Kaj so elektrostatski tipi instrumentov?

Kaj so elektrostatski tipi instrumentov?

Definicija elektrostatskega instrumenta

Elektrostatski instrument je definiran kot naprava, ki uporablja statična električna polja za merjenje napetosti, običajno visokih napetosti.

Načelo delovanja

Kot ime nakazuje, elektrostatski instrumenti uporabljajo statično električno polje za ustvarjanje odbojnega torza. Običajno se uporabljajo za merjenje visokih napetosti, v nekaterih primerih pa tudi za merjenje nižjih napetosti in moči. Elektrostatska sila lahko deluje na dva načina.

Vrste konstrukcij

V eni nastavitvi je ena plošča fiksna, druga pa se lahko giblje. Plošči so nasprotno nabite, kar ustvari privlačno silo, ki premakne gibljivo ploščo proti fiksni plošči, dokler ni shranjena največja količina elektrostatske energije.

V drugi nastavitvi lahko sila biti privlačna, odpornik ali oboje, zaradi vrtilnega gibanja plošče.

Enačba torza

Razmislimo o dveh ploščah: Plošča A je pozitivno nabita, plošča B pa negativno nabita. Plošča A je fiksna, plošča B pa se lahko giblje. Med ploščama pri ravnovesju obstaja sila F, ko je elektrostatska sila enaka sili opruga. Shranjena elektrostatska energija v ploščah na tem mestu je:

Zdaj predpostavimo, da zvečujemo uporabljeno napetost za količino dV, zaradi česar se plošča B premakne proti plošči A za razdaljo dx. Delo, izvedeno proti sili opruge zaradi premika plošče B, je F.dx. Uporabljena napetost je povezana z tokom kot

Iz te vrednosti električnega toka lahko izračunamo vhodno energijo kot

Iz tega lahko izračunamo spremembo shranjene energije, ki izide kot

Z zanemaritvijo višjih členov, ki se pojavijo v izrazu. Zdaj uporabimo načelo ohranitve energije, imamo vhodno energijo v sistem = povečanje shranjene energije sistema + mehansko delo, izvedeno s strani sistema. Iz tega lahko zapišemo,

Iz zgornje enačbe lahko izračunamo silo kot

Zdaj izpeljimo enačbo sile in torza za vrtilne elektrostatske tip instrumentov. Diagram je prikazan spodaj,

Da bi našli izraz za odbojni torz v vrtilnih elektrostatskih instrumentih, zamenjajmo F v enačbi (1) z Td in dx z dA. Spremenjena enačba za odbojni torz je:

Pri stacionarnem stanju je nadzorna sila Tc = K × A. Odboj A lahko zapišemo kot:

Iz tega izraza zaključimo, da je odboj kazalca neposredno sorazmeren s kvadratom merjene napetosti, zato bo lestvica neenakomerna. Zdaj razpravljajmo o Kvadrantnem elektrometru. 

Ta instrument se običajno uporablja za merjenje napetosti v obsegu od 100 V do 20 kilovolt. Spet je odbojni torz, pridobljen v Kvadrantnem elektrometru, neposredno sorazmeren s kvadratom uporabljene napetosti; ena prednost tega je, da se ta instrument lahko uporablja za merjenje napol napetosti AC in DC. 

Ena prednost uporabe elektrostatskih tipov instrumentov kot voltmeterjev je, da lahko razširimo obseg merjene napetosti. Obstajata dva načina razširjanja obsega tega instrumenta. Razpravljali bomo o njih enega za drugega. 

(a) Z uporabo upornikov potencialnih delilcev: Podano je shema tega tipa konfiguracije.

Napetost, ki jo želimo meriti, je priključena na celotni upornik r, elektrostatski kondenzator pa je priključen na del celotnega upornika, označen kot r. Če je uporabljena napetost DC, moramo narediti eno predpostavko, da ima priključen kondenzator neskončno utrkujoči upornik. 

V tem primeru je množitelj podan z razmerjem električnega upornika r/R. Operacija z AC na tej shemi se lahko preprosto analizira, ponovno v primeru operacije z AC je množitelj enak r/R.

(b) Z uporabo tehnike množitelja kondenzatorja: Lahko povečamo obseg merjene napetosti tako, da postavimo zaporedje kondenzatorjev, kot je prikazano na dani shemi.

Izpustimo izraz za množitelj v Shemi 1. Naj bo C1 kapacitanci voltmetra in C2 kapacitanci serije kondenzatorjev. Zaporedna kombinacija teh kondenzatorjev je enaka skupni kapacitanci sheme.

Impedanca voltmetra je Z1 = 1/jωC1, skupna impedanca pa je:

Množitelj je definiran kot razmerje Z/Z1, ki je 1 + C2 / C1. Na ta način lahko povečamo obseg merjenja napetosti.

Prednosti elektrostatskih tipov instrumentov

• Prva in najpomembnejša prednost je, da lahko merimo oba tipa napetosti, AC in DC, in razlog za to je očiten, ker je odbojni torz neposredno sorazmeren s kvadratom napetosti.

• Poraba energije je zelo nizka pri teh vrstah instrumentov, ker je tok, ki ga ti instrumenti povzročijo, zelo nizek.

• Lahko merimo visoke vrednosti napetosti.

Nedostatki elektrostatskih tipov instrumentov

• Ti so zelo dragi v primerjavi z drugimi instrumenti in so tudi veliki.

• Lestvica ni enakomerna.

• Različne delujoče sile so majhne v velikosti.

Razširitev obsega

Obseg merjenja se lahko razširi z uporabo upornikov potencialnih delilcev ali množiteljev kondenzatorjev.