20) Электростатические приборы

Принцип действия приборов электростатической системы основан на взаимодействии двух электрически заряженных электродов, разделенных диэлектриком.

Устройство одного из видов электростатических измерительных приборов с изменяющейся площадью перекрытия пластин показано на рис. 2.13.

Р ис. 2.13. Устройство электростатического прибора:

1 – неподвижные пластины; 2 – подвижные пластины;

3 – ось; 4 – стрелка

Электростатические измерительные приборы используются в качестве вольтметров. Измеряемое напряжение прикладывается между неподвижными и подвижными пластинами. Электростатические силы взаимодействия заряженных электродов создают вращающий момент, под действием которого подвижные пластины втягиваются в пространство между неподвижными. Вращающий момент описывается выражением

,

где С – емкость между пластинами.

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

Функция преобразования квадратичная, поэтому изменение полярности приложенного напряжения не изменяет направление вращения.

Достоинства электростатических приборов:

– высокое входное сопротивление;

– малая мощность потребления;

– возможность использовать в цепях постоянного и переменного токов;

– широкий частотный диапазон (до десятков МГц);

– независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения; прибор измеряет действующее значение напряжения.

Недостатки:

– квадратичная шкала;

– низкая чувствительность;

– невысокая точность.

21) Термоэлектрические и выпрямительные измерительные приборы

Термоэлектрический прибор состоит из термоэлектрического преобразователя и милливольтметра магнитоэлектрической системы. Термоэлектрический преобразователь содержит нагреватель и одну или несколько термопар. Различают контактные термоэлектрические преобразователи, у которых горячий спай термопары приварен к нагревателю (рис. 2.16,а), и бесконтактные (рис. 2.16,б), у которых нагреватель и горячий спай разделены изолятором (стеклянной бусинкой).

Р ис. 2.16. Термоэлектрические преобразователи: а – контактный; б – бесконтактный;

1 – нагреватель; 2 – термопара; 3 – изолятор

а б

ЭДС, вырабатываемая термопарой, зависит от температуры нагревателя, и, следовательно, от тока I_x согласно соотношению где k – коэффициент пропорциональности; I_x – измеряемый ток.

Основным достоинством термоэлектрических приборов является достаточно высокая точность измерений в широком диапазоне частот (от 0 до 100 мГц) при произвольной форме измеряемого тока.

Выпрямительные приборы – это сочетание магнитоэлектрического измерительного прибора с выпрямительным преобразователем. Это позволяет использовать магнитоэлектрические приборы, отличающиеся высокими чувствительностью и точностью, для измерения переменных тока и напряжения.

Д ля преобразования переменного тока в постоянный используются одно- и двухполупериодные выпрямители. При однополупериодном выпрямлении (рис. 2.17) через прибор проходит только положительная полуволна тока через диод VD1. Диод VD2 образует цепь для прохождения отрицательной полуволны. Сопротивление резистора R выбирается равным сопротивлению измерительного механизма. При этом сопротивление схемы будет одинаковым для любого направления тока. В двухполупериодных схемах измерительный механизм включается в диагональ моста (рис. 2.18).

а б

Рис. 2.18. Схемы приборов с двухполупериодным выпрямлением

Мостовая схема может содержать четыре диода (рис. 2.18, а). Диоды должны иметь идентичные характеристики и, кроме того, требуется специальная температурная компенсация, т.к. прямое и обратное сопротивления диодов зависят от температуры. Схема, где два диода заменены резисторами (рис. 2.18,б), менее чувствительна к изменениям температуры. Подвижная часть магнитоэлектрического прибора из-за своей инерционности реагирует на среднее значение тока. Для однополупериодного выпрямления при токе синусоидальной формы и показания прибора . В двухполупериодных схемах ток, протекающий через измерительный механизм, увеличивается вдвое по сравнению с однополупериодной схемой. Для синусоидального тока .

Показания выпрямительного прибора пропорциональны среднему за период значению при любой форме кривой измеряемого тока. Однако на практике шкалу выпрямительных приборов градуируют в действующих значениях с расчетом на синусоидальную форму тока. Следовательно, в приборах с двухполупериодным выпрямлением все числа отсчета шкалы умножены на коэффициент формы k_ф =1,11. Поэтому при измерении тока или напряжения несинусоидальной формы полученный результат сначала нужно разделить на 1,11, чтобы получить средневыпрямленное значение, а затем умножить на коэффициент формы, соответствующий форме измеряемого сигнала.

Достоинством выпрямительных приборов является высокая чувствительность, малое собственное потребление энергии и возможность измерения в широком диапазоне частот.