Роторный вольтметр

Целый ряд современных приборов по неконтактному измерению высокого напряжения и напряженности электрического поля основан на явлении электростатической индукции [1-3]. Если внести в электрическое поле некий заземлённый металлический электрод, то на поверхности этого электрода индуцируется (перетечет с «земли») заряд, поверхностная плотность которого определяется напряженностью электрического поля у электрода. Величина индуцированного заряда зависит от размеров электрода. Если в цепи «земля» - электрод поставить измеритель протекшего заряд (Q -метр), то его шкалу можно непосредственно проградуировать в единицах напряженности поля (для переносных приборов) или в единицах напряжения (для стационарных приборов, с неизменным расстоянием от высоковольтного электрода, создающего поле). Вместо Q -метров можно также использовать более дешёвые амперметры для измерения величины тока электростатической индукции, или вольтметры, для измерения потенциала измерительного электрода относительно «земли». Недостатком использования амперметров является то, что индукционный ток не постоянен во времени, убывает по мере зарядки измерительного электрода и равен нулю после полной зарядки. Существует, по крайней мере, два способа устранения этого недостатка. Можно либо непрерывно менять площадь измерительного электрода, либо расстояние до источника высокого напряжения. Первый способ реализован в роторных вольтметрах, схема которого представлена на рис.1.5.

Рис. 1.5. Роторный вольтметр [2]

В металлическом корпусе прибора расположен электродвигатель (ЭД), который приводит во вращение два металлических полукруглых электрода S ₁ и S ₂. Каждый из электродов соединен со своим полукруглым контактом в щёточном контакторе (К). Щеточные контакты 1 и 2 при вращении вала ЭД поочерёдно подключаются то к одному электроду, то к другому. Контакт 2 связан с корпусом прибора и заземлён. Контакт 1 замкнут на землю через регулировочное сопротивление (R) и амперметр (А). Вращающиеся электроды отделены от окружающей среды экраном (Э) в котором прорезано полукруглое отверстие (3), которое по размерам совпадает с электродами S ₁ и S ₂. Переключение в контакторе происходит в момент, когда один из электродов полностью открыт, а другой полностью закрыт металлическим экраном. В закрытом состоянии электрод заземлён, его потенциал равен нулю, а какой-либо заряд на его поверхности отсутствует. Как только часть электрода появляется в отверстии 3, на нем начинает индуцироваться заряд (появляется ток через сопротивление R и амперметр). Открытая площадь электрода постоянно увеличивается до тех пор, пока электрод не займёт все отверстие 3. Поскольку скорость увеличения поверхности кругового электрода при постоянной скорости вращения вала постоянна, то через амперметр течет постоянный ток зарядки электрода. Затем происходит переключение в контакторе на другой электрод, и процесс зарядки повторяется для другого электрода. В цепи амперметра протекает постоянный ток, величина которого зависит от напряженности поля, скорости вращения электродов и сопротивления R. Обычно, в приборах этого типа имеется несколько переключаемых сопротивлений, рассчитанных на разные диапазоны напряженностей электрического поля. При определении напряженности циклически изменяющихся по величине полей в цепи амперметра протекает переменный ток, который также легко измеряется. Шкала прибора проградуирована непосредственно в величинах напряженности электрического поля.

Другим вариантом конструктивного исполнения малогабаритного роторного вольтметра является прибор института ядерной физики СО РАН [4]. Роторный вольтметр был разработан для измерения ускоряющего напряжения, создаваемого высоковольтным выпрямителем промышленного ускорителя электронов типа ЭЛВ (максимальная энергия до 2, 5 МэВ). Погрешность измерений составляет порядка 1 %. При проектировании вольтметра была поставлена задача изготовить прибор компактным, не требующим обслуживания, работающим в атмосфере элегаза при давлении до 10 атмосфер. Принцип действия разработанного роторного вольтметра основан на эффекте индуцирования зарядов на металлических поверхностях, помещенных в электрическое поле [1–3], как и в вышеописанном приборе. В данной конструкции имеется неподвижный диск и вращающаяся заземленная металлическая крыльчатка, которые установлены соосно и перпендикулярно линиям напряженности электрического поля (рис. 1. 6).

Неподвижный диск (измерительные пластины) изготовлен из диэлектрика, на поверхности которого методом металлизации образованы две пары обкладок, которые по форме и размерам совпадают с крыльчаткой. Крыльчатка имеет два противоположно расположенных крыла. Вращаясь, они либо открывают, либо экранируют обкладки от действия электрического поля.

Рис. 1.6. Роторный вольтметр [4]

На рис. 1.6.б обозначены элементы конструкции ускорителя ЭЛВ и место установки на нём роторного вольтметра: 1– выпускное устройство; 2– первичная обмотка; 3– высоковольтный выпрямитель; 4– высоковольтный электрод; 5– стальной бак ускорителя; 6– роторный вольтметр. Стальной бак с радиусом кривизны поверхности R и высоковольтный электрод с радиусом кривизны r имеют вид полусфер и образуют, таким образом конденсатор, ёмкость которого можно рассчитать по формуле ёмкости сферического конденсатора:

. (1.1.)

Заряд на обкладках конденсатора одинаков и равен Q = C∙ U. Тогда заряд на поверхности бака ускорителя (наружная обкладка конденсатора), а его поверхностная плотность . Неподвижные обкладки роторного вольтметра являются частью поверхности бака ускорителя. Индуцируемая плотность заряда на их поверхности равна плотности заряда на поверхности бака, а различием радиусов кривизны в месте установки вольтметра на баке можно пренебречь. Тогда заряд (Q_V), индуцируемый на неподвижных обкладках вольтметра пропорционален площади этих обкладок, которая не закрыта (не экранирована) крыльчаткой: Q_V =s S_V. Не закрытая крыльчаткой площадь одной пары обкладок непрерывно увеличивается и индуцируемый на ней заряд постоянно растёт, достигая своего максимального значения в момент полного открытия обкладки. Площадь же другой пары неподвижных обкладок непрерывно уменьшается, достигая нуля в момент полного закрытия обкладок крыльчаткой. График зависимости от времени изменения заряда на одной из обкладок показан на рис. 1.6в. За каждый полный оборот крыльчатки заряд на неподвижных пластинах достигает максимального значения и убывает до нуля. В роторном вольтметре, рассмотренном в первой части параграфа, в момент достижения зарядом максимального значения за счёт щёточного механизма осуществлялось переключение на обкладки, на которых заряд был равен нулю. Таким переключением достигалось непрерывное увеличение площади обкладки и постоянство зарядного тока через зарядное сопротивление. В данной конструкции, при подключении зарядного сопротивления к одной из пар обкладок в период, пока площадь пластин растёт (при открытии пластины крыльчаткой), зарядный ток постоянен. В период закрытия пластин крыльчаткой через сопротивление протекает постоянный разрядный ток со знаком, противоположным зарядному току. График изменения тока показан на рис. 1.6г. Половину периода ток положителен, половину отрицателен. Форма напряжения в зарядной цепи пластин показана на рис. 1.6д.

Такой роторный вольтметр реализован на основе малогабаритного, высокооборотного, прямоприводного электродвигателя [4] (такие двигатели применяются в приводах винчестерских дисков и в видеомагнитофонах). Его применение позволило разработать вольтметр с малыми размерами: наружный диаметр около 100 мм, высота около 40 мм. Зарядный ток составлял 2, 5 мкА.

§1.4. Вибрационный вольтметр [2]

Другой принцип измерения реализован в схеме вибрационного вольтметра рис. 1.7.

Рис. 1.7. Вибрационный вольтметр

Подвижный электрод 2 закреплён на штоке 5. Другой конец штока закреплён на возвратной пружине 6. При пропускании тока через катушку 4 шток втягивается в катушку, сжимая пружину 6 и увлекая за собой подвижный электрод. Обратное движение штока с подвижным электродом обеспечивается пружиной. Вокруг подвижного измерительного электрода расположен защитный заземлённый электрод 3. Высоковольтный электрод 1 расположен на расстоянии d от электродов и создает у поверхности измерительного электрода некоторую напряженность электрического поля. Возвратно- поступательное движение измерительного электрода приводит к тому, что напряженность поля у его поверхности периодически изменяется во времени. Индукционный ток, протекающий через регулировочное сопротивление R и амперметр, также периодически меняется. Величина этого тока пропорциональна напряженности поля, градиенту напряженности вблизи электрода, площади поверхности электрода 2 и его скорости движения. Шкала вольтметра градуируется в величинах напряженности электрического поля.