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

измерения. Под воздействием влажности может значительно из­ меняться емкость измерительного механизма. Особенно значи­ тельное влияние оказывает влага, конденсирующаяся на поверх­ ности электродов. Образующаяся при этом пленка влаги имеет высокую диэлектрическую проницаемость (для воды е= 80), обу­ словливает появление диэлектрических потерь и может вызвать окисление поверхностей электродов, что в свою очередь увели­ чивает диэлектрические потери. Стабильность приборов в этом случае зависит от толщины пленки влаги, температуры окру­ жающего воздуха, частотного диапазона и состояния поверх­ ностей электродов, на которых конденсируется влага.

При выпадении влаги на поверхности электродов измери­ тельный механизм можно рассматривать как сложный конден­

для определения вли­ гослойного конденсатора. Изменение влаж­

перераспределения емкостей воздушного конденсатора и конден­ сатора с диэлектриком из воды. Расчеты подтверждают это по­ ложение (табл. 2-2).

Таблица 2-2

Рассмотренное явление приводит к увеличению dCjda, что вызывает увеличение вращающего момента прибора, приводя­ щее к появлению положительной погрешности, которая должна исчезать при последующем нагреве прибора (удаление влаги

споверхности электродов).

Вреальных конструкциях после действия пониженной тем­ пературы показания прибора изменяются и остаются таковыми

в течение длительного времени. Последующий нагрев прибора

40

до +60° С, т. е. выпаривание влаги с поверхности электродов, приводит показания прибора к исходному состоянию. Попутно следует отметить, что конденсация паров влаги может насту­ пать не обязательно при глубоком охлаждении, а даже при положительных температурах [67].

Для приборов, градуированных на постоянном токе, а рабо­ тающих на переменном токе, при понижении температуры воз­ можно значительное увеличение•погрешности. Для предотвра­ щения этих явлений, т. е. для получения стабильных показаний и улучшения частотных характеристик электростатических из­ мерительных механизмов, необходимо применение мер, обеспе­ чивающих влагозащиту измерительного механизма. Возможен ряд способов устранения влияния влажности. Одним из возмож­ ных путей снижения влияния влажности является метод искус­ ственного повышения температуры. Проще всего создать пре­ вышение температуры над температурой окружающей среды с помощью маломощного подогревателя в приборе. При этом необходимо помнить о возможном появлении вредного влияния потоков воздуха.

Наиболее надежным и в то же время наиболее сложным способом защиты от влаги является герметизация измеритель­ ного механизма. Для измерительных механизмов необходимо производить корректировку положения подвижной части, в связи с чем весьма трудно получить достаточно надежную герметиза­ цию корпуса. При полной герметизации корпуса измерительного механизма не следует забывать о возможности конденсации влаги при понижении температуры. Вследствие этого гермети­ зацию следует проводить в сухих и по возможности прохладных помещениях (относительная влажность 10—20%). Для устра­ нения влияния влаги в корпус измерительного механизма можно помещать влагопоглощающее вещество. Рекомендуется напол­ нять корпуса измерительного механизма сухим вымороженным инертным газом, например аргоном.

2-3. Влияние внешних факторов на характеристики электростатических приборов

Компоновка измерительного механизма, соотношение разме­ ров, применяемые материалы, условия эксплуатации и другие факторы также обусловливают появление погрешностей измере­ ния, вызываемых рядом причин: 1) неравномерным распределе­ нием температуры внутри корпуса прибора; 2) флуктуацией подвижной части; 3) влиянием механических сотрясений; 4) влия­ нием паразитных связей и наводок; 5) влиянием электростати­ ческого поля. Наличие указанных факторов может вызвать по­ явление дополнительного вращающего момента, приводящего к отклонению подвижной части и, как следствие, к погрешности измерений.

41

Влияние температуры. Отклонение температуры окружаю­ щего воздуха от нормальной вызывает изменение показаний электростатических приборов. Анализ выражения (1-1) для вра­ щающего момента показывает, что температурная погрешность электростатического прибора определяется изменением противо­ действующего момента растяжек или пружин и приращением емкости измерительного механизма с изменением температуры:

менения емкости измерительного механизма.

Величина температурного коэффициента противодействую­ щего момента зависит от материала растяжек или пружины и для применяемых в настоящее время материалов (79] не пре­ вышает величины 0,2—0,4% на 10° С. Поскольку температурный коэффициент момента входит в выражение температурной по­ грешности (2-16) с коэффициентом 1/2, то последняя не превы­ шает 0,1—0,2% на 10°С. Изменение же емкости на порядок меньше, чем изменение удельного противодействующего мо­ мента [64] и поэтому может не приниматься во внимание.

Таким образом, поскольку электростатический прибор не имеет схемы для промежуточного преобразования измеряемой величины, могущей повлиять на величину температурной по­ грешности прибора, то, исходя из приведенных выше значений температурных коэффициентов упругости растяжек или пружин для приборов, класс точности которых не превышает 0,5, ника­ ких мер для компенсации температурной погрешности при­ нимать не требуется.

Применение для растяжек и пружин материалов с более низ­ ким температурным коэффициентом упругости (например, типа элинвара) позволило бы создавать приборы более высокого класса точности без специальных схем температурной компен­ сации. Однако в настоящее время отсутствуют растяжки, обес­ печивающие получение требуемых характеристик. Поэтому для приборов высокого класса точности необходимы специальные меры для компенсации температурной погрешности от измене­ ния упругих свойств растяжек.

Используя формулу Сен-Венана, удельный противодействую­

циент натяжения, равный отношению натяжения Р к разрыв­ ному усилию Q; ств — временное сопротивление разрыву.

42

Зависимыми от температуры величинами здесь являются Н, I, G и ав.

Проведя соответствующие математические преобразования, получаем относительное изменение противодействующего мо­ мента

d W t / W = 3az + 0,75а£ + 0,25ав,

где аi— температурный коэффициент линейного расширения в направлениях h и /; ае — температурный коэффициент модуля сдвига; ав — температурный коэффициент временного сопротив­ ления разрыву.

Если конструкция амортизационных пружинок для крепле­ ния растяжек будет такова, что натяжение их (коэффициент на­ тяжения &н) будет изменяться при изменении окружающей тем­ пературы, то, подобрав желаемое изменение натяжения, можно компенсировать изменение упругих свойств растяжек. Для ком­ пенсации надлежит, очевидно, выполнить равенство между от­ носительным изменением противодействующего момента dWt/W, вызванным изменением упругих. свойств материала растяжки под воздействием температуры, и относительным изменением противодействующего момента dWH/W, обусловленным измене­ нием натяжения, т. е.

dWJW = —dWtIW.

Относительное изменение коэффициента натяжения исходя

Так, например, для растяжек из платино-серебряного сплава с моментом М = 0,5 мгс-см!90° на 100 мм длины растяжки при номинальном &н = 0,4, для компенсации температурной погреш­ ности от изменения упругих свойств растяжек необходимо из­ менение натяжения на 1,3 гс/10 град.

Для компенсации температурной погрешности предложено устройство (рис. 2-10) [57], в котором амортизационные пру­ жинки 2, осуществляющие натяжение растяжек, укрепляются на пластине 6 из термобиметалла так, что при повышении тем­ пературы деформация биметаллических пластин будет увеличи­ вать натяжение растяжек, а при понижении — уменьшать его. Пластина из термобиметалла жестко укреплена одним концом с помощью планки 7 на обойме 8. На втором конце прикреплена планка 1, на которой в свою очередь закреплена амортизацион­ ная пружинка 2.

Длина рабочего участка термобиметаллической пластины I может регулироваться с помощью перемещения каретки 3

43

поворотом микрометрического винта 5, а затем фиксироваться

винтом 4.

Для того, чтобы не нарушать симметричности расположения подвижной части измерительного механизма при изменении тем­ пературы, необходимо рассматриваемое устройство устанавли­ вать с обоих внешних концов растяжек.

Изменение температуры, окружающей прибор, обусловли­ вает изменение диэлектрической проницаемости е воздуха [4, 19]. Для сухого воздуха повышение температуры дает практически линейное снижение диэлектрической проницаемости е, причем величина температурного коэффициента диэлектрической про­

где Р —давление; I — упругость водяного пара; Т — абсолютная температура.

Более удобно оценивать е величиной относительной влаж­ ности, так как последняя является результатом измерений и, кроме того, нормируется в технических требованиях на измери­ тельные устройства.

Тогда е записывается [4]:

е = + -L^224 + g Е 9600' 1(Г6,

Р Т

где Е — упругость насыщенного пара; g — относительная влаж­ ность.

Состояние влажного воздуха характеризуется различными соотношениями приведенных выше характеристик. При измене­ нии температуры окружающего воздуха можно говорить в ос­ новном о двух различных состояниях воздуха, являющегося ди­ электриком между электродами измерительного механизма: либо о постоянстве абсолютной влажности q, либо о постоян­ стве относительной влажности g. При небольших изменениях

44

температуры можно говорить о постоянстве абсолютной влаж­ ности.

Величина относительной влажности может быть постоянной при изменении температуры среды в широких пределах. В этом случае относительная влажность воздуха может быть велика.

Приведенные случаи изменения влажности воздуха при из­ менениях температуры, строго говоря, не соответствуют реаль­ ным условиям работы измерительных устройств и приборов, так как в действительности эти изменения происходят по зна­ чительно более сложным и трудно учитываемым законам.

Знание рассматриваемых случаев позволяет оценить возмож­ ные пути появления погрешностей приборов и методы защиты измерительного механизма от влияния изменения температуры и влажности.

При работе измерительного механизма могут иметь место температурные режимы, обусловленные температурой окружаю­ щей среды и временем включения освещения отсчетного устрой­ ства или преобразователя угла поворота. Температурный ре­ жим зависит от многих факторов: источников тепловой энергии, физических свойств материалов конструкции и окружающей среды, выполнения и размеров конструкции. При этом могут существовать три механизма теплообмена: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание [48].

Разница в температурах частей тела обусловлена теплопро­ водностью материалов к. Чем больше теплопроводность, тем быстрее протекает процесс установления температуры и имеет место меньший градиент температур. Для оценки материала с этой точки зрения предложен [85] коэффициент качества, пред­ ставляющий собой отношение к/т. В табл. 2-3 приведены данные некоторых материалов, которые могут применяться для построения измерительных механизмов.

45

Из табл. 2-3 видно, что у инвара, имеющего весьма малую

в конструкции приборов высокой точности по возможности одно­ родные материалы, хотя бы и с большим щ.

Для уменьшения градиента температуры корпус измеритель­ ного механизма следует изготавливать с большой толщиной сте­ нок из материала с высоким коэффициентом теплопроводности:

ханизма узел осветительной лампы должен изолироваться от корпуса измерительного механизма.

Для защиты измерительного механизма от инфракрасного из­ лучения лампы освещения целесообразно применять теплоза­ щитное стекло. Известна конструкция [104], в которой потоки воздуха, вызываемые лучистой энергией через световое окно измерительного механизма, локализуются в специальной камере

абвг (рис. 2-11).

Теплонагрев от лучистой энергии окружающего простран­ ства зависит от степени черноты внешней поверхности измери­ тельного устройства. При этом чем выше степень черноты экрана, тем меньше теплонагрев устройства от излучения.

Применение теплоизоляции и подбор материалов позволяют значительно уменьшить влияние температуры.

Флуктуации подвижной части. Наличие флуктуаций вызы­ вает отклонение подвижной части в обе стороны от среднего положения. Флуктуации могут наблюдаться как при отсутствии входного сигнала, так и при замкнутых накоротко электродах измерительного механизма прибора. Выражение для среднего

46

где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; А — параметр, определяющий жесткость системы крепления по­ движной части прибора.

Для измерительного механизма прибора параметром, опреде­ ляющим жесткость системы крепления подвижной части, яв­ ляется, по существу, удельный устанавливающий момент М/. Тогда выражение (2-18) следует записать:

Как видно из выражений (2-18) и (2-19), амплитуда флук­ туаций при постоянных параметрах механизма определяется зна­ чением абсолютной температуры среды, окружающей прибор. При этих условиях источником для возникновения флуктуаций является броуновское движение. Влияние флуктуаций на работу чувствительных электроизмерительных приборов, в том числе электрометров, рассматривалось [95, 99].

Порог чувствительности дуантного электрометра рассмотрен в 195]. Автором указанной работы была проведена проверка при­ менимости (2-18) для электрометра. В результате эксперимен­ тальных исследований установлено, что данные теоретического определения отличаются от экспериментальных всего на 4%.

В [103] приведена общая теория влияния броуновского дви­ жения на работу электрометров. Показано, что флуктуации яв­ ляются следствием случайных столкновений молекул воздуха с подвижной системой. Однако, даже поместив измерительный механизм в вакуум, во-первых, трудно полностью изолировать систему от внешней среды, так как связь осуществлялась бы че­ рез растяжки и токоподводы к электродам, и, во-вторых, с умень­ шением числа случайных столкновений одновременно снижается успокоение системы. Снижение флуктуаций угла поворота по­ движной части, обусловленных броуновским движением, может быть достигнуто либо снижением абсолютной температуры, при которой находится измерительный механизм, либо применением в электрометрах вместо воздушного успокоения специальной схемы фотоэлектрического усилителя [104], содержащего диф­ ференцирующую цепочку. Количество света, падающего на фото­ элемент, оказывается пропорциональным отклонению электро­ метра, и сигнал с выхода усилителя подается обратно на элект­ рометр. По данным авторов, применение этой схемы позволило понизить влияние броуновского движения в 100 раз и увели­ чить точность в 10 раз. Для получения таких же параметров при воздушном успокоении было бы необходимо поместить из­ мерительный механизм в атмосферу с температурой 3° К.

Для повышения точности измерений приборов с электроста­ тическим измерительным механизмом можно рекомендовать при­

47

ционных помех от электрических шумов находятся в пределах 0,1—0,5 мв. Такими значениями флуктуаций можно пренебречь при создании приборов, обеспечивающих погрешность измерения

до 0,001%.

Влияние механических сотрясений. Под влиянием механиче­ ских сотрясений подвижная часть измерительного механизма может перемещаться относительно корпуса, что увеличивает по­ грешность измерения и может привести иногда к невозможности проведения измерений. В условиях эксплуатации измеритель­ ного механизма электростатического прибора возможны, в основ­ ном, вибрационные сотрясения.

Для получения нечувствительного к вибрации измерительного механизма необходимо, чтобы собственные частоты подвижной части находились за пределами возможных значений частоты возмущающей силы. Подвижная часть измерительного меха­ низма имеет несколько собственных частот. Продольные собст­ венные частоты системы на растяжках имеют значение порядка 1000—1500 гц и не сказываются на работе механизма при низких частотах. Наиболее низкая собственная частота подвижной части — поперечная. Ее значение для существующих приборов лежит в пределах 20—200 гц. Одним из путей расширения диапазона частот, при котором подвижная часть остается не­ чувствительной к воздействию вибрации, является повышение собственной частоты поперечных колебаний подвижной части [69]. Собственная частота системы в поперечном направлении

натяжения; 2) уменьшением длины растяжки; 3) снижением массы подвижной части.

Увеличение натяжения возможно за счет увеличения момента растяжки или применения материала с большим ов. Для повы­ шения механической прочности и уменьшения дрейфа нуля сни­ жать жесткость растяжек невыгодно, так как это ведет к сни­ жению допустимого натяга растяжек измерительного механизма преобразователя, что в свою очередь повышает чувствительность измерительного механизма к механическим сотрясениям. Наибо­ лее приемлемым решением является крепление подвижной части на достаточно жестких растяжках. Из применяемых в настоя­ щее время материалов для растяжек наиболее подходящими

48

тически желательно для снижения влияния вибраций иметь по­ движную часть с малым моментом инерции — малым радиусом электродов и легкой подвижной частью. Однако это неприемлемо в связи с тем, что одновременно со снижением чувствительности электростатического механизма к сотрясениям резко понизится и чувствительность его к измеряемой величине.

Вопросы выбора оптимальной длины растяжки и влияния ее на основные параметры прибора рассмотрены в (60]. При необ­ ходимости одновременного получения высокой прочности, ми­ нимального влияния упругого последействия и большой точности воспроизведения момента выгодно иметь растяжки длиной 15— 20 мм. С увеличением собственной частоты системы уменьшается амплитуда вынужденных колебаний подвижной части относи­ тельно корпуса. В связи с этим представляется целесообразным использование жидкостных капельных успокоителей, обеспечи­ вающих снижение амплитуды вынужденных колебаний [6]. Вы­ бирается такая вязкость жидкости, которая обеспечит хорошее успокоение поперечных колебаний. Вынужденные колебания имеют в связи с этим меньшую амплитуду и быстро затухают. В то же время капельные успокоители не создают нежелатель­ ного добавочного успокоения угловых колебаний, так как мо­ мент вязкого трения растяжки о жидкость вследствие малых размеров поперечного сечения растяжки очень мал. Благодаря высокой вязкости и незначительной массе жидкость не вытекает при ударах и вибрации, а также при изменении температуры. Применение капельных успокоителей увеличивает устойчивость измерительного механизма к механическим сотрясениям при­ мерно на порядок, что обеспечивает надежную работу прибора в условиях механических нагрузок.

Для получения вибростойкости прибора необходимо также, чтобы подвижная часть измерительного механизма не содержала элементов, имеющих собственную частоту, лежащую близко от области частот возмущающей силы. Основными элементами кон­ струкции, вступающими в резонанс и увеличивающими вынуж­ денные колебания подвижной части, являются подвижные элект­ роды, стрелки и крылья успокоителя. При благоприятных усло­ виях вынужденные колебания этих элементов могут ввести в резонанс всю систему.

Собственные частоты поперечных колебаний указанных эле­ ментов подвижной части

где Е — модуль упругости материала; / — момент инерции попе­ речного сечения; г — радиус элемента конструкции; у-—плот­ ность материала; 5 — площадь.

Из (2-21) следует, что для повышения собственной попереч­ ной частоты необходимо увеличивать отношение Ely. Это отно­

49