Устройство для регистрации статического или квазистатического электрического поля

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регистрации и измерения медленно изменяющихся электрических полей. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для измерения статического и квазистатического электрического поля, в котором, вследствие введения в устройства блока синхронизации, вход которого подключен к выходу коммутатора, а выход - к входу блока управления, обеспечивается измерение электрического потенциала в моменты времени, когда вклад потенциала, создаваемого промышленной помехой равен нулю и достигается синхронизацией до фазы частоты коммутации с частотой индустриальной помехи, и за счет этого повышается точность регистрации и измерения напряженности электростатического поля и повышается помехозащищенность регистрации и измерения. Это достигается вследствие того, что моменты кратковременного замыкания коммутатора совпадают с моментами нулевого приращения напряженности электрического поля, создаваемого индустриальной помехой.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регистрации и измерения медленно изменяющихся электрических полей и может быть использовано в промышленности, связи, медицине, геологоразведке..

Регистрация и измерение медленно меняющихся электрических полей представляет собой проблему, решение которой является сложной задачей в условиях промышленных помех. Назначение: промышленность, связь, медицина, геологоразведка.

Известно, что низкочастотные сигналы с малой амплитудой колебания не могут быть непосредственно зарегистрированы. Дело не только в том, что эти сигналы недостаточно велики по амплитуде, гораздо существеннее их низкочастотность. Чтобы осуществить эффективную передачу низкочастотных сигналов в какой-либо среде, с одной стороны, необходимо их надежно идентифицировать, а с другой стороны, необходимо перенести спектр этих сигналов из низкочастотной области в область достаточно высоких частот.

Известен, например, способ измерения напряженности электрического поля, который используют в технической физике, измерительной технике, приборостроении, а также при исследовании электрического поля земли путем модуляции его величины при помощи электрически управляемого механического модулятора, помещенного в исследуемое электрическое поле, и регистрации модулированного сигнала, по величине которого определяют напряженность электрического поля [см. описание к авт. св. СССР

№873162, М. кл. G 01 R 29/12, опубл. 15.10.81], в котором частоту управляющего напряжения механического модулятора устанавливают равной частоте нечетной субгармоники его собственного механического резонанса, а амплитуду выбирают из условия обеспечения режима незатухающих колебаний механического модулятора.

Использование предлагаемого способа измерения напряженности электрического поля по сравнению с существующими позволяет повысить чувствительность измерений до 0,1 в/м и выше, а также улучшить соотношение сигнал/помеха.

Однако чувствительности устройства недостаточно для идентификации медленных изменений электрического поля в условиях промышленных помех (в частности наводок от промышленной сети ˜50 Гц).

Известно также устройство для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля, содержащее датчик электрического поля, выполненный в виде плоского конденсатора, через коммутатор подключенный к входам усилителя постоянного тока, регистратор и блок управления [см. описание к патенту РФ №2071070, М. кл. G 01 R 29/12, опубл. 27.12.96], в котором дополнительно введено разрядное сопротивление, пиковый детектор, сумматор и запоминающий блок, причем разрядное сопротивление включено параллельно входу усилителя постоянного тока, выход которого через пиковый детектор соединен с первым входом сумматора, выход которого через запоминающий блок соединен с регистратором и вторым входом сумматора, при этом выход блока управления соединен с управляющим входом коммутатора, второй выход - с входом «сброс» пикового детектора, а третий выход - с управляющим входом запоминающего блока.

В описанном выше устройстве благодаря разряду датчика через сопротивление при длительных непрерывных измерениях точность измерения напряженности электростатического поля, по сравнению с прототипом, повышена за счет исключения влияния саморазряда датчика через сопротивление изоляции между его пластинами.

Однако, описанное выше техническое решение хотя и позволяет измерить напряженность электрического поля с высокой точностью, но не обладает достаточной помехозащищенностью от промышленных помех, что не обеспечивает в полной мере реализации высокоточных измерений напряженности электрического поля при воздействии индустриальных помех.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является устройство для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля, содержащее датчик электрического поля, выполненный в виде плоского конденсатора, через коммутатор подключенный к входам усилителя постоянного тока, регистратор, блок управления, разрядное сопротивление, пиковый детектор, сумматор и запоминающий блок [см. описание к патенту РФ J6 2071070, М. кл. G 01 R 29/12, опубл. 27.12.96].

В описанном выше устройстве благодаря разряду датчика через сопротивление при длительных непрерывных измерениях точность регистрации и измерения напряженности электростатического поля повышена за счет исключения влияния саморазряда датчика через сопротивление изоляции между его пластинами, однако оно не шиноляст измерять напряженность электрического поля с высокой точностью из-за Н1ИЯНИЯ внешних индустриальных помех, например, создаваемых промышленными и электропередачи 50/60 Гц.

Недостатком известного устройства является невозможность точной регистрации и измерения напряженности электростатического поля из-за влияния внешних индустриальных помех.

Поэтому целью предлагаемого технического решения является повышение помехозащищенности регистрации и измерения напряженности электростатического поля.

Поставленная цель достигается я тем, что в известное устройство для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля, содержащее датчик электрического поля, выполненный в виде плоского конденсатора, через коммутатор подключенный к входам усилителя постоянного тока, регистратор, блок управления, разрядное сопротивление, пиковый детектор, сумматор и запоминающий блок, согласно изобретению, дополнительно введен блок синхронизации, вход которого подключен к выходу коммутатора, а выход - к входу блока управления.

Как видно из описания сущности заявляемого технического решения, оно отличается от прототипа, и следовательно является новым.

Решение также обладает изобретательским уровнем. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для измерения статического и квазистатического электрического поля, в котором, вследствие введения в устройство блока синхронизации, вход которого подключен к выходу коммутатора, а выход - к входу блока управления, обеспечивается измерение электрического потенциала в моменты времени, когда вклад потенциала, создаваемого промышленной помехой равен нулю и достигается синхронизация до фазы частоты коммутации с частотой индустриальной помехи, и за счет этого повышается точность регистрации и измерения напряженности ростатического поля и повышается помехозащищенность регистрации и измерения. H1 описания уровня техники видно, что регистрация и измерение электростатических с высокой точностью сопряжена с большими трудностями, связанными присутствием в момент измерений и регистрации трудно учитываемого и постоянно меняющегося во времени уровня индустриальных помех. Решение проблемы устранения влияния индустриальных помех требует новых инженерных и конструктивных решений одним из которых и является данное изобретение.

Предлагаемое решение принципиально отличается тем, что включение в схему системы синхронизации до фазы частоты коммутации и частоты индустриальной помехи

позволяет исключить воздействие помехи на результаты измерений и регистрации медленно меняющихся электростатических полей.

Решение промышленно применимо, так как технические решения предлагаемого изобретения были проверены на конструктивном действующем макете и подтвердили повышение помехозащищенности от индустриальных помех в процессе измерения и регистрации медленно меняющихся электростатических полей.

Фиг.1 Блок-схема устройства.

Фиг.2 График изменения индустриальной помехи.

Фиг.3 График изменения квазистатического поля.

Фиг.4 Временные диаграммы срабатывания электронного коммутатора синхронного и синфазного с частотой и фазой индустриальной помехи.

Фиг.5 Временные диаграммы приращения выходного напряжения на выходе пикового детектора.

Фиг.6 Результирующая последовательного суммирования приращений напряжений с учетом знака (на выходе регистрирующего блока).

Устройство (см. фиг.1) содержит выполненный в виде плоского конденсатора датчик 1 электрического поля, через коммутатор 2 подключенный к разрядному сопротивлению 3. Разрядное сопротивление 3, в свою очередь, подключено к выходу усилителя 4, выход которого через пиковый детектор 5 подключен к первому входу сумматора 6, выход которого через запоминающий блок 7 соединен с входом регистратора Вис вторым входом сумматора 6. Блок 9 управления соединен первым выходом с управляющим входом коммутатора 2, вторым выходом с входом сброса пикового детектора 5, третьим выходом с управляющим входом запоминающего блока 7.Вход блока 9 управления соединен с выходом блока 10 синхронизации. Вход блока 10 синхронизации соединен с выходом коммутатора 2. Устройство работает следующим образом.

При разомкнутом коммутаторе 2 разность потенциалов А(р между пластинами датчика 1 соответствует суммарной напряженности измеряемого электрического поля Е и индустриальной помехи Ь, в котором находится датчик:

где d -расстояние между пластинами датчика.

Пусть, например, в момент времени (фиг.4) по команде блока 9 происходит кратковременное замыкание коммутатора 2, в результате чего происходит разряд конденсатора через сопротивление 3 с формированием на последнем экспоненциального разрядного импульса напряжения. Усиленный усилителем 4 разрядный импульс поступает на вход пикового детектора 5, где его амплитуда преобразуется в постоянное напряжение поступающее на первый вход сумматора о. В первом цикле устройства напряжение на втором входе сумматора равно нулю, следовательно, на выходе сумматора также равно По команде блока 9 происходит запоминание этого напряжения в блоке 7. Регистратор 8 при этом регистрирует значение напряженности поля 4 (фиг.3). Блок 9 управления вырабатывает управляющие импульсы с тактовой частотой, согласованной с частотой индустриальной помехи.

Перед следующим срабатыванием коммутатора 2 по команде блока 9 происходит сброс напряжения на пиковом детекторе 5. В момент времени t5 происходит следующее кратковременное замыкание коммутатора 2. Разность потенциалов между пластинами датчика к этому моменту достигает значения

где AEs - приращение напряженности измеряемого электрического поля за интервал времени (4-1:, Abs - приращение напряженности электрического поля, создаваемой индустриальной помехой, за тот же интервал времени При выполнении условия синхронизации до фазы тактовой частоты с частотой промышленной помехи,

т.е. условия fr=fb, которое реализовано соединением выхода блока 10 синхронизации с входом блока 9 управления, моменты кратковременного замыкания коммутатора 2 совпадают с моментами нулевого приращения напряженности электрического поля АЬ=0, создаваемого индустриальной помехой Ь. Поэтому разность потенциалов между пластинами датчика к моменту ts достигает значения

Так же, как и в предыдущем случае, формируется разрядный импульс напряжения на сопротивлении J, а на выходе пикового детектора 5 формируется новое значение напряжения AUs (фиг.5), пропорциональное разности потенциалов As и соответственно приращению напряженности измеряемого электрического поля АЕ: с нулевым приращением напряженности, создаваемой промышленной помехой AbsO. К этому времени на втором входе сумматора 6 имеется напряжение AU соответствующее измеренному в предыдущем цикле значению напряженности поля £4 и помехи 6=0, поэтому на выходе сумматора напряжение равно сумме AU4+AUs. Эта сумма и запоминается в блоке 7 по очередной команде блока 9, после чего напряжение на пиковом детекторе снова обнуляется. Тем самым пиковый детектор подготавливается к новому циклу работы.

Регистратор 8 регистрирует новое значение измеряемого напряжения злектрического поля, соответствующее моменту времени ts:

В дальнейшем происходит последовательное алгебраическое сложение приращений измеряемой напряженности поля АЕ и нулевых приращений напряженности поля АЬ=0, создаваемых промышленной помехой, в результате чего в момент времени tn показание регистратора формируется в виде

При этом величина и знак приращений АЕ зависит только от характера изменения измеряемой напряженности исследуемого поля без вклада воздействия промышленной помехи во времени.

Благодаря синхронизации до фазы тактовой частоты с частотой промышленной помехи, которое реализовано соединением блока 10 синхронизации с выходом коммутатора 2 и выхода блока 10 синхронизации с входом блока 9 управления, помехозащищенность измерений статических и квазистатических электрических полей по сравнению с прототипом значительно повышается, так как моменты кратковременного замыкания коммутатора 2 совпадают с моментами нулевого приращения напряженности электрического поля, создаваемого индустриальной помехой.

Устройство для измерения напряженности статического или квазистатического электрического поля, содержащее датчик электрического поля, выполненный в виде плоского конденсатора, через коммутатор подключенный к входам усилителя постоянного тока, регистратор, блок управления, разрядное сопротивление, пиковый детектор, сумматор и запоминающий блок, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок синхронизации, причем его вход подключен к выходу коммутатора, а выход - к входу блока управления.