Электростатические измерительные преобразователи и приборы

В электростатических измерительных преобразователях и приборах вращающий момент создается в результате взаимодействия двух систем заряженных пластин, одна из которых является неподвижной.

Применяются две конструкции электростатических приборов. В первой (рис. 8.10) под действием разности потенциалов подвижные пластины 1 стремятся втянуться между неподвижными 2, при этом изменяется активная площадь взаимодействия пластин (такая конструкция применяется в вольтметрах для измерения низких напряжений – до единиц киловольт). Для увеличения чувствительности при этом применяется световой указатель, зеркальце 3 которого непосредственно крепится на подвижной части. Растяжки 4 создают проти­водействующий момент. Во второй конструкции разность потенциалов изменяет расстояние между пластинами (эта конструкция применяется в вольтметрах для измерения высоких напряжений – до сотен киловольт – в киловольтметрах).

Условное обозначение электростатических приборов представлено в табл. 8.1. По существовавшей.классификации в названии типа прибора используется буква С (например, С511).

Рисунок 8.10 – Устройство электростатического измерительного механизма

Энергия электростатического поля системы заряженных тел

где С – электрическая емкость между подвижными и неподвижными пластинами; u – напряжение (разность потенциалов) между ними.

Мгновенный вращающий момент, определяемый выражением (8.2), будет равен

Если приложенное напряжение постоянно (u = U), то вращающий момент

Если и= Um sin со£, то мгновенное значение вращающего момента

Как видно из выражения (8.23), мгновенный вращающий момент имеет по­стоянную и гармоническую составляющие. При этом на частотах свыше 10 Гц подвижная часть измерительного механизма в силу своей инерционности не будет успевать реагировать на изменения напряжения. Вследствие этого угол поворота подвижной части будет определяться средним за период Т значением вра­щающего момента

где U – действующее значение измеряемого синусоидального напряжения.

Если измеряется напряжение несинусоидальной формы с периодом Т которое аналитически может быть представлено в виде разложения в ряд Фурье по гармоническим составляющим

где U₀ – постоянная составляющая; k – номер гармоники; U_mk – амплитуда k-й гармоники; – начальная фаза k-й гармоники, то, согласно (8.24), для среднего значения вращающего момента получим следующее выражение:

Здесь U₀, U₁, U₂. – постоянная составляющая и действующие значения гармонических составляющих напряжения; U – действующее значение переменного несинусоидального напряжения. Поскольку противодействующий момент создается упругим элементом, то в соответствии с (8.3) и (8.7) угол поворота подвижной части (для всех трех рассмотренных видов напряжения)

Из выражения (8.25) вытекают следующие положения:

• зависимость угла поворота подвижной части от напряжения нелинейна;

• поворот подвижной части одинаков при постоянном и при переменном напряжении, имеющем действующее значение, равное значению постоянного напряжения;

• показание прибора не зависит от формы кривой измеряемого напряжения.

Линейную зависимость угла поворота а от напряжения получают для значи­тельной части рабочего диапазона показаний, изготавливая подвижные пластины специальной формы. В этом случае является требуемой функцией α.

Электростатические приборы применяются главным образом в качестве измерителей напряжения – вольтметров. Измеряемое вольтметром напряжение непосредственно подается на измерительный механизм. Схемы включения электростатических вольтметров обладают некоторыми особенностями. У вольтметров с малыми и средними пределами измерения воздушный зазор между пластинами очень мал, поэтому возникает опасность короткого замыкания пластин, а следовательно и источника измеряемого напряжения, при случайных ударах, тряске и т. п. Для исключения этого внутрь вольтметра встраивается защитный резистор. В этом случае прибор включается в цепь с помощью зажимов 1 и 2 (рис. 8.11, здесь C_v – емкость вольтметра). При измерении напряжений повышенной частоты (сотни килогерц и более) во избежание дополнительной погрешности защитный резистор отключается путем включения вольтметра через зажимы 1 и Э (экран).

Рисунок 8.11 – Схема подключения электростатического вольтметра

В настоящее время промышленностью выпускаются несколько типов электростатических вольтметров с верхними пределами измерений от 30 В до 75 кВ классов точности0,5; 1,0; 1,5 для работы в частотном диапазоне до 30 МГц.

К достоинствам электростатических приборов относится в первую очередь очень малое собственное потребление мощности от измеряемой цепи. При из­мерении постоянного напряжения оно определяется сопротивлением изоляции между входными зажимами вольтметра (порядка 10¹⁰-10¹⁴ Ом), при измерении переменного напряжения – зависит от емкости измерительного механизма (приблизительно 3-30 пФ) и частоты измеряемого напряжения. Кроме того, показания электростатических вольтметров не зависят от формы кривой измеряемого напряжения, на них слабое влияние оказывает температура окружающей среды и совершенно не влияют магнитные поля. К достоинствам приборов следует отнести довольно широкий диапазон рабочих частот и возможность изготовления вольтметров для измерения больших напряжений – до сотен киловольт – без применения громоздких, дорогих и потребляющих большую мощность добавочных резисторов и измерительных трансформаторов.

Недостатками электростатических приборов являются малая чувствитель­ность, неравномерность шкалы в пределах только 25-100 % и сильное влияние внешних электростатических полей, для защиты от которых измерительный механизм помещается в заземляемый металлический экран.

Расширение пределов измерений электростатических вольтметров, работаю­щих в цепях переменного тока, достигается при помощи включения добавочных конденсаторов С_д (рис. 8.12, а) или емкостных делителей напряжения С₁ и С₂ (рис. 8.12, б), в цепях постоянного тока – посредством омических делителей на­пряжения R₁ и R₂ (рис. 8.12, в).

Рисунок 8.12 – Схемы электростатических вольтметров с использованием: а – добавочных конденсаторов; б – емкостных делителей напряжения; в – омических делителей

Для схемы, изображенной на рис. 8.12, а, можно записать:

Собственная емкость вольтметра Cv изменяется в соответствии с поворотом подвижной части. Кроме того, в конденсаторах возникают потери, зависящие от частоты. Поэтому при использовании добавочных конденсаторов погрешности измерений существенно возрастают.

Для схемы с емкостным делителем напряжения (рис. 8.12, б) получим:

Если выбрать емкость С₂ >> C_v, то отношение напряжений – измеряемого и отображаемого на шкале вольтметра – останется постоянным для всех значений измеряемого напряжения. В этом случае включение емкостного делителя напряжения не будет искажать показания вольтметра.