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

тростатическим квадрантным электрометром по схеме бисквитного включения (см. рис. 1-7, б). В простейшем случае, при использовании электрометра для измерения мощности (рис. 3-18, а) на квадранты 2 и 3 подается напряже­ ние Um с шунта Rm, по которому протекает ток I измеряемой цепи, а по­ движный электрод 1 подключается к напряжению U измеряемой цепи. Мощ­ ность

Р = kUuiU cos ф,

где k — постоянная, определяемая конструкцией прибора.

При таком включении показание прибора пропорционально сумме изме­ ряемой мощности нагрузки и половины мощности потерь в шунте, т. е. в по-

а ) б )

Рис. 3-18. Схемы включения электрометров для измерения мощности

казаниях прибора имеет место погрешность. Известны способы учета или компенсации этой погрешности. Один из способов заключается в измерении суммы мощностей в нагрузке и шунте и отдельно в шунте, для чего подвиж­ ный электрод в первом случае подключается к потенциалу нагрузки, а во вто­ ром к шунту. По двум измерениям и определяется действительное значение мощности в нагрузке. Такой способ приводит к увеличению времени измере­ ния и практически мало пригоден при необходимости проведения большого

объема измерений.

Другой способ заключается в применении схемы, не требующей введения поправки (рис. 3-18, б). Делитель напряжения RR имеет коэффициент деле­ ния, равный двум. Несмотря на простоту этой схемы, наличие делителя на­ пряжения ухудшает параметры ваттметра, так как значительно увеличи­ вается собственное потребление прибора, сужается частотный диапазон при­ менения, увеличивается погрешность измерения, обусловленная погрешностью

делителя.

Показания электростатического ваттметра, приведенного на рис. 3-18, в [53], пропорциональны мощности, выделяемой в нагрузке. Для определения мощности в нагрузке 6 первый подвижный электрод 4 подключен к потен­ циалу нагрузки 6, а первая группа неподвижных электродов 3 и второй по­ движный электрод 2, расположенный на общей оси с электродом 4 и электри­ чески изолированный от него осью 8, подключены к потенциалу шунта 7.

81

Верхняя часть 5 и нижняя часть 7 второй группы неподвижных электродов подключены к общей точке соединения шунта и нагрузки. Введение дополни­ тельных подвижного 2 и неподвижного 7 электродов обеспечило создание до­ полнительного вращающего момента, пропорционального падению напряжения на шунте, который компенсирует составляющую вращающего момента, обу­ словленную потерями мощности в шунте. Таким образом, показания рассматри­ ваемого ваттметра будут пропорциональны только мощности в нагрузке.

При использовании электрометров для построения ваттметров отклонение

низма, при которой

дСг/да = дС2/да.

В случае отсутствия симметрии, т. е., когда

dCJdа ф дС2/да,

возникает вращающий момент, обусловленный на­ личием д (АС) [да:

Тогда погрешность, обусловленная отсутствием симметрии элементов элект­ рометра

Если |= 1 , то ун=0.

Анализ причин асимметрии из-за взаимного смещения электродов и экс­ центричного их расположения приведен ниже (см. гл. 4). Возможно также появление рассматриваемой погрешности вследствие технологического несо­ вершенства, например из-за неравенства размеров взаимодействующих элек­ тродов (рис. 3-19).

Соответственно для второй группы электродов при условии, что размеры первой группы меньше

Емкость между п электродами

С = ^ п , d1

где di — воздушный зазор между подвижным и неподвижным электродами;

82

и соответственно

Таким образом, как видно из (3-5), при достаточно точном изготовлении электродов и достаточной точности их сборки можно было бы достигнуть малых погрешностей. Однако практически выполнить детали, а тем более сборку и взаимное расположение электродов с достаточной точностью не пред­ ставляется возможным. В связи с этим приходится прибегать к конструктив­ ным либо схемным методам устранения несимметрии.

К конструктивным способам регулировки следует отнести регулировку перемещением неподвижных электродов либо частичным изменением площади неподвижных электродов. Оба способа весьма трудоемки и требуют для реализации многократных пересборок прибора.

Рассмотренные методы симметрирования измерительного механизма элек­ трометра-ваттметра позволяют производить регулировку и проверку симмет­ рии практически в одном положении подвижного электрода — в основном на нулевой отметке шкалы. Этот метод не обеспечивает гарантированного отсутствия погрешности ваттметра от несимметрии вдоль всей шкалы.

Для обеспечения симметрирования измерительного механизма при любом значении рабочего угла отклонения подвижного электрода предложен изме­ рительный механизм [54], конструктивная схема которого приведена на рис. 3-20. Регулировочные электроды 1 выполняются в виде сменных разного профиля пластин и могут перемещаться в пазах неподвижных электродов 3 параллельно плоскости подвижного электрода 2. Крепление регулировочного электрода 1 к неподвижному электроду 3 осуществляется с помощью винта 5 и шайбы 4. Симметрирование прибора может осуществляться как путем под­ бора профиля регулировочного электрода /, так и путем изменения его поло­ жения относительно подвижного электрода 2.

Проверка симметрии на нулевой отметке шкалы прибора производится только по напряжению переменного тока, соответствующему номинальному

83

напряжению ваттметра. Для проверки симметрии прибора на любой отметке шкалы регулировка величины напряжения постоянного тока осуществляется до установления указателя на поверяемую отметку шкалы, после чего по­ дается напряжение переменного тока. Смещение указателя с установленной отметки шкалы обусловлено несимметрией электрометра и вызывает необ­ ходимость регулировки.

Представляет также интерес электрический способ регулировки симмет­ рии. В конструкции электрометра [101] имеется три пары квадрантов, распо­

Угол поворота подвижной части прибора составляет 15°. Длина шкалы 100 мм. Характер шкалы почти равномерный. Диапазон частотной применимости за­ висит от сопротивления шунта: многопредельный шунт обеспечивает приме­ нимость прибора до 20 кгц, а однопредельные шунты на 25 а — до 50 кгц, причем падение напряжения на них составляет 3 в.

Для повышения чувствительности в цепи тока и напряжения могут при­ меняться измерительные усилители. Применение измерительных усилителей значительно сужает частотный диапазон приборов в силу зависимости пара­ метров усилителей от частоты. Это еще более усугубляется зависимостью сопротивления шунта (в цепи тока) от частоты.

Применение усилителей с конечным входным сопротивлением и шунтов в цепи тока вызывает потребление активной мощности, вследствие чего в по­ казания электрометра-ваттметра должна быть введена поправка для уточне­ ния величины мощности в нагрузке. Поправка АР, обусловленная собствен-

84

ным п отр ебл ен и ем м ощ н о ст и , м о ж е т бы ть о п р ед е л ен а по ф о р м у л е [62]:

Как показано в [94], при применении двух усилителей, один из которых имеет коэффициент усиления в два раза больший, чем другой, исключается необходимость введения поправки на собственное потребление прибора. По данным авторов применение этого метода позволило создать приборы, работающие в диапазоне частот от 50 гц до 25 кгц и в диапазоне мощностей от 100 мквт до 10 вт.

Структурная схема малокосинусного ваттметра для измерения активной мощности переменного тока, у которого обеспечено условие пропорциональ­ ности между углом отклонения подвижного электрода электрометра и изме­ ряемой активной мощностью, представлена на рис. 3-21. Для подключения ваттметра в цепь измерения мощности высокопотенциальный зажим 6 под­

напряжение на сопротивлении нагрузки 5 поступает на входной преобразо­ ватель напряжения 7, а ток нагрузки поступает во входной преобразователь тока 13. Подвижный электрод 11 подключен к выходу усилителя суммы 8, на вход которого подается сумма напряжений, одно из которых является вы­ ходным напряжением входного преобразователя напряжения 7, а другое на­ пряжение на выходе преобразователя тока 13. Неподвижный электрод 9 под­ ключен к выходу усилителя 12, на вход которого подано напряжение с выхода преобразователя тока 13. Второй неподвижный электрод 10 соединен с общей шиной усилителей 8 и 12. Для снижения погрешности прибора от влияния паразитных емкостей 2 между высокопотенциальными цепями и общей ши­ ной прибора во входном преобразователе напряжения, высокопотенциальные цепи и элементы этого преобразователя помещены в электростатический экран, подключенный к общей точке соединения входных преобразователей.

85

В рассматриваемом ваттметре обеспечение пропорциональности между углом отклонения подвижной части электрометра и активной мощностью до­ стигается тем, что коэффициент усиления усилителя суммы в два раза меньше коэффициента усиления усилителя, включенного на выходе преобразователя тока. При этом усилители должны иметь строго идентичные амплитудно-фа­ зовые характеристики. Наличие вспомогательных цепей, обеспечивающих вклю­

из квадрантного электрометра в комплекте с безындукционным сопротивлением и делителем напряжения, выполняемый обычно из конденсаторов, может слу­

Рис. 3-22. Схемы включения электрометров для измерения мощности потерь в высоковольтных цепях: и квадрантного; б — биквадрантного

включения такого прибора приведена на рис. 3-22, а. Угол отклонения элект­ рометра, включенного по схеме для измерения диэлектрических потерь,

где k постоянная электрометра; Ci и С2 — емкости конденсаторов делителя

напряжения; PR — потери в сопротивлении R; Р — мощность расходуемая в объекте измерения.

При малых значениях коэффициента мощности и высоких напряжениях

^1 Т- ^2

измерим с измеряемой мощностью объекта, что увеличит погрешность изме­ рений.

86

Применяя схему биквадрантного электрометра [21], можно избежать уве­ личения погрешности, обусловленной указанными причинами. Биквадрантный электрометр представляет собой двухэлементную систему, подвижные элек­ троды которой соединены механически, но электрически взаимно изолированы (рис. 3-22, б). Напряжения, подаваемые на подвижные электроды, снимаются с делителей напряжения с равными коэффициентами деления. Отклонение подвижной части прибора пропорционально мощности объекта, т. е. второй член выражения (3-6) отсутствует.

Основным источником погрешности при измерении биквадрантным элек­ трометром потерь и tg6 является паразитная емкость узла А. По данным [21], рассматриваемая схема при применении электрометра с высокими парамет­ рами позволяет осуществить измерение tg6 с погрешностью до 0,1%.

В этом плане наибольшее удобство в работе обеспечивают приборы, представ­

ного тока. Для различных схем детектирования погрешность прибора при ис­ каженных формах кривой может быть различной.

В последнее время для рассматриваемой цели используются также при­ боры с преобразователями действующего значения в постоянное напряжение, ток или частоту, измерение которых может быть осуществлено с высокой точ­ ностью. Тем не менее погрешности известных образцов приборов отечествен­ ного и зарубежного производства достигают значений не ниже 1 %. При этом, как правило, входное сопротивление таких вольтметров сравнительно

При использовании усилителя появляется возможность получить пара­ метры приборов, лучше параметров известных образцов приборов аналогич­ ного назначения.

Применение для создания рассматриваемой группы приборов измеритель­ ных усилителей в сочетании с выходными приборами повышенной точности обеспечивает получение высокочувствительных приборов повышенной точности для измерений токов, напряжений и мощности в широком диапазоне частот при искаженной форме кривой сигнала [55]. В связи с применением на вы­ ходе автокомпенсационной схемы прибора электростатической системы сле­ дует использовать схемы автокомпенсаторов с измерением напряжения на вы­ ходе Uвых (рис. 3-23). Погрешность прибора равна сумме погрешности авто­ компенсационной схемы и выходного прибора; эти погрешности должны быть соизмеримы [55].

Достижения в области создания измерительных усилителей, комплектую­ щих элементов (микропроволочных резисторов и др.) и точных электроста-

87

89

тических приборов высокой стабильности позволили разработать электронные приборы с лучшими техническими данными. При этом измерительные уст­ ройства с электростатическим выходным прибором лучше, чем с приборами других систем; их преимущества: 1) высокая точность; 2) широкий частот­ ный диапазон; 3) практическое отсутствие влияния формы кривой; 4) весьма малое потребление мощности из измерительной цепи.

Промышленностью выпускаются приборы для измерения напряжения, тока и мощности (табл. 3-7).

Рис. 3-24. Структурные схемы автокомпенсационных приборов: а — вольт­ метров и миллиамперметров; б — вольтмиллиамперметров

Структурные схемы вольтметров, миллиамперметров (рис. 3-24, а) или комбинированных приборов вольтмиллиамперметров (рис. 3-24, б) принципи­

браны из расчета, что при токе, равном конечному значению рабочей части, шкалы, падение напряжения на шунтах на всех пределах постоянно.

Напряжение, снимаемое с делителя напряжения или шунта, подается на вход измерительного усилителя напряжения. Для выполнения условий по­ лучения минимальной погрешности усилителя от изменения его параметров (ламп, резисторов и т. д.) в используемых схемах применяется сочетание ма­ лых местных обратных связей и повышенного общего коэффициента усиления разомкнутой цепи с петлевым усилением общей отрицательной обратной связи. Эти параметры обеспечены за счет: 1) применения электронных ламп с боль­ шой крутизной; 2) оптимального выбора элементов схемы; 3) повышения на­ пряжения питания анодных цепей; 4) раздельного питания цепей накала.

90