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

вокруг этого места, остаются на изоляционном материале. Разность потенциалов между местом соприкосновения и землей оказывается равной всего нескольким вольтам, а рядом на расстоянии несколь­ ких миллиметров она может достигать нескольких тысяч вольт. Потенциал на поверхности электростатически заряженного диэлек­ трика может быть вообще определен только весьма приближенно, и кроме того он сильно колеблется от места к месту {Л. 444].

Часто в литературе для характеристики электризуемости изоля­ ционных материалов приводят только один единственный пара­ метр—'значение напряжения. Однако указываемое значение напря­ жения почти никогда не характеризует действительный потенциал или, вернее, разность потенциалов по отношению к земле, так как оно в значительной степени зависит от емкости измерительного при­ бора и его геометрических параметров. Поэтому указанное значение напряжения представляет ценность только при сравнительных ис­ следованиях. В качестве однозначного критерия для электростати­ ческого состояния заряженного диэлектрика лучше применять та­ кие параметры, как заряд или плотность заряда.

б) Измерение заряда

При измерении заряда электростатически заряженных объек­ тов также следует различать заряженные изоляционные материалы и изолированные проводники. З'аряд изолированного проводника можно определить простым способом, если известны его напряжение по отношению к земле и емкость, по известной формуле

Q= CU,

где С — сумма емкости провсдника по отношению к земле и вход­ ной емкости электростатического вольтметра вместе с подводящими проводами.

Труднее определить заряд у диэлектриков. Как известно, заря­ ды у диэлектриков не перемещаются, поэтому здесь невозможно не­ посредственное измерение общего заряда. Чаще всего ограничива­ ются измерением плотности заряда и суммируют его по поверхно­ сти, если нужно определить общий заряд. В том случае, когда одна из двух сред — проводник, плотность заряда можно определить, подключив амперметр между проводником и землей (рис. 411). В качестве амперметра следует применить чувствительный гальва­ нометр или электронный наноили пикоамперметр.

Этот способ измерения плотности заряда предполагает, что про­ водник может быть хорошо изолирован от земли. Сопротивление его изоляции должно быть примерно в 100 раз больше внутреннего сопротивления амперметра. Если по валику перемещается лента

_Q _ 1

Sbv'

Упряжи и нитей чаще всего определяют плотность заряда не поверхностную, а отнесенную к длине:

130

Измерение плотности заряда на заряженных поверхностях изо­ ляционных материалов можно производить роторным вольтметром или плоскими зондами (металлическими или из проводящей рези­ ны), которые соединяют с электрометром. На рис. 112 показана схе­ ма для измерения плотности заряда на электростатически заряжен­ ных изоляционных полотнах. За­ ряды, находящиеся на изоляцион­ ном материале, индуктируют на плоском зонде, расположенном па­ раллельно его поверхности, заря­ ды противоположного знака с той

же плотностью заряда. Если зонд соединен с электрометром, то плотность заряда вычисляется по сумме емкостей С3+ С 3 электро­ метра и зонда, его поверхности S и напряжению, которое показы­ вает электрометр;

Q _ (С. + са)и

S S

Этот способ измерения дает правильные результаты только тог­ да, когда емкость по отношению к земле поверхности изоляцион­ ного материала в зоне, близкой к зонду, мала по сравнению с ем­ костью См, получающейся от последовательного соединения емко­ сти электрометра вместе с подводящими проводами и емкости между зондом и упомянутой выше поверхностью изоляционного материала:

(С. + Са) Cj

СЛ1= C. + C. + Cj •

Это условие обеспечивается, когда расстояние между зондом и изоляционным материалом очень мало и в непосредственной близо­ сти к зонду нет других заземленных предметов. Иначе говоря, в об­ ласти зонда практически все силовые линии электрического поля, исходящие из изоляционного материала, должны заканчиваться на зонде.

Для определения электростатического заряда движущихся пря­ жи и нитей применяют измерительное устройство по рис. ИЗ [Л.204,

205]. Заряженная нить проходит через трубчатый измерительный электрод, соединенный с электрометром. Находящийся внутри изме­ рительного электрода отрезок нити AI индуктирует на его поверх­ ности заряд Q, который может быть измерен электрометром, от­ градуированным в единицах заряда. Эффективная длина нити, воз­

действующая на электрод, вычисляется при помощи (экспериментально опреде­ ляемого коэффициента k

Контроль нулевой отметки производится специальным нулевым тубусом (на рис. 113 не показан). Заземленный металлический ко­ жух 5 экранирует собственно измерительный электрод от посто­ ронних электрических полей.

теорологическими исследованиями подробные сведения можно найти в ,[Л. 207—212].

в) Измерение напряженностей электрического поля

Измерение напряженностей электрического поля вблизи элек­ тростатически заряженных предметов без искажения практически невозможно. При приближении измерительного прибора электриче-

132

ское поле искажается тем больше, чем ближе его располагают к за­ ряженному. объекту. Рассмотрим еще раз рис. Ы2 и представим себе, что слева от ленты еще нет измерительного устройства с его емкостями Сэ, С3 и Сі. Тогда все силовые линии электрического по­ ля, исходящие из ленты, заканчиваются на обоих валиках и зазем­ ленной опорной раме. Следовательно, напряженность поля на об­ ратной стороне ленты приблизительно равна нулю. Если теперь слева приблизить измерительный прибор, потенциал которого прак­ тически равен потенциалу земли, то часть силовых линий с ленты ответвится на прибор. Если расстояние от измерительного прибора до ленты уменьшать далее, то в конечном итоге все ближайшие к измерительному прибору силовые линии, выходящие из ленты, заканчиваются на нем. Это значит, что там, где перед измерением напряженность электрического поля имела пренебрежимо малое значение, при измерении может возникнуть поле напряженностью до 30 кВ/см. Поэтому не может быть и речи о проведении измере­ ния электрического поля без его искажения. Когда все же электро­ статические приборы, изготовленные для измерений, градуируют в единицах напряженности поля, то основываются на том, что фак­ тически они измеряют мгновенные значения напряженности поля, и когда заданы размеры и форма измерительного электрода, а также его расстояние до заряженного объекта, то все эти данные вполне могут характеризовать его электростатическое состояние.

Для измерения напряжения, заряда и напряженности поля элек­ тростатических зарядов пригодно большое число приборов, принцип работы которых рассматривается в последующих параграфах.

г) Приборы для измерения электростатических зарядов

К измерительным приборам, пригодным для исследования электростатических зарядов, относятся механические и электронные электрометры, генерирующие и роторные вольтметры и, наконец, приборы, основанные на применении изотопов fЛ. 223].

Принцип действия механического электрометра, как и электро­ статического вольтметра, основан на силовом взаимодействии элек­ трических полей. Электростатические вольтметры при измерении вы­ соких постоянных напряжений не нагружают источник, так как для получения стационарного показания не отбирают от него тока; кратковременным импульсом тока при начальном заряде емкости измерительного механизма в большинстве встречающихся в ТВН случаев можно пренебречь. После отсоединения электростатического вольтметра от источника напряжения отклонение £го указателя со­ храняется еще некоторое время, которое зависит от сопротивления изоляции прибора. Особенно большое время разряда получается у электрометров, благодаря их очень большому сопротивлению изо­ ляции (порядка ІО16 Ом).

Однако при исследовании электростатических зарядов импульс тока при заряде емкости измерительного прибора оказывает влияние на объект, подлежащий измерению. Поэтому принимают меры к то­ му, чтобы путем соответствующих конструктивных мер получить воз­ можно малую емкость измерительного механизма. Одновременно при этом достигается повышение чувствительности к заряду, так как си­ лы, действующие на подвижный элемент измерительного механизма,

133

пропорциональны квадрату напряжения, а при постоянном заряде — обратно пропорциональны емкости.

Вследствие склонности чувствительных механических электро­ метров к вибрациям область их применения ограничивается в первую очередь лабораторными исследованиями. Поэтому описания различ­ ных конструкций механических электрометров здесь не приводятся. Эти описания можно найти в многочисленной специальной литера­ туре [Л. 214—218].

Для технических измерений более пригодны электронные элек­ трометры. При использовании электронных электрометров возни­ кают некоторые трудности, в частности при измерении напряжения источников с очень высокими внутренними сопротивлениями. Иска­ жения напряжения могут быть, однако, ликвидированы принятием соответствующих мер. Очень часто электростатические связи возни­ кают из-за индуктирующего воздействия на неэкранированный вход электрометра других не замеченных электростатически заряженных предметов. Это могут быть, например, детали одежды из искусст­ венного волокна или даже электростатически заряженная карман­ ная расческа. Для устранения этого влияния лучше всего применять полное экранирование всех входных цепей электрометра (коакси­ альные подводящие провода, устройства с защитным кольцом). Ча­ сто искажения измеряемого напряжения возникают даже от пере­ мещения измерительного кабеля или зонда. Механическая нагрузка измерительного кабеля также является причиной возникновения на­ пряжения помех на входе электрометра из-за трения жил кабеля о диэлектрик и пьезоэлектрического эффекта внутри диэлектрика. Специальные кабели с малыми напряжениями помех и графитовым слоем между диэлектриком и экраном значительно уменьшают уро­ вень помех. Напряжения помех, вызванные колебаниями входной емкости из-за перемещения подводящих проводов или измеритель­ ного зонда (Q=ACAU), могут быть исключены прочным механиче­ ским креплением зонда.

Поскольку электронные электрометры предназначены специаль­ но для измерения электростатических зарядов, их диапазон изме­

10 В/см—30 кВ/см.

На рис. 415 показана упрощенная принципиальная схема элек­ трометра с одной лампой [Л. 219]. Приложенное к сетке лампы на­ пряжение UM управляет анодным током электрометрической лампы. Сеточный ток / с~1 0 ~15 А. Если не хотят ставить специальное со­ противление утечки сетки, то в качестве него используют сопротив­ ления изоляции лампы, и тогда получают еще меньшие сеточные токи. Этот режим работы электрометрической лампы называют спо­ собом «плавающей сетки». Вследствие сильных колебаний величи­ ны сопротивления изоляции и комплексных составляющих сеточ­ ного тока [Л. 220] предпочтительно, однако, иметь определенное со­ противление утечки сетки, величина которого примерно на два порядка ниже сопротивления изоляции лампы.

У электрометров, предназначенных для измерения напряжен­ ности поля, необходимо иметь фиксированную емкость. На рис. 116 показана принципиальная схема для измерения электростатических зарядов при помощи электрометра. Между поверхностью зонда 5 и расположенной против нее заряженной поверхностью возникает ем­ кость СI, которая вместе с собственной емкостью прибора С2 об-

134

даваемое от измерительного прибора напряжение и неизвестное ра­ диоактивное излучение, подлежащее измерению, совместно обеспе­ чивают возникновение газового разряда. Если теперь поменять ме­ стами измеряемую и известную величины, то электронный счетчик импульсов можно использовать в качестве измерителя напряженно­ сти поля [Л. 206]. Внутри ионизационной камеры, изображенной на

рис. 117, находится радиоактивное вещество (альфа-излучатель), ко­ торое создает в заполненном воз­ духом пространстве .между двумя концентрично расположенными электродами известную проводи­ мость. Если электрическое поле проникает внутрь через отверстие в передней торцевой стенке экран­ ного электрода, то возникает газо­ вый разряд, вследствие чего па сопротивлении 7? внешней разряд­ ной цепи возникает падение напря­ жения. Это падение напряжения можно измерить электрометром, и оно является мерой напряжен­

ности поля, получающейся перед отверстием. Переключение преде­ лов измерения производится посредством изменения диафрагмы, пе­ рекрывающей отверстие в передней стенке. При помощи радиоактив­ ных препаратов, интенсивность излучения которых ниже допускаемой по технике 'безопасности для защитных устройств от излучения, можно измерять напряженности поля менее 10 В/см.

Глава ч е т в е р т а я

ИЗМЕРЕНИЕ БОЛЬШИХ БЫСТРОПЕРЕМЕННЫХ

ТОКОВ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫМ ОСЦИЛЛОГРАФОМ

Во многих областях науки и техники необходимо производить измерения импульсов тока большой ампли­ туды, например в импульсных установках, применяемых при исследовании физики плазмы или для деформации металлов, при исследовании переходных процессов в выпрямительных установках, используемых в силовой электронике, при измерениях остаточных токов у вы­ ключателей с большой разрывной мощностью и, нако­ нец, при исследованиях молнии. Возникающие здесь амплитуды токов колеблются в пределах 101—ІО5 А; при этом фронт импульса может составлять всего не­ сколько наносекунд. Запись таких кратковременных процессов обусловливает необходимость в широкополос­ ных измерительных устройствах, собственные времена нарастания которых должны быть такого же порядка.

136

Для измерения больших косинусоидальных токов

говского). В обоих способах получают напряжение, которое в большей или меньшей степени пропорцио­ нально изменению тока во времени. Измеряемый сиг­ нал регистрируется электроннолучевым осциллографом. Здесь так же, как и при измерении импульсов высокого напряжения, возникают напряжения помех. Причины их возникновения, а также способы их подавления были подробно рассмотрены в гл. 1. В последнее время по­ лучили практическое применение еще два способа изме­ рения быстропеременных токов с использованием эффек­ тов Фарадея и Холла.

Помимо упомянутых методов имеются другие спо­ собы определения амплитуд импульсов тока с ограни­ ченной точностью (20—50%). Эти способы, описания которых можно найти в [Л. 258], не нашли широкого применения в лабораторной практике и здесь не рас­ сматриваются.

18. НИЗКООМНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Самым распространенным способом определения изменения по времени несинусоидальных токов являет­ ся измерение падения напряжения на измерительном сопротивлении, включенном в цепь тока (рис. 118). Такое сопротивление обычно называют токовым шунтом. Измеряемый сигнал им(і) по коаксиальному кабелю, конец которого замкнут на волновое сопротивление Z, подводится к электронно­

сопротивление для задан­ ного диапазона частот яв­ ляется, в основном, ак­ тивным, тогда

137

на большие токи. Каждое обтекаемое током активное со­ противление имеет вокруг себя магнитное и электриче­ ское поля. Наличие этих полей рассеяния в упрощенной схеме замещения учитывают последовательным соеди­ нением индуктивности с идеальным активным сопротив­ лением; кроме того, параллельно зажимам полагают включенной также и емкость. У сравнительно низкоом­ ных шунтов обычно можно пренебречь параллельной емкостью, тогда как индуктивность a>L приобретает тем большее значение, чем меньше величина сопротивления.

их незначительного влияния на цепь, в которой проте­ кает измеряемый ток. Как известно, устройство для измерения тока не оказывает влияния на измеряемую цепь, если его внутреннее сопротивление очень мало по сравнению с сопротивлениями этой цепи (в противопо­ ложность устройствам для измерения напряжения, внутреннее сопротивление которых должно быть воз­ можно большим по сравнению с внутренним сопротив­ лением источника измеряемого напряжения). Кроме того, выбор по возможности меньших значений сопро­ тивлений шунта позволяет ограничить его нагрев при протекании тока. Если, например, у измерительного со­ противления величиной ІО мОм при измерении пере­ менного тока, равного 400 А, потери мощности состав­ ляют 1,6 кВт, то при обычных габаритах измерительных сопротивлений отвести эту мощность путем естественной

100 МГц и более, так что емкостной составляющей можно пренебречь и тогда справедлива схема замеще­ ния, приведенная на рис. 119. Падение напряжения на измерительном сопротивлении складывается из двух составляющих: uR(t) =i{t)R и uL(t) =Ldi(t)/dt, как это показано на рис. 119,6 для импульса тока конечной кру­ тизны с линейным фронтом. Пик индуктивного падения напряжения при соответствующей крутизне тока может быть в тысячи раз больше активного падения напряже­ ния. Поэтому выбором соответствующей формы и раз­ меров необходимо обеспечить минимальную индуктив­ ность измерительного сопротивления. На рис. 120 пока-

138

заны две старые формы исполнения измерительных сопротивлений, у которых благодаря применению би­ филярной конструкции обеспечивается очень малая ин­ дуктивность [Л. 266, 267]. Измерительное сопротивление по рис. 120,а состоит из сложенной вдвое ленты. Для изоляции обоих концов измерительного сопротивления по отношению друг к другу пригодны асбест, слюда или

yUL(t)~L H

I

\(i)=i(t) R+L— - dt

t

S)

Рис. 119. Упрощенная схема замещения токового шунта без учета вытеснения тока (а) и форма кривой падения напряжения на нем при явно выраженном скачке тока конечной крутизны (б).

нескольких параллельно соединенных, бифилярно намо­ танных, проволочных сопротивлений. Параллельное со­ единение нескольких отдельных сопротивлений приводит к уменьшению общей индуктивности.

Обе описанные конструкции, представляющие собою петлю, образованную шунтом и подводящими провода­ ми, имеют все же небольшую индуктивность. Для ее дальнейшего уменьшения переходят к коаксиальным устройствам (рис. 121). Ток протекает по центральному зажиму I через внутренний цилиндр 2, изготовленный из тонкого материала с большим удельным сопротивле­ нием, и возвращается, через коаксиальный цилиндр 3 из обычного электропроводного материала. Падение напря­ жения на внутреннем цилиндре подводится к электрон-

139