Електростатичні вимірювальні прилади

В основі принципу роботи електростатичних (ЕС) вимірювальних приладів лежить си­лова взаємодія між двома системами електрично заряджених провідників, одна з яких рухома. Конструктивно ЕС прилади являють собою різновид плоского конденсатора змінної

ємності (рис.4.9), що складається із нерухомих електродів 1 та рухомих електродів 2, змонтованих на осі обертання 3. І рухомі і нерухомі електроди виготовляються із алюмінію. Якщо до металевих електродів 1, 2 прикласти напругу, то на них з‘являться електричні заряди протилежних знаків, завдяки чому між цими електродами виникнуть сили притягування. завдяки цьому рухомі пластини стануть втягуватися в пази між нерухомими пластинами. Створюваний при цьому обертальний момент визначиться як:

,

де W_e - енергія електростатичного поля конденсатора, як системи заряджених пластин; С - електрична ємність між рухомими та нерухомими електродами; и - напруга між рухомими та нерухомими електродами.

Якщо до ЕС вимірювального механізму прикладається постійна напруга, то обертальний момент, що виникає в рухомій частині вимірювального механізму, буде також постійним:

Якщо ж прикласти змінну синусоїдальну напругу, то вираз для миттєвого обертального моменту буде мати вигляд:

Як видно з останнього виразу, обертальний момент є сумою постійної і гармонічної складових. Відхилення рухомої частини реальних ЕС вимірювальних механізмів під дією на них змінної напруги промислової, а також і більш високих частот, буде визначатися постійною складовою обертального моменту, яку можна записати в такому вигляді:

,

де U - діюче (або середньоквадратичне, або ефективне) значення вимірюваної напруги.

у випадку напруги складної форми:

,

обертальний момент набуде, відповідно, вигляду:

,

де U - діюче (або середньоквадратичне) значення вимірюваної напруги складної форми; U_k - діюче (або середньоквадратичне, або ефективне) значення k -ої гармоніки вимірюваної напруги складної форми.

За умови, що момент протидії створюється пружними елементами (для яких виконується закон Гука), рівняння шкали ЕС вимірювального приладу набуде вигляду:

(4.18)

Звідси витікає, що залежність кута відхилення рухомої частини вимірювального механізму від величини вимірюваної напруги є суто нелінійною. При цьому кут відхилення рухомої частини однаковий як при постійній напрузі, так і при напрузі змінного струму, за умови, що діючі значення цих напруг однакові.

Подібно тому, як це робилося у випадку ЕМ приладів, нелінійність шкали і у випадку ЕС приладів можна суттєво зменшити. Така можливість реалізується шляхом підбору належної геометричної форми рухомих пластин вимірювального механізму, з тим, щоб нелінійністю множника (dС/da) у виразі (4.18) можна було компенсувати нелінійність множника U ². Зрозуміло, що як і попередньому випадку, повністю лінеаризувати шкалу таким чином неможливо, одначе в середній частині діапазону вимірюваних значень, вдається досягти задовільної “лінійності” перетворення U(a).

До переваг вимірювальних приладів на основі ЕС системи в першу чергу слід віднести малі значення власної споживаної потужності (яка при вимірюваннях на постійному струмі взагалі відсутня - є нульовою). Мало впливають на працездатність цих приладів зовнішні температури, вони не вразливі також і щодо до дій зовнішніх магнітних полів. До переваг цих приладів слід віднести також можливість виготовлення вольтметрів, здатних вимірювати напруги до сотень кіловольт, не потребуючи при цьому використання громіздких і дорогих додаткових резисторних подільників та вимірювальних трансформаторів, які до того ж при вимірюваннях ще й споживають значні потужності.

Разом з тим цим ЕС приладам притаманні і серйозні недоліки, серед яких в першу чергу слід відзначити низьку чутливість їх вимірювальних механізмів. Серйозним недоліком цих приладів є вразливість їх вимірювальних механізмів щодо дії зовнішніх електростатичних полів. Це вимагає встановлення захисних металевих екранів, як додаткових елементів конструкції

Дата добавления: 2014-01-07