Устройство для измерения напряженности электростатического поля

 

I. УСТРОЙСТВО ДОЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ, содержащее сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувст вительных элементов и подвижными экранирующими электродами, причем чувствительные элементы подключены к входам дифференциальных усилителей выходы которых через синхронные детекторы , управляющие входы которых подключены к выходу генератора опорного напряжения, соединены с входами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеизвлекатепя, выход которого подключен к выходной клемме устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, экранирующие электроды выполнены в виде п , например четырех, сферических двуугольников, образованных меридианами , делящими концентрическую с датчиком сферу на 2г частей, а чувствительные элементы выполнены в виде трех пар попарно симметричных относительно центра сфзры частей таких же двуугольников на сфере датчика , образованных сечением этих двуугольников парами параллелей так, что эти части расположены на пересечениях больших кругов, образованных сечениями сферы датчика плоскостями декартовой системы координат с началом в центре сферы и осями, одна из которых перпендикулярна полярной оси сферы, являющейся осью вращения экранов , а две другие повернуты относительно нее на 45° .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (l 9) (l l) 4(5l) 0 01 В 29/12

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3639947/24-21 (22) 06.09.83 (46) 23.06.85. Бюл. У 23, (72) В.С,Аксельрод, K,Б.Щигловский, Л,Я.Шервуд, А.С.Дальнов, А,В,Панов, А,П.Иерусалимский и Ф.Г.Портнов (53) 621.317(088.8) (56) 1 Авторское свидетельство СССР

1(629513, кл. G 01 R 29/12, 25.10.78.

2. Бирюков С.В., Логинов В.Я.

Цифровой измеритель напряженности электрического поля промышленности частоты. — ПТЭ, 1981, У 1, с. 275., (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО

ПОЛЯ, содержащее сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувст- вительных элементов и подвижными экранирующими электродами, причем чувствительные элементы подключены к входам дифференциальных усилителей, выходы которых через синхронные детекторы, управляющие входы которых подключены к выходу генератора опорного напряжения, соединены с входами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеиэвлекателя, выход которого подключен к выходной клемме устройства, отличающее с я тем, что, с целью повышения точности измерений, экранирующие электроды выполнены в виде и, например четырех, сферических двуугольников, образованных меридианами, делящими концентрическую с датчиком сферу на 2 и частей, а чувствительные элементы выполнены в виде трех пар попарно симметричных относительно центра сферы частей таких же двуугольников на сфере датчика, образованных сечением этих двуугольников парами параллелей так, что эти части расположены на пересечениях больших кругов, образованных сечениями сферы датчика плоскостями декартовой системы координат с началом в центре сферы и осями, одна из которых перпендикулярна полярной оси сферы, являю1цейся осью вращения экранов, а две другие повернуты относительно нее на 45 .

) )63285

2. Устройство по п. I о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что сфера датчика выполнена из электропроводящего

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению напряженности электрических полей в пространстве, и может быть использо- . вано для измерения модуля вектора 5 напряженности электростатического поля в электротехнической промышленности и в других отраслях народного хозяйства, технологические процессы в которых связаны с электризацией 10 материалов, например, химической, легкой промышленности, а также в медицине и охране труда для определения и контроля допустимых уровней напряженности поля. 35

Известно устройство для измерения нормальной составляющей электростатического поля, содержащее датчик с плоским разрезным вращающимся экраном и расположенным за ним чувстви- 2б тельным элементом, которое включает в себя генератор опорного напряжения и синхронный детектор для определения знака поля и подавления помех )).

Недостатком такого устройства яв- р5 ляется невозможность с его помощью измерять напряженность поля в пространстве.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является уст- ЗО ройство для измерения напряженности электростатического поля, содержащее сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувствительных элементов и подвижными экранирукнцими эпект35 родами, причем чувствительные элементы подключены к входам дифференциальных усилителей, выходы которых через синхронные детекторы, управляющие входы которых подключены к выходу генератора опорного напряжения, соединены с входами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеизвлекателя, выход ко45 торого подключен к выходной клемме устройства (2 ). материала, электрически соединена с экранируущими электродамии электроизолирована от чувствительных элементов.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерений, связанная со сложностью организации линейного пилообразного) закона модуляции постоянного поля на чувствительных элементах укаэанной формы.

Цель изобретения — повышение точности измерения напряженности электростатического цоля в пространстве.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувствительных элементов и подвижными экранируницими электродами, причем чувствительные элементы подключены к входам дифференциальных усилителей, выходы которых через синхронные Ь детекторы, управляющие входы которых подключены к выходу генератора опорного напряжения, соединены с вхо- . дами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеизвлекателя, выход которого подключен к выходной клемме устройства, экранируннцие электроды выполнены в виде и например четырех, сферических двуугольников, образованных меридианами, делящими концент.рическую с датчиком сферу на 2п частей, а чувствительные элементы выполнены в виде трех попарно симметричных относительно центра сферы частей таких же двуугольников на сфере датчика, образованных сечением этих двуугольников парами параллелей так, что эти части расположены на пересечениях больших кругов, образованных сечениями сферы датчика плоскостями декартовой системы координат с началом в центре сферы и осями, одна из которых перпендикулярна к полярной оси сферы, являющейся осью вращения экранов, а две другие повернуты относительно нее на 45 .

3 11632

Кроме того, сфера датчика выполнена из электропроводящего материала, электрически соединена с экранирукнцими электродами и электроизолирована от чувствительных элементов, На фиг.I схематически изображен датчик без экранирующих электродов, вид по оси ох; на фиг.2 — то же, без экранирующих электродов, вид по 10 оси у; на фиг.3 - то же, с экранирующими электродами и полностью открытыми чувствительными элементами, вид по полярной оси датчика; на фиг.4 - структурная схема устрой- 15 ства для измерения вектора электростатического поля, Устройство содержит датчик 1 с тремя парами чувствительных элементов 2 и экранирующими электродами 3 20

{фиг.1-3). Чувствительные элементы

2 попарно подключены к входам дифференциальных усилителей 4, выхо) ы которых подключены к входам синхронных детекторов 5, управляющие входы 25 которых соединены с выходом генератора 6 опорного напряжения. Выходы синхронных детекторов 5 подключены к входам квадраторов 7, выходы которых соединены с входами сумматора 8, выход которого соединен с входом корнеизвлекателя 9.

Устройство работает следующим образом, За счет модуляции электростати35 ческого поля на чувствительных элементах 2 датчика 1 возникают электрические сигналы, пропорциональные составляющим вектора напряженности измеряемого электростатического поля, 40 т,е, суммы исходного -поля и собственного поля датчика. За счет дифференциального усиления сигналов с каждой пары чувствительных элементов, расположенных по одной координатной оси, э на выходе соответствующих дифференциальных усилителей 4 выделяются напряжения, содержащие составляющие, пропорциональные составляющим Е„ Е» и Е > вектора напряженности электро- статического поля.

Кроме того, в напряжении на выходе усилителей 4 присутствуют составляющие пропорциональные аддитивным помехам (переменным составляыщим поля ), и составляющая частоты модуляции поля датчиком, сдвинутая по фазе от носительно основного сигнала и про85 порциональная составляющим исходного поля, направленным по непересекающим рассматриваемую пару чувствительных элементов осям. Эти напряжения поступают на входы синхронных детекторов

5, выделяющих один полупериод напряжений частоты модуляции поля датчиком с выходов усилителей 4 за счет управления сигналами с генератора 6 опорного напряжения. Постоянные напряжения с выходов соответствующих синхронных детекторов, пропорциональные величинам координатных составляющих Ек, Е» и Е вектора напряженности исхода ного поля, поступают на входы квадраторов 7, с выходов которых напряжения, пропорциональные квадратам составляющих вектора напряженности ис» ходного поля, поступают на вход сумматора 8. С выхода сумматора В напряжение, пропорциональное сумме квадратов составляющих вектора напряженности исходного поля (E „+ Е» + E> ), по ступает на вход корне из вле кателя 9, на выходе которого получается напряжение U, пропорциональное модулю вектора напряженности исхо ого поля

U К1Е) К Ех+Е + Е

Повышение точности измерения происходит за счет того, что благодаря выбранной форме экранирующих электродов и чувствительных элементов в виде сферических двуугольников и их частей соответственно осуществляется линейный (пилообразный ) закон модуляции поля на чувствительных элементах с последующим подавлением помех при помощи синхронного детектирования.

Действительно, если электрическое поле на чувствительном элементе до модуляции представить в виде

E Е + E(t) (1) где E - напряженность исходного по" стоянного поля;

E(t ) - напряженность поля помех, в том числе сторонних составляющих исходного поля, то электрический сигнал с чувствительного элемента может быть представлен выражением

a as

1=к (sE)y е +5 д1 а a («к (» аа, ) ав, ае (4) 1 где S - площадь чувствительного элемента;

К - размерный коэффициент.

I 1632

Условием отсутствия сигнала от поля помех на выходе синхронного детектора будет т/2 >/2

5 (з) Э5 т.е.

0 о

T/2

E(<) +З . ) Н 0.

aS ae() 1 а о

Любой нелинейный закон изменения площади S от времени не дает равенства нулю интеграла (4).

Для линейного закона изменения площади S = t интеграл (4) можно пе" 15 реписать в виде

85 6

Для выбранных норм чувствительных элементов и их расположения это условие выполняется при равенстве нулю для каждого чувствительного элемента инте грал а

E„JSz0 (6)

S где Е„- напряженность поля соответ ствующей составляющей;

S — поверхность чувствительного элемента.

Для укаэанных чувствительных элементов это условие можно записать в виде

8 2 (з> > 6 сов 8+ М» д з>» Р J d 8 d Y = 0 > (1 ) т!2 д E(4)+»>k ей = О.

l дЕ(М а+

Очевидно, что выражение (5 ) обращается в нуль для всех четных гармоник частоты модуляции поля, а также 25 для первой гармоники, смещенной на

F/2, за счет чего повышается точность измерения.

Кроме того, повышение точности измерений происходит эа счет того, что осуществляется независимость сигнала с каждой пары чувствительных элементов на одной координатной оси от воздействия на них других коорди- 35 натных составляющих поля. Действитель» но, для чувствительных элементов, расположенных на осях оу и oz потоки напряженности однородного поля, направленного по оси ох, замыкающие- 40 ся на каждом иэ этих чувствительных элементов, равны нулю в силу симметрии этих элементов относительнб плоскости zoy. Для чувствительных элементов, расположенных на оси ох, то 45 же условие выполняется относительно полей, направленных вдоль осей оу и

oz эа счет симметрии нормальных составляющих этих полей на сфере относительно плоскостей oz и оу, Незави- 50 симость сигналов с пары чувствитель, ных элементов на оси ог от составляющей Е и с пары чувствительных элементов на оси оу от составляющей

Ед осуществляется sa счет того, что 55 выполняется условие равенства нулю соответствующих потоков напряженностей на этих чувствительных элементах. е„ ч„ где 6 — угол раствора границ чувствительного элемента;

- долгота интегрирования в полярной системе координат с началом в центре сферы, главной прямой, направленной по полярной оси сферы, и полуплоскостью нулевого меридиана содержащей ось ох.

Так, для и 4 пределы интегрирования по Ч равны: >/„=3Ti/2; 9 =)5>>/9; пределы интегрирования по 9: 7/Ф-aL

82, где о — выбранный иэ конструктивных соображений угол раствора верх ней границы, например 7/12; 82искомый угол раствора (вторая граница чувствительного элемента ).

Решение уравнения (7 ) относнтельнс

82 производится при помощи ЭВМ,численными методами.

Для того, чтобы избежать дополнительных ошибок за счет возможного коронирования с острых кромок чувствительных элементов в сильных полях, сфера датчика выполнена электропроводящей, электрически соединена с экранирующими электродами и изолирована от чувствительных элементов,Это позволяет избежать концентрирования измеряемого поля на кромках чувствительных элементов, так как разность потенциалов между ними и сферой датчика определяется только переменным напряжением на входах дифференциальных усилителей.

Таким образом, за счет обеспечения пилообразного закона модуляции электрического поля на чувствительных элементах при синхронном детектировании сигналов с ннх путем ука7 1 занного выбора формы и расположения экранирующих электродов и чувствительных элементов, а также за счет изготовления сферы датчика из элект163285 проводящего материала обеспечивается повьппение точности измерения модуля вектора напряженности поля в пространстве. фиг. 2

Cuz3