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

выми 1 и 2 характеризует собой электрическую асимметрию, вызываемую воздействием поляризации диэлектрика. В идеаль­ ном случае разность этих ординат должна быть равна нулю, что свидетельствовало бы о наличии полной электрической сим­ метрии. Как видно из графика, при перемене полярности одного из напряжений (в случае эксперимента напряжение U2 на рис. 2-5,6) электрическая асимметрия от поляризации дости­ гает ~ 0,3 в.

Рис. 2-5. Исследование влияния поляризации: а — зависимость на­ пряжения поляризации AU от от­ носительного угла отклонения под­ вижной части а/ап\ б — схема

включения электрометра

Для снижения погрешности от поляризации диэлектрика в качестве изоляции целесообразно применять материалы с ма­ лой величиной относительной диэлектрической проницаемо­ сти е [64].

Для приборов высокого класса точности требуется принятие дополнительных мер для снижения погрешности от поляри­ зации.

В вольтметрах высокой точности можно рекомендовать экра­ нирование диэлектрика от подвижного электрода путем метал­ лизирования центральной части диэлектрической платы (рис. 2-6,а). Для снижения КРП диэлектрик должен покрываться таким же металлом, как и рабочие электроды. При этом не следует забывать, что металлизация междуэлектродных про­ межутков вызывает некоторое понижение чувствительности из­ мерительного механизма.

Отыскание дополнительных путей снижения погрешности от поляризации для квадрантных электрометров привело к созда­

32

нию измерительного механизма [14], обеспечивающего снижение рассматриваемой погрешности и не требующего применения изо­ ляционного материала с малым значением е.

Схемы устройства таких измерительных механизмов приве­ дены на рис. 2-6, б и 2-6, в. Неподвижные электроды электро­ метра выполняются Т-образной формы (рис. 2-6,6), а диэлек-

а)

трик экранируется. Рассматриваемая конструкция электродов позволяет легко осуществлять экранирование путем металлиза­ ции диэлектрика в области зазоров между неподвижными элек­ тродами. Нанесение металлического покрытия не должно увели­ чивать КРП, поэтому изолятор покрывается тем же металлом, что и сами электроды, например золотом. Для выравнивания потенциала экрана и подвижной части прибора металлизиро­ ванные поверхности диэлектрика платы необходимо электри­ чески соединять с подвижной частью.

Другим вариантом решения той же задачи является выпол­ нение конструкции неподвижных электродов Z-образпой формы (рис. 2-6, в). В выемку каждого из электродов входит выступ соседнего электрода, перекрывая промежуток между элек­

тродами.

Для сравнительной оценки влияния конструкции измеритель­ ного механизма, показанной на рис. 2-6, б, и классических кон­

Т-образной конструкции, обеспечивающей значительное сниже­ ние погрешности от поляризации.

Наличие поляризации накладывает ограничения на кон­ струкцию и параметры также и высоковольтных приборов. В ра­ боте [76] исследовано влияние конструкции опорного изолятора и изоляционного корпуса киловольтметров на погрешность при переходе с постоянного напряжения на переменное. Причина погрешности киловольтметров от поляризации — появление за­ рядов на изоляторах. Указанное явление приводит к нарушению картины поля в рабочем зазоре из-за влияния поля изолятора [36]. Погрешность определяется как конструктивным взаимным расположением подвижного электрода и изолятора, так и со­ стоянием их поверхностей. Исследования [36, 76] показали, что при измерении постоянного напряжения показания нестабильны. Наибольшая нестабильность результатов измерения имеет место в приборах, в которых изолятор находится близко к рабочему промежутку между электродами (рис. 2-7,а). Влияние поля изо­ лятора вызывает нарушение структуры поля в рабочем про­ межутке прибора, обусловливая его неравномерность. При на­ личии загрязненности на поверхности неравномерность поля увеличивается и создаются условия для его нестабильности. Указанные факторы обусловливают появление погрешности при­ бора на постоянном токе, причем погрешности, нестабильной во времени. По данным [36] при работе прибора на переменном токе рассматриваемые поверхностные явления практически не имеют места вследствие большой частоты изменения рабочего поля. Использование для высоковольтных приборов метода по­ крытия поверхности изолятора графитовым слоем [77] либо опи­ санного выше метода экранирования рабочего промежутка ме­ жду электродами [14] невозможно, так как графитовое покры­ тие значительно увеличивает входную активную проводимость, а экранирование диэлектрика увеличивает входную емкость при­ бора и снижает электрическую прочность изоляции.

Вследствие изложенного, в высоковольтных приборах ре­ комендуются конструкции с максимальным удалением изоля­ тора от рабочего промежутка между электродами. Снижение градиента поля в месте соединения изолятора и электрода должно осуществляться выбором их конфигурации. В качестве иллюстрации такой конструкции на рис. 2-7,6 схематически по­

34

казана конструкция и распределение поля киловольтметра С110, в котором реализована эта рекомендация. Прибор выполнен по несимметричной схеме. Заземленный электрод укреплен на опорном металлическом стержне, а высоковольтный — крепится к изолятору на специальной штанге. При эксплуатации рас­ сматриваемой конструкции следует следить за чистотой поверх­ ности высоковольтного изолятора и за качеством очищающего ее состава. Сравнение параметров приборов, показанных на рис. 2-7, привело к созданию киловольтметров с повышенными метрологическими характеристиками (см. гл. 3).

Влияние изменения частоты и формы кривой. Измерительные механизмы электростатической системы при работе на постоян-

ном и переменном токах имеют ряд специфических особенно­ стей, на которые следует обращать внимание при анализе прин­ ципов построения, конструировании и назначении измеритель­ ных устройств.

Фактором, ограничивающим частотный диапазон применения электростатических приборов, является собственная емкость из­ мерительной системы, которая совместно с индуктивностью мон­ тажных и подводящих проводов прибора вызывает резонансные явления в цепи электростатического прибора. Вследствие нали­ чия указанных проводов упрощенная эквивалентная схема элек­ тростатического вольтметра представляет собой последователь­ ное соединение индуктивности, сопротивления проводов и растя­

где (о — круговая частота измеряемого напряжения; С — емкость

Частотная погрешность вольтметра в этом случае (рис. 2-8,6)

Yf = (Uc - U )/U .

Из векторной диаграммы (рис. 2-8, в) видно, что

U = Uс—UL,

где UL — падение напряжения на индуктивности цепи прибора. Тогда

Y, = UL/(UC- U L):

(VJV l) -

откуда

1 ( 2- 10) l/(co3CZ,)— 1

Принимая во внимание, что резонансная частота цепи при­ бора

f0- l / ( 2 j t ] / I c ) ,

выражение (2-10) можно записать в виде: 1

где f — частота измеряемого напряжения.

Для получения малых значений частотной погрешности

Обычно собственная резонансная частота приборов может иметь значения в широком диапазоне, но лежит в основном в пределах 30—100 Мгц (см. гл. 3). В связи с этим значитель­ ные погрешности, обусловленные рассматриваемыми причинами, возникают на очень высоких частотах. Для повышения резо­ нансной частоты следует стремиться к обеспечению минималь­ ных значений собственной емкости и индуктивности прибора.

Резонансные явления могут протекать значительно сложнее, чем рассмотренные выше, так как в приборе имеется, кроме ра­ бочей емкости, ряд паразитных емкостей, обусловленных кон­ струкцией прибора и часто образующих ряд замкнутых конту­

36

ров. Собственная частота этих контуров обычно очень велика, в связи с чем влияние паразитных емкостей сказывается лишь на весьма высоких частотах. При повышении класса точности приборов пренебрежение активным сопротивлением проводов и растяжек становится недопустимым. Погрешность, обусловлен­ ная влиянием активного сопротивления г [63],

где Ur — падение напряжения на сопротивлении проводов и растяжек. Величина этой погрешности может быть соизмерима

спогрешностью, определяемой по (2-11).

Всвязи с этим уточненное значение частотной погрешности

Т/ = ( Ш 2— ~ 0)С>-

При применении приборов на высоких частотах возможно появление погрешности, обусловленной подводом измеряемого напряжения к подвижной части посредством растяжек или пру­ жинок, создающих противодействующий момент. Вследствие протекающего через прибор емкостного тока растяжки нагре­ ваются и меняют свои упругие свойства, причем, как правило, в сторону их ослабления. Это вызывает увеличение показаний прибора, начиная с некоторых частот. При дальнейшем повы­ шении частоты растяжки нагревают столь сильно, что прибор может прийти в негодность: растяжки перегорают.

При применении приборов на высоких частотах не следует забывать, что изменение собственной емкости измерительного механизма с отклонением его подвижной части может привести к сильной расстройке контуров, в которых производится изме­ рение. Кроме того, величина собственной емкости прибора, шун­ тирующей измеряемую цепь — настроенный контур или анодную нагрузку усилителя — часто может сделать невозможным при­ менение электростатических приборов на высоких частотах.

В ряде конструкций электростатических приборов при малой величине рабочего зазора применяют защитные сопротивле­ ния г3 (рис. 2-8,г), ограничивающие ток при возможном замы­ кании электродов или пробое между ними. Благодаря этому сопротивлению на повышенных частотах появляется погрешность за счет емкостного тока.

Частотная погрешность, обусловленная этим сопротивле­ нием, выражается в виде [52]:

где г3 — величина защитного сопротивления.

37

Действительно, прибор указывает напряжение Uc, соответ­ ствующее падению напряжения на измерительном механизме, но меньшее, чем действительное напряжение U.

Величина защитного сопротивления определяется исходя из допустимой величины тока, который можно пропускать через токоподводы подвижной части при замыкании электродов или пробое между ними:

где \,bUN—-напряжение перегрузки в соответствии с ГОСТ 1845—59; f/jv — конечное значение диапазона измерения; о ,— плотность тока; 5Р — площадь поперечного сечения растяжки или пружинки.

При данном значении частотной погрешности предельная ра­

С увеличением частоты вследствие возрастания частотной погрешности из-за наличия защитного сопротивления примене­ ние его ограничивается до частот порядка 300 кгц. В связи с этим при работе на высоких частотах обычно предусматри­ вается отключение защитного сопротивления.

Частотная погрешность электростатических электрометров может быть определена из соотношения:

Т/э Т/в1 +

где у/в1 и у/в2 — частотные погрешности соответствующих групп электродов электрометра с воздушным диэлектриком, включен­ ных по схеме двойного включения.

Вотличие от вольтметров на низкие и средние напряжения

ввысоковольтных вольтметрах частотный диапазон работы определяется в основном диэлектрическим нагревом изолятора и электрической прочностью воздушного промежутка с повыше­ нием частоты (76]. Основой для определения допустимой макси­ мальной частоты измеряемого напряжения, обусловленной на­ гревом изолятора, является расчет его теплового баланса. При допущении, что электрическое поле по длине изолятора распре­ делено однородно и температура по толщине трубчатого изоля­ тора (см. гл. 3) постоянна, из уравнения теплового баланса изо­ лятора максимальная частота измеряемого напряжения

«(*i-*o)S

(2-15;

2nU2Ctg 6 ’

где а — коэффициент теплоотдачи; Ч — допустимая температура нагрева изолятора; t0— температура окружающего воздуха; S — площадь поверхности изолятора; U — измеряемое напряже­

38