Vad är elektrostatiska instrument?

Vad är elektrostatiska instrument?

Definition av elektrostatiska instrument

Ett elektrostatiskt instrument definieras som en enhet som använder statiska elektriska fält för att mäta spänning, vanligtvis höga spänningsnivåer.

Arbetsprincip

Som namnet antyder använder elektrostatiska instrument statiska elektriska fält för att producera vridmoment. De används vanligtvis för att mäta höga spänningsnivåer men kan också mäta lägre spänningsnivåer och effekt i vissa fall. Det finns två sätt på vilka elektrostatiska krafter kan verka.

Konstruktionstyper

I en uppställning är en platta fast medan den andra är fri att röra sig. Plattorna är motsatt laddade, vilket skapar en dragkraft som flyttar den rörliga plattan mot den fasta plattan tills det maximala elektrostatiska energilagret har uppnåtts.

I en annan uppställning kan kraften vara dragande, stötande eller både och, beroende på roterande rörelse av plattan.

Momentekvation

Betrakta två plattor: Plattan A är positivt laddad, och Plattan B är negativt laddad. Plattan A är fast, och Plattan B är fri att röra sig. Det finns en kraft, F, mellan plattorna vid jämvikt när den elektrostatiska kraften är lika med fjäderkraften. Den elektrostatiska energin som lagras i plattorna vid detta tillfälle är:

Nu antar vi att vi ökar den tillämpade spänningen med ett belopp dV, på grund av detta rör sig Plattan B mot Plattan A en avstånd dx. Arbetet som utförs mot fjäderkraften på grund av Plattan Bs förskjutning är F.dx. Den tillämpade spänningen är relaterad till ström som

Från detta värde av elektrisk ström kan inmatningsenergin beräknas som

Från detta kan vi beräkna förändringen i den lagrade energin och det blir

Genom att försumma de högre ordningens termer som dyker upp i uttrycket. Nu genom att tillämpa principen om energibevarelse har vi inmatningsenergi till systemet = ökning av den lagrade energin i systemet + mekaniskt arbete utfört av systemet. Från detta kan vi skriva,

Från ovanstående ekvation kan kraften beräknas som

Nu ska vi härleda kraft- och momentekvation för roterande elektrostatiska instrument. Diagram visas nedan,

För att hitta uttrycket för avvikande moment i roterande elektrostatiska instrument, ersätt F i ekvation (1) med Td och dx med dA. Den modifierade ekvationen för avvikande moment är:

Vid jämvikt är kontrollmomentet Tc = K × A. Avvikandet A kan skrivas som:

Från detta uttryck drar vi slutsatsen att pekarens avvikande är direkt proportionellt mot kvadraten av den mätbara spänningen, därför kommer skalans vara oregelbunden. Låt oss nu diskutera Quadrant-elektrometrar. 

Detta instrument används vanligtvis för att mäta spänningar från 100 V till 20 kilovolt. Återigen är det avvikande momentet som erhålls i Quadrant-elektrometer direkt proportionellt mot kvadraten av den tillämpade spänningen; ett fördel med detta är att instrumentet kan användas för att mäta både växel- och likströmspänning. 

En fördel med att använda elektrostatiska instrument som spänningsmätare är att vi kan utöka mätintervallet för spänningen. Nu finns det två sätt att utöka intervallet för detta instrument. Vi kommer att diskutera dem en efter en. 

(a) Genom att använda resistanspotentialdelare: Nedan ges kretsdiagrammet för denna typ av konfiguration.

Spänningen som vi vill mäta appliceras över den totala resistansen r och den elektrostatiska kondensatorn är ansluten över delen av den totala resistansen som är markerad som r. Nu antar vi att den tillämpade spänningen är likström, då bör vi göra antagandet att den anslutna kondensatorn har oändlig läckage-resistans. 

I detta fall ges multiplikationsfaktorn av förhållandet mellan elektrisk resistans r/R. Växelströmsdrift på denna krets kan också analyseras enkelt igen i fallet med växelströmsdrift har vi multiplikationsfaktor lika med r/R.

(b) Genom att använda kondensatormultiplikatortechnik: Vi kan öka mätintervallet för spänningen genom att placera en serie kondensatorer som visas i den givna kretsen.

Låt oss härleda uttrycket för multiplikationsfaktorn i Kretsdiagram 1. Låt C1 vara spänningsmätarens kapacitans och C2 vara seriekapacitorns kapacitans. Seriekombinationen av dessa kondensatorer motsvarar den totala kapacitansen i kretsen.

Impedansen för spänningsmätaren är Z1 = 1/jωC1, och den totala impedansen är:

Multiplikationsfaktorn definieras som förhållandet Z/Z1, vilket är 1 + C2 / C1. På detta sätt kan vi öka mätintervallet för spänningen.

Fördelar med elektrostatiska instrument

• Den första och viktigaste fördelen är att vi kan mäta både växel- och likströmspänning, och anledningen är uppenbar eftersom avvikande momentet är direkt proportionellt mot kvadraten av spänningen.

• Strömförbrukningen är ganska låg i dessa typer av instrument eftersom strömmen som dras av dessa instrument är ganska låg.

• Vi kan mäta höga spänningsvärden.

Nackdelar med elektrostatiska instrument

• De är ganska dyra jämfört med andra instrument och de har också stor storlek.

• Skalan är inte uniform.

• De olika driftskrafterna involverade är små i magnitud.

Utvidgning av mätintervall

Mätintervallet kan utökas genom att använda resistanspotentialdelare eller kondensatormultiplikatorer.