ручном уравновешивании и регулировке постоянного напряже­ ния время измерения оказывается довольно большим, а про­ цесс утомительным.

Шагом вперед на пути совершенствования метода компарирования с точки зрения удобства работы является автоматиза­ ция компенсации вращающего момента, создаваемого измеряе­ мым параметром переменного тока, моментом, создаваемым постоянным током. При введении элементов автоматизации не­ обходимая величина компарирующего напряжения, подаваемая на второй элемент измерительного механизма преобразователя, устанавливается автоматически. Автоматическая отработка ком-

139

парирующего напряжения возможна путем построения схем на основе статического и астатического принципов регулирования.

При отработке компарирующего напряжения по статической системе регулирования (рис. 5-1, б) измеряемое напряжение Ui отклоняет подвижную часть преобразователя 2. Это приводит к появлению напряжения на выходе преобразователя 3 угла поворота, которое затем усиливается усилителем 4. Выход уси­ лителя, подключенный к электростатическому преобразователю 2, создает компарирующее напряжение для компенсации вра­ щающего момента от измеряемой величины. Напряжение вы­ хода усилителя измеряется измерительным устройством 1.

При астатической схеме отработки компарирующего напря­ жения (рис. 5-1, в) элементы схемы 1, 2 я 3 выполняют те же функции, что и по схеме статической отработки. Компарирую­ щее напряжение снимается с регулируемого делителя напряже­ ния 5, который управляется блоком управления 4 с интегрирую­ щим звеном. Питание делителя напряжения должно произво­

диться от высокостабильного источника постоянного напряже­ ния.

Электростатический преобразователь компаратора и преоб­

разователь угла отклонения обычно конструктивно объединены

(см. гл. 4).

На базе измерительных механизмов преобразователей ком­ параторов могут выполняться цифровые приборы переменного тока, обеспечивающие практически неограниченную точность отсчета. Например, для пятиразрядного отсчетного устройства погрешность отсчета составляет 0,001%, что недостижимо для аналоговых отсчетных устройств.

Поскольку выпускаемые цифровые приборы ограниченно применимы для точных измерений в широком диапазоне частот при искаженной форме кривой, представляется целесообразным в качестве одного из направлений развития точных измеритель­ ных устройств создание гибридных устройств, сочетающих элек­

тростатические измерительные преобразователи и цифровые отсчетные устройства.

5-2. Измерительные устройства для точных измерений

В последнее время появился ряд предложений по реализа­ ции метода компарирования на базе электростатических преоб­ разователей, обеспечивающих точные измерения в широком диапазоне частот как у нас в стране [11, 13, 80, 90], так и за ру­ бежом [93, 98, 114, 115] (табл. 5-1).

Двухсистемные компараторы. До недавнего времени единст­ венным практическим использованием компаратора электроста­ тической системы являлся компаратор для поверки ваттметров на повышенных частотах [89]. В этом компараторе используется измерительный преобразователь (см. гл. 4), в котором момент от переменного тока создается электростатическим механизмом,

140