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

электростатических механизмов. Другие сочетания систем пред­ ставляются в настоящее время нецелесообразными.

Особенно перспективным является построение односистем­ ных преобразователей компараторов, состоящих из измеритель­ ных механизмов одной системы. Их преимущества перед разно­ системными измерительными механизмами компараторов состоят в возможности получения одинаковой чувствительности у эле­ ментов, практически равной временной стабилизации, одинако­ вой системы защиты от влияния внешних факторов (например, электростатического поля), в одинаковом влиянии температуры

и т. д. В силу наибольшей перспективности преобразователей компараторов, состоящих из двух электростатических механиз­ мов, в настоящей работе в основном рассматриваются двух­ элементные преобразователи компараторов на их основе.

В двухэлементном электростатическом компараторе вращаю­ щий момент создается измеряемым напряжением переменного тока t/i и равен:

Роль противодействующего момента выполняет момент, вы­ зываемый компарирующим напряжением U2 постоянного тока:

2 да

Двухэлементная система из двух вольтметровых механизмов обеспечивает измерение напряжения, но исключает возможность измерения мощности (рис. 4-3, а). Двухэлементная система, по­ строенная на вольтметровом и электрометрическом механизмах, позволяет измерять не только напряжение, но и мощность (рис. 4-3,6). Однако использование такой системы затруднило

бы калибровку компаратора или выравнивание характеристик его элементов.

Наиболее целесообразным вариантом построения измеритель­ ного механизма преобразователя компаратора является двух­ элементная система, состоящая из двух электрометрических ме­ ханизмов (рис. 4-3, в). Такая система при бисквитной схеме включения обеспечивает измерение мощности, при включении по схеме двойного включения позволяет измерять напряжение.

Построение измерительного механизма из двух одинаковых элементов значительно упрощает выравнивание характеристик компаратора. Каждый электрометрический механизм системы имеет три вывода: от подвижного электрода и от изолирован­ ных друг от друга неподвижных электродов. При измерении напряжения и при калибровке компаратора электрометр вклю­ чается по схеме, приведенной на рис. 4-3, в. Измерение компара­ тором однофазной мощности может осуществляться по схеме,

весьма малый вращающий момент и малый угол отклонения подвижной части, который не превосходит десятых и даже сотых долей градуса. Это обусловливает необходимость совместного конструктивного исполнения измерительного механизма преоб­ разователя компаратора и преобразователя угла отклонения. В современных конструкциях в качестве индикатора нулевого отклонения используются различные преобразователи угла пово­ рота в электрический параметр, удобный для дальнейшего пре­ образования либо для индикации показывающим прибором [6, 38, 40]. При создании преобразователя угла отклонения возни­ кают определенные трудности, так как он должен обеспечивать надежную фиксацию угла отклонения подвижной части.

Наиболее перспективными для применения в компараторах с электростатическим преобразованием являются фотоэлектри­ ческие преобразователи, состоящие из оптической системы и светочувствительного элемента. Оптическая система фотоэлек­ трического преобразователя не имеет каких-либо специфических особенностей, отличающих ее от применяемых в фотоэлектриче­ ских усилителях [6, 40]. Она состоит (рис. 4-4) из конденсора, диафрагмы, объектива, отражающего зеркала, маски и свето­ чувствительного элемента. Изображение диафрагмы при помощи объектива проектируется на маску и через ее щели попадает на фоторезистор.

Светочувствительный элемент должен обладать хорошей стабильностью во времени, низким температурным коэффициен­ том, линейностью, малой постоянной времени, большой чувст­

100

вительностью. Отечественная промышленность выпускает до­ вольно большую номенклатуру светочувствительных элементов различных типов фоторезисторов и фотоэлементов.

Вакуумные фотоэлементы обеспечивают более высокую чув­ ствительность, чем фоторезисторы. Однако реализация этой чув­ ствительности сопряжена с известными техническими трудно­ стями, обусловленными влиянием влажности и температуры на параметры фотоэлементов [6]. Наибольший практический инте­ рес представляют сернисто-кадмиевые дифференциальные фо­ торезисторы типа ФСК-7, хорошо заре­ комендовавшие себя в различных типах фотоусилителей (например, типа Ф17, Ф117 и др.). При этом фотопреобразова­ тель выполнен по мостовой дифферен­ циальной схеме. Рабочие плечи моста образованы дифференциальными фото­ резисторами типа ФСК-7а или ФСК-76.

Для этого типа фоторезисторов в иде­ альном случае (изотропность материа­ лов, идеальная геометрия фоторезистора, диафрагмы и маски, равномерная осве­ щенность) величина выходного тока не зависит от изменения в широких преде­ лах яркости осветителя и внешней тем­ пературы. Кроме того, дрейф нуля не должен зависеть от изменения напряже­ ния питания и должен определяться лишь внутренними шумами фоторези­ стора. Практически, вследствие невоз­

можности выполнения указанных требований в реальных конст­ рукциях, величина дрейфа нуля достигает довольно больших значений.

Основными источниками дрейфа нуля являются: 1) дрейф фоторезистора от самонагрева и изменения окружающей темпе­ ратуры; 2) нестабильность источников питания; 3) изменение геометрических размеров преобразователя угла отклонения под влиянием переменных механических нагрузок и теплового рас­ ширения элементов конструкции.

Выявление причин дрейфа позволило сформулировать сле­ дующие требования к конструкции, обеспечивающие снижение дрейфа. Корпус измерительного механизма и оптические уст­ ройства должны быть закреплены на массивном литом основа­ нии. Преобразователь угла отклонения должен иметь хорошую теплоизоляцию. Фоторезисторы должны помещаться в массив­ ный латунный корпус. Для улучшения отвода тепла от освети­ тельной лампы она окружается специальным радиатором. Пита­ ние лампы должно осуществляться от стабилизатора. Для снижения самонагрева фоторезистора можно рекомендовать

101

напряжение питания 2X5 в. Такой фотоэлектрический преобра­ зователь угла отклонения подвижной части имеет дрейф нуля, не превышающий 1,5-10~6 рад/ч, что дает возможность по­ строения преобразователей компараторов с погрешностью 0,01— 0,005%, с конечным значением диапазона измерения от 10 в и выше.

4-3. Погрешности метода компарирования

Вследствие того что электромеханические преобразователи компараторов представляют собой по существу компенсаторы моментов, в положении равновесия сравниваемые моменты должны уравниваться. Если бы момент Мц создаваемый изме­ ряемым напряжением переменного тока, полностью уравнове­ шивался моментом М2, создаваемым эквивалентной величиной напряжения постоянного тока (4-1), то можно было бы говорить об отсутствии погрешности, обусловленной измерительным пре­ образователем. Однако реальный измерительный механизм пре­ образователя компаратора обладает рядом принципиальных не­ достатков, наличие которых обусловливает появление дополни­ тельных моментов, вызывающих погрешность измерения. В связи с этим момент преобразователя компаратора с электростатиче­ ским измерительным механизмом представляет собой алгебраи­ ческую сумму моментов:

где Mi — момент, создаваемый измеряемой величиной перемен­ ного тока; М2— момент, создаваемый компарирующим напряже­ нием постоянного тока; М3— момент, обусловленный контакт­ ными электрическими явлениями; М4— момент, обусловленный поляризацией диэлектрика; Мь — момент, обусловленный влия­ нием частоты на параметры преобразователя; Мб— момент, обу­ словленный неидентичностью характеристик элементов преобра­ зователя; М7— момент, создаваемый противодействующим мо­ ментом растяжек.

Таким образом, в выражении (4-4) сумма моментов М3+ М4+ М5+ Me-f М7— Ма

представляет собой дополнительный момент, обусловливающий погрешность метода компарирования.

Преобразуем выражение (4-4):

(4-5)

или

(4-6)