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

водится при помощи тумблера S. При измерении оди­ ночных импульсов внутреннее сопротивление выпрями­ теля является причиной возникновения таких же по­ грешностей, как у схемы с автоматическим перезарядом. Эти погрешности можно существенно снизить, если применять выпрямители с меньшим прямым сопротив­ лением. В этой связи стоит упомянуть еще о схеме,

Ряс. 104. Импульсный пик-вольтмет.р фирмы Мессвандлер Бау.

а — с омическим и б — с емкостным делителем напряжения.

разработанной Визингером, в которой заряд накопи­ тельной емкости и запирание цепи разряда осуществля­ ются двумя различными выпрямителями [Л. 430]. Питае­ мый от батареи пик-вольтметр, выполненный по этой схеме, при измерении полных или срезанных при 0,3 мкс импульсах обеспечивает точность около 1,5%'.

На рис. 104 показана схема пик-вольтметра фирмы Мессвандлер Бау. Здесь импульс измеряемого напряже­ ния посредством омического или емкостного делителя напряжения и выпрямительной схемы преобразуется, независимо от его полярности, в пропорциональный положительный импульс напряжения меньшей ампли­ туды. Этот импульс напряжения после перезаряда на конденсатор Си получается настолько пологим, что мо­ жет быть измерен пик-вольтметром, схема которого изо­ бражена на рис. 98. Зафиксировать показания в течение сравнительно большого промежутка времени можно, если в схеме по рис. 98 разомкнуть тумблер S. Чтобы подготовить схему к следующему измерению, этот

120

ние общего перезарядного сопротивления на два сопро­ тивления Ru и RT позволяет отдельно применить им­ пульсное и измерительное заземления, так как обе заземляющих системы развязаны между собой сопро­ тивлением RT-

У всех импульсных пик-вольтметров с емкостными делителями параллельно низковольтному конденсатору С2 подключается сопротивление порядка мегом, благо­ даря чему на конденсаторе не возникает составляющая постоянного напряжения.

1 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

И МГНОВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПЕРЕМЕННЫХ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ РОТОРНЫМИ И ГЕНЕРИРУЮЩИМИ ВОЛЬТМЕТРАМИ

Вольтметры, работающие по генераторному принципу, нахо­ дят применение в случаях, когда из-за большого внутреннего со­ противления источника постоянного напряжения измерения должны производиться без потребления энергии или когда измеряемые на­ пряжения столь высоки, что обычньТе электрически подключаемые устройства для измерения высоких напряжений конструктивно не могут быть выполнены.

Первоначально вольтметры, работающие по генераторному прин­ ципу, использовались для измерения напряженности электрического поля (Л. 182]. Согласно теории электрических машин они 'представ­ ляют собою генератор с посторонним возбуждением, создаваемым электрическим полем, подлежащим измерению. Как и у генератора постоянного тока, поле возбуждения которого создает постоянный магнит, здесь также энергия на возбуждение не расходуется; по­ требляемая же стрелочным прибором мощность покрывается за счет привода. Физические основы и принцип действия вольтметра можно уяснить из рис. '105. Если электрическое поле заканчивается на поверхности какого-нибудь проводника, то на этой поверхности имеются наведенные заряды о, распределение которых топографи­ чески соответствует картине поля. Если вследствие перемещения проводника относительно поля распределение заряда изменяется, то внутри поверхности протекают уравнительные токи, которые можно измерить, изолировав друг от друга части проводника. Эти токи вычисляются по уравнению

По этому принципу выполнены различные конструктивные ва­ рианты вольтметров.

Собственно устройство для измерения напряжения выполняют С одним или несколькими электродами, к которым прикладывают

121

полное описание вольтметров, работающих на генераторном прин­ ципе, приведено в (Л. 200, 201].

В промышленно выпускаемых генерирующих вольтметрах обыч­ но предусматриваются некоторые дополнительные приспособления. Для контроля нулевой отметки и указания полярности измеряемого ■постоянного напряжения измерительная головка вольтметра снаб­ жается дополнительным вспомогательным генератором с возбужде­ нием от постоянных магнитов, который жестко соединен с приводом подвижіщй крыльчатки. Его выходное напряжение управляет фазочуветвительным выпрямителем, который выпрямляет напряжение

Рис. 108. Примеры конструкций измерительных головок в генерирующем вольтметре.

электростатического генератора так, что его величина и полярность соответствуют действительным напряженности и направлению элек­ трического поля. На рис. 108 показано несколько примеров конст­ рукций измерительных головок. Для измерения поля земли, напри­ мер при грозе, пригодна конструкция, показанная на рис. 108,а; малые и средние постоянные напряжения можно измерять головкой по рис. 108,6. Увеличение поверхности измерительной головки спо­ собствует выравниванию поля непосредственно Перед нею, благода­ ря чему оказывается возможной градуировка по уравнению E = U / a .

При более высоких напряжениях измерительную головку встраивают

щенном измерению электростатических зарядов.

Так как в' большинстве случаев емкость между измерительной головкой и электродом, находящимся под высоким напряжением, не может быть точно ни рассчитана, ни измерена, то градуировку про­ изводят на низком напряжении порядка нескольких сот вольт при сравнительно большом сопротивлении шунта R. Затем это сопро­

тивление соответственно уменьшают, например в 1 000 раз. Влия­ нием падения напряжения на сопротивлении R для всех практиче­

ски возможных его значений можно пренебречь. Погрешность изме­ рения может возникнуть только 'тогда, когда между высоковольт­ ным электродом и вольтметром возникают пространственные заря­ ды. Как показали практические измерения, влияние этих зарядов

124

оказывается меньшим, чем можно было ожидать, так как измери­ тельные электроды чаще всего встраиваются в стенки лаборатории, т. е. в места с низкими напряженностями электрического поля, тог­ да как пространственные заряды заметной плотности возникают только вблизи от высоковольтного электрода. Кроме того, хорошо закругленные высоковольтные электроды коронируют только в мест­ ных неоднородностях небольших размеров и их экранирующим дей­ ствием чаще всего можно пренебречь. Если влияние пространствен­ ного заряда оказывается заметным, то, обдувая электрод вентиля­

ские вольтметры, работающие на генераторном принципе, измеряют на постоянном токе без потребления мощности.

Мощность,. потребляемая активным сопротивлением R и под­

ключенным измерительным прибором, подводится к системе за счет механической энергии. Однако при изменениях постоянного напря­ жения или измерении переменных напряжений потребляется ни­ чтожная мощность и от электрической цепи.

16. АБСОЛЮТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Измерение физических величин называют абсолютным, когда оно может быть сведено к измерению основных величин (длина, масса, время). Единицы основных физических величин, как извест­ но, неизменны и могут быть воспроизведены с высокой точностью в любом месте земного шара и в любой момент времени. Примера­ ми таких величин являются, например, длины волн совместимых цветов видимого света или период колебаний атомов или молекул (атомные часы). Достоинство всех вольтметров для измерения аб­ солютных значений состоит в том, что для них нет необходимости в подгонке или градуировке. Высокое напряжение может быть вы­ числено из измеренных основных величин с полученной при их опре­ делении точностью.

У большинства изготовленных до сих пор вольтметров для из­ мерения абсолютных значений напряжения измерение высоких на­ пряжений сводится к измерению длин й механических сил и осно­ вано в известной степени на том же принципе, что и электростати­ ческие «весы» напряжения Томсона [Л. 127— 131, 194].

Так как вольтметры для измерения абсолютных значений имеют ограниченное применение, нами не рассматриваются все виды их конструкций. Ниже указаны только две возможности абсолютного измерения высоких напряжений, которые' заслуживают особого вни­ мания вследствие нового использованного принципа. Оба способа сводят измерение высокого напряжения к измерению кинетической энергии частиц, которые ускоряются в электрическом поле, создан­ ном измеряемым высоким напряжением. Первый рассматриваемый способ основан на законах атомной физики и позволяет производить абсолютное измерение высоких напряжений путем использования эфіфекта отклонения электронов в кристаллической решетке. Если

W = e U = 0 , 5 n u y v \

где ё — элементарный заряд, а т о — масса покоя электрона. Ис­

пользуя приведенное выше уравнение, измерение напряжения можно

125

еаести к измерению кинетической энергии юіи конечной скорости ѵ

электронов, ускоряемых высоким напряжением, подлежащим изме­ рению. Если движение электронов рассматривать как волновой про­

известны как дифракционные картины Дебайя-Шерера для рентге­ новских лучей. Дифракционные максимумы лежат на боковых по­ верхностях конуса, которые пересекают плоскость (светящийся экран, фотографическую пластинку) в виде концентрических кру­ говых колец. Положение дифракционного кольца определяется урав­ нением Братта для условия отражения

Формулы для вычисления межплоскостных расстояний кристал­ лической реідетки приведены в {Л. 251]. Так, например, для куби­ ческой решеткиV

V А2 + А2 + I 2 '

где а —• постоянная решетки, А, А, / — индексы плоскостей кристал­

лической решетки по Миллеру. Из геометрии кристаллической ре­ шетки можно вычислить угол отклонения, а зная межплоскостное расстояние кристаллической решетки d, определяют длину волны X и скорость электрона ѵ . В ]Л. 248, 249] приведено следующее урав­

нение для вычисления высокого напряжения, В:

где s — расстояние между кристаллом и фотопластинкой, см; D —

диаметр дифракционного кольца, см.

Для точных измерений, в частности при высоких энергиях ча­ стиц, нужно учитывать относительное увеличение массы электрона

т (о) =

Кроме того, необходимо, чтобы скорость выхода электронов из катода была пренебрежимо мала по сравнению с конечной ско­ ростью о. Окончательно достижимая точность с учетом всех воз­ можных поправок составляет несколько десятых процента.

126

Второй рассматриваемый способ основан на некоторых поло­ жениях теории ядерной физики. Если бомбардировать ядра*легких атомов быстрыми протонами или дейтронами, то происходит ядерная реакция. Эффективное сечение у этой реакции приобретает мак­ симум при определенных энергиях частиц; процессы захвата здесь имеют резонансный характер. Если, например, бомбардировать ми­ шень из лития протонами, то при энергии частиц 441,1 ±0,5 кэВ воз­ никает явно выраженный максимум реакции [Л. 252]

.Li' + tH'-kBe'J-^Be' + Y.

При бомбардировке лития протонами с энергией 441,1 кэВ об­ разуется возбужденный бериллий, который переходит в свое ис­ ходное состояние с излучением у - л у ч е й . Интенсивность уизлучения

является мерой эффективного сечения реакции.

Это явление так называемого ( р , у)-резонанса [Л. 253] четко

выражено только при очень тонкой мишени, так как, когда она мас­ сивна, в препарате происходит уменьшение энергии протонов и воз­ буждать резонанс оказываются способными также и протоны с бо­ лее высокой начальной энергией. Если протоны ускорять высоким измеряемым напряжением, то по энергии частиц, необходимой для достижения резонанса, можно вычислить искомое высокое напря­ жение. Энергии частиц, относящиеся к отдельным максимумам вы­ хода, находят из измерений, при которых величину ускоряющего напряжения определяют по отклонению частиц в магнитном поле. Напряженность магнитного поля находят путем измерения частоты прецессии ядерного спина, используя для этого парамагнитный ядерный резонанс [Л. 256, 257]. Помимо лития, для этой цели при­ годны также другие легкие ядра, например F17*19, который между энергиями протона от нескольких сот килоэлектрон-вольт и не­ скольких мегаэлектрон-вольт имеет несколько максимумов с незна­ чительной полушириной резонансной кривой [Л. 254].

Способ абсолютного измерения напряжения посредством ядерных реакций особенно пригоден для градуировки измерительных устройств ускорителей частиц, выполненных в виде бака высокого давления. Измерительное устройство, подлежащее градуировке, мо­ жет быть соединено с полюсом высоковольтной стороны ускорителя. Разумеется, возможная точность в несколько десятых процента мо­ жет быть достигнута только при источниках постоянного напряже­ ния с незначительной пульсацией (генератор Ван-де-Граафа, симмет­ ричный .каскадный выпрямитель)' ]Л. 255].

17.ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ

Споявлением искусственного волокна и с широким приме­ нением синтетических материалов в технике и быту явления ста­

тического электричества и связанные с ними технологические про­ блемы и опасности приобрели особое значение. Электростатические заряды возникают при разделении двух сред, из которых по мень­ шей мере одна должна быть диэлектриком. Возникновение зарядов объясняется накоплением носителей заряда одного знака. Разделе­ ние зарядов получается, например, при сбегании полотен бумаги или синтетического материала с роликов (текстильная промышленность, ротационные печатные машины, кинопленочная промышленность, производство стекловаты и т. д.), при протекании изоляционных

127

жидкостей по трубопроводам (заправка топливом самолетов, налив бензина в пластмассовые канистры), при завихрении пыли, раз­ брызгивании аэрозолей и т. д. Природа электростатических зарядов очень сложна и до настоящего времени полностью не объяснена [Л. 202, 203].

Для разработки способов эффективного подавления и ликви-. дации электростатических зарядов -необходимы точные измеритель­ ные приборы и соответствующие методы измерений. Применение дорогих измерительных приборов при измерении электростатических зарядов само по себе йе является гарантией получения правильных результатов измерения. Достоверности испытаний способствуют пра­ вильный выбор типа применяемого измерительного устройства и пра­ вильная интерпретация измеренных значений. При измерении элек­ тростатических зарядов необходимо учитывать влияние измеритель­ ного устройства на измеряемый объект. Влияние устройства для измерения напряжений на измеряемый объект отсутствует тогда, ког­ да его внутреннее сопротивление очень велико по сравнению с вну­ тренним сопротивлением источника, напряжение которого, должно быть измерено. К сожалению, это требование редко выполняется при измерении электростатических зарядов. ПоэГому в большинстве случаев следует учитывать влияние измерительного устройства и до­ полнительно корректировать результат измерения.

Величина электростатического заряда у заряженного тела зави­ сит главным образом от его сопротивления изоляции [Л. 213], ко­ торое в свою очередь зависит от климатических условий. К ним от­ носятся, помимо относительной влажности воздуха и температуры, атмосферное давление' (максимально достижимый заряд или его плотность зависят от пробивной прочности воздуха). Кроме того, следует иметь в виду, что электризация может быть расчленена на два процесса. К первичному процессу относится собственно разде­ ление зарядов в месте внутреннего 'соприкосновения обеих сред. Вторичные процессы (ограничение максимального напряжения за­ ряда из-за разряда в газах, токи утечки и т. д.) приводят к рас­ пределению заряда, которое и определяется измерительными при­ борами. Чтобы избежать погрешностей при оценке результатов из­ мерений, нужно провести четкую разграничительную линию между этими процессами.

К измеряемым параметрам у электростатических зарядов отно­ сятся: потенциал или разность потенциалов по отношению к земле, плотность заряда и напряженность поля. Целесообразность измере­ ния того или иного параметра определяется тем, идет ли речь об объеме диэлектрика или об изоляции провода.

а) Измерение потенциала

Все точки поверхности заряженного проводника имеют оди­ наковый потенциал. Потенциал проводника по отношению к земле может быть известным образом определен путем подключения вольтметра. В зависимости от внутреннего сопротивления показа­ ния вольтметра в большей или меньшей степени соответствуют тому напряжению, котороебыло до его подключения. Влияние на изме­ ряемую цепь измерительного устройства поясняется схемой замеще­ ния на рис. 109. Изолированный измеряемый объект вместе с окру­ жающими его предметами, имеющими потенциал земли, образуют

128