Электростатические измерительные приборы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электростатические измерительные приборы.

 

Обозначаются  буквой С В электростатических измерительных приборах (ЭСИП) для перемещения подвижной части используется принцип взаимодействия двух или нескольких электрически заряженных проводников, т. е. здесь в отличие от механизмов других систем перемещение подвижной части осуществляется за счет непосредственного приложенного напряжения, таким образом, эти приборы по своему принципу действия являются приборами, измеряющими только напряжение. Конструктивно электростатические ИП можно представить в виде плоского конденсатора с подвижными и неподвижными электродами, перемещение подвижной части связано с изменением емкости системы, которая может быть осуществлена либо изменением площади электродов, либо изменением расстояния между ними На рис. 4 приведена схема устройства электростатического прибора. 
 
 
 
. Рис. 4 Схема устройства электростатического прибора: 
 
^ 1- подвижная пластина; 2 — неподвижные пластины; 3 — ось 
 
Подвижная алюминиевая пластина 1, закрепленная вместе стрелкой на оси 3, может перемещаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными[ неподвижными пластинами 2. 
 
Входное напряжение подается на подвижную и неподвижную пластины. Под действием электростатических сил подвижная пластина втягивается между неподвижными пластинами. 
 

 

 

 

 

 

 

 

Обобщенное  выражение М_вр для электростатического прибора, вычисляемое по формуле (1), имеет вид: 
 
М_вр =dW/da 
 
где dW_э — изменение энергии электрического поля при изменении положения подвижной части на da энергия поля заряженного конденсатора определяется уравнением: 
 
W_э=U²C/2. Поэтому: 
 
M_вр=(U²dC/da)/2 
 
где С — емкость, образуемая между электродами электростатического прибора. 
 
Приравнивая вращающий и противодействующий моменты, получим: 
a=U²/(2WdC/da) 
 
Из последнего выражения видно, что шкала прибора квадратичная. 
 
Конструктивно добиваются частичной линеаризации шкалы так, что рабочая часть начинается примерно с 1/5 части общей длины шкалы. Успокоение подвижной части — магнитоиндукционное или воздушное. 
 
Достоинства: не потребляют энергии в цепях постоянного тока и очень незначительное потребление в цепях переменного тока, классы точности: 0,05; 0,1; 1,0; 1,5; 2,5; частотный диапазон 20 Гц... 10 МГц; диапазон измерений постоянного напряжения от 10 В до 7500 кВ, переменного напряжения от 30 В до 7500 кВ, независимость показаний от изменения температуры, частоты и формы кривой измеряемого напряжения, а также внешних магнитных полей. 
 
Недостатки: низкая чувствительность, неравномерная шкала, сказывается влияние внешних электрических и электростатических полей. 
 
Применение: электростатические измерительные приборы используют в цепях постоянного и переменного токов в качестве вольтметров. Для расширения пределов измерения по напряжению используются резисторные и емкостные делители напряжения.

 

                                          Тензорезисторы.

 
Измерение малых перемещений можно осуществить с помощью тензорезисторных преобразователей. 
 
В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключается в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. 
 
Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности К, определяемой как отношение изменение сопротивления материала к изменению суммы проводника:  
 
К = ε_R/ε_e; 
 
где: ε_R=   - относительное сопротивление материала; 
 
ε_e =   - относительное изменение длины 
 
Для жидких материалов, практически не меняющих своего объема при деформации, коэффициент тензочувствительности К = 2. 
 
Это следует из того, что сопротивление проводника при постоянном объеме зависит от квадрата его длины:  ;  ;  , 
 
где: S – площадь поперечного сечения проводника; 
 
V – объем проводника; 
 
ρ – удельное сопротивление. 
 
И для металлов изменение их длины связано с изменением их объема, причем изменение объема в зоне упругой деформации характеризуется коэффициентом Пуассона  ; 
 
где:   поперечная деформация. 
 
В этом случае для металлов при  0,24-0,4; к = 1,48-1,8 
 
Но практика показывает, что для металлов к>2, а для полупроводников к ≈ 100. Значит, при деформации изменяется и ρ. 
 
Зависимость R от относительной деформации E с достаточной точностью описывается линейным двучленом 
 
 
 
где: R₀ – сопротивление без деформации; 
 
К - тензочувствительность. 
 
В технике измерений неэлектрических величин тензорезисторы используются как для измерения объемного давления, тогда входной величиной является давления, а выходной изменение активного сопротивления: так и для измерения растяжения или сжатия, когда входной величиной является перемещение, а выходной – измерение R. 
 
Конструктивно тензорезистор реализован как тонкий длинный проводник. 
 
Фальговые тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фальговая тензочувствительная решетка толщиной 4-12 мам из константана. Решетка сверху покрыта лаком. (Рис.8). 
 
 
 
Проволочные имеют аналогичное устройство, но его решетка выполнена из проволоки диаметром 20 – 50мкм. Фальговые и проволочные тензорезисторы обычно имеют длину 5-20 мм, ширину 3-10 мм. их номинальное сопротивление равно 50,100,200,400,800 Ом. 
 
Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластину монокристалла кремния или германия длиной 5 – 10 мм, шириной 0,2-0,8 мм. К её торцам приварены выводы. Чувствительность К= 50 – 150. Их существенный недостаток – зависимость R от температуры. 
 
Наиболее часто тензорезисторы включаются в схему неравновесного моста (Рис. 9). 
 
  
 
Если сопротивление нагрузки Rн достаточно велико (режим хх), то выходное напряжение моста. 
 
, 
 
где: U - напряжение питания. В качестве R₁ и R₂ включаются одинаковые тензорезисторы. При отсутствии измеряемой деформации их сопротивления равны: R₁₀=R₂₀=R₀ и если R₃ = R₄, ε=0, U_вых =0. 
 
когда: ε ≠ 0, R₁ ≠ R₂,   
 
Мостовая цепь является дифференциальной и при R₁=R₀ + ∆R и R₂ = R₀ выходное напряжение цепи и чувствительность в режиме холостого хода  ,   это схема первого рода. 
 
При схеме второго рода, когда R₁=R₀+∆R и R₂=R₀-∆R, выходное напряжение тензорезисторного моста не превышаем 10-20 мВ и для дальнейшего преобразования требуется усиление. 
Расчет тензорезисторов сводится к определению при выбранных их размерах допускаемой мощности рассеяния. При перегреве расчет погрешность. Нагрев Q тензорезистора по сравнению с температурой детали, на которую он размещен, равен 
 
, 
 
где: Rт – тепловое сопротивление, К/Вт; 
 
Sо – площадь поверхности теплоотдачи резистора, м²; 
 
 - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м².К); 
 
P у∂ - удельная тепловая нагрузка, Вт/м². 
 
Тензорезисторы рекомендуется накаливать на деталь, т.к. в этом случае в деталь отводится в 200-300 больше тепловой энергии, чем при отдаче в воздух. 
 
Численные расчеты показывает, что при наклейке на металл P у∂ ≈ 50 мВт/мм², а допустимое значение тока 
 
 
 
Погрешность измерения может возникнуть как за счет схемы решений, так за счет температурных изменений тензорезистора. При изменении температуры оно изменяется как вследствие изменения удельного сопротивления константана, так и вследствие изменения натяжения из-за различных температурных коэффициентов удлинения тензорезистора и детали. 
 
Температурную погрешность частично можно уменьшить применением компенсационных размеров, которые накаливаются поперек детали и не воспринимают продольные деформации, а температура влияния испытывают. В мостовых схемах их включают в смежные плечи с рабочим тензорезистором.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Криопроводники.

 

КРИ́ОПРОВОДНИКИ́, металлы, удельное сопротивление которых при охлаждении снижается плавно, без скачков и достигает малых значений при криогенных температурах Некоторые металлы могут достигать при низких (криогенных) температурах весьма малого значения удельного электрического сопротивления р, которое в сотни и тысячи раз меньше, чем удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре. Материалы, обладающие такими свойствами, называют криопро-водниками (гиперпроводниками).

Физически явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости. Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной температуре, что определяет их использование в сильноточных электротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие требования по надежности и взрывобезопасности.

 Применение  криопроводников в электрических  машинах, кабелях и  т.п. имеет  существенное преимущество по  сравнению со сверхпроводниками. Основное применение криопроводников — изготовления    токопроводящих жил кабелей и проводов, работающих при  температурах жидкого водорода (-252,6^оС) и азота 

 

Если  в сверхпроводниковых устройствах  в качестве охлаждающего агента применяют  жидкий гелий, работа криопроводников  обеспечивается благодаря более  высококипящим и дешевым хладагентам - жидкому водороду или даже жидкому азоту. Это упрощает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства. Однако необходимо учитывать технические трудности, которые возникают при использовании жидкого водорода, образующего при определенном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом.

В качестве криопроводников используют медь, алюминий, серебро, золото.

 

 

 

 

 

 

 

  Коммутационные устройства с механическим управлением.

Коммутационные устройства с механическим управлением, или иначе переключатели. В зависимости от способа управления приводом все переключатели делятся:

 

V нажимные ( кнопочные  );

V перекидные ( тумблер  );

V поворотные (галетные );

V движковые;

V сенсорные.

 

Первые 4-е типа могут быть контактные и бесконтактные,  сенсорные  какправило  бесконтактные.Контактные  переключатели  в  от  формы   контактов делятся на переключатели:

 

V с накладными  контактами;

V с скользящими  контактами.

 

Накладные контакты.

 

Конструкции. 

Ф ункции соединения и разрыва электрической цепи пространственно совпадают, для улучшения качества переключателей используют притирающиеся контакты. Притирающиеся это когда точки контакта и протекания тока различны.

 

Скользящие  контакты.

 

Функции соединения и разрыва пространственно  разнесены. Но увеличиваются усилия для контакта, т.е. происходит интенсивное зачищение контакта.

 

 

 

 

 

                          Основные параметры:

 

 

Контактное сопротивление – R к.

Статическая нестабильность контактного  сопротивления – DR ст.

Динамическая нестабильность контактного сопротивления – DR дин.

Максимальное рабочее напряжение – U max

Сопротивление изоляции – R из.

Коммутируемая мощность – P к.

Коммутируемая напряжение –U к.

Коммутируемая токи – I к.

Износостойкость.

На  высоких частотах работы переключателя  появляются паразитные параметры.

Эквивалентная схема коммутационного  устройства ( на высоких частотах ).

В замкнутом  состоянии. В разомкнутом состоянии.

 

г де:

L к – индуктивность контакта;

R пер – переходное сопротивление;

R мк – сопротивление металлических контактов;

C кз – емкость контакт-земля;

R из – сопротивление изоляции;

C к – емкость контакта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                          
                Система обозначений.

 

1. В, П – выключатель или переключатель.
2. Кн, Т, Г, П, Д – кнопочный, тумблер, галетный, программируемые переключатели, движковые.
3. Б – бесконтактный, если нет обозначения – контактный.
4. N ( цифра ) – порядковый номер разработки.ъ
5. N ( цифра ) – номер типо-номинала.
6. N ( цифра ) – число полюсов.

Например: ПГ39-3-4

 

                     Разновидности переключателей.

 

Нажимные (кнопочные) – приводятся в действие нажатием кнопки.Такие переключатели обеспечивают наибольшую скорость переключения.В качестве коммутирующего устройства используются микропереключатели(их особеность мгновенное действие).

 

Перекидные (тумблер) –привод выполнен в виде рычага, который перекидывается (инода на рычаг наносится слой люминофора ).Такие переключатели имеют один, два, три, не более четырех полюсов.При переключении имеют два или три положения.

 

Поворотные (галетные) – это многопозиционные переключатели.Специальное условное обозначение таких переключателей:

24П15Н – 24 положения;

- 15 направлений.

 

 

 

                  Разовидности по форме конструкции.

 

1.Галетные (контактная  группа в виде галеты).

2.Щеточного  типа(особенность – большое усилие  контактонго нажатия, применяется  при больших токах).

 

3.Барабанного типа. 4.Кулачкового типа. 5.Движковые – имеют орган управления в виде движка.

6.Сенсорные  – такие переключатели не имеют  подвижного контакта .Включаются пир прикосновении пальца к не которой поверхности .Существуют также квазисенсорные переключатели которые имеют подвижный контакт , который замыкается или размыкается – он связан со схемой управления.