Устройство для измерения высокого напряжения

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее размещенные в вакуумном объеме источник заряженных частиц, ускорякиций электрод , модулятор, вход которого подключен к выходу высокочастотного генератора , и два токосъемных датчика, выходы которых соединены с .входами фаэометрического блока, а также счетчик импульсов, выход которого подключен к входу блока регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия н точности, оно снабжено источником постоянного напряже ия, блоком коммутации и аналого-цифровьм преобразова: елем , в вакуумный объем введены запирающий и дополнительный ускоряющий электрода счетчик импульЬов выполнен реверсивным, а блок регистрации - с памятью-, причем Звыход источника постоянного напряжения подключен к запирающему электроду, входы блока коммутации и аналого-цифрового преобразователя соединены с выходом фазометрического блока, вход реверсивного счетчика импульсов соедиW нен с выходом блока коммутации, а выход - с одним из входов блока регистрации с памятью, другой вход которого подключен к илходу аналого-цифрового преобразователя.

СООЗ СОВЕТСКИХ

ОЛМ НРРН

РЕСПУБЛИК

ЭСЮ С 01R 15 02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К. АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Я г Гъ фр еъ г, 1

НА,, 3",0

ТУХНИ " Ы «. . й@ЫН0 А

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3389350/18-21 (22) 29.01.82 (46) 15.05.83. Бюл. Ю 18 (72) И.П.Зубков, Б.Г.Потапов и Э.Н.Журавлев (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологической службы (53) 621;317.326(088.8) (56) 1. Бровченко В.Г. и др. Электронные устройства на электростатических ускорителях. М., Автомиздат, 1968, с.108.

2. Авторское свидетельство СССР

9 771556, кл. G 01.R, 15/02., 1979. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫ.

СОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее размещенные в вакуумном объеме источник заряженных частиц, ускоряющий электрод, модулятор, вход которого подключен к выходу высокочастотного генератора, и два токосъемных датчика, выходы которых соединены с .входами фазометрического блока, а также счет.

„„Я0„„1018023 А чик импульсов, выход которэго подключен к входу блока регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности, .оно снабжено источником постоянного напряжения, блоком коммутации и аналого-цифровым преобраэова елем, в вакуумный объем введены запирающий и дополнительный ускоряющий электроды, счетчик импульсов выполнен реверсивным, а блок регистрации - с памятью; причем выход источника постоянного напряжения подключен к запирающему электроду, входы блока коммутации и аналого-цифрового преобразователя соединены с выходсм фазометрического блока, вход реверсивного счетчика импульсов соединен с выходом блока коммутации, а вы ход — с Одним из входов блока регист рации с памятью, другой вход которог подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя.

Изобретение относится к электро измерительной технике и предназначено для использования при создании образцовых приборов контроля постоян ного, медленоменяющегося, однополярного переменного промышленной часто. ты и импульсного напряжений.

Известно устройство для измерения высокого напряжения по абсолютному методу, содержащее размещенные в вакуумном объеме источник заряженных частиц, ускоряющий электрод, модулятор, вход которого подключен к выходу высокочастотного генератора, датчики модулированного тока пуска, связанные с входом блока обработки информации 1 ).

Известное устройство позволяет измерять лишь дискретные значения постоянного напряжения, т.е. имеет весьма Ограниченную область практнческого применения. IQ>oMe того, его

20 недостатком является низкое быстродействие, обусловленное сложной процедурой измерения, в частности калибровки прибора.

Наиболее близким к изобретению является время-пролетное устройство для измерения высокого напряжения, со" держащее размещенные в вакуумном объеме источник заряженных частиц, ускоряющий электрод, модулятор, вХод которого подключен к выходам взаимосвязанных высокочастотного генератора прямоугольных импульсов, и два токосъемных датчика, выходы которых соединены с входами фазометрическаго блока, формирователь импульсов, вход которого подключен к выходу первого из датчиков, ключ, сигнальный вход которого подключен к выходу второго датчика, à управляющий вход - к выхо 40 ду формирователя импульсов, счетчнк импульсов, вход которого соединен с выходом ключа, а выход — с входом блока регистрации(2j.

Указанное устройство имеет достаточно широкую область практического напряжения промышленной частоты требуемая длительность запирающега импульса должна превышать наибольшее время пролета, соответствующее некоторому начальному (минимальному} значению измеряемого напряжения. Это определяет относительно большое "мерт вое" время измерителя и ограничивает возможное число измеряемых мгновейных значений напряжения в течение одного периода, Прн этом достаточйо полный набор мгновенных значений может быть получен лишь путем измерения в течение нескольких периодов, как среднее по нескольким периодам, при задании относительного сдвига моментов включения запирающих импульсов от периода к периоду ° Данное Обстоятельства отрицательно сказывается на скоростных и метрологических характеристиках известного устройства.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности изме рительного устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения высокого напряжения, содержащее размещенные в вакуумном объеме источник заряженных частиц, ускоряющий электрод, модулятор, вход которого подключен:к выходу высокочастотного генератора, и два токосъемных датчика, выходы которых соединены с входами фаэометрического блока, счетчик импульсов, выход которого подключен к входу блока регистрации, снабжено источником постоянного напряжения, блоком коммутации и аналого-цифровым преобразователем, в вакуумный объем введены запирающий и дополнительный ускоряющий электроды, счетчик импульсов выпол Ген реверсивным, а блок регистрации .- с памятью, причем выход источника постоянного напряжения подключен к запирающему электр6ду, входы блока коммутации и аналого-цифрового преобразователя соединены с вы ходом фазометрического блока, вход реверсивного счетчика импульсов соединен с выходом блока коммутации, а выход — с одним из входов блока регистрации с памятью, другой вход которого подключен к выходу аналогоцифрового .преобразователя.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства.

Устройство содержит вакуумный объем 1, в котором размещены источник 2 заряженных частиц (электронов или ионов) с выводом для подключения измеряемого напряжения, ускоряющий электрод 3, запирающий электрод

4, ускоряющий электрод 5, электроды модулятора б, токосъемные датчики

7 и 8, выполненные в виде плоских пластин, установленных перпендикулЯрно оси системы на известном расстоянии друг от друга. Датчик 7 имеет в центре отверстие для пропускания пучка. Ускоряющие электроды

3 и 5 и один из электродов модулятора б заземлены на корпус. Запирающий электрод 4 подключен к источнику 9 постоянного напряжения.

К электродам модулятора б подключен высокочастотный генератор 10. Датчики 7 и 8 соединены с входами фазометрического блока 11, к выходу которого подключены блок 12 коммутации и аналого-цифровой преобразователь 13. Выход блока 12 коммутации соединен с входом реверсивного счетчика 14 импульсов. Выходы счетчика 14 и аналого-цифрового преобразователя 13 подключены к блоку 15 регистрации с памятью.

1018023

Устройство работает следующим об- разом.

Измеряемое в.высокое напряжение прикладывается между источником 2 заряженных частиц и заземленным на корпус ускоряющим электродом 3. Пучок заряженных частиц из источника 2 ускоряется и после прохождения через отверстие в электроде 3 имеет энергию, определяемую приложенной разностью потенциалов. На запирающий элект 10 род 4 от источника 9 низкого постоянного напряжения подается тормозящий потенциал, задерживающий пучок при значениях измеряемого напряжения, меньших потенциалов превышает запирающий потенциал, пучок проходит через отверстие в электроде 4, доускоряется s промежутке между электродами 4 и 5 и за электродом 5 приобретает точное значение энергии, соответствующее измеряемой разности потеч;циалов. В промежутке между электродами модулятора б на пучок действует отклоняющее поперечное знакоперемейное во времени электрическое по-. ле известной частоты, задаваемое от стабилизированного высокочастотного генератора 10. Выходной диафрагмой модулятора б служит первый,токосъемный датчик 7. Через его отверстие проходят.только те частицы, ко- З0 торые прошли электроды модулятора б в моменты времени, соответствующие нулевым или близким- к ним значениям поля. За датчиком 7 вдоль оси систе.,мы распространяется пучок, промоду- 35 лированный по интенсивности удвоенной частотой. Этот пучок регистрируется затем вторым токосъемным датчиком 8.

Последовательности импульсов с датчиков 7 и 8 сдвинуты во времени на ин-40 тервал, равный времени пролета частицами известного расстояния L . .между датчиками. В общем случае набег фазы

9 между сигналами равен некоторому целому числу полных периодов плюс не- 45 который сдвиг, не превышающий одного периода.

Сдвиг по фазе в пределах одного периода измеряется фазометрическим блоком 11, который включает фильтры 50

i для выделения-первых гармоник сигналов, равных частоте модуляции, ифазоизмерительную схему с аналоговым выходом. Измерение целого числа периодов производится реверсивным счетчиком 14 импульсов, начальный счет ко. торого устанавливается заранее в зависимости от значения напряжения источника 9. В качестве счетных импульсов используются резкие скачки напряжения на выходе фазометрического 60 блока 11 в моменты перехода .полного фазового сдвига через значения, соответствующие целым числам периодов.

Блок 12 коммутации скачки напряжения с положительной производной подает в 65 канал вычитания счетчика 14, а с отрицательной — в канал сложения.

При этом измерение высокого напряжения начинается с мсе.ента, когда оно превысит потенциал запирающего элект. рода 4, для которого целое число периодов фазового сдвига соответствует начальному счету счетчика 14. По ме" ре роста напряжения число целых периодов уменьшается до числа, соответствующего максимальному напряжению, затем при уменьшении напряжения снова увеличивается до-заданного зна. чения начального счета. Напряжение с выхода фазометрического блока 11 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 13.

Таким образом, предложенное устройство позволяет производить непрерывное измерение фазового сдвига в течение всего периода(либо одиночно го импульса), тогда как в известных устройствах значительная часть информации теряется, поскольку необходимо периодически прерывать пучок на интер валы времени, превышающне наибольшее значение времени пролета,. соответствующее,:минимальной величине измеря. емого напряжения.

Сигналы с выходов реверсивного счетчика 14 импульсов и аналого-цифрового преобразователя 13 подаются к входам блока 15 регистрации с памятью, в котором показания счетчика 14 записываются как целые числа, а показания преобразователя 13 - как их дробная часть, т.е. максимальное показание преобразователя 13 приравнивается к единице. Индикация накопленных данных может производиться, например, с помощью цифропечати или на экране электронно-лучевой трубки в зависимости 8r требуемой точности .и вида измеряемого высокого напряже-. ния.

Скорость пучка вычисляется следую,щим образом:

2-% Ь = — и

Точностные характеристики предложенного устройства для абсолютных измерений высоких напряжений определяются погрешностями, с которыми известны частота модуляции, пролетная длина и может быть измерен фазовый сдвиг.

Для нахождения значения измеряемого напряжения следует попьзоваться зависимостью с учетом релятивистских эффектов

Входящие в формулу фундаментальные константы (скорость света С, масса покоя Nð и заряд частиц 2е) известны с погрешностью порядка 10 или мень 1018023

Составитель Л.Морозов

Техред Т.Фанта

Редактор М.Бандура

Корректор М.Коста

Закаэ 3532/43 Тираж471.

ВНИИПИ Государственного комитета СССР ло делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35 Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патепт", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ше. Частота модуляции f и пролетное расстояние, могут быть заданы с погрешностью такого же порядка. Погрешность измерения фазы О при заданных параметрах устройства раст т с увеличением измеряемого напряжения. 5

Эта погрешность может быть уменьшена путем соответствующего выбора параметров устройства, обеспечивающих большое время пролета, либо за счет повышения частоты модуляции 1 или 10 выделения более высоких гармоник сигналов с датчиков 7 и 8. Большие времена пролета могут быть обеспеченЫ

0 при использовании.источников тяжелых ионов. Однако относительно болЬ-.» шой разброс начальных скоростей в ионных источниках по сравнению с лектронными пучками ограничивает оэможность повышения точности таким путем. Выбор оптимальных пара-. метров устройства и типа источника для обеспечения высокой точности оп ределявтся диапазоном измеряемых напряжений. По предварительным оценкам погрешность измерения высокого напряжения предложенным устройством может не превышать тысячных долей процента.

Применение предлагаемого устройства в качестве образцового средства измерений при атестации рабочих средств измерений позволяет существенно повысить точность измерений высоких напряжений.