Электростатические механизмы

Рис. 5.15. Электростатический механизм.

^│

Электростатические измерительные механизмы основаны на использовании эффекта перемещения подвижной части под действием энергии электрического поля системы двух или более заряженных проводников. Механизм представляет собой конденсатор переменной емкости - рис. 5,15. Перемещение подвижной части связано с изменением емкости конденсатора. Существуют механизмы, у которых изменение электрической емкости системы происходят за счет изменения активной площади проводников или за счет изменения расстояния между проводниками постоянной площади. Первый способ характерен для вольтметров с напряжением от десятков до сотен вольт, второй – для киловольтметров. По принципу действия приборы электростатической системы могут измерять только напряжение.

Энергия электрического поля системы подвижных и неподвижных электродов определяется емкостью системы:

U²

W₀ ═ ——C²

Вращающий момент.

dW₀ 1 dC

М_вр═ ——— ═ — U² ——

dα 2 dα

На переменном напряжении используется действующее значение напряжения. Угол поворота подвижной части:

DC

α ═ —— U² ——

2W dα

В принципе шкала приборов электростатической системы неравномерна. Реально ее удается линеаризировать в пределах 15-100 % шкалы.

Электроды механизма изготавливаются из алюминия. Расстояние между подвижными и неподвижными электродами очень мало - менее миллиметра, поэтому в прибор встраивается защитное сопротивление, включенное последовательно в цепь и не влияющее на величину вращающего момента.

С₁ R₁

U U

C₂ R₂

Рис. 5.16. Расширение пределов Рис. 5.17. Расширение пределов

электростатического вольтметра электростатического вольтметра

на постоянном токе. на переменном токе.

Чувствительность механизмов этого типа не велика. Вольтметров электростатической системы на напряжение ниже 10 В не существует. Для исключения влияния внешних электрических полей механизмы экранируют.

Достоинством электростатической системы является возможность измерения напряжений как постоянного, так и переменного тока, в том числе высоких частот. Приборы обладают малой температурной и частотной погрешностью. На высоких частотах, более 300 кГц, защитный резистор вносит дополнительную погрешность и его отключают.

Существенным преимуществом электростатических механизмов является отсутствие потребления мощности при измерениях в цепях постоянного тока и очень малое потребление в цепях переменного тока.

Расширение диапазона измерения на переменном токе производятся включением емкостного (рис. 5.16), а на постоянном токе резистивного (рис. 5.1 7 ) делителей.

Электростатические вольтметры выпускаются классов точности от 0,5 до 1,5 на напряжения от 10 В до 300 кВ и частоту до 10 МГц.

Выпрямительные приборы.

Выпрямительные приборы были разработаны с целью расширить сферу применения высокоточных и высокочувствительных магнитоэлектричес-ких механизмов на цепи переменного тока. Они представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с полупроводниковым выпрямителем.

В зависимости от схемы выпрямителя различают одно и двухполупериодное выпрямление. На рис. 5.18. приведена схема выпрямительного амперметра, использующего однопериодное выпрямле-ние. Через измерительный механизм проходят полуволны переменного тока одной полярности. Обратные полуволны проходят через диод VD2 и резистор R, величина которого выбирается равной сопротивлению рамки механизма. Сопротивление прибора оказывается одинаковым для любого направления измеряемого тока. На рис. 5.19. показаны две возможные схемы двухполупериодного выпрямления: трансформаторная с выводом от средней точки вторичной обмотки и мостовая. Трансформатор позволяет гальванически разделить цепи измеряемого тока и измерительного механизма. Недостатком трансформатора является зависимость его параметров от частоты.

VD1 I I

I 0 t

I

а) VD2 R б) 0 t

Рис. 5.18. Выпрямительный амперметр с однополупериодным

выпрямителем: а – схема, б – временная диаграмма.

VD1

Tp

I₁ VD1 VD2

I₂

VD4 а ) VD3

б )

Рис. 5.19. Выпрямительный прибор с двухпериодным выпрямителем

а – трансформаторным, б – мостовым.

В двухполупериодной схеме выпрямления обе полуволны выпрямленного тока протекают через измерительный механизм, т.е. среднее значение выпрямленного тока в два раза больше.

Среднее значение вращающего момента в приборе с однополупериодным выпрямлением:

BSw

М_ср ═ ——— I_ср

где В – индукция в зазоре магнита, S – активная площадь рамки, w - числовитков,I_ср - средневыпрямленное значение тока.

1 _T

I_ср ═ —∫ I _m sin wt dt

T ⁰

Соответственно, угол поворота подвижной части:

BSω

α ═ ——— I_ср

W

В приборах с двухполупериодным выпрямлением М_ср и αувеличивается в два раза.

Шкалы приборов градуируются в действующих значениях переменного тока или напряжения. Действующие и средневыпрямленные значения связаны между собой выражением:

I_ср =I/K_ф

где К_ф – коэффициент формы кривой тока. Для синусоиды К_ф=1,11. При несинусоидальных токах или напряжениях возникает погрешность показаний выпрямительных приборов.

В связи с тем, что параметры полупроводниковых диодов заметно зависят от температуры, стараются уменьшить число диодов в схемах выпрямления, например, по схеме на рис. 5.20. В этом случае уменьшается температурная погрешность прибора, но увеличивается потребление энергии от измеряемой цепи.

VD1 VD 2 Рис. 5.20. Мостовая схема

выпрямления с заменой двух

диодов резисторами.

R R

При включении выпрямительных приборов используют шунты и добавочные резисторы. На рис. 5.21 показана схема включения выпрямительного прибора в качестве вольтметра. Здесь использованы дополнительные резисторы R_1g и R_2g. Шунтирование части дополнитель-

ного резистора конденсатором С уменьшает частотную погрешность, проявляющуюся на повышенных частотах, причиной которой является емкость выпрямительных диодов.

Рис. 5.21. Схема включения выпрямитель-

ного вольтметра.

R_1g

C

R_2g

Без частотной компенсации вольтметры могут измерять переменное напряжение частотой до 1-2 кГц, а с компенсацией – до 40 кГц. Выпрямительные вольтметры выпускаются на напряжение до 600 В при классах точности не лучше 1,0.

Включение выпрямительного амперметра через шунт показано на рис. 5.22. Шунт, как обычно, изготавливается из манганина, имеющего малый ТКС. Такие амперметры серийно изготавливаются на токи до 30 А классов точности от 1,0 до2,5.

Рис. 5.22. Схема включения

выпрямительного амперметра.

I R_ш