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

ный элемент 14 и переключатель режимов работы 11. Электро­ статический преобразователь состоит из двух элементов с непо­ движными электродами 2 и 5, подвижных электродов 4 и за­ крепленного на подвижной части зеркала 3. В фотоэлектриче­ ский усилитель входят фоторезистор 7, источники напряжения 10 и осветительная лампа 6. Перед началом работы производится регулировка идентичности элементов преобразователя (пере­ ключатель 11 режимов работы в положении I). При этом на верхний элемент преобразователя компаратора, образуемый

элемент подается сумма напряжений между точками а и Ь, нор­ мального элемента 14 (еn ) и выходного напряжения фотоусили­ теля 9. Если регулировкой рабочего тока добиться того, чтобы выходное напряжение фотоусилителя стало равным нулю, то при идентичности элементов преобразователя компаратора

eN= Ir,

или

I — eNlr,

где / — рабочий ток потенциометра.

Измерение осуществляется в положении III переключа­ теля И. Измеряемое напряжение Ui создает вращающий момент

М г = Ш 2и

где k — конструктивная постоянная измерительного механизма преобразователя.

Вращающий момент Mi урановешивается моментом, созда­ ваемым напряжением U2, которое снимается с сопротивлений 15

151

и 16, напряжением фотоусилителя U3 и противодействующим моментом растяжек:

где W — удельный противодействующий момент растяжек; а — угол отклонения подвижной части.

Выходное напряжение фотоусилителя U3 пропорционально углу поворота подвижной части:

где kyc — ----- — коэффициент усиления фотоусилителя. kknp

Резисторы 15 и 16 должны быть выполнены в виде двух декад, причем сопротивление одной декады и снимаемое с нее напряжение должны отличаться в 10 раз от сопротивления и снимаемого напряжения другой декады, подобно тому, как это делается в обычных потенциометрах. Вольтметр 8 в диагонали фотоусилителя выполняет функцию двух последующих младших декад. Цена его деления в 100 раз меньше значения ступени последней декады потенциометра 15—16.

частично учитываться градуировкой, но, что самое главное, мо­ жет быть сделано достаточно малым, если

feyc> l и U2 » U3.

Работа на компараторе заключается, таким образом, в гру­ бом уравновешивании измеряемого напряжения с помощью де­ кад 15 и 16 и в снятии отсчета по положениям их курбелей и по показаниям вольтметра 8.

Для расширения пределов измерения компаратора с высоко­ вольтным потенциометром можно использовать ступенчатое из­ менение рабочего тока потенциометра, что позволит иметь пре­ делы измерения компаратора кратными значениями 2,3,5 и т. д.

152

5-3. Цифровые приборы

В последнее время наметился определенный интерес к со­ зданию цифровых приборов переменного тока. Поскольку для построения цифровых приборов с электростатическими механиз­ мами могут использоваться различные методы преобразований, целесообразно произвести классификацию приборов. Такая классификация позволит сравнивать приборы в отношении их точности, частотного диапазона измерений, возможности изме­ рений при искаженной форме кривой, быстродействия, простоты исполнения и универсальности. Классификационная схема рас­ сматриваемых цифровых приборов приведена на рис. 5-9. В со­ ответствии с этой схемой цифровые приборы переменного тока с электростатическими механизмами можно разделить на три группы: 1) приборы с промежуточным преобразованием; 2) при­ боры с замкнутой схемой измерения; 3) приборы прямого пре­ образования.

К первой группе относятся приборы, основанные на исполь­ зовании преобразователя переменного напряжения в постоянное или в частоту с последующим измерением соответствующим цифровым устройством.

Основными достоинствами цифровых приборов с промежу­ точным преобразованием на базе электростатических механиз­ мов являются: измерение действующего значения сигнала неза­ висимо от искажений формы кривой; высокая точность измере­ ния; независимость выходного тока от сопротивления нагрузки.

Следует отметить интерес к таким преобразователям также в ряде зарубежных стран: в Австрии, Швейцарии, Японии и др.

Известен ряд схем, которые могут быть использованы для построения промежуточных преобразователей.

Фотоэлектрометрический преобразователь, приведенный на рис. 5-10 [23], содержит преобразователь компаратора. Непо­ движные электроды 4 и 7 и подвижный электрод 5 одного эле­ мента преобразователя включены по вольтметровой схеме и на них подается измеряемое напряжение переменного тока. Под действием этого напряжения подвижная часть с зеркальцем 6 отклонится от положения равновесия. Создаваемый измеряе­ мым напряжением вращающий момент

где ki — конструктивный коэффициент.

При отклонении подвижной части на выходе фотопреобразо­ вателя угла поворота, состоящего из дифференциального фото­ резистора 8 и источника питания 11, появится напряжение раз­ баланса Нвых, снимаемое с сопротивления 9 для создания отрицательной обратной связи по моменту и измеряемое при­ бором 10. Неподвижные электроды 2 и 12 и подвижный элек­ трод 3 второго элемента включены по бисквитной схеме, вслед-

153

ствие чего напряжение обратной связи подается между средней точкой источника вспомогательного напряжения 1 и подвижным электродом 3. Момент обратной связи

где k2— конструктивный коэффициент; UBCn — напряжение вспо­

могательного источника; U2— выходное напряжение преобразо­ вателя.

При равновесии из формул (1-1) и (5-9) получаем действую­ щее значение измеряемого напряжения

питания высокой стабильности и сложность выполнения калиб­ ровки преобразователя. Вследствие неидентичности элементов электрометра выражение (5-10) справедливо для области зна­ чений измеряемого напряжения, близкой к значениям напряже­ ния, при которых осуществлялась калибровка. Для напряжений, отличных от калибровочного, необходимо вводить поправки, вы­ числяемые по формуле (5-5).

При вольтметровом включении обеих групп электрометра, во-первых, выходное напряжение пропорционально измеряе­ мому, что создает условия для простоты калибровки и осуще­ ствления автоматизации измерения, во-вторых, исключается не­ обходимость наличия высокостабильного источника напряжения постоянного тока.

Принципиальная схема фотоэлектрометрического преобразо­ вателя, реализующего этот принцип, приведена на рис. 5-11. На группу электродов 3 и 4 электрометра подается измеряемое на­ пряжение U1, под действием которого подвижная часть с зер­ кальцем 2 отклоняется от положения равновесия. На выходе фотопреобразователя угла поворота, состоящего из дифферен­ циального фоторезистора 5 и источника питания 6, появляется

155

напряжение разбаланса, которое после усилителя 7 подается на группу электродов 1 и 9. Выходное напряжение U2 пропорцио­ нально измеряемому напряжению Ui. При рассматриваемом включении квадрантов электрометра возможно возникновение неустойчивой работы преобразователя. Это может происходить при переходе подвижной части электрометра через нулевое по­ ложение, так как, несмотря на изменение полярности напряже­ ния разбаланса преобразователя и соответственно компарирующего напряжения на выходе усилителя, не изменится направ­ ление вращающего момента обратной связи, создаваемого этим напряжением, и подвижная часть не сможет вернуться в поло­ жение равновесия. Для устранения этого явления на выходе усилителя 7 включается

момента обратной связи от напряжения разбаланса фотопреоб­ разователя при изменении полярности. Благодаря этому обеспе­ чивается устойчивость работы преобразователя при вольтметровом включении входных и выходных групп квадрантов элек­ трометра.

Возникающая от неидентичности характеристик элементов погрешность может быть практически ликвидирована с помощью метода противопоставления [44].

Блок-схема электростатического преобразователя, исполь­ зующего метод противопоставления, приведена на рис. 5-12.

При нахождении переключателя П коммутирующего устрой­ ства 1 в положении а измеряемое напряжение переменного тока U1 подключено к верхнему элементу преобразователя компара­ тора 2 и вызывает появление момента Mi = k1Ui2, где k\ — кон­ структивный коэффициент верхнего элемента измерительного механизма. Отклонение подвижной части вызывает появление разбаланса фотопреобразователя угла поворота 3, выходное на­

156

пряжение которого, усиленное усилителем 4, создает противо­ действующий компарирующий момент M2 = k2U22. Таким обра­ зом, компарирующее напряжение стремится компенсировать выходной сигнал преобразователя 3. При отсутствии паразит­ ного влияния момента растяжек неточностью компарирования можно пренебречь. Тогда

в положение б. При этом измеряемое напряжение поступает на второй элемент преобразователя компаратора и происходит от­ работка компарирующего напряжения аналогично описанному выше для положения а переключателя Я.

U2—U3 достаточно мала. Тогда с точностью до бесконечно ма­ лых второго и более высокого порядка можно записать, что

Как видно, в (5-13) и (5-14) отсутствуют коэффициенты ki и k% Это означает, что измеряемая величина U\ может быть выражена через измеряемые напряжения U2 и U3. Погрешность

после усреднения будет:

= 0,001 —0,005%.

Такое значение погрешности удовлетворяет требованиям по­ строения приборов высокой точности. При этом следует отме­ тить, что необходимым условием применения способа противо­ поставления является подобие характеристик элементов преоб­ разования [28].

157

Для автоматизации измерений коммутацией переключателя управляет программирующее устройство 8, которое после запо­ минания значений напряжения 02 и U3 производит перемноже­ ние последних и извлечение квадратного корня из этого произ­ ведения блоком вычислений 6. Полученное значение измеряется цифровым вольтметром постоянного тока 7.

Весьма перспективным является использование преобразо­ вания измеряемой аналоговой величины переменного тока в ча­ стоту, которая измеряется с высокой точностью. Структурная схема одного из возможных вариантов частотного преобразо­

электрический мостовой преобразователь, к выходу которого подсоединен полупроводниковый диод-варикап, управляющий высокочастотным /?С-генератором [37].

Работа цифрового прибора происходит следующим образом. На верхний элемент 3 измерительного преобразователя 1 по­ дают измеряемое напряжение U\, под действием которого по­ движная часть отклоняется от положения равновесия. При этом на выходе фотоэлектрического мостового преобразователя 4 появляется напряжение разбаланса, которое изменяет емкость варикапа 5 и вызывает отклонение частоты ^С-генератора от его номинального значения /о на Af. Отклонение частоты генера­ тора на Af приводит к появлению сигнала рассогласования на выходе частотного дискриминатора 8, сравнивающего между собой частоту опорного генератора 9 с частотой управляемого /?С-генератора 6. С выхода дискриминатора 8 импульсы с часто­ той А/ поступают на конденсаторный частотомер 10, который создает компенсационное напряжение постоянного тока U2, про­ порциональное Af, и на выход преобразователя (счетчик им­ пульсов 7).

158

Компенсационное напряжение 11%приложено к нижнему эле­ менту 2 преобразователя 1 и создает момент, возвращающий подвижную часть в положение равновесия.

Точность измерения определяется погрешностью сравнения электростатического измерительного механизма, нелинейностью частотного преобразователя и погрешностью конденсаторного частотомера.

Основными характеристиками частотного преобразователя являются: линейность характеристики преобразования и ста­ бильность ее во времени.

Экспериментальная оценка линейности частотных преобразо­ вателей-генераторов с варикапом в резонансном контуре была проведена при исследовании схем генераторов, описанных в [86]. Исследования показывают, что стабильность частоты генерато­ ров с варикапом и линейность изменения частоты могут не пре­ вышать значений 0,01% за 1 ч при термостатировании схемы ге­ нератора с точностью ±0,1°С. При этом следует указать на необходимость питания схемы генератора источником высокой стабильности (отклонения напряжения не должны превышать

0,01%, за 1 ч).

Одна из основных трудностей при создании рассматривае­ мых приборов заключается в высоких требованиях к преобразо­ вателю частоты в напряжение, который должен обладать ли­ нейностью и стабильностью характеристик в широком частот­ ном диапазоне. Проведенные в последнее время исследования [84] показали, что может быть достигнута линейность конденса­ торных частотомеров 0,01—0,02% в частотном диапазоне

0—40 кгц.

Для построения преобразователя цифрового прибора пере­ менного тока высокого класса точности можно использовать также электростатический измерительный механизм, у которого вращающий момент, создаваемый измеряемым напряжением Uи сравнивается с моментом инерции / или с массой подвижной части [24]. Выходной величиной такого преобразователя яв­ ляется частота колебаний подвижной части f.

Измерительный механизм преобразователя характеризуется соотношением:

где S — максимальная площадь перекрытия пластин для одной камеры; е — диэлектрическая проницаемость; d — воздушный зазор; а — угол поворота; N — число камер.

Схема такого прибора приведена на рис. 5-14. В поле непо­ движного электрода 2 укреплен на оси подвижный электрод 1, висящий на растяжках 3. Для поддержания незатухающих ко­ лебаний применяется электромагнит 4, взаимодействующий с постоянным магнитом 5, выполненным в виде пластины. Для

159

преобразования частоты собственных колебаний подвижной части используется лампа 6, поток света которой на фотоэле­ мент 7 перекрывается одним из электродов подвижной части. Таким образом, на вход усилителя поступает напряжение, изме­ няющееся по закону колебаний подвижной части. После уси­ ления этот ток через дифференциальную емкость подается в ка­ тушку электромагнита и на выход преобразователя (счетчик им­ пульсов 8). Нестабильность частоты определяется выражением:

- Лш/со = - L {уе - yd— Y j — Ys )>

т. е. суммой погрешностей, обусловленных изменением диэлек­ трической проницаемости е, зазора d, момента инерции I и пло­ щади 5. Рассматриваемый метод позволяет создать прибор

переменного тока, погрешность которого может быть доведена до 0,03—0,05%- Существенным недостатком этого метода яв­ ляется низкая частота колебаний, для измерения которой тре­ буется значительное время.

Вторая группа приборов основана на использовании, по су­ ществу, метода компарирования. Структурная схема прибора построена по замкнутой схеме измерения.

На рис. 5-15, а приведена структурная схема цифрового электростатического вольтметра [73]. Вольтметр содержит элек­ тростатический преобразователь, пластины которого совместно с полуобмотками трансформатора образуют цепь моста.

Под действием измеряемого напряжения Ui подвижная часть электростатического преобразователя 1 отклоняется и нару­ шается равновесие моста. В диагонали моста появляется напря­ жение; оно подается на вход формирователя 2, представляю­ щего собой генератор линейно нарастающего напряжения и две схемы сравнения для выделения интервала времени, в которых пилообразное напряжение равно нулю и максимальному зна-

160