Приборы электростатической системы

Размещено на http://www.allbest.ru

Приборы электростатической системы

Электростатические приборы строятся на основе электростатического измерительного механизма, который представляет собой систему подвижных и неподвижных электродов. Под действием напряжения, приложенного к электродам, подвижные электроды отклоняются относительно неподвижных. В электростатических ИМ отклонение подвижной части связано с изменением емкости.

Приборы электростатической системы бывают двух разновидностей [2]:

1) с изменяющейся площадью пластин;

2) с изменяющимся расстоянием между пластинами (рис. 1.7):

Обе разновидности имеют схожую конструкцию и состоят:

- из системы параллельных неподвижных пластин 1;

- стрелки 2;

- оси 3;

- секторообразной алюминиевой пластины 4.

Остальные детали: подпятники, противодействующая пружина, балансные грузики, корректор, шкала, воздушный или магнитоиндукционный успокоитель подобны деталям приборов других систем.

Принцип действия

электростатический прибор пластина

Перемещение подвижной части приборов этой системы происходит в результате взаимодействия электрически заряженных пластин (проводников), разделенных диэлектриками. При перемещении подвижной части изменяется ёмкость между пластинами вследствие изменения их площади или расстояния между ними.

В приборах с изменяющейся площадью пластин при включении в измеряемую цепь неподвижные пластины заряжаются одноименными зарядами, а подвижная - зарядом противоположного знака. Под действием сил электрического поля подвижная пластина притягивается к неподвижным, поворачивается на оси и входит в зазор между ними, перемещая стрелку вдоль шкалы. Шкала прибора квадратична.

Приборы с изменяющимся расстоянием между пластинами состоят из двух неподвижных пластин, одна из которых при измерениях заряжается положительно, а другая - отрицательно. Между ними размещается подвижная пластина, электрически соединенная с одной из неподвижных.

В результате взаимодействия подвижная пластина отталкивается от одной неподвижной пластины и притягивается к другой, перемещая ось и стрелку на угол

Угол поворота б подвижной части находится из равенства вращающего и противодействующего моментов, возникающих в измерительном механизме

,

где С - емкость между пластинами; U - приложенное к электродам напряжение.

Из этой формулы следует, что угол отклонения подвижной части не зависит от полярности приложенного напряжения. В случае переменного напряжения угол отклонения подвижной части пропорционален квадрату действующего значения напряжения.

Для получения равномерной шкалы необходимо выполнить условие

,

где k - конструктивная постоянная ИМ.

Практически равномерный шкалы на всем ее протяжении (от 0 до б_МАХ) получить нельзя, так как при малых углах емкость ИМ должна быть отрицательной.

Для того чтобы получить характер шкалы вольтметра, близкий к равномерному, применяют один из двух методов выравнивания шкалы: а) метод разбивки шкалы на два участка; б) метод создания начальной емкости. По первому методу шкалу вольтметра разбивают на два участка: квадратичный и равномерный. По второму методу при соответствующем выборе формы подвижных и неподвижных электродов можно получить практически равномерную шкалу на участке от 25 % до 100 % от ее номинального значения).

Достоинства:

- пригодность для измерений в цепях переменного и постоянного токов;

- нечувствительность к изменению температуры окружающей среды;

- небольшая потребляемая мощность;

- высокое входное сопротивление;

- широкий частотный диапазон;

- независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения (показания прибора соответствуют среднеквадратическому значению измеряемого напряжения).

Недостатки:

- нелинейность шкалы (квадратичная шкала);

- низкая чувствительность;

- невысокая точность;

- возможность пробоя между электродами.

Электростатические приборы характеризуются: 1) весьма малым собственным потреблением мощности на постоянном токе и низких частотах. Это, объясняется тем, что оно обусловлено только кратковременным зарядным током и протеканием весьма малых токов утечки через изоляцию. На переменном токе потребление мощности также невелико ввиду малой емкости ИМ и малых диэлектрических потерь в изоляции; 2) широким частотным диапазоном (от 20 Гц до 35 МГц); 3) малой зависимостью показаний от изменений формы кривой измеряемого напряжения; 4) возможностью использования их в цепях постоянного и переменного токов для непосредственного измерения высоких напряжений (до 300 кВ) без применения измерительных трансформаторов напряжения. Наряду с этим электростатические приборы имеют и недостатки: они подвержены сильному влиянию внешних электростатических полей, обладают низкой чувствительностью к напряжению, имеют неравномерную шкалу, которую необходимо выравнивать за счет выбора формы электродов, и др.

Область применения

Приборы пригодны только для измерения напряжения (постоянное и переменное). Включаются в измеряемую цепь по схеме включения вольтметра. Применяют в высоковольтных маломощных цепях устройств проводной и радиосвязи.

Погрешности

Основная погрешность электростатических приборов складывается из погрешности отсчета, от упругого последствия растяжек, от изменения частоты и температуры, погрешности от контактной разности потенциалов, термоЭДС, поляризации диэлектриков и др.

При перемене полярности измеряемого постоянного напряжения или при переходе с постоянного тока на переменный контактная разность потенциалов U_К, вызывает погрешность

,

где U_НОМ - номинальное значение измеряемого напряжения.

Погрешность от термоЭДС появляется в результате применения разнородных проводниковых материалов в измерительной цепи и наличия перепада температур в объеме ИМ. Значение этой погрешности определяется аналогично погрешности от контактной разности потенциалов.

Погрешность от поляризации диэлектрика возникает при подаче напряжения между электродами и обусловливает появление обратной ЭДС в измерительной цепи. Для снижения влияния поляризации диэлектрика применяют изоляционный материал с малым значением диэлектрической проницаемости, а также экранируют диэлектрик от подвижного электрода путем металлизации свободной поверхности, обращенной к подвижному электроду. Металлическое покрытие диэлектрика электрически соединяют с подвижной частью.

Частотная погрешность г_f (в номинальной области частот) возникает из-за зависимости активного сопротивления проводов и растяжек от частоты, наличия собственной емкости прибора и индуктивности проводов

,

где f - частота измеряемого напряжения; f₀ - резонансная частота цепи прибора (в пределах 30--100 МГц); C - собственная емкость прибора; R - сопротивление проводов и растяжек.

В приборах с защитным сопротивлением R_З при работе на высоких частотах появляется дополнительная погрешность за счет емкостного тока

.

Возрастание этой погрешности с увеличением частоты ограничивает применение защитного сопротивления до частот порядка 300 кГц.

Погрешность, обусловленная влиянием внешних электростатических полей, уменьшается экранированием прибора. Экран соединяют с одним из зажимов прибора и заземляют.

Температурная погрешность электростатического прибора вызывается изменениями упругости материала растяжек и емкости ИМ с изменением температуры:

,

где в_W - термоупругий коэффициент растяжек; в_С - температурный коэффициент изменения емкости ИМ.

В приборах класса точности выше 0,5 для компенсации температурной погрешности используются различные конструктивные меры, например, крепление растяжек на термобиметаллических пластинах.

Точность электростатических приборов можно получить высокой за счет применения специальных конструктивно-технологических мероприятий по снижению погрешностей. В настоящее время разработаны переносные приборы классов точности 0,2; 0,1 и 0,05.

Эти приборы используют главным образом для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного токов. Выпускаются щитовые вольтметры на напряжения от 30 В до 15 кВ классов точности 1,0 и 1,5 с частотным диапазоном от 20 Гц до 3 МГц. Переносные вольтметры классов точности 0,5; 1,0 и 1,5 выпускаются на напряжения от 10 В до 3 кВ с частотным диапазоном до 35 МГц. МГц. Вольтметры самой высокой точности (классов 0,05 и 0,1) имеют пределы измерения 50, 150 и 300 В и частотный диапазон от 20 Гц до 500 кГц. Выпускаются высоковольтные приборы на напряжения от 7,5 до 300 кВ.

Кроме измерения напряжения электростатические приборы используют для измерения других электрических величин (мощности, сопротивления, индуктивности и т. п.). Измерительные механизмы электростатической системы применяют также во многих специальных приборах (автокомпенсаторах, компараторах, высокочувствительных электрометрах и др.).

Принципиальные схемы электростатических приборов показаны на рисунке 1. Вольтметры на низкие напряжения (с пределами измерения 30 -500 В) имеют защитное сопротивление (рис. 1,а), встраиваемое внутрь прибора и ограничивающее ток при случайном замыкании электродов. В таких вольтметрах расстояние между электродами очень мало (десятые доли миллиметра), и изменение емкости механизма при повороте подвижной части достигается за счет изменения активной площади электродов (площади взаимного перекрытия электродов), поэтому при случайных толчках и ударах возникает опасность короткого замыкания электродов. Вольтметр включается в сеть с помощью зажимов А и Б. Подвижный электрод 2 соединен с экраном. При высокой частоте (свыше 300 кГц) из-за большой погрешности за счет емкостного тока защитное сопротивление отключается (при этом вольтметр включается в сеть посредством зажимов А и Э).

а) б) в)

Рис. 1.

Вольтметры на высокие напряжения (от 600 В и выше) защитных сопротивлений не имеют (рис.1,б ), так как расстояния между электродами в этих приборах велики ), и изменение емкости механизма достигается за счет изменения расстояния между электродами.

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 подвижным электродом-бисквитом и двумя парами неподвижных электродов - квадрантов (противоположные квадранты электрически соединены между собой). В электрометрах можно использовать напряжения вспомогательного источника, что позволяет повысить чувствительность при изменениях на постоянном токе (потенциала, заряда).

Квадрантный электрометр по схеме бисквитного включения применяется также для измерения мощности. В этом случае (рис.1, в) на обе пары квадрантов 1 и 3 подается напряжение U_Ш с шунта R_ш, по которому протекает ток I измеряемой цепи, а подвижный электрод 2 подключается к напряжению U измеряемой цепи. При этом вращающий момент электрометра пропорционален произведению UU_шcos ( -- угол между напряжениями), т.е. его можно использовать в качестве ваттметра. Показание прибора пропорционально сумме измеряемой мощности и половины мощности потерь в шунте, т. е. в показания прибора необходимо вводить поправку.

Размещено на Allbest.ru