15. ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И МГНОВЕННЫХ ЗНАЧЕНИИ ПЕРЕМЕННЫХ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ РОТОРНЫМИ И ГЕНЕРИРУЮЩИМИ ВОЛЬТМЕТРАМИ
Вольтметры, работающие по генераторному принципу, находят применение в случаях, когда из-за большого внутреннего сопротивления источника постоянного напряжения измерения должны производиться без потребления энергии или когда измеряемые напряжения столь высоки, что обычные электрически подключаемые устройства для измерения высоких напряжений конструктивно не могут быть выполнены.
Первоначально вольтметры, работающие по генераторному принципу, использовались для измерения напряженности электрического поля [Л. 182]. Согласно теории электрических машин они представляют собою генератор с посторонним возбуждением, создаваемым электрическим полем, подлежащим измерению. Как и у генератора постоянного тока, поле возбуждения которого создает постоянный магнит, здесь также энергия на возбуждение не расходуется; потребляемая же стрелочным прибором мощность покрывается за счет привода. Физические основы и принцип действия вольтметра можно уяснить из рис. 105. Если электрическое поле заканчивается на поверхности какого-нибудь проводника, то на этой поверхности имеются наведенные заряды σ, распределение которых топографически соответствует картине поля. Если вследствие перемещения проводника относительно поля распределение заряда изменяется, то внутри поверхности протекают уравнительные токи, которые можно измерить, изолировав друг от друга части проводника. Эти токи вычисляются по уравнению
По этому принципу выполнены различные конструктивные варианты вольтметров.
Собственно устройство для измерения напряжения выполняют с одним или несколькими электродами, к которым прикладывают напряжение, подлежащее измерению. Эти электроды образуют конденсатор.
Рис. 105. Вольтметр для высоких напряжений, работающий по генераторному принципу.
Вследствие периодического изменения емкости, вызываемого механическим путем, возникают периодические уравнительные токи, которые после выпрямления измеряют прибором магнитоэлектрической системы. Эти токи пропорциональны измеряемому напряжению. Если в приведенном выше уравнении вместо заряда q подставить произведение CU, то для случая, когда измеряется постоянное напряжение (U=const), получим выражение
На рис. 106 показан вольтметр с вращающимся цилиндром по Киркпатрику (Л. 183], получивший в советской литературе название роторного вольтметра. Он состоит из двух электродов b, создающих поле возбуждения, и двухполюсного якоря а, который с постоянным числом оборотов п вращается синхронным двигателем. Между обеими половинками якоря протекает переменный ток, который выпрямляется коллектором с. -
Рис. 106. Роторный вольтметр по Киркпатрику.
Среднее арифметическое значение тока, измеряемого прибором А, равно:
Если между электродами приложено симметричное напряжение, то емкость Смин равна нулю. Если же измеряемое напряжение несимметрично, то один из электродов заземляется и емкость Смин имеет конечное значение. В этом случае коэффициент пропорциональности n∆С/30 не вычисляется, а определяется экспериментально,
Приведенные здесь рассуждения справедливы для измерения постоянных напряжений. Однако этим же устройством, можно измерять высокие переменные напряжения, если полуобороту ротора соответствует целое число периодов измеряемого напряжения. Можно показать, что для измерения амплитудного значения переменного напряжения момент коммутации коллектора якоря должен совпасть с моментом времени, когда напряжение максимально; емкость в этот момент также должна быть максимальной.
Рис. 107. Генерирующий вольтметр с вращающимся секторным диском.
Если затем сдвигать фазу коммутации якоря при помощи подключенного фазосдвигающего устройства или путем поворота статора синхронного двигателя, то можно измерить любое мгновенное значение переменного напряжения, а тем самым определить и форму его кривой. Другие формы исполнения вольтметров, в известной степени подобные роторному вольтметру Киркпатрика и пригодные также для измерений переменного напряжения, подробно описаны в {Л. 192—197, 441].
Наибольшее распространение получили вольтметры с вращающимся секторным диском — так называемые генерирующие вольтметры, принципиальная механическая конструкция которых показана на рис. 107 (Л. 187]. Достоинствами этой конструкции являются отсутствие специальных электродов для создания электрического поля и коллектора. Вращающаяся крыльчатка S0 создает вместе с секторной диафрагмой S1 периодическое изменение емкости между внешним высоковольтным электродом произвольной формы и изолированным металлическим диском S2. Протекающий по сопротивлению R переменный уравнительный ток усиливается, выпрямляется и измеряется прибором магнитоэлектрической системы. Обычно форма уравнительного тока несинусоидальна. Если же краям крыльчатки или секторной диафрагмы придать форму лемнискаты, то получается практически синусоидальное изменение емкости и тока [Л. 188]. Форма кривой тока, естественно, не является точной синусоидой, так как диски S0, S1 и S2 не лежат в одной плоскости и расположены на конечном расстоянии друг от друга. Обусловленные этим искажения электрического поля приводят к отклонениям от идеальной формы кривой [Л. 189, 190].
К генерирующим вольтметрам относят также приборы, в которых изменение ёмкости достигается не вращением сектора, а прямолинейно-возвратным перемещением [Л. 198, 199]. Подробное и полное описание вольтметров, работающих на генераторном принципе, приведено в [Л. 200, 201].
В промышленно выпускаемых генерирующих вольтметрах обычно предусматриваются некоторые дополнительные приспособления. Для контроля нулевой отметки и указания полярности измеряемого постоянного напряжения измерительная головка вольтметра снабжается дополнительным вспомогательным генератором с возбуждением от постоянных магнитов, который жестко соединен с приводом подвижной крыльчатки.
Рис. 108. Примеры конструкций измерительных головок в генерирующем вольтметре. ·
1— измерительная головка; 2— граничный электрод; 3 — противоположный электрод; 4 — изолирующая дистанционная деталь; 5 — высоковольтный электрод.
Его выходное напряжение управляет фазочувствительным выпрямителем, который выпрямляет напряжение электростатического генератора так, что его величина и полярность соответствуют действительным напряженности и направлению электрического поля. На рис. 108 показано несколько примеров конструкций измерительных головок. Для измерения поля земли, например при грозе, пригодна конструкция, показанная на рис. 108,а; малые и средние постоянные напряжения можно измерять головкой по рис. 108,6. Увеличение поверхности измерительной головки способствует выравниванию поля непосредственно перед нею. благодаря чему оказывается возможной градуировка по уравнению E=U/a. При более высоких напряжениях измерительную головку встраивают во внутреннюю стенку лаборатории вблизи плоских электродов, находящихся под высоким потенциалом (рис. 108,в). Другие применения измерительных головок описаны ниже в параграфе, посвященном измерению электростатических зарядов.
Так как в большинстве случаев емкость между измерительной головкой и электродом, находящимся под высоким напряжением, не может быть точно ни рассчитана, ни измерена, то градуировку производят на низком напряжении порядка нескольких сот вольт при сравнительно большом сопротивлении шунта R. Затем это сопротивление соответственно уменьшают, например в 1 000 раз. Влиянием падения напряжения на сопротивлении R для всех практически возможных его значений можно пренебречь. Погрешность измерения может возникнуть только тогда, когда между высоковольтным электродом и вольтметром возникают пространственные заряды. Как показали практические измерения, влияние этих зарядов оказывается меньшим, чем можно было ожидать, так как измерительные электроды чаще всего встраиваются в стенки лаборатории, т. е. в места с низкими напряженностями электрического поля, тогда как пространственные заряды заметной плотности возникают только вблизи от высоковольтного электрода. Кроме того, хорошо закругленные высоковольтные электроды коронируют только в местных неоднородностях небольших размеров и их экранирующим действием чаще всего можно пренебречь. Если влияние пространственного зарядa оказывается заметным, то, обдувая электрод вентилятором, можно восстановить первоначальное электрическое поле.
В заключение следует еще раз отметить, что электростатические вольтметры, работающие на генераторном принципе, измеряют на постоянном токе без потребления мощности.
Мощность, потребляемая активным сопротивлением R и подключенным и измерительным прибором, подводится к системе за счет механической энергии. Однако при изменениях постоянного напряжении или измерении переменных напряжений потребляется ничтожная мощность и от электрической цепи.
