Mik az elektrosztatikus típusú műszerek?
Mik az Elektrosztatikus Műszer?
Elektrosztatikus Műszer Definíció
Az elektrosztatikus műszer olyan eszköz, amely statikus elektrikus mezőket használ feszültség mérésére, általában nagy feszültségek esetén.
Működési Elv
Ahogy a neve is utal, az elektrosztatikus műszerek statikus elektrikus mezőt használnak elhajlító nyomaték előállítására. Általában nagy feszültségek mérésére használják őket, de néha alacsonyabb feszültségeket és teljesítményt is mérhetnek. Két módon hat az elektrosztatikus erő.
Konstrukciós Típusok
Egy beállításban egy lemez rögzített, míg a másik szabadon mozoghat. A lemezek ellentétesen töltöttek, ami vonzó erőt hoz létre, ami a mozgó lemezt a rögzített lemez felé tolja, amíg a maximális elektrosztatikus energia tárolódik.
Egy másik beállításban az erő vonzó, toló vagy mindkettő lehet a lemez forgása miatt.
Nyomatéki Egyenlet
Vegyünk két lemezt: A lemez pozitívan töltött, a B lemez negatívan töltött. Az A lemez rögzített, a B lemez pedig szabadon mozoghat. Eggyensúlyban van a lemezek között, amikor az elektrosztatikus erő egyenlő a rugóerővel. Az ebben a pontban a lemezekben tárolt elektrosztatikus energia:
Tegyük fel, hogy növeljük az alkalmazott feszültséget dV-vel, emiatt a B lemez a A lemez felé dx távolsággal mozdul. A rugóerő ellen végzett munka a B lemez elmozdulása miatt F.dx. Az alkalmazott feszültség kapcsolódik az áramhoz, mint
Ebből az értékből az elektromos áram segítségével számítható a bemeneti energia, mint
Ebből számítható a tárolt energia változása, ami kijön, mint
A magasabb rendű tagok figyelembe vétele nélkül, amelyek az kifejezésben jelennek meg. Most alkalmazzuk az energiamegmaradás elvét, tehát a rendszer bemeneti energiája = a rendszerben tárolt energia növekedése + a rendszer által végzett mechanikai munka. Ebből írhatjuk, mint
A fenti egyenletből számítható az erő, mint
Most vezessük le az erő és nyomatéki egyenletet a forgó elektrosztatikus típusú műszerek esetében. A diagram a következő:
A forgó elektrosztatikus műszerek elhajlító nyomatékának kifejezéséhez cseréljük le az (1) egyenletben az F-et Td-re, és a dx-et dA-ra. A módosított elhajlító nyomaték egyenlet:
Állandó állapotban a vezérlő nyomaték Tc = K × A. Az A elhajlás így írható, mint:
Ebből a kifejezésből következtethetünk, hogy a mutató elhajlása arányos a mérni kívánt feszültség négyzetével, ezért a skála nem egyenletes lesz. Beszéljünk most a Kvadrant-elektrometről.
Ez a műszer általában 100V-tól 20 kilovoltig terjedő feszültségek mérésére használják. Ismét, a Kvadrant-elektrometerben az elhajlító nyomaték arányos az alkalmazott feszültség négyzetével; ennek egy előnye, hogy ezzel a műszerrel mind AC, mind DC feszültségeket mérhetünk.
Az elektrosztatikus típusú műszerek használata voltmetreként előnyös, mert kiterjeszthetjük a mérni kívánt feszültség tartományát. Két módon tehetjük ezt. Vizsgáljuk őket egymás után.
(a) Ellenállás-potenciálos osztók használatával: Látható a kifutó rajz ezen konfigurációhoz.
A mérni kívánt feszültséget az összes ellenállás r-én alkalmazzuk, és az elektrosztatikus kondenzátort az összes ellenállás r részén csatlakoztatjuk. Tegyük fel, hogy az alkalmazott feszültség DC, akkor feltételezhetjük, hogy a csatlakoztatott kondenzátor végtelen szivárgási ellenállással rendelkezik.
Ebben az esetben a szorzó tényező az r/R viszonyával adható meg. Az AC működést is könnyen elemzhetjük, és az AC működés esetén a szorzó tényező is r/R.
(b) Kondenzátor-szorzó technika használatával: Növelhetjük a mérni kívánt feszültség tartományát soros kondenzátorok helyezésével, ahogy a kifutó rajzon látható.
Vezessük le a Circuit Diagram 1 szorzó tényezőjének kifejezését. Legyen C1 a voltmeterek kapacitása, C2 pedig a soros kondenzátor kapacitása. A kondenzátorok soros kombinációja egyenlő a kör teljes kapacitásával.
A voltmeterek impedanciája Z1 = 1/jωC1, és a teljes impedancia:
A szorzó tényező definíciója a Z/Z1 viszony, ami 1 + C2 / C1. Így növelhetjük a feszültség mérési tartományát.
Az Elektrosztatikus Típusú Műszerek Előnyei
Az első és legfontosabb előny, hogy mind AC, mind DC feszültséget mérhetünk, mivel az elhajlító nyomaték arányos a feszültség négyzetével.
A fogyasztott energia alacsony ezekben a műszerekben, mert alacsony az általuk megszüntetett áram.
Nagy feszültségeket mérhetünk.
Az Elektrosztatikus Típusú Műszerek Hátrányai
Ezek drágábbak, mint más műszerek, és nagyobbak a méreteik.
A skála nem egyenletes.
A különböző működési erők kis nagyságrendűek.
Tartomány Kiterjesztés
A mérési tartomány kiterjeszthető ellenállás-potenciálos osztók vagy kondenzátor-szorzók használatával.
