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

Зависимыми от температуры величинами здесь являются Н, I, G и ав.

Проведя соответствующие математические преобразования, получаем относительное изменение противодействующего мо­ мента

d W t / W = 3az + 0,75а£ + 0,25ав,

где аi— температурный коэффициент линейного расширения в направлениях h и /; ае — температурный коэффициент модуля сдвига; ав — температурный коэффициент временного сопротив­ ления разрыву.

Если конструкция амортизационных пружинок для крепле­ ния растяжек будет такова, что натяжение их (коэффициент на­ тяжения &н) будет изменяться при изменении окружающей тем­ пературы, то, подобрав желаемое изменение натяжения, можно компенсировать изменение упругих свойств растяжек. Для ком­ пенсации надлежит, очевидно, выполнить равенство между от­ носительным изменением противодействующего момента dWt/W, вызванным изменением упругих. свойств материала растяжки под воздействием температуры, и относительным изменением противодействующего момента dWH/W, обусловленным измене­ нием натяжения, т. е.

dWJW = —dWtIW.

Относительное изменение коэффициента натяжения исходя

Так, например, для растяжек из платино-серебряного сплава с моментом М = 0,5 мгс-см!90° на 100 мм длины растяжки при номинальном &н = 0,4, для компенсации температурной погреш­ ности от изменения упругих свойств растяжек необходимо из­ менение натяжения на 1,3 гс/10 град.

Для компенсации температурной погрешности предложено устройство (рис. 2-10) [57], в котором амортизационные пру­ жинки 2, осуществляющие натяжение растяжек, укрепляются на пластине 6 из термобиметалла так, что при повышении тем­ пературы деформация биметаллических пластин будет увеличи­ вать натяжение растяжек, а при понижении — уменьшать его. Пластина из термобиметалла жестко укреплена одним концом с помощью планки 7 на обойме 8. На втором конце прикреплена планка 1, на которой в свою очередь закреплена амортизацион­ ная пружинка 2.

Длина рабочего участка термобиметаллической пластины I может регулироваться с помощью перемещения каретки 3

43

поворотом микрометрического винта 5, а затем фиксироваться

винтом 4.

Для того, чтобы не нарушать симметричности расположения подвижной части измерительного механизма при изменении тем­ пературы, необходимо рассматриваемое устройство устанавли­ вать с обоих внешних концов растяжек.

Изменение температуры, окружающей прибор, обусловли­ вает изменение диэлектрической проницаемости е воздуха [4, 19]. Для сухого воздуха повышение температуры дает практически линейное снижение диэлектрической проницаемости е, причем величина температурного коэффициента диэлектрической про­

где Р —давление; I — упругость водяного пара; Т — абсолютная температура.

Более удобно оценивать е величиной относительной влаж­ ности, так как последняя является результатом измерений и, кроме того, нормируется в технических требованиях на измери­ тельные устройства.

Тогда е записывается [4]:

е = + -L^224 + g Е 9600' 1(Г6,

Р Т

где Е — упругость насыщенного пара; g — относительная влаж­ ность.

Состояние влажного воздуха характеризуется различными соотношениями приведенных выше характеристик. При измене­ нии температуры окружающего воздуха можно говорить в ос­ новном о двух различных состояниях воздуха, являющегося ди­ электриком между электродами измерительного механизма: либо о постоянстве абсолютной влажности q, либо о постоян­ стве относительной влажности g. При небольших изменениях

44

температуры можно говорить о постоянстве абсолютной влаж­ ности.

Величина относительной влажности может быть постоянной при изменении температуры среды в широких пределах. В этом случае относительная влажность воздуха может быть велика.

Приведенные случаи изменения влажности воздуха при из­ менениях температуры, строго говоря, не соответствуют реаль­ ным условиям работы измерительных устройств и приборов, так как в действительности эти изменения происходят по зна­ чительно более сложным и трудно учитываемым законам.

Знание рассматриваемых случаев позволяет оценить возмож­ ные пути появления погрешностей приборов и методы защиты измерительного механизма от влияния изменения температуры и влажности.

При работе измерительного механизма могут иметь место температурные режимы, обусловленные температурой окружаю­ щей среды и временем включения освещения отсчетного устрой­ ства или преобразователя угла поворота. Температурный ре­ жим зависит от многих факторов: источников тепловой энергии, физических свойств материалов конструкции и окружающей среды, выполнения и размеров конструкции. При этом могут существовать три механизма теплообмена: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание [48].

Разница в температурах частей тела обусловлена теплопро­ водностью материалов к. Чем больше теплопроводность, тем быстрее протекает процесс установления температуры и имеет место меньший градиент температур. Для оценки материала с этой точки зрения предложен [85] коэффициент качества, пред­ ставляющий собой отношение к/т. В табл. 2-3 приведены данные некоторых материалов, которые могут применяться для построения измерительных механизмов.

45

Из табл. 2-3 видно, что у инвара, имеющего весьма малую

в конструкции приборов высокой точности по возможности одно­ родные материалы, хотя бы и с большим щ.

Для уменьшения градиента температуры корпус измеритель­ ного механизма следует изготавливать с большой толщиной сте­ нок из материала с высоким коэффициентом теплопроводности:

ханизма узел осветительной лампы должен изолироваться от корпуса измерительного механизма.

Для защиты измерительного механизма от инфракрасного из­ лучения лампы освещения целесообразно применять теплоза­ щитное стекло. Известна конструкция [104], в которой потоки воздуха, вызываемые лучистой энергией через световое окно измерительного механизма, локализуются в специальной камере

абвг (рис. 2-11).

Теплонагрев от лучистой энергии окружающего простран­ ства зависит от степени черноты внешней поверхности измери­ тельного устройства. При этом чем выше степень черноты экрана, тем меньше теплонагрев устройства от излучения.

Применение теплоизоляции и подбор материалов позволяют значительно уменьшить влияние температуры.

Флуктуации подвижной части. Наличие флуктуаций вызы­ вает отклонение подвижной части в обе стороны от среднего положения. Флуктуации могут наблюдаться как при отсутствии входного сигнала, так и при замкнутых накоротко электродах измерительного механизма прибора. Выражение для среднего

46

где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; А — параметр, определяющий жесткость системы крепления по­ движной части прибора.

Для измерительного механизма прибора параметром, опреде­ ляющим жесткость системы крепления подвижной части, яв­ ляется, по существу, удельный устанавливающий момент М/. Тогда выражение (2-18) следует записать:

Как видно из выражений (2-18) и (2-19), амплитуда флук­ туаций при постоянных параметрах механизма определяется зна­ чением абсолютной температуры среды, окружающей прибор. При этих условиях источником для возникновения флуктуаций является броуновское движение. Влияние флуктуаций на работу чувствительных электроизмерительных приборов, в том числе электрометров, рассматривалось [95, 99].

Порог чувствительности дуантного электрометра рассмотрен в 195]. Автором указанной работы была проведена проверка при­ менимости (2-18) для электрометра. В результате эксперимен­ тальных исследований установлено, что данные теоретического определения отличаются от экспериментальных всего на 4%.

В [103] приведена общая теория влияния броуновского дви­ жения на работу электрометров. Показано, что флуктуации яв­ ляются следствием случайных столкновений молекул воздуха с подвижной системой. Однако, даже поместив измерительный механизм в вакуум, во-первых, трудно полностью изолировать систему от внешней среды, так как связь осуществлялась бы че­ рез растяжки и токоподводы к электродам, и, во-вторых, с умень­ шением числа случайных столкновений одновременно снижается успокоение системы. Снижение флуктуаций угла поворота по­ движной части, обусловленных броуновским движением, может быть достигнуто либо снижением абсолютной температуры, при которой находится измерительный механизм, либо применением в электрометрах вместо воздушного успокоения специальной схемы фотоэлектрического усилителя [104], содержащего диф­ ференцирующую цепочку. Количество света, падающего на фото­ элемент, оказывается пропорциональным отклонению электро­ метра, и сигнал с выхода усилителя подается обратно на элект­ рометр. По данным авторов, применение этой схемы позволило понизить влияние броуновского движения в 100 раз и увели­ чить точность в 10 раз. Для получения таких же параметров при воздушном успокоении было бы необходимо поместить из­ мерительный механизм в атмосферу с температурой 3° К.

Для повышения точности измерений приборов с электроста­ тическим измерительным механизмом можно рекомендовать при­

47