Электростатические (ЭС) измерительные приборы.

Электростатические приборы имеют ряд отличительных особенностей, дающих им существенные преимущества перед приборами других систем. К ним относятся: весьма малое* собственное потребление мощности, широкий частотный диапазон (от 20 Гц до 35 МГц), малая зависимость показаний от изменений формы кривой измеряемого напряжения, а также возможность использования их в цепях постоянного и переменного токов для непосредственного измерения высоких напряжений (до 300 кВ) без применения измерительных трансформаторов напряжения. Наряду с этим электростатические приборы имеют и недостатки: они подвержены сильному влиянию внешних электростатических полей, обладают низкой чувствительностью к напряжению, имеют неравномерную шкалу, которую необходимо выравнивать за счет выбора формы электродов, пластин, и др.

Весьма малое потребление мощности из измерительной цепи особенно при работе электростатического прибора на постоянном токе, объясняется тем, что оно обусловлено только кратковременным зарядным током и протеканием весьма малых токов утечки через изоляцию. На переменном токе потребление мощности также невелико ввиду малой емкости ИМ и малых диэлектрических потерь в изоляции. Применение в современных конструкциях хороших изоляционных материалов позволяет свести токи утечки диэлектрические потери в изоляции до ничтожно малых значений. Точность электростатических приборов можно получить высокой за счет применения специальных конструктивно-технологи­ческих мероприятий по снижению погрешностей. В настоящее время разработаны переносные приборы (рис. 28) классов точности 0,2; 0,1 и 0,05.

Указанные свойства электростатических приборов определяют и области их применения. Эти приборы используют главным образом для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного токов. Отечественная промышленность выпускает щи­товые вольтметры на напряжения от 30 В до 15 кВ классов точности 1,0 и 1,5 с частотным диапазоном от 20 Гц до 3

МГц. Переносные вольтметры классов точности 0,5; 1,0 и 1.5 выпускаются на напряжения от 10 В до 3 кВ с частотным диапазоном до 35 МГц.

Рисунок28- Измерительный механизм переносного электростатического прибора

Вольтметры самой высокой точности (классов 0,05 и 0,1) имеют пределы измерения 50, 150 и 300В и частотный диапазон от 20 Гц до 500 кГц. С каждым годом увеличивается выпуск высоковольтных приборов на напряжения от 7,5В до 300 кВ.

Кроме измерения напряжения электростатические приборы используют для измерения других электрических величин (мощ­ности, сопротивления, индуктивности и т. п.). Измерительные механизмы электростатической системы (рисунок 28) применяют также во многих специальных приборах (автокомпенсаторах, компараторах, высокочувствительных электрометрах и др.).

Конструкции измерительных механизмов и измерительные цепи

Электростатический ИМ представляет собой систему подвиж­ных и неподвижных электродов. Под действием измеряемого напряжения подвижные электроды поворачиваются относительно неподвижных в сторону увеличения емкости системы. Выражение для вращающего момента ИМ . Из него следует, что для создания вращающего момента необходимо не только наличие напряжения между электродами, но и изменение емкости между ними, достигаемое за счет изменения активной площади электродов или расстояния между ними (в киловольтметрах) в зависимости от угла отклонения.

В выпускаемых приборах применяют различные по форме и размерам системы электродов. Они состоят из неподвижных электродов, устанавливаемых на керамических изоляторах, и под­вижных, закрепляемых на осях подвижных частей. Для успокоения используют секторы подвижных электродов (в магнитоиндукционных успокоителях).

 

 

Рисунок29 Устройство ЭС прибора.

Уравнение шкалы:

где U- напряжение, приложенное к телам (пластинам);

С- емкость системы заряженных тел.

На рисунке 29 показано устройство ЭС (конденсаторного) прибора. Механизм данного прибора состоит из камеры и пластины из цветного металла, для того, чтобы металл не поддавался коррозии. Камера состоит из двух пластин эллипсоидального вида. Это сделано для того, чтобы выровнять шкалу прибора, т.к. уравнение емкости носит нелинейный характер.

Противодействующая пружина (4) изготовлена по специальной технологии с термической закалкой из бериллиевой бронзы, в качестве подпятника используется синтетический агат, корунд, сапфир, рубин, для того, чтобы с течением времени не менялся момент трения между подпятником и опорой (осью-керном).

Погрешности.

Основная погрешность электростатических приборов складывается не только из погрешностей, характерных для многих систем электромеханических приборов (погрешности отсчета от упругого последствия растяжек, от изменения частоты и т. д.), но и из таких специфических погрешностей, как погрешности от контактной разности потенциалов, термо ЭДС, поляризации диэлектриков и др.

Погрешность от контактной разности потенциалов обусловлена разностью работ выхода электронов с поверхности электродов в диэлектрик. При перемене полярности измеряемого постоянного напряжения или при переходе с постоянного тока на переменный контактная разность потенциаловU_Kвызывает погрешность

где U ном—номинальное значение измеряемого напряжения.

Для снижения U_K до уровня 20—50 мВ применяется специальная технология обработки поверхности электродов.

Погрешность от термо ЭДС появляется в результате применения разнородных проводниковых материалов в измерительной цепи и наличия перепада температур в объеме ИМ. Значения этой погрешности определяется аналогично погрешности Yк от контактной разности потенциалов.

Погрешность от поляризации диэлектрика возникает при подаче напряжения между электродами и обусловливает появление обратной ЭДС в измерительной цепи. Для снижения влияниям поляризации диэлектрика применяют изоляционный материал с малым значением диэлектрической проницаемости, а также экранируют диэлектрик от подвижного электрода путем металлизации свободной поверхности, обращенной к подвижному электроду. Металлическое покрытие диэлектрика выполняют одинаковым с покрытием электродов и электрически соединяют с подвижной частью.

Частотная, погрешность (в номинальной области частот) возникает из-за наличия собственной емкости прибора совместной с индуктивностью проводов, вызывая резонансные явления в цепи прибора

где f - частота измеряемого напряжения; f₀— резонансная частота цепи прибора (в пределах 30—100 МГц).

Температурная погрешность электростатического прибора вызывается изменениями упругости материала растяжек и емкости ИМ с изменением температуры:

 

где Bw — термоупругий коэффициент растяжек, определяемый по ГОСТ 9444 — 74; Bc—температурный коэффициент изменения емкости ИМ.

Отсюда следует, что в приборах класса точности 0,5 и ниже компенсации температурной погрешности не требуется. В приборах же высоких классов точности для компенсации температурной погрешности применяют дополнительные меры, например крепление натяжных пружин для растяжек на термобиметаллических пластинах, воздействующих на натяжение растяжек при изменении температуры. Для снижения влияния других внешних факторов также используют различные конструктивные меры.

Достоинства: слабо влияют магнитные поля, температурная среда и частота измеряемого напряжения, потребление мощности прибором мало, высокий класс точности, высокий диапазон измерений, применимы на любом токе, шкала практически равномерная.

Недостатки: сильное влияние электростатических полей, сложная конструкция, низкая надежность.