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

потенциал земли. При из­ мерении очень малых значений tgö внутренний экран 5 соединительного кабеля с целью уменьшения влияния емкостей по отношению к земле С3 подводится к мосту изолированным и там соединяется с его вершиной.

в) Паразитные емкости и экранирование

При выполнении прецизионных измерений на про­ мышленной частоте и еще в большей степени в диапа­ зоне звуковых частот сильно проявляется влияние емко­ стей по отношению к земле, а в некоторых случаях и индуктивных связей. Эти связи нежелательны и должны быть ликвидированы изготовителем моста в пределах заданной точности и чувствительности, соответствующим экранированием. Указания об этом можно найти в {Л. 299, 300, 304—308, 320, 321, 323].

Здесь рассматриваются только те вопросы экраниро­ вания, которые должен знать работник, пользующийся мостом, чтобы получить точные результаты измерений.

конденсатора С2.

180

У конденсатора, оба зажима которого изолированы от земли, всегда получаются три частичные емкости (рис. 159): емкость между его обкладками Сі_2 и пара­ зитные емкости Сі-о и С2~о по отношению к земле. Ем­ кость Сі_2 соответствует емкости Cj или С2. Частичные

емкости по отношению к земле Сі-0 и С2-о соответствуют показанным на рис. 160 паразитным емкостям С\, С'\

и С емкости С"1 и С" 2 под­

ключены параллельно источнику напряжения питания моста и не

являются источниками погрешностей. Частичные емко­ сти по отношению к земле С \ и С \ подключены парал­ лельно третьему и четвертому плечам и создают угло­ вую погрешность. В зависимости от длины и положения подводящих проводов, подключаемых к Сі и С2 значе­ ния частичных емкостей по отношению к земле С'і и С'2 могут колебаться в широких пределах и влиять на ре­ зультат измерения. Если подводящие провода от моста к измеряемому объекту и образцовому конденсатору вы­ полнены экранированными (например, коаксиальным ка­

у третьего плеча получается угловая погрешность, тем большая, чем больше установленное значение Яз- В че­ твертом плече к установленному значению С4 добавляет­ ся емкость по отношению к земле С'2. Если известны ча­ стичные емкости С'і и С'з (емкость подводящего кабеля может быть измерена или взята из данных завода-изго- товителя), то с учетом этого

tg бі—-І?4(й(С4+С/2) —Яз<йС'і-

вым конденсатором кабеля с двойным экраном (рис. 161). Внутренней жилой кабеля соединяют вершину моста

костью СТ и тем самым приводит к увеличению

денсатором С2 взаимной индуктивности {Л. 324] или, как это сделано у универсального моста для измерения

водящих проводов, то конденсатор переменной емкости СА имеет емкость несколько тысяч пикофарад и ее воз­ действие на угловую погрешность плеча Rs компенси­ руется индуктивностью ЬА. Тогда третье плечо в преде­ лах требуемой точности не имеет угловой погрешности. При параллельном подключении емкостей внешних под­ водящих проводов емкость Са уменьшают до тех пор, пока опять не будет достигнута компенсация.

182

в этих точках заземляющего контура, а также из-за ин­ дуктирования в контуре заземления полями рассеяния э. д. с. в оболочке кабеля возникают токи, которые мо­ гут быть причиной существенных погрешностей измере­ ния (см. § 3).

При больших требованиях к точности измерений вредное влияние емкостей по отношению к земле можно исключить также особой схемой — так называемой вспо­ могательной ветвью Вагнера [Л. 331, 334]. При уравно­ вешенном мосте разность потенциалов возникает не между вершинами Л и Л, а между диагональной ветвью и землей, что является причиной возникновения уравни­ тельных токов, которые при применении головного телефона в качестве нуль-

разом. Затем устанавливают переключатель S в положе­ ние Е и уравновешивают вспомогательную ветвь. После этого нуль-индикатор опять подключают между зажимамиЛиЛимост вновь уравновешивают. Этот процесс в за­ висимости от свойств сходимости схемы повторяют не­ сколько раз. После окончательного уравновешивания точки Л, Л и Л имеют потенциал земли, хотя между точками Л, Л и землей нет электрического соединения. Тем самым ликвидируется упомянутый выше эффект

влияния емкости головного телефона. Одновременно эта ■схема дает возможность исключить вредное влияние емкостей по отношению к земле С \ и С'% Схема по рис. 162 предполагает, что зажим источника испытатель­ ного напряжения, соединенный с точкой D, изолирован от земли на напряжение нескольких сот вольт. Можно, однако, применить схему с заземлением одного вывода

Рис. 163. Мост Шеринга с «автома­ тической землей» Вагнера.

источника напряжения, если вместо точки Е заземлить точку D. В этом случае уравниванием потенциалов так­ же исключается влияние паразитных емкостей (экран остается соединенным с точкой Е). Эффект влияния емкости головного телефона' однако, в этом случае не устраняется. Указания по ликвидации обычно возни­ кающих трудностей в отношении сходимости моста мож­ но найти в [Л. 398].

Другие схемы, практически нечувствительные к ем­ костям по отношению к земле и предназначенные для точных измерений диэлектрических потерь, описаны в [Л. 304, 321, 335—340]. Лучшим способом устранения влияния емкостей по отношению к земле у мостов .Шеринга являдтся вспомогательная схема, которую в лите­ ратуре называют «автоматической землей» Вагнера [Л. 335, 336] и которая по принципу действия аналогич­ на рассмотренной выше схеме рис. 162. У «автоматиче­ ской земли» Вагнера (рис. 163) экран провода к изме­ ряемому объекту и образцовому конденсатору не зазем-

184

лен, а подсоединен к выходу операционного усилителя, на вход которого подано напряжение UB между диаго­ налью моста и землей. Вследствие того, что у усилите­ ля коэффициент усиления выбран равным -Ы (US/UB = = + 1) у экрана и вершины моста потенциалы оказы­ ваются одинаковыми. Операционный усилитель произво­ дит трансформацию полного сопротивления. Сопротив­ ление на входе усилителя должно быть больше полного сопротивления четвертого плеча, чтобы его параллель­ ное подключение не влияло на условия уравновешива­ ния. С другой стороны, выходное сопротивление усили­ теля низкоомно, так что экран практически заземлен че­ рез сопротивление порядка 1 Ом.

Конечное значение выходного сопротивления усили­ теля делает возможным наведение напряжений помех через паразитную емкость между экраном и соседними источниками напряжения. Посредством второго экрана, который непосредственно заземлен, и благодаря малому выходному сопротивлению операционного усилителя можно полностью ликвидировать напряжение помех или снизить его до пренебрежимо малого значения.

г) Нуль-индикаторы

В уравновешенном состоянии в диагонали моста, как известно, ток не протекает; обе вершины моста А и В имеют одинаковый потенциал. Чувствительность урав­ новешивания в идеальном случае зависит только от пре­ дельной чувствительности нуль-индикатора к малым то­ кам. Поэтому в настоящее время вместо применявших­ ся ранее обычных вибрационных гальванометров приме­ няют почти исключительно более чувствительные элект­ ронные нуль-индикаторы [Л. 325—329, 349], К сожале­ нию, их технически • достижимые чувствительности по току не могут быть полностью использованы, так как при слишком больших чувствительностях теряется остро­ та настройки на минимум, соответствующий равновесию моста, или она полностью перекрывается напряжениями помех (Л. 332]. Напряжения помех возникают в виде па­ дений напряжения на сопротивлениях связи оболочки кабеля и разъемных коаксиальных соединений. Причи­ ной возникновения токов в оболочке кабеля являются напряжения на сопротивлениях RE и RM вследствие про­ текания по ним тока ii(t) (рис. 164). Схему моста

185

в упрощенном виде можно представить в виде делителя напряжения. Последний дает отношение питающего на­ пряжения моста к напряжению, возникающему на диа­ гонали моста. В уравновешенном состоянии напряжение на диагонали моста стремится к нулю, т. е. передаточ­ ное отношение делителя напряжения стремится к беско­ нечности. Даже у точно уравновешенного моста на за­ жимах нуль-индикатора есть напряжение помех, равное

Ua {t) = i\ ( t ) ( R M + ' R E ) Rkzf (Rhl + RE+Rkz) ■

Напряжение помех создает впечатление о состоянии неполного равновесия моста; операция уравновешива­ ния продолжается до получения . нулевого показания у нуль-индикатора, в итоге результат измерения полу­ чается неправильный.

Уменьшить вероятность возникновения токов в обо­ лочке кабеля при низких частотах можно путем элект­

усилителя, настроенного на основную гармоническую составляющую напряжения питания, и из прибора магнитоэлектрической системы. Условия равновесия моста при заданной установке его плеч справедливы только для одной частоты. Если у питающего напряже­ ния есть высшие гармонические составляющие, то меж­ ду обеими вершинами моста при правильном уравнове­ шивании последнего на основной гармонической состав-

186

ляющей для более высоких частот остается разность по­ тенциалов, которая может перекрывать минимум ос­ новной гармонической составляющей. Поэтому перед входом усилителя включают высококачественный поло­ совой фильтр, который подавляет соответствующие гар­ монические составляющие.

Более удобное обслуживание моста и быстрое урав­ новешивание даже при плохой сходимости мостовой

'9 -

Рис. 165. Упрощенная блок-схема электронного нуль-индика­ тора с электроннолучевой трубкой и уравновешиванием по ве­ личине и фазе.

I, 2 — входные зажимы основного усилителя; 3, 4 ~ входные зажимы вспомогательного усилителя; 5 — экранированный входной трансформа­ тор; 6 — регулируемый усилитель; 7 — фильтр нижних частот с пере­ ключаемой предельной частотой; 8 — усилитель; 9 — защита от пере­ регулирования (цепь обратной связи); 10 — фазовращающий элемент 0—180°.

схемы обеспечивают электронные нуль-индикаторы, по показаниям которых можно судить о состоянии равнове­ сия моста по величине и фазе (рис. 165). Помимо на­ пряжения диагонали к прибору подводится для сравне­ ния опорное напряжение. Напряжение диагонали подает­

3—4). На экране электроннолучевой трубки в зависимо­ сти от состояния уравновешивания появляются более или менее сильно сплющенные эллипсы (фигуры Лиссажу). Фаза опорного напряжения может изменяться і?С-цепоч- кой в диапазоне 0— 180°. Если в начале измерений один раз установить фазу этого напряжения, то можно про­ извести раздельное уравновешивание по величине и фазе. В неуравновешенном состоянии эллипс на экране

187

электроннолучевой трубки при уравновешивании по фазе переходит в наклонно лежащую прямую, а после окончательного уравновешивания по величине — в гори­ зонтальную прямую. При помощи тщательно экраниро­ ванного, электрически изолированного входного транс­ форматора может быть достигнуто большое отношение сигнал/шум для напряжений по отношению к земле.

Применение электроннолучевых осциллографов в ка­ честве нуль-индикаторов особенно рационально, когда уравновешивание производится раздельно по основным потерям (потери от ионной проводимости и поляриза­ ционные) и ионизационным потерям [Л. 399, 400] или когда представляет интерес изменение потерь во време­ ни. Выделение и измерение ионизационных потерь пред­ полагают питание моста синусоидальным напряжением, получение которого от обычных испытательных высоко­ вольтных трансформаторов практически невозможно. Более точные сведения о влиянии гармоник в питающем напряжении на точность измерений t g 6 можно найти

в [Л. 401].

Для наблюдения изменения по времени тока потерь после проведенного уравновешивания отключают кон­ денсатор С4. Токи, которые сдвинуты по фазе или имеют

другую частоту, чем зарядный ток испытуемого объекта, можно наблюдать на экране электроннолучевого осцил­ лографа [Л. 402]. Другая возможность контроля изме­ нения по времени тока потерь заключается в примене­ нии электрически и магнитно экранированного высоко­ частотного трансформатора, который включают в под­ водящий провод к испытуемому объекту [Л. 349]. Благодаря более низкой предельной частоте устройства или применению дополнительно подключаемого фильтра отводятся только токи высокой частоты, а основная гар­ моническая составляющая подавляется.

В связи с нуль-индикаторами следует еще упомянуть об автоматически уравновешиваемых мостах для изме­ рения tgö. Для регистрации t g 8 в течение длительного

промежутка времени или для определения его быстрых изменений по времени, когда ручное уравновешивание невозможно, были разработаны различные схемы, кото­ рые производят автоматическое уравновешивание и за­ пись изменений tgö и С самопишущим прибором. Авто­ матическое уравновешивание может производиться по­ тенциометрами или специальными электродвигателями

188

в замкнутом контуре регулирования [Л. 345—349]; кроме того, разработаны чисто электронные способы уравно­ вешивания [Л. 351—355]. Описанная в [Л. 353] чисто электронная схема определяет измеряемое значение за один период и тем самым позволяет производить изме­ рение tgö за такой короткий промежуток времени, что нагрев диэлектрика от приложения к нему напряжения не оказывает никакого влияния на измеряемую вели­ чину.

25. ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ И tg 6 У ЗАЗЕМЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

а) Измерения мостом Шеринга

В целях безопасности у моста Шеринга одна точка заземляется. Для этого чаще всего выбирают узловую точку, соединенную с источником питания, причем ту, которая отделена от нулевой ветви меньшим полным со­

ста должны обслуживаться с помощью изоляционной штанги или измеряемый объект нужно помещать внутри клетки и производить там уравновешивание обычным способом. Образцовый конденсатор находится под пол­ ным напряжением и устанавливается на изолирующей подставке.

Другая схема, также предложенная Борманом и Зейлером [Л. 356], предусматривает заземление верши­

189