Электростатические (ЭС) вольтметры применяются в основном для измерения напряжений в высоковольтных цепях как постоянного, так и переменного тока.
Конструкция и принцип действия.Принцип действия устройства электростатического механизма основан на взаимодействии заряженных электродов. В основе конструкции этого ИМ (рис. 3.13) два электрода (алюминиевые пластины, между которыми воздушный зазор), образующих переменную емкость. Измеряемое напряжение U подается на неподвижную пластину 1, образующую своеобразную камеру, и подвижную 2, закрепленную на оси 3. Спиральная пружина 4 служит для создания противодействующего момента Мпр. Стрелка 5 и шкала 6 образуют отсчетное устройство.
Подведенное к пластинам напряжение U создает между пластинами электрическое поле. Под действием электростатических сил притяжения подвижная пластина втягивается в камеру неподвижной пластины, поворачивая при этом ось со стрелкой. Чем выше приложенное (измеряемое) напряжение U, тем глубже входит подвижная пластина внутрь неподвижной (увеличивается площадь перекрытия пластин) и тем больше угол поворота. Геометрия подвижной пластины выбирается такой, чтобы повысить линейность (равномерность) шкалы прибора.
Рис. 3.13. Устройство электростатического механизма: 1 – неподвижная пластина; 2 – подвижная пластина; 3 – ось; 4 – спиральная пружина; 5 – стрелка; 6 – шкала
Вращающий момент М равен производной энергии этой электромеханической системы по углу поворота α :
М = ,
где U – напряжение на пластинах; С – емкость между пластинами; α – угол поворота оси сердечника.
Противодействующий момент определяется по формуле
Мпр = αΩ,
где Ω – удельный противодействующий момент.
Моменты М И Мпр направлены навстречу друг другу. С ростом угла поворота а противодействующий момент Мпр пропорционально растет. Это происходит до тех пор, пока моменты не станут равными. При М = Мпр
= αΩ
Следовательно, уравнение шкалы ЭС вольтметра имеет вид
.
Из последнего уравнения следует, во-первых, что ЭС приборы могут измерять напряжение в цепях и постоянного, и переменного тока, а во-вторых, что шкала у ЭС вольтметров – нелинейная (квадратичная).
Расширение диапазонов измеренияЭС вольтметров можно выполнять несколькими способами. На постоянном токе это делается с помощью резистивного делителя напряжения (рис. 3.14, а). На переменном токе используют емкостной делитель напряжения (рис. 3.14, б) или, в крайнем случае, добавочный конденсатор (рис. 3.14, в), который совместно с емкостью самого ЭС механизма также создает делитель напряжения.
Особенности ЭС вольтметров.К достоинствам ЭС вольтметров можно отнести следующие:
• высокое входное сопротивление (на постоянном напряжении – практически бесконечное, а на низких и средних частотах составляет десятки мегаом и более), что означает чрезвычайно малое собственное потребление энергии от источника измеряемого напряжения;
• реакция на среднее квадратическое (действующее) значение напряжения не зависит от формы сигнала;
• широкий диапазон частот измеряемых напряжений (единицы – десятки мегагерц);
сравнительно высокая точность (типичные классы точности 1,0…1,5);
простая конструкции и, следовательно, достаточная надежность.
Недостатки ЭС вольтметров:
• нелинейная шкала;
• малая чувствительность;
• возможное значительное влияние внешних электрических полей, требующее экранирования механизма.
Основное применение ЭС вольтметров – измерения в высоковольтных цепях, в маломощных цепях, а также в цепях с высокочастотными сигналами.
Обозначение вольтметров ЭС системы на шкалах:
Обозначение ЭС вольтметров с экранированным ИМ: