Приборы электростатической системы
В электростатических измерительных приборах для перемещения подвижной части используется принцип взаимодействия двух и более заряженных проводников, поэтому приборы данной системы измеряют напряжение, а не ток, как рассмотренные выше ИМ.
Конструктивно электростатические ИМ можно представить в виде плоского конденсатора с подвижными электродами. Перемещение подвижной части связано с изменением электрической емкости системы, которая может быть осуществлена изменением взаимной площади электродов или изменением расстояния между ними. На рисунке приведена схема устройства электростатического прибора.
Рис. 2.7 Устройство прибора электростатической системы:
1 – подвижная пластина; 2 – неподвижные пластины; 3 – ось.
Приравнивая вращающий и противодействующий моменты, действующие на подвижную систему ИМ, получим уравнение измерительного преобразования прибора:
. (2.16)
Из данной формулы следует, что шкала прибора квадратичная, поэтому конструктивно добиваются линеаризации шкалы, начиная с 1/5 ее верхнего предела, используя нелинейную зависимость емкости конденсатора от угла поворота подвижной системы ИМ. С помощью приборов данной системы можно измерять постоянное и переменное напряжение.
Достоинства: ИМ почти не потребляет энергии в цепях постоянного тока и очень незначительно в цепях переменного тока. Имеют широкий частотный диапазон (до 10 МГц), обеспечивают высокую точность измерений, независимость показаний от температуры, частоты, формы сигнала, не влияют внешние магнитные поля. Используются для измерения напряжения в широком диапазоне (от 10 В до 7,5 кВ).
Недостатки: низкая чувствительность, неравномерная шкала, влияние электростатических полей.
Применение. Электростатические приборы используются в цепях постоянного и переменного тока в качестве вольтметров. Для расширения пределов измерения по напряжению используют резисторные или емкостные делители напряжений.
Источник
Электростатические приборы
Устройство и принцип действия электростатического ИМ
В основе электростатического прибора лежит электростатический измерительный механизм, состоящий из системы подвижных и неподвижных электродов, образующих электрическую емкость. В электростатических измерительных механизмах вращающий момент возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной. В данном механизме перемещение подвижной части приводит к изменению емкости системы. В настоящее время практическое применение нашли два вида измерительных механизмов: в первом изменяется активная площадь электродов (данная конструкция применяется в основном в вольтметрах на низкие напряжения), во втором — расстояние между электродами (эта конструкция используется в киловольтметрах). На рис. 4.12 показан механизм с изменением активной площади электродов.
Рис. 4.12. Устройство электростатического механизма
Неподвижная часть ИМ состоит из одной или более камер 1, в воздушные зазоры которых свободно входят тонкие пластины 2 подвижной части. Подвижные пластины закреплены на оси 3 вместе со стрелкой 4. При подключении напряжения к электродам 1 и 2 под действием электростатических сил, подвижные пластины 2 втягиваются в воздушные зазоры камер 1. При этом стрелка перемешается по шкале 5. Угол поворота подвижной части находится из равенства вращающего и противодействующего моментов, возникающих в измерительном механизме. Постоянное напряжение U, приложенное к электродам 1 и 2, создает вращающий момент
Если противодействующий момент создается при помощи упругих элементов, то для установившегося равновесия можно записать уравнение преобразования электростатического измерительного механизма в виде
где С — емкость между пластинами; U — измеряемое напряжение.
Из (4.21) 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 и выражается формулой (4.21).
Области применения, достоинства и недостатки
Основное применение электростатические приборы нашли для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного токов. Выпускаются высоковольтные вольтметры на напряжения до 300 кВ, щитовые вольтметры на напряжения до 15 кВ с частотным диапазоном до 3 МГц классов точности 1,0 и 1,5. Есть вольтметры с частотным диапазоном до 35 МГц. Вольтметры на более низкие напряжения с пределами до 300 В имеют классы точности 0,05 и 0,1. Кроме этого их используют для измерения мощности, сопротивления, индуктивности и других величин.
Выполнение электростатических приборов с тремя электродами (электрометров) позволяет использовать их для измерения мощности и других величин.
Электростатические ваттметры применяются для измерения мощности переменного тока на частотах вплоть до нескольких мегагерц и при малых cosj. Класс точности электростатических ваттметров достигает 0,1-0,2.
Достоинствами электростатических приборов являются:
1) малое собственное потребление мощности, что объясняется малыми токами утечки и малыми диэлектрическими потерями в изоляции, малой емкостью измерительного механизма;
2) большой диапазон измеряемых напряжений;
3) возможность измерений на постоянном и на переменном токе;
4) независимость показаний от частоты в широком диапазоне и формы измеряемого напряжения;
5) независимость показаний от внешних магнитных полей.
К недостаткам электростатических приборов можно отнести:
1) малую чувствительность по напряжению;
2) влияние внешних электростатических полей, что требует экранирование измерительного механизма;
3) неравномерную шкалу (при соответствующем выборе формы подвижных и неподвижных электродов можно получить практически равномерную шкалу на участке от 15-25 % до 100 % от ее номинального значения).
Погрешности электростатических приборов
Для электростатических приборов характерны следующие погрешности:
3) от контактной разности потенциалов;
5) от поляризации диэлектрика
6) из-за влияния внешних электростатических полей и др.
Температурная погрешность электростатического прибора обусловлена изменениями упругости материала пружин, растяжек и емкости измерительного механизма при изменении температуры.
В приборах класса точности выше 0,5 для компенсации температурной погрешности используются различные конструктивные меры, например, крепление растяжек на термобиметаллических пластинах.
Частотная погрешность обусловлена резонансными явлениями в цепи прибора (это возникает из-за наличия собственной емкости прибора и индуктивности проводов) и изменением сопротивления проводов и растяжек
Погрешность от контактной разности потенциалов возникает из-за разности работ выхода электронов с поверхности электродов в диэлектрик. Уменьшение этой погрешности достигается применением специальной технологии обработки поверхности электродов (контактная разность потенциалов уменьшается до 20-50 мВ).
Погрешность от термоЭДС обусловлена разностью температур на концах проводников, выполняемых из разнородных материалов. Данная погрешность уменьшается при снижении перепада температур в объеме измерительного механизма и выбором материалов проводников.
Погрешность от поляризации диэлектрика появляется вследствие возникновения ЭДС, обусловленной процессом поляризации. Уменьшение погрешности от поляризации достигается выбором диэлектрика с малым значением диэлектрической проницаемости и экранированием диэлектрика от подвижной пластины.
Для уменьшения влияния электростатических полей приборы экранируются. Экран соединяется с одним из зажимов прибора и заземляется.
Источник
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВВвод названия запись
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Большинство электроизмерительных приборов имеют много общего в конструкции. Поэтому можно выделить основные узлы измерительного механизма этих приборов. Это – устройства, создающие вращающий момент; устройства, создающие противодействующий момент, зависящий от угла отклонения стрелки (спиральные пружинки или растяжки); отсчетное устройство (шкала и стрелка или световой указатель); успокоительный механизм, гасящий колебания, возникающие в измерительном устройстве; вспомогательные устройства (стрелочные упоры, корректоры и т. д.).
В зависимости от устройства, создающего вращающий момент, приборы разделяют на системы: приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, электростатической систем; цифровые и т. д.
Приборы магнитоэлектрической системы
Принцип работы приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии измеряемого тока, протекающего по обмотке подвижной катушки, с магнитным полем постоянного магнита. Схема устройства показана на (рис.7). Магнитное поле создается сильным постоянным магнитом 1 подковообразной формы, к ножкам которого прикреплены полюсные наконечники 2 с вогнутыми цилиндрическими поверхностями.
Между ними неподвижно укреплен железный сердечник 3. В небольшом зазоре между сердечником и полюсными наконечниками постоянного магнита может свободно поворачиваться на оси катушка 4. На оси 5, связанной с катушкой, закреплена стрелка 6, конец которой перемещается по шкале 7. Каркас катушки сделан из алюминия. При прохождении тока через рамку возникает вращающий момент, под действием которого подвижная часть прибора поворачивается вокруг своей оси на некоторый угол α.
Вращающий момент прямо пропорционален силе тока:
B – магнитная индукция поля постоянного магнита,
Противодействующий момент создается спиральными пружинами 8 и пропорционален углу поворота рамки:
где k2 – коэффициент, характеризующий упругие свойства пружины. При равновесии подвижной части прибора вращающий момент равен противодействующему. Из этого условия равновесия для приборов магнитоэлектрической системы следует, что угол отклонения катушки (а, следовательно, и стрелки) пропорционален протекающему по катушке току 
и поэтому их шкалы равномерны. Линейная зависимость между током и углом отклонения является большим достоинство приборов магнитоэлектрической системы.
Магнитоэлектрические приборы служат только для измерения постоянного тока и напряжения, так как направление поворота рамки зависит от направления тока в ней. Если по катушке пропустить переменный ток частотой 50 Гц, то направление вращающего момента станет меняться сто раз в секунду, подвижная часть не будет успевать за током и стрелка не отклонится.
Приборы электромагнитной системы
Принцип работы приборов электромагнитно системы (рис.8) основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки 1 с подвижным сердечником из ферромагнитного материала 2, внесенного в это поле.
Вращающий момент, действующий на подвижную часть прибора, пропорционален квадрату силы тока:
где С – коэффициент, зависящий от числа витков катушки, материала, формы сердечника и его положения относительно подвижной части. При равновесии подвижной части прибора угол поворота оказывается пропорционален квадрату тока.
Вследствие этого шкала приборов электромагнитной системы неравномерна.
С изменением направления тока меняется направление магнитного поля в катушке, вследствие чего сердечник перемагничивается. Поэтому приборы электромагнитной системы могут применяться в цепях как постоянного, так и переменного токов.
Приборы электродинамической системы
Принцип работы приборов электродинамической системы (рис. 9) основан на взаимодействии двух катушек (рамок), по которым течет ток. Одна из них неподвижна, а другая подвижна. Перемещение катушек относительно друг друга обусловливается тем, что проводники, по которым протекают токи одного направления, притягиваются, а с токами противоположных направлений – отталкиваются.
Подвижная катушка 2 жестко связана со стрелкой 3, может вращаться на оси внутри неподвижной катушки 1. Вращающий момент, созданный взаимодействием магнитных полей катушек, пропорционален произведению силы тока в подвижной катушке 
и силе тока в неподвижной катушке 
:
где С1 – коэффициент, зависящий от числа витков катушек, размеров и формы катушек и их взаимного расположения. Противодействующий момент создается спиральными пружинами 4 и пропорционален углу α:
где С2 – коэффициент, характеризующий упругие свойства пружины. Из условия равновесия несложно определить, что угол поворота стрелки пропорционален токам, протекающим через катушки
Следовательно, шкалы амперметра и вольтметра электродинамической системы неравномерны.
При перемене направления тока в катушках направление вращающего момента не меняется, поэтому эти приборы пригодны для измерений, как на постоянном, так и на переменном токе.
На практике электродинамические приборы широко применяются для измерения мощности (ваттметры). Электродинамический ваттметр (Рис.10) состоит из двух катушек.
Неподвижная катушка 1 намотана толстым проводом и имеет небольшое число витков и включается последовательно с тем участком цепи, на котором измеряется мощность. Подвижная катушка 2 имеет большое количество витков и включается в цепь параллельно потребителю H. В этом случае угол поворота будет пропорционален мощности: 
. То есть шкалу прибора можно проградуировать в ваттах и шкала будет равномерной. Ваттметры имеют два верхних предела измерений: по току и по напряжению. Они указываются обычно на переключателе пределов или около соответствующих клемм. Верхний предел измерений по мощности определяется как произведение верхних пределов по току и напряжению.
Приборы электростатической системы
Принцип работы приборов электростатической системы основан на кулоновском взаимодействии заряженных проводников, точнее, на действии электростатического поля, созданного между двумя неподвижными электродами, на подвижный электрод.
Конструктивно приборы этой системы представляют собой воздушный конденсатор (рис.11).
Когда к неподвижным электродам 1 приложено напряжение, подвижный электрод 2 стремится расположиться так, чтобы электроемкость была наибольшей, вследствие чего подвижная часть отклоняется от первоначального положения.
Вращающий момент, действующий на подвижную часть прибора, пропорционален квадрату напряжения:
Вследствие этого угол поворота стрелки прибора также пропорционален квадрату напряжения и шкала приборов электростатической системы неравномерна. Вращающий момент в приборах этой системы весьма мал, поэтому чувствительность прибора невелика. Этот недостаток компенсируется такими достоинствами, как возможность измерения на высоких частотах и в высокоомных цепях.
Цифровые измерительные приборы
Основой цифрового прибора является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В настоящее время имеется множество схемотехнических принципов построения АЦП, однако общим из них является сравнение измеряемой величины с набором эталонов. Основными характеристиками АЦП являются точность преобразования (число разрядов в выходном коде) и быстродействие. Можно условно разделить АЦП на два класса: последовательного счета, когда выходной код определяется равенством измеряемого напряжения с дискретно растущим эталонным напряжением, и параллельного, когда сигнал сравнивается с набором эталонных напряжений.
Широкое распространение получили цифровые измерительные прибора для измерения малых сигналов, а также для измерений в слаботочных цепях. Цифровые приборы представляют собой сочетание электронного усилителя и системы цифровой индикации. Структурная схема цифровых приборов представлена на рис.12.
При измерении электронными приборами с цифровой индикацией измеряемая величина (напряжение постоянного тока Ux, постоянный ток Ix или сопротивление Rx) подается на вход аналогового масштабного преобразователя (АМП), который преобразует ее в напряжение постоянного тока U . Сигнал U поступает на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП, где происходит его измерение. Результат измерения с выхода АЦП выдается на устройство индикации УИ, где высвечивается измеряемая величина в цифровом значении.
Приборы с цифровой индикацией дают более точный отсчет измерений, независимый от человека, проводящего измерения.
Условные обозначения, наносимые на электроизмерительные приборы
Обозначения принципа действия прибора
|
