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

низма преобразователя компаратора является сочетание двух электрометрических механизмов, каждый из которых в случае измерения напряжения включается по схеме двойного включе­ ния. При измерении к одному из элементов подводится изме­ ряемое напряжение переменного тока, ко второму элементу — компарирующее напряжение постоянного тока. При регули­ ровке с целью получения идентичности элементов преобразова­ теля компаратора оба элемента подключаются к постоянному напряжению. При этом КРП и термо-э. д. с. оказывают влияние на точность регулировки. Вследствие включения компарирующего напряжения всегда определенной полярностью, при ана­ лизе погрешности от влияния контактных электрических явле­ ний можно допустить, что КРП и термо-э. д. с. оказывают влия­ ние лишь в одном элементе со стороны измеряемого напряжения.

Сучетом сказанного можно записать в общем виде

М^ = Л42 -j- M s,

или, преобразовав это выражение, получим:

Mx= M2( i + ^ l) = M2(1 + y3),

мент от КРП и термо-э. д. с.

Величина момента М3 при изменении полярности зависит от величины AU, которая в зависимости от условий работы может принимать значения (2-3) и (2-4).

Учитывая, что дополнительный момент создается половиной

Для конкретного случая использования той или иной схемы включения элементов компаратора можно воспользоваться вы­ ражениями (2-3) и (2-4), связывающими AU с Н3, получив тем

самым зависимость у3от U3.

В связи с тем что при использовании электростатических измерительных механизмов для построения преобразователей компараторов характер проявления влияния контактных элект­ рических явлений остается тем же, что и для показывающих при­ боров, методы снижения, стабилизации и компенсации рассмат­

113

в зазоре между электродами, которое для элемента со стороны измеряемого напряжения будет определяться величиной

[ /! - £ /;= £ /;

и для элемента со стороны компарирующего напряжения

U2- U \ = U'R,

где U \ и U"4— напряжения, обусловленные поляризацией; U'д и U"д— напряжения, создающие-действующий вращающий момент.

Напряжения поляризации U'\ и U'\ вызывают появление дополнительного момента в каждом элементе:

Для двухэлементного измерительного механизма преобразо­ вателя компаратора уравнение моментов следует записать в виде:

Mx + Mi = М2-j- М\,

где АГ4 и М’\ — моменты, вызываемые дополнительным напря­ жением поляризации для каждого из элементов измерительного механизма преобразователя.

Отсюда

( м",— м ’Л

где у4— составляющая погрешности компарирования, обуслов­ ленная поляризацией диэлектрика, создающего дополнительное поле в рабочем зазоре электродов,

м \ - м4

У* = — - — •

м 2

С явлением поляризации (см. гл. 2) необходимо считаться как на постоянном, так и на переменном токе в зависимости от частоты измеряемого источника напряжения. Дополнитель­ ный момент М \, вызываемый поляризацией, может быть раз­ личным при работе преобразователя компаратора на постоян­ ном токе (при регулировке идентичности элементов) и на пе­ ременном токе (при подключении измеряемого напряжения).

114

Наличие поляризации вызывает электрическую асимметрию, которая приводит к появлению погрешности, проявляющейся в виде неидентичности элементов преобразователя компаратора. При различных значениях измеряемого и компарирующего напряжений и при перемене полярности этих напряжений по­ грешность может достигать 0,15—0,2%. Снижение погрешности от поляризации преобразователей компараторов может быть достигнуто использованием конструкции измерительного меха­ низма [14], приведенной на рис. 2-6, б. Исследования этого изме­ рительного механизма по схеме одноэлементного компаратора одновременного сравнения показали, что применение экраниро­ вания платы и специальных конструкций неподвижных электро­ дов дает значительное снижение погрешности прибора от поля-

Рис. 4-7. Эквивалентные схемы элемента электростатического пре­ образователя компаратора

ризации и обеспечивает существенное улучшение характеристик электростатических преобразователей компараторов.

Влияние изменения частоты и формы кривой. С повышением точности измерений приходится обращать внимание на состав­ ляющие погрешности, не имевшие ранее особого значения. Ана­ лиз источников погрешностей электростатических компараторов моментов [15] позволил обнаружить наряду с погрешностями, рассмотренными в гл. 2, также погрешности, обусловленные по­ терями в диэлектрике и на поверхности электродов.

Эквивалентная схема элемента преобразователя компаратора

ограниченного диапазона частот. Наличие элементов эквивалент­ ной схемы обусловливает изменение эффективной емкости меха­ низма преобразователя при изменении частоты.

На основе принятого метода определения погрешностей пре­ образователей компараторов через соответствующие моменты определим погрешность от изменения частоты.

При неизмененном значении напряжения момент на постоян­ ном токе

мг= — и \ ^ ~ .

1 2 да

115

При изменении частоты

где Мэ— дополнительный момент, обусловленный наличием эф­ фективной емкости.

Для определения эффективной емкости измерительного ме­ ханизма, обусловленной наличием индуктивности Ьи можно воспользоваться упрощенной эквивалентной схемой (рис. 4-7, б).

Согласно [66]

где Ci—действительная емкость, измеренная при низкой частоте; (о — угловая частота.

Тогда с учетом (4-40)

Продифференцировав (4-41) и проведя соответствующие пре­ образования, получим:

Принимая во внимание (4-42) и подставив в (4-39) выраже­ ния (4-2) и (4-38), после преобразований получим составляю­ щую погрешности от изменения частоты, обусловленную нали­ чием индуктивности:

,ю ^Д1(2 - ю ^ 1С1)

(1 — to2C1L1)2

В случае co2CiLi<Cl последнее выражение запишется в виде:

Важным является анализ влияния .потерь в измерительном механизме на частотные характеристики преобразователя ком­ паратора.

В действительности же большие потери могут привести к пере­ распределению напряжений между рабочей емкостью и эквива­ лентным сопротивлением потерь, что в свою очередь влечет

116

за собой появление частотной погрешности. Следует отметить, что при построении прецизионных конденсаторов [8, 97] необхо­

в окисной пленке и пленке влаги на поверхности электродов и потерь в диэлектрике. Как известно [66], потери принято харак­ теризовать тангенсом угла потерь tg6. Тогда суммарные потерн в измерительном механизме преобразователя можно записать в виде:

tg 6 = tg 6j + tgS2+ tg 63,

где tg 6i обусловлен потерями в металлических частях; tg62— потерями на поверхности электродов, tg63— потерями в ди­ электрике.

Оценка потерь в измерительном механизме суммой tg6 пра­ вомерна, так как каждая составляющая tgS обусловлена поте­ рями лишь в характерном для нее частотном диапазоне. Анало­ гичное допущение имеет место при рассмотрении параметров конденсаторов [66].

Наличие активного сопротивления гь включенного последо­ вательно с емкостью измерительного механизма, при прочих равных условиях должно приводить к снижению эффективной емкости. Эффективную емкость Сэ2 можно представить как емкость в параллельной схеме эквивалентного конденсатора с потерями, заменив ею последовательно включенные действи­ тельную емкость Ci и сопротивление Используя соответству­ ющие этим схемам выражения, находим частотную зависимость

Проводя преобразования, аналогичные сделанным при вы­ воде выражений (4-41) — (4-43), получим выражение для состав­ ляющей частотной погрешности от влияния активного сопротив­

При наличии на электродах окисных пленок и слоя влаги сопротивление потерь в них (г2) включено последовательно

117