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

а направленный встречно момент от постоянного тока — маг­ нитоэлектрическим механизмом.

При поверке ваттметров включение компаратора осуществ­ ляется по схеме с разделенными цепями напряжения и тока, приведенной на рис. 5-2.

Вращающий момент со стороны переменного тока

М г—kxU1U2cos ср = kiUi/i cos фгш,

где ki — конструктивная постоянная электростатического меха­ низма; Ui — напряжение между подвижным электродом электро­

и значение тока 12 в цепи магнитоэлектрического механизма в мо­ мент равновесия, можно определить величину измеряемой мощ­ ности.

Погрешности измерения зависят от погрешности определения постоянной с, погрешности измерения постоянного тока и час­ тотной погрешности компаратора. При этом следует отметить, что частотная погрешность обусловлена в основном частотными характеристиками дополнительных элементов — шунтов, а не частотными погрешностями электростатического механизма

[56, 68, 89].

Исследования показали, что рассматриваемый компаратор для измерения мощности обеспечивает высокие метрологические характеристики в широком диапазоне частот (см. табл. 5-1).

Измерение напряжения, тока и мощности осуществляется компаратором, рассматриваемым в [93]. Компаратор обеспечи­ вает измерение напряжения от 0,5 до 3 кв с погрешностью

142

перспективным является использование односистемных преоб­ разователей компараторов (см. гл. 4). Их преимущества по сравнению с разносистемными измерительными механизмами компараторов состоят в возможности получения одинаковой чувствительности у элементов, практически равной временной стабильности, в возможности выполнения одинаковой защиты от влияния внешних факторов и т. д. Указанные факторы по­ зволяют создавать на базе односистемных преобразователей

входной электростатический преобразователь, преобразующий измеряемое напряжение Uy в механический момент Му. Первое звено компаратора обратной связью не охвачено. Коэффициент преобразования первого звена

ft1 = M1/i/1, где *1 = /( t/1).

Механический момент Му вызывает поворот подвижной части преобразователя компаратора. Коэффициент преобразования второго звена 2

где а — угол поворота подвижной части.

Угол поворота подвижной части а преобразуется фотоэлект­ рическим преобразователем в напряжение третьим звеном 3 с коэффициентом преобразования

k3= Uslа.

Напряжение усиливается усилителем, на выходе которого получают постоянное напряжение U%. Коэффициент преобразо­ вания звена 4

h=ut/u3.

143

Напряжение U2 создает момент М2 на втором элементе электростатического преобразователя, его коэффициент преоб­ разования (звена 5)

h = M2/[/2

или в случае бисквитного включения двухэлементного обрат­ ного электрометрического преобразователя

й6 = ЛУ1/21/4,

где U4— вспомогательное напряжение электрометра.

Последнее звено определяет момент, создаваемый обратной связью.

Общий коэффициент преобразования разомкнутой системы kp = k^k^kji^

является функцией измеряемого напряжения.

В связи с тем что система регулирования является стати­ ческой,

Л41 = М,(1 + 1/Ар) = ЛГ#(1 + т),

где y = l/k p— погрешность статизма (некомпенсации) компара­ тора.

Отсюда

М 2 = M xkр/(1 -фkp).

Одним из основных источников погрешности компаратора яв­ ляется нестабильность коэффициентов преобразования элемен­ тов схемы. Выразив в последнем равенстве моменты через со­ ответствующие напряжения и продифференцировав, получим погрешность компаратора от изменения коэффициента преоб­ разования:

Для получения компаратора с заданными характеристиками необходимо, чтобы

£P>V2Vft. (5-1)

Вместе с тем [40] необходимо обеспечить такой режим ра­ боты фотопреобразователя угла поворота, чтобы на точность устройства не влияла постоянная времени фоторезисторов.

Принимая во внимание, что угол поворота подвижной части в замкнутой системе равен [46]:

ak= a /( \ + k p ) tta s/kp,

где ан—угол поворота подвижной части в разомкнутой системе под действием номинального измеряемого напряжения, необхо­ димо, чтобы выполнялось соотношение:

144

или, выражая ан через максимальное напряжение £/тах, изме­ ряемое компаратором,

kp Umaxkilt2/&&.

Из двух коэффициентов передачи kp, полученных из (5-1) и (5-2), при построении компаратора должно выбираться мак­ симальное значение.

Дрейф элементов схемы компаратора удобно рассматривать как внешнее возмущение, действующее на вход третьего звена устройства. Ответная реакция системы на это возмущение [46]

В соответствии с (5-3) погрешность, обусловленная дрейфом элементов схемы, не зависит от глубины обратной связи, а оп­ ределяется параметрами измерительного механизма. Минималь­ ное значение измеряемого напряжения определяется из (5-3) наибольшим приведенным ко входу третьего звена дрейфом:

Исследование динамических свойств компаратора целесооб­ разно проводить на основе методов теории автоматического ре­ гулирования [40, 46].

Передаточные функции звеньев системы рассмотрим на ос­ нове структурной схемы, приведенной на рис. 5-3.

Входная цепь преобразователя компаратора состоит из емко­ сти электростатического измерительного механизма, емкости входной цепи относительно земли и сопротивления измеряемого источника. Первое звено не охвачено обратной связью и по­ этому не влияет на динамические свойства измерительного устройства.

Второе звено — подвижная часть преобразователя, преобра­ зует разность моментов в угол поворота. Передаточная функция этого звена

______ 1______

WAP) = Jp* + Р ыр + Wu

или, если

W , ( p ) -

(ТпР ~Ь 1) {ТггР + 1)

145

Постоянная времени Т3 этого звена определяется инерцион­ ностью фоторезистора.

Четвертое звено — усилитель постоянного тока, имеющий обычно ряд фазосдвигающих цепей, требует сложного анализа передаточной функции. Практически параметры цепей выбира­ ются исходя из получения необходимой устойчивости. Наиболь­ шую постоянную времени имеет входная цепь усилителя, по­ этому остальными постоянными времени можно пренебречь. В связи с изложенным передаточная функция звена

Постоянная времени пятого звена, преобразующего выходное напряжение в момент, определяется емкостью обратного эле­ мента преобразователя, емкостью монтажа и выходным сопро­ тивлением усилителя. Величина ее незначительна, и передаточ­ ная функция запишется в виде:

^5 (Р) = h-

Передаточная функция замкнутой системы

Постоянные времени звеньев для конкретных схем компара­ торов можно получить расчетно-экспериментальным путем, и на основе анализа передаточной функции устройства можно оп­ ределить устойчивость системы. Если система окажется неус­ тойчивой, в нее необходимо ввести корректирующие звенья. Опыт разработки рассматриваемых систем показывает, что пассивное интегрирующее звено целесообразно включать между выходом фотоэлектрического преобразователя угла поворота и входом усилителя. Для корректирования по производной мо­ жет быть использован сам усилитель.

На основе преобразователя компаратора С729 (гл. 4) во ВНИИЭП была разработана установка У729 с автоматическим уравновешиванием для точного измерения напряжения при боль­ ших искажениях формы кривой в широком диапазоне частот. Структурная схема этой установки приведена на рис. 5-4.

Основным узлом установки является двухэлементный элект­ ростатический преобразователь 4. Компаратор работает в ре­ жиме одновременного сравнения с периодической калибровкой.

146

На верхний элемент измерительного механизма подается изме­ ряемое или калибровочное напряжение (от переключателя 3), на нижний элемент — компенсирующее. Под действием разности моментов, создаваемых измеряемым и компенсирующим напря­ жениями, подвижная часть измерительного преобразователя по­ ворачивается. Угол поворота преобразуется преобразователем 6 в пропорциональный электрический сигнал, усиливаемый усили­ телем 8. Усилитель питается от стабилизаторов 7 и 9. К первому подключена осветительная лампа 5 фотоэлектрического преоб­ разователя. Напряжение с выхода усилителя подается на ниж­ ний элемент измерительного механизма и является выходным

ется с делителя 2. Пита­ ние делителей осуществляется от стабилизаторов 1 и 14. Вы­

ходное напряжение установки и калибровочное напряжение включены встречно. Равенство напряжений определяется при помощи гальванометра 15. Опорное напряжение контролируется при помощи делителя 12 и потенциометра 11.

Момент, создаваемый измеряемым напряжением Ui,

2

Он уравновешивается автоматически моментом, создаваемым компенсирующим напряжением U2 в нижнем элементе, вклю­ ченном по схеме бисквитного включения,

М2 = g ^2^2'^ВСП>

где ki и k2— конструктивные постоянные; UBCп — напряжение источника вспомогательного напряжения. При М^=М2 измеряе­

147

Коэффициент нелинейности А может быть определен экспе­ риментально или по формуле

и н — U 2

где А — поправка, зависящая от измеряемого напряжения. Напряжения, отличные от номинального, определяются по

формуле (5-4) с учетом поправок, которые находятся по при­ лагаемой к каждой установке таблице поправок или вычис­ ляются по формуле (5-5).

Во время калибровки установки существенную погрешность может внести КРП между электродами верхнего элемента пре­

ного диапазона частот установки.

С целью расширения возможностей применения установки для измерения напряжений от 5 мв до 20 в в диапазоне частот от 400 гц до 20 кгц могут использоваться усилители напряже­ ния Ф71 класса 0,05—0,1. ■

Для измерения силы переменного тока от 1 ма до 10 а в том же диапазоне частот могут использоваться усилители Ф71 в комплекте с безреактивными шунтами.

Сличение опытного образца установки с образцовой аппара­ турой ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, проведенное во ВНИИМ при государственных испытаниях, показало, что погрешность сличения в диапазоне частот от 45 гц до 100 кгц не превышала 0,005%. Установка по точности в широком диапазоне частот превосходит существующие отечественные и зарубежные - об­ разцы аналогичного назначения.

Компаратор SQi (рис. 4-16, 5-6) [114, 115], выполненный на основе одноэлементного электростатического преобразователя (см. гл. 4) — квадрантного электрометра, из всех рассмотрен­

149

ных выше зарубежных компарирующих устройств характери­ зуется наиболее высокими техническими характеристиками

(см. табл. 5-1).

Уравновешивание подвижной части преобразователя осуще­ ствляется автоматически с помощью фотоэлектрического преоб­ разователя угла поворота и с помощью усилителя. Калибровка компаратора проводится по дополнительному источнику посто­ янного тока UK. Для исключения перегрузки подвижной части

парирующего напряжения осуществляется потенциометром с де­ лителем напряжения и гальванометром высокой чувствитель­ ности. Кроме того, необходимо наличие плавно регулируемого источника постоянного напряжения. Такое устройство оказы­ вается довольно громоздким, неудобным в работе, вследствие чего применение его целесообразно в случае предельных точно­ стей. С целью упрощения компаратора и повышения удобства работы был предложен полуавтоматический компаратор для измерения напряжения [13], в котором измеритель и регулирую­ щий источник постоянного напряжения совмещены в высоко­ вольтном потенциометре; нуль-индикатором последнего яв­ ляется электростатический преобразователь. Принципиальная схема компаратора приведена на рис. 5-8. Компаратор включает в себя электростатический преобразователь 1, фотоэлектриче­ ский усилитель 9, высоковольтный потенциометр 12, нормаль­

150