Различают генерирующие вольтметры роторного типа, вольтметры с вращающимся сектором и вибрационные.
Рис. 5-6. Принципиальная схема роторного вольтметра.
На рис. 5-6 представлена принципиальная схема роторного вольтметра. Измеряемое высокое напряжение прикладывается к электродам 1 и 2, в электрическом поле которых вращается ротор 3. Ротор состоит из двух частей, соединенных электрически с коллектором 4, который находится на одном валу с ротором. Электрический заряд с коллектора снимается щетками 5 и образует ток в цепи гальванометра G.
При вращении ротора в указанном направлении емкость С1 верхней его части относительно электрода 1 возрастает, а емкость С2 относительно электрода 2 уменьшается, но их сумма C=С1+C2 остается постоянной.
Рис. 5-7. Фотография роторного вольтметра на 400 кВ в изготовлении MPЗ.
Момент коммутации относительно измеряемого напряжения можно изменять путем поворота статора двигателя или путем изменения фазы напряжения, питающего электродвигатель. Таким образом, вращающийся вольтметр позволяет определить изменение измеряемого напряжения во времени.
Для измерения высокого напряжения относительно земли конструкция вращающегося вольтметра получается более простой, чем при измерении симметричного напряжения. Н. Г. Лебедевым разработана конструкция роторного вольтметра, который выпускается Московским рентгеновским заводом для измерения напряжения до 600 кВ. На рис. 5-7 представлен роторный вольтметр на 400 кВ в исполнении MPЗ. Высоковольтный электрод поддерживается при помощи трех бакелитовых колонн. Против электрода находится заземленный электрод, имеющий вырез. Внутри заземленного электрода вращается диск, состоящий из двух частей. Заряд индуцируется на той части ротора, которая при вращении оказывается против выреза в заземленном электроде. При этом вторая часть ротора заземляется.
Описан роторный вольтметр на 100 кВ, помещенный в минеральное масло. Благодаря хорошим изолирующим свойствам масла удалось получить малогабаритный прибор. Ротор длиной 15,2 см и диаметром 2,54 см находился от электрода на расстоянии, примерно равном диаметру ротора. Благодаря большей диэлектрической проницаемости у масла, чем у воздуха, и меньшему расстоянию от ротора до высоковольтного электрода в таком приборе можно получить большие токи в цепи измерения.
Для измерения высокого напряжения относительно земли применяется также вольтметр с вращающимся сектором (рис. 5-8). Заземленный сектор 1 при вращении по различному экранирует неподвижный электрод 2, названный статором. Заземленное кольцо 3 служит для выравнивания поля. Форма ротора подбирается такой, чтобы на статоре наводилось переменное напряжение синусоидальной формы.
Это напряжение подводится к усилителю 4, на выходе которого имеется измерительный прибор 5. Ток на выходе усилителя определяется выражением
(5-19) где U — измеряемое напряжение;
R — сопротивление в цепи статора;
К —некоторая константа.
Рис. 5-8. Принципиальная схема вольтметра с вращающимся сектором.
Величина К в выполненной конструкции оказалась непостоянной и изменяющейся с увеличением напряжения, что обусловлено влиянием объемного заряда короны и поверхностных разрядов по поверхности изоляционных конструкций, находящихся под напряжением.
В других подобных вольтметрах переменное напряжение, индуцируемое на статоре, выпрямляется и измеряется микроамперметром. При этом величину тока удается повысить за счет увеличения числа пластин статора и секторов. На рис. 5-9 представлена электрическая схема вольтметра, имеющего две пары статорных пластин. В положительные полупериоды работают вентили К1 и К3, и ток при этом проходит через гальванометр G. В отрицательные полупериоды работают вентили К2 и К4 и ток замыкается на землю. Батарея Е служит для компенсации нулевых токов ламп.
Рис. 5-9. Электрическая схема вольтметра с выпрямлением тока в цепи статора.
Βοльтметры подобного типа применялись для измерения напряжения (до 5 Мв), развиваемого электростатическим ленточным генератором, работающим в атмосфере сжатого газа.
Рис. 5-10. Принципиальная схема вибрационного вольтметра.
Рис. 5-11. Электрическая схема вибрационного вольтметра.
а — вибрирующий электрод; б— экранный электрод, в— электромагнит·, г — пружина; М— чувствительный прибор.
Физический принцип, лежащий в основе вибрационного вольтметра (рис. 5-10), включается в том, что посредством механических колебаний вызывается периодическое изменение величины емкости. Два электрода находятся в поле, созданном объектом измерения. Верхний электрод 2 периодически перемещается над нижним 1, совершая возвратно-поступательные движения. При продвижении вперед верхний электрод экранирует от электрического поля нижний электрод, а при обратном движении электрода 2 нижний электрод вновь оказывается в электрическом поле, и тогда все линии поля оканчиваются на нижней пластине. В то время, когда нижняя пластина экранирована верхней, емкость нижней относительно объекта измерений равна нулю; в другом случае, когда она полностью открыта, величина ее емкости относительно объекта измерения будет максимальной.
Соответственно претерпевает изменения и заряд в этой системе пластин, изменяясь обратно пропорционально изменению емкости. Через сопротивление(несколько мегаом) между обеими пластинами будет протекать ток. Электростатический вольтметр обнаруживает изменение падения напряжения на сопротивлении.
Для увеличения тока в вибрационном вольтметре увеличивают число пластин.
Рис. 5-11 даст представление о работе одной из разновидностей вибрационного вольтметра. Для периодического перемещения здесь использован электромагнитным механизм, создающий вибрацию.
Если обозначить емкость между электродами и объектом измерения через С, а напряжение между ними через U, то заряд равен СU, и значение тока за время
получится равным:
(5-20) где f — частота.
Преимущество вибрационного вольтметра перед роторным состоит в том, что частоту колебаний легче повысить, чем это можно было бы осуществить в отношении повышения числа оборотов.
Преимуществом генерирующих вольтметров перед всеми иными способами измерения напряжения является возможность дистанционного отсчета. Кроме того, у объекта измерения не производится отбора энергии для осуществления отсчета, так как эта энергия покрывается приводом вращающей или колебательной системы'. Вибрационный вольтметр удается выполнить в виде небольшого прибора, который можно подвесить на стене лаборатории.
