Устройство для измерения напряженности электростатического поля

 

Изобретение может быть использовано для измерения напряженности электростатического поля. Цель изобретения состоит в расширении динамического диапазона измерений. Сущность изобретения: устройство содержит электростатический генератор с секционированным неподвижным чувствительным электродом, электронную схему преобразования сигнала, переключатель диапазонов. При этом все секции чувствительного электрода изолированы друг от друга, входные цепи переключателя диапазонов соединены с секциями чувствительного электрода, выход которого соединен с электронной схемой преобразования сигнала. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения параметров электростатического поля.

Известно устройство для измерения напряженности электростатического поля [1] , содержащее электростатический генератор - преобразователь напряженности электростатического поля в электрический сигнал, состоящий из неподвижного разрезного изолированного чувствительного и разрезного вращающегося заземленного экранного электродов. Для преобразования электрического сигнала с чувствительного электрода в приборе имеется электронная схема, состоящая из предварительного усилителя (катодного повторителя), на выходе которого подключен делитель напряжения, измерительного усилителя, подключенного через переключатель диапазонов к делителю напряжения.

Однако недостатком данного устройства является низкий динамический диапазон измерений, определяемый динамическим диапазоном предварительного и измерительного усилителей. Действительно, при больших уровнях сигнала нарушается линейность коэффициента передачи повторителя, что приводит к неконтролируемой погрешности измерений, а при низких уровнях сигнала нарушается линейность коэффициента передачи измерительного усилителя, что также приводит к неконтролируемой погрешности. Таким образом динамический диапазон данного устройства ограничен сверху и снизу.

Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является устройство для измерения параметров электростатического поля [2], содержащее электростатический генератор с секторным вращающимся экранным и секторным неподвижным чувствительности электродами, электронную схему преобразования сигнала, приводной электродвигатель. Изменение диапазона измерений в данном устройстве производится изменением глубины отрицательной обратной связи в усилителе электронной схемы преобразования сигнала, т.е. управляющие цепи переключателя диапазонов соединены с цепью отрицательной обратной связи усилителя.

Однако и это устройство имеет недостатки, заключающиеся в том, что при переключении диапазона изменяется режим работы усилителя, приводящий (при уменьшении глубины обратной связи) к нестабильности его технических характеристик.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения напряженности электростатического поля, содержащем электростатический генератор с подвижным секционированным экранным и неподвижным секционированным чувствитель- ным электродами, электронную схему преобразования сигнала и переключатель диапазонов, секционированный чувствитель- ный электрод выполнен таким образом, что все секции чувствительного электрода изолированы друг от друга и от корпуса прибора, при этом входные цепи переключателя диапазонов соединены с секциями чувствительного электрода, а выход - с электронной схемой преобразования сигнала.

Поскольку указанные отличительные признаки отсутствуют у прототипа, предлагаемое техническое решение отвечает критерию "новизна".

Признак "изолированные друг от друга секции чувствительного электрода" известен в устройстве для измерения напряженности поля, в котором секции чувствительного электрода разделены на две группы, при этом обе группы секций изолированы друг от друга, в предлагаемом устройстве все секции чувствительного электрода изолированы друг от друга, и в совокупности с переключателем диапазонов, входные цепи которого соединены с секциями чувствительного электрода, а выход - с электронной схемой преобразования сигнала, обеспечивает переключение диапазонов при подключении различного числа секций чувствительного электрода к электронной схеме преобразования сигнала.

Благодаря такому выполнению чувствительного электрода устройство для измерения напряженности электростатического поля обеспечивает возможность переключения диапазонов измерения, что позволяет при реализации устройства достигнуть расширения динамического диапазона измерений.

Таким образом, у предлагаемого устройства появляется свойство "широкий динамический диапазон измерений", которое не совпадает со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и которое не равно сумме этих свойств, что позволяет сделать вывод: предлагаемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже изображена структурная схема предлагаемого устройства для измерения напряженности электростатического поля.

Устройство состоит из вращающегося заземленного разрезного экрана 1, секций 2 и 3 неподвижного чувствительного электрода 4, переключателя диапазонов 5, вход которого соединен с секциями 2 и 3 чувствительного электрода, электронной схемы преобразования сигнала 8, подключенной к выходу переключателя диапазонов.

Устройство для измерения напряженности электростатического поля работает следующим образом. При вращении электрода 1, который представляет собой вращающийся разрезной заземленный экран, происходит модуляция потока вектора напряженности электростатического поля на чувствительный электрод 4. В результате на секциях 2 и 3 чувствительного электрода 4 внешним полем наводится заряд Q(t), который через переключатель диапазонов 5 подается на электронную схему преобразо- вания сигнала 6, на выходе которой сигнал пропорционален напряженности измеряемого поля. Подключая с помощью переключателя диапазонов к электронной схеме преобразования сигнала 6 различное число секций, можно изменять диапазон измерений.

Действительно, на чувствительном электроде 4 внешним полем наводится заряд Q(t) = σS(t) =ε_oε_r ES(t), где σ - поверхностная плотность заряда, К/м; S(t) - площадь чувствительного электрода, м²; ε_o - относительная диэлектрическая проницаемость, Ф/м; ε_r - диэлектрическая проницаемость среды; Е - напряженность поля, В/м.

При синусоидальном законе изменения площади чувствительного электрода открытой воздействию измеряемого поля S(t) = (1-cosωt) Q(t) = ε_oε_rE (1 - cosωt) где S_o - площадь чувствительного электрода.

Изменяя площадь чувствительного электрода подключением различного числа секций, можно таким образом изменять диапазон измерения, расширяя тем самым динамический диапазон измерений.

Достижение поставленной цели подтверждено испытаниями опытного образца датчика напряженности электростатического поля, предназначенного для измерений в условиях гидромониторной мойки танков нефтеналивных судов, которые проводились на испытательном стенде предприятия.

Предложенное по сравнению с прототипом позволяет существенно расширить динамический диапазон измерений. Для чувствительного электрода имеющего, например, 4 секции, с помощью данного предложения динамический диапазон измерений (при подключении числа секций от 1 до 4) может быть расширен в 4 раза.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ, содержащее электростатический генератор с секционированным чувствительным электродом, электронную схему преобразования сигнала и переключатель диапазонов, отличающееся тем, что, с целью расширения динамического диапазона измерений, все секции чувствительного электрода изолированы одна от другой и подключены к входу переключателя диапазонов, выход которого соединен с электронной схемой преобразования сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1