Индукционная система. Приборы индукционной системы

Приборы индукционной системы получили широкое распространение для измерения электрической энергии. Принципиальная схема прибора приведена на рисунке.

Индукционная система

Принцип действия индукционной системы основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых катушками тока и напряжения с вихревыми токами, наводимыми магнитным полем в алюминиевом диске.

Прибор индукционной системы

Электрический счетчик содержит магнитопровод — 1 сложной конфигурации, на котором размещены две катушки; напряжения — 2 и тока — 3. Между полюсами электромагнита помещен алюминиевый диск — 4 с осью вращения — 5.

Вращающий момент, действующий на диск, определяется выражением:

M вр = k i Φ U Φ I sinψ

где Ф U — часть магнитного потока, созданного обмоткой напряжения и проходящего через диск счетчика; Ф I — магнитный поток, созданный обмоткой тока; ψ — угол сдвига между Ф U и Ф I . Магнитный поток Ф U пропорционален напряжению Ф U = k 2 U . Магнитный поток Ф I пропорционален току Ф I = k 3 I .

Для того чтобы счетчик реагировал на активную энергию, необходимо выполнить условие:

sinψ = cosφ

В этом случае вращающий момент пропорционален активной мощности нагрузки:

M вр = k 1 k 2 k 3 U I cosφ = k 4 P

Противодействующий момент создается тормозным магнитом — 6 и пропорционален скорости вращения диска:

В установившемся режиме M вр = M пр диск вращается с постоянной скоростью. Приравниваем два последних уравнения и решаем полученное уравнение относительно угла поворота диска:

Таким образом, угол поворота диска счетчика пропорционален активной энергии. Следовательно, число оборотов диска n тоже пропорционально активной энергии.

Cтраница 1



Приборы индукционной системы основаны на принципе взаимодействия вращающегося или бегущего магнитного поля, возбуждаемого переменными токами, протекающими по системе неподвижных обмоток прибора, с токами, индуктируемыми в подвижной части измерительного устройства, приходящей при этом в движение. Эти приборы применяются исключительно в цепях переменного тока одной определенной частоты, указанной на приборе, отличаются большим вращающим моментом, стойкостью к перегрузкам, малой зависимостью показаний от внешних магнитных полей. Однако точность их невысока, а подвижная часть обладает большой инерцией, затрудняющей выполнение измерений при быстро протекающих процессах.  

Приборы индукционной системы в настоящее время служат для измерения расхода электрической энергии в цепях переменного тока. Действие индукционного счетчика основано на взаимодействии вихревых токов с вращающимся магнитным полем.  

Приборы индукционной системы предназначены только для пе - ременного тока и применяются главным образом в качестве счетчиков или ваттметров. Работа этих приборов основана на явлении взаимодействия вращающегося или бегущего магнитного поля с диамагнитным металлическим (например, алюминиевым) диском, укрепленным на оси.  

Схема прибора индукционной системы.  

Приборы индукционной системы пригодны для измерений только в цепях переменного тока промышленной частоты, а практически они строятся лишь для переменного тока частотой 50 гц.  

Приборы индукционной системы, напротив, пригодны и поверяются только при переменном токе. Частота тока при этом должна быть равна обозначенной на приборе.  

Приборы индукционной системы предназначены для измерения электрических величин только в цепях переменного тока.  

Приборы индукционной системы пригодны только для измерения переменного тока определенной частоты. Они обладают большим вращающим моментом, устойчивы к перегрузкам, просты по устройству и дешевы.  

Для слабослышащих людей производители оборудования для инвалидов разработали целую линейку аппаратуры. Доступная среда для людей с нарушениями слуха формируется достаточно легко, однако необходимо учитывать, что существует множество зашумленных мест. В их числе - здания ж/д и аэровокзалов, большие торговые центры, детские садики и школы (вспомните поведение учеников на переменах).

В этих местах инвалид по слуху может не услышать, или услышать в исковерканном виде важную информацию. Номер и время отправления рейса авиалайнера, стоимость проезда. Слуховой аппарат не может создать в таких местах полноценную сферу обитания инвалида, известную как безбарьерная среда.

Решить задачу усиления мощности индивидуального слухового аппарата способен ассортимент такого оборудования для инвалидов, как индукционная петля. В нашем онлайн-каталоге представлен ряд оборудования, который составляет проверенные, качественные индукционные системы. Доступная среда, сформированная для инвалидов по слуху с их помощью, имеет масштаб от расчетной кассы до зала ж/д вокзала.

Структура индукционной системы

На практике подобная общественная система усиления слышимости для инвалидов имеет следующую структуру. Основа системы - контроллер индукционной петли. В его задачу входит прием, обработка и передача звукового сигнала на слуховой аппарат инвалида. Звук в здании, помещении, общественном транспорте на первой стадии принимают и передают контроллеру сеть таких устройств, как выносные панели.

Далее индукционная петля для слабослышащих (общее название системы) передает адаптированный для индивидуального устройства повышения слышимости инвалида сигнал потребителю. Чтобы воспринимать такой сигнал в зашумленном месте, инвалид на своем слуховом аппарате включает режим «Т».

Профессиональные индукционные системы отличаются возможностью подключения к одному контроллеру большого количества разных типов выносных панелей. Благодаря этому можно создать уникальную систему слышимости, когда инвалид по слуху будет отчетливо слышать каждый звук в самых отдаленных уголках помещения.

Индукционная петля, варианты исполнения которой представлены на нашей виртуальной полке, может быть стационарная, либо мобильная. Этот признак определяется весом прибора и его массой. Питание переносной системы обычно осуществляется напряжением 12 V, блок питания не оказывает существенного влияния на общий вес аппаратуры.

Мобильная индукционная петля легко устанавливается в общественном транспорте. Её также легко использовать при проведении деловых переговоров «на выезде». При её эксплуатации важно обратить внимание на безопасную транспортировку оборудования.

Стационарная индукционная петля для слабослышащих работает от обычной электрической сети в 220 V. Её подключение не составляет труда в любом месте помещения, она может быть размещена так, что не будет нарушать интерьер.

Где купить индукционную систему?

Купить индукционную петлю можно в нашем интернет-магазине. Основной параметр при её выборе - площадь покрытия. Индукционные системы, образцы которых представлены в каталоге, могут охватывать площадь от 1,2 до 500 кв. м и более. Расширить эти зоны поможет такое устройство, как выносная панель. Оно также широко представлено в магазине. Облегчить ориентирование на территории инвалиду поможет предлагаемый звуковой маячок. Проектировщикам и монтажникам систем для слабослышащих пригодится в работе такое устройство, как тестер индукционной системы.

Приборы индукционной системы - раздел Приборостроение, АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ Конструкция И Принцип Действия.Принцип Действия Индукци­Онны...

Конструкция и принцип действия. Принцип действия индукци­онных приборов основан на взаимодействии двух или нескольких переменных магнитных потоков с токами, индуцированными в подвижном проводнике (например, диске). Типичным представите­лем этой системы является классический индукционный счетчик – измеритель активной энергии.

Рассмотрим устройство и принцип действия индукционного од­нофазного счетчика активной энергии. На рис. 3.15 показана упро­щенная конструкция такого прибора. Основными элементами при­бора являются два магнитопровода со своими обмотками (напря­жения и токовой), вращающийся диск и счетный механизм. Как и ваттметр, счетчик содержит обмотки тока и напряжения. Включает­ся счетчик в цепь так же, как и ваттметр.

Схема (рис. 3.16) и векторная диаграмма (рис.3.17) поясняют принцип действия этого прибора.

Рассмотрим работу счетчика на примере входных сигналов на­пряжения и тока синусоидальной формы с действующими значе­ниями, равными, соответственно, U и I. Входное напряжение U, приложенное к обмотке напряжения 2, создает в ней ток I U , име­ющий по отношению к напряжению U сдвиг по фазе, близкий к 90° (из-за большого индуктивного сопротивления этой обмотки). Ток I U рождает магнитный поток Ф U в среднем сердечнике магни­топровода обмотки напряжения 1. Этот поток Ф U делится на два потока: нерабочий поток Ф U 1 , который замыкается внутри магни­топровода 7 ; и основной поток Ф U 2 , пересекающий диск 6, закреп­ленный на оси 7 и вращающийся вместе с нею. Этот основной поток замыкается через противополюс 5 .

Рис.3.15. Упрощенная конструкция индукционного однофазного счетчика


Рис. 3.17. Векторная диаграмма

Входной ток I , текущий в обмот­ке тока 4, создает в магнитопроводе 3 магнитный поток Ф I , который дваж­ды пересекает диск 6. Поток Ф I от­стает от тока I на небольшой угол потерь α I , (поскольку сопротивление токовой обмотки мало).

Таким образом, диск пересека­ют два магнитных потока Ф U 2 и Ф I , не совпадающих в пространстве и имеющих фазовый сдвиг ψ. При этом в диске возникает вращающий момент М:

M = cf Ф U 2 Ф I sin ψ,

где с – некая константа; f – частота напряжения.

При работе на линейном участке кривой намагничивания мате­риалов магнитопроводов можно считать, что

Ф I = k 1 I ; Ф U 2 = k 2 I U =k 2 U / Z U ,

где k 1 и k 2 – коэффициенты пропорциональности; Z U – полное комплексное сопротивление обмотки напряжения.

Учитывая, что реактивная (индуктивная) составляющая сопро­тивления обмотки напряжения Z U гораздо больше активной, мож­но записать

Z U ≈ f L U ,

где L U – индуктивность обмотки напряжения. Тогда

Ф U 2 = k 2 U /( fL U ) = k 3 U / f ,

где k 3 = k 2 /(2πL U).

Следовательно, вращающий момент М в данной электромаг­нитной механической системе можно определить следующим об­разом:

М = kUI sinψ,

где k – общий коэффициент пропорциональности.

Для того чтобы вращающий момент был пропорционален теку­щей активной мощности, необходимо выполнение условия

А это в свою очередь будет выполняться, если ψ + φ = 90°. Это равенство может быть обеспечено изменением (регулировкой) угла потерь α I . Изменение этого угла реализуется двухступенчато: гру­бо – изменением числа короткозамкнутых витков, надетых на магнитопровод 3, а плавно – изменением сопротивления вспомога­тельной цепи (эти элементы конструкции на рис. 3.15 и 3.16 не показаны).

Таким образом обеспечивается пропорциональность вращаю­щего момента М текущему значению активной мощности. Для по­лучения результата определения потребленной активной энергии достаточно проинтегрировать значения текущей мощности. Это ин­тегрирование реализовано счетным механизмом 9, связанным с осью 7 червячной передачей 8.

Постоянный магнит служит для создания тормозного момента и обеспечения угловой скорости вращения, пропорциональной те­кущему значению активной мощности. Кроме того, в реальной конструкции есть элементы, обеспечивающие дополнительный момент, компенсирующий момент трения, а также элементы уст­ранения «самохода» (на рис. 3.15 и 3.16 не приведены).

Включение счетчика. На рис. 3.18 приведена схема включения однофазного счетчика активной энергии.

При необходимости работы в цепях с напряжениями и/или токами, большими, чем номинальные для конкретного счетчика, используются измерительные трансформаторы напряжения и/или тока. Схема подключения такая же, как и в подобном случае с ваттметроми.

Рис. 2.18. Схема включения однофазного счетчика активной энергии

Для измерения реактивной энергии также используются ин­дукционные счетчики. Их принцип действия аналогичен рассмот­ренному. Некоторые различия в конструкции, организации подключения и, как следствие в векторных диаграммах, позволяют получить скорость вращения диска, пропорциональную значению текущей реактивной мощности.

Номинальная постоянная счетчика. Число оборотов диска, при­ходящееся на единицу учитываемой счетчиком энергии, называ­ют передаточным числом счетчика. Например, в паспорте сказано «2000 оборотов соответствуют 1 кВт · ч». Коэффициент, обратный передаточному числу, т.е. энергия, приходящаяся на один оборот диска, называется номинальной постоянной счетчика С ном. Напри­мер:

С ном = 3600 · 1000/2000 = 1800 Вт·с /об.

Зная С ном и число оборотов N , можно определить потребленную активную энергию:

W = С ном N.

Пример. Значение номинальной постоянной счетчика известно С ном = 1800 Вт·с/об. За время наблюдения зафиксировано 400 обо­ротов диска (N = 400 об). Определим значение активной энергии W, потребленной за время наблюдения:

W= 1800 · 400 = 720 000 Вт · с = 0,2 кВт · ч.

Классы точности индукционных счетчиков (задаются относительной погрешностью) обычно невысоки: 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0.

Обозначение индукционной системы на шкалах приборов:

Трехфазные счетчики. Для учета суммарной активной и реактивной энергии в трехфазных цепях исполь­зуются двухэлементные и трехэлемен­тные счетчики. В таких счетчиках при­меняются те же конструктивные эле­менты (два или три механизма), что и в однофазных приборах. Диски (два или три) закреплены на общей оси. Вращающие моменты дисков склады­ваются, и скорость вращения оси за­висит от суммарной текущей потреб­ляемой мощности. На рис. 3.19 упро­щенно показано устройство двухэле­ментного трехфазного счетчика.

Рис. 2.19. Двухэлементный трех­фазный счетчик

Скорость вращения в данном случае определяется суммой моментов М 1 и М 2 . Включаются трехфазные счетчики так же, как и трехфаз­ные ваттметры.

Сегодня в задачах измерения активной энергии все шире при­меняются цифровые (микропроцессорные) счетчики энергии. В за­дачах технических экспресс-измерений для оценки потребленной энергии в кратковременных экспериментах используют автоном­ные малогабаритные цифровые измерительные регистраторы (анализаторы), которые имеют режим вычисления активной и реак­тивной энергии или позволяют найти эти величины с помощью компьютера и специализированного программного обеспечения.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

На сайте сайт читайте: АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ.

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Студент должен

знать:

Принцип работы измерительных систем;

Значение угла поворота стрелки;

Достоинства и недостатки данных измерительных механизмов;

Применение в измерениях.

Индукционная измерительная система: устройство, векторная диаграмма, принцип работы, вращающий момент, применение. Электростатическая система: устройство, угол поворота подвижной части, защита от внешних электрических полей, применение. Вибрационная, выпрямительная, термоэлектрическая системы. Особенности работы, достоинства и недостатки, применение.

Материал для изучения

Индукционная система.

Принцип работы приборов индукционной системы основан на действии вращающегося, бегущего или переменного магнитного поля переменного тока (создаваемого одним или несколькими неподвижными электромагнитами) на подвижную часть, представляющую собой чаще всего металлический диск. Укрепленный на одной оси с указательной стрелкой алюминиевый диск помещается между электромагнитами таким образом, что их магнитные потоки, пронизывая диск, индуцируют в нем ЭДС и токи. Взаимодействие между индуцированными токами и переменными потоками электромагнитов вызывает вращение диска.

Индукционные приборы разделяются на однопоточные, вращающий момент которых создается взаимодействием одного потока и тока, и многопоточные, вращающий момент которых создается взаимодействием нескольких (не менее двух) потоков и токов.

В однопоточных приборах (рис. 2.3.1, а ) создаваемый катушкой 1 переменный магнитный поток пронизывает алюминиевый диск 3, индуцируя в нем ЭДС и токи. Укрепленный на асимметрично расположенной оси 2 диск перекрывает (экранирует) часть силовых линий магнитного поля катушки. Под влиянием сил взаимодействия потока и индуцированных токов диск поворачивается в сторону уменьшения его площади, находящейся в зоне действия магнитного поля. На рис. 2.3,1, б приведена принципиальная схема устройства простейшего двухпоточного прибора с одним электромагнитом и медным экраном. Переменный магнитный поток катушки 1 частично перекрывается экраном 3 и разбивается на две части: 1) пронизывающую часть диска 2, расположенную против экрана, и 2) пронизывающую часть диска, не закрытую экраном. Наличие экрана создает два пронизывающих диск потока, смещенных в пространстве. Кроме того, вследствие дополнительных потерь на вихревые токи в экране первый поток отстает по фазе от второго потока. Оба потока, сдвинутые по фазе и в пространстве, создают бегущее поле, поворачивающее диск в сторону направления вращения поля (от части полюса, не закрытой экраном, к закрытой). Иногда вместо медных экранов применяют короткозамкнутые медные витки (кольца), которые надеваются на катушки с таким расчетом, чтобы они перекрывали часть полюсных наконечников. Одно и двухпоточные приборы с экраном обладают сравнительно небольшим вращающим моментом и в настоящее время не применяются.

На рис. 2.3.2 приведены принципиальная схема устройства и векторная диаграмма двухпоточного индукционного прибора с бегущим полем. Укрепленный симметрично на оси 2 алюминиевый диск 3 пронизывается двумя смещенными в пространстве потоками Ф 1 и Ф 2 .

Если переменные токи I 1 и I 2 , протекающие по обмоткам двух катушек 4 и 5, сдвинуты по фазе на угол y, то из предположения, что сердечники катушек не насыщены, а потери на гистерезис и вихревые токи в них отсутствуют, следует, что и потоки Ф 1 и Ф 2 будут сдвинуты по фазе на тот же угол y. Потоки Ф 1 и Ф 2 , пронизывая диск, будут индуцировать в нем ЭДС Е 1 и Е 2 , вызывающие в диске токи I" 1 и I" 2 . Электродвижущие силы Е 1 и Е 2 и совпадающие с ними по фазе токи I" 1 и I" 2 будут отставать от своих потоков на угол p/2.

Результирующий момент слагается из двух моментов: момента М 1 , возникающего от взаимодействия потока Ф 1 с током I" 2 , и момента М 2 , создаваемого взаимодействием потока Ф 2 с током I" 1 . Значения моментов, возникающих от взаимодействия между собственными потоками и токами (Ф 1 с током I" 1 и Ф 2 с током I" 2), незначительны, а если принять, что диск имеет только активное сопротивление, то они равны нулю (так как угол сдвига между потоком и током, им индуцированным, равен p/2). Подвижная часть приборов, обладающая значительной инерцией, не будет реагировать на изменения мгновенных значений вращающего момента в течение каждого периода переменного тока, и отклонение ее вместе со стрелкой 1, а, следовательно, и показания прибора будут зависеть от среднего значения вращающего момента. Как известно, среднее за период значение вращающего момента М ВР от взаимодействия переменного потока Ф с индуцированным им в диске током I пропорционально значениям взаимодействующих потока Ф и тока I, а также косинусу угла g сдвига по фазе между ними, т.е.

.

Моменты М 1 и М 2 могут быть определены по следующим формулам:

; .

На основании данных векторной диаграммы, приведенной на рис. 2.3.2, б , эти равенства могут быть представлены в следующем виде:

;

.

Противоположные знаки моментов М 1 и М 2 указывают на то, что один контур тока (I" 1) втягивается во взаимодействующее с ним поле (Ф 2), а другой (I" 2) выталкивается из взаимодействующего с ним поля (Ф 1). Оба момента совпадают по направлению и поворачивают диск в одну и туже сторону, что подтверждается проверкой по правилу левой руки с учетом сдвига фаз между потоками и токами.

Поэтому результирующий момент, действующий на диск, равен . Результирующий момент направлен в сторону от опережающего по фазе потока (в данном случае Ф 1) к отстающему. При неизменном сопротивлении диска и синусоидальном характере изменения потоков с частотой f токи равны: ; . Тогда выражение для результирующего момента примет следующий вид:

Вращающий момент индукционных приборов пропорционален произведению магнитных потоков, пронизывающих контур, синусу угла сдвига между ними и зависит от частоты тока. Из последней формулы следует, что для создания вращающего момента необходимо иметь не менее двух переменных потоков (или двух составляющих одного потока), сдвинутых по фазе и смещенных в пространстве. В случае совпадения потоков по фазе y = 0 и siny = 0 вращающий момент равен нулю. Максимальный вращающий момент будет при наибольших значениях магнитных потоков и сдвига фаз между ними в ¼ периода (y = 90° и siny = 1). При ненасыщенных сердечниках потоки Ф 1 и Ф 2 прямо пропорциональны токам I 1 и I 2 , протекающим по обмоткам катушек 4 и 5 (рис. 2.3.2) и, следовательно, значение результирующего момента равно

М ВР = k f I 1 I 2 sin y.

Противодействующий вращению подвижной части момент М ПР может быть создан пружиной (при использовании в качестве ваттметра), и в этом случае он будет пропорционален углу закручивания a: М ПР = D КР a. Для момента равновесия М ВР = М ПР или

k f I 1 I 2 sin y = D КР a, откуда угол поворота подвижной части прибора равен

,

т.е. пропорционален произведению токов, проходящих через катушки (либо пронизывающих диск потоков), синусу угла сдвига между ними и зависит от частоты тока.

К числу достоинств индукционных приборов следует отнести большой вращающий момент (до 5 г·см), малое влияние внешних магнитных полей, стойкость к перегрузкам (подвижная часть приборов не требует подвода тока и выполняется весьма прочной), надежность в работе. Изменение температуры окружающей среды вызывает изменение активного сопротивления диска, что в некоторой степени влияет на показания приборов.

В отличие от приборов переменного тока других систем индукционные приборы могут применяться в сетях с одной определенной частотой: на приборах обычно указывается номинальная частота измеряемой величины. Даже небольшое изменение частоты, как в сторону ее увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к большим погрешностям измерений. В связи с этим амперметры и вольтметры индукционной системы не получили широкого распространения.

Индукционные измерительные механизмы используются преимущественно в счетчиках электрической энергии для цепей переменного тока промышленной частоты.

Вибрационная система.

Измерение частоты резонансным (вибрационным) частотомером основано на возникновении явления резонанса гибких стальных пластин, вибрирующих под влиянием переменного магнитного потока. Применяют две конструкции измерительных механизмов частотомеров – с непосредственным и косвенным возбуждением.

Измерительный механизм частотомера с непосредственным возбуждением (рис. 2.3.3,а) имеет электромагнит 1, обмотка которого включается в контролируемую сеть подобно вольтметру. В поле электромагнита находятся два ряда гибких стальных пластин 3, закрепленных в основаниях 4. Прибор имеет лицевую панель 2, в окнах которой видны отогнутые края пластин, окрашенные в белый цвет. Вдоль отверстий лицевой панели нанесены деления шкалы с интервалом в 0,5 Гц, обычно соответствующим разности частот собственных колебаний двух соседних пластин.

Под влиянием переменного поля электромагнита, вызванного током, частота которого измеряется, пластины частотомера в момент похождения тока через амплитудное значение притягиваются к электромагниту и удаляются от него при каждом нулевом значении тока. С наибольшей амплитудой колеблется та пластина, частота собственных колебаний которой равна удвоенному значению измеряемой частоты. Отогнутый конец этой пластины виде в окне шкалы, как прямоугольник, и указывает на шкале значение частоты (рис. 2.3.3, б ).

У частотомера с косвенным возбуждением (рис. 2.3.3, в ) электромагнит 1 притягивает якорь 6, к которому через основание 4 прикреплен один ряд гибких стальных пластин 3. Якорь и пластины прикреплены к эластичной опоре 5. При включении электромагнита в контролируемую цепь пластины начинают колебаться с удвоенной частотой.

Резонансные частотомеры выполняются на диапазоны частот 45 – 55 и 450 – 550 Гц. Их точность соответствует классам 1,0 и 1,5.

Электростатическая система.

Электростатическими называются приборы, вращающий момент которых создается в результате действия сил электрического поля, возникающих между разноименно заряженными проводниками – электродами измерительного механизма. Указанный способ создания вращающего момента принципиально отличает электростатические приборы от всех приборов непосредственной оценки, у которых вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитного поля измерительного механизма с током.

Электростатический измерительный механизм представляет собой конденсатор той или иной конструкции, емкость которого изменяется при перемещении его подвижной части, вызванном подключением к электродам прибора нагрузки, напряжение которой измеряется. Величина перемещения связана определенной зависимостью со значением напряжения. Электрическая емкость конденсатора, как известно, прямо пропорциональна абсолютной диэлектрической проницаемости диэлектрика, разделяющего электроды, и активной площади S электродов, т.е. площади нормальной проекции подвижного электрода на неподвижный, обратно пропорциональна расстоянию между электродами d. В зависимости от способа изменения емкости измерительные механизмы разделяются по конструкции на два вида.

На рис. 2.3.4, а представлен механизм, емкость которого изменяется под воздействием сил электрического поля в результате изменения d при практически неизменной активной площади S . Электроды 7 и 5 жестко прикреплены к деталям из изоляционного материала; они представляют собой неподвижную часть измерительного механизма. Электрод 6 прикреплен к планке 4 эластичными металлическими лентами; он является основной деталью подвижной части. При измерении постоянного напряжения U пластины 7 и 6 заряжаются одноименными по знаку зарядами, а пластина 5 – зарядами противоположного знака. Под действием сил электрического поля пластина 6 отталкивается от пластины 7 и притягивается к пластине 5. Перемещение пластины 6 вправо вызывает линейное перемещение прикрепленной к ней тяги 2, а, следовательно, и поворот оси 3 со стрелкой 1 на некоторый угол. Противодействующий момент у измерительных механизмов такой конструкции создается силой веса пластины 6 при отклонении ее от вертикального положения.

У измерительного механизма на рис. 2.3.4, б емкость изменяется вследствие изменения активной площади S при неизменной d. При подключении напряжения неподвижные пластины 8 и 9 заряжаются одноименными зарядами, а пластины 10 подвижной части – зарядами противоположного знака. Под действием сил электрического поля пластины 10 поворачиваются так, чтобы активная площадь увеличивалась, т.е. на рис. 2.3.4, б по часовой стрелке. Часто подвижная часть таких измерительных механизмов закрепляется на растяжках, а у более чувствительных приборов – на подвесе. Тогда указателем служит луч, отраженный от зеркала, закрепленного на растяжке или подвесе. противодействующий момент создается силами упругости спиральной пружины, растяжек или подвеса.

Определим вращающий момент М электростатического измерительного механизма в цепи постоянного тока на основании уравнения . Энергия измерительного механизма в данном случае есть энергия электрического поля конденсатора, образованного электродами этого механизма, т.е. , тогда . Так как противодействующий момент М ПР = Wa (W – удельный противодействующий момент, зависящий только от свойств упругого элемента), то уравнение шкалы электростатического прибора в цепи постоянного тока . Из формулы ясно, что знак угла отклонения a не зависит от полярности измеряемого напряжения, следовательно, электростатические приборы пригодны для измерения в цепях переменного тока. В этом случае мгновенный вращающий момент , где u – мгновенное значение переменного напряжения. За период Т изменения напряжения подвижная часть ввиду ее инерционности не сможет существенно изменить своего положения и отклонение определяется средним значением вращающего момента: .

Но , где U – действующее значение измеряемого напряжения. Выражение вращающего момента соответствует формуле вращающего момента для постоянного тока, следовательно, уравнение шкалы такого механизма в цепи переменного тока тождественно при условии замены постоянного напряжения действующим значением измеряемого переменного напряжения.

Из выведенных уравнений очевидно, что на основе электростатического измерительного механизма может быть выполнен вольтметр, непосредственно измеряющий напряжение постоянного или переменного тока без предварительного преобразования этой величины. Из двух конструкций измерительного механизма более распространена конструкция, приведенная на рис. 2.3.4, б . Шкала электростатического вольтметра неравномерна, так как угол a пропорционален квадрату напряжения, однако она может быть существенно линеаризована. Это достигается выполнением электродов 3 (рис. 2.3.4, б ) такой формы, чтобы множитель d С / d a в формуле угла поворота при увеличении a уменьшался. Электростатический вольтметр для создания вращающего момента не нуждается в потреблении тока от объекта измерения. Однако ввиду наличия емкости и некоторой проводимости изоляции измерительного механизма прибор в цепи переменного тока потребляет незначительный емкостный ток и крайне малый ток утечки изоляции (при измерении постоянного напряжения – только ток утечки). Входное сопротивление электростатических вольтметров очень велико – оно достигает 10 10 Ом, а емкость мала – измеряется десятками пикофарад. Очень малое потребление тока из контролируемой цепи является одним из существенных преимуществ электростатических вольтметров. Другое преимущество – широкий частотный диапазон применения, измеряемый десятками мегагерц.

Недостатком электростатических измерительных механизмов являются малый (меньший, чем у всех рассмотренных механизмов) вращающий момент и, как следствие этого, малая чувствительность. Они нечувствительны к внешним магнитным полям, но чувствительны к электрическим. Для защиты от них измерительные механизмы помещают в электростатические экраны – замкнутые поверхности из электропроводящих металлов, например из фольги, или в металлические корпуса, которые обычно заземляют.

Температурные погрешности рассматриваемых приборов возникают ввиду зависимости упругих свойств пружин, растяжек или подвесов от температуры. Они не превышают 0,2 % диапазона измерения. Частотная погрешность электростатических приборов, а также погрешность, зависящая от формы кривой измеряемого напряжения, малы. Это позволяет использовать приборы в широком диапазоне частоты измеряемого сигнала, достигающем десятков мегагерц (в частности в радиотехнических целях) при точности измерения, соответствующей классам 0,5; 1,0; 1,5.

Выпускаются переносные и щитовые одно- и многопредельные электростатические приборы. Основная область применения переносных приборов – экспериментальные, исследовательские работы, требующие высокой точности измерения напряжения, тока, выполняемого как в мощных, так и в маломощных цепях в диапазоне напряжений от 10 В до 300 кВ с верхним пределом частоты до десятков мегагерц. Щитовые приборы применяют главным образом в стационарных электроэнергетических установках высокого напряжения, в частности постоянного тока.