Патент на изобретение №2350969

(54) ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ КОМПАРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при эталонных измерениях в широком диапазоне измеряемых напряжений и частот. Технический результат – повышение чувствительности и точности электростатического компаратора напряжения. Для достижения данного результата компаратор напряжения содержит подвижную систему в виде горизонтальной балки по типу весов. По краям балки укреплены подвижные электроды многокамерных цилиндрических конденсаторов. Элементы крепления балки обеспечивают вращение балки и устойчивость к поперечным колебаниям. Выходной сигнал с двух фотоэлектрических преобразователей складывается и усиливается. Равенство напряжений определяют по нулевому показанию нулевого индикатора. Компенсатор противодействующего момента растяжек выполнен в виде двух дополнительных многокамерных цилиндрических электродов, на которые подается постоянное напряжение, пропорциональное противодействующему моменту растяжек. 3 ил.

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

Известны электростатические компараторы напряжений (ЭКН) [Векслер М.С. Измерительные приборы с электростатическими механизмами. – Л.: Энергия, 1974, с.127-129] 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 компарирования напряжений, связанная с недостаточным вращающим моментом электростатических преобразователей. К недостатку аналога следует также отнести невозможность применения компенсатора противодействующего момента растяжек, выполненного в виде взаимодействующих между собой плоских электродов, один из которых расположен на подвижной части, а два других являются неподвижными, между которыми подключен источник постоянного напряжения, и который успешно применяется в электростатических компараторах невысокой точности. Обнаружено, что указанный источник постоянного напряжения нарушает идентичность характеристик электростатических преобразователей предложенного электростатического компаратора и дезорганизует его работу. Это обусловлено тем, что нуль электростатического компаратора и нуль компенсатора момента растяжек не совпадают.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению (прототипом) является компаратор [Патент РФ на изобретение №2307362, МПК G01R 17/08. Опубл. в БИ №27, 27.09.2007], обеспечивающий эталонные измерения переменного напряжения и имеющий конструкцию, аналогичную весам. Компаратор образован поперечной горизонтальной балкой, по краям которой укреплены подвижные электроды двух электростатических преобразователей, неподвижные электроды которых жестко связаны с основанием компаратора, расположенным параллельно балке. Элементы крепления поперечной балки выполнены в виде четырех растяжек с каждой стороны по оси подвижной системы. Нулевой индикатор равновесия подвижной системы выполнен в виде двух флажков, укрепленных на концах балки. Напротив каждого из флажков укреплены осветительная лампа с конденсором и фоторезисторы, которые в сочетании с резисторами образуют две мостовые цепи, к диагоналям которых через усилитель постоянного тока подключен нулевой индикатор.

Недостатками прототипа являются недостаточная чувствительность и точность компаратора, обусловленные влиянием противодействующего момента растяжек.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение чувствительности и точности электростатического компаратора напряжения.

Это достигается тем, что электростатический компаратор напряжения, содержащий основание, подвижную систему в виде поперечной горизонтальной балки по типу весов, подвижные цилиндрические электроды, неподвижные цилиндрические электроды, дополнительные цилиндрические электроды, флажки, осветительные лампы с конденсорами, фоторезисторы нулевого индикатора, элементы крепления балки в виде двух пар растяжек, кольца, две оси подвижной системы и амортизационные пружины, успокоитель крутильных колебаний подвижной системы, при этом основание компаратора расположено параллельно поперечной горизонтальной балке, подвижные цилиндрические электроды укреплены по краям поперечной горизонтальной балки, неподвижные электроды электростатических преобразователей жестко связаны с основанием компаратора, подвижные цилиндрические электроды, неподвижные цилиндрические электроды и дополнительные цилиндрические электроды образуют по многокамерному цилиндрическому конденсатору, выполненному с возможностью изменения его емкости, напротив каждого из флажков расположено по осветительной лампе с конденсором и фоторезисторы нулевого индикатора, внутренние концы растяжек через кольца прикреплены к каждой из двух осей оси подвижной системы, а их внешние концы прикреплены к амортизационным пружинам, причем данные растяжки сгруппированы в две пары, лежащие в отдельных плоскостях, так что каждая из данных плоскостей перпендикулярна по отношению к другой плоскости, а образующие каждую из таких пар и лежащие в одной плоскости растяжки ориентированы под острым углом одна к другой, успокоитель крутильных колебаний подвижной системы выполнен в виде двух полых полированных валиков, каждый из которых помещен в резервуар с этилполисилоксановой жидкостью, а каждый из валиков одним концом прикреплен к осям подвижной системы при помощи растяжек с большим противодействующим моментом, а другим концом через растяжки с малым противодействующим моментом присоединен к амортизационным пружинам, при этом каждый из резервуаров имеет отверстие для его заполнения этилполисилоксановой жидкостью и два отверстия для прохождения растяжек, выполненных с такими размерами, при которых этилполисилоксановая жидкость не вытекает из резервуаров, компаратор снабжен компенсатором противодействующего момента растяжек, выполненным в виде двух дополнительных цилиндрических многокамерных электродов, каждый из которых укреплен на концах стержней, закрепленных на балке подвижной системы, и двух неподвижных дополнительных цилиндрических многокамерных электродов, каждый из которых укреплен на корпусе компаратора, при этом на дополнительные электроды через усилитель напряжения, диоды и переменные резисторы подается постоянное напряжение, пропорциональное противодействующему моменту растяжек.

На фиг.1, фиг.2 и фиг.3 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 жестко связаны с основанием компаратора 4 и 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 частичное воздушное успокоение крутильных колебаний подвижной системы компаратора. По краям поперечной горизонтальной балки укреплены флажки 10, напротив каждого из которых расположены фоторезисторы 11, 12 с резисторами, образующими мостовую схему, и осветительные лампы 13 с конденсорами 14.

Фоторезисторы 11, 12 с резисторами, образующими мостовую схему, и осветительные лампы 13 с конденсорами 14 образуют фотоэлектрический преобразователь углового перемещения подвижной системы в электрический сигнал, который подается на нулевой индикатор 15 (фиг.3).

Элементы крепления подвижной системы (фиг.1, 2) выполнены в виде двух пар растяжек 16, 17 и 18, 19 с каждой стороны поперечной горизонтальной балки 1, которые расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, наружными концами прикреплены соответственно к растяжкодержателям 20, 21 и 22, 23, а внутренними концами – к кольцу 24, закрепленному на оси 25. При этом растяжки в каждой плоскости расположены под острым углом друг к другу. Жидкостный успокоитель крутильных колебаний подвижной системы совмещен с ее креплением, для этого горизонтальные растяжки в вертикальной плоскости выполнены составными из растяжек с малым противодействующим моментом 19 и растяжек с большим противодействующим моментом 26. Наружные концы горизонтальных растяжек с малым противодействующим моментом 19 прикреплены к растяжкодержателям 23, а их внутренние концы прикреплены к полым полированным валикам 27. Растяжки с большим противодействующим моментом 26 прикреплены к кольцам 24 и к полым полированным валикам 27, которые помещены в резервуары 28 с этилполисилоксановой жидкостью. Резервуары имеют отверстия 29 и 30, через которые проходят растяжки 19, 26, малый размер которых предотвращает вытекание жидкости из резервуаров. В резервуарах предусмотрены отверстия для его заполнения этилполисилоксановой жидкостью (не показаны). Валики 27, помещенные в резервуары 28 с этилполисилоксановой жидкостью и присоединенные через растяжки 26 с большим противодействующим моментом к кольцам 24, образуют жидкостный успокоитель крутильных колебаний, обеспечивающий оптимальное успокоение подвижной системы электростатического компаратора напряжения.

Компенсатор противодействующего момента растяжек представлен на фиг.1, 3. Подвижные дополнительные электроды 31 и 32 укреплены на концах стержней 33 и 34, находящихся на поперечной горизонтальной балке 1. Два неподвижных дополнительных электрода 35 и 36 укреплены на корпусе компаратора. При этом на дополнительные электроды 31, 35 и 32, 36 с нулевого индикатора 15 через усилитель напряжения 37, диоды 38, 39 и переменные резисторы 40, 41 подается постоянное напряжение, которое пропорционально противодействующему моменту растяжек.

Для повышения чувствительности компенсатора противодействующего момента растяжек подвижные 31, 32 и неподвижные 35, 36 дополнительные электроды выполнены цилиндрическими многокамерными по типу электродов 2, 3 измерительного электростатического преобразователя.

Работа электростатического компаратора напряжения заключается в следующем. При помощи механического и электрического корректора (не показаны) производится установка нуля компаратора. Затем производится регулировка идентичности электростатических преобразователей путем изменения положения электродов 5 относительно подвижных электродов 2.

Далее измеряемое переменное напряжение подводится к одному из электростатических преобразователей, а компенсирующее постоянное напряжение подводится на другой электростатический преобразователь. Изменяя компенсирующее постоянное напряжение, добиваются нулевого отклонения нулевого индикатора. Постоянное напряжение измеряется при помощи делителя напряжения и компенсатора постоянного тока (не показаны).

Работа компаратора противодействующего момента заключается в следующем (фиг.4). При отклонении поперечной горизонтальной балки 1 от нулевого положения указатель нулевого индикатора 15 также отклоняется от нулевого положения. Напряжение с нулевого индикатора 15 подается на усилитель напряжения 37. Далее, в зависимости от полярности, напряжение с выхода усилителя 37 через диод 38 или 39 и соответственно резисторы 40 или 41 подается на неподвижные электроды 35 или 36. Между неподвижным электродом 35 и подвижным электродом 31 или неподвижным электродом 36 и подвижным электродом 32 возникает дополнительный вращающий момент, который компенсирует противодействующий момент растяжек. Переменные резисторы 40 и 41 обеспечивают пропорциональность дополнительного вращающего момента и противодействующего момента растяжек, которая производится в следующей последовательности. Сначала измеряется напряжение на нулевом индикаторе 15 при отклонении его указателя до конца шкалы (максимальное значение). Затем необходимо отключить от нулевого индикатора 15 усилитель напряжения 37 и подать на него от постороннего источника напряжение, равное напряжению на нулевом индикаторе 15.

Измерительные электростатические преобразователи, образованные электродами 2 и 3, должны быть замкнуты накоротко. При этом резисторы 40 и 41 регулируются таким образом, чтобы нулевой индикатор 15 показывал максимальное значение.

Высокая точность компенсатора противодействующего момента растяжек обусловлена тем, что напряжение на входе компенсатора пропорционально углу поворота подвижной системы электростатического компаратора напряжения. При нулевом отклонении балки подвижной системы от горизонтального положения, что определяется по нулевому положению указателя нулевого индикатора, напряжение на входе компенсатора равно нулю, то есть в предложенном ЭКН влияние компенсатора момента растяжек на показания ЭКН исключается.

Применение предложенного компенсатора противодействующего момента растяжек обеспечивает повышение чувствительности электростатического компаратора напряжения, что ведет к повышению точности компарирования напряжений.

Формула изобретения

Электростатический компаратор напряжения, содержащий основание, подвижную систему в виде поперечной горизонтальной балки по типу весов, подвижные цилиндрические электроды, неподвижные цилиндрические электроды, дополнительные цилиндрические электроды, флажки, осветительные лампы с конденсорами, фоторезисторы нулевого индикатора, элементы крепления балки в виде двух пар растяжек, кольца, две оси подвижной системы и амортизационные пружины, успокоитель крутильных колебаний подвижной системы, при этом основание компаратора расположено параллельно поперечной горизонтальной балке, подвижные цилиндрические электроды укреплены по краям поперечной горизонтальной балки, неподвижные электроды электростатических преобразователей жестко связаны с основанием компаратора, подвижные цилиндрические электроды, неподвижные цилиндрические электроды и дополнительные цилиндрические электроды образуют по многокамерному цилиндрическому конденсатору, выполненному с возможностью изменения его емкости, напротив каждого из флажков расположено по осветительной лампе с конденсором и фоторезисторы нулевого индикатора, внутренние концы растяжек через кольца прикреплены к каждой из двух осей оси подвижной системы, а их внешние концы прикреплены к амортизационным пружинам, причем данные растяжки сгруппированы в две пары, лежащие в отдельных плоскостях, так что каждая из данных плоскостей перпендикулярна по отношению к другой плоскости, а образующие каждую из таких пар и лежащие в одной плоскости растяжки ориентированы под острым углом одна к другой, успокоитель крутильных колебаний подвижной системы выполнен в виде двух полых полированных валиков, каждый из которых помещен в резервуар с этилполисилоксановой жидкостью, а каждый из валиков одним концом прикреплен к осям подвижной системы при помощи растяжек с большим противодействующим моментом, а другим концом через растяжки с малым противодействующим моментом присоединен к амортизационным пружинам, при этом каждый из резервуаров имеет отверстие для его заполнения этилполисилоксановой жидкостью и два отверстия для прохождения растяжек, выполненных с такими размерами, при которых этилполисилоксановая жидкость не вытекает из резервуаров, отличающийся тем, что компаратор снабжен компенсатором противодействующего момента растяжек, выполненным в виде двух дополнительных цилиндрических многокамерных электродов, каждый из которых укреплен на концах стержней, закрепленных на балке подвижной системы, и двух неподвижных дополнительных цилиндрических многокамерных электродов, каждый из которых укреплен на корпусе компаратора, при этом на дополнительные электроды через усилитель напряжения, диоды и переменные резисторы подается постоянное напряжение, пропорциональное противодействующему моменту растяжек.

РИСУНКИ