Электроизмерительные приборы: Методические указания к выполнению лабораторной работы, страница 6

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ПРИБОРЫ

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

Применяются две конструкции электростатических приборов. В пер­вой (рис.5) под действием разности потенциалов подвижные пластины 1 стремятся втянуться между неподвижными 2, 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. Во второй конструкции разность потенциалов изменяет расстояние между пластинами (эта конст­рукция применяется в вольтметрах для измерения высоких напряжений -до сотен киловольт - в киловольтметрах).

Условное обозначение электростатических приборов представлено в таблице 1. 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.

Мгновенный вращающий момент, определяемый выражениями (10) и (11) будет равен:

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

Если и = U_m smmt, то мгновенное значение вращающего момента:

 (36)

Как видно из выражения (36), 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 Г значением вращающего момента:

 I                   (37)

где U - действующее значение измеряемого синусоидального напряжения. Если измеряется напряжение несинусоидальной формы с периодом Г, которое аналитически может быть представлено в виде разложения в ряд Фурье по гармоническим составляющим:

где U_o - постоянная составляющая; * - номер гармоники; U^ - амплитуда k-ой гармоники;

<»=—» v_k - начальная фаза к-ой гармоники, то, согласно (37), для среднего значения вращающего момента получим следующее выражение:

ЗдесьU_t,U_lfU₂... - постоянная составляющая и действующие значения гар­монических составляющих напряжения;

U - действующее значение переменного несинусоидального напря­жения.

Поскольку противодействующий момент создается упругим элементом, то в соответствии с (12) и (13) угол поворота подвижной части (для всех трех рассмотренных видов напряжения):

(38)

Из выражения (38) вытекают следующие положения:

•  зависимость угла поворота подвижной части от напряжения нели­
нейна;

•  поворот подвижной части одинаков при постоянном и при перемен­
ном напряжении, имеющем действующее значение, равное значению
постоянного напряжения;

•  показание прибора не зависит от формы кривой измеряемого напря­
жения.

Линейную зависимость угла поворота а от напряжения получают для значительной части рабочего диапазона показаний, изготавливая

подвижные пластины специальной формы. В этом случае — является

da

требуемой функцией а.

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 7 и 2 (рис.6, здесь С_у - 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).