Датчик электростатического поля и способ измерения электростатического поля



Датчик электростатического поля и способ измерения электростатического поля
Датчик электростатического поля и способ измерения электростатического поля

 


Владельцы патента RU 2414717:

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новосибирский государственный университет (НГУ) (RU)

Изобретение относится к электроизмерительной измерительной технике. Способ измерения электростатического поля, при котором создают нормировочное поле, коллинеарное с внешним измеряемым полем, и производят два измерения при одинаковых по модулю, но противоположных по знаку нормировочных потенциалах, напряженность внешнего электрического поля определяют как отношение суммы двух измерений к модулю разности этих измерений, с учетом калибровочного коэффициента. Конструктивно это достигается за счет того, что соосно с измерительным электродом введен кольцеобразный, неподвижно закрепленный нормировочный электрод, задающий нормировочный потенциал. Поскольку результат измерений прямо пропорционально зависит от амплитуды колебаний электромеханической системы, нормирование результата на амплитуду колебаний позволяет выделить величину, зависящую только от напряженности внешнего электрического поля. Кроме того, заявлено устройство, реализующее данный способ. Технический результат заключается в улучшении воспроизводимости результатов измерений. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности постоянных и квазипостоянных электрических полей при изучении зарядки поверхностей как объектов промышленного и лабораторного назначения, так и объектов, находящихся в разреженной атмосфере и в открытом космосе на борту космических аппаратов.

Уровень техники

Известен датчик электростатического поля (RU № 2020497, 1985) /1/, содержащий экранную крышку, заземленный корпус, в котором соосно расположены имеющие секторные отверстия экранный электрод и колеблющийся измерительный электрод, закрепленный на валу приводного механизма, соединенном с входом усилителя гибким проводником, на металлической поверхности экранной крышки которого нанесен и поляризован электретный материал, выполняющий роль калибратора.

Недостатком этого датчика является сложная конструкция, не рассчитанная на воздействие больших перегрузок, возникающих при транспортировке космических аппаратов.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является датчик электростатического поля, защищенный авторским свидетельством SU № 845119 от 20.03.1978 /2/, и способ измерения внешнего электростатического поля этим датчиком, содержащийся в описании изобретения. Датчик содержит корпус с отверстием (окном), соосно с которым установлены частично выступающий за пределы корпуса чувствительный (измерительный) электрод, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения, электромагнитный возбудитель (привод), соединенный с электродом и предусилитель.

Способ включает возбуждение возвратно-поступательного движения измерительного электрода и регистрацию наведенного сигнала.

Недостатком этого датчика и способа измерения является низкая воспроизводимость результатов измерений, обусловленная зависимостью индуцированного на измерительном электроде напряжения от амплитуды колебаний системы, приводимой в движение электромагнитным приводом.

Задача изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание датчика и способа измерения электростатического поля, которые позволяют устранить зависимость амплитуды колебаний измерительного электрода от колебаний системы электромагнитного привода.

Техническим результатом будет высокая воспроизводимость результатов измерений.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача решена тем, что в известный датчик, содержащий корпус с окном, в котором размещены: соосно с отверстием окна с возможностью возвратно-поступательного движения измерительный электрод, выступающий над корпусом, подключенный к предусилителю, и электромагнитный привод, внутрь корпуса введен соосно с измерительным электродом кольцеобразный неподвижно закрепленный нормировочный электрод, задающий нормировочный потенциал, причем измерительный электрод и предусилитель расположены на закрепленной на корпусе ферромагнитной пластине, колебания которой обеспечиваются электромагнитным приводом, состоящим из катушки индуктивности и постоянного магнита, а окно выполнено регулируемым по высоте.

Поскольку результат измерений прямо пропорционально зависит от амплитуды колебаний электромеханической системы, нормирование результата на амплитуду колебаний позволяет выделить величину, зависящую только от напряженности внешнего электрического поля.

Заявляется способ измерения электростатического поля, при котором создают нормировочное поле, коллинеарное с внешним измеряемым полем, и производят два измерения при одинаковых по модулю, но противоположных по знаку нормировочных потенциалах, напряженность внешнего электрического поля определяют как отношение суммы двух измерений к модулю разности этих измерений, с учетом калибровочного коэффициента.

Способ реализован с использованием датчика с нормировочным кольцевым электродом путем определения отклика датчика на некий нормировочный потенциал. Для этого на нормировочный электрод подают нормировочное напряжение, задаваемое так, чтобы величина напряженности электрического поля, создаваемого нормировочным электродом, находилась в середине динамического диапазона датчика, и производят два измерения с одинаковыми по величине, но разными по знаку нормировочными потенциалами и по алгоритму, решаемому управляющим микроконтроллером, находят независящий от амплитуды колебаний результат измерений. Чувствительность датчика может регулироваться размером выступающей над плоскостью окна части измерительного электрода.

Датчик рассчитан на широкий температурный диапазон и удовлетворяет требованиям вибростойкости, что позволяет использовать его на космических аппаратах.

Описание датчика

На фиг.1 изображен датчик электростатического поля, который содержит корпус 1, в регулируемом по высоте окне 2 которого соосно отверстию окна расположены подключенный к предусилителю 4 измерительный электрод 3, установленный на ферромагнитной пластине 5 через керамический изолятор 7, и задающий нормировочный потенциал кольцеобразный нормировочный электрод 6, жестко связанный с основанием корпуса, и обеспечивающий колебательное движение ферромагнитной пластины электромагнитный привод, состоящий из катушки индуктивности 8, подключенной к генератору, и постоянного магнита 9.

На фиг.2 изображена схема подключения устройств. Сигнал с предусилителя Uизм поступает на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП, подключенного к управляющему микроконтроллеру МК. Сигнал с генератора ГС Uген поступает на катушку индуктивности и на вход АЦП. Напряжение на нормировочном электроде Uнорм задается так, чтобы величина напряженности электрического поля, создаваемого нормировочным электродом, находилась в середине динамического диапазона датчика.

Работа датчика

Датчик работает следующим образом. При включении генератора электромагнитный привод возбуждает колебание ферромагнитной пластины 5 и, соответственно, возвратно-поступательное движение измерительного электрода 3. Перемещение электрода в электростатическом поле вызывает наведение на него электрического заряда, в результате чего возникает переменный электрический сигнал, который подается на затвор полевого транзистора, выполняющего роль предусилителя 4. Сигнал регистрируется с помощью АЦП, подключенного к управляющему микроконтроллеру. Уровень чувствительности датчика может регулироваться высотой выступающей над поверхностью окна 2 части измерительного электрода 3.

При реализации способа измерения электростатического поля датчиком кольцеобразный нормировочный электрод 6 создает распределение напряженности Енорм, аддитивное с напряженностью измеряемого внешнего поля Евн. Результат измерения напряженности поля Е на оси отверстия обозначим как R(E). Проводят два измерения с одинаковыми по величине, но разными по знаку нормировочными потенциалами. Сумма двух измерений равна

R(Eвн+Eнорм)+R(Eвн-Eнорм)=2·R(Eвн),

разность двух измерений равна

R(Eвн+Eнорм)-R(Eвн-Eнорм)=2·R(Eнорм).

Отметим, что значение R(E) прямо пропорционально зависит также и от амплитуды колебаний измерительного электрода. Но поскольку отношение не зависит от амплитуды колебаний, а лишь от полей Eвн и Eнорм, то при постоянстве Eнорм рассматриваемое отношение можно считать нормированным на амплитуду колебаний результатом измерений. Таким образом, простейшие арифметические операции над результатами двух измерений, выполняемые управляющим микроконтроллером, позволяют выполнить нормировку показаний датчика на амплитуду колебаний измерительного электрода.

Результат измерения напряженности электрического поля, вычисляемый микроконтроллером, передается пользователю по протоколу RS-232.

Источники информации

1. Патент РФ № 2020497, кл. G01R 29/12, 1985.

2. Авторское свидетельство СССР № 845119, кл. G01R 29/12, 1981.

1. Датчик электростатического поля, содержащий корпус с окном, в котором размещены соосно с отверстием окна с возможностью возвратно-поступательного движения измерительный электрод, выступающий над корпусом, подключенный к предусилителю, и электромагнитный привод, отличающийся тем, что измерительный электрод и предусилитель расположены на закрепленной на корпусе ферромагнитной пластине, колебания которой обеспечиваются электромагнитным приводом, внутрь корпуса введен соосно с измерительным электродом кольцеобразный, неподвижно закрепленный, нормировочный электрод, задающий нормировочный потенциал, а окно выполнено регулируемым по высоте.

2. Способ измерения электростатического поля датчиком по п.1, включающий возбуждение возвратно-поступательного движения измерительного электрода и регистрацию наведенного сигнала, отличающийся тем, что на нормировочный электрод подают нормировочное напряжение, задаваемое так, чтобы величина напряженности электрического поля, создаваемого нормировочным электродом, находилась в середине динамического диапазона датчика, и производят два измерения при противоположных значениях нормировочного потенциала, напряженность внешнего электрического поля определяют как отношение суммы двух измерений к модулю разности этих измерений, с учетом калибровочного коэффициента.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к области атмосферного электричества и может быть использовано для определения электрической проводимости атмосферы при аэрофизических, геофизических, электрохимических, метеорологических, биологических и других исследованиях.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью и чувствительностью.

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в качестве датчика тока или датчика приближения. .

Изобретение относится к технике электроизмерений и может быть использовано для измерения динамики изменения поверхностной плотности электростатического заряда при трении поверхностей различных пар материалов в различных климатических условиях, т.е.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно диагностики технического состояния газотурбинных двигателей в процессе их производства, испытаний и эксплуатации.

Изобретение относится к электротехническим измерениям, предназначено для измерения поверхностной плотности реального (полного) заряда и его среднего положения, а также поверхностных плотностей эффективных зарядов плоских диэлектриков и может быть использовано при диагностике остаточного заряжения различных диэлектрических материалов (электретов).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью.

Изобретение относится к технике измерений переменных и постоянных электрических полей и может быть использовано в приборах, где используются статические или изменяющиеся во времени электрические заряды

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении напряженности электростатического поля

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к способам измерения электрических полей

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к определению электрофизических свойств диэлектрических материалов, и может быть использовано для определения постоянной времени релаксации объемного заряда диэлектрических жидкостей

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве средства неразрушающего контроля энергетического состояния поверхности деталей и изделий, выполненных из электропроводящих материалов или полупроводников

Изобретение относится к подводным измерительным системам

Компенсационный электростатический флюксметр предназначен для измерения вертикальной составляющей электрического поля. Устройство содержит экранирующую и измерительную пластины, изоляторы, корпус-основание, двигатель, усилитель тока, маркированный маховик, источник подсветки, фотодиод, мост, пороговый блок, полосовой фильтр, блок приема-передачи данных и блок стабилизации скорости вращения двигателя, сетку, дополнительные изоляторы, синхронный детектор, интегратор, регулируемый источник напряжения и аналого-цифровой преобразователь. При этом экранирующая пластина электрически соединена с корпусом-основанием и расположена в нем на валу двигателя над измерительной пластиной соосно с ней, на валу также укреплен маркированный маховик, вблизи которого расположены источник подсветки и фотодиод, который через последовательно соединенные мостовую схему и пороговый блок подключен к одному из входов синхронного детектора, измерительная пластина и экранирующая пластина соединены со входами усилителя тока, а его выход через полосовой фильтр - с другим входом синхронного детектора. Выход аналого-цифрового преобразователя через блок приема-передачи данных соединен с информационным выходом устройства, вход и выход блока стабилизации скорости вращения двигателя подключены, соответственно, к выходу и входу двигателя, причем лопасти экранирующей пластины несколько повернуты в горизонтальной плоскости, сетка на дополнительных изоляторах укреплена на корпусе-основании в непосредственной близости от экранирующей пластины, выход синхронного детектора через интегратор подключен к управляющему входу регулируемого источника напряжения, а его выход подключен к сетке и ко входу аналого-цифрового преобразователя. Технический результат - повышение точности, надежности и диапазона измерения электрического поля. 2 ил.

Изобретение относится к измерительным устройствам на основе волоконно-оптических фазовых поляриметрических датчиков. Оптимизация структуры датчика, обуславливающая возникновение разноименной модуляции показателя преломления при подаче на двухканальный модулятор разности фаз напряжения одной полярности, приводит к возможности использования для модуляции фазы любой частоты управляющего сигнала и к отсутствию необходимости создания линии задержки. Повторное прохождение отраженного от зеркала света через интегрально-оптический чувствительный элемент и второе подводящее оптическое волокно с двойным лучепреломлением, а также поворот плоскости поляризации света в фарадеевском вращателе на 90 градусов и использование второго фотодетектора обеспечивают удвоение амплитуды модуляции, снижение оптических шумов источника. Техническим результатом является повышение точности измерения напряженности электрического поля и понижение частоты модуляции сигнала. 3 ил.

Изобретение относится к электрическим измерениям и может быть использовано в качестве рабочего эталона при калибровке и поверке рабочих средств измерений переменного электрического поля. Устройство выполнено на основе окружающего рабочую зону 1 конденсатора в виде набора из соосно расположенных пяти тонкостенных, металлических пластинчатых колец 2, закрепленных на диэлектрических стойках. Кольца 2 имеют одинаковую высоту H и расположены на равных расстояниях h (по высоте) друг от друга. Каждое кольцо 2 разрезано на четыре равные части, отстоящие друг от друга по окружности на равные промежутки L. Части колец расположены друг над другом симметрично относительно соответствующих частей других колец. Каждые две части соседних колец образуют отрезок двухпроводной линии передачи, на концах которого включены согласованные нагрузки 3. Входами 4 высокочастотного напряжения являются зазоры между соответствующими частями соседних колец (посередине этих частей). У каждого входа предусмотрен согласующий переход 5 в зазоре между кольцевыми элементами. Технический эффект заключается в увеличении объема рабочей зоны и повышении верхней граничной частоты воспроизведения однородного электрического поля при сохранении относительно небольших габаритных размеров устройства. 3 ил.

Устройство для обнаружения аэрозолей содержит летательный аппарат, имеющий диэлектрический элемент, такой как окно (10), размещенный в его корпусе (12), так что поверхность диэлектрического элемента образует часть наружной поверхности летательного аппарата. Средство обнаружения (16), такое как устройство для контроля статического электричества, расположено внутри летательного аппарата и предназначено для обнаружения электрического поля, возникающего в результате поляризации диэлектрического элемента внутри летательного аппарата. Выходные данные устройства для контроля статического электричества или их скорость изменения характеризуются тесным соотношением с концентрацией частиц, когда летательный аппарат пролетает через аэрозоль, например облако вулканического пепла. Технический результат заключается в упрощении конструкции устройства, а также в том, что может использоваться любой летательный аппарат общего назначения. Аэрозольные частицы можно обнаружить и наносить на карту при помощи устройства в соответствии с настоящим изобретением более простым и быстрым способом, чем посредством таких устройств, как оптические спектрометры, установленные на специальных исследовательских летательных аппаратах, или устройства для контроля статического электричества, установленные снаружи летательного аппарата. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх