ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Общие сведения.

Основой электростатических приборов является электростатический измерительный механизм с отсчетным устройством. Они применяются, главным образом, для измерения напряжений переменного и постоянного тока. Находят применение также электрометры — электростатические приборы специальной конструкции, требующие вспомогательных источников питания. Электрометры обладают повышенной чувствительностью к напряжению.

Измерительный механизм.

Вращающий момент в электростатических механизмах возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной.

Устройство одного из видов электростатических измерительных механизмов с изменяющейся активной площадью пластин показано на рис. 5-22, где 1 — система неподвижных металлических пластин; 2 — зеркало; 3 — растяжки для создания противодействующего момента и подвода напряжения к подвижным пластинам; 4 — система подвижных металлических пластин.

Если к неподвижным и подвижным пластинам приложить напряжение, то они окажутся заряженными противоположными по знаку зарядами, в результате чего подвижные пластины будут притягиваться к неподвижным, т. е. будут стремиться втянуться между неподвижными. Вращающий момент

где — энергия электростатического поля системы заряженных пластин; С — электрическая емкость между подвижными и неподвижными пластинами; и — напряжение между подвижными и неподвижными пластинами.

Если напряжение постоянное, то вращающий момент

Если то мгновенный вращающий момент

Таким образом, вращающий момент имеет постоянную и гармоническую составляющие. Отклонение подвижной части обычно применяемого электростатического измерительного механизма под действием переменного напряжения промышленной и более высокой частоты определяется постоянной составляющей момента, которая может быть записана в таком виде:

Рис. 5-22. Устройство электростатического измерительного механизма

Рис. 5-23. Схема электростатического вольтметра

где — действующее напряжение.

При искаженной форме напряжения вращающий момент

где — квадрат искаженного по форме действующего напряжения; постоянная и гармонические составляющие приложенного напряжения.

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то угол поворота подвижной части

Из выражения (5-24) следует, что зависимость угла отклонения подвижной части от напряжения нелинейна и что поворот подвижной части одинаков как при постоянном напряжении, так и при напряжении переменного тока, имеющем действующее значение, равное значению постоянного напряжения. Линейную зависимость угла отклонения а от напряжения (для значительной части диапазона измерений) получают, изготовляя подвижные пластины специальной формы, при которой является требуемой функцией а.

Следующие особенности электростатических измерительных механизмов придают электростатическим приборам положительные свойства. Электростатические измерительные механизмы

имеют малое собственное потребление мощности от измеряемой цепи; на постоянном токе это потребление равно нулю. На эти механизмы малое влияние оказывают температура окружающей среды, частота и форма измеряемого напряжения, отсутствует влияние магнитных полей. К достоинствам следует отнести возможность изготовления вольтметров для высоких напряжений до сотен киловольт без громоздких, дорогих и потребляющих большую мощность добавочных резисторов и измерительных трансформаторов.

Однако электростатические измерительные механизмы имеют малую чувствительность и на них сильно влияют внешние электростатические поля. Для защиты от внешних электростатических полей применяют металлические экраны.

Вольтметры.

Основой электростатических вольтметров является электростатический измерительный механизм, входной величиной которого является напряжение. Поэтому измеряемое вольтметром напряжение непосредственно подается на измерительный механизм. Вольтметры на разные пределы измерений имеют разные конструкции измерительного механизма. У вольтметров на малые и средние напряжения воздушный зазор между пластинами очень мал, поэтому возникает опасность короткого замыкания пластин, а следовательно, и источника измеряемого напряжения при случайных ударах, тряске и т. Для исключения этого внутрь вольтметра встраивается защитный резистор и прибор включается в цепь посредством зажимов (рис. 5-23). При измерении напряжений повышенной частоты (сотни килогерц) защитный резистор во избежание дополнительной погрешности отключается путем включения прибора через зажимы 1 и Э (экран). При измерениях в несимметричных цепях, особенно при повышенных частотах, заземляющий провод обязательно подключается к зажиму, соединенному с внутренним экраном прибора (зажимы Э или 2). Для уменьшения дополнительной погрешности при измерениях в цепях высокой частоты длина проводов должна быть минимальной.

Шкала электростатических вольтметров в пределах 25— 100 % обычно равномерна, что достигается подбором формы подвижных пластин.

Расширение пределов измерений электростатических вольтметров при измерении переменного напряжения осуществляют включением последовательно с вольтметром, имеющим собственную емкость С в, добавочного конденсатора или использованием емкостного делителя, состоящего из конденсаторов известной емкости

В первом случае напряжение на вольтметре определяется выражением Зависимость емкости от

угла поворота подвижной части приводит к дополнительной погрешности измерений.

При использовании емкостного делителя где — емкость конденсатора, параллельно которому подключен вольтметр. Если то коэффициент деления окажется практически постоянным для всех значений измеряемого напряжения.

Расширение пределов измерений электростатических вольтметров на постоянном токе осуществляют с помощью резистивных делителей напряжения.

В настоящее время промышленность выпускает несколько типов электростатических вольтметров с верхними пределами измерений от 30 В до классов точности 0,5; 1,0; 1,5 на частотный диапазон до 14 МГц. Потребление мощности на постоянном токе очень мало и определяется несовершенством изоляции. Входное сопротивление электростатических вольтметров достигает Ом. Потребление мощности при измерении в цепях переменного тока зависит от емкости измерительного механизма и частоты измеряемого напряжения.

На основе электростатических электрометров могут быть построены ваттметры для измерения мощности в широком диапазоне частот токов и напряжений с искаженной формой кривой, для измерения мощности при малом коэффициенте мощности