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

Приведенные соображения позволяют рекомендовать сле­ дующие меры снижения термо-э. д. с.

1. Проводниковые материалы, применяемые в измерительной цепи, должны выбираться с минимальной разностью термо- э. д. с. между ними. По возможности следует выбирать мате­ риалы проводников так, чтобы происходила взаимная компен­ сация термо-э. д. с.

2.Технологическая очистка и обработка материалов должна обеспечивать отсутствие появления полупроводниковых пленок окислов.

3.В измерительной цепи прибора не должно быть перепа­ дов температуры. Местные нагревы должны ликвидироваться конструктивными мерами.

Поляризация диэлектрика. Для достижения высокой ста­ бильности электростатических механизмов в качестве материа­

лов для основных конструктив­ ных элементов используются высокостабильные диэлектри­ ческие материалы (керамика, кварц, стекло и др.). Наличие диэлектриков приводит к необ­ ходимости учитывать явление

ложенному к диэлектрику, и обусловливающее обратную э.д. с. В связи с этим поле в зазоре между элетродами изменится и бу­ дет определяться разностью напряжений — AU, где t/i — из­ меряемое напряжение, AU ----- напряжение, обусловленное поля­ ризацией.

Величина и характер поляризации зависят от свойств ди­ электрика [31, 42]. Так, для кристаллических диэлектриков (кварц, слюда) характерна электронная и ионная поляризация, а для неорганических диэлектриков (стекло, керамика и др.) — электронная и структурная поляризация.

В зависимости от частоты измеряемого напряжения может иметь место различный характер поляризации диэлектрика.

Структурная поляризация требует для своего развития неко­ торого времени, благодаря чему замедленные виды поляриза­ ции особенно заметны при постоянном напряжении и почти не обнаруживаются при высоких частотах. Это приводит к тому, что значительное количество диэлектриков под влиянием элек­

30

трического поля обладает большим периодом релаксации, вели­ чина которого зависит от природы диэлектрика. Так, в бороси­ ликатном стекле «пирекс» [42] щелочные ионы обусловливают поляризацию стекла, которая сохраняется после снятия поля в течение многих часов.

Особое место среди диэлектриков занимает кварц. В на­

Специфической особенностью кварца в отношении поляриза­ ции является распределение изменения потенциала при наложе­ нии внешнего поля по всему объему диэлектрика. Такое состоя­ ние кварца длительно сохраняется при снятии поля и ликвиди­ руется только через несколько месяцев после воздействия поля [20, 30]. В связи с этим при использовании кварца необходимо применение специальных мер по защите измерительного меха­ низма от поляризации.

Вследствие указанных выше факторов погрешность от поля­ ризации зависит от порядка установления напряжения. Резуль­ таты измерения оказываются разными, если одно и то же зна­ чение напряжения получается при увеличении или уменьшении напряжения. Это позволяет говорить о погрешности от поляри­ зации как о своеобразном гистерезисе электрических характери­

Опыт разработки и производства различных конструкций приборов электростатической системы показал, что погрешность от поляризации может достигать 0,4—0,5%.

Для оценки влияния поляризации на параметры электро­ метра представляют интерес исследования измерительных меха­ низмов, результаты которых приведены на рис. 2-5, а (область I). Характеристики сняты (рис. 2-5, б) при постоянном напряжении Ui = 100 в и Uz^Ui + AU в зависимости от различных началь­ ных взаимных расположений подвижного и неподвижного элек­ тродов а/ссш где а — угол, образованный радиальными сторо­ нами неподвижного электрода, «„— номинальный угол отклоне­ ния прибора. При экспериментах КРП компенсировалась[58]. По оси ординат (рис. 2-5,а) отложено значение AL/=t/4—U2 в мо­ мент равновесия прибора. Кривая 1 определена при одной полярности напряжения U\ (рис. 2-5, б), а кривая 2 — при об­ ратной полярности.

Положение области, заключенной между кривыми 1 и 2 от­ носительно оси абсцисс определяется наличием геометрической асимметрии и может быть приближено к горизонтальному из­ вестными методами [78, 89]. Разность же ординат между кри-

31

выми 1 и 2 характеризует собой электрическую асимметрию, вызываемую воздействием поляризации диэлектрика. В идеаль­ ном случае разность этих ординат должна быть равна нулю, что свидетельствовало бы о наличии полной электрической сим­ метрии. Как видно из графика, при перемене полярности одного из напряжений (в случае эксперимента напряжение U2 на рис. 2-5,6) электрическая асимметрия от поляризации дости­ гает ~ 0,3 в.

Рис. 2-5. Исследование влияния поляризации: а — зависимость на­ пряжения поляризации AU от от­ носительного угла отклонения под­ вижной части а/ап\ б — схема

включения электрометра

Для снижения погрешности от поляризации диэлектрика в качестве изоляции целесообразно применять материалы с ма­ лой величиной относительной диэлектрической проницаемо­ сти е [64].

Для приборов высокого класса точности требуется принятие дополнительных мер для снижения погрешности от поляри­ зации.

В вольтметрах высокой точности можно рекомендовать экра­ нирование диэлектрика от подвижного электрода путем метал­ лизирования центральной части диэлектрической платы (рис. 2-6,а). Для снижения КРП диэлектрик должен покрываться таким же металлом, как и рабочие электроды. При этом не следует забывать, что металлизация междуэлектродных про­ межутков вызывает некоторое понижение чувствительности из­ мерительного механизма.

Отыскание дополнительных путей снижения погрешности от поляризации для квадрантных электрометров привело к созда­

32

нию измерительного механизма [14], обеспечивающего снижение рассматриваемой погрешности и не требующего применения изо­ ляционного материала с малым значением е.

Схемы устройства таких измерительных механизмов приве­ дены на рис. 2-6, б и 2-6, в. Неподвижные электроды электро­ метра выполняются Т-образной формы (рис. 2-6,6), а диэлек-

а)

трик экранируется. Рассматриваемая конструкция электродов позволяет легко осуществлять экранирование путем металлиза­ ции диэлектрика в области зазоров между неподвижными элек­ тродами. Нанесение металлического покрытия не должно увели­ чивать КРП, поэтому изолятор покрывается тем же металлом, что и сами электроды, например золотом. Для выравнивания потенциала экрана и подвижной части прибора металлизиро­ ванные поверхности диэлектрика платы необходимо электри­ чески соединять с подвижной частью.

Другим вариантом решения той же задачи является выпол­ нение конструкции неподвижных электродов Z-образпой формы (рис. 2-6, в). В выемку каждого из электродов входит выступ соседнего электрода, перекрывая промежуток между элек­

тродами.

Для сравнительной оценки влияния конструкции измеритель­ ного механизма, показанной на рис. 2-6, б, и классических кон­

Т-образной конструкции, обеспечивающей значительное сниже­ ние погрешности от поляризации.

Наличие поляризации накладывает ограничения на кон­ струкцию и параметры также и высоковольтных приборов. В ра­ боте [76] исследовано влияние конструкции опорного изолятора и изоляционного корпуса киловольтметров на погрешность при переходе с постоянного напряжения на переменное. Причина погрешности киловольтметров от поляризации — появление за­ рядов на изоляторах. Указанное явление приводит к нарушению картины поля в рабочем зазоре из-за влияния поля изолятора [36]. Погрешность определяется как конструктивным взаимным расположением подвижного электрода и изолятора, так и со­ стоянием их поверхностей. Исследования [36, 76] показали, что при измерении постоянного напряжения показания нестабильны. Наибольшая нестабильность результатов измерения имеет место в приборах, в которых изолятор находится близко к рабочему промежутку между электродами (рис. 2-7,а). Влияние поля изо­ лятора вызывает нарушение структуры поля в рабочем про­ межутке прибора, обусловливая его неравномерность. При на­ личии загрязненности на поверхности неравномерность поля увеличивается и создаются условия для его нестабильности. Указанные факторы обусловливают появление погрешности при­ бора на постоянном токе, причем погрешности, нестабильной во времени. По данным [36] при работе прибора на переменном токе рассматриваемые поверхностные явления практически не имеют места вследствие большой частоты изменения рабочего поля. Использование для высоковольтных приборов метода по­ крытия поверхности изолятора графитовым слоем [77] либо опи­ санного выше метода экранирования рабочего промежутка ме­ жду электродами [14] невозможно, так как графитовое покры­ тие значительно увеличивает входную активную проводимость, а экранирование диэлектрика увеличивает входную емкость при­ бора и снижает электрическую прочность изоляции.

Вследствие изложенного, в высоковольтных приборах ре­ комендуются конструкции с максимальным удалением изоля­ тора от рабочего промежутка между электродами. Снижение градиента поля в месте соединения изолятора и электрода должно осуществляться выбором их конфигурации. В качестве иллюстрации такой конструкции на рис. 2-7,6 схематически по­

34

казана конструкция и распределение поля киловольтметра С110, в котором реализована эта рекомендация. Прибор выполнен по несимметричной схеме. Заземленный электрод укреплен на опорном металлическом стержне, а высоковольтный — крепится к изолятору на специальной штанге. При эксплуатации рас­ сматриваемой конструкции следует следить за чистотой поверх­ ности высоковольтного изолятора и за качеством очищающего ее состава. Сравнение параметров приборов, показанных на рис. 2-7, привело к созданию киловольтметров с повышенными метрологическими характеристиками (см. гл. 3).

Влияние изменения частоты и формы кривой. Измерительные механизмы электростатической системы при работе на постоян-

ном и переменном токах имеют ряд специфических особенно­ стей, на которые следует обращать внимание при анализе прин­ ципов построения, конструировании и назначении измеритель­ ных устройств.

Фактором, ограничивающим частотный диапазон применения электростатических приборов, является собственная емкость из­ мерительной системы, которая совместно с индуктивностью мон­ тажных и подводящих проводов прибора вызывает резонансные явления в цепи электростатического прибора. Вследствие нали­ чия указанных проводов упрощенная эквивалентная схема элек­ тростатического вольтметра представляет собой последователь­ ное соединение индуктивности, сопротивления проводов и растя­

где (о — круговая частота измеряемого напряжения; С — емкость

Частотная погрешность вольтметра в этом случае (рис. 2-8,6)

Yf = (Uc - U )/U .

Из векторной диаграммы (рис. 2-8, в) видно, что

U = Uс—UL,

где UL — падение напряжения на индуктивности цепи прибора. Тогда

Y, = UL/(UC- U L):

(VJV l) -

откуда

1 ( 2- 10) l/(co3CZ,)— 1

Принимая во внимание, что резонансная частота цепи при­ бора

f0- l / ( 2 j t ] / I c ) ,

выражение (2-10) можно записать в виде: 1

где f — частота измеряемого напряжения.

Для получения малых значений частотной погрешности

Обычно собственная резонансная частота приборов может иметь значения в широком диапазоне, но лежит в основном в пределах 30—100 Мгц (см. гл. 3). В связи с этим значитель­ ные погрешности, обусловленные рассматриваемыми причинами, возникают на очень высоких частотах. Для повышения резо­ нансной частоты следует стремиться к обеспечению минималь­ ных значений собственной емкости и индуктивности прибора.

Резонансные явления могут протекать значительно сложнее, чем рассмотренные выше, так как в приборе имеется, кроме ра­ бочей емкости, ряд паразитных емкостей, обусловленных кон­ струкцией прибора и часто образующих ряд замкнутых конту­

36

ров. Собственная частота этих контуров обычно очень велика, в связи с чем влияние паразитных емкостей сказывается лишь на весьма высоких частотах. При повышении класса точности приборов пренебрежение активным сопротивлением проводов и растяжек становится недопустимым. Погрешность, обусловлен­ ная влиянием активного сопротивления г [63],

где Ur — падение напряжения на сопротивлении проводов и растяжек. Величина этой погрешности может быть соизмерима

спогрешностью, определяемой по (2-11).

Всвязи с этим уточненное значение частотной погрешности

Т/ = ( Ш 2— ~ 0)С>-

При применении приборов на высоких частотах возможно появление погрешности, обусловленной подводом измеряемого напряжения к подвижной части посредством растяжек или пру­ жинок, создающих противодействующий момент. Вследствие протекающего через прибор емкостного тока растяжки нагре­ ваются и меняют свои упругие свойства, причем, как правило, в сторону их ослабления. Это вызывает увеличение показаний прибора, начиная с некоторых частот. При дальнейшем повы­ шении частоты растяжки нагревают столь сильно, что прибор может прийти в негодность: растяжки перегорают.

При применении приборов на высоких частотах не следует забывать, что изменение собственной емкости измерительного механизма с отклонением его подвижной части может привести к сильной расстройке контуров, в которых производится изме­ рение. Кроме того, величина собственной емкости прибора, шун­ тирующей измеряемую цепь — настроенный контур или анодную нагрузку усилителя — часто может сделать невозможным при­ менение электростатических приборов на высоких частотах.

В ряде конструкций электростатических приборов при малой величине рабочего зазора применяют защитные сопротивле­ ния г3 (рис. 2-8,г), ограничивающие ток при возможном замы­ кании электродов или пробое между ними. Благодаря этому сопротивлению на повышенных частотах появляется погрешность за счет емкостного тока.

Частотная погрешность, обусловленная этим сопротивле­ нием, выражается в виде [52]:

где г3 — величина защитного сопротивления.

37

Действительно, прибор указывает напряжение Uc, соответ­ ствующее падению напряжения на измерительном механизме, но меньшее, чем действительное напряжение U.

Величина защитного сопротивления определяется исходя из допустимой величины тока, который можно пропускать через токоподводы подвижной части при замыкании электродов или пробое между ними:

где \,bUN—-напряжение перегрузки в соответствии с ГОСТ 1845—59; f/jv — конечное значение диапазона измерения; о ,— плотность тока; 5Р — площадь поперечного сечения растяжки или пружинки.

При данном значении частотной погрешности предельная ра­

С увеличением частоты вследствие возрастания частотной погрешности из-за наличия защитного сопротивления примене­ ние его ограничивается до частот порядка 300 кгц. В связи с этим при работе на высоких частотах обычно предусматри­ вается отключение защитного сопротивления.

Частотная погрешность электростатических электрометров может быть определена из соотношения:

Т/э Т/в1 +

где у/в1 и у/в2 — частотные погрешности соответствующих групп электродов электрометра с воздушным диэлектриком, включен­ ных по схеме двойного включения.

Вотличие от вольтметров на низкие и средние напряжения

ввысоковольтных вольтметрах частотный диапазон работы определяется в основном диэлектрическим нагревом изолятора и электрической прочностью воздушного промежутка с повыше­ нием частоты (76]. Основой для определения допустимой макси­ мальной частоты измеряемого напряжения, обусловленной на­ гревом изолятора, является расчет его теплового баланса. При допущении, что электрическое поле по длине изолятора распре­ делено однородно и температура по толщине трубчатого изоля­ тора (см. гл. 3) постоянна, из уравнения теплового баланса изо­ лятора максимальная частота измеряемого напряжения

«(*i-*o)S

(2-15;

2nU2Ctg 6 ’

где а — коэффициент теплоотдачи; Ч — допустимая температура нагрева изолятора; t0— температура окружающего воздуха; S — площадь поверхности изолятора; U — измеряемое напряже­

38

ние; С — емкость изолятора; б — угол диэлектрических потерь материала изолятора.

Экспериментальная проверка приведенной формулы подтвер­ ждает ее совпадение с результатами расчета. При этом следует иметь в виду, что нагрев изолятора по длине неравномерен, он уменьшается к среднему сечению.

При высоких напряжениях с повышением частоты имеет место понижение электрической прочности воздушного проме­ жутка [20, 76]: разрядное напряжение при 40 кгц снижается по сравнению с напряжением при 50 гц на 100%, а при 100 кгц разрядное напряжение снижается на 20%. Рассматриваемое яв­ ление может оказать существенное влияние на работу приборов с конечным значением диапазона измерений свыше 100 кв. Это обусловлено величиной нормируемого испытательного напряже­ ния, которое для указанного значения не должно превышать 1,5 t/раб (ГОСТ 1845—59). Для приборов с конечным значением диапазона измерений 300 кв испытательное напряжение равно 1,3 t/раб- С повышением частоты измеряемого напряжения до 100 кгц снижение разрядного напряжения на 20% может выз­ вать пробой прибора. Приведенные данные позволяют прово­ дить выбор максимальной частоты измеряемого напряжения. При этом рекомендуется [76], чтобы пробивное напряжение на этой частоте было больше 1,2 Праб-

С частотной погрешностью приборов тесно связана погреш­ ность, вызываемая отклонением формы кривой измеряемого на­ пряжения от синусоидальной.

Наличие высших гармонических эквивалентно работе при­ бора на высоких частотах, значительно превышающих нормаль­ ную область частотного диапазона (по ГОСТ 1845—59 норми­ руется погрешность при 10% 2-й, 3-й и 5-й гармонических). Зависимость показаний измерительных механизмов рассматри­ ваемой системы от влияния высших гармонических измеряемого напряжения практически мало исследовалась. Этим вопросам посвящена работа [59], в которой предлагается расчетный путь определения погрешности для проверки соответствия поверяе­ мого прибора нормам действующих стандартов (ГОСТ 1845—59 и 8711—60). В соответствии с этой работой погрешность, обу­ словленная искажением формы кривой измеряемого напряже­ ния, может быть представлена в виде

i= n

уы= ъ 2 К п 2,

i=2

где kn — относительное значение гармоники п в долях основной составляющей.

Влияние влажности. Влажность воздуха, в котором нахо­ дится электростатический измерительный механизм, оказывает влияние на изменение диэлектрической проницаемости воздуха е и может привести к значительному искажению результата

39