Содержание материала

Принцип действия электростатического вольтметра, как известно, основан на действии сил электрического поля

где Wэл—энергия, запасенная электростатическим полем, а s —параметр, ее изменяющий.     

Так, например, обкладки плоского конденсатора площадью S и расстоянием между ними s притягиваются друг к другу с усилием, равным

Если укрепить электрод так, чтобы он был подвижным, то это усилие можно измерить при помощи соответствующего показывающего устройства по отклонению возвратной пружины, соединенной с подвижным электродом. У электростатических вольтметров, применяемых для измерений высоких напряжений, чаще всего подвижен не весь электрод, а только его небольшая поворачивающаяся пластинка, которая находится в круговом секторе одного из двух электродов. Усилие пропорционально квадрату напряжения, поэтому киловольтметр электростатической системы измеряет действующее значение переменного напряжения. При измерении постоянного напряжения отклонение электрода измерительного механизма не зависит от полярности. Расчет усилий по известным форме и размерам электродов часто сопряжен с трудностями, так как емкость может быть точно определена только при сравнительно простых конфигурациях электродов. В тех случаях, когда для выбранного конструктивного исполнения (например, для устройства с охранным кольцом) можно точно определить емкость, электростатический вольтметр может быть применен в качестве прибора для измерения абсолютных значений, так как измерение высокого напряжения сводится к измерению длин и усилий [Л. 125—132]. Вследствие квадратичной зависимости между усилием и измеряемым напряжением шкалы у электростатических измерительных приборов также получаются квадратичными. Применяя электроды соответствующей формы, можно изменить характер шкалы и на небольшом отрезке сделать ее равномерной.
Большое преимущество электростатических вольтметров состоит в том, что они очень мало нагружают измеряемую цепь. Такое требование ставится прежде всего при измерении напряжения маломощных источников постоянною напряжения, а также электростатических зарядов. Нагрузка на источники постоянного напряжения возникает только в момент заряда емкости вольтметра, подключаемого к цепи высокого напряжения. Так как емкость вольтметра колеблется в пределах 5—50 пФ, а сопротивление утечки при соответствующем выборе изоляционных материалов может быть очень велико (порядка 1013 Ом), то можно считать, что электростатический вольтметр вообще не создает никакой нагрузки на измеряемую цепь. Потребляемая реактивная мощность при измерениях переменного напряжения, равная U2ωC, должна учитываться только при очень высоких частотах.
Верхняя предельная частота электростатического вольтметра зависит от его конструкции и определяется собственным резонансом между индуктивностью подводящих проводов и емкостью измерительного механизма, RС-характеристикой цепочки из сопротивления возвратной пружины и емкости измерительного механизма, а также проблемой изоляционного материала, так как диэлектрические потери в вводах и изоляторах при высоких частотах приводят к слишком большим местным нагревам. Обычно верхняя предельная частота имеет порядок мегагерц.
Пример конструкции электростатического киловольтметра [Л. 133] приведен на рис. 74. Между двумя дисковыми, плоскими и не коронирующими электродами 1 и 2 возникает примерно однородное электрическое поле. У одного из плоских электродов в центре сделано круглое отверстие, в котором находится диск 3, укрепленный так, что он может поворачиваться. При приложении измеряемого напряжения· на подвижный диск воздействует сила, направленная в сторону противолежащего плоского электрода. Поворот подвижного органа фиксируется на шкале 4 при помощи зеркальца 5 и светового указателя. Для демпфирования вибраций, возможных у подвижного органа, служат два воздушных успокоителя (не показаны). Отклонение подвижного диска настолько мало, что однородность электрического поля почти не нарушается. Подгонка диапазона измерения производится путем изменения расстояния между плоскими электродами.
С увеличением расстояния между плоскими электродами по отношению к их диаметру повышается чувствительность измерительного прибора к влиянию внешних полей и, так же как при заземлении одного из электродов искрового промежутка, появляется эффект полярности [Л. 133].

При достаточно тщательной градуировке эти приборы имеют класс точности 1; большая точность вследствие их высокой механической чувствительности вряд ли может быть получена в ближайшее время. Электростатические киловольтметры выпускаются для напряжений до 600 кВ*. При применении электростатических вольтметров для измерения высоких напряжений следует иметь в виду, что наибольшее значение напряжения, указанное на шкале, иногда относится только к постоянному напряжению, так как при переменных напряжениях изоляция киловольтметра испытывает воздействие, амплитуда которого при том же действующем значении напряжения в √2 раз больше, чем на постоянном токе.

Рис. 74. Схематическое изображение электростатического вольтметра по Штарке—Шредеру.

Большое число работ посвящено повышению чувствительности электростатических вольтметров. Так, например, в приборе, предложенном Гейгером [Л. 128], изменение емкости, возникающее при отклонении подвижного электрода, используется для расстройки колебательного контура. Расстройка влияет на анодный ток схемы генератора. После соответствующего усиления и выпрямления анодный ток, измеренный стрелочным прибором, является мерой высокого напряжения. Бенинг вместо подвижной пластинки вольтметра применил мембрану, отклонение которой может быть измерено с большой чувствительностью при помощи пневматического показывающего устройства, не находящегося под напряжением и расположенного на большом расстоянии от прибора [Л. 130, 131].
Усилия, создаваемые электрическим полем на подвижном электроде, можно компенсировать также при помощи катушки, создающей магнитное поле [Л. 134].
В заключение следует упомянуть об электростатическом киловольтметре по Хветеру [Л. 135], подкупающем своей простотой, а также преимуществами при очень высоких напряжениях. С увеличением значений измеряемых напряжений получать электрические поля определенной формы делается все труднее. Затраты на экранирующие кожухи для подавления короны вблизи измерительного механизма оказываются слишком большими. Эти конструктивные трудности могут быть преодолены, если собственно измерительный механизм сделать больших габаритов — в виде шарового разрядника (рис. 75). Усилие, с которым притягиваются шары, может быть определено по формуле Томсона [Л. 250].
1 В СССР до 300 кВ. Прим. ред.

При напряжениях около 1 МВ механическое усилие имеет порядок килограммов. Масляный успокоитель препятствует возникновению механических колебаний. После арретирования подвижного шара киловольтметр можно использовать как обычный шаровой разрядник для измерения амплитуды напряжения.