Зачем он нужен
Киловольтметр – прибор, предназначенный для измерения высоких напряжений выше 1 кВ. Киловольтметр является необходимым прибором при работе с источниками высокого напряжения. В классе измерительных приборов киловольтметры являются достаточно редким и дорогостоящим подклассом приборов, приобретение которых сопряжено с рядом сложностей (только под заказ, высокая цена). В связи с этим проще и дешевле собрать собственный киловольтметр обеспечивающий измерение высоких напряжений. В данной работе представлен один из вариантов конструкции данного прибора.
Схема прибора
Принципиальная электрическая схема киловольтметра представлена на рисунке 1. Структурно киловольтметр состоит из высоковольтного резисторного делителя с изменяемым коэффициентом деления, цифровой биполярной измерительной головки-вольтметра, источника питания.
Резисторный делитель
Базовым элементом прибора является резисторный делитель с изменяемым коэффициентом деления, образованный высоковольтной резисторной сборкой R1-R20 и подстроечными резисторами R21, R22. Коэффициенты деления выбираются согласно диапазону входного напряжения измерительной головки и диапазонам измеряемого напряжения. Для головки DMS-30PC-1GS-C входное напряжение должно лежать в пределах -2..+2 В. Выбираем первый измеряемый диапазон в пределах 0..±20 кВ, второй диапазон в пределах 0..±200 кВ (сразу отметим, что максимальное значение второго диапазона лишь теоретическое значение). Соответственно этому вычисляем коэффициенты деления резисторного делителя для первого диапазона K1 - 1:10 000 и для второго K2 - 1:100 000:.
Изменение коэффициента деления позволяет выполнять измерения в различных диапазонах 0..±20 кВ, и 0..±200 кВ. На практике это просто удобно.
Сопротивление высоковольтной резисторной сборки R1-R20 выбирается из компромисса принципов:
- с одной стороны большие значения входного сопротивления прибора обусловлены необходимостью малого входного тока, минимальной выделяемой мощности, минимальной вносимой погрешности;
- с другой стороны ряд факторов ограничивает увеличение сопротивления: необходимость обеспечения помехоусточивости, разумные габариты сборки и её технологичность.
В данной конструкции было выбрано суммарное сопротивление сборки RΣ равное 2 ГОм. Это значение обеспечит входные токи на уровне единиц-десятков мкА, выделяемую мощность не более 4 Вт, высокую помехоустойчивость прибора и технологичность изготовления.
Согласно принципиальной схеме коэффициент деления резистора меняется с помощью переключателя S1 подключающего резистор R22 параллельно к R21. Соответственно изменяется коэффициент деления резисторного делителя. Сопротивление резистора R21 выбирается равным 200 кОм исходя из условия первого коэффициента деления K1 = 1:10 000:
Сопротивление резистора R22 выбирается равным 22,2 кОм исходя из условия второго коэффициента деления K2 = 1:100 000. При вычислении номинала R22 используем соотношение для расчета сопротивления параллельных резисторов:
При таком значении сопротивления R22 при коммутации переключателя S1 сопротивление параллельно соединенных R21, R22 становится равным 20 кОм. Данные номиналы сопротивления выставляются у подстроечных резисторов R21, и R22 непосредственно перед установкой на плату.
Основное падение высокого напряжения осуществляется на резисторной сборке R1-R20. Каждый из резисторов R1-R20 представляет собой последовательное соединение 10-и SMD резисторов 1206 номиналом 10 МОм. Максимально допустимое напряжение для одного SMD резистора в корпусе 1206 составляет 400 В. Таким образом, максимальное напряжение прикладываемое к резисторному делителю составляет 80 кВ. При этом напряжении максимальный входной ток составит 40 мкА, а энерговыделение в резисторной сборке 3,2 Вт.
Измерительная головка
В качестве измерительной головки в составе киловольтметра была выбрана головка цифрового вольтметра DMS-30PC-1GS-C. Выбор типа головки обусловлен предъявляемыми критериями:
- возможность измерения как положительного, так и отрицательного напряжения (относительно уровня земли). Это обеспечивает измерение обоих полярностей напряжения без лишних манипуляций.
- высокое входное сопротивление (более 1000 Мом). Благодаря этому возможно получение любых значений коэффициента деление и обеспечение точности выполняемых измерений за счет исключения влияния входного тока измерительной головки.
- светодиодный дисплей. Светодиодные дисплеи, в отличие от жидкокристаллических не подвержены влиянию сильных электростатических полей, что важно в киловольтметрах.
Использовано стандартное включение цифрового вольтметра DMS-30PC-1GS-C согласно datasheet.
Источник питания
В приборе использован типовое решение источника питания включающее батарею «Крона» и линейный стабилизатор напряжения с выходным напряжением 5 В на базе микросхемы типа 7805 со стандартной обвязкой.
Конструкция: печатные платы
Киловольтметр содержит две печатные платы: плату для цифрового вольтметра и плату для резисторной сборки. Топологи платы представлены на рисунках 2, 3.
Плата для цифрового вольтметра размещает саму измерительную головку DMS-30PC-1GS-C, линейный стабилизатор напряжения на 7805, подстроечные резисторы R21, R22 и контактные площадки для подпайки входных проводов.
Печатная плата резисторной сборки представляет собой полосу текстолита с площадками для SMD резисторов типоразмера 1206. Для обеспечения компактного расположения, а также для равномерного распределения потенциала по плате (предотвращения пробоя по поверхности) резисторы расположены змейкой.
Конструкция: компоновка элементов и сборка
Общий вид киловольтметра представлен на рисунке 4.
Технология сборки
1. В качестве измерительной головки-вольтметра используем головку DMS-30PC-1GS-C фирмы Murata с 3½-сегментным светодиодным индикатором.
2. В соответствии с электрической схемой используем следующие электронные компоненты:
- электролитические конденсаторы 100 мкФ 25 В -2 штуки;
- интегральный стабилизатор напряжения LM7805 (5 В, 1 А);
- тумблер на два положения 250 В, 1,5 А - 2 штуки;
- - прецизионные подстроечные многооборотные резисторы серии 3296W фирмы BOURNS с номиналами 1 МОм, 100 кОм с предварительно выставленными значениями сопротивлений 200 кОм и 22,2 кОм соответственно (см. схему);
- аккумулятор 9 В (8,2 В) типа «Крона»;
- колодка-корпус для элемента типа «Крона» с проводами BH-9VA.
3. Изготавливаем плату высоковольтного составного резистора. Вырезаем полоску текстолита толщиной 1,5 мм размерами 250мм х 15 мм.
4. С использованием фоторезистивной технологии печатных плат изготавливаем плату высоковольтного составного резистора (SMT-монтаж).
5. Изготавливаем плату для измерительной головки и сопутствующей обвязки. Вырезаем кусок текстолита толщиной 1,5 мм размерами 90мм х 45 мм.
6. С использованием фоторезистивной технологии печатных плат изготавливаем плату измерительной головки.
7. В плате измерительной головки сверлим отверстия для крепления компонентов.
8. Запаиваем компоненты в плату измерительной головки
9. Напаиваем на плату высоковольтного составного резистора SMT-резисторы 10 МОм в в корпусе 1206. Для удобства процесса все резисторы сначала припаиваются к плате сначала с одного конца, и лишь затем с другого.
Резисторы припаяны с одного конца
Резисторы припаяны с обоих концов
Плата высоковольтного составного резистора готова
10. Вырезаем из полипропиленовой трубы диаметром 25 мм отрезок длиной 305 мм.
11. На обеих концах трубы с помощью острого ножа формируем конусы.
12. Для изготовления торцов составного резистора используем стандартные фитинги: торцевую заглушку D25 c внутренней резьбой и торцевую заглушку с внешней резьбой. В принципе можно использовать заглушки с внутренней резьбой.
13. В центре торцевых заглушек сверлим отверстия и нарезаем резьбу М6.
14. Для высоковольтной клеммы используем болт М6 длиной 30 мм с внутренним шестигранником (для уменьшения потерь на корону).
15. Для соединения клеммы-болта с высоковольтным составным резистором изготавливаем проводник с петлей на одном конце.
16. Нарезаем с помощью плашки (лерки) несколько витков резьбы на одном конце пластмассовой трубки.
17. Изготавливаем сборку высоковольтной клеммы
18. Вблизи нижнего конца трубки сверлим отверстие под «измерительный» вывод высоковольтного резистора. К составному высоковолтному резисторы припаиваем провод достаточной длины, вставляем резистор в трубку, предварительно продев «измерительный» провод.
19. Припаиваем сборку высоковольтной клеммы составному высоковольтному резистору. При этом плату резистора немного проталкиваем вперед.
20. Навинчиваем заглушку высоковольтной клеммы на трубку (резьба уже есть).
21. Вставляем на конус нижнего конца трубки нижнюю заглушку с отверстием. Важно чтобы соединение было плотным тогда его механическая прочность будет достаточной.
22. Изготавливаем основание из фанеры толщиной 18 мм, размерами 100х170 мм. Основание покрываем акриловым матовым лаком.
23. Для крепления на основании тумблеров и земляной клеммы изготавливаются панели из дюралюминиевых уголков типоразмера 20х20 мм толщиной 1 мм. Длины панелей 45 мм и 100 мм соответственно. В уголках сверлятся отверстия для крепления тумблеров и земляных клемм, а также отверстия под стойки.
24. Монтируем тумблеры (включения/выключения и переключения коэффициента деления) на алюминиевые уголки.
Группа тумблеров
Земляные клеммы
19. Изготавливаем из медной обжимной трубки длиной 40 мм и внешним диаметром 9 мм стойки для крепления уголков к основанию. Длина стоек примерно соответствует внутренней ширине уголка. То есть трубку длиной 40 мм распиливаем на две части.
Исходная трубка
Готовые стойки
20. Изготавливаем выходной проводник земляной клеммы используя вывод-шайбу под пайку.
21. Крепим уголок земляной клеммы с помощью стоек и саморезов к основанию. Предварительно подключаем выходной проводник земляной клеммы.
22. С обратной стороны основания сверлим отверстие под болт М6 длиной 30 мм c потайной шляпкой необходимый для крепления высоковольтного резистора.
23. Крепим высоковольтный составной резистор на основании:
23. В соответствии со схемой распаиваем индикаторную плату, тумблеры, источник питания.
24. Укорачиваем и залуживаем выводы земляной клеммы и высоковольтного резистора. Засверливаем отверстия в основании для крепления платы, блока кроны и уголка с тумблерами.
25. Монтируем с помощью саморезов индикаторную плату, тумблеры, блок кроны на основании. Предварительно подпаиваем к индикаторной плате вывод высоковольтного резистора (красный) и земляной клеммы (черный). Используем саморезы длиной 10 мм, к качестве стоек под плату – гайки М4.
26. Саморезы и гайки М4 используемые как стойки индикаторной платы.
27. Для питания используем Ni-MH аккумулятор. Перед использованием его предварительно заряжаем.
28. Вставляем аккумулятор в устройство. Проверяем работоспособность.
39. Киловольтметр готов к измерениям.