Файл: Векслер, М. С. Измерительные приборы с электростатическими механизмами.pdf

М. С. В Е К С Л Е Р

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМИ МЕХАНИЗМАМИ

«ЭНЕРГИЯ»

Ленинградское отделение

1974

6П2.1.08 В 26

УДК 621.317.7.082.72

!*пс,

iимучн.

;■■

| ЧИТА...,

Векслер М. С.

В 26 Измерительные приборы с электростатическими меха­ низмами. Л., «Энергия», 1974.

176 с. с ил.

В книге рассматриваются основы теории электростатических механизмов и вопросы их практического применения для построения различных измерительных устройств: показывающих приборов, преобразователей компараторов, цифровых приборов переменного тока и др. Излагаются методы расчета и анализа рассмат­ риваемых устройств, конструктивно-технологические вопросы создания и возмож­ ности применения. Большое внимание уделено выбору параметров механизмов.

Книга предназначена для инженеров и научных работников, специализирую­ щихся в области электроизмерительной техники и автоматики, а также может быть полезна специалистам, использующим в своей работе электростатические механизмы и измерительные устройства на их основе.

Рецензент В. С. Гутников

© Издательство «Энерг ия », 1974

ПРЕДИСЛОВИЕ

Внастоящее время повышаются требования к средствам из­ мерения в отношении увеличения точности и чувствительности, расширения диапазонов измеряемых величин и расширения ча­ стотного диапазона измерений на повышенных и высоких часто­ тах, снижения собственного потребления и ряд других требова­ ний. Важную роль при решении задач по реализации указанных требований выполняют приборы с электростатическими измери­ тельными механизмами.

Впредлагаемой вниманию читателя книге сделана попытка обобщить и систематизировать имеющийся к настоящему вре­ мени материал по измерительным приборам с электростатиче­ скими механизмами. В книге рассмотрены вопросы их теории,

расчета, конструирования и практического выполнения. Основой для написания книги явились результаты многолетней работы ав­ тора и его коллег — сотрудников Всесоюзного научно-исследова­ тельского института электроизмерительных приборов (ВНИИЭП, г. Ленинград): канд. техн. наук С. М. Пигина, инженеров М. В. Попова, Т. И. Савковой, Л. П. Стариковой и др., а также обобщение опыта работы заводов «Вибратор» (г. Ленинград) и «Точэлектроприбор» (г. Киев).

При подготовке материала широко использованы также ре­ зультаты работ, изложенные в отечественных и зарубежных пуб­ ликациях, отражающие современный опыт по рассматриваемым вопросам.

Ограниченный объем книги не позволил рассмотреть фотоэлектрометрические усилители, работы по которым успешно проводились на кафедре информационно-измерительной техники Куйбышевского политехнического института проф. Л. Ф. Кули­ ковским и. его учениками, а также вопросы метрологического обеспечения приборов с электростатическими механизмами.

Автор выражает признательность канд. техн. наук В. С. Гутникову за замечания, сделанные им при рецензировании ру­ кописи.

Замечания и пожелания по книге просьба направлять по ад­ ресу: 192041, Ленинград, Марсово поле, д. 1, Ленинградское от­ деление издательства «Энергия».

Автор

ВВЕДЕНИЕ

Изобретение первого в мире электроизмерительного прибора относится к середине XVIII века. Автором его является русский ученый академик Г. В. Рихман. Прибор, названный автором «электрический указатель» (электрометр), и был родоначальни­ ком современных электростатических приборов. В течение по­ следующих 70 лет вплоть до 1820 г., года открытия влияния электрического поля на магнитную стрелку М. Фарадеем, элек­ трометр оставался единственным электроизмерительным при­ бором.

С момента создания первого электрометра и до наших дней приборы с электростатическими механизмами претерпели боль­ шие изменения. На их базе созданы приборы различного конструктивного исполнения, обеспечивающие измерение ряда параметров (напряжения, тока, мощности идр.) в широком диа­ пазоне значений и широком диапазоне частот. От электроскоповэлектрометров до приборов прямого преобразования класса 0,05 и метрологических установок класса 0,01— таков исторический итог эволюции приборов рассматриваемой системы.

Измерительные механизмы электростатической системы по сравнению с приборами других систем имеют принципиальные преимущества: они пригодны для работы на постоянном и пере­ менном токе в широком диапазоне частот (до сотен мегагерц) и широком диапазоне измеряемых напряжений при непосредст­ венном включении (до 500—1000 кв), при практически равном нулю потреблении на постоянном токе и весьма малом потреб­ лении на переменном токе, и отличаются простотой конструкции. Анализ измерительных систем позволяет сделать вывод, что при современных достижениях в материаловедении и технологии приборостроения наиболее перспективной системой для построе­ ния приборов, предназначенных для измерения напряжения в широком диапазоне частот, является именно электростатиче­ ская система.

Основные направления развития приборостроения заклю­ чаются в непрерывном повышении точности и чувствительности приборов, расширении диапазонов измеряемых величин и рас­ ширении частотного диапазона. В последнее время в СССР до­

4

стигнуты успехи в создании приборов прямого преобразования с электростатическими механизмами класса 0,05 [17] и высоко­ вольтных приборов до 300 кв.

Получение новых качественных показателей приборов сопро­ вождалось исследованиями по различным вопросам теории, рас­ чета и проектирования электростатических механизмов для при­ боров различного назначения. Значительный интерес к рассмат­ риваемым приборам отмечается в последнее время как у нас в стране, так и в зарубежных странах: Англии, Румынии, США, Японии и др.

Дальнейшее увеличение точности приборов прямого преобра­ зования наталкивается на ряд значительных трудностей. В связи с этим представляют интерес приборы и устройства, у которых возможна регулировка и проверка параметров, изменяющихся вследствие, например, нестабильности. К таким измерительным устройствам относятся приборы, основанные на методе компарирования.

Так как в компараторах благодаря калибровке непосредст­ венно перед измерением погрешности от нестабильности и от влияния изменения окружающих условий могут быть в значи­ тельной степени уменьшены по сравнению с такими же погреш­ ностями у приборов прямого преобразования, то точность изме­ рения компараторами переменного тока может быть увеличена по сравнению с точностью приборов прямого преобразования той же системы.

Наиболее точные измерения напряжения, тока и мощности на переменном токе в настоящее время у нас в СССР и за ру­ бежом осуществляются посредством компараторов, сравниваю­ щих тепловое или механическое действие, создаваемое измеряе­ мой величиной, с действием постоянного тока, измерение кото­ рого можно производить с высокой точностью.

Электромеханические компараторы практически осущест­ вляются как компараторы разновременного и одновременного сравнения. Компараторы разновременного сравнения—это по существу обыкновенные односистемные приборы, которые перед каждым измерением на переменном токе градуируются на по­ стоянном токе. Примером наиболее точного компаратора разно­ временного сравнения является электростатический компаратор Национальной физической лаборатории (Англия) [82], приме­ няемый как первичный эталон для измерения переменного тока и напряжения.

Более совершенным является метод одновременного компарирования, при котором преобразователь реагирует одновре­ менно на измеряемую величину на переменном токе и эквива­ лентное ей значение на постоянном токе.

Представляется интересным отметить, что исторически впер­ вые реализация метода одновременного сравнения электроизме­ рительным механизмом осуществлялась с помощью электроста­

5

Таким образом, электростатический измерительный механизм отличается от измерительных механизмов всех других систем, принцип действия которых основан на взаимодействии магнит­ ных полей (приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и других систем), тем, что напряжение непосредственно создает усилие, отклоняющее подвижную часть измерительного меха­ низма, в то время как все другие измерительные механизмы яв­ ляются практически измерителями тока. Следует, правда, огово­ риться, что при измерении постоянного напряжения через прибор течет ток, обусловленный несовершенством изоляции; при изме­ рении переменного напряжения через емкость измерительного механизма также течет ток смещения. Однако речь здесь идет не о полезном токе, являющемся мерой измеряемой величины, а о токе, вызывающем погрешность прибора, которая должна быть возможно меньше.

Сравнение удельной энергии единицы объема электрического поля (Ая) и магнитного поля (Ам) показывает [112], что

в 105 раз меньше магнитной энергии. В связи с этим в измери­ тельных механизмах электростатической системы значительно труднее получить приемлемое значение вращающего момента, чем в приборах, принцип действия которых основан на взаимо­ действии магнитных полей.

Существует большое многообразие конструктивных решений, которые могут быть положены в основу построения различных приборов с электростатическими механизмами. Для удобства их дальнейшего рассмотрения, анализа и сравнения целесообразно их сгруппировать. Классификационная схема рассматриваемых приборов приведена на рис. 1-1.

Как и в любом электромеханическом измерительном меха­ низме, принципиально возможно создание систем, подвижная часть которых может работать как в режиме, отличном от соб­ ственного резонанса (будем называть такие приборы внерезонансными), так и в режиме, при котором собственная частота системы совпадает с частотой измеряемого сигнала (резонанс­ ные приборы).

8

где е — относительная диэлектрическая проницаемость диэлек­ трика конструкции; 5 —-площадь электродов; d — расстояние между электродами.

Изменение емкости в соответствии с (1-2) может вызываться следующими факторами: 1) изменением рабочей площади элек-

Рис. 1-1. Классификационная схема электростатических измерительных меха­ низмов

тродов; 2) изменением расстояния между электродами; 3) из­ менением диэлектрической проницаемости диэлектрика между электродами; 4) одновременным изменением рабочей площади электродов и расстояния между ними.

На указанных принципах строятся электростатические изме­

9