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

с емкостью измерительного механизма, в то время как сопротив­ ление R, эквивалентное потерям в диэлектрике, включено парал­ лельно с емкостью измерительного механизма. Тогда измеритель­ ный механизм можно представить упрощенной эквивалентной схемой, приведенной на рис. 4-7, в, потери в которой характери­ зуются суммой:

tg 5 а -j- tg 63 = tg 64.

Раздельное определение этих составляющих потерь практи­ чески невозможно, вследствие чего эффективную емкость нахо­

ным механизмом равна алгебраической сумме рассмотренных выше составляющих (4-43), (4-46) и (4-47):

Анализ совместного влияния всех видов потерь показывает, что абсолютное значение погрешности преобразователя на низ­ ких частотах имеет повышенное значение, затем с увеличением частоты она понижается и вновь увеличивается при дальнейшем росте частоты (рис. 4-8). Приведенные данные согласуются с результатами исследований конденсаторов [66, 97]. Составля­ ющая частотной погрешности у'"5 является определяющей при работе измерительного устройства в звуковом диапазоне частот.

В связи с изложенным для приборов и устройств электроста­

118

тической системы высокой точности определение погрешностей на низких частотах необходимо проводить с учетом потерь.

При оценке зависимости погрешности преобразователей ком­ параторов от влияния высших гармонических измеряемого на­ пряжения соотношения, рекомендуемые в [59], должны быть уточнены, так как при определении частотной погрешности ав­ тор исходил из положения об измерительном механизме с точки зрения понятия об идеальном конденсаторе. В действи­ тельности же измерительный механизм преобразователя компа­ ратора не является идеальным конденсатором. Погрешность, обусловленную искажением формы кривой измеряемого напря­ жения, можно представить в виде:

= уп, (4-49)

где уп — частотная погрешность при искаженной форме кривой измеряемого напряжения.

При искаженной форме кривой измеряемого напряжения опре­ деление потерь должно производиться для каждой гармоники в отдельности. Тогда частотная погрешность при искаженной форме кривой, содержащей n-ю гармонику, запишется:

Уп = У т + У 2п + Узп = Щ { n 2(o2L 1C i - tg26 1я - tg264n) , (4-50)

где п — порядковый номер гармонической составляющей; kn — относительное значение n-й гармоники в долях основной состав­ ляющей; tg бщ и tg 64n — потери для соответствующей гармо­ ники.

Подставив (4-48) и (4-50) в (4-49), после преобразований получим:

Ду = 2 [ ^ L f { (1 + kln>) - (tg26, + tg2б4) - kl (tg26ln+ tg264„)].

При наличии в кривой измеряемого напряжения одновре­ менно нескольких гармоник погрешность от искажения формы кривой запишется в виде:

Очевидно, что влияние формы кривой возрастает при боль­ шой частотной погрешности преобразователя и большом числе гармоник в искаженной форме кривой измеряемого напряжения.

Для улучшения частотных характеристик преобразователей компараторов с целью расширения частотного диапазона в сто­ рону низких частот необходимо максимальное снижение потерь в диэлектрике и потерь от наличия поверхностных явлений на электродах. С этой целью необходимо применять диэлектрики с малыми потерями и возможно большим удельным сопротивле­ нием. У применяемых твердых диэлектриков дополнительные

119

потери могут возникнуть также вследствие наличия влаги, окислов металлов, газовых включений. При этом может наблю­ даться неустойчивость электрических свойств диэлектриков под влиянием либо окружающих условий, либо их предыстории. К таким диэлектрикам относится керамика, у которой при об­ жиге возможно образование полупроводниковых слоев либо за счет наличия примесей, либо за счет восстановления окислов, входящих в состав керамики. Эти причины могут вызвать зна­ чительное увеличение потерь. Наиболее целесообразным явля­ ется применение высокочастотной керамики — ультрафарфора. Для ликвидации поверхностных явлений на электродах их по­ верхность необходимо тщательно полировать, покрывать благо­ родными металлами (например, золотом); следует избегать возможного присутствия влаги.

На величину потерь оказывает большое влияние величина зазоров между электродами. С увеличением зазора емкость, эквивалентная потерям, оказывается включенной последова­ тельно с емкостью без потерь, уменьшенной пропорционально увеличению зазора. Это обусловливает снижение потерь при уве­ личении зазора между электродами. Кроме того, при малых за­ зорах возможно влияние на величину потерь частиц пыли, всегда присутствующей в обычных условиях сборки измерительного механизма. Эти частицы поляризуются измеряемым напряже­ нием и располагаются в направлении поля, уменьшая тем самым рабочий зазор и увеличивая потери. Это тем более усугубляется при наличии влаги. В связи с изложенным для измерительных устройств высокой точности необходимо величины зазоров между электродами выполнять равными не менее 1 мм.

Для создания постоянных и низких значений влажности, а также для устранения проникновения пыли измерительные механизмы преобразователей должны выполняться в гермети­ ческих корпусах с влагопоглотителями.

Проведение работ в рассматриваемых направлениях позво­ ляет надеяться на дальнейшее улучшение частотных характе­ ристик электростатических механизмов.

Идентичность элементов преобразователя. Необходимым условием получения высокой точности компаратора одновремен­ ного сравнения является идентичность характеристик преобра­ зователя со стороны измеряемой величины и со стороны компарирующего напряжения [68]. Только полная идентичность зави­ симости вращающих моментов элементов от угла поворота при любом значении измеряемой величины является основанием для достижения максимальной точности компарирования.

По аналогии с электрометрами (см. гл. 1) неидентичность элементов преобразователя компаратора проявляется в несов­ падении электрического и механического нуля [78, 89]. Причи­ нами этого являются: неодинаковое перекрытие подвижными электродами неподвижных, непараллельность подвижных и не­

120

подвижных электродов, неточное изготовление электродов, экс­ центриситет при повороте подвижной части, наличие КРП, термо-э. д. с. и поляризации. Некоторые из перечисленных выше факторов (КРП, термо-э. д. с., поляризация) были рассмотрены выше (см. гл. 2), и были указаны меры для уменьшения или ликвидации их влияния. В настоящем параграфе будут рассмот­ рены лишь геометрические факторы, вызывающие неидентичность элементов.

При отсутствии дополнительных моментов условие равнове­ сия компаратора имеет вид:

при этом рабочая емкость Ci = C2. В этом случае Ui = U2, т. е. напряжения измеряемое и компарирующее равны.

Как видно из (4-51), неидентичность элементов при равенстве напряжений измеряемого и компарирующего может быть выз­ вана различным характером изменения дС/да.

Несовпадение электрического и механического нулей изме­ рительного механизма преобразователя, обусловленное перечис­ ленными выше причинами, практически имеет место в любом измерительном механизме ввиду сложности изготовления, сбор­ ки и регулировки. Возможна также неточность установки меха­ нического нуля, обусловленная недостатками устройства кор­ ректора.

В реальной конструкции всегда имеем

С\ ф Сг.

Тогда, приняв первый элемент за исходный, можно записать,

что

который вносит погрешность при компарировании.

121