Электростатические измерительные приборы

Принцип работы электростатических измерительных приборов основан на взаимодействии электрически заряженных электродов, разделенных диэлектриком.

Рис. 5.17. Устройство электростатического ИМ

Конструктивно электростатические приборы представляют собой разновидность плоского конденсатора, так как в результате перемещения подвижной части изменяется емкость системы. Практическое применение нашли приборы с поверхностным механизмом (изменение емкости осуществляется за счет изменения активной площади электродов) и с линейным механизмом (изменение емкости осуществляется за счет изменения расстояния между электродами).

На рис. 5.17 представлен прибор с поверхностным ИМ. Он состоит из неподвижных 1 и подвижных 2 электродов, укрепленных на оси. Электроды выполняют из алюминия. Измеряемое напряжение U, приложенное к неподвижным и подвижным электродам, создает между ними электростатическое поле, энергия которого w_э = CU²/2, где С — емкость между электродами.

Электростатические силы взаимодействия заряженных электродов создают вращающий момент, под действием которого подвижные электроды втягиваются в пространство между неподвижными и изменяют активную площадь электродов, т. е. изменяют емкость С:

М = ∂w_э/∂α = (U²/2)(∂C/∂α). (5.38)

Подвижные электроды втягиваются до тех пор, пока вращающий момент не станет равен противодействующему моменту. Из условия равенства моментов следует, что

α = (0,5/W) U²(∂C/∂α). (5. 39;

Шкала прибора квадратичная, поэтому изменение полярности приложенного напряжения не изменяет направления вращения. При приложенном переменном напряжении прибор реагирует на среднее значение момента за период

где u(t) = U_msinωt — мгновенное значение переменного напряжения; U — среднеквадратическое значение напряжения.

Достоинства электростатических приборов — высокое входное сопротивление; малая, но переменная входная емкость; малая мощность потребления; возможность использования как в цепи постоянного, так и в цепи переменного токов; широкий частотный диапазон; независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Показания прибора соответствуют среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

Недостатки— квадратичная шкала; малая чувствительность из-за слабого собственного электрического поля; невысокая точность; возможность пробоя между электродами; необходимость экрана.

Электростатические вольтметры применяют для измерения в цепях с маломощными источниками и при лабораторных исследованиях в цепях высокого напряжения. В совокупности с электронными усилителями их используют как высокочувствительные электрометры и вольтметры переменного тока.

Логометры

Логометры — приборы электромеханической группы, измеряющие отношение двух электрических величин Y₁ и Y₂:

α = F(Y₁/ Y2)ⁿ, (5.41)

где n — коэффициент, зависящий от системы ИМ.

Особенность логометров заключается в том, что вращающий М и противодействующий М_α моменты в них создаются электрическим путем, поэтому логометр имеет два воспринимающих элемента, на которые воздействуют величины Y₁ и Y₂, составляющие измеряемое отношение. Направления величин Y₁ и Y₂ должны выбираться такими, чтобы моменты М и М_α, действующие на подвижную часть, были направлены навстречу друг другу; при этом подвижная часть будет поворачиваться под действием большего момента. Для выполнения этих условий моменты М и М_α должны по-разному зависеть от угла отклонения подвижной части прибора.

Источниками погрешности логометра служат неидентичное выполнение двух воспринимающих элементов, особенно при наличии ферромагнитных материалов; наличие в логометре дополнительных моментов М_доп (от трения в опорах, безмоментных подводок, неуравновешенности подвижной части). Следовательно,

M = М_α + М_доп. (5.42)

Присутствие дополнительного момента М_доп делает показания логометра зависящими от побочных факторов (например, напряжения). Поэтому на шкале логометра указывают рабочий диапазон напряжения, в пределах которого градуировка шкалы справедлива. Верхний предел напряжения определяется максимальной мощностью, выделяемой в цепях логометра, а нижний — М_доп. Стрелка, не включенного под напряжение логометра, из-за отсутствия механического противодействующего момента занимает безразличное положение.

Рис. 5.18. Устройство механизма магнитоэлектрического логометра

Действие магнитоэлектрического логометра заключается в следующем.

В неравномерное магнитное поле постоянного магнита (рис. 5.18) помещают подвижную часть ИМ, содержащую две рамки, жестко скрепленные под углом d = 30°-90° и насаженные на общую ось. Токи I₁ и I₂ подводят к рамкам с помощью безмоментных токоподводов. Направление токов таково, что ток I₁ создает вращающий, а I₂ — противодействующий моменты:

M = I₁ (∂Ψ₁/∂α); M_α = I₂(∂Ψ₂/∂α), (5.43)

где Ψ₁, Ψ₂ —потоки, создаваемые магнитом и сцепленные с рамками.

Моменты М и M_α изменяются в зависимости от изменения угла α. Максимальные значения моментов будут сдвинуты на угол d, что позволяет получить на рабочем участке уменьшение М и увеличение M_α. При равновесии I₁(∂Ψ₁/∂α) = I₂(∂Ψ₂/∂α), откуда

где f₁(α), f₂(α) — величины, определяющие скорость изменения потокосцепления.

Из равенства моментов следует, что

α = F(I₁/ I₂) (5.45)

Если отношение токов выразить через искомую величину X, то

α = F₁(X). (5.46)

Существование данной функциональной зависимости возможно при выполнении основного условия работы логометра, т.е. при ∂Ψ₁/∂α ≠ ∂Ψ₂/∂α, которое обеспечивается при искусственно созданной неравномерности магнитного поля в воздушном зазоре логометра. Магнитоэлектрические логометры применяют для измерения сопротивлений, частоты и неэлектрических величин,