Устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического электричества и электропитания системы мониторинга автономного объекта

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и связано с практическим использованием микромощных возобновляемых источников энергии, в частности энергии электростатического заряда, возникающего на поверхности полимерных материалов, например специальной одежде и т.п. Технический результат: дистанционное измерение высоких напряжений, образующихся на поверхности полимерных и других материалов, накопивших электростатический заряд, и организация электропитания микромощной системы мониторинга мобильных объектов различных классов (например, человека) от энергии того же электростатического электричества. Устройство содержит источник статического электричества (1), на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, разрядный элемент (2), последовательно с которым включена первичная обмотка (3) согласующего трансформатора (4), имеющая первый (5) и второй (6) выводы, вторичная (7) обмотка согласующего трансформатора (4), имеющая первый (8) и второй (9) выводы, причем ее первый (8) вывод связан через выпрямительный элемент (10) с первыми выводами накопительного конденсатора (11) и цепи нагрузки (12), а второй вывод (9) вторичной (7) обмотки согласующего трансформатора (4) связан со вторыми выводами накопительного конденсатора (11) и цепи нагрузки (12). Источник статического электричества (1), на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, соединен с разрядным элементом (2) через высокоомный резистор (13), общий узел высокоомного резистора (13) и разрядного элемента (2) соединен с первым выводом дополнительного конденсатора (14), второй вывод которого связан со вторым (6) выводом первичной обмотки (3) согласующего трансформатора (4), в качестве цепи нагрузки (12) используется система мониторинга автономного объекта, включающего радиопередающее устройство (12), основной модулирующий вход (15) которого связан с первым (8) выводом вторичной (7) обмотки согласующего трансформатора (4), а радиоприемное устройство (16) содержит приемник радиосигналов (17), первый (18) выход которого связан со входом измерителя (19) интервалов времени между импульсами на вторичной (7) обмотке согласующего трансформатора (4), зависящих от величины высокого измеряемого напряжения статического электричества. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предполагаемое изобретение относится к области электротехники и связано с практическим использованием микромощных возобновляемых источников энергии, в частности энергии электростатического заряда, возникающего на поверхности полимерных материалов, например специальной одежде и т.п.

Статическое электричество является не только опасностью, но и самостоятельным естественно возобновляемым источником энергии, потенциально способным обеспечить электропитанием различные микромощные системы мониторинга автономных объектов. Такой подход представляет собой концепцию одновременного устранения опасностей статического электричества, измерения напряжений на поверхности полимерных материалов и накопления энергии для электропитания мобильных радиоэлектронных приборов (в т.ч. аварийных радиомаяков, систем мониторинга окружающей среды и т.п.). Генерация статического электричества на поверхности полимерных материалов достаточно активно проявляется, например, при воздействии снежной массы, переносимой ветром в условиях низких температур северных регионов России.

Известны устройства для преобразования энергии статического электричества в напряжение вторичного источника электропитания [1-9]. Наиболее близким к заявляемому объекту является преобразователь атмосферного разряда (молнии) в напряжение на накопительном конденсаторе, к которому подключаются традиционные потребители электроэнергии (RU 2332816, фиг.1). Он содержит источник статического электричества 1, на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, разрядный элемент 2, последовательно с которым включена первичная обмотка 3 согласующего трансформатора 4, имеющая первый 5 и второй 6 выводы, вторичная 7 обмотка согласующего трансформатора 4, имеющая первый 8 и второй 9 выводы, причем ее первый 8 вывод связан через выпрямительный элемент 10 с первыми выводами накопительного конденсатора 11 и цепи нагрузки 12, а второй вывод 9 вторичной 7 обмотки согласующего трансформатора 4 связан со вторыми выводами накопительного конденсатора 11 и цепи нагрузки 12.

Известное техническое решение преобразует энергию молнии в постоянный электрический ток низкого напряжения, который в дальнейшем используется для электропитания тех или иных объектов бытового или промышленного назначения. Роль разрядного элемента 2 в известном устройстве выполняет газовый промежуток между источником статического электричества (грозовой тучей) и громоотводом (первичной 3 обмоткой согласующего трансформатора 4, индуктивно связанного со вторичной 7 обмоткой), причем параметры разрядного элемента 2 трудно предсказуемы и непостоянны, что приводит к существенной нестабильности разрядных процессов.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не позволяет провести дистанционные измерения высокого напряжения (U_x) источника статического электричества 1 - полимерной поверхности, накопившей электростатический заряд, а также обеспечить дистанционную передачу данной информации по радиоканалу и ее представление в электронном регистраторе, позволяющем судить о численных значениях U_x.

Основная задача предлагаемого изобретения - дистанционное измерение высоких напряжений источника статического электричества 1, образующихся на поверхности полимерных и других материалов, накопивших электростатический заряд.

Дополнительная задача - организация электропитания микромощной системы мониторинга мобильных объектов различных классов (например, человека) от энергии того же электростатического электричества, обеспечивающей дистанционное измерение не только высоких напряжений, образующихся на поверхности полимерных материалов, но и других параметров мобильных объектов (температуры, давления, влажности и т.п.).

Поставленные задачи достигаются тем, что в известном устройстве для электропитания от статического электричества фиг.1, содержащем источник статического электричества 1, на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, разрядный элемент 2, последовательно с которым включена первичная обмотка 3 согласующего трансформатора 4, имеющая первый 5 и второй 6 выводы, вторичная 7 обмотка согласующего трансформатора 4, имеющая первый 8 и второй 9 выводы, причем ее первый 8 вывод связан через выпрямительный элемент 10 с первыми выводами накопительного конденсатора 11 и цепи нагрузки 12, а второй вывод 9 вторичной 7 обмотки согласующего трансформатора 4 связан со вторыми выводами накопительного конденсатора 11 и цепи нагрузки 12, предусмотрены новые элементы и связи - источник статического электричества 1, на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, соединен с разрядным элементом 2 через высокоомный резистор 13, общий узел высокоомного резистора 13 и разрядного элемента 2 соединен с первым выводом дополнительного конденсатора 14, второй вывод которого связан со вторым 6 выводом первичной обмотки 3 согласующего трансформатора 4, в качестве цепи нагрузки 12 используется система мониторинга автономного объекта, включающего радиопередающее устройство 12, основной модулирующий вход 15 которого связан с первым 8 выводом вторичной 7 обмотки согласующего трансформатора 4, а радиоприемное устройство 16 содержит приемник радиосигналов 17, первый 18 выход которого связан со входом измерителя 19 интервалов времени между импульсами на вторичной 7 обмотке согласующего трансформатора 4, зависящих от величины высокого измеряемого напряжения статического электричества.

На фиг.1 показана схема устройства-прототипа.

На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства, соответствующая п.1 и п.2 формулы изобретения.

Устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического электричества и электропитания системы мониторинга автономного объекта фиг.2 содержит источник статического электричества 1, на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, разрядный элемент 2, последовательно с которым включена первичная обмотка 3 согласующего трансформатора 4, имеющая первый 5 и второй 6 выводы, вторичная 7 обмотка согласующего трансформатора 4, имеющая первый 8 и второй 9 выводы, причем ее первый 8 вывод связан через выпрямительный элемент 10 с первыми выводами накопительного конденсатора 11 и цепи нагрузки 12, а второй вывод 9 вторичной 7 обмотки согласующего трансформатора 4 связан со вторыми выводами накопительного конденсатора 11 и цепи нагрузки 12. Источник статического электричества 1, на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, соединен с разрядным элементом 2 через высокоомный резистор 13, общий узел высокоомного резистора 13 и разрядного элемента 2 соединен с первым выводом дополнительного конденсатора 14, второй вывод которого связан со вторым 6 выводом первичной обмотки 3 согласующего трансформатора 4, в качестве цепи нагрузки 12 используется система мониторинга автономного объекта, включающего радиопередающее устройство 12, основной модулирующий вход 15 которого связан с первым 8 выводом вторичной 7 обмотки согласующего трансформатора 4, а радиоприемное устройство 16 содержит приемник радиосигналов 17, первый 18 выход которого связан со входом измерителя 19 интервалов времени между импульсами на вторичной 7 обмотке согласующего трансформатора 4, зависящих от величины высокого измеряемого напряжения статического электричества.

Кроме этого, на фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения радиопередающее устройство 12 системы мониторинга автономного объекта имеет дополнительные модулирующие выходной радиосигнал радиопередающего устройства 12 входы 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, к которым подключены N сенсорных элементов S₁, …, Sn, обеспечивающих измерение основных параметров автономного объекта, причем дополнительные выходы 29.1, 29.N приемника радиосигналов 17 подключены к регистраторам параметров 30.1, 30.N автономного объекта, измеряемых N сенсорными элементами.

Рассмотрим работу устройства фиг.2.

При возникновении на поверхности источника статического электричества 1 высокого напряжения (U_x) начинает заряжаться (через высокоомный резистор 13) дополнительный конденсатор 14 до напряжения, соответствующего напряжению включения разрядного элемента 2. Постоянная времени заряда конденсатора 14 и напряжение на конденсаторе 14 определяется по формуле, в которую входит неизвестное измеряемое напряжение U_x:

$$U_{14}\left(t\right)=U_x(1-e^{-\frac{t}{{\tau }_3}}),\left(1\right)$$

где τ₃=R₁₃C₁₄ - постоянная времени заряда конденсатора 14.

В момент времени t₁, когда напряжение на конденсаторе 14 достигнет напряжения включения разрядного элемента 2 U_вкл.2, замыкается цепь разряда конденсатора 14 на первичную обмотку 3 трансформатора 4. При этом во вторичной обмотке 7 образуется импульс тока, который, с одной стороны, через выпрямительный элемент 10 заряжает накопительный конденсатор 11, напряжение на котором подается на радиопередающее устройство 12 и обеспечивает его переход в активный режим, а с другой - формирует на основном модулирующем входе 15 радиопередающего устройства 12 соответствующий импульсный сигнал u₈. Этот сигнал модулирует (одним из известных способов) высокочастотный сигнал радиопередающего устройства, который поступает в его антенну, излучается в эфир и принимается антенной приемника радиосигналов 17.

Когда напряжение на конденсаторе 14 станет меньше напряжения удержания во включенном состоянии разрядного элемента 2, этот элемент 2 переходит в высокоомное состояние и процесс заряда конденсатора 14 и формирования импульсов тока во вторичной 7 обмотке трансформатора 4 повторяется. В результате периодического включения разрядного элемента 2 на вторичной обмотке 7 трансформатора 4 выделяется периодический импульсный сигнал переменной частоты, которая пропорциональна измеряемому высокому напряжению. В дальнейшем этот сигнал передается в антенну радиопередающего устройства 12 в виде высокочастотного модулированного колебания.

Таким образом, при известных значениях емкости дополнительного конденсатора 14 и сопротивления резистора 13 частота следования импульсов тока во вторичной обмотке 7 трансформатора 4 прямо пропорциональна измеряемому высокому напряжению U_x, образующемуся на поверхности накопления разряда 1.

Кроме этого, энергия импульсов во вторичной 7 обмотке трансформатора 4 обеспечивает электропитание радиопередающего устройства 12, которое может иметь N дополнительных входов 21, 22, …, 28 для подключения к ним нескольких сенсоров (S₁…Sn), обеспечивающих измерение других параметров мобильного объекта, например температуры окружающей среды, влажности, давления и т.п., и их последующую передачу в эфир в виде высокочастотных модулированных колебаний.

В радиоприемном устройстве 16 с помощью приемника радиосигналов 17 осуществляется демодуляция радиосигналов, поступивших в его антенну, и их соответствующая передача в регистраторы параметров автономного объекта 30.1, …, 30.N. По состоянию выходных сигналов измерителя 19 интервалов времени между импульсами на вторичной 7 обмотке согласующего трансформатора 4 можно с высокой точностью определить уровень высокого напряжения U_x статического электричества источника 1.

Работоспособность заявляемого устройства при очень малых уровнях энергии накопленного на поверхности 1 статического электричества существенно зависит от тока утечки I_ут дополнительного конденсатора 14 и остаточного тока I_ос разрядного элемента 2 в его выключенном состоянии. В этой связи в качестве разрядного элемента 2 авторы рекомендуют использование транзисторных аналогов динисторов, а также ключей и ограничителей напряжения на КМОП транзисторах, обладающих высоким выходным сопротивлением в закрытом состоянии.

Таким образом, в заявляемом устройстве решена комплексная задача дистанционного измерения высоких напряжений статического электричества и одновременного использования энергии этого статического электричества для электропитания различных мобильных объектов микросистемной техники.

Источники информации

1. Патент RU 2415520

2. Патент RU 2366121

3. Патент RU 2439864

4. Патент RU 2293451

5. Патент RU 2369991

6. Патент RU 2124821

7. Патент DE 2621672

8. Патент GB 2279875

9. Патент US 4.373.175

1. Устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического электричества и электропитания системы мониторинга автономного объекта, содержащее источник статического электричества (1), на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, разрядный элемент (2), последовательно с которым включена первичная обмотка (3) согласующего трансформатора (4), имеющая первый (5) и второй (6) выводы, вторичная (7) обмотка согласующего трансформатора (4), имеющая первый (8) и второй (9) выводы, причем ее первый (8) вывод связан через выпрямительный элемент (10) с первыми выводами накопительного конденсатора (11) и цепи нагрузки (12), а второй вывод (9) вторичной (7) обмотки согласующего трансформатора (4) связан со вторыми выводами накопительного конденсатора (11) и цепи нагрузки (12), отличающееся тем, что источник статического электричества (1), на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, соединен с разрядным элементом (2) через высокоомный резистор (13), общий узел высокоомного резистора (13) и разрядного элемента (2) соединен с первым выводом дополнительного конденсатора (14), второй вывод которого связан со вторым (6) выводом первичной обмотки (3) согласующего трансформатора (4), в качестве цепи нагрузки (12) используется система мониторинга автономного объекта, включающего радиопередающее устройство (12), основной модулирующий вход (15) которого связан с первым (8) выводом вторичной (7) обмотки согласующего трансформатора (4), а радиоприемное устройство (16) содержит приемник радиосигналов (17), первый (18) выход которого связан со входом измерителя (19) интервалов времени между импульсами на вторичной (7) обмотке согласующего трансформатора (4), зависящих от величины высокого измеряемого напряжения статического электричества.

2. Устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического электричества и электропитания системы мониторинга автономного объекта по п.1, отличающееся тем, что радиопередающее устройство системы мониторинга автономного объекта имеет дополнительные модулирующие радиосигнал радиопередающего устройства (12) входы (21), (22), (23), (24), (25), (26), (27), (28), к которым подключены N сенсорных элементов, обеспечивающих измерение основных параметров автономного объекта, причем дополнительные выходы (29.1), (29.N) приемника радиосигналов (17) подключены к регистраторам параметров (30.1), (30.N) автономного объекта, измеряемых N сенсорными элементами.