Вопрос № 6. Электростатические механизмы.

В электростатических измерительных преобразователях и приборах вращающий момент создается в результате взаимодействий двух систем заряженных пластин, одна из которых является неподвижной.

Применяются две конструкции электростатических приборов.

В первой (рис. 10) под действием разности потенциалов подвижные пластины 2 стремятся втянуться между неподвижными 1, при этом изменяется активная площадь взаимодействия пластин (такая конструкция применяется в вольтметрах для измерения низких напряжений – до единиц киловольт). Для увеличения чувствительности при этом применяется световой указатель, зеркальце 3 которого непосредственно крепится на подвижной части. Растяжки 4 создают противодействующий момент.

Рис. 10. Устройство (а) и конструкция (б) электростатического измерительного

механизма, применяемого для измерений низких напряжений

Во второй (рис. 12) конструкции разность потенциалов изменяет расстояние между пластинами (эта конструкция применяется в вольтметрах для измерения высоких напряжений – до сотен киловольт – в киловольтметрах).

По существовавшей классификации в названии типа прибора используется буква С (например, С511).

Энергия электростатического поля системы заряженных тел

где С – электрическая емкость между подвижными и неподвижными пластинами;

и – напряжение (разность потенциалов) между ними.

Рис. 11. Устройство электростатического измерительного механизма,

применяемого для измерений высоких напряжений:

1 – магнитоиндукционный успокоитель, 2 – ось, 3 – тяга, 4, 6 – подвижные пластины,

5 – металлическая лента, 7 – алюминиевая лёгкая пластина

Мгновенный вращающий момент будет равен:

Если приложенное напряжение постоянно (u = U),то вращающий момент:

Если u = U_m sin ωt, то мгновенное значение вращающего момента:

(29)

Как видно из выражения (29), мгновенный вращающий момент имеет постоянную и гармоническую составляющие. При этом на частотах свыше 10 Гц подвижная часть измерительного механизма в силу своей инерционности не будет успевать реагировать на изменения напряжения. Вследствие этого угол поворота подвижной части будет определяться средним за период T значением вращающего момента:

(30)

где U – действующее значение измеряемого синусоидального напряжения.

Если измеряется напряжение несинусоидальной формы с периодом Т, которое аналитически может быть представлено в виде разложения в ряд Фурье по гармоническим составляющим:

где U_o – постоянная составляющая;

k –номер гармоники;

U_mk –амплитуда k-й гармоники;

ω – начальная фаза k-й гармоники, то, согласно (30), для среднего значения вращающего момента получим следующее выражение:

Здесь U₀, U₁, U₂ ... – постоянная составляющая и действующие значения гармонических составляющих напряжения; U – действующее значение переменного несинусоидального напряжения.

Поскольку противодействующий момент создается упругим элементом, то угол поворота подвижной части (для всех трех рассмотренных видов напряжения):

(31)

Из выражения (31) вытекают следующие положения:

- зависимость угла поворота подвижной части от напряжения нелинейна;

- поворот подвижной части одинаков при постоянном и при переменном напряжении, имеющем действующее значение, равное значению постоянного напряжения;

- показание прибора не зависит от формы кривой измеряемого напряжения.

Линейную зависимость угла поворота α от напряжения получают для значительной части рабочего диапазона показаний, изготавливая подвижные пластины специальной формы.

В этом случае является требуемой функцией α.

Электростатические приборы применяются главным образом в качестве измерителей напряжения – вольтметров. Измеряемое вольтметром напряжение непосредственно подается на измерительный механизм. Схемы включения электростатических вольтметров обладают некоторыми особенностями. У вольтметров с малыми и средними пределами измерения воздушный зазор между пластинами очень мал, поэтому возникает опасность короткого замыкания пластин, а, следовательно, и источника измеряемого напряжения, при случайных ударах, тряске и т. п. Для исключения этого внутрь вольтметра встраивается защитный резистор. В этом случае прибор включается в цепь с помощью зажимов 1 и 2 (рис. 12, здесь C_v –емкость вольтметра). При измерении напряжений повышенной частоты (сотни килогерц и более) во избежание дополнительной погрешности защитный резистор отключается путем включения вольтметра через зажимы 1 и Э (экран).

Рис. 12. Схема подключения электростатического вольтметра

В настоящее время промышленностью выпускаются несколько типов электростатических вольтметров с верхними пределами измерений от 30 В до 75 кВ классов точности 0,5; 1,0; 1,5 для работы в частотном диапазоне до 30 МГц.

К достоинствам электростатических приборов относится в первую очередь очень малое собственное потребление мощности от измеряемой цепи. При измерении постоянного напряжения оно определяется сопротивлением изоляции между входными зажимами вольтметра (порядка 10¹⁰ – 10¹⁴ Ом), при измерении переменного напряжения – зависит от емкости измерительного механизма (приблизительно 3 – 30 пФ) и частоты измеряемого напряжения. Кроме того, показания электростатических вольтметров не зависят от формы кривой измеряемого напряжения, на них слабое влияние оказывает температура окружающей среды и совершенно не влияют магнитные поля. К достоинствам приборов следует отнести довольно широкий диапазон рабочих частот и возможность изготовления вольтметров для измерения больших напряжений – до сотен киловольт – без применения громоздких, дорогих и потребляющих большую мощность добавочных резисторов и измерительных трансформаторов.

Недостатками электростатических приборов являются малая чувствительность, неравномерность шкалы в пределах только 25 – 100 % и сильное влияние внешних электростатических полей, для защиты от которых измерительный механизм помещается в заземляемый металлический экран.

Вывод: в электростатических измерительных преобразователях и приборах вращающий момент создается в результате взаимодействий двух систем заряженных пластин, одна из которых является неподвижной. Электростатические приборы применяются главным образом в качестве измерителей напряжения – вольтметров.

К достоинствам электростатических приборов относится в первую очередь очень малое собственное потребление мощности от измеряемой цепи.

Недостатками электростатических приборов являются малая чувствительность и сильное влияние внешних электростатических полей.

Заключение.

Все электроизмерительные приборы по способу преобразования электромагнитной энергии, связанной с измеряемой величиной, в величину, позволяющую провести отсчет значений измеряемой величины, можно разделить на: электромеханические; электротепловые; электронные; электронно-лучевые.

В электромеханических приборах для перемещения подвижной части прибора используются различные электромагнитные процессы.

В электротепловых приборах для перемещения подвижной части прибора используется тепловое действие электрического тока.

Электронные приборы представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерителя (аналогового или цифрового).

Электронно-лучевые приборы используют подводимую энергию электромагнитного поля для перемещения электронного луча в электронной трубке. Это перемещение пропорционально значению измеряемой величины.

В общем виде структурная схема аналогового электроизмерительного прибора непосредственной оценки состоит из: входного устройства; измерительного преобразователя; измерительного механизма; отсчетного устройства.

Электромеханические измерительные механизмы являются основными элементами электроизмерительных приборов прямого действия. Измерительный механизм предназначен для преобразования электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части (чаще всего угловое) показывающего или регистрирующего устройства. В зависимости от принципа действия различают основные системы измерительных механизмов, лежащих в основе многих измерительных приборов: магнитоэлектрические; электромагнитные; электродинамические; индукционные; электростатические.

Электромеханический измерительный механизм прибора прямого действия состоит из неподвижной, соединенной с корпусом прибора, и подвижной частей. Для защиты механизма используется корпус, на лицевую сторону которого нанесены условные обозначения. Кроме рассмотренных основных частей ЭИМ могут иметь корректоры, арретиры, успокоители различных типов.

Принцип действия магнитоэлектрических механизмов основан на взаимодействии токов, протекающих в одном или нескольких контурах с полями одного или нескольких постоянных магнитов. Подвижными могут быть как контуры с током, так и постоянные магниты (первые получили большее распространение). Для данных механизмов были рассмотрены уравнение измерения (уравнение шкалы), устанавливающее зависимость угла поворота подвижной части от измеряемой величины, конструкция, достоинства и недостатки магнитоэлектрических приборов, в том числе и логометров.

Принцип работы электромагнитных механизмов основан на взаимодействии магнитного поля катушки с током и ферромагнитного сердечника. Они применяются главным образом для измерения неэлектрических величин, например уровня топлива, числа оборотов и т. п. Достоинствами электромагнитных приборов является простота, надежность и сравнительно низкая стоимость. К недостаткам относятся неравномерность шкалы и сравнительно большая погрешность, зависящая от магнитного гистерезиса материала сердечника, температуры и влияния магнитных полей.

Принцип действия электродинамических механизмов заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижных и подвижных контуров (катушек) с токами. Достоинства электродинамических механизмов: возможность измерения тока, мощности, разности фаз между током и напряжением на нагрузке, применение на постоянном и переменном токах. К недостаткам относятся: сравнительно небольшая чувствительность, значительное потребление мощности, нелинейность шкалы, влияние температуры, частоты и внешних магнитных полей.

В электростатических измерительных преобразователях и приборах вращающий момент создается в результате взаимодействий двух систем заряженных пластин, одна из которых является неподвижной. Электростатические приборы применяются главным образом в качестве измерителей напряжения – вольтметров. К достоинствам электростатических приборов относится в первую очередь очень малое собственное потребление мощности от измеряемой цепи. Недостатками электростатических приборов являются малая чувствительность и сильное влияние внешних электростатических полей.

Вопросы для самоконтроля.

1. Классификация электроизмерительных приборов по способу преобразования электромагнитной энергии.

2. Назовите основные узлы и принцип работы электроизмерительных механизмов.

3. Обобщённая структурная схема аналогового электроизмерительного прибора.

4. Устройство и принцип действия магнитоэлектрических механизмов.

5. Устройство и принцип действия электромагнитных механизмов.

6. Устройство и принцип действия электродинамических механизмов.

7. Устройство и принцип действия электростатических механизмов.

Литература

1. Метрология и радиоизмерения: Учебник для вузов/ В.И.Нефедов, А.С.Сигов, В.К.Битюков и др./Под ред. В.И.Нефедова. – 2-е изд. перераб. – М.: Высш. школа, 2006. – 526 с.: ил. (стр. 180 – 187).

2. Измерения в электронике: Справочник/В. А. Кузнецов. В. А. Долгов, В. М. Коневских и др.; Под ред. В. А. Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 512 с. (стр. 28 – 29).

3. Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин: Учеб. пособие. – М.: Высш. школа, 1982.- 223 с. (стр. 10 – 19).

4. Ким К.К., Анисимов Г.Н., Барборович В.Ю., Литвинов Б.Я. Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника. – СПб.: Питер, 2006. – 368 с.: ил. (стр. 161 – 204).

Начальник цикла – старший преподаватель военной кафедры

А. Леонтьев