Приборы электростатической системы

Электростатические приборы строятся на основе электростатического измерительного механизма, который представляет собой систему подвижных и неподвижных электродов. Под действием напряжения, приложенного к электродам, подвижные электроды отклоняются относительно неподвижных. В электростатических ИМ отклонение подвижной части связано с изменением емкости.

Приборы электростатической системы бывают двух разновидностей [2]:

• 1) с изменяющейся площадью пластин;
• 2) с изменяющимся расстоянием между пластинами (рис. 1.7):

Обе разновидности имеют схожую конструкцию и состоят:

• — из системы параллельных неподвижных пластин 1;
• — стрелки 2;
• — оси 3;
• — секторообразной алюминиевой пластины 4.

Остальные детали: подпятники, противодействующая пружина, балансные грузики, корректор, шкала, воздушный или магнитоиндукционный успокоитель подобны деталям приборов других систем.

Принцип действия

электростатический прибор пластина Перемещение подвижной части приборов этой системы происходит в результате взаимодействия электрически заряженных пластин (проводников), разделенных диэлектриками. При перемещении подвижной части изменяется ёмкость между пластинами вследствие изменения их площади или расстояния между ними.

В приборах с изменяющейся площадью пластин при включении в измеряемую цепь неподвижные пластины заряжаются одноименными зарядами, а подвижная — зарядом противоположного знака. Под действием сил электрического поля подвижная пластина притягивается к неподвижным, поворачивается на оси и входит в зазор между ними, перемещая стрелку вдоль шкалы. Шкала прибора квадратична.

Приборы с изменяющимся расстоянием между пластинами состоят из двух неподвижных пластин, одна из которых при измерениях заряжается положительно, а другая — отрицательно. Между ними размещается подвижная пластина, электрически соединенная с одной из неподвижных.

В результате взаимодействия подвижная пластина отталкивается от одной неподвижной пластины и притягивается к другой, перемещая ось и стрелку на угол.

Угол поворота б подвижной части находится из равенства вращающего и противодействующего моментов, возникающих в измерительном механизме.

.

где С — емкость между пластинами; U — приложенное к электродам напряжение.

Из этой формулы следует, что угол отклонения подвижной части не зависит от полярности приложенного напряжения. В случае переменного напряжения угол отклонения подвижной части пропорционален квадрату действующего значения напряжения.

Для получения равномерной шкалы необходимо выполнить условие.

.

где k — конструктивная постоянная ИМ.

Практически равномерный шкалы на всем ее протяжении (от 0 до б_МАХ) получить нельзя, так как при малых углах емкость ИМ должна быть отрицательной.

Для того чтобы получить характер шкалы вольтметра, близкий к равномерному, применяют один из двух методов выравнивания шкалы: а) метод разбивки шкалы на два участка; б) метод создания начальной емкости. По первому методу шкалу вольтметра разбивают на два участка: квадратичный и равномерный. По второму методу при соответствующем выборе формы подвижных и неподвижных электродов можно получить практически равномерную шкалу на участке от 25% до 100% от ее номинального значения).

Достоинства:

• — пригодность для измерений в цепях переменного и постоянного токов;
• — нечувствительность к изменению температуры окружающей среды;
• — небольшая потребляемая мощность;
• — высокое входное сопротивление;
• — широкий частотный диапазон;
• — независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения (показания прибора соответствуют среднеквадратическому значению измеряемого напряжения).

Недостатки:

• — нелинейность шкалы (квадратичная шкала);
• — низкая чувствительность;
• — невысокая точность;
• — возможность пробоя между электродами.

Электростатические приборы характеризуются: 1) весьма малым собственным потреблением мощности на постоянном токе и низких частотах. Это, объясняется тем, что оно обусловлено только кратковременным зарядным током и протеканием весьма малых токов утечки через изоляцию. На переменном токе потребление мощности также невелико ввиду малой емкости ИМ и малых диэлектрических потерь в изоляции; 2) широким частотным диапазоном (от 20 Гц до 35 МГц); 3) малой зависимостью показаний от изменений формы кривой измеряемого напряжения; 4) возможностью использования их в цепях постоянного и переменного токов для непосредственного измерения высоких напряжений (до 300 кВ) без применения измерительных трансформаторов напряжения. Наряду с этим электростатические приборы имеют и недостатки: они подвержены сильному влиянию внешних электростатических полей, обладают низкой чувствительностью к напряжению, имеют неравномерную шкалу, которую необходимо выравнивать за счет выбора формы электродов, и др.