Voltmetre electrostatice de tip generator

Voltmetre electrostatice de tip generator

Spre deosebire de voltmetrele electrostatice clasice (VES) bazate pe efecte electromagnetice ale tensiunii de masurat (U_x), voltmetrele electrostatice de tip generator (VEG) masoara U_x prin intermediul campului electric (E_x) produs de catre obiectul de masura (OM) de inalta tensiune, ceea ce permite izolarea galvanica fata de OM si deci protectia operatorului impotriva electrocutarii. In plus, la egala tensiune nominala (U_xn), voltmetrele generatoare au gabarit mult mai redus decat al VES (sub 10%), adica sunt mult mai portabile si mai comode in exploatare, insa nu sunt potrivite pentru masurarea tensiunilor alternative, decat cu anumite modificari.

Ca principiu, voltmetrele generatoare se bazeaza pe modularea lui E_x, operatie din care rezulta un curent, de unde si denumirea de voltmetre generatoare, iar dupa felul modulatorului pot fi cu condensator vibrant sau de tip morisca. Dintre acestea, cel mai utilizat in prezent, este ultimul.

1. Prezentarea unui voltmetru electrostatic generator

La voltmetrele electrostatice generatoare (VEG) tip morisca, modularea lui E_x se face cu ajutorul unui rotor cu palete, de unde si denumirea de "morisca", denumire provenita din limbile germana (Feldmhle) si engleza (Field Mill).

a) Schema de principiu

Schema de principiu a unui VEG, in varianta Kleinwchter usor modificata este prezentata in fig 5.15, a. Se poate observa ca aparatul se compune dintr-un modulator, un conditionor de semnal, un detector sensibil la faza si un instrument de iesire, intocmai ca la voltmetrele electronice de c.c. cu modulare-demodulare.

Modulator de camp (MC)

Tensiunea de masurat (U_x) se aplica pe un electrodt izolat (1) care impreuna cu un electrod rotitor (2) (pus la masa cu o perie P, si rotit de un motor M) si cu un electrod fix (3) (de aceeasi forma cu 2), formeaza modulatorul MC. Acesta genereaza un curent alternativ (i) care inchizandu-se pe o rezistenta (R) da nastere unei tensiuni alternative:

, (5.28)

in care U (valoarea efectiva) e definita de expresia:

, (5.29)

ce reprezinta ecuatia de functionare a modulatorului de camp (MC).

In expresia (5.28), f, reprezinta defazajul (0 sau p) a tensiunii generate in raport cu o tensiune de referinta (U_r), iar W pf pulsatia, unde:

f=n p/60 , (5.30)

reprezinta frecventa expresiei in care n este turatia motorului M iar p numarul de palete al rotorului (2, fig 5.15, b), egal cu cel al statorului (3). In cazul prezentat, turatia n=2000 rot/min, p=6 si deci f=200 Hz. In fine, termenii b si d din (5.29) sunt parametri legati de capacitatea electrica dintre electrozii 1 si 3.

Constructie

Electrodul indus (3) si cel de garda (4) sunt realizati din cupru placat pe suport de sticlotextolit (5), iar inelul de garda (6, fig 5.16, a) este din aluminiu si este prevazut cu o coroana ce serveste la fixarea capului

voltmetric (CT, fig. 5.17, a). Rezistenta de izolatie a canalului (7) care separa electrozii 3 si 4 (fig 5.16, b) si care hotaraste rezistenta de intrare (R_v) a voltmetrului generator este intarita cu lac siliconic asigurand R_v>10¹⁴W

Precizie

Eroarea de baza a modulatorului, Dm₁/m₁ (eroare ce include instabilitatea turatiei Dn/n si eroarea de neliniaritate a caracteristicii de transfer) este sub 0,2-0,5% c.s., adica MC are precizie suficient de buna pentru un senzor de camp electric.

In fig 5.16, c se prezinta caracteristica de transfer a lui MC, ridicata experimental; se observa ca are o liniaritate foarte buna.

Conditionorul de semnal (DT/A)

Este format dintr-un divizor de tensiune (DT) si un amplificator (A) si are rolul de a prescrie gamele (U_xn ) in asa fel incat : U₂ < 50 mV c.s. (conditie impusa de catre    DSF). Blocul DT/A raspunde la ecuatia:

U₂=m₂ U, (5.31)

in care m₂ este parametrul de gama (scara).

Dupa cum s-a aratat intr-un capitol anterior eroarea de baza a unui

bloc DT/A de constructie obisnuita (cost scazut) este Dm₂/m₂<0,2-0,5% c.s.

Detectorul sensibil la faza (DSF)

Are rolul de a detecta polaritatea lui U_x si, in cazul de fata, e de tip multiplicator XR2208. Daca valoarea efectiva U_r a tensiunii de referinta depaseste 60 mV, raspunsul acestuia devine independent de U_r si satisface ecuatia (m₃=const):

U₃=m₃ U₂ (U₂ <50mV , U_r>60mV).     (5.32)

Tensiunea de referinta, U_r, este generata tot cu ajutorul electrodului rotitor (2) (realizat din material feromagnetic). Acesta, impreuna cu o bobina (8) infasurata pe un magnet permanent (9) formeaza un fel de alternator (fig 5.15, b) care da la iesire o tensiune de forma:

(U_r= ct.). (5.33)

La circuitele DSF de tipul utilizat in schema (fig. 5.19), in conditiile unei alinieri ingrijite, eroarea de baza, Dm₃/m₃ este sub 1% c.s.

Voltmetrul numeric (VN)

Voltmetru de fata cu tensiunea nominala U_3n=300mV, raspunde la ecuatia (m₄=const):

N=m₄ U₃ , (5.34)

in care N reprezinta numarul afisat.

Eroarea de baza a unui astfel de voltmetru numeric VN, Dm₄/m₄ este sub 0,2% c.s.

b) Ecuatia de functionare a VEG

Din asocierea expresiilor 5.29, 5.31, 5.32, 5.34 rezulta relatia:

N=m U_x , (5.35)

ce reprezinta ecuatia de functionare a voltmetrului analizat, in care

m=m₁ m₂ m₃ m₄=const . (5.36)

Eroarea de baza

Din (5.36) rezulta ca eroarea de baza a VEG poate fi exprimata in forma:

, (5.37)

expresie din care, tinand cont de valorile componentelor sale mentionate mai inainte, rezulta: Dm/m=1,5-2,2 % c.s. ceea ce arata ca voltmetrul analizat se poate incadra in clasa de precizie 2,5.

c) Forma de baza a VEG

Forma constructiva tipica a VEG-urilor portabile alimentate la baterii este cea de pistol. Forma VEG-ului analizat este prezentata in fig. 5.17, unde CP reprezinta corpul principal al aparatului, iar CT capul de masura a tensiunii.

Corpul principal (10)

Este realizat din teava de aluminiu si gazduieste modulatorul de

camp precum si schema electronica. La partea inferioara a CP-ului se afla

tocul bateriilor de alimentare (11), care formeaza si manerul "pistolului", precum si borna de masa (12), borna care (cel mai adesea) trebuie legata la pamant. Pe partea frontala (fig 5.17, b) se afla fereastra voltmetrului numeric (VN), butoanele de comanda: pornit/oprit (P/O), control baterii (BAT) si butoanele comutatorului de game: 0,03-0,3-3-30 kV.

Capul de masura a tensiunii (CT)

Are rolul de a converti tensiunea U_x in camp electric, dupa ecuatia:

E_x=U_x/d    (kV/m), (5.38)

in care d este distanta dintre electrodul statoric (3) si cel de inalta tensiune (1). Acesta din urma este sustinut pe un izolator din teflon (13) care inchide etans mufa (14) din aluminiu, mufa ce serveste si la fixarea CT-ului pe CP (fig 5.17, a). Daca se demonteaza CT de pe CP aparatul

ramane ca masurator de camp electric (E_x).

d) Parametri de calitate

Voltmetrul electrostatic generator prezentat are urmatorii parametri de calitate:

game: 30, 300, 3kV si 30kV;

precizie: 2,5% c.s.;

rezistenta de intrare: R_v=10¹⁵W

tensiunea de alimentare: 6V (4xR14);

consum: max. 50mA;

dimensiuni: 220x80 mm (orizontal) x 160mm (vertical);

masa: 1,3 Kg (cu baterii).

2 Masurari ce pot fi efectuate cu VEG

a) Masurarea tensiunilor de c.c.

Din datele de mai inainte rezulta ca VEG-ul are 3 calitati pretioase: R_v mare, izolare galvanica si domeniu de masura larg.

Rezistenta de intrare foarte mare R_v=10¹⁵W permite masurarea lui U_x pe surse de inalta tensiune si cu mare rezistenta interna (R_G=10⁹-10¹³W) cum sunt, de exemplu, sursele de postaccelerare de la tuburile cinescoape sau situatiile de masurare a caderii de tensiune pe rezistente foarte mari. Tot datorita lui R_v foarte mare, VEG-ul poate fi folosit si la masurari de tensiuni in tehnologia electrostatica.

Izolarea galvanica fata de obiectul de masura, asigura o protectie totala impotriva electrocutarii operatorului. In plus, datorita izolarii galvanice, aparatul permite masurarea tensiunii pe obiecte flotante (fara punct de masa), cum ar fi, de exemplu masurarea caderii de tensiune pe o rezistenta de protectie la ionizatoarele alimentate in c.c.

Domeniu de masura foarte larg: 30 V-30 kV c.s., adica 60 dB in timp ce la voltmetrele electrostatice clasice acesta nu depaseste 20dB. Datorita acestei calitati, VEG-ul poate fi utilizat, pe gama de 30 V, la masurari electronice (pH-metre, etc.) oferind o solutie mai simpla si mai sigura decat utilizarea electrometrelor electronice clasice.

Observatie

Cu unele mici modificari (cresterea turatiei, adaptarea detectiei) VEG-ul poate fi utilizat si la masurarea tensiunilor in c.a. de joasa frecventa (sub 50-100 Hz) [10], cu avantajul ca ofera o impedanta de intrare (Z_v) foarte mare.

b) Alte posibilitati de masurare

Masurarea unor rezistente (R_x) foarte mari (pana la 10¹⁴W), prin metoda legii lui Ohm, sau prin metoda descarcarii condensatorului.

Masurarea curentilor foarte mici. Pe gama cea mai mica (30 V in cazul de fata), VEG-ul poate fi utilizat la masurarea curentilor foarte mici (10^-9-10^-10 A), prin metoda legii lui Ohm. Solutia este, tehnologic si economic, mult mai avantajoasa decat cea oferita de electrometrul clasic.

Masurarea intensitatii campului electrostatic. Daca se demonteaza capul voltmetric aparatul poate fi utilizat la masurarea lui E_x in domeniul 1-1000 kV/m c.s., prin intermediul relatiei (5.38).

De asemenea, prin intermediul lui E_x poate fi utilizat si la masurarea sarcinii electrice. Ambele probleme vor fi prezentate intr-un capitol viitor.