ЛЕКЦИЯ 8.
Электростатический измерительный механизм представляет собой воздушный электрический конденсатор с неподвижной и подвижной пластинами (табл.5.1,г). Обычно подвижная пластина подвешена на упругих растяжках, создающих противодействующий момент 
при закручивании. Приложенное к пластинам напряжение возбуждает на них заряды противоположного знака. Вследствие взаимодействия заряженных пластин вращающий момент 
Таким образом, в отличие от предыдущих систем, электростатический прибор является измерителем напряжения.
В случае напряжения переменного тока 
мгновенное значение вращающего момента 
Аналогично электромагнитному измерительному механизму вращающий момент 
где U – действующее значение напряжения. При 
что подтверждает возможность применения электростатических приборов в цепях постоянного и переменного токов, так как при изменении полярности напряжения U направление отклонения подвижной части не меняется. В цепях переменного тока измеряется действующее значение напряжения.
Выбором формы пластин, т.е. характера изменения множителя 
удается получить практически линейную шкалу в пределах 25-100%.
Малая чувствительность электростатического измерительного механизма вынуждает использовать световой отсчет угла поворота по шкале с помощью зеркальца, прикрепленного к растяжке (табл.5.1г), без дополнительной нагрузки на подвижную часть.
Исключительной особенностью электростатических приборов является малое потребление в цепях переменного тока в виду незначительной величины емкости, не превышающей нескольких сот пикофарад. На постоянном токе потребление практически отсутствует. Входное сопротивление достигает величины 1010-1014 Ом. Такие параметры позволяют использовать электростатические приборы в диапазоне частот до 14-15 МГц.
Основным недостатком вольтметров электростатической системы является низкий вращающий момент, из-за чего диапазон измеряемых напряжений ограничен снизу значением 30 В, и он может применяться только при условии защиты от вибраций и тряски.
Верхний диапазон измерения выпускаемых вольтметров класса точности 0.5; 1.0; 1.5 достигает 75 кВ.
Обозначение типа приборов различных систем и характер измеряемого тока приведены в табл.5.1.
Логометры – приборы электромеханической группы, измеряющие отношение двух электрических Y 1 и Y 2:
a = F (Y 1 / Y 2).
Они могут быть созданы по принципу действия рассмотренных измерительных механизмов. Рассмотрим на примере магнитоэлектрического логометра. В логометрах две подвижные части жестко скреплены на одной оси. Одна из них создает вращающий момент, а другая – противодействующий. (Вращающий и противодействующий моменты создаются электрическим путем). Направления величин Y 1 и Y 2 должны выбираться такими, чтобы моменты М 1 и М 2, действующие на подвижную часть, были направлены навстречу друг другу. Хотя бы один из моментов должен зависеть от угла поворота. Значит один из параметров, определяющих значение момента, должен являться функцией угла a. Технически наиболее просто сделать зависящей от угла поворота индукцию В. Для этого магнитное поле в зазоре должно быть неравномерным.
В магнитоэлектрическом логометре (рис.8.1,а) подвижная часть состоит из двух жестко скрепленных между собой рамок.
Токи I 1 и I 2 в обмотки рамок подаются безмоментными токоподводами. Поле в зазоре делается преднамеренно неравномерным, что достигается неравномерностью зазора (с этой целью сердечник на рис. 8.1,а сделан эллипсоидным), т.е. индукция в зазоре является функцией угла поворота В (a). Поэтому рамки находятся в полях различной интенсивности и создают моменты М 1= B 1(a) S1w1I1 и M 2= B 2(a) S2w2I2, направленные встречно. При равенстве этих моментов наступает установившееся положение B 1(a) S 1w1 I 1= B 2(a) S 2w2 I 2, откуда
.
Или выражение для угла поворота можно представить так:
a = F (
).
Отсюда видно, что отклонение подвижной части логометра зависит от отношения токов в его обмотках.
Измерительные механизмы магнитоэлектрических логометров применяют прежде всего в омметрах (схема рис. 8.1, б). Измеряемое и известное сопротивления R x и R н включены в цепи подвижных рамок, питаемых от общего источника напряжения U0. Показание омметра a= F (
), (R 1, R 2 – сопротивления рамок), определяется значением Rx и не зависит от величины напряжения питания. Известны промышленные омметры такого типа с диапазоном измерения от 100 Ом до 1000 МОм класса 1.0; 1.5.
Электронные измерительные приборы .
Электронные измерительные приборы занимают особое место среди магнитоэлектрических приборов с преобразователями переменного тока в постоянный. В ряде случаев электронные приборы оказываются незаменимыми, и их применение значительно расширяет возможности электроизмерительной техники.
К числу основных достоинств электронных приборов нужно отнести их повышенную чувствительность по сравнению с другими электромеханическими приборами переменного тока. Приборы могут работать в широком диапазоне частот – от постоянного тока до частот 103 МГц. Практическое отсутствие потребления мощности от измерительной цепи позволяет использовать их для измерения в маломощных цепях.
Наряду с достоинствами электронные приборы обладают также и недостатками, к числу которых следует отнести их сравнительно невысокую точность и необходимость внешних источников питания.
Наиболее распространенными приборами являются электронные вольтметры постоянного и переменного тока, приборы для измерения параметров электрических цепей, электронные фазометры, частотомеры.
Рассмотрим на примере аналоговых электронных вольтметров.
Аналоговые электронные вольтметры.
Аналоговый электронный вольтметр (АЭВ) – это измерительный прибор, представляющий собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрического или цифрового измерителя. Различают АЭВ постоянного, переменного, импульсного токов, фазочувствительные, селективные, универсальные.
Электронные аналоговые вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 8.2, а.
Измеряемое напряжение подается на входное устройство Вх.У, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель напряжения на резисторах. С делителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока УПТ и далее – на стрелочный прибор V. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напряжение до значений, необходимых для нормальной работы прибора. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи вольтметра с низким сопротивлением рамки прибора магнитоэлектрической системы. Высокое входное сопротивление электронного вольтметра (несколько десятков мегаом) позволяет производить измерение напряжения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения.
Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра, к усилителям постоянного тока, применяемым в электронных вольтметрах, предъявляются жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиления, температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметров для измерения малых напряжений эти требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому электронные вольтметры постоянного тока для измерения малых напряжений выполняются по схеме рис. 8.2, б.
В таких вольтметрах постоянное измеряемое напряжение вначале преобразуется модулятором М в переменное, а далее усиление измеряемого сигнала осуществляется усилителем переменного тока У, обладающим лучшими метрологическими характеристиками по сравнению с усилителями постоянного тока. Выпрямленное выпрямителем (детектором) Д, напряжение подается на стрелочный прибор V. Это позволяет получить электронные микровольтметры с нижним пределом измерения порядка 10-8 В.
Электронные вольтметры переменного тока выполняют по двум структурным схемам (рис. 8.2, в,г). В первой из этих схем измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется детектором Д, а затем усиливается усилителем постоянного тока. Во второй схеме усиление производится на переменном токе и лишь затем, предварительно усиленный сигнал, выпрямляется детектором. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. Вольтметры, построенные по первой схеме, позволяют измерять напряжение переменного тока в широком частотном диапазоне (10 Гц до 1000 МГц), но не дают возможности измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта, так как детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения. Вторая схема позволяет строить более чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако такие приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать достаточно широким.
Важнейшим элементом электронного вольтметра, в значительной мере определяющим его метрологические характеристики, является детектор. Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднему квадратическому значению измеряемого напряжения. Характер этой зависимости определяет, на какое из этих значений реагирует магнитоэлектрический стрелочный прибор. Соответственно, различают вольтметры средних, амплитудных и средних квадратических (действующих) значений. Необходимо, однако, помнить, что шкалу электронного вольтметра обычно градуируют в действующих значениях напряжения синусоидальной формы и это следует учитывать при измерении и при анализе погрешностей, обусловленных отклонением формы реального измеряемого сигнала от синусоиды.
Простейшими вольтметрами с преобразователями средневыпрямленных значений являются выпрямительные вольтметры, которые мы рассматривали ранее в лекциях в разделе «Комбинированные аналоговые измерительные приборы (авометры)», выполненные на основе пассивных (без применения усилительных схемных элементов). Преобразователи выполняются на полупроводниковых диодах, работающих на линейном участке вольт-амперной характеристики.
Повышение чувствительности, расширение пределов измерения и улучшение линейности функции преобразования в электронных вольтметрах достигается применением активных преобразователей средневыпрямленных значений.
Вольтметры средних квадратических значений строятся по структурным схемам, приведенным на рис 8.2, в,г. Детекторы среднего квадратического значения используют квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода или диодной цепочки, в результате чего постоянная составляющая напряжения на выходе детектора оказывается пропорциональной квадрату среднего квадратического значения измеряемого напряжения, независимо от формы этого напряжения. В некоторых вольтметрах в качестве детектора среднего квадратического значения применяются термоэлектрические преобразователи.
Принцип действия амплитудного детектора (рис. 8.3, а), когда показания a микроамперметра пропорциональны амплитудному значению измеряемого напряжения, т.е. 
, основан на заряде конденсатора С через диод VD до амплитудного значения измеряемого напряжения и медленном его разряде через нагрузочный резистор R.
Параметры детектора подобраны таким образом, чтобы при первой положительной полуволне измеряемого напряжения u(t)=Umsinwt большим импульсом тока i Д через открытый диод VD осуществлялся быстрый заряд конденсатора С до некоторого значения напряжения UC 1 (рис. 8.3, б) и медленный разряд на резистор R с момента, когда u (t)< UC 1 и при отрицательной полуволне напряжения u(t).
При второй положительной полуволне конденсатор С вновь подзарядится до напряжения UC 2> UC 1, и примерно через (3-4) Т конденсатор зарядится до амплитудного значения напряжения, т.е. UC 
Um.
Если измеряемое напряжение 
, подаваемое на вход преобразователя амплитудного значения с открытым входом (рис. 8.3, а) содержит кроме переменной еще и постоянную составляющую, т.е. 
, то показания микроамперметра будут пропорциональны сумме 
.