Šta su instrumenti elektrostatskog tipa?

Šta su instrumenti elektrostatičkog tipa?

Definicija elektrostatičkog instrumenta

Elektrostatički instrument se definiše kao uređaj koji koristi statičko električno polje za merenje napona, obično visokih napona.

Način rada

Kao što naziv kaže, elektrostatički instrumenti koriste statičko električno polje kako bi stvorili moment odboja. Obično se koriste za merenje visokih napona, ali mogu mjeriti i niže napone i snagu u nekim slučajevima. Postoji dva načina na koje može djelovati elektrostatička sila.

Tipovi konstrukcije

U jednoj postavci, jedna ploča je fiksna, dok druga može da se kreće. Ploče su suprotno nabijene, stvarajući privlačnu silu koja pokreće kretljivu ploču prema fiksnoj ploči dok se ne sakupi maksimalna elektrostatička energija.

U drugoj postavci, sila može biti privlačna, odborna ili obje, zbog rotacijskog kretanja ploče.

Jednačina momenta

Razmotrimo dvije ploče: Ploča A je pozitivno nabijena, a Ploča B negativno. Ploča A je fiksna, a Ploča B slobodna da se kreće. Postoji sila F između ploča u ravnoteži kada je elektrostatička sila jednaka sili opruge. Elektrostatička energija sačuvana u pločama u tom trenutku je:

Sada pretpostavimo da povećamo primenjeni napon za iznos dV, zbog čega se ploča B približi ploči A za rastojanje dx. Rad protiv sile opruge zbog pomaka ploče B je F.dx. Primljeni napon je vezan za struju kao

Iz ove vrednosti električne struje ulazna energija se može izračunati kao

Iz ovoga možemo izračunati promenu sačuvane energije, koja iznosi

Zanemarujući viši redovi izraza. Sada primenom principa očuvanja energije imamo ulaznu energiju u sistem = povećanje sačuvane energije sistema + mehanički rad isvršen od strane sistema. Iz ovoga možemo napisati,

Iz gornje jednačine sila se može izračunati kao

Sada izvedimo jednačinu sile i momenta za rotacijske elektrostatičke tipove instrumenta. Diagram je prikazan ispod,

Da bismo pronašli izraz za moment odboja u rotacijskim elektrostatičkim instrumentima, zamenite F sa Td i dx sa dA. Modifikovana jednačina za moment odboja je:

U stanju ravnoteže, kontrolni moment je Tc = K × A. Odboj A može se napisati kao:

Iz ovog izraza zaključujemo da je odboj kazaljke direktno proporcionalan kvadratu napona koji treba meriti, pa će ljestvica biti neuniformna. Sada ćemo diskutovati o Kvadrantnom elektrometru. 

Ovaj instrument se obično koristi za merenje napona u opsegu od 100V do 20 kilovolata. Ponovo, moment odboja dobijen u Kvadrantnom elektrometru je direktno proporcionalan kvadratu primljenog napona; jedna prednost ovoga je ta što se ovaj instrument može koristiti za merenje i AC i DC napona. 

Jedna prednost korišćenja elektrostatičkih tipova instrumenata kao voltmetara je ta što možemo proširiti opseg napona koji treba mjeriti. Sada postoje dva načina proširenja opsega ovog instrumenta. Razgovarati ćemo o njima jedan po jedan. 

(a) Koristeći rezistorne delilice napona: Dat je dijagram strujne petlje ove vrste konfiguracije.

Napon koji želimo da izmerimo primenjuje se na ukupni otpor r, a elektrostatički kondenzator je spojen na deo ukupnog otpora označen kao r. Sada, pretpostavimo da je primljeni napon DC, tada treba podeti pretpostavku da kondenzator koji je spojen ima beskonačnu ležajuću otpornost. 

U ovom slučaju množilac se daje odnosom električnih otpora r/R. Operacija AC na ovoj šemi takođe se lako analizira, ponovo, u slučaju AC operacije množilac je jednak r/R.

(b) Koristeći tehniku množitelja kapacitansa: Možemo povećati opseg napona koji treba mjeriti postavljanjem serije kondenzatora kao što je prikazano na datoj šemi.

Izvedimo izraz za množilac u Dijagramu strujne petlje 1. Neka je C1 kapacitet voltmetra, a C2 kapacitet serijskog kondenzatora. Serijska kombinacija ovih kondenzatora jednaka je ukupnom kapacitetu šeme.

Impedansa voltmetra je Z1 = 1/jωC1, a ukupna impedansa je:

Množilac se definiše kao odnos Z/Z1, koji je 1 + C2 / C1. Na taj način možemo povećati opseg merenja napona.

Prednosti elektrostatičkih tipova instrumenata

• Prva i najvažnija prednost jeste ta što možemo meriti i AC i DC napon, a razlog je očigledan, moment odboja je direktno proporcionalan kvadratu napona.

• Potrošnja snage je veoma niska kod ovih tipova instrumenata jer struja koju ovi instrumenti potiskuju je veoma niska.

• Možemo meriti visoke vrijednosti napona.

Nedostaci elektrostatičkih tipova instrumenata

• Ovi su veoma skupi u poređenju sa drugim instrumentima i takođe imaju veliku veličinu.

• Ljestvica nije uniformna.

• Različite radne sile uključene su male po intenzitetu.

Proširenje opsega

Opseg merenja može se proširiti korišćenjem rezistornih delilaca napona ili množitelja kapacitansa.