Если подключить конденсатор к источнику синусоидального напряжения U на выходе, то через него протекает переменный ток (зарядный ток)
Среднеарифметическое значение полупериодов зарядного тока одной полярности, измеренное прибором магнитоэлектрической системы, пропорционально амплитудному значению высокого напряжения. Измерить это среднее значение можно при помощи схемы, изображенной на рис. 91. Здесь вентиль В1 служит для выпрямления зарядного тока, вентиль В2 пропускает зарядный ток емкости во второй полупериод, когда ток имеет противоположное направление. Предохранитель с инертным газом SF защищает выпрямитель и измерительный прибор А при возможных перегрузках.
Рис. 91. Измерение амплитуды напряжения по Хубу и Фортескье.
Если пренебречь внутренним сопротивлением выпрямителя в прямом направлении и падением напряжения на внутреннем сопротивлении
амперметра, то среднее значение тока, протекающего по прибору магнитоэлектрической системы, будет равно?
и тогда
В уравнениях предполагается, что амплитудные значения положительного и отрицательного полупериодов одинаковы. Кроме того, высокое напряжение в течение полупериода должно иметь только один максимум. Если же напряжение имеет более Одного максимума за полупериод (рис. 92), то зарядный ток (интервал времени t1—t2) изменяет свой знак и вентиль, включенный в ветвь с прибором, заперт. Ток, протекающий через конденсатор в течение интервала времени t1—t2, при вычислении среднего значения I-м не учитывается.
Для того чтобы убедиться в отсутствии многомодальности кривой напряжения, осциллографируют зарядный ток высоковольтного конденсатора. В течение полупериода напряжения зарядный ток должен переходить через нуль только один раз. При возникновении у испытуемого объекта сильных поверхностных и кистевых разрядов в кривой напряжения могут быть явно выражены частичные максимумы и минимумы, которые являются источником заметных погрешностей. Здесь весьма полезным может оказаться демпфирующее сопротивление R между подводящим проводом высокого напряжения и конденсатором, которое придает измерительному устройству свойства фильтра низких частот и поэтому при не очень сильных частичных разрядах устраняет погрешности, возникающие из-за промежуточных максимумов. Верхний предел значения демпфирующего сопротивления вытекает из того требования, чтобы при частоте измеряемого напряжения с желаемой точностью соблюдалось условие R<1/wC. Численное значение погрешности для определенной частоты может быть найдено по формуле
где Uh— действительное высокое напряжение, приложенное к испытуемому объекту; Um — измеренное напряжение. Так как показания прибора магнитоэлектрической системы непосредственно пропорциональны основной частоте, то при этом способе измерения необходимо одновременно измерять частоту.
В устройстве для измерения амплитудного напряжения с цифровым выходом, разработанном Боеком [Л. 232], нет необходимости в отдельном измерении частоты (рис. 93). 107 В схеме этого устройства зарядный ток, пропорциональный напряжению, преобразуется аналогово-цифровым преобразователем в среднюю частоту fср. пропорциональную току, а отношение частот fcp/f измеряется при помощи избирательной схемы и цифрового электронного счетчика. С избирательной схемы на вход счетчика подается в течение промежутка времени ∆t=р/f установленное число периодов переменного напряжения.
Рис. 92. Форма кривых напряжения и тока с высшими гармоническими составляющими (более одного максимума за полупериод).
За этот промежуток времени счетчик получает следующее число импульсов:
где А— постоянная аналогово-цифрового преобразователя. Соответствующим выбором параметра R и числа периодов р можно получить показания непосредственно в кВ.
Устройство для измерения амплитудного напряжения по Хубу—Фортсскье содержит высоковольтный измерительный конденсатор и помещенные в экран выпрямитель и прибор магнитоэлектрической системы. Конденсатор и прибор соединены между собой длинным коаксиальным кабелем. Емкость кабеля оказывается подключенной параллельно выпрямителю и в зависимости от его длины и желаемой точности ее следует учитывать при проведении измерений. В качестве измерительной емкости обычно применяют масляные конденсаторы, а при более высоких требованиях к точности измерении — конденсаторы под давлением инертного газа. В случае применения масляных конденсаторов их емкость должна быть не менее 100 пФ, чтобы снизить влияние места установки на их фактическую емкость (вследствие изменения распределенных емкостей по отношению к земле).
Рис. 93. Измерение амплитудных напряжений цифровым прибором.
1 — аналого-цифровой преобразователь (напряжение — частота): 2 — избирательная схема; 3 — цифровой показывающий прибор (счетчик).
У конденсаторов под давлением инертного газа, благодаря экранированной коаксиальной конструкции, значение емкости не зависит от места установки и расположения окружающих предметов. При применении устройства для измерения амплитудного напряжения необходимо соблюдение определенных условий, перечисленных в VDE 0433 [Л. 233]. Результирующая погрешность для измерения амплитудного напряжения по Хубу — Фортескье складывается из погрешности емкости, а также погрешностей измерения тока и частоты. При точных измерениях следует учесть еще погрешности, вносимые внутренними сопротивлениями выпрямителя и прибора, которыми мы до сих пор пренебрегали, а также влияние емкостей кабеля и экрана. Результирующая погрешность может быть ограничена до 0,34% [Л. 232]. У производственных измерительных устройств результирующая погрешность обычно около 2%.
