ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ КОМПАРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01R17/08 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при поверочных и эталонных измерениях в широком диапазоне измеряемых напряжений и частот.

Известны электростатические компараторы напряжений [1] одновременного сравнения, состоящие из двух электростатических преобразователей, расположенных на одной оси и укрепленных вертикально на растяжках или подвесе таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые каждым из преобразователей, были направлены навстречу друг другу.

Недостатком известных компараторов является недостаточная точность механической регулировки идентичности характеристик электростатических преобразователей. Поэтому здесь применяется сложный способ, основанный на использовании регулируемого делителя постоянного напряжения в цепи компарирующего напряжения [1]
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является компаратор [2] имеющий конструкцию, аналогичную весам. Компаратор образован поперечной горизонтальной балкой, подвешенной на плоской пружине по типу весов Петерсона [3, 4] обеспечивающей возможность вращения горизонтальной балки вокруг точки подвеса. По краям балки укреплены пластины двух конденсаторов, вторые пластины которых жестко связаны с основанием компаратора, расположенным параллельно балке. Горизонтальное положение балки, соответствующее равенству действующих на подвижные пластины электростатических сил (равенству приложенных к подвижным пластинам напряжений), регистрируется при помощи фотоэлектрического преобразователя угла поворота балки в электрический сигнал, состоящего из оптической системы, зеркала, укрепленного в середине горизонтальной балки, и фотоэлемента. К выходу фотоэлектрического преобразователя через усилитель подключен нулевой индикатор.

Компаратор имеет следующие недостатки.

Сложность механической регулировки идентичности характеристик электростатических преобразователей в виде конденсаторов, состоящих из пластин. Поэтому для регулировки идентичности преобразователей применяется регулируемый делитель постоянного напряжения в цепи компарирующего напряжения.

Наличие маятниковых и поперечных колебаний подвижной части от влияния механических помех сотрясений, вибраций и ударов, что приводит к снижению точности компаратора [3] Это обусловлено тем, что подвижная часть компаратора имеет шесть частот собственных колебаний, причем некоторые из них близки друг к другу и почти все зависят от массы подвижной системы [4] Близкие частоты колебаний под действием механических помех дают биения. Из-за неустранимых связей по разным координатам поперечные колебания переходят в крутильные, вызывая отклонение поперечной балки, воспринимаемое как потеря устойчивости компаратора. Для защиты компаратора от действия сотрясений используют сложные специальные антивибрационные стенды в сочетании с глубоко врытыми в землю специальными фундаментами.

Этот недостаток в результате применения технического решения, предложенного в [5]
Однако поперечные колебания подвижной части компаратора, не приводящие к крутильным колебаниям балки, вызывают колебательный уход нуля компаратора, что приводит к колебаниям указателя нулевого индикатора.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение регулировки идентичности характеристик электростатических преобразователей на переменном напряжении и демпфирования подвижных электродов, повышение устойчивости к поперечным колебаниям подвижной части, а также чувствительности компаратора путем применения двух фотоэлектрических преобразователей угла поворота балки в электрический сигнал.

Это достигается тем, что в известном компараторе, содержащем подвижную часть в виде поперечной горизонтальной балки по типу весов, по краям которой укреплены подвижные электроды двух электростатических преобразователей, неподвижные электроды которых жестко связаны с основанием компаратора, расположенным параллельно балке, элементы крепления балки, обеспечивающие вращение балки вокруг оси вращения, фотоэлектрический преобразователь угла поворота балки в электрический сигнал и нулевой индикатор, подвижные и неподвижные электроды образуют многокамерный цилиндрический конденсатор, неподвижный электрод которого снабжен дополнительным цилиндрическим электродом, хвостовик которого укреплен в центре неподвижного электрода с возможностью плавного регулирования емкости электродов, а на концах горизонтальной балки укреплены флажки, напротив каждого из которых расположены осветительная лампа с конденсатором и фоторезисторы, которые образуют два плеча мостовой схемы, а два других плеча мостовой схемы образованы постоянными резисторами и переменным резистором с возможностью установления нуля мостовой схемы, при этом каждая из мостовых схем подключена к стабилизированному источнику напряжения, а мостовые схемы соединены между собой таким образом, что при отклонении балки от горизонтального положения и разбалансе мостовых схем их выходной сигнал складывается, и подключены через усилитель к нулевому индикатору.

На фиг. 1 и 2 представлено схематическое изображение электростатического компаратора напряжения.

Компаратор имеет поперечную горизонтальную балку 1 по типу весов, по краям которой укреплены подвижные цилиндрические электроды 2 двух электростатических преобразователей в виде многокамерных цилиндрических конденсаторов, неподвижные цилиндрические электроды 3 которых, жестко связанные с основанием компаратора 4, снабжены дополнительными цилиндрическими электродами 5, хвостовики которых укреплены в центре неподвижных электродов 3 с возможностью плавного регулирования емкости конденсатора, образованного электродами 2, 3 и 5, изолятор 6, на котором укреплены электроды 3, 5, клеммы 7, экран 8, имеющий потенциал корпуса компаратора, и экран 9, имеющий высокий потенциал. Поскольку электроды 2 и 3 образуют многокамерный цилиндрический конденсатор, то он обеспечивает воздушное успокоение (демпфирование) подвижной системы. По краям балки укреплены флажки 10, напротив каждого из которых расположены фоторезисторы 11, 12 и осветительные лампы 13 с конденсаторами 14.

Для крепления подвижной части компаратора применено устройство для крепления подвижной части электроизмерительных приборов [1] которое содержит растяжки 15 22, амортизационные пружины 23 30, к которым крепятся наружные концы растяжек, ось 31 и кольца 32 и 33, жестко укрепленные на оси, к которым крепятся внутренние концы растяжек.

На фиг. 3 приведена схема включения электростатического компаратора напряжения при измерении переменного напряжения.

Фоторезисторы 11, 12 образуют два плеча мостовой цепи, а два других плеча мостовой цепи образуют последовательно соединенные постоянные резисторы 34, 35 и переменный резистор 36, обеспечивающий возможность установления нуля мостовой цепи. Одна из диагоналей мостовых цепей, состоящей из элементов 11, 12, 34, 35, 36, подключена к стабилизированному источнику напряжения 37, а другая к балансному усилителю постоянного тока 38, который имеет два входа. К выходу усилителя 38 подключен нулевой индикатор 39. Усилитель снабжен клеммами 40 для подключения его последовательно с источником постоянного напряжения 41 к одному из электростатических преобразователей компаратора. К второму электростатическому преобразователю подключен источник переменного напряжения 42, выходное напряжение которого измеряется при помощи электростатического компаратора.

Компаратор работает следующим образом. При помощи механического корректора (не показан) и переменных резисторов 36 и замкнутых на землю клемм 7 производится установка нуля компаратора. При этом индикатор 39 должен показывать нуль. Затем производится регулировка идентичности электростатических преобразователей на переменном напряжении. Для этого от источника 42 на электростатические преобразователи, состоящие из электродов 2 и 3, подается переменное напряжение. Если электростатические преобразователи неидентичны, то подвижная система отклонится от нулевого положения, произойдет перераспределение светового потока, падающего на фоторезисторы. Это приведет к разбалансу мостовых цепей. Их выходной сигнал усиливается усилителем 38, причем сигнал на выходе усилителя 38 суммируется. Разбаланс мостовых цепей приводит к отклонению указателя нулевого индикатора 39 от нулевого положения. Изменяя положение дополнительных электродов 5 относительно подвижных электродов 2, добиваются идентичности электростатических преобразователей, что определяется по нулевому показанию индикатора 39.

Далее измеряемое напряжение от источника 42 подводится к одному из электростатических преобразователей, например левому на фиг. 2, и компенсирующее постоянное напряжение от источника 41 и усилителя 38, соединенных последовательно, на другой электростатический преобразователь. Если эти напряжения не равны, то подвижная часть отклоняется, и на выходе усилителя 38 появляется постоянное напряжение, которое алгебраически суммируется с напряжением от источника 41. Изменяя напряжение от источника 41, добиваются нулевого отклонения индикатора 39, что означает равенство действующего значения переменного напряжения от источника 42 и постоянного напряжения от источника 41 и усилителя 38. Постоянное напряжение измеряется при помощи делителя напряжения и компенсатора постоянного тока (не показан).

Для исключения погрешности от асимметрии измерения производят при двух полярностях постоянного напряжения. При поперечных колебаниях подвижной системы в направлении силы тяжести, обусловленных сотрясениями и вибрацией, выходной сигнал одного фотоэлектрического преобразователя увеличивается, а другого пропорционально уменьшается. При этом суммарный выходной сигнал на выходе балансного усилителя постоянного тока 38 остается постоянным.

Использование предложенной конструкции электростатических преобразователей в виде многокамерного цилиндрического конденсатора с дополнительным электродом выгодно отличает предлагаемый компаратор от прототипа, так как существенно проще (без применения регулируемого делителя напряжения) производится регулировка идентичности электростатических преобразователей. При этом регулировка идентичности производится на переменном напряжении, что позволяет исключить погрешность от симметрии электростатических преобразователей.

Емкость электростатических преобразователей созданного электростатического компаратора равна 30 пФ. Наружный диаметр подвижного электрода равен 30 мм. Диаметр дополнительного электрода, укрепленного в центре наподвижного электрода при помощи резьбового соединения, равен 6 мм. Шаг резьбы 0,4 мм. Дополнительный электрод перемещается на 8 мм, т.е. для полного перемещения дополнительного электрода необходимо сделать 20 полных оборотов дополнительного электрода. При этом емкость электростатического преобразователя изменяется на 0,04 пФ. Одна десятая оборота дополнительного электрода приводит к изменению емкости конденсатора на 0,0002 пФ, что составляет 0,0006%
Эти данные показывают, что дополнительная плавность регулировки идентичности электростатических преобразователей обеспечивается.

Поскольку электростатический преобразователь выполнен в виде многокамерного цилиндрического конденсатора, то он обеспечивает также воздушное успокоение подвижной системы.

Применение двух фотоэлектрических преобразователей угла поворота подвижной части в электрический сигнал позволяет увеличить чувствительность компаратора, поскольку сигналы двух фотоэлектрических преобразователей складываются.

Повышение устойчивости компаратора к поперечным колебаниям подвижной части обусловлена тем, что при поперечном колебании подвижной части, когда поперечные колебания не переходят в угловые перемещения подвижной части, выходной сигнал одного фотоэлектрического преобразователя увеличивается, а другого пропорционально уменьшается. При этом суммарный выходной сигнал на выходе усилителя постоянного тока остается неизменным.

Сущность изобретения: компаратор напряжения содержит подвижную часть в виде горизонтальной балки по типу весов. По краям балки укреплены подвижные электроды многокамерных цилиндрических конденсаторов и неподвижные электроды, установленные с возможностью регулирования емкости, жестко связанные с основанием компаратора. Основание расположено параллельно балке. Элементы крепления балки обеспечивают вращение балки и устойчивость к поперечным колебаниям. Два фотоэлектрических преобразователя подключены таким образом, что при отклонении балки от горизонтального положения выходной сигнал с двух фотоэлектрических преобразователей складывается и усиливается, а при поперечных колебаниях подвижной части выходной сигнал усилителя не изменяется. Равенство напряжений определяют по нулевому показателю нуль-индикатора, подключенного к выходу усилителя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электростатический компаратор напряжения, содержащий подвижную часть в виде поперечной горизонтальной балки по типу весов, по краям которой укреплены подвижные электроды двух электростатических преобразователей, неподвижные электроды которых жестко связаны с основанием компаратора, расположенным параллельно балке, элементы крепления балки, обеспечивающие вращение балки вокруг оси вращения и устойчивость к поперечным колебаниям балки, фотоэлектрический преобразователь угла поворота балки в электрический сигнал и нулевой индикатор, отличающийся тем, что в нем каждый электростатический преобразователь выполнен в виде многокамерного цилиндрического конденсатора, неподвижный электрод которого снабжен дополнительным цилиндрическим электродом, хвостовик которого установлен в центре неподвижного электрода с возможностью плавного регулирования емкости электрода. 2. Компаратор по п. 1, отличающийся тем, что в нем на концах горизонтальной балки укреплены флажки, напротив каждого из которых расположены осветительная лампа с конденсатором и фоторезисторы, которые образуют два плеча мостовой цепи, а два других плеча мостовой цепи образуют последовательно соединенные постоянные резисторы и переменный резистор с возможностью установления нуля мостовой цепи, при этом одна из диагоналей мостовых цепей подключена к стабилизированному источнику напряжения, а другая к балансному усилителю постоянного тока так, что при отклонении балки от горизонтального положения и разбалансе мостовых цепей их выходной сигнал усиливается и суммируется, а при поперечных колебаниях подвижной части выходной сигнал усилителя не изменяется, и к выходу усилителя подключен нулевой индикатор.