Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей

 

Использование: изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения напряженности электростатических и квазистатических полей. Сущность изобретения: устройство содержит первичный измерительный преобразователь 1 в виде трех параллельных металлических пластин, представляющий собой два последовательно соединенных конденсатора с общей пластиной, управляемый оптоэлектронный коммутатор 2, два разрядных сопротивления 3 и 4, дифференциальный усилитель 5, пиковый детектор 6, сумматор 7, блок 8 памяти, регистратор 9 и блок 10 управления. Новым в устройстве является введение трехпластинчатого измерительного преобразователя 1, второго разрядного сопротивления 4 и дифференциального усилителя 5, за счет чего значительно уменьшено влияние собственного потенциала измерителя на результат измерения. 4 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для непрерывного длительного измерения напряженности электростатического и квазистатического полей.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерений напряженности электростатического и квазистатического полей за счет уменьшения методической ошибки, вызванной неодинаковостью частичных емкостей между измерительными пластинами, с одной стороны, и детали измерительной системы и источника, с другой.

Цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве снижается влияние неодинаковости полевых связей измерительных пластин с деталями измерительной системы и источника электрического поля на результат измерения. Для этого в устройство введены датчик, состоящий из трех параллельных пластин, второе разрядное сопротивление, дифференциальный усилитель.

На фиг. 1-3 представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения напряженности электростатического и квазистатического поля; на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического электрических полей (фиг.1) содержит первичный измерительный преобразователь 1, состоящий из трех параллельных пластин а, b, с (трехпластинчатый датчик электрического поля). Одна пластина с через коммутатор 2 подключена к общему проводу и корпусу прибора, две другие пластины а и b через коммутатор 2 подключаются к одинаковым разрядным сопротивлениям 3 и 4, которые соответственно подключены параллельно прямому и инверсному входам дифференциального усилителя 5. Выход дифференциального усилителя 5 через пиковый детектор 6 подключен к первому входу сумматора 7. Выход сумматора 7 соединен со входом запоминающего блока 8, выход которого соединен с регистратором 9 и вторым входом сумматора 7.

Блок управления 10 состоит из последовательно соединенных генератора 11, счетчика 12, дешифратора 13 с тремя выходами, причем первый выход соединен с управляющим входом коммутатора 2, второй выход со входом сброса пикового детектора 6, третий выход с управляющим входом запоминающего блока 8.

Первичный измерительный преобразователь 1 предназначен для преобразования соответствующих приращений напряженности исследуемого поля в пропорциональную разность потенциалов и выполнен в виде трех параллельных пластин, представляющих собой два последовательно соединенных конденсатора с одной общей пластиной.

Управляемый коммутатор 2 служит для периодического подключения ПИП 1 к разрядным сопротивлениям 3 и 4 на время полного разряда каждого конденсатора с целью формирования разрядных импульсов, амплитуда которых несет информацию об изменении напряженности поля с момента предыдущего подключения. Коммутатор может быть выполнен, например, на базе оптоэлектронного коммутатора К249 КН1А (Иванов В.И. и др. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Справочник, 1984, с. 175).

Дифференциальный усилитель 5 может быть выполнен, например, на микросхеме К544УД1А.

Пиковый детектор 6 предназначен для преобразования амплитуды импульса в пропорциональное постоянное напряжение на время, достаточное для его дальнейшей обработки. Пиковый детектор может быть выполнен, например, на микросхеме К544УД1А (Алексеенко А.Г. Коломбет В.А. Стародуб В.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем, М. Радио и связь, 1985, с. 170). По управляющему каналу на него приходит сигнал на сброс информации. Сумматор 7 может быть реализован на микросхемах К155ИМ3, представляющих собой четырехразрядные сумматоры (Б. В. Тарабрин. Справочник по интегральным микросхемам. М. Энергия, 1980, с. 146). Запоминающее устройство 8 может быть реализовано на микросхеме К589ИР 12, представляющей собой многофункциональный буферный регистр (Б. В. Тарабрин. Интегральные микросхемы. Справочник. М. Радио и связь, 1984, с. 373). Для согласования вида информационного сигнала в устройстве может использоваться аналого-цифровой преобразователь, реализованный на микросхеме К1108ПВ1, представляющий собой АЦП последовательного приближения.

Блок управления 10 служит для обеспечения синхронной работы элементов устройства и для осуществления ими своих функций. Он может быть выполнен, например, на тактовом генераторе 11, счетчике 12, дешифраторе 13. Они реализованы на микросхемах серии 155, соответственно К155ЛА3, К155ИЕ2, К155ИД1.

Устройство работает следующим образом.

Рассмотрим физические явления, лежащие в основе предлагаемого устройства. Если в электрическое поле внести проводящее тело (зонд), оно приобретает потенциал соответствующей точки поля (фиг.2). В устройстве-прототипе каждая пластина первичного измерительного преобразователя должна приобрести потенциал той точки поля, в которой она находится. Так как расстояние между пластинами фиксированное d, то измеряя разность потенциалов на них, можно вычислить напряженность исследуемого поля в контролируемой зоне.

где Δϕ разность потенциалов между пластинами датчика; E_cp среднее значение напряженности электрического поля между пластинами.

Фактически же, каждая пластина датчика не может считаться полностью изолированной от измерительного прибора в целом и, следовательно, от земли. Имеют место как резистивные, так и емкостные связи. Из-за наличия этих связей потенциал каждой пластины датчика будет отличаться от потенциала поля в той точке, где находится пластина. (Поясним это на примере фиг.3. Пусть мы имеет систему из двух тел 1 и 2, соединенных проводником. Во всех случаях эта система будет эквипотенциальной. Если ее поместить в электрическое поле, причем так, что тела 1 и 2 будут находиться в местах с разными потенциалами v₁ и ϕ₂, соответственно, то потенциал всей системы будет одинаковым ϕʹ и отличается от потенциалов в точках 1 и 2). Если потенциалы поля в местах, куда помещаются измерительные пластины, равны ϕ₁ и ϕ₂, то сами пластины будут иметь потенциалы соответственно. Причем , где К₁ и К₂ коэффициенты, показывающие степень влияния деталей источника поля и измерительной системы на каждую пластину. Когда пластина имеет гальваническую связь с землей (частичная емкость стремится к бесконечности), то ее потенциал равен потенциалу земли ϕʹ=ϕ_з=0, в этом случае K=K_min=ϕʹ/ϕ=0.. Если предположить, что пластина полностью изолирована и не имеет никакой связи с измерительной системой, а частичные емкости между этой пластиной и деталями измерительной системы и источника поля пренебрежимо малы, то в этом случае потенциал пластины равен потенциалу точки поля, в которой находится пластина: В случае, когда не обеспечивается одинаковость частичных емкостей между пластинами датчика, с одной стороны, и измерительной системой и землей, с другой стороны, то есть не обеспечивается одинаковость коэффициентов К₁ и К₂, при измерении напряженности электрического поля возникает погрешность Этот эффект имеет место в устройстве-прототипе. В случае, когда частичная емкость между одной пластиной и землей стремится к бесконечности, К₁ 0, а частичная емкость между второй пластиной и землей пренебрежимо мала и К₂ ≈ 1, получим: то есть выходной сигнал будет пропорционален потенциалу ϕ₂, и такой прибор измеряет не напряженность, а потенциал точки исследуемого поля, в которую помещена пластина 2. Если будет обеспечена одинаковость частичных емкостей между измерительными пластинами и землей, то есть К₁ K₂ K, получим следующий результат:
Полученный сигнал будет пропорционален напряженности исследуемого поля, и коэффициент К может быть учтен при калибровке прибора.

Теперь рассмотрим работу предлагаемого устройства.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии ПИП 1 отключен от измерительного устройства коммутатором 2. В отсутствии поля разность потенциалов на его пластинах равна нулю, что соответствует моменту времени t_o на фиг.4. Если теперь внести ПИП в квазистатическое поле с напряженностью Е₁, в момент времени t₁, то разность потенциалов на пластинах датчика должна быть пропорциональна изменению напряженности поля, от нуля до Е₁,
ΔE₁=E₁-0.
u_1ac=ϕ_1a-ϕ_1c=dΔE_ср, u_1bc=ϕ_1b-ϕ_1c=dΔE_1ср,
где ϕ_1a, ϕ_1b, ϕ_1c потенциалы точек поля, в которых находятся пластины а, b и с соответственно;
d расстояние между пластинами первичного измерительного преобразователя;
ΔE_ср среднее приращение напряженности поля между пластинами первичного измерительного преобразователя.

В реальных условиях, с учетом влияния частичных емкостей между пластинами датчика и измерительной системой потенциал каждой пластины будет равен соответственно, причем эти потенциалы пластин будут отличаться от потенциалов соответствующих точек поля ϕ_1a, ϕ_1b и ϕ_1c.

Пластина с через коммутатор 2 соединена с общим проводом измерительной системы, и следовательно, частичная емкость, характеризующая величину связи этой пластины с заземленными деталями, будет определяться, как у всей измерительной системы в целом, и будет велика. Две другие пластины а и b через коммутатор 2 подключены к дифференциальным входам усилителя 5 и практически в равной степени изолированы от общего провода измерительной системы. Частичные емкости, характеризующие величину полевых связей этих пластин с заземленными деталями, будут приблизительно равны между собой (К_a ≈ K_b K) и меньше, чем у пластины с (K > K_c). Таким образом, между пластинами а и с будет разность потенциалов , а между пластина b и с .

как видно неравно U_ac и неравно U_1bc, поэтому, фактически измеряя напряжение и принимая его за u_1ac=dΔE_ср,, как это делается в устройстве-прототипе, мы вносим методическую погрешность в результаты измерения, которую трудно учесть. Например, пусть в крайнем случае К_c 0, а К 1. В однородном статическом поле с Е соnst потенциал изменяется по линейному закону ϕ_a=lE; ϕ_c=(l÷d)E,,
где l расстояние вдоль линии напряженности электрического поля от нулевой эквипотенциали;
d расстояние между пластинами первичного измерительного преобразователя.

Пластины а и с первичного измерительного преобразователя в таком поле будут иметь потенциалы


и разность этих потенциалов lE 0 lE будет равняться потенциалу пластины а, что не соответствует напряженности рассматриваемого поля.

В предлагаемом устройстве для того, чтобы устранить эту погрешность, используется датчик с тремя пластинами и дифференциальный усилитель.

При замыкании коммутатора эти пластины будет подключены к разрядным сопротивлениям 3 и 4, на которых возникают разрядные импульсы напряжения (фиг. 4, в, г). Импульсы напряжения с разрядных сопротивлений 3 и 4 поступают на дифференциальные входы усилителя 5. На выходе усилителя 5 получается суммарный сигнал, пропорциональный разности входных сигналов (фиг.4, д).

Таким образом, в предлагаемом устройстве информационный сигнал будет пропорционален изменению напряженности поля от нуля до Е₁. Здесь методическая погрешность измерения из-за влияния связей между пластинами датчика и деталями измерительной системы и источника электрического поля сведена к постоянной величине за счет использования трехпластинчатого датчика и дифференциального усилителя, и может быть учтена при калибровке прибора.

С дифференциального усилителя 5 импульс напряжения поступает на вход пикового детектора 6. На пиковом детекторе 6 амплитуда импульса преобразуется в пропорциональное постоянное напряжение (фиг.4, е) ΔU₁, поступающее на первый вход сумматора 7. В первом цикле работы устройства напряжение на втором входе равно нулю, следовательно, на выходе сумматора напряжение будет равно U₁=0+ΔU₁ (фиг.4, ж). По команде блока управления 10 происходит запоминание этого напряжения в запоминающем блоке 8. Регистратор 9 при этом показывает значение напряженности поля в момент времени t₁ E₁.

Перед следующим срабатыванием коммутатора 2 по команде блока управления 10 осуществляется сброс напряжения на пиковом детекторе 6. В момент времени t₂ происходит следующее кратковременное замыкание коммутатора 2. Разность потенциалов между пластинами датчика к этому моменту достигнет значения

Также как и в предыдущем случае, на сопротивлениях 3 и 4 формируются разрядные импульсы напряжения (фиг.4, в, г), а на выходе дифференциального усилителя 5 импульс напряжения
(фиг.4, д).

На выходе пикового детектора 6 формируется новое значение напряжения ΔU₂ (фиг. 4, е), пропорциональное разности потенциалов , и соответственно, приращению напряженности ΔE₂. К этому времени на втором входе сумматора 6 имеется напряжение U₁, соответствующее измеренному в предыдущем цикле значению напряженности поля Е₁, поэтому на выходе сумматора напряжение равно сумме U₂=U₁+ΔU₂ (фиг.4, ж). Эта сумма запоминается в блоке 8 по очередной команде с блока управления 10, после чего напряжение на пиковом детекторе снова обнуляется. Тем самым пиковый детектор подготавливается к новому циклу измерения. Регистратор 9 показывает новое значение напряженности электрического поля, соответствующее моменту времени t₂. В дальнейшем происходит последовательное алгебраическое сложение сигналов, пропорциональных приращениям напряженности поля ΔE_i, в результате чего в момент времени t_n показания регистратора соответствуют величине напряженности исследуемого поля в этот момент времени
E_n=ΔE₁+ΔE₂+...+ΔE_i+...+ΔE_n.
При этом величина и знак приращений ΔE_i зависят от характера изменения напряженности исследуемого поля во времени. Напряжение ΔU_i соответствует по величине и знаку значениям ΔE_i. Поэтому прибор фиксирует как уменьшение, так и увеличение напряженности исследуемого поля. В случае, если напряженность поля не меняется во времени, то прибор показывает значение, полученное в предыдущий момент измерения.

Так как в данном устройстве непрерывное измерение напряженности исследуемого поля заменяется дискретным, то непрерывно изменяющаяся функция Е(t) отображается ступенчатой функцией U(t). Из-за этого возникает ошибка дискретизации, которая может быть уменьшена до требуемого значения путем выбора тактовой частоты f_т в соответствии с условиями теоремы Котельникова:
f_т > 2F_в,
где F_в верхняя граница частотного спектра напряженности исследуемого поля.

Предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения электрических полей по сравнению с прототипом. Использование первичного измерительного преобразователя, состоящего из трех измерительных пластин, позволяет снимать с него два сигнала, несущих информацию об изменении напряженности исследуемого электрического поля. Из-за влияния полевых связей различной величины между измерительными пластинами и деталями измерительной системы и источника электрического поля в эти сигналы будет вноситься погрешность. В устройстве-прототипе измеряемый сигнал является аналогом одного из двух сигналов, снимаемых с датчика предлагаемого устройства. По его величине получают информацию о напряженности исследуемого поля, которая, естественно, содержит в себе эту погрешность. В предлагаемом устройстве снимаемые с датчика два сигнала поступают на входы дифференциального усилителя. Использование дифференциального усилителя позволяет получить результирующий сигнал, который несет информацию о напряженности исследуемого поля со значительно большей точностью, чем в прототипе, так как в процессе вычитания сигналов с первичного измерительного преобразователя погрешность значительно снижается.

Для того, чтобы точно измерять напряженность электрического поля с помощью датчика, выполненного в виде плоского конденсатора, необходимо, чтобы пластины датчика принимали потенциал тех точек исследуемого поля, где они находятся. Как уже указывалось, в реальных условиях эти невыполнимо из-за влияния полевых связей между пластинами датчика и деталями измерительной системы и источника электрического поля. Поэтому, чтобы потенциалы пластин датчика соответствовали потенциалам тех точек поля, в которых они находятся, применяется метод выравнивания потенциалов (Юркевич В.М. Кондратьев Б.Л. О методике измерения напряженности и других характеристик электрического поля.

Измерительная техника, 1979, N 5, с. 57-59). При использовании этого метода измерительной системе и пластинам датчика искусственно придается необходимый потенциал с помощью специального источника напряжения. Применение предлагаемого устройства позволяет достигать аналогичного результата без специального источника напряжения.

Формула изобретения

Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, содержащее первичный измерительный преобразователь, управляемый коммутатор, первое разрядное сопротивление, последовательно соединенные усилитель, пиковый детектор, сумматор, запоминающий блок, выход которого соединен с вторым входом сумматора и регистратор, а также блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом управляемого коммутатора, второй выход с входом сброс пикового детектора, а третий выход с управляющим входом запоминающего блока, причем первый вывод первого разрядного сопротивления соединен с первым выходом управляемого коммутатора и с первым входом усилителя, а второй выход управляемого коммутатора соединен с вторым входом усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введено второе разрядное сопротивление, усилитель выполнен дифференциальным, а первичный измерительный преобразователь выполнен в виде трех параллельных пластин, причем первый вывод второго разрядного сопротивления подключен к второму входу дифференциального усилителя, вторые выводы первого и второго разрядных сопротивлений подключены к общей шине, две крайние пластины первичного измерительного преобразователя соединены с соответствующими входами управляемого коммутатора, а третья пластина с общей шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4