Hva er elektrostatisk type instrumenter?

Hva er elektrostatisk type instrumenter?

Definisjon av elektrostatisk instrument

Et elektrostatisk instrument defineres som et enhet som bruker statiske elektriske felt for å måle spenning, vanligvis høy spenning.

Arbeidsprinsipp

Som navnet antyder, bruker elektrostatisk instrument statiske elektriske felt for å produsere en avveivende kraft. De brukes typisk for å måle høy spenning, men kan også måle lavere spenninger og effekt i noen tilfeller. Det er to måter elektrostatisk kraft kan virke.

Konstruksjonstyper

I ett oppsett er én plate fast, mens den andre kan bevege seg fritt. Plater er motsatt ladet, noe som skaper en tiltrekkende kraft som flytter den bevegelige platen mot den faste platen til maksimalt lagret elektrostatisk energi.

I et annet oppsett kan kraften være tiltrekkende, støtende eller begge, på grunn av rotasjonen av platen.

Kraftligning

La oss betrakte to plater: Plate A er positivt ladet, og Plate B er negativt ladet. Plate A er fast, og Plate B kan bevege seg fritt. Det er en kraft, F, mellom platene ved likevekt når elektrostatisk kraft er lik fjærkraften. Den elektrostatisk lagrede energien i platene på dette punktet er:

Nå la oss øke den anvendte spenningen med en mengde dV, på grunn av dette flytter Plate B seg mot Plate A over en avstand dx. Arbeidet utført mot fjærkraften på grunn av forskyvningen av Plate B er F.dx. Den anvendte spenningen er relatert til strømmen som

Fra denne verdien av elektrisk strøm kan inngangsenergien beregnes som

Fra dette kan vi beregne endringen i den lagrede energien, og det blir

Ved å utelate høyere ordens ledd som dukker opp i uttrykket. Nå ved å anvende prinsippet om energibevarelse har vi at inngangsenergien til systemet = økning i den lagrede energien i systemet + mekanisk arbeid utført av systemet. Fra dette kan vi skrive,

Fra ovenstående ligning kan kraften beregnes som

La oss nå utlede kraft- og dreieligningen for roterende elektrostatisk type instrument. Diagrammet vises nedenfor,

For å finne uttrykket for avveivende dreiemoment i roterende elektrostatisk instrument, erstatt F i ligning (1) med Td og dx med dA. Den modifiserte ligningen for avveivende dreiemoment er:

Ved stabilt tilstand, er kontrollerende dreiemoment Tc = K × A. Avviket A kan skrives som:

Fra dette uttrykket konkluderer vi at pekerens avvik er direkte proporsjonalt med kvadratet av spenningen som skal måles, derfor vil skalaen være ujevn. La oss nå diskutere kvadrant-elektrometer. 

Dette instrumentet brukes generelt for å måle spenning fra 100V til 20 kilovolt. Igen er avveivende dreiemomentet i kvadrant-elektrometer direkte proporsjonalt med kvadratet av den anvendte spenningen; en fordel med dette er at dette instrumentet kan brukes til å måle både AC- og DC-spenning. 

En fordel med å bruke elektrostatisk type instrumenter som spenningsmålere er at vi kan utvide spenningsområdet som skal måles. Det er to måter å utvide området for dette instrumentet. Vi vil diskutere dem en etter en. 

(a) Ved å bruke motstandspotensialdeler: Under vises kretsdiagrammet for denne type konfigurasjon.

Spenningen vi ønsker å måle er anbrakt over den totale motstanden r, og elektrostatisk kondensator er koblet over delen av den totale motstanden som er merket som r. Nå, la oss anta at den anvendte spenningen er DC, da bør vi gjøre en antakelse at kondensatoren som er koblet, har ubegrenset lekkasje motstand. 

I dette tilfellet er multiplikatorfaktoren gitt av forholdet mellom elektrisk motstand r/R. AC-drift av denne kretsen kan også analysere lett igjen, i tilfelle AC-drift har vi multiplikatorfaktor lik r/R.

(b) Ved å bruke kapasitansmultiplikatorteori: Vi kan øke spenningsområdet som skal måles ved å plassere en serie av kondensatorer som vist i den gitte kretsen.

La oss utlede uttrykket for multiplikatorfaktoren i Kretsdiagram 1. La C1 være spenningsmålerens kapasitans, og C2 være serie-kondensatorens kapasitans. Seriekombinasjonen av disse kondensatorene er lik den totale kapasitansen i kretsen.

Impedansen til spenningsmåleren er Z1 = 1/jωC1, og den totale impedansen er:

Multiplikatorfaktoren defineres som forholdet Z/Z1, som er 1 + C2 / C1. På denne måten kan vi øke spenningsmålingsområdet.

Fordeler med elektrostatisk type instrumenter

• Den første og viktigste fordelen er at vi kan måle både AC- og DC-spenning, og grunnen er ganske åpenbar, avveivende kraft er direkte proporsjonalt med kvadratet av spenningen.

• Strømforbruket er ganske lavt i slike instrumenter, da strømmen som trekkes av disse instrumentene er ganske lav.

• Vi kan måle høye verdier av spenning.

Ned sider ved elektrostatisk type instrumenter

• Disse er ganske kostbare sammenlignet med andre instrumenter, og de har også stor størrelse.

• Skalaen er ikke jevn.

• De ulike driftskreftene involvert er små i størrelse.

Utvidelse av område

Målemålet kan utvides ved hjelp av motstandspotensialdeler eller kapasitansmultiplikatorer.