4.5. Электростатистические приборы
4.5.1. Общие сведения об измерительных механизмах. Конструкция и принцип действия приборов
Электростатические измерительные механизмы основаны на использовании энергии электрического поля системы нескольких заряженных тел. По существу электростатический измерительный механизм представляет собой конденсатор с системой неподвижных и подвижных электродов. Если к измерительному механизму приложено напряжение U, то между подвижными и неподвижными обкладками конденсатора возникает сила F, которая действует в направлении увеличения емкости и перемещает подвижной электрод. Это перемещение служит мерой измеряемого напряжения.
Таким образом, электростатический измерительный механизм отличается от измерительных механизмов всех других систем, принцип действия которых основан на взаимодействии магнитных полей (приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и других систем), тем, что напряжение непосредственно создает усилие, отклоняющее подвижную часть измерительного механизма, в то время как все другие измерительные механизмы являются практически измерителями тока.
Существует большое многообразие конструктивных решений, которые могут быть положены в основе построения различных приборов с электростатическими механизмами. Для удобства их дальнейшего рассмотрения, анализа и сравнения целесообразно их сгруппировать. Классификационная схема рассматриваемых приборов приведена на рисунке 4.24. Как и в любом электромеханическом измерительном механизме, принципиально возможно создание систем, подвижная часть которых может работать как в режиме, отличном от собственного резонанса (будем называть такие приборы внерезонансными), так и в режиме, при котором собственная частота системы совпадает с частотой измеряемого сигнала (резонансные приборы). Анализируя основные принципы работы приборов данной системы необходимо отметить, вращающий момент пропорционален изменению емкости с изменением угла поворота. Изменение емкости может вызываться следующими факторами:
Изменением рабочей площади электродов.
Изменением расстояния между электродами.
Изменением диэлектрической проницаемости между электродами.
Одновременным изменением рабочей площади электродов и расстояния между ними.
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
С плоскими электродами
С плоскими электродами
С цилиндрическими электродами
С плоскими электродами
С эксцентрическими электродами
Со струнными
электродами
Струнные
Язычковые
ВНЕРЕЗОНАНСНЫЕ
РЕЗОНАНСНЫЕ
С изменением рабочей площади электродов
С изменением рабочей пло-щади и рас-стояния между электродами
С изменением расстояния между электродами
С изменением диэлектрической проницае
мости
С изменением расстояния между электродами
Рис. 4.24. Классификация электростатических приборов
Конструкция и принцип действия приборов
Принцип действия приборов электростатистической системы основан на взаимодействии электрически заряженных проводников.
Таким образом, электростатический измерительный механизм представляет собой систему подвижных и неподвижных электродов. Под действием измерительного напряжения U подвижные электроды поворачиваются относительно неподвижных в сторону увеличения емкости системы. Для создания вращающего момента необходимо не только наличие напряжения между электродами, но и изменение емкости между ними, достигаемое за счет изменения активной площади электродов от расстояния между ними, в зависимости от угля отклонения.
Рис. 4.25. Системы электродов электростатических механизмов:
а – однокамерная система; б – многолучевая система; в – система
квадрантного электрометра; г – система киловольтметра
Подвижная алюминиевая пластина 1, закрепленная вместе со стрелкой на оси 3, может перемещаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными неподвижными пластинами 2. Входные зажимы, к которым подводиться измерительное напряжение, соединены с подвижной и неподвижными пластинами. Под действием электростатических сил подвижная пластина втягивается в пространство между неподвижными.
Движение прекращается, когда противодействующий момент закрученной пружины становится равным вращающему моменту пластин. Они состоят из неподвижных электродов, устанавливаемых на керамических изоляторах и подвижных, закрепляемых на осях подвижных частей. Для успокоения используют секторы подвижных электродов или кольчатые воздушные успокоители. Форму электродов выбирают или рассчитывают исходя из необходимости получения равномерного характера шкалы.
Однокамерную систему электродов применяют в переносных вольтметрах на напряжении от 30 до 3000В. многолучевая система электродов применяется в вольтметрах на малые напряжения (от 10 В) с использованием светового указателя. В системе квандрантного электрометра имеются две пары неподвижных электродов, на которые подается вспомогательное напряжение от дополнительного источника питания. Подвижной электрод в виде двухстороннего сектора отклоняется под воздействием измерительного напряжения. В киловольтметрах подвижные и неподвижные электроды имеют плавные закругления и гладкие полированные поверхности, предохраняющие механизмы от появления короткой разрядки между электродами при высоком напряжении.
Так как электростатические измерительные механизмы обладают малым вращающим моментом, то для повышения чувствительности и улучшения их параметров применяют крепления подвижных частей на растяжках. Кроме того, многие современные механизмы имеют световой отсчет, который позволяет увеличить чувствительность прибора, уменьшить массу и момент инерции подвижной части и улучшить характеристики шкалы.
Энергия электростатического поля, затраченная измерительным механизмом:
,
(4.69)
где С – емкость между пластинами, зависящая от их взаимного расположения; U – измеряемое напряжение.
Следовательно, вращающий момент:
.
(4.70)
Противодействующий момент МПР = W а, при равновесии равен МВР.
Приравнивая вращающий момент к противодействующему, получим
.
(4.71)
Таким образом, уравнение преобразования электростатического прибора:
.
(4.72)
Из (4.72) следует, что показания прибора не зависят от полярности приложенного напряжения. В случае переменного тока следует произвести усреднение показаний по времени.