книги / Специальные методы электрических измерений

к таким точкам схемы, где влияние этих связей минимально. Указанные принципы электрической защиты измерительных уста­

новок переменного тока осуществляются в основном применением электростатического экранирования и заземления (или их сочета­ ния). Принцип уменьшения проводимости электрических связей осу­ ществляется также путем улучшения качества изоляции (уменьше­ ние паразитных активных проводимостей) и путем рационального по­ строения схемы (уменьшение паразитных емкостных проводимостей).

Несколько особое положение занимает четвертый возможный принцип электрической защиты измерительных схем переменного тока — уравновешивание действия токов утечки. Этот принцип осу­ ществляется в основном применением метода симметрирования.

В некоторых случаях уменьшение влияния токов утечки может быть достигнуто путем увеличения рабочих токов схемы (при неиз­ менном напряжении питания схемы), так как очевидно, что чем меньше величина токов утечки в сравнении с рабочим током, тем меньше их относительное влияние. Этот способ может быть исполь­ зован в том случае, если значения параметров измерительной схемы не определяются жестко какими-либо иными соображениями.

Рассмотрим несколько подробнее основные методы электриче­ ской защиты измерительных схем переменного тока (электростатиче­ ское экранирование, заземление и симметрирование).

Электростатическое экранирование дает возможность стабилизи­ ровать значения электрических связей, а также управлять их влия­ нием на параметры защищаемых элементов установки. Как правило, такое экранирование осуществляется с помощью металлических экра­ нов, выполняемых из тонкой фольги, металлической сетки, а также из материала с худшей электрической проводимостью, например из листового цинка, или в виде нанесенного на дерево или изоляцион­ ный материал металлического покрытия; иногда экран выполняется из нескольких слоев тонкой проволоки, намотанных вокруг элемента схемы (сопротивления, индуктивной или трансформаторной катушки).

При наличии экрана все емкостные связи элемента с окружаю­ щими предметами или иными частями схемы устраняются и заме­ няются емкостями относительно экрана. Так как экран обязательно присоединяется к некоторой точке элемента или схемы, то эти емко­ сти оказываются сведенными к этой точке. Таким образом, при ис­ пользовании экранирования в схеме имеется возможность свести ем­ костные связи к ряду точек схемы, которые должны выбираться из тех соображений, чтобы связи приводили к наименьшим искажениям в работе схемы.

Электростатическое экранирование элемента схемы можно осу­ ществлять двумя принципиально отличными друг от друга способа­ ми. Простейшим и наиболее распространенным является однополюс­ ное электростатическое экранирование, при котором экран присоеди­ няется к одному из зажимов (полюсов) экранированного элемента, например к зажиму А |(рис. 9-7). В этом случае А является точкой ответвления токов утечки. Создав поэтому условия, при которых точ­ ка А будет находиться под напряжением земли или же переменная паразитная проводимость Уэ будет включена параллельно к одной из диагоналей (в уравновешенном мосте), или к одному из плеч вспомогательной ветви (при применении таковой), можно полностью устранить влияние проводимости Кэ на полное сопротивление экра­ нированного элемента измерительной схемы.

Более сложным, но тем не менее иногда более целесообразным является электростатическое экранирование схемы, при котором

точка выбирается с таким расчетом, чтобы проводимость Уэ шунти­ ровала элементы малого сопротивления или вспомогательные элемен­ ты или же включалась между эквипотенциальными точками, что и обеспечит практическую независимость полного сопротивления экра­ нированного элемента от переменной величины Уэ.

Выбор между двумя описанными способами электростатическо­ го экранирования элемента' схемы определяется (наряду с разной степенью сложности) разным для обоих этих способов влиянием распределенной паразитной проводимости между экранируемым эле­ ментом я экраном на полное сопротивление экранированного эле­

мента. Однополюсное экранирование сопровождается, как правило, появлением дополнительной емкостной составляющей полного сопро­ тивления элемента. -При экранировании же схемы, когда сам экра­ нированный элемент по существу представляет собой трехполюсиик, имеется возможность часть тока, проходящего от схемы к экрани­ рованному элементу через один из его основных полюсов, отвести обратно в схему через третий полюс (экран), минуя другой основ­ ной полюс; поэтому экранирование схемы позволяет обнаружить свойства отдельных ее элементов, совершенно недостижимые при ис­ пользовании элементов без экранов или при однополюсном экрани­ ровании (например, возможно получение в схеме идеальной емкости, т. е. емкости без потерь энергии, .или же получение в схеме таких свойств элемента, какие он имел бы при полном отсутствии пара­ зитных связей). Заметим, что чаще всего экрану схемы сообщается потенциал, равный потенциалу одного из зажимов экранируемого элемента.

В большинстве случаев при применении электростатического экранирования' предъявляется требование минимального влияния экрана на свойства экранируемого элемента. Идеальным случаем такого экранирования является эквипотенциальное экранирование, когда любой небольшой участок элемента окружен экраном, имею­ щим тот же потенциал, что и защищаемый участок. Наиболее про­ сто и наиболее совершенно эквипотенциальное экранирование может быть осуществлено при защите цепи указателя. Так как при равно­ весии схемы все точки цепи указателя имеют один и тот же потен­ циал, то достаточно сообщить экрану потенциал одного из зажимов, чтобы эквипотенциально защищать всю цепь. При этом сообщение такого потенциала может быть произведено не только при присо­ единении экрана к определенной точке вспомогательной схемы (вет­

нено двойное экранирование ветви указателя и плеч 22 и 23 с на­ ружным I(схемным) экраном, присоединенным к узлу а, благодаря чему межэкранные емкости шунтируют только источник питания и плечо Х2. Очевидно, здесь предполагается, что — элемент, мало­ чувствительный к емкостному шунтированию .(в частности, большая емкость, малое активное сопротивление и т. п.). При отсутствии указанного двойного экранирования, т. е. если бы в данной схеме (рис. 9-10) имелись одни лишь однополюсные экраны, зашунтированиым было бы (кроме источника питания и плеча 23) также и плечо 2 \, т. е. исследуемый объект, что могло бы привести к боль­ шой погрешности измерения (если к примеру плечо 1 \ —малая ем­ кость, большое сопротивление и т. п.).

Следует отметить, что двойное экранирование не только позво­ ляет устранить то или иное паразитное шунтирование, но и стабили­ зирует межэкранные шунтирующие емкости, делая их независимыми от внешних условий.

Помимо трех рассмотренных способов экранирования отдельных элементов измерительной схемы, при особо жестких требованиях к последней или в случае специфических условий измерения может оказаться целесообразным .поместить всю схему в целом в дополни­

экран, заменив емкости на землю внутренних экранов их емкостями на общий экран, полностью устраняет возможность внешних элек­ тростатических воздействий на измерительное устройство. Зачастую при сравнительно невысоких требованиях к измерительному устрой­ ству вообще может быть использован только один лишь общий элек­ тростатический экран, предохраняющий устройство в целом от внеш­ них влияний.

•Перейдем теперь к рассмотрению заземления н его влияния на работу измерительной установки переменного тока.

Под заземлением, как методом электрической защиты измери­ тельной схемы переменного тока, понимается электрическое соедине­ ние некоторой ее точки с объектами, окружающими схему и имею­ щими определенный потенциал (в частном случае — потенциал зем­ ли); емкости относительно этих объектов могут привести к погреш­ ностям измерения данной схемы.

Если заземлить какую-либо точку схемы, то этим исключается влияние емкости на землю, сведенной к данной точке, а потенциал точки относительно земли становится равным пулю. При этом рас­ пределение напряжений в схеме относительно земли становится более определенным и менее зависящим от изменения оставшихся связей (в случае, если полное сопротивление элементов схемы значительно меньше, чем соответствующие полные^ сопротивления связи). Кроме эффекта понижения разности потенциалов между схемой и землей и стабилизации действия оставшихся емкостей, заземление часто по­ зволяет значительно снизить'погрешность за счет уменьшения допол­ нительных напряжений в схеме, вызванных токами утечки через емкости связи, н за счет замыкания токоз утечки вне наиболее чув­ ствительных к ним элементов схемы.

Для заземления следует избирать такую точку измерительной схемы, при заземлении которой удовлетворялись бы в наибольшей степени основные принципы электрической защиты. Наряду с этим

на выбор точки заземления могут повлиять и некоторые дополни­ тельные соображения, определяющиеся условиями измерения, требо­ ваниями техники безопасности, условиями работы отдельных элемен­ тов установки (симметричное или несимметричное включение). Суще­ ственное влияние на правильный выбор точки заземления может ока­ зать наличие защищенных экранами элементов установки. Во всех случаях должен быть произведен предварительный анализ возмож­ ных влияний паразитных емкостей на результаты.

Заземление какой-либо точки измерительной схемы замыкает накоротко н полностью исключает емкость на землю этой точки. Поэтому при выборе точки заземления целесообразно также оценить значение паразитных емкостей с таким расчетом, чтобы оказалась замкнутой по возможности одна из наибольших или наиболее ме­ шающих емкостен. В связи с этим весьма удобно, чтобы заземлен­ ным оказался один из полюсов элемента схемы, подлежащего непо­ средственно регулировке (т. е. тот полюс, к которому необходимо прикасаться руками, что создает большую и совершенно неопреде­ ленную емкость на землю).

В тех случаях, когда заземление ни одной из точек основной схемы измерительной установки не может существенно улучшить ее работу, значительную пользу может принести заземление некоторой точки вспомогательной схемы (ветви). Классическим примером та­

ивспомогательной ветви таковы, что

Уг _ У * _ У ь + Ул

(9-1)

Уш~Уш~~Уш + У„&

то потенциалы обеих точек диагонали указателя равновесия с и (I относительно земли будут равны нулю, как и в случае непосредст­

эквипотенциальными точками), но также и проводимостей Ул и Ув, так как последние оказываются включенными параллельно вспомо­ гательным плечам У$ и Уз, а не плечам основной схемы моста (что имеет место при непосредственном заземлении точки с или й). Прак­ тически в мостах с вспомогательной ветвью условие (94) дости­ гается попеременным уравновешиванием то основного моста Уь У2, У3, У4 путем изменения его плеч, то моста Уь У2, У5, Уб (или Уз, У*. У5, Уб) путем изменения У5 и Уб с включением для этой цели указа­

с влиянием токов утечки и дает сравнительно ограниченные резуль^ таты. Однако во многих случаях заземление рационально выбранной точки измерительной схемы может оказаться, безусловно, полезным, так как оно уменьшает действие электрических связей и улучшает

* Так называемая «земля» (или ветка) Вагнера или «симметри­ рующая ветвь».

этим работу схемы и воспроизводимость получаемых результатов измерения. В некоторых же случаях заземление соответствующей точки измерительной схемы может оказаться основным защитным средством, обеспечивающим весьма совершенную электрическую за­ щиту установки переменного тока (например, при применении мос­ тов с тесной индуктивной связью между плечами отношения).

Рассмотрим теперь симметрирование, т. е. метод электрической защиты, основанной на уравновешивании действия токов утечки.

Элемент электрической цени, рассматриваемый со стороны ка­ ких-либо определенных двух его полюсов, называется симметричным относительно земли, если полные сопротивления на землю этих полюсов равны друг другу. Заметим при этом, что под «землей» мо­ жет подразумеваться в данном случае не только земля в полном смысле сло­

ва, но я, скажем, экран элемента.

В измерительной технике симме­ тричные элементы применяются бла­ годаря ряду их преимуществ перед не-

777777777777^7Т7Т^Л 777Т?77П 7777777777ТТщ

Рис. 9-12.

симметричными. Так, если к полюсам симметричного элемента при­ ложено некоторое напряжение (рис. 9-:12), то относительно земли они находятся под напряжением, равным половине всего прило­ женного к элементу напряжения. Поэтому влияние сопротивлений ма «землю» полюсов уменьшается -вдвое. Наиболее же существен­ ным преимуществом симметричных элементов является нечувстви­ тельность их к токам утечки на землю вследствие уравновешива­ ния действия последних в обеих половинах симметричного эле­ мента.

Симметрия элемента может быть достигнута как путем получе­ ния симметричной внутренней схемы и конструкции, так и путем симметрирования элемента дополнительными внешними средствами. Из последних наиболее часто применяется включение между эле­ ментом, который может быть несимметричным, и симметричной из­ мерительной схемой некоторого промежуточного четырехполюсника, зажимы которого, присоединяющиеся к измерительной схеме, симме­ тричны. 'Подобный четырехполюсник проще всего осуществить в виде трансформатора. С применением такого трансформатора несимме­ тричный элемент при любой степени его неенмметрни может быть использован как симметричный, причем одновременно может быть достигнуто и согласование сопротивлений.

Симметрирование как метод электрической защиты в установках переменного тока используется большей частью применительно к ука­ зателю равновесия, а также по отношению к источнику тока. Для этой цели между указателем или источником тока, которые могут

быть и несимметричными, и собственно измерительной схемой вклю­ чаются специальные так называемые симметрирующие трансформа­ торы, обмотки которых, присоединенные к измерительной схеме, симметричны относительно землш Применение симметрирующих трансформаторов позволяет использовать источник тока или указа­ тель независимо от симметрии его выходных (входных) зажимов в любой измерительной схеме без внесения каких-либо добавочных погрешностей. Требования симметрии первичной обмотки в измери­ тельных схемах обычно предъявляются при использовании указате­ ля равновесия с несимметричным входом для схемы с симметрич­ ным выходом (входные трансформаторы). Симметрия вторичной обмотки требуется обычно при питании симметричной схемы от не­ симметричного источника. Высокая и стабильная степень симметрии обмотки симметрирующего трансформатора при его высоких разде­ лительных свойствах обеспечивается путем сочетания симметричного конструктивного выполнения обмотки, особого устройства экранов и тщательного устранения емкостных и гальванических связей между обмотками. В случаях, если полной симметрии добиться не удается, несмотря на принятые конструктивные меры, окончательное симме­ трирование выводов «симметричной» обмотки производится при по­ мощи дифференциальных конденсаторов.

Заметим, что если к обмоткам требование симметрии не предъ­ является и необходимы только хорошие разделительные свойства трансформаторов, то используются так называемые разделительные (или изолирующие) трансформаторы, которые отличаются от симме­ трирующих более простым устройством обмоток и экранов.

И симметрирующие и, в особенности, разделительные трансфор­ маторы должны обладать минимальными магнитными полями рас­ сеяния. Забегая несколько вперед, укажем, что это требование может быть удовлетворено применением магнитного экранирования, сердеч­ ников из материала с высокой магнитной проницаемостью и форм магнитопровода, обеспечивающих минимальное рассеяние.

Одной из целей применения симметрирующих и разделительных трансформаторов является уменьшение межконтурных токов утечки. В частности, для уменьшения значения межконтурного емкостного тока в компенсационной схеме может быть применен специальный разделительный трансформатор с пренебрежимо малыми емкостями между обмотками. Однако при повышенных частотах это связано со значительными трудностями. Кроме того, существуют схемы, в кото­ рых для обеспечения жесткой связи между токами в обоих конту­ рах питание одного из них осуществляется от вторичной обмотки трансформатора тока (например, при измерении сопротивлений и др.). В этих схемах контуры связаны емкостью между обмотками трансформатора тока, которая не может быть очень малой. Поэтому на практике часто приходится применять компенсационные схемы со сравнительно большими межконтурными емкостными токами.

В тех случаях, когда межконтурный емкостный ток так велик, что погрешностями, обусловленными нм, пренебречь нельзя, ради­ кальным решением вопроса является компенсация межконтурных емкостных токов с помощью регулируемого по величине и по фазе напряжения, получаемого от вспомогательного устройства. Подоб­ ное вспомогательное утсройство для компенсации межконтурного емкостного тока используется, например, в компенсаторе на повы­ шенные частоты, выпускаемом заводом «Точэлектроприбор». Улро*

щенная схема компенсатора приведена на рис. 9-13. Здесь межкэнтурный емкостный ток в нулевом проводе ас компенсируется током, проходящим по этому же проводу под воздействием вспомогатель­

ного напряжения АV. Процесс уравновешивания схемы заключается

в изменении значения и фазы напряжения Д6/ и положения движков на рабочих делителях компенсатора, пока не будет получено отсут­ ствие отклонения указателя равновесия как при разомкнутом, так и при замкнутом ключе К.

Перейдем теперь к рассмотрению магннтн й защиты измеритель­ ных установок переменного тока, под которой будем понимать глав-

Рис. 9-!13.

ным образом защиту от влияния паразитных магнитных связей, а также защиту от влияния внешнего высокочастотного электромаг­ нитного поля.

Рассмотрим сначала методы защиты от влияния внутренних магнитных связей.

Ввиду практической невозможности точного определения расчет­ ным путем значений паразитных э. д. с. и токов, вызываемых маг­ нитными полями соседних элементов, с целью учета соответствую­ щей погрешности измерения, необходимо прибегать к уменьшению погрешностей этого вида путем понижения значения паразитных взаимных индуктивностей между элементами установки и размеров контуров схемы установки. Это может быть достигнуто соответст­ вующим расположением элементов схемы, соединением их при помо­ щи бифиляриой проводки, помещением катушек индуктивности и взаимонндуктивностн в цепях установки на некотором расстоянии друг от друга при взаимно препендикулярном положении их осей.

Следует по возможности (т. е. не в ущерб электрической защи­ те) избегать объединения всех дополнительных устройств с основ­ ной схемой установки, в особенности источника тока, так как это приводит к усилению внутренних магнитных связей. Магнитные свя­ зи могут быть уменьшены при применении специальных конструкции элементов с малыми полями рассеяния, например тороидальных конструкций катушек индуктивности и трансформаторов с сердечин-

ками из ферромагнитного материала, обладающего высокой магнит­ ной проницаемостью.

Однако при выполнении высокоточных работ все эти меры по уменьшению влияния внутренних магнитных связен измерительной установки переменного тока оказываются часто недостаточными. В этих случаях приходится прибегать к магнитному экранированию: ферромагнитному (называемому часто магнитостатическим), осно­ ванному на использовании больших значений магнитной проницае­ мости материала экрана, и электромагнитному, основанному на ис­ пользовании размагничивающего действия вихревых токов в мате­ риале экрана.

Эффективность ферромагнитного экранирования, используемого (как правило) для защиты от действия постоянных магнитных полей и магнитных полей низкой частоты, приближенно пропорциональна магнитной проницаемости; поэтому наиболее подходящими материа­ лами для магнитных экранов, работающих в этих условиях, являют­ ся ферромагнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью (например, пермаллой, муметалл и т. п.). С целью увеличения эффективности экранирования можно использовать многоступенча­ тые магнитные экраны. На практике расстояние между отдельными оболочками многоступенчатых магнитных экранов следует делать больше толщины оболочки, а именно такие, как между экранируе­ мым объектом и внутренним экраном, а толщину каждой оболочки брать не больше 0,5—1 мм, делая все оболочки одинаковой толщи­ ны. При такой конструкции использование дорогих ферромагнитных

следнего возрастает не только с увеличением магнитной проницае­ мости, но также с увеличением проводимости материала экрана и частоты. Поэтому при радиочастотах нет уже необходимости при­ менять для. магнитных экранов ферромагнитные материалы. В этом случае для магнитных экранов применяют хорошо проводящие мате­ риалы, например медь или алюминий. Большое распространение в технике высокой частоты получили биметаллические экраны, со­ стоящие из железного листа, покрытого тонким слоем хорошо прово­ дящего металла (например, меди); этим достигается весьма эффек­ тивное экранирование при .минимальных затратах цветного металла.

Путем рационального устройства электрической цепи н правиль­ ного использования магнитного экранирования большей частью мож­ но свести внутренние магнитные связи схемы практически до нуля.

Для защиты измерительной установки переменного тока от влия­ ния внешних магнитных связей, которая по существу сводится к за­ щите от влияния магнитных полей, внешних по отношению к схеме электротехнических устройств, в основном применяются те же мето­ ды, что и для защиты от влияния внутренних магнитных связей: бифнлярные соединения, экранирование, удаление от источников по­ лей или соответствующее расположение в пространстве. Кроме того, целесообразным является применение астатических конструкций об­ разцовых катушек индуктивности и взаимоиндуктивностн, так как за исключением случаев, когда схема расположена в непосредственной близости от источника поля, внешние магнитные поля отличаются равномерностью.

■При сильных и неравномерных внешних полях достаточно эф­ фективная защита схемы во многих случаях может быть обеспечена использованием для питания схемы источника с частотой, отличной

Простым и очень эффективным способом магнитной защиты мос­ товых установок переменного тока низкой частоты является приме­ нение монтажа с разнесением элементов схемы на значительное рас­ стояние (до 1 м) от узловых точек установки, которые сведены в об­ щий узел и находятся в максимально возможной близости друг к другу. При этом плечи моста располагаются в одной плоскости, но обе стороны от которой помещаются источник тока п указатель рав­ новесия. Проводники, ведущие к источнику и указателю, располага­ ются перпендикулярно к плоскости схемы. Соединение всех элемен­ тов схемы моста осуществляется при помощи коаксиально-бифиляр- ной проводки, т. е. размещением проводника одного направления внутри металлической трубки, которая является проводником обрат­ ного направления, причем изоляция между •внутренним проводником и трубкой осуществляется при помощи шайб или бус из высокока­

уменьшения погрешностей, обусловленных влиянием электрических связен измерительной установки переменного тока. Так, в частности, астатические конструкции взаимных индуктивностей наряду с защи­ той от внешних магнитных влияний обеспечивают также меньшие погрешности от токов емкостной утечки, чем одна катушка с тем же значением взаимной индуктивности. Коаксиально-бифилярная про­ водка обеспечивает наряду с уменьшением индуктивности соедини­ тельных проводов и влияния внешних магнитных полей также высо­ кое постоянство емкости проводов, которая может быть к тому же значительно уменьшена увеличением внутреннего диаметра трубки. Общий металлический кожух-экран при заземлении его одновремен­

новки.

Дополнительным примером такой удачной защиты может слу­ жить выполнение активных плеч отношения моста переменного тока, параллельных диагонали источника питания, в виде кату­ шек с двухслойной встречной намоткой (о чем уже упоминалось

нитные потоки, созданные слоями, компенсируют друг друга, что обеспечивает малую остаточную индуктивность плеч и незначитель­ ное влияние внешних магнитных полей. Уннфилярнос же выпол­ нение намотки слоя обеспечивает малую величину собственной емкости катушек.