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 М_ПР = W× а, при равновесии равен М_ВР.

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.

Схемы включения

Для измерения напряжения и других величин, функционально с ним связанных (например, мощности), применяются электрометры – приборы с тремя электродами, находящимися под разными потенциалами. Наиболее распространены квадрантные электрометры с подвижными электродами – бисквитом и двумя парами неподвижных электродов – квадрантов (противоположные квадранты электрически соединены между собой). В электрометрах можно использовать напряжение вспомогательного источника, что позволяет повысить чувствительность при измерениях на постоянном токе (потенциала, заряда). Применяют три схемы включения.

При двойном включении:

Рис. 4.26. Электрометр с двойным включением

Одна пара квадрантов соединяется с подвижными электродом (зажимы А и Б), а другая заземляется (зажимы В и Э). Измеряемое напряжение U_x прикладывается между неподвижными электродами и выполняет функцию вспомогательного напряжения. В этом случае электрометр представляет собой электростатистический вольтметр с квадратичным характером шкалы.

При бисквитном включении:

Рис.4.27. Электрометр с бисквитным включением

На подвижный электрод (зажим А) подается измеряемое напряжение U_x, а на неподвижные электроды (зажимы Б и В) вспомогательное напряжение от дополнительного источника питания (того же рода, что и измеряемое напряжение, постоянное или переменное). Симметричный делитель r-r образует искусственную общую среднюю точку, с которой соединяется второй полюс источника измеряемого напряжения U_x и экран прибора. В этом случае вращающий момент Х, то есть пропорционален U_x (при постоянном напряжении), и шкала электрометра равномерна.

При квадрантном включении:

Рис.4.28. Электрометр с квадрантным включением

На подвижный электрод (зажим А) подается вспомогательное напряжение U_х, а на одну пару квадрантов (зажим В) – измеряемое напряжение U_х. Другая пара квадрантов заземляется, и, следовательно, вращающий момент Х. Квадрантный электрометр по схеме бисквитного включения применяется также для измерения мощности. В этом случае включение следующее:

Рис. 4.29. Электрометр для измерения мощности

На обе пары квадрантов 2 и 3 подается напряжение U_М с шунта R_М, по которому протекает ток I измерительной цепи, а подвижный электрод 1 подключается к напряжению U измеряемой цепи. При этом вращающий момент электрометра пропорционален U×U_М× cos A, (А – угол поворота между напряжениями), то есть его можно использовать в качестве ваттметра. К сожалению показания прибора пропорциональны не непосредственно измеряемой мощности нагрузки, а сумме этой мощности и половине мощности потерь в шунте, то есть показания прибора необходимо вводить поправку.

Вольтметры на низкие напряжения (с пределами измерений 30-500 В) имеют защитное сопротивление, страиваемое внутрь прибора и ограничивающее ток при случайном замыкании электродов.

Рис. 4.30. Вольтметр на низком напряжении

В таких вольтметрах расстояние между электродами – пластинами очень мало (десятые доли мм), поэтому при случайных толчках и ударах возникает опасность короткого замыкания электродов. Значение защитного сопротивления рассчитывают исходя из допустимого тока через растяжки при замыкании электродов

r₃ = 1,5 ×U_ном/I_p ,

где U_ном – третий предел измерений вольтметра.

I_p – допустимый ток в растяжках.

Вольтметр включается в сеть с помощью зажимов А и Б. Подвижный электрод соединен с экраном. При высокой частоте (выше 300 кГц) из-за большой погрешности за счет емкостного тока защитное сопротивления отключается (при этом вольтметр включается в сеть посредством зажимов А и Э). Вольтметры на высокое напряжение (от 600 В и выше) защитных сопротивлений не имеют, а расстояния между электродами этих приборов велики.

Рис. 4.31. Вольтметр на высоком напряжении