Τι είναι Συσκευές Ηλεκτροστατικού Τύπου;

Τι είναι οι ηλεκτροστατικοί τύποι μέτρησης;

Ορισμός Ηλεκτροστατικών Συσκευών

Μια ηλεκτροστατική συσκευή ορίζεται ως συσκευή που χρησιμοποιεί στατικά ηλεκτρικά πεδία για τη μέτρηση τάσης, συνήθως υψηλών τάσεων.

Αρχή Λειτουργίας

Όπως δηλώνει και ο όρος, οι ηλεκτροστατικές συσκευές χρησιμοποιούν στατικά ηλεκτρικά πεδία για την παραγωγή τορκή. Χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μέτρηση υψηλών τάσεων, αλλά μπορούν επίσης να μετρήσουν χαμηλότερες τάσεις και ισχύ σε κάποιες περιπτώσεις. Υπάρχουν δύο τρόποι με τους οποίους η ηλεκτροστατική δύναμη μπορεί να ενεργήσει.

Τύποι Κατασκευής

Σε μια διάταξη, μια πλάκα είναι σταθερή ενώ η άλλη είναι ελεύθερη να κινείται. Οι πλάκες φορτίζονται αντίθετα, δημιουργώντας μια διαστατική δύναμη που κινεί την κινούμενη πλάκα προς τη σταθερή πλάκα μέχρι να αποθηκευτεί το μέγιστο ηλεκτροστατικό ενέργεια.

Σε μια άλλη διάταξη, η δύναμη μπορεί να είναι διαστατική, απωθητική ή και τα δύο, λόγω της περιστροφικής κίνησης της πλάκας.

Εξίσωση Τορκή

Υποθέστε δύο πλάκες: Η Πλάκα A είναι θετικά φορτισμένη, και η Πλάκα B είναι αρνητικά φορτισμένη. Η Πλάκα A είναι σταθερή, και η Πλάκα B είναι ελεύθερη να κινείται. Υπάρχει μια δύναμη F μεταξύ των πλακών σε ισορροπία, όταν η ηλεκτροστατική δύναμη ισοδυναμεί με τη δύναμη της βελτίδας. Η ηλεκτροστατική ενέργεια που αποθηκεύεται στις πλάκες σε αυτό το σημείο είναι:

Τώρα υποθέστε ότι αυξάνουμε την εφαρμοσμένη τάση κατά dV, λόγω τούτου η πλάκα B κινείται προς την πλάκα A κατά μια απόσταση dx. Το έργο που εκτελείται εναντίον της δύναμης της βελτίδας λόγω της μετακίνησης της πλάκας B είναι F.dx. Η εφαρμοσμένη τάση σχετίζεται με την τροχοποία ως

Από αυτή την τιμή της ηλεκτρικής τροχοποίας, η εισαγόμενη ενέργεια μπορεί να υπολογιστεί ως

Από αυτό μπορούμε να υπολογίσουμε την αλλαγή στην αποθηκευμένη ενέργεια και αυτή είναι

Αγνοώντας τους όρους υψηλότερης τάξης που εμφανίζονται στην έκφραση. Τώρα εφαρμόζοντας την αρχή της διατήρησης της ενέργειας, έχουμε την εισαγόμενη ενέργεια στο σύστημα = αύξηση της αποθηκευμένης ενέργειας του συστήματος + μηχανικό έργο που εκτελείται από το σύστημα. Από αυτό μπορούμε να γράψουμε,

Από την παραπάνω εξίσωση, η δύναμη μπορεί να υπολογιστεί ως

Τώρα ας πάρουμε τη δύναμη και την εξίσωση τορκή για τα περιστροφικά ηλεκτροστατικά τύποι μέτρησης. Διάγραμμα εμφανίζεται παρακάτω,

Για να βρούμε την έκφραση για τον τορκή απόκλισης σε περιστροφικά ηλεκτροστατικά μέτρημα, αντικαταστήστε το F στην εξίσωση (1) με Td και το dx με dA. Η τροποποιημένη εξίσωση για τον τορκή απόκλισης είναι:

Σε σταθερό κατάστημα, ο ελεγκτικός τορκής είναι Tc = K × A. Η απόκλιση A μπορεί να γραφτεί ως:

Από αυτή την έκφραση συμπεραίνουμε ότι η απόκλιση του δείκτη είναι ανάλογη με το τετράγωνο της τάσης που πρέπει να μετρηθεί, άρα η κλίμακα θα είναι μη ομοιόμορφη. Ας συζητήσουμε τώρα για το Quadrant electrometer. 

Αυτό το όργανο χρησιμοποιείται συνήθως για τη μέτρηση τάσης από 100V έως 20 χιλιώνια βολτ. Ξανά, ο τορκής απόκλισης που παίρνουμε στο Quadrant electrometer είναι ανάλογος με το τετράγωνο της εφαρμοσμένης τάσης; ένα πλεονέκτημα αυτού είναι ότι αυτό το όργανο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση και AC και DC τάσεων. 

Ένα πλεονέκτημα της χρήσης ηλεκτροστατικών τύπων μέτρησης ως βολτμέτρων είναι ότι μπορούμε να επεκτείνουμε το εύρος τάσης που πρέπει να μετρηθεί. Υπάρχουν δύο τρόποι για την επέκταση του εύρους αυτού του όργανου. Θα τους συζητήσουμε έναν έναν. 

(a) Με τη χρήση αντιστοιχών διαιρετών: Παρακάτω είναι το σχήμα του κυκλώματος αυτής της διάταξης.

Η τάση που θέλουμε να μετρήσουμε εφαρμόζεται στο σύνολο της αντίστασης r και ο ηλεκτροστατικός καταναλωτής συνδέεται με το μέρος της συνολικής αντίστασης που σημειώνεται ως r. Τώρα, υποθέστε ότι η εφαρμοσμένη τάση είναι DC, τότε θα πρέπει να κάνουμε μια υπόθεση ότι ο καταναλωτής που συνδέεται έχει άπειρη αντίσταση διαρροής. 

Σε αυτή την περίπτωση, ο πολλαπλασιαστικός παράγοντας δίνεται από το λόγο της ηλεκτρικής αντίστασης r/R. Η λειτουργία AC σε αυτό το κύκλωμα μπορεί επίσης να αναλυθεί εύκολα, ξανά στην περίπτωση της λειτουργίας AC, ο πολλαπλασιαστικός παράγοντας είναι ίσος με r/R.

(b) Με τη χρήση τεχνικής πολλαπλασιασμού καταναλωτή: Μπορούμε να αυξήσουμε το εύρος τάσης που πρέπει να μετρηθεί, τοποθετώντας μια σειρά καταναλωτών όπως εμφανίζεται στο δοθέν κύκλωμα.

Ας πάρουμε την έκφραση για τον πολλαπλασιαστικό παράγοντα στο Σχήμα 1. Ας C1 είναι η ικανότητα του βολτμέτρου και C2 η ικανότητα του σειριακού καταναλωτή. Η σειριακή συνδυασμός αυτών των καταναλωτών ισοδυναμεί με τη συνολική ικανότητα του κυκλώματος.

Η αντίθεση του βολτμέτρου είναι Z1 = 1/jωC1, και η συνολική αντίθεση είναι:

Ο πολλαπλασιαστικός παράγοντας ορίζεται ως το λόγο Z/Z1, που είναι 1 + C2 / C1. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να αυξήσουμε το εύρος μέτρησης τάσης.

Πλεονεκτήματα Ηλεκτροστατικών Τύπων Συσκευών

• Το πρώτο και πιο σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι μπορούμε να μετρήσουμε και AC και DC τάση, και η αιτία είναι πολύ ορατή, ο τορκής απόκλισης είναι ανάλογος με το τετράγωνο της τάσης.

• Η κατανάλωση ισχύος είναι αρκετά χαμηλή σε αυτούς τους τύπους συσκευών, καθώς η τροχοποία που αντλείται από αυτές τις συσκευές είναι αρκετά χαμηλή.

• Μπορούμε να μετρήσουμε υψηλές τιμές τάσης.

Μειονεκτήματα Ηλεκτροστατικών Τύπων Συσκευών

• Αυτές είναι αρκετά δαπανηρές σε σύγκριση με άλλες συσκευές και επίσης έχουν μεγάλο μέγεθος.

• Η κλίμακα δεν είναι ομοιόμορφη.

• Οι διάφορες λειτουργικές δυνάμεις που εμπλέκονται είναι μικρές σε μέγεθος.

Επέκταση Εύρους

Το εύρος μέτρησης μπορεί να επεκταθεί χρησιμοποιώντας αντιστοιχούς διαιρετές ή πολλαπλασιαστικούς καταναλωτές.