정전기식 기기는 무엇인가요?

정전기식 계측기는 무엇인가요?

정전기식 계측기의 정의

정전기식 계측기는 정전기장을 사용하여 전압을 측정하는 장치로, 일반적으로 고전압을 측정하는데 사용됩니다.

작동 원리

이름에서 알 수 있듯이, 정전기식 계측기는 정전기장을 사용하여 편향 토크를 생성합니다. 이러한 계측기는 주로 고전압을 측정하는데 사용되지만, 경우에 따라 낮은 전압과 전력을 측정하기도 합니다. 정전기력은 두 가지 방법으로 작용할 수 있습니다.

구조 유형

하나의 구조에서는 하나의 플레이트가 고정되어 있고 다른 하나는 이동 가능합니다. 플레이트들은 서로 반대되는 전하를 가지고 있어, 이동 가능한 플레이트가 고정된 플레이트 쪽으로 움직여 최대 정전기 에너지가 저장될 때까지 끌어당기는 힘이 발생합니다.

다른 구조에서는 플레이트의 회전 운동으로 인해 힘이 끌어당김, 밀어내기 또는 그 둘 모두일 수 있습니다.

토크 방정식

두 개의 플레이트를 고려해봅시다: 플레이트 A는 양전하를 가지고 있으며, 플레이트 B는 음전하를 가지고 있습니다. 플레이트 A는 고정되어 있고, 플레이트 B는 이동 가능합니다. 평형 상태에서 정전기력이 스프링력과 같을 때 두 플레이트 사이에 힘 F가 작용합니다. 이 시점에서 플레이트들에 저장된 정전기 에너지는 다음과 같습니다:

이제 적용된 전압을 dV만큼 증가시켜 보겠습니다. 이를 통해 플레이트 B가 플레이트 A 쪽으로 dx만큼 이동합니다. 플레이트 B의 변위로 인한 스프링력에 대한 일 F.dx이 발생합니다. 적용된 전압은 전류와 관련되어 있습니다:

이 전류 값으로부터 입력 에너지를 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

이로부터 저장된 에너지의 변화를 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

표현식에서 고차항을 무시하고, 에너지 보존 법칙을 적용하면, 시스템에 대한 입력 에너지 = 시스템의 저장된 에너지 증가 + 시스템이 수행한 기계적 일입니다. 이를 통해 다음과 같이 작성할 수 있습니다:

위 방정식으로부터 힘을 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

이제 회전형 정전기식 계측기의 힘과 토크 방정식을 도출해보겠습니다. 아래 그림을 참고하세요:

회전형 정전기식 계측기의 편향 토크 표현식을 찾기 위해 방정식 (1)에서 F를 Td로, dx를 dA로 대체합니다. 수정된 편향 토크 방정식은 다음과 같습니다:

정상 상태에서는 제어 토크는 Tc = K × A입니다. 편향 A는 다음과 같이 작성할 수 있습니다:

이 표현식으로부터 포인터의 편향은 측정하려는 전압의 제곱에 비례함을 알 수 있으므로, 스케일은 균일하지 않을 것입니다. 이제 사분면 전계계에 대해 논의해보겠습니다. 

이 계측기는 일반적으로 100V부터 20kV까지의 전압을 측정하는 데 사용됩니다. 다시 말해, 사분면 전계계에서 얻어진 편향 토크는 적용된 전압의 제곱에 비례하며, 이를 통해 AC 및 DC 전압 모두를 측정할 수 있다는 이점이 있습니다. 

전압계로서 정전기식 계측기를 사용하는 한 가지 이점은 측정하려는 전압 범위를 확장할 수 있다는 것입니다. 이제 이 계측기의 범위를 확장하는 두 가지 방법에 대해 각각 논의해보겠습니다. 

(a) 저항 분배기 사용: 아래는 이러한 구성의 회로도입니다.

측정하려는 전압은 전체 저항 r에 걸리고, 정전기 커패시터는 전체 저항의 일부 r에 연결됩니다. 이제 적용된 전압이 DC인 경우, 연결된 커패시터가 무한한 누설 저항을 가진다고 가정해야 합니다. 

이 경우 곱셈 인자는 전기 저항 r/R의 비율로 주어집니다. 이 회로의 AC 작동 역시 쉽게 분석할 수 있으며, AC 작동의 경우 곱셈 인자는 r/R과 같습니다.

(b) 커패시터 멀티플라이어 기법 사용: 주어진 회로와 같이 일련의 커패시터를 배치하여 측정하려는 전압 범위를 늘릴 수 있습니다.

회로도 1에서 곱셈 인자의 표현식을 도출해보겠습니다. C1을 볼트미터의 커패시턴스, C2를 시리즈 커패시터의 커패시턴스라고 하면, 이 커패시터들의 시리즈 조합은 회로의 전체 커패시턴스와 같습니다.

볼트미터의 임피던스는 Z1 = 1/jωC1이며, 전체 임피던스는 다음과 같습니다:

곱셈 인자는 Z/Z1의 비율로 정의되며, 1 + C2 / C1입니다. 이렇게 하여 전압 측정 범위를 늘릴 수 있습니다.

정전기식 계측기의 장점

• 첫 번째이자 가장 중요한 장점은 AC 및 DC 전압 모두를 측정할 수 있다는 점입니다. 이유는 명백합니다. 편향 토크는 전압의 제곱에 비례하기 때문입니다.

• 이러한 종류의 계측기에서는 소비 전력이 매우 낮습니다. 이러한 계측기가 소모하는 전류가 매우 적기 때문입니다.

• 높은 전압 값을 측정할 수 있습니다.

정전기식 계측기의 단점

• 이러한 계측기는 다른 계측기와 비교해 매우 비싸며, 크기도 큽니다.

• 스케일이 균일하지 않습니다.

• 다양한 작동 힘은 크기가 작습니다.

범위 확장

저항 분배기 또는 커패시터 멀티플라이어를 사용하여 측정 범위를 확장할 수 있습니다.