Цифровой электростатический самоградуирующийся вольтметр

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения электростатических полей и зарядов. Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений. Устройство содержит компенсационный электростатический датчик 1, усилитель 2, детекторы 3,6, нуль-орган 4, цифровой индикатор 5, инвертор 7, элемент И 8, триггер 9 переключения полярности, индикаторы "плюс" 10 и "минус" 11, переключатель 12, распределитель 13 импульсов, RS-ТРИГГЕРЫ 14<SB POS="POST">1</SB>...14<SB POS="POST">N</SB>, ГЕНЕРАТОР 15 ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕЛИТЕЛЬ 16 ЧАСТОТЫ, КОММУТАТОР 17, БЛОК 18 ОПОРНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, РЕГУЛИРУЕМЫЙ ИСТОЧНИК 19 НАПРЯЖЕНИЯ, СУММАТОР 20. ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ ДОСТИГАЕТСЯ ЗА СЧЕТ ДОПОЛНИТЕЛЬНО ВВЕДЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ. 2 З.П.Ф-ЛЫ, 2 ИЛ.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИМИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (И) (59 4 С 01 R 29/12 19 00

OllHCAHHE ИЭОБРКткНия

2б

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4261584/24-21 (22) 15.06.87 (46) 30.11.89. Бюл. У 44 (71) Институт прикладной физики

AH БССР (72) Н.Н.Зацепин, В.Ф.Силюк, И.И.Малько, В.Е.Максимков, А.M.Øìåëåâ, А.С.Лысюк и Г.Н.Шостак (53) 621.317 ° 7.083.5 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р.652505, кл. G 01 R 29/12, 1977.

Патент США 9 3935531, кл. G 01 R 29/12, 1974.

2 (54) ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ САМОГРАДУИРУЮЩИЙСЯ ВОЛЬТМЕТР (5?) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения электростатических полей и зарядов. Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений. Устройство содержит компенсационный электростатический датчик 1, усилитель 2, детекторы 3 и 6, нуль †орг

4, цифровой индикатор 5, инвертор 7, элемент И 8, триггер 9 переключения полярности, индикаторы "плюс" 10 и

1525625

Омнибус" 11, переключатель 12, распределитель 13 импульсов, RS-триггеры

14 ...14» генератор 15 пилообразного напряжения, делитель 16 частоты, ком-, 5 мутатор 17, блок 18 опорных напряжений, регулируемый источник f9 напря Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения элект-15 ростатических потенциалов, напряженностей электростатических полей или зарядов.

Цель изобретения — повышение точности и расширение диапазона измере- 20 ний.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого цифрового ! электростатического вольтметра; на 25 фиг. 2 — временная диаграмма работы вольтметра.

Устройство содержит (фиг.1) компенсационный электростатический датчик первый выход которого соединен с входом усилителя 2, выход которого через последовательно соединенные амплитудный детектор 3, нуль-орган 4 соединен с третьим входом цифрового индикатора 5 и входом ампли- тудйого детектора 6, выход которого через инвертор 7 подключен к первому входу элемента И8, выход которого подключен к входу триггера 9 переключения полярности, второй выход которо- 40 го подключен к входу индикатора 10 плюс", а первый выход — к входу ин дикатора 11 "минус". Пятый вход переключателя 12 полярности соединен с ! входом индикатора 10, а пеРвый вход 45, переключателя 12 —,с входом индикатора 11. Первый и второй выходы распределителя 13 импульсов подключены к соответствующим входам первого RSтриггера 14.1, второй и третий выходы распределителя 13 импульсов подключены к первому и второму входам второго

RS-триггера 14. 2, (N-1) -й и N-й выходы > распределителя импульсов подключены соответственно к первому и второму входам N-го RS-триггера 14.N. Второй

-вход генератора 15 соединен с выходом делителя 16 частоты и входом распределителя 13 импульсов. Вход дежения, сумматор 20. Цель изобретения достигается sa счет дополнительно введенных элементов, обеспечивающих компенсационный метод измерения напряженности электростатических полей.

2 з.п.ф-лы, 2 ил. лителя 16 частоты подключен к выходу индикатора 5.

Выходы триггеров 14.7,... 14,N подключены соответственно к 4-му—

N-ому входам коммутатора 17, первый, второй, третий входы которого соединены с соответствующими выходами блока 18 опорных напряжений, вход которого соединен с вторым выходом регулируемого источника 19 напряжения, первый выход которого подключен к первому. входу генератора 15 пилообразного напряжения, выход которого подключен к первому входу сумматора

20, второй вход которого соединен с выходом коммутатора 17, а выход — с входом датчика 1, Первый вход индикатора 5 подключен к первому входу триггера 14.1, а второй вход — к второму входу триггера 14.N и к второму входу элемента И8.

Компенсационный электростатический датчик 1 содержит эталонный электрод 21, соединенный с его входом, два плоских конденсатора, образованные неподвижными пластинами 22 и 23 и подвижными пластинами 24 и 25.

Подвижные пластины 24 и 25 посажены на общую ось 26 вращения, механически связанную с приводным двигателем (не показан) и закрепленную в подшипниках 27 и 28, На подвижных пластинах смонтированы штыри 29 и 30, которые образуют узкие зазоры между штырями 31 и 32 неподвижной заземленной пластины 33. В этих зазорах расположены катушки индуктивности 34 и 35, четыре выхода которых соединены с четырьмя выходами компенсационного ! электростатического датчика 1. Расстояние между штырями подвижных пластин (по длине окружности) кратно двум толщинам .штырей.

Устройство работает следующим образом, Так как используемый цифровой индикатор 5 представляет собой типовой

25 6

5 15256 импульсный преобразователь и содержит генератор стабильной частоты, то после установления датчика на контролируемый объект и включения питания напряжение U< (фиг.1) генератора ста5 бильной частоты из цифрового индикатора 5 поступает на вход делителя 16 частоты. B делителе 16 из напряжения .U формируется напряжение U после дифференцирования которого йа выход . делителя 16 частоты поступают короткие импульсы U6 . Íàïðÿæåíèå регулируемого источника 19 питания заданной величины поступает на вход генератора 15 15 пилообразного напряжения, который представляет собой типовой интегратор, работающий в непрерывном режиме. Импульсы U> из делителя 16 поступают на вход генератора 15 .пилообразного 20 напряжения и практически мгновенно (в сравнении с длительностью Т) периодически разряжают емкость интегратора до нуля. На выходе генератора 15 пилообразного напряжения формируется 25 напряжение U Îäíîâðåìåííî импульсы

U> в распределителе 13 импульсов формируются в периодические пачки (на фиг.2 в каждой пачке содержится по 6 импульсов) длительностью T и 30 поступают на выходе распределителя

13 импульсов. Первый импульс пачки (момент t=O) поступает в цифровой индикатор 5 и используется в нем для формирования временного интервала

t>(фиг.2), в течение которого в цифровом индикаторе производится счет импульсов генератора стабильной частоты, т.е. этот импульс используется для определения начала работы счетчи- д0 ка. Последний, шестой импульс пачки также поступает в цифровой индикатор

5 используется в нем для восстановлеНИЯ НУЛЕВОГО (ИСХОДНОГО) СОСТОЯНИЯ счетчика. Далее импульсы распределите-45 ля 13 импульсов поступают парами на входы М RS-триггеров 14.1...14,N, на выходе которых формируются импульсы длительностью Т . От регулируемого источника 19 питания напряжение тре- SO буемого уровня поступает на вход блока. 18 опорных напряжений, представляющего собой делитель напряжения на резисторах. Первый импульс RS-триггера 14.1 открывает первый канал коммутатора 17 и на его выходе в течение времени Т существует первый, нулевой о уровень напряжения Uz (фиг.2, пунктир).

В следующий интервал времени Т триггер 14. 1 открывает второй канал коммутатора 17,и на его выходе формируется напряжение уровня U. В последующие интервалы выходное напряжение коммутатора 17 нарастает ступенчато до уровня 4U. Так как интервалы вре-, Ф мени Т строго калиброваны, то уровень пилообразного напряжения генератора

15 неизменный. Так как и генератор

15, и блок 18 опорных напряжений питаются от регулируемого источника

19 питания, то обеспечивается нарастание пилообразного напряжения до уровня U ïðè÷åì с изменением выходного напряжения регулируемого источника

19 питания соотношение между уровнем пилообразного напряжения и уровнем ступеньки не изменяется. Это используется в сумматоре 20, в котором из суммы пилообразного напряжения генератора 15 U „ и ступенчатого напряжения U коммутатора 17 формируется выходное линейное пилообразное напряжение Uo,Ñåäüìîé, последний импульс пачки (полная длительность пачки Т„, фиг.2) используется для восстановления исходного состояния цифрового индикатора 5, а с восьмого импульса процесс формирования пилообразного напряжения большой амплитуды (в рассмотренном примере 5Б) повторяется в той же последоватсльности. Из изложенного следует, что при использовании большого количества импульсов в пачке уровень выходного напряжения сумматора 20 может быть больше 5U, : ричем, даже не изменяя количества импульсов в пачках, этот уровень может широко регулироваться за счет изменения величины выходного напряжения регулируемого источника 19 питания, т.е. за счет изменения угла наклона результирующего пилообразного напряжения Uq .

Выходное напряжение сумматора 20 поступает на эталонный электрод 21 компенсационного электростатического датчика 1. Так как эталонный электрод

21 емкостно связан с неподвижной пластиной 22 плоского конденсатора, образованного пластинами 22 и 24 (через воздушный промежуток или прослойку диэлектрика), то в соответствии с законом электростатической индукции на штырях 29 и пластине 24 появляется индукцированный эпектростатический заряд того же знака, что

М на эталонном электроде 21. Анало1525625 гично рассмотренному, за .счет емкостной связи подвижной пластины 24 с контролируемым объектом конденсатора, образованного пластинами 23 и 25,на штырях 30,пластины 25 появляется за5 ряд того же знака, что и нй поверхности контролируемого объекта. При вращении оси 26 в подшипниках 27 и

28 подвижные пластины 24 и 25, вра! щаясь, периодически перемещаются своими штырями 29 и 30 напротив неподвижных штырей 31 и 32 заземленной пластины 33 и на штырях 31 и 32 также возникают индуцированные электро, .статические заряды противоположных знаков. Таким образом, в зазорах между штырями 31, 29 и 30, 32 при вращении возникает изменяющееся электромагнитное поле, так как, во-первых, концы штырей имеют заряды противоположных знаков и перемещаются

I друг относительно друга, т. е. они

1 . образуют динамический конденсатор, а при неизменном заряде и изменяющей-25 ся емкости С напряжение изменяется, т.е. в зазоре изменяется электрическое поле и, во-вторых, сами заряды на штырях 29 и 30 двигаются с центростремительными ускорениями. Это в соответствии с законом электромагнитной индукции приводит к излучению электромагнитной энергии. В силу этого в катушках 34 и 35 индуктивности возникает ЭДС индукции ° В каждой катушке индуктивности магнитный по35 ток за счет пробегающих штырей нарастает от О до максимума и падает до нуля. Так как ЭДС в катушке пропорциональна производной от потока, то при40 вращении оси 26 и повороте на один штырь в катушках 34 и 35 возникает по одному двухполярному импульсу, амплитуда которого пропорциональна заря- . ду на соответствующем штыре. Таким образом, амплитуды ЭДС, возникающие в катушках 34 и 35 пропорциональны потенциалам эталонного электрода и контролируемого объекта. Если вращающиеся пластины штыри, катушки и неподвижная пластина симметричны, то при встречном включении катушек 34 и 35 и равенстве потенциалов эталонного и контролируемого объекта результирующая разность потенциалов, 55 независимо от нестабильности скорости вращения оси или абсолютного значения чувствительности катушек индукт вности, будет равной нулю.

На фиг. 2 показано, что разностное выходное напряжение компенсационного электростатического датчика t

Up при потенциале контролируемого объекта U< и изменении потенциала контролируемого объекта по закону U и вращении оси 26 изменяется в сторону уменьшения и при t=t равно О.

При этом предполагается, что полярности напряжений эталонного электрода и контролируемого объекта, а также положение переключателя 12 полярности таково, что обеспечивается встречное включение напряжения катушек 34 и 35 индуктивности. За время одного цикла измерения Т„ напряжение U> только раз обращается в нуль при t=t z (по истечении времени Т„ характер изменения Up повторяется аналогично). Если после усиления напряжения U усилитеР лем 2 выделить с помощью амплитудного

I детектора 3 его огибающую Up и подать напряжение огибающей на нуль-орган 4, то с помощью последнего можно выделить импульс U,т.е. можно измерить интервал времени t>. Напряжение U „о поступает в цифровой индикатор 5 и прекращает работу счетчика импульсов.

Так как напряжение эталонного электрода увеличивается от О по линейному закону до равенства U. = U, то, независимо от характера изменения чувст,вительности датчика 1 по рабочему диапазону (чувствнтельность постоянна или изменяющаяся), напряжение

U0 = U t т.е, в счетчике будет зарегистрировано количество импульсов, пропорциональное измеряемому напряжению U>.

Работа автоматического переключателя полярности заключается в следующем.

Напряжение нуль-органа 4 поступа- . ет на второй амплитудный детектор 6, с выхода которого поступает на вход инвертора 7. Если обмотки включены встречно (полярность включена правильно), то U> = О и на выходе инвертора 7 напряжение отсутствует. Так как выходное напряжение инвертора 7 поступает на один из входов элемента

И8, то при его отсутствии с приходом седьмого выходного импульса пачки распределителя импульсов 13 на выходе элемента И8 напряжение отсутствует и триггер 9 переключения полярности, работающий в счетном режиме, не переключается. Если полярность включена, пряжение элемента И8 поступает на триггер 9 переключения. полярности и переключает его в другое состояние.

Выходное напряжение триггера 9 поступает. на входы индикатора 10 "плюса", индикаторов 11 "минуса", а также на 1р входы переключателя 12 полярности, меняет показания индикаторов и включает напряжения катушек индуктивности встречно. При правильном включении полярности система автоматического 15 переключения полярности отключается.

Таким образом, за счет дополнительно введенных элементов, обеспечивающих компенсационный метод измерения напряженности электростатических полей, достигнута высокая точность . измерения и расширен диапазон измерения. формула изобретения 25

1. цифровой электростатический самоградуирующийся вольтметр, содержащий усилитель, амплитудный детектор, нуль-орган, генератор пилообразного щ напряжения и индикатор, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, в него дополнительно введены компенсационный электроста35 тический датчик, второй амплитудный детектор, переключатель полярности, инвертор, элемент И, триггер переключения полярности, индикаторы плюса и минуса, делитель частоты, распреде- 4р литель импульсов, N Rs-триггеров, регулируемый источник напряжения, блок опорных напряжений, коммутатор, сумматор,. причем первый выход компенсационного электростатического датчи- 45 ка соединен с усилителем, а три остальные — с соответствующими входами переключателя полярности, первый вход которого подключен к входу индикатора "Минус и первому выходу

50 триггера переключения полярности, вто. рой выход которого соединен с входом индикатора "Плюс" и пятым входом переключателя полярности, вход триггера переключателя полярности подключен к выходу элемента И, первый вход

9 152562 неправильно, то Uq() f О,напряжение на выходе инвертора 7 есть и с приходом седьмого импульса пачки выходное на/

5 - .1О

1 которого подключен к выходу инвертора, а второй вход — к N-му выходу рас" пределнтеля импульсов, выход индика" тора через делитель частоты соединен с входами генератора пилообразного напряжения, и распределителя импульсов, первый и второй выходы которого подключены к соответствующим входам первого RS-триггера, второй и третий выходы распределителя импульсов подключены к первому и второму входам второго RS-триггера, (N-1)-й и N-й выходы распределителя импульсов подключены соответственно к первому и второму входам N-го RS-триггера, выходы с первого no N-й КБ-триггеров подключены, соответственно к входам с четвертого по N-й коммутатора, выход которого соединен с вторым входом сумматора, первый вход которого подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, а выход - к входу компенсационного электростатического датчика, выход усилителя через первый амплитудный детектор, нульорган, подключен к третьему входу цифрового индикатора и к входу второго амплитудного детектора, выход которого подключен к входу инвертора, первый и второй выходы регул|:руемо)-о --с,точника напряжения подключены соответственно к входам генератора пилообразного напряжения и блока опорных напряжений, первый, второй, третий выходы которого соединены с соответствующими входами коммутатора, ",åðâûé и второй входы индикатора подключены, соответственно, к первому и Ы вЂ” му выходам распределителя импульсов.

2. Вольтметр по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что компенсационный электростатический датчик содержит эталонный электрод, соединенный с входом компенсационного электростатического датчика, и два плоских конденсатора, одни пластины которых емкостно связаны с эталонным электродом и измеряемым объектом, а две другие пластины посажены на общую ось вращения и емкостно связаны с заземленной пластиной и двумя катушками индуктивности, четыре вывода которых соединены соответственно с четырьмя выходами электростатического датчика.! 525625

Составитель В.Крючков

Редактор Т,Парфенова Техред А.Кравчук Корректор Т.Малец

Заказ 7220/41 Тираж 714 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101