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

шение может служить для оценки качества материалов, которые могут быть применены для изготовления подвижных электродов и крыльев успокоителя. Из приведенных в табл. 2-4 данных видно, что легкие материалы и сплавы не уступают наиболее прочным материалам, таким как латунь, бронза: отношения Е/у для них близки между собой. Из диэлектрических материалов характеристики слюды превосходят в этом смысле характери­ стики всех приведенных в табл. 2-4 материалов.

Таблица 2-4

Механические характеристики некоторых конструктивных материалов

Однако применение диэлектрических материалов для изго­ товления рассматриваемых элементов технологически сложно. Таким образом, в рассматриваемом отношении можно рекомендо­ вать применение алюминия и сплава АМГ-5В. Испытания элект­ родов, стрелок и крыльев успокоителя показывают, что их соб­ ственные резонансные частоты лежат выше 200 гц.

Электромагнитные наводки. Точность измерения электроста­ тическими приборами высокой чувствительности в значительной степени зависит от влияния наводок от посторонних источников электромагнитных полей. Электростатические измерительные ме­ ханизмы представляют собой высокочувствительные приборы с высоким входным сопротивлением, вследствие чего значитель­ ная доля помех обусловлена частотой 50 гц. Источником этой помехи является силовая и осветительная сеть. Воздействия тока промышленной частоты на погрешность прибора могут вы­ зываться двумя причинами.

Одна из них — емкостная связь между сетью и прибором (рис. 2-12, а). Между сетью и входными зажимами прибора прак­ тически всегда существует емкостная связь. Сигналы, наведенные на входную цепь прибора, могут вызвать паразитный ток, проте­ кающий через сопротивление измеряемого источника.

Электромагнитная связь между сетью и входом прибора обу­ словливает помеху из-за индуктивных связей (рис. 2-12,6).

50

При работе прибора обычно имеют место одновременно обе наводки, требующие принятия мер по защите от них. Для этой цели широко используется электростатическое экранирование.

Источник измеряемого сигнала следует располагать в экране, а монтаж выполнять экранированным проводом [18]. Схематиче­ ское изображение экранов и их влияния на снижение помех при­ ведено на рис. 2-13, а. Экранирующее действие обусловлено тем,

Рис. 2-12. Электромагнитные наводки: а — обусловленные емкостной свя­ зью; б — обусловленные индуктивной связью

/ — измеряемый источник; 2 — измерительный прибор; 3 — входное сопротивление прибора

что на поверхности экрана вследствие электростатической индук­ ции сетью наводятся заряды, сумма которых оказывается равной нулю. Заряды распределяются так, что поле внутри экрана ком­ пенсирует поле внешних зарядов, т. е. сеть не влияет на работу

прибора. Следует отметить, что рассматриваемое экранирование эффективно при сопротивлении заземления, близком к нулю. Если сопротивление заземления R3 отлично от нуля (рис. 2-13,6), то на экране появятся потенциалы, вызывающие помеху на входе прибора, вследствие чего такое экранирование будет не эффек­ тивным. При этом заземление необходимо производить в одной точке, иначе экраны образуют с землей петлю связи [18], па­ дение напряжения в которой обусловливает появление помехи на входе прибора.

Для ликвидации шунтирования входа электростатического прибора емкостью монтажа и утечкой по изоляции следует

51

рекомендовать делать корпус прибора изолированным от корпуса схемы прибора в случае наличия таковой. Незаземлепный вход­ ной зажим прибора следует выполнить в виде коаксиального разъема из высококачественной изоляции, например из фторо­ пласта.

Влияние электростатического поля. Влияние внешних элект­ ростатических полей оказывается существенным для электроста­ тических измерительных механизмов. В силу этого электростати­ ческие приборы всегда снабжены экранами для защиты от этих влияний. Электростатическое экранирование для различных приборов выполняется по-разному. У приборов, корпус которых изготавливается из пластмассы, экранирование чаще всего осу­ ществляется путем окрашивания внутренней поверхности корпуса проводящей краской. У приборов, корпус которых изготовлен из металла, сам корпус является экраном. Экран прибора всегда соединяется с одним из электродов прибора, обычно он еще и заземляется.

Внешние магнитные поля не оказывают влияния на показа­ ния электростатических приборов. Влияние магнитных полей на показания электростатических приборов может проявитьсяпри наличии в подвижной части случайных стальных загрязне­ ний. Как правило, все детали подвижной части проходят при сборке проверку на отсутствие стальных загрязнений.

2-4. Стабильность измерительного механизма

Одной из важных задач, возникающих при проектировании точных электростатических приборов, является создание кон­ струкции, обеспечивающей высокую временную стабильность. Конструкция любого измерительного механизма прибора должна обеспечивать высокую стабильность величины емкости. Измене­ ния емкости измерительного механизма могут возникнуть вслед­ ствие ряда причин: при изменениях температуры из-за остаточ­ ных деформаций деталей измерительного механизма, изменений химического состава диэлектрика, вызывающих изменение его диэлектрической проницаемости, и др.

Конструкционные материалы, применяемые для построения измерительных механизмов, помимо электрической стабильности должны также обладать высокой механической стабильностью. Из неметаллических материалов представляют интерес некото­ рые керамические материалы, в частности стеатит и кварц. При­ менение кварца не всегда желательно. Он обладает хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами, а также изменя­ ющимися в зависимости от условий работы электрическими свойствами.[92]. При сжатии или растяжении кварца под воздей­ ствием механической силы электрические диполи занимают опре­ деленное положение, в результате которого возникает поляриза­ ция кварца. При увеличении силы механического воздействия,

52

увеличивается величина заряда. Величина заряда определяется только механической нагрузкой. При нахождении кварца в элек­ трическом поле происходит его деформация, т. е. меняются (уменьшаются или увеличиваются) его геометрические размеры

взависимости от полярности поля. Это явление существует и на переменном токе, причем величина изменения размеров удваи­ вается. При деформации кварца из-за механического или элек­ трического воздействия на него значительно меняется его элек­ тропроводность (до 30%)- Электропроводность быстро изме­ няется также при нагревании и зависит от направления оси кристалла. Указанные факторы затрудняют применение кварца

вкачестве диэлектрика при построении измерительного меха­ низма прибора, так как при работе в измерительном механизме на кварц воздействуют механические нагрузки и электрическое поле, обусловленное измеряемым напряжением. Поэтому при ис­ пользовании кварца необходимо применение специальных мер защиты от этих явлений. Кроме того, сложность технологии из­ готовления деталей из кварца и его дороговизна делают целесо­ образным его применение лишь для уникальных приборов.

При недостаточной жесткости подвижных электродов могут возникать изменения емкости измерительного механизма, вызы­ ваемые электростатическим притяжением электродов под дей­ ствием измеряемого напряжения. В измерительных механиз­ мах приборов всегда существует несимметрия расположения по­ движных электродов относительно неподвижных на величину Ad (рис. 2-14), вследствие чего на подвижный электрод действует электростатическая сила, влияние которой в общем виде рас­ смотрено в [65]. Под влиянием приложенного к механизму напря­

жения U подвижный электрод может переместиться на величину Adi относительно этого положения, увеличив асимметрию. На основании законов электростатики эта сила равна разности сил притяжения подвижного электрода к поверхности неподвижного электрода:

При этом силе F будет противодействовать сила упругости

53

Положение равновесия рассматриваемых сил наступает при равенстве F и Р. Приравняв (2-22) и (2-23), после преобразова­

в каждом конкретном случае толщину подвижного электрода для определенной конструкции в зависимости от допустимого значе­

риала, применяемого для подвижного электрода. Аналогичные выражения могут быть получены для различных видов асим­ метрии электродов измерительного механизма. Для повышения жесткости электродов можно рекомендовать применение мате­ риалов электродов с большим отношением модуля упругости к плотности (см. табл. 2-4). По конструктивным и технологиче­ ским соображениям целесообразно применение таких металли­ ческих материалов, как алюминий и сплав АМГ-5В, либо таких неметаллических материалов, как слюда.

При применении для электродов неметаллических материа­ лов с металлизацией поверхности в электростатических меха­ низмах может наблюдаться явление, аналогичное имеющему место в конденсаторах — явление «мерцания» [66]. Оно может привести к нестабильности величины емкости, вызывающей по­ явление погрешности измерения. Рассматриваемое явление обу­ словливается дефектами тонкого слоя металла, нанесенного вжиганием или распылением. На поверхности таких металлизиро­ ванных диэлектриков возможны участки малой толщины с обо­ собленными частицами металла. На рис. 2-15 приведена экви­ валентная схема измерительного механизма, соответствующая рассматриваемому явлению. При работе измерительного меха­ низма на переменном токе в расширенном диапазоне частот

54

на емкостях С2—С3 создается падение напряжения. При этом между частицами металла на диэлектрике и основной частью электрода возникает автоэлектронная эмиссия, электрическое со­ противление этих участков становится непостоянным, могут об­ разовываться микродуги, соединяющие емкости Сi и С2. Это приводит к скачкообразному увеличению емкости. Вследствие хаотичности явления может наступить обрыв дуги, и емкость скачкообразно уменьшится. Нестабильность емкости зависит от величины напряжения, приложенного к прибору, усиливаясь с увеличением напряжения.

Наиболее опасными местами для возникновения нестабиль­ ности емкости являются места с дефектами пленок металла, связанными с плохим покрытием, и места нарушения пленок при сборке, контактные узлы, так как в них возможны дефекты паек. Все это может наблюдаться в измерительных механизмах, в ко­ торых используются покрытия путем вжигания серебра в кера­ мику, стекло или кварц и катодное распыление золота в ва­ кууме.

Для снижения нестабильности емкости и величины переход­ ных сопротивлений и сопротивлений вдоль металлизированных электродов, а также обусловленного этими явлениями увеличе­ ния потерь, необходимо обеспечить надежную металлизацию диэлектриков, применяемых в конструкции. Особенно следует следить за получением равномерного покрытия у краев электро­ дов в местах, прилегающих к шаблонам, которые прикрывают диэлектрик при его серебрении или золочении.

Нестабильность показаний приборов на растяжках может быть обусловлена также изменением (увеличением) абсолютной величины натяжения растяжек, которое вызывает снижение про­ тиводействующего момента прибора. Удельный противодействую­ щий момент прибора на растяжках определяется выражением

(2-17).

Изменение противодействующего момента возможно в том случае, если изменяется длина или коэффициент натяжения рас­ тяжки. Увеличение длины растяжки может произойти при ослаб­ лении ее крепления. Так, увеличение длины растяжки / = 20 мм всего лишь на 0,02 мм вызовет снижение противодействующего момента на 0,1%. При этом произойдет уменьшение коэффи­ циента натяжения растяжек и снижение собственной частоты подвижной части. Основной причиной изменения стабильности показаний является высокое механическое напряжение припоя, используемого для закрепления растяжек. Расчет закрепленных пайкой растяжек аналогичен расчету консольно закрепленной балки, длина которой равна толщине АI слоя припоя под рас­ тяжкой, высота равна длине пайки hi, а ширина определяется шириной b растяжки. Изгибающий момент, действующий на та­

кую балку,

М = Р А/,

55

а момент сопротивления прямоугольного сечения bhi припоя со­ ставляет:

Wx= bh\t6.

Таким образом, напряжение в припое определяется прибли­

Для припоев марки ПОС, у которых временное сопротивле­ ние разрыву ав= 2,8-у4,7 кгс/мм2, такое напряжение является чрезмерно большим и пайка окажется ненадежной. Может по­ явиться ползучесть напряженного припоя. Принимая во внима­ ние, что прочность металлов снижается по мере повышения тем­ пературы, можно говорить о сложности получения высокой ста­ бильности измерительного механизма с мягкими припоями ПОС при принятых обычно температурах стабилизации около 80° С. Проведенные эксперименты показали, что при выдержке изме­ рительного механизма при ^=100°С (температура начала раз­ мягчения припоя 183° С) прочность пайки действительно недоста­ точна. С этими данными согласуются и характеристики проч­ ности мягких припоев при повышенных температурах.

Надежность крепления растяжек пайкой можно повысить, если применить припой с более высокой температурой размяг­ чения. Для этого можно рекомендовать применение припоя ПСр2,5 (ГОСТ 8190—56), температура размягчения которого равна 295° С, а временное сопротивление разрыву около

4 кгс/мм2.

Для снижения напряжения в припое следует уменьшать слой припоя под растяжкой до технологически возможного минимума (0,05—0,1 мм), а длину пайки /ц выполнять вдоль всей длины язычка амортизационной пружины, не допуская затекания при­ поя на радиусную часть ее поверхности. Увеличение длины пайки, например, в 2 раза позволяет снизить напряжение в при­ пое в 4 раза. Применение этих мероприятий, т. е. сочетание удлиненной (в 2 раза) и плотной (без заметной прослойки под растяжкой) пайки с припоем ПСр 2,5, на порядок уменьшает изменение погрешности и на порядок увеличивает стабильность показаний во времени.

Одним из основных требований, предъявляемых к электро­ статическому измерительному механизму, является обеспечение максимального входного сопротивления прибора и сохранение его стабильности. Если для конструкций электростатических вольтметров обеспечение высокой стабильности входного сопро­

56

тивления является относительно несложной задачей, то выполне­ ние указанных требований у электрометра вызывает значитель­ ные затруднения.

Особенностью конструкции электрометров, обусловленной принципом действия, является необходимость узкого зазора между неподвижными электродами — квадрантами. Входное со­ противление зависит от размера диэлектрика между соседними неподвижными электродами, свойств этого материала и состоя­ ния его поверхности. Недостатком такой конструкции является сравнительно низкое входное сопротивление прибора и его не­ стабильность, обусловленная различными причинами, например, влажностью. Кроме того, указанные факторы усложняют сборку и снижают ее качество, ухуд­

с подвижным электродом. Входное сопротивление такого при­ бора практически определяется высотой ступеньки б, которая может быть выполнена любой величины. Высоту ступеньки следует выбирать такой, чтобы длина изолятора соответство­ вала требуемым значениям величины входного сопротивления электрометра. После технологической очистки измерительного механизма перед сборкой как поверхности А, так и металлизи­ рованные участки В практически недоступны для загрязнения (в том числе руками сборщика). Таким образом, применение рассматриваемой конструкции приводит наряду с увеличением входного сопротивления и обеспечения его стабильности во времени также к повышению качества сборки и ее упрощению.

57

Глава третья

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРИБОРОВ

СЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМИ МЕХАНИЗМАМИ

ИИХ КОНСТРУКЦИИ

3-1. Приборы для измерения низких и средних напряжений

Низкий вращающий момент электростатических механизмов ограничивает область применения приборов измерением относительно высоких значений на­ пряжений. В связи с этим при конструировании приборов с электростатиче­ скими механизмами максимальное внимание уделяют вопросам повышения их чувствительности и улучшения эксплуатационных характеристик. В совре­ менных конструкциях электростатических приборов это достигается примене-

<*)

Г~

-0

г

-0

-в

L.

Рис. 3-1. Принципиальные схемы электростатических приборов: а — вольтметр с защитным сопротивлением; б — вольтметр без защитного сопротивления

I — подвижный электрод; 2 — неподвижный электрод; 3 — защитное со­ противление

нием креплений подвижной части на растяжках. Для тех же целей, а также для уменьшения массы подвижной части и момента инерции в качестве отсчетного устройства часто используется световой указатель наряду с приме­ няемым в ряде конструкций стрелочным отсчетом.

Описываемые в настоящей главе приборы отечественного производства выпускаются либо до недавнего времени выпускались приборостроительными заводами и широко применяются, другие в настоящее время внедряются или подготавливаются к внедрению в производство.

Переносные приборы. Все отечественные переносные приборы предназна­ чены для измерений в цепях постоянного и переменного тока в широком диапазоне частот. Основные технические данные отечественных переносных приборов приведены в табл. 3-1. Принципиальные схемы вольтметров пока­ заны на рис. 3-1. Приборы с пределами измерения 30—300 в (рис. 3-1, а) имеют защитное сопротивление. Приборы с пределами измерения от 600 в и выше (рис. 3-1, б) защитных сопротивлений не имеют, так как междуэлектродные расстояния в этих приборах велики.

Рассмотрим кратко конструктивные особенности приборов.

Вольтметры С95 (рис. 3-2, а). Прибор выполнен в пластмассовом корпусе. В передней части корпуса помещена шкала. Шкала расположена наклонно и представляет собой белый щиток с нанесенными на нем отметками и зна­ ками с горизонтальной прорезью для светового указателя. С внутренней сто­ роны корпуса прорезь закрыта пластинкой из матированного плексигласа, на которую проектируется световое пятно с чертой. В задней части корпуса по­

мещен измерительный механизм. В верхнюю часть корпуса вмонтирован ос­ ветитель.

58

Таблица 3-1

Основные характеристики переносных отечественных электростатических приборов

П р и м е ч а н и е . Условия эксплуатации прибор ов: температура от +10 до +35° С, относительная влажность до 80%.