книги из ГПНТБ / Шваб А. Измерения на высоком напряжении. Измерительные приборы и способы измерения

высокого напряжения возникает значительная погреш­ ность измерения, так как тогда избыточный заряд на конденсаторе См отводится только через сопротивление изоляции вольтметра и обратное сопротивление выпря­ мителя. Цепь разряда конденсатора выполняют так, чтобы она имела постоянную времени TM ~ C MRM по­ рядка 1 с. Чтобы получить такую постоянную времени, значение Дм должно быть сравнительно мало. Поэтому измерительный конденсатор С м немного разряжается в промежутке между двумя следующими друг за другом максимумами одинаковой полярности. Вследствие этого стрелочный прибор показывает среднее значение между действительным амплитудным значением и наименьшим значением напряжения, возникающим на. зажимах кон­ денсатора См в процессе разряда. Эти погрешности на­ зывают «разрядными».'Они зависят от частоты, так как время разряда с уменьшением частоты увеличивается, вследствие чего среднее значение напряжения на зажи­ мах прибора падает. В течение промежутка времени, когда измерительная емкость повторно подзаряжается до амплитудного значения, конденсатор См включен параллельно низковольтной емкости С2 и увеличивает тем самым передаточное отношение емкостного делителя напряжения. Эти погрешности называют «зарядными»; они также зависят от частоты [Л. 236—238].

При неодинаковом амплитудном значении напряже­ ния на низковольтном конденсаторе делителя С2 в по­ ложительный и отрицательный полупериоды возникает составляющая постоянного напряжения, снимаемая со­ противлением RE- Э то сопротивление также несколько

искажает передаточное отношение. Наконец, собствен­ ная емкость выпрямителя через сравнительно большую емкость измерительного конденсатора См включается параллельно конденсатору С2 делителя напряжения и тем самым несколько изменяет передаточное отношение делителя. В конечном итоге можно сказать, что схема рис. 94 тогда работает с достаточно удовлетворительной точностью, когда сопротивление R M выбрано высокоом­ ным. Инерционность показаний при снижении высокого напряжения, обусловленная большим значением сопро­ тивления R M , приводит на практике к затруднениям при проведении испытаний или исследований. На основе описанной выше схемы были разработаны улучшенные схемы, не имеющие этого недостатка [Л. 236].

ПО

Двухполупериодная сйема по Рабусу содержит Двё идентичных ветви с выпрямителями (рис. 95). При сим­ метричном высоком напряжении с емкостного делителя напряжения одинаково отбираются заряды как в поло­ жительный, так и в отрицательный полупериоды. По­ стоянные токи, протекающие в уравнительной и измери­ тельной ветвях, взаимно уничтожаются, так что необ­ ходимое в принципиальной схеме по рис. 94 сопротивле-

ние RE здесь отпадает и обусловленные им погрешности или полностью исчезают, или существенно уменьшаются. Однако «разрядные» погрешности остаются. Значитель­ но лучше другая двухполупериодная схема, разработан­ ная Рабусом [Л. 238]. Эта схема также содержит две идентичных ветви, при этом, однако, измерительная цепь RM, См дополнена вспомогательной цепью Rs, Cs (рис. 96). Разряд измерительных конденсаторов Смі и См2 между двумя полупериодами одинаковой поляр­

ности здесь может быть очень малым, так как их на­ пряжение поддерживается конденсаторами CSi и Cs2-

Разность потенциалов между обоими зажимами на RMI

тельные цепи Rs и Cs, если надлежащим образом вы­ брать их постоянные времени, немедленно следуют за этим снижением, тогда как собственно измерительная цепь только тогда быстро разряжается, когда сильно снижается напряжение на вспомогательных конденсато­ рах. С двухполупериодной схемой можно в диапазоне частот 16,7— 100 Гц получить точность измерений около ±1,5%. Подробные сведения о выборе постоянных вре-

111

мели у приборов для измерения амплитудных напряже*

ний, выполненных по двухполупериодной вспомогатель­ ной схеме, можно найти в [Л. 239].

Схема, используемая в пик-вольтметрах фирмы Хэфели (рис. 97), представляет собой видоизмененную двухполупериодную схему. .Здесь измерительные конден­ саторы и выпрямители поменялись местами. Эта схема имеет такие же «разрядные» и «зарядные» погрешности, как описанная двухполупериодная схема Рабуса]Л. 240].

Измерение.. среднего значения напряжения на измери­ тельном конденсаторе См производится микроампермет­ ром, при этом одно из разрядных сопротивлений исполь­ зуется в качестве добавочного сопротивления.

В принципиальной схеме рис. 98 пик-вольтметра фирмы Мессвандлер Бау заряд конденсатора См про­ исходит через электронную лампу без потребления мощ­ ности. Падение напряжения на конденсаторе С2 емкост­ ного делителя напряжения подается на сетку триода. Когда на делителе нет высокого напряжения, т. е. из­ меряемое напряжение равно нулю, измерительный кон­ денсатор См заряжается до определенного значения напряжения. Это зарядное напряжение действует, как отрицательное сеточное смещение, так как катод при­ обретает положительный потенциал. Напряжение на См возрастает до тех пор, пока анодный ток не становится равным нулю. Таким образом, напряжение, приложен­ ное между сеткой и катодом, запирает лампу. Этот процесс по сравнению с изменением измеряемого напря­ жения частотой 50 Гц происходит в пренебрежимо ма-

112

Лый промежуток времени. Если на низковольтной части емкостного делителя возникает сигнал переменного на­ пряжения, то во время первого положительного полупериода потенциал сетки увеличивается до амплитуды этого напряжения и конденсатор С м катодной цепи

соответствует положительному амплитудному значению переменного напряжения, приложенного к сетке. Из принципа измерений вытекает, что этой схемой можно измерять только амплитуды напряжения положительной полярности. Измеряемое напряжение на С м подается

на лампу Л2, работающую как усилитель постоянного напряжения, и после соответствующего усиления изме­ ряется прибором магнитоэлектрической системы. Чтобы схема могла следовать за небольшими изменениями зна­ чений амплитудного напряжения, нужно подключить

в описанных выше схемах, должна быть выбрана такой, чтобы, с одной стороны, снижение -напряжения между двумя полупериодами одинаковой полярности было по возможности малым, а с другой стороны, разряд кон­ денсатора См при снижении напряжения происходил достаточно быстро. Наиболее употребительные значения постоянной времени здесь порядка 1 с. Наличие в схеме сопротивления Я м вызывает «разрядные» погрешности

такие же, как у однополупериодной схемы, но здесь нет «зарядных» погрешностей, так как измерительный кон­ денсатор подключен к делителю напряжения через электронную'лампу и подзаряжается не от емкости С%, а от анодной цепи усилителя.

Практически конструкции пик-вольтметров, работаю­ щие по описанным схемам, имеют еще и дополнительные элементы: ВЧ-гнезда для подключения электроннолуче­ вого осциллографа, чтобы можно было наблюдать фор­ му кривой измеряемого напряжения, градуировочные приспособления и др.

Амплитудные значения положительного и отрица­ тельного полупериодов не всегда бывают одинаковы. Поэтому приборы промышленного изготовления, рабо­ тающие по двухполупериодной схеме, часто снабжают переключающим устройством, при помощи которого

80ЛНтМе4р электростатической системы Можно подклю ­ чать к измерительной или уравнительной ветви. При неодинаковых амплитудных значениях у положительно­ го и отрицательного полупериодов на низковольтном конденсаторе делителя возникает составляющая постоян­ ного напряжения, которая ликвидируется подключением параллельно конденсатору С2 высокоомного сопротив­ ления RE (аналогично рис. 94). При очень больших несимметриях измеряемых напряжений нужно применять

омические или емкостно­ омические делители напря­ жения.

висимых погрешностей мо­ жет быть достигнута сравнительно простыми средствами в схеме рис. 99, разработанной Бергеном и Бинге [Л. 243]. Для этого в обычной двухполупериодной схеме параллельно низковольтному конденсатору емкостного делителя напряжения подключен дроссель L. Как уже упоминалось, погрешности обычной схемы пик-вольтмет­ ра увеличиваются с уменьшением частоты. Поэтому при низких частотах целесообразно повысить переда­ точное отношение емкостного делителя напряжения под­ ключением дросселя L параллельно С2. Дроссель L и низковольтный конденсатор С2 образуют параллельный колебательный контур, полное сопротивление которого зависит от частоты, причем резонансная частота кон­ тура значительно ниже наименьшей частоты, подлежа­ щей измерению. Соответствующий выбор параметров L и С2 обеспечивает желаемую компенсацию. Дроссель одновременно служит в качестве сопротивления утечки, шунтирующего низковольтную часть, которое, как упо­ миналось выше, необходимо для получения правильных показаний при неодинаковых положительных и отрица­

114

тельных амплитудных значениях. У практически выпол­ ненных приборов погрешность показаний, отнесенная к полному отклонению, оказалась равной —0,8% при 16,7 Гц и +0,35%| при 300 Гц. Имеются еще достаточ­ ные резервы для уменьшения изменений передаточного отношения, если применить масляные конденсаторы.

В заключение сделаем несколько замечаний по по­ воду конструкций емкостных делителей напряжения, используемых для пик-вольтметров. Основные требова­ ния к ним аналогичны сформулированным. Применение дорогих конденсаторов под давлением инертного газа безусловно целесообразно тогда, когда они используют­ ся также для измерений tgö мостом Шеринга. Во всех других случаях применяют более дешевые масляные конденсаторы с емкостью 500—50 пФ в зависимости от величины высокого напряжения, подлежащего измере­ нию, и его частоты. Неэкранированные конденсаторы малой емкости (200 пФ и менее) и большого габарита (более 2 м) должны калиброваться на месте их приме­ нения, так как их фактическая емкость заметно зависит от величины паразитных емкостей на землю и окру­ жающие предметы. Рекомендации по высоковольтным конденсаторам, применяемым в пик-вольтметрах, можно найти в VDE 0433 [Л. 233].

Низковольтные конденсаторы чаще всего монтируют в корпусе показывающего устройства. Соединение низ­ ковольтного конденсатора с высоковольтным произво­ дится коаксиальным кабелем с известной емкостью. Поэтому недопустимо произвольно изменять длину сое­ динительного кабеля, если не будет осуществлена по­ вторная градуировка измерительного устройства. Вся низковольтная часть защищается от перенапряжений (которые могут возникнуть, например, при первоначаль­ ном включении под напряжение) параллельным, подклю­ чением разрядника с инертным газом.

в) Импульсные пик-вольтметры

Описанные ниже схемы и приборы служат для измерения амплитуды однократных импульсов напряже­ ния. Аналогично рассмотренным в предыдущем пара­ графе пик-вольтметрам для переменного тока, высокое напряжение через делитель напряжения снижается до небольших значений и затем измеряется прибором.

Сведения о конструкции делителей напряжения, приве­ денные в предыдущем параграфе, в значительной сте­ пени справедливы и для этих устройств. Часто для деления напряжения используют, фронтовую емкость генератора импульсного напряжения.

Рассмотрим самую упрощенную схему импульсного

тельного импульса напряжения вентиль В открывается и измерительная емкость См заряжается до амплитудного значения напряжения им­ пульса. Когда приложенное к входу напряжение сни­ жается, вентиль запирается и тем самым препятствует разряду измерительного конденсатора. Напряжение на зажимах конденсатора измеряют вольтметром электро­ статической системы.

К сожалению, эта простая схема работает неудовле­ творительно, так как конечное сопротивление выпрями­ теля в прямом направлении не дает возможности про­ изводить измерения импульсов напряжений с любыми малыми продолжительностями фронта волны. Рассмот­ рим, как изменяется выходное напряжение і?С-элемента при поступлении на его вход импульса напряжения (рис. 101,а). Изменение во времени апериодического им­ пульса напряжения может быть описано уравнением

сопротивление вентиля бесконечно большим, а сопро­ тивление вентиля в прямом направлении постоянным, то напряжение на конденсаторе См будет изменяться приблизительно по кривой, изображенной на рис. 101,6. С момента времени t* выпрямитель запирается, так как приложенное к входу напряжение отрицательно по от*

1-16

ванное изменение напряжения в зависимости or по­ стоянных времени цепи выпрямителя.

Вышеуказанные возможности аналитического опре­ деления погрешностей основаны на предположении, что характеристика выпрямителя идеальна. В действитель­ ности выпрямитель для точных расчетов следует рас­ сматривать как нелинейный элемент. При расчете по­ грешностей для очень быстро изменяющихся процессов нужно, кроме того, учитывать собственные емкости мон­ тажа и схемы, а также индуктивности подводящих про­ водов.

Другой способ определения погрешностей основан на замещении импульса напряжения эквивалентной синусоидой, подаваемой на схему пик-вольтметра в мо­ мент перехода через нуль. Так, например, импульсуна­ пряжения 1,2/50 мкс соответствует эквивалентная си­ нусоидальная волна частотой 230 кГц [Л. 245]. При помощи комплексных методов расчета, применяемых для переменных токов, можно также оценить погреш­ ности измерений, если і?С-элемент рассматривать как

частотнозависимый делитель напряжения.

Так как обратное сопротив­ ление выпрямителя имеет ко­ нечное значение и есть утечки по изоляции измерительного конденсатора и вольтметра электростатической системы, сравнительно небольшая ем­ кость См (десятки пикофарад) разряжается очень быстро, так

что за время, необходимое для отсчета показаний, напря­ жение на нем быстро снижается и возникает дополнитель­ ная погрешность. В схеме с автоматическим перезарядом, разработанной Рабусом {Л. 245], эти дополнительные по­ грешности не возникают (рис. 102). Вольтметр электро­ статической системы в этой схеме подключен не непосредственно к измерительной емкости, а к другому конденсатору значительно большей емкости, на который перезаряжается измерительная емкость через сопротив­ ление R v■Благодаря тому что второй конденсатор имеет большую емкость, получается достаточная постоянная времени разряда. Поскольку перезарядное сопротивле­ ние мало по сравнению с обратным сопротивлением вы-

118

прямителя $s, постоянная йремени разряда может быть вычислена по формуле

Те —(См + C)iR,

Схема с автоматическим перезарядом работает удов­ летворительно, когда путем соответствующего выбора перезарядного сопротивления добиваются того, что во время заряда конденсатора См на конденсатор С еще не поступают заряды. Для заряда конденсатора См не­ обходимо время &Тф. Это приблизительно такой проме­ жуток времени, в течение которого импульс напряжения достигает своего амплитудного значения. Так, например, для стандартной волны 1,2/50 мкс значение k равно 1,7 [Л. 244]. Поэтому если выбрать постоянную времени перезаряда равную нескольким десятым секунды, то можно, в пределах требуемой точности измерений, пре­ небречь зарядом, который получает конденсатор С за промежуток времени кхф. Требование иметь пренебре­ жимо малый заряд у конденсатора С за время заряда конденсатора См ограничивает допустимую длитель­ ность волны измеряемого напряжения. Вообще постоян­

Если необходимо изме­ рять амплитудные значения

у импульсов напряжения с очень большой длитель­ ностью волны или амплитудные значения нескольких быстро Тшедующих друг за другом импульсов напряже­ ний одинаковой амплитуды и формы (ГИН повторного действия), то нужно автоматический перезаряд заменить механическим (рис. 103). У этого пик-вольтметра иде­ ально выполняется требование иметь пренебрежимо малый заряд у перезарядного конденсатора С при за­ ряде См [Л. 245, 246]. Измерительная емкость заря­ жается до амплитудного значения входного напряжения одним или несколькими импульсами. Перезаряд произ­

119