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

достаточно благоприятной средой является атмосфера сухого воздуха, получаемая введением в герметизированный измери­ тельный механизм сильного влагопоглотителя. В этом случае при любых условиях работы измерительного механизма на по­ верхности электродов практически отсутствуют какие-либо ад­ сорбированные частицы и параметры измерительного механизма определяются только свойствами «чистой» поверхности элек­ тродов.

В связи с изложенным, в качестве материалов для изготов­ ления подвижных электродов различных электростатических из­ мерительных механизмов можно рекомендовать алюминий и сплав АМГ-5, для неподвижных электродов — латунь и алюми­ ний. Для низковольтных, а также точных приборов можно ре­ комендовать выполнение обработки электродов по разработан­ ной во ВНИИЭП технологии, представляющей собой комплекс следующих мероприятий: 1) обработка рабочих поверхностей электродов до чистоты V10; 2) проверка на содержание железа и обезжелезивание; 3) обезжиривание в особо чистых раствори­

должны храниться в стеклянной, тщательно обработанной таре. Применение приведенных конструктивно-технологических ме­ роприятий обеспечивает снижение величины КРП в зависимости от конструкции измерительного механизма до 20—50 мв. Как видно из табл. 2-1, полученный уровень удовлетворяет условиям построения приборов класса точности 0,02—0,10 для напряже­

ний соответственно 300—50 в.

Постоянный уровень КРП может быть снижен с помощью специальных схем компенсации [58]. Компенсация КРП обеспе­ чивает возможность создания электростатических приборов вы­ соких классов точности на низкие пределы измерения. При вве­

и источника КРП можно достигнуть нулевого суммарного уровня э. д. с., т. е. практически ликвидировать погрешность от КРП. На рис. 2-3, б приведены результаты экспериментального опре­ деления КРП при использовании компенсации. Уровень КРП не превышает 5—6 мв, что обеспечивает возможность построе­ ния приборов класса точности до 0,005 (табл. 2-1).

28

В качестве источника компенсирующей э. д. с. можно реко­ мендовать окисно-ртутные элементы, миниатюрные аккумуля­ торы или другие малогабаритные источники.

Термоэлектрические явления. Причиной термо-э. д. с. в из­ мерительной цепи является так называемая внутренняя кон­ тактная разность потенциалов, проявляющаяся при наличии градиента температур в измерительном механизме. При необ­ ходимости повышения точности и чувствительности измеритель­ ных приборов становится обязательным обращать внимание на выбор материалов, входящих в измерительную цепь. Наиболее

б — результаты экспериментальной проверки

/ — без компенсации; 2 — с компенсацией

водника. Однако это невозможно. Особое внимание должно быть обращено на места соединения металлов, на которых возможно наличие слоев окислов, обладающих полупроводниковыми свой­ ствами, а также на материалы пайки либо сварки токопроводя­ щих элементов прибора, так как при наличии на поверхности металлов полуироводящих слоев окислов величины э. д. с. резко возрастают. По данным [31] термо-э. д. с. в окисном слое полу­ проводников в пересчете на 1°С может достигать 25 мв.

Приведенные соображения показывают необходимость мак­ симального снижения перепада температур в объеме измери­ тельного механизма. Тем не менее в реальных конструкциях перепады температур неизбежны. Для снижения перепада тем­ ператур необходимо выбирать элементы конструкции прибора, исключающие неравномерный нагрев, либо конструкции, обес­ печивающие необходимый отвод тепла от нагревательных эле­ ментов (в частности от лампочки накаливания). Для измери­ тельных механизмов предельной точности и чувствительности целесообразно активное термостатирование измерительного ме­ ханизма при повышенной (например, при +35° С) температуре.

29

Приведенные соображения позволяют рекомендовать сле­ дующие меры снижения термо-э. д. с.

1. Проводниковые материалы, применяемые в измерительной цепи, должны выбираться с минимальной разностью термо- э. д. с. между ними. По возможности следует выбирать мате­ риалы проводников так, чтобы происходила взаимная компен­ сация термо-э. д. с.

2.Технологическая очистка и обработка материалов должна обеспечивать отсутствие появления полупроводниковых пленок окислов.

3.В измерительной цепи прибора не должно быть перепа­ дов температуры. Местные нагревы должны ликвидироваться конструктивными мерами.

Поляризация диэлектрика. Для достижения высокой ста­ бильности электростатических механизмов в качестве материа­

лов для основных конструктив­ ных элементов используются высокостабильные диэлектри­ ческие материалы (керамика, кварц, стекло и др.). Наличие диэлектриков приводит к необ­ ходимости учитывать явление

ложенному к диэлектрику, и обусловливающее обратную э.д. с. В связи с этим поле в зазоре между элетродами изменится и бу­ дет определяться разностью напряжений — AU, где t/i — из­ меряемое напряжение, AU ----- напряжение, обусловленное поля­ ризацией.

Величина и характер поляризации зависят от свойств ди­ электрика [31, 42]. Так, для кристаллических диэлектриков (кварц, слюда) характерна электронная и ионная поляризация, а для неорганических диэлектриков (стекло, керамика и др.) — электронная и структурная поляризация.

В зависимости от частоты измеряемого напряжения может иметь место различный характер поляризации диэлектрика.

Структурная поляризация требует для своего развития неко­ торого времени, благодаря чему замедленные виды поляриза­ ции особенно заметны при постоянном напряжении и почти не обнаруживаются при высоких частотах. Это приводит к тому, что значительное количество диэлектриков под влиянием элек­

30

трического поля обладает большим периодом релаксации, вели­ чина которого зависит от природы диэлектрика. Так, в бороси­ ликатном стекле «пирекс» [42] щелочные ионы обусловливают поляризацию стекла, которая сохраняется после снятия поля в течение многих часов.

Особое место среди диэлектриков занимает кварц. В на­

Специфической особенностью кварца в отношении поляриза­ ции является распределение изменения потенциала при наложе­ нии внешнего поля по всему объему диэлектрика. Такое состоя­ ние кварца длительно сохраняется при снятии поля и ликвиди­ руется только через несколько месяцев после воздействия поля [20, 30]. В связи с этим при использовании кварца необходимо применение специальных мер по защите измерительного меха­ низма от поляризации.

Вследствие указанных выше факторов погрешность от поля­ ризации зависит от порядка установления напряжения. Резуль­ таты измерения оказываются разными, если одно и то же зна­ чение напряжения получается при увеличении или уменьшении напряжения. Это позволяет говорить о погрешности от поляри­ зации как о своеобразном гистерезисе электрических характери­

Опыт разработки и производства различных конструкций приборов электростатической системы показал, что погрешность от поляризации может достигать 0,4—0,5%.

Для оценки влияния поляризации на параметры электро­ метра представляют интерес исследования измерительных меха­ низмов, результаты которых приведены на рис. 2-5, а (область I). Характеристики сняты (рис. 2-5, б) при постоянном напряжении Ui = 100 в и Uz^Ui + AU в зависимости от различных началь­ ных взаимных расположений подвижного и неподвижного элек­ тродов а/ссш где а — угол, образованный радиальными сторо­ нами неподвижного электрода, «„— номинальный угол отклоне­ ния прибора. При экспериментах КРП компенсировалась[58]. По оси ординат (рис. 2-5,а) отложено значение AL/=t/4—U2 в мо­ мент равновесия прибора. Кривая 1 определена при одной полярности напряжения U\ (рис. 2-5, б), а кривая 2 — при об­ ратной полярности.

Положение области, заключенной между кривыми 1 и 2 от­ носительно оси абсцисс определяется наличием геометрической асимметрии и может быть приближено к горизонтальному из­ вестными методами [78, 89]. Разность же ординат между кри-

31