Способ измерения напряженности электрических полей электронно-оптическим методом



Способ измерения напряженности электрических полей электронно-оптическим методом
Способ измерения напряженности электрических полей электронно-оптическим методом
Способ измерения напряженности электрических полей электронно-оптическим методом

 


Владельцы патента RU 2442182:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) (RU)

Предложен способ измерения электрических полей. В способе используют электронно-оптический муаровый эффект, возникающий при наложении искаженного полем теневого изображения сетки на экране электронографа на неискаженное изображение сетки, в качестве которого используется теневое изображение сетки в отсутствие измеряемого поля. Муаровая картина от электрического поля фиксируется видеокамерой с последующей иллюстрацией изображения на мониторе персонального компьютера. Техническим результатом является повышение точности и оперативности измерения напряженности электрических полей. 3 ил.

 

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.

Известен способ измерения напряженности электрического поля [см. Патент №2010249 (РФ), кл. G01R 29/12, 1994 г.], где контроль электрических полей осуществляют путем периодического воздействия на защищенный неподвижным экранирующим электродом измерительный электрод электростатического поля, периодического экспонирования и экранирования, считывания сигнала с измерительного электрода, его усиления и регистрации. Разность потенциалов измеряют между внешней поверхностью экранирующего электрода и измерительным электродом и подключают к экранирующему электроду источник постоянного тока с ЭДС, большей значения измеряемого потенциала поля до момента равенства нулю указанной разности потенциалов.

Основными недостатками данного способа измерения напряженности электрического поля является недостаточная точность и оперативность измерений из-за местных искажений поля, отсутствие визуализации распространения и распределения электрического поля, а также невозможность работать с переменными электрическими полями.

Известен способ измерения напряженности электрического поля [см. Патент №2190233 (РФ), кл. G01R 29/08, Б.И. №27, Ч.2, 2002 г.], заключающийся в помещении в исследуемое пространство одновременно N пар одинаковых проводящих чувствительных элементов, входящих в общий датчик, симметрировании наружной поверхности датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров наружных поверхностей чувствительных элементов попарно на N равномерно расположенных осях выбранной многокоординатной системы координат симметрично относительно ее начала, нахождение составляющих вектора напряженности электрического поля по каждой паре чувствительных элементов как разности потоков вектора напряженности электрического поля, при этом конфигурацию и размер поверхностей чувствительных элементов выбирают из расчета равенства между собой векторов напряженности поля заряженного датчика с учетом отсутствия мешающих полей, а получаемые с каждой пары чувствительных элементов сигналы поочередно опрашивают и фиксируют, затем выделяют из них максимальное значение, измеряя которое находят модуль вектора напряженности электрического поля.

Основными недостатками данного способа измерения напряженности электрического поля является недостаточная точность и оперативность измерений из-за местных искажений поля, отсутствие визуализации распространения и распределения электрического поля, а также конструктивная сложность при непосредственном измерении максимальной напряженности.

За прототип принят способ измерения магнитных полей электронно-оптическим методом [см. Патент №2292053 (РФ), кл. G01R 33/02, Б.И. №2, 2007 г.], включающий использование электронно-оптического муарового эффекта, возникающего при наложении искаженного магнитным полем теневого изображения сетки на экране электронографа на неискаженное изображение сетки, причем о величине напряженности магнитного поля судят по величине искажения, обусловленного отклонением пучка электронов в измеряемом магнитном поле силой Лоренца, в качестве неискаженного изображения сетки используют теневое изображение сетки на экране электронографа, полученное в отсутствие измеряемого магнитного поля, а наложение упомянутых изображений осуществляют путем последовательного экспонирования на одну и ту же фотопластинку искаженного и неискаженного изображений сетки.

Технической задачей предлагаемого способа является повышение точности и оперативности измерения напряженности электрических полей, а также их максимальных значений по топографической картине распределения.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе измерения напряженности электрических полей электронно-оптическим методом, включающем использование электронно-оптического муарового эффекта, возникающего при наложении искаженного полем теневого изображения сетки на экране электронографа на неискаженное изображение сетки, в качестве которого используют теневое изображение сетки в отсутствие измеряемого поля, в отличие от прототипа, используют электрическое поле, муаровая картина от которого фиксируется видеокамерой с последующей иллюстрацией изображения на мониторе персонального компьютера.

Сущность предлагаемого способа поясняется на электронно-оптической схеме наблюдения полей фиг.1, расчетной схеме движения в однородном поперечном поле фиг.2, электронно-оптическом муаре электрического поля плоского конденсатора фиг.3.

Сущность предлагаемого способа заключается в измерении напряженности электрических полей электронно-оптическим методом, включающим использование электронно-оптического муарового эффекта, возникающего при наложении искаженного полем теневого изображения сетки на экране электронографа на неискаженное изображение сетки, в качестве которого используют теневое изображение сетки в отсутствие измеряемого поля, при этом используют электрическое поле, муаровая картина от которого фиксируется видеокамерой с последующей иллюстрацией изображения на мониторе персонального компьютера.

Эксперименты по получению муаровых картин однородного электростатического поля проводились на электронографе ЭГ-100А.

Однородное электростатическое поле создавалось между двумя параллельными плоскостями, заряженными разноименно (модель плоского конденсатора). Электронно-оптическая схема наблюдения полей представлена на фиг.1, где 1 - электронная пушка; 2 - фокусирующая магнитная линза; 3 - металлическая сетка 0,1×0,1 мм; 4 - источник поля (конденсатор); 5 - фотопластинки; А - проекционное изображение сетки; Б - проекционное изображение сетки при включенном источнике; А+Б - наблюдение муара в результате наложения двух изображений.

Эталонное изображение сетки получается в результате теневой электронно-оптической проекции. Конус лучей оказывается разбитым на отдельные пучки, сечения которых определяются геометрией ячеек сетки и геометрией съемки. Данные условия эксперимента позволяют получать на экране четырехкратное увеличение сетки 0,4×0,4 мм.

Рассмотрим движение электронов в однородном поперечном электрическом поле напряженностью Е. Расчетная схема движения электронов в однородном поперечном поле Е представлена на фиг.2, где l - длина пластин конденсатора; d - расстояние между пластинами; L - расстояние от середины конденсатора до экрана; ν - скорость электрона на входе в поле Е; ry - смещение электрона на выходе из поля Е; - наблюдаемое на экране смещение электрона.

На выходе из поля Е электрон будет иметь ускорение, вызванное электрическим полем:

При этом скорость по оси y определяется из выражения:

Угол отклонения электрона на выходе находится из соотношения составляющих скоростей по оси x и y:

где νx=ν - скорость, с которой электрон входит в поле на его верхней границе.

Для принятого в эксперименте ускоряющего напряжения на электронной пушке 40 кВ скорость электрона составит:

Отклонение электрона на выходе из поля Е выражается следующим уравнением:

Покинув поле протяженностью l, электрон движется по касательной к траектории в точке А(x; y), лежащей на нижней границе поля. Достигнув экрана электронографа, расположенного на расстоянии (L-l/2) от нижней границы поля, частица сместится на величину, определяемую следующим выражением:

Подставляя выражения (4), (5) в уравнение (6), получим:

где е=1,6·10-19 Кл - заряд электрона; me=9,1·10-31 кг - масса электрона; l - протяженность электрического поля; L=0,7 м - расстояние от середины конденсатора до экрана; ν - скорость электрона на входе в электрическое поле (формула 4).

Для условий съемки, принятых в эксперименте (l=0,04 м, L=0,7 м, ν=1,2·108 м/с), получим расчетную зависимость, связывающую величину отклонения электронного пучка от вызвавшего его электрического поля напряженностью Е:

Результаты эксперимента обрабатывались с помощью оптического микроскопа с увеличением 100×. Электронно-оптический муар электрического поля плоского конденсатора представлен на фиг.3.

Величина смещения пучка находится следующим образом:

где k - размер эталонного изображения сетки; n - размер изображения сетки вдоль линий напряженности электрического поля.

Например, при отклонении электронного пучка на м напряженность электрического поля составит 365,6 В/м.

Существующие методы электрического моделирования непригодны при анализе полей малой протяженности, так как размеры чувствительного элемента измерительного устройства не позволяют проводить достаточно точные измерения в небольших объемах. Непосредственное измерение нормальной составляющей напряженности поля у края модели с помощью зондов не позволяет достигнуть точных результатов из-за местных искажений поля.

Таким образом, предлагаемый способ измерения напряженности электрических полей электронно-оптическим методом в отличие от известных технических решений позволяет повысить точность и оперативность измерений за счет увеличения разрешающей способности цифровой системы.

Способ измерения напряженности электрических полей электронно-оптическим методом, включающий использование электронно-оптического муарового эффекта, возникающего при наложении искаженного полем теневого изображения сетки на экране электронографа на неискаженное изображение сетки, в качестве которого используют теневое изображение сетки в отсутствие измеряемого поля, отличающийся тем, что используют электрическое поле, муаровая картина от которого фиксируется видеокамерой с последующей иллюстрацией изображения на мониторе персонального компьютера.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электроизмерительной измерительной технике. .

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 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.

Изобретение относится к области измерений электростатических параметров и может быть использовано для исследования электростатических свойств различных материалов (поверхностной плотности зарядов, потенциала поверхности, время утечки зарядов) при их контактировании и последующим разделении в зависимости от различных внешних факторов: температуры, влажности, давления. Устройство для определения электризуемости материалов контактным методом содержит два электрода с диэлектрическими гнездами для исследуемых образцов, образцовые конденсаторы, выключатели заземления, переключатель цилиндров Фарадея, электрометр и кривошипно-шатунный механизм. Гнезда для образцов выполнены в виде цилиндров Фарадея, поочередное подключение которых к электрометру осуществляется замыканием измерительных ламелей выступом переключателя, который расположен на вновь введенном и закрепленном на оси кривошипа диске, а размыкание электрической связи с землей на период измерения осуществляется размыканием контактов выключателей впадиной второго вновь введенного диска. Для повышения достоверности результатов, за счет увеличения плотности контакта и исключения перекосов образцов, нижний подвижный электрод цилиндра Фарадея закреплен шарнирно со штоком кривошипно-шатунного механизма с помощью шарового шарнира. Технический результат заключается в повышении информативности и достоверности измеряемых параметров электризации. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.
Наверх