Электростатические измерительные приборы

Электростатические приборы обладают целым рядом отличительных особенностей, обусловливающих их значительные преимущества по сравнению с приборами других систем. Это, прежде всего, малое собственное потребление мощности от источника измеряемого напряжения, сравнительно высокая точность, возможность использования их в широком диапазоне частот (от 20 Гц до 35 МГц), незначительная зависимость показаний от частоты и формы кривой измеряемых напряжений, возможность использования для непосредственного измерения (без применения измерительных трансформаторов напряжения) высоких напряжений (до 300 кВ), независимость показаний от внешних магнитных полей и др. К основным недостаткам этих приборов относятся: сильная зависимость показаний от внешних электрических полей, малое значение вращающего момента и низкая чувствительность, неравномерная шкала и др.

Основу всех электростатических приборов составляют электростатические измерительные механизмы.

Принцип действия электростатических преобразователей основан на взаимодействии электрических полей двух тел (систем пластин), заряженных разноименными зарядами. В результате такого взаимодействия одна из систем, являющаяся подвижной, перемещается относительно неподвижной системы пластин, вызывая при этом отклонение стрелки отсчетного устройства, связанной с подвижной частью преобразователя, в сторону возрастающих показаний. Перемещение подвижной части преобразователя относительно неподвижной вызывает изменение емкости между ними. Конструктивно подвижная и неподвижная части ИМ выполняются в виде пластин.

Все существующие электростатические преобразователи можно разделить на два вида: преобразователи, у которых изменение емкости достигается за счет изменения активной площади взаимодействующие пластин (рисунок 6, a), и преобразователи, у которых емкость изменяется за счет изменения расстояния между пластинами (рисунок 6, б).

Рисунок 6 – Электростатические измерительные преобразователи

Преобразователи первого вида применяются в вольтметрах, предназначенных для измерения низких напряжений, второго вида - в киловольтметрах.

Подвижная часть преобразователя с изменяющейся активной площадью пластин (см. рисунок 6, а) состоит из одной или нескольких тонких алюминиевых пластин 2, закрепленных на оси 3. Неподвижная часть образуется одной или несколькими камерами 1, состоящими из металлических пластин с воздушным зазором между ними. Увеличение числа камер и лучей у подвижных пластин приводит к повышению чувствительности преобразователя. Форма подвижных и неподвижных пластин выбирается или рассчитывается исходя из необходимости обеспечения равномерного характера шкалы прибора. При подаче на подвижные и неподвижные пластины измеряемого напряжения они окажутся заряженными разноименными зарядами и между ними возникнут силы электростатического притяжения, в результате действия которых подвижные пластины будут поворачиваться, стремясь зайти внутрь камер. Вместе с подвижными пластинами будет поворачиваться и ось 3 с закрепленной на ней стрелкой отсчетного устройства. При этом будут закручиваться упругие элементы, создающие противодействующий момент. Подвижная часть остановится при равенстве вращающего и противодействующего моментов. Значение измеряемого напряжения будет определяться углом отклонения стрелки относительно начала шкалы. Для успокоения подвижной части в электростатических преобразователях используются магнитоиндукционные или крыльчатые, воздушные успокоители. Вследствие того, что вращающий момент у электростатических преобразователей мал, для увеличения их чувствительности применяют крепление подвижней части на растяжках и световой отсчет. При этом уменьшаются масса и момент инерции подвижной части и улучшается характер шкалы.

У электростатических преобразователей с изменяющимся расстоянием между пластинами (рисунок 6, б) неподвижная часть образована двумя пластинами 1, между которыми находится подвешенная на тонких неупругих металлических подвесах 2 подвижная пластина 3, гальванически соединенная с одной из неподвижных пластин и изолированная от другой. При подаче на подвижную и изолированную неподвижную пластины измеряемого напряжения подвижная пластина будет притягиваться к разноименно заряженной изолированной неподвижной пластине и одновременно отталкиваться от одноименно заряженной неподвижной пластины (независимо от полярности подключения измеряемого напряжения). Через тягу 7 и мостик 4 перемещение подвижной пластины вызывает поворот оси 6 с закрепленной на ней стрелкой 5. При этом возникает противодействующий момент, создаваемый массой подвижной пластины. Установившееся показание стрелки будет при равенстве вращающего и противодействующего моментов. Вольтметры с такими преобразователями требуют первоначальной установки в такое положение, при котором стрелка будет находиться на нулевой отметке (при отсутствии измеряемого напряжения).

Из вышесказанного можно сделать некоторые выводы о свойствах, достоинствах и недостатках электростатических преобразователей и приборов на их основе:

- электростатические преобразователи могут непосредственно измерять только напряжение;

- электростатические преобразователи могут применяться для измерений напряжений постоянного и переменного токов;

- вращающий момент в электростатических преобразователях сравнительно мал, и они обладают низкой чувствительностью по напряжению;

- точность электростатических преобразователей может быть достаточно высокой, так как на их показания незначительно влияют частота и форма кривой измеряемого напряжения, внешние магнитные поля и температура окружающей среды. Электростатические вольтметры могут изготавливаться с классами точности до 0, 05;

- собственное потребление мощности из измерительной цепи для электростатических преобразователей мало, так как при измерениях в цепях постоянного тока оно обусловлено лишь кратковременным током заряда и незначительными токами утечки через изоляцию, а на переменном токе определяется током, протекающим через малую емкость преобразователя и диэлектрическими потерями в изоляции;

- функция преобразования электростатических преобразователей по своему характеру является квадратичной, однако соответствующим выбором формы пластин, т.е. закона изменения емкости при изменении угла поворота, можно получить практически равномерную шкалу на участке от 20 до 100 % от ее верхнего предела;

- электростатические преобразователи сильно подвержены влиянию внешних электрических полей и требуют их экранировки;

- электростатические преобразователи могут работать в широком частотном диапазоне (до 35 МГц), который ограничивается влиянием собственной емкости преобразователя, паразитных реактивностей и активного сопротивления проводов и растяжек;

- с помощью электростатических вольтметров можно непосредственно измерять высокие напряжения (до 300 кВ);

- электростатические преобразователи могут использоваться для измерения кроме напряжения и других электрических величин: мощности, сопротивления и индуктивности.