Устройство для измерения напряженности электрического поля

 

.г. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ, содержащее модулирующий электрод, выполненный в виде струны или ленты, струнные чувствительные электроды, расположенные параллельно по обе стсроны от него и электрически связанные между собой, первый электромагнит , соединенный с входом усилителя возбуждения, второй электромагнит, соединенный с его выходом, и регистратор , отличающееся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения , в него введены дифференциальный преобразователь ток - напряя е ние , блок коррекции основного и опорного сигналов и экран, средняя часть которого снабжена отверстием с проходящим через него модулирующим электродом, при этом струнные чувствительные электроды, лежащие по одну сторону средней части экрана, и первый электромагнит размещены над одной из частей экрана, а струнные чувствительные электроды, лежапгие но дру гую сторону средней части экрана, и второй электромагнит - под другой частью экрана и соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального преобразователя ток - напряжение, выход которого соединен с первым входом блока коррекции основного и опорного сигналов, второй вход которого сое- , динен.с выходом усилителя возбужде§ ния, а выход - с регистратором. 2. Устройство по п. 1, отли (Л чающееся тем, что блок Хорс рекции основного и опорного сигналов выполнен в виде регулируемого фазовращателя , фазочузствительного детектора , усилителя - формирователя и фильтра нижних частот, причем вход регулируемого фазовращателя соединен с выходом преобразователя ток - О) напряжение, выход -. с первым входом фазочувствительного детектора, второй Од со ср вход которого соединен с выходом усилителяюрмирователя, вход которого связан с выходом усилителя возбуждения , а выход фазочувствительного детектора соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с регистратором.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (дц С 01 R 29/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABT0PCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ;

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21) 3582042/18-21 (22) 21.04.83 (46) 30.09.84. Бюл. Ф 36 (72) В.И.Струминский (71) Новосибирский государственный университет им. Ленинского комсомола (53) 62 1.317.729(088.8) (56) 1. Имянитов И.М. Приборы и методы для измерения электричества атмосферы. M., 1957, с. 193-200.

2 ° Авторское свидетельство СССР

У 830256, кл. G 01 Р 29/12, 26.09.79 (прототип) . (54) (57) .1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ, содержащее модулирующий электрод, выполненный в виде струны или ленты, струнные чувствительиые электроды, расположенные паралл льно по обе стсроны от него и электрически связанные между собой, первый электромагнит, соединенный с входом усилителя возбуждения, второй электромагнит, соединенный с его выходом, и perHcTратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены дифференциальный преобразователь "ток — напряже ние", блок коррекции основного и опорного сигналов и экран, средняя часть которого снабжена отверстием с проходящим через него модулирующим электродом, при этом струнные чувст-

„„SU„„1116399 А вительные электроды, лежащие по одну сторону средней части экрана, и первый электромагнит размещены над одной из частей экрана, а струнные чувствительные электроды, лежашие по дру» гую сторону средйей части экрана, и второй электромагнит — под другой частью экрана и соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального преобразователя "ток — напряжение", выход которого соединен с первым входом блока коррекции основного и опорного сигналов, второй вход которого соединен с выходом усилителя возбуждес ния, а выход — с регистратором. Е

2. Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок коррекции основного и опорного сигналов ( выполнен в виде регулируемого фазовращателя, фазочувствительного детектора, усилителя — формирователя и фильтра нижних частот, причем вход регулируемого фазовращателя соединен с выходом преобразователя "ток — напряжение", выход †. с первым входом фазочувствительного детектора, второй вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя, вход которого связан с выходом усилителя возбуждения, а выход фазочувствительного детектора соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с регистратором. Дфв

1 11163

Устройство относится к измеритель ной технике и может быть использовано для измерения напряженности постоянного и переменного электрического поля.

Известны приборы для измерения напряженности электрического поля, / содержащие чувствительный электрод, который периодически экспонируется и экранируется в измеряемом поле с помощью вращающейся заземленной пластины с фигурными прорезями 11.

Недостатками известных приборов являются, наличие скользящих контактов, заземляющих вращающуюся пластину и являющихся источником паразит ных шумов, значительные габариты, вес и мощность, потребляемая двигателем, ограниченный ресурс работы без ремонта или профилактического обслуживания.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее модулирующий электрод, выполненный в виде струны или ленты, струнные чувствительные электроды, расположенные параллельно по обе стороны от него и электрически связанные между собой, первый электромагнит, соединенный с входом усилителя возбуждения, второй электромагнит, Соединенный с его выходом, и регистратор, а также синхронный детектор и интегратор (2 g.

Недостатком данного устройства является низкая точность при работе в условиях, когда его корпус заряжен.

При этом изменяется суперпозиция по40 ля, подлежащего измерению, и поля, вызванного собственным электрическим зарядом. Так, в случае установки устройства на объектах типа самолета, ракеты, мешающее поле, вызванное

45 наличием заряда на измерителе, может ,превышать измеряемое по своей напря,женности.

Точность измерений снижается такжЕ и при работе устройства в режиме высокой чувствительности, так как sa50 гряэнение приэлектродной поверхности прибора диэлектрическими поляриэующимися примесями, например имеющимися ,в воздухе в виде аэрозолей, вызывает

55 эффект, подобный описанному выше.

Распределенныи на поверхности заряд, вызванный загрязнением, создает электрическое поле, которое прибор

99 2 не "отличает" от подлежащего измерению.

Пелью изобретения является повышение точности измерения, Поставленчая цель достигается тем. что в устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее модулирующий электрод, выполненный в виде струны нли ленты, струнные чувствительные электроды, расположенные параллельно по обе стороны от него и электрически связанные между собой, первый электромагнит, соединенный с входом усилителя возбуждения, второй электромагнит, соединенный с его выходом, и регистратор, введены дифференциальный преобразователь "ток — напряжение", блок коррекции основного и опорного сигналов и экран, средняя часть которого снабжена отверстием с проходящим через него модулирующим электродом, при этом струнные чувствительные электроды, лежащие по одну сторону средней части экрана, и первый электромагнит размещены над одной из частей экрана, а струнные чувствительные электроды, лежащие по другую сторону средней части экрана и второй электромагнит — под другой частью экрана и соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального преобразователя "ток — напряжение", выход которого соединен с первым входом блока коррекции основного и опорного сигналов, второй вход которого соединен с выходом усилителя возбуждения, а вь ход — с регистратором.

Кроме того, блок коррекции основного и опорного сигналов выполнен в виде регулируемого фазовращателя, фазочувствительного детектора, усили; теля-формирователя и фильтра нижних частот, причем вход регулируемого фаэовращателя соединен с.-выходом преобразователя "ток — напряжение", выход — с первым входом фазочувствитель. ного детектора, второй вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя, вход которого связан с выхо-. дом усилителя возбуждения, а выход фазочувствительного детектора соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с регистратором.

На фиг. 1 — экран с модулирующим и чувствительными электродами, разрез и вид сверху; на фиг. 2 - блок99 4 модулнрующего электрода 2 на частоте, равной удвоенной частоте оснсвного резонанса. Модулврующий электрод 2 колеблется в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой размещены струнные чувствительные электроды 4.1 и 4.2. При помещении устройства в электрическое поле F. на электродах 4.1 индуцируется электрический заряд Q К Ео Е, а на электродах 4 2 о K о Во 1д эффициент, учитывающий степень искажения электрического поля модулирую,шим и чувствительным электродами;

E. — диэлектрическая постоянная).

При колебаниях заземленного модулирующего электрода 2 у индуцированного заряда за счет модуляции поля гоявится переменная составляющая и в этом случае Q=K Eo E (1+К„„з пы );

Eo,E, (1+K ® з Р u i.), где К д, коэффициент модуляции, зависящий от амплитуды колебаний (О К„„- 1), ю=2йГ, гqe f - частота колебаний модулирующего электрода 2.

Коэффициент передачи дифференциального преобразователя 7 "ток — напряжение" соответствует выражению где I) — ток в неинвертирующем входе;

? — ток в инвертирующем входе;

Kp — коэффициент пропорциональности, Учитывая что I = получим

Пьых =К К о о Е о (К,„ж со а г+Км ы созе с) =

=2К Км Ка м.Е<, Ep cos ur t=. К Epcos t1 где K=2K К„, K „w6„, т.е. амплитуда выходного напряжения дифференциального преобразователя 7 "ток — напряжение" пропорциональна напряженности измеряемого электрического поля. Сигкалы с выхода дифференциального преобразователя 7 "ток †. напряжение"

И опорного сигналов поступает на вход регистратора 10.

Измеряемое поле по разные стороны экрана 1 направлено в одну сторону.

В отличие от него поле, связанное с собственным или распределенным на поверхности зарядом по разные стороны экрана 1, направлено в разные стороны, поэтому для такого поля

0 = Qa=K Е p E соз (1+К, sin wt), при этом Пь,„=К К E F

«(К mcos ut — К,юсов и С) =О.

Итак, поле собственного заряда для предлагаемоего устройства явля-. з 11163 схема устройства; на фиг. 3 — диаграм, чы сиг налов. 1

Устройство (фиг. 1 и 2) содержит .экран,1 с основанием для монтажа устройства, на котором укреплен струнный модулирующий электрод 2, проходящий сквозь отверстие 3 в средней части экрана. Параллельно электроду 2 установлены струнные чувствительные электроды 4.1.и 4.2, выполненные в виде двух электрически соединенных отрезков струн, закрепленных на изоляторах 5. Все электроды лежат в одной IIJIocKocTH Струнные чувствительные электроды 4.1 и 4.2

- экранированы экраном 1 снизу (по отношению к полю Е). Электроды 4.2 экранированы экраном 1 сверху. На расстоянии 1/4 длины модулирующего электрода 2 от его концов закреплены электромагниты 6.1 и 6.2. Входы дифференциального преобразователя 7

-"ток — напряжение" соединены соответ-ственно со струнными чувствительными электродами 4.1 и 4.2. Выход дифференциального преобразователя 7

"ток — напряжение" соединен с первым входом блока 8 коррекции основного и опорного сигналов, второй вход которого соединен с выходом усилите30 ля 9 возбуждения, а выход — с регистратором 10. Вход усилителя 9 возбуждения соединен с .первым электромаг-нитом 6.1, а блок 8 коррекции основного и опорного сигналов содержит регулируемый фазовращатель 11, фазо- З5

,чувствительный детектор 12, усилитель-формирователь 13 и фильтр 14 нижних частот, причем вход регулируемого фазовращателя 11 соединен с выходом дифференциального преобразова40 теля 7 "ток — напряжение", выход — с первым входом фазочувствительного детектора 12, второй вход которого соединен с выходом усилителя-формиро- через блок 8 коррекции основного вателя 13, вход которого связан с вы45 ходом усилителя 9 возбуждения и вторым электромагнитом 6.2, а выход фазочувствительного детектора 12 соединен с входом фильтра 14 нижних частот. выход которого соединен с регистратором 10.

Устройство работает следующим образом.

Электромагниты 6.1 и 6.2, расположенные на расстояниях равных 1/4 длины модулирующего электрода 2 от его концов, обеспечивают возбуждани1 колебаний ферромагнитного струнного

1116399

5 ется источником синфазнои помехи, которая подавляется тем лучше,.чем лучше сбалансированы коэффициенты К и К,„ по обоим входам дифференциального преобразователя 7 "ток — напряжение".

Реально достижимым является значение коэффициента подавления поля собственного и распределенного зарядов до 50-60 дБ. Эффект подавле- 10 ния составляющей сигнала, обусловленной собственным зарядом прибора, поясняется фиг. 3. Здесь показаны знаки индуцируемых на чувствительных электродах зарядов для случая 15 внешнего поля (фиг. 3 а ),для случая поля собственного заряда (фиг. 3 Б) . и соответствующие формы сигнала ка каждом из входов (I и I ) и на вы ходе дифференциального преобразователя 7 "ток — напряжение" Б,„. Так как в первом случае (Фиг. 3 o ) поле направлено к электродам 4.2, от электродов 4. 1 индуцированные заряды имеют разные знаки и на выходе дифференциального преобразователя 7

"ток — напряжение" напряжение пропорционально алгебраической сумме токов, текущих во входы дифференциального преобразователя 7 "ток — напряжение". Зо

В случае поля, обусловленного собственным зарядом (фиг. 3 s), .оно направлено от каждого электрода вовне (для отрицательного собственного заряда), либо к электродам (для положительного) . В этом случае, как видно из формы сигналов, ток an входы преобразователя носит синфазный характер и подавляется, т.е. напряжение на выходе преобразователя в тече- 4О ние всего периода колебаний модулирующего электрода равно нулю. Таким образом, введение экрана и выполнение его из средней и двух других частей позволяет расположить отрезки 45 чувствительных электродов, соединен ные с первым входом дифференциального преобразователя 7 "ток — напряжение", по одну сторону экрана, а отрезки, соединенные с, вторым входом— по другую. Это позволяет получить на входах дифференциального преобразователя .7 "ток — напряжение" противофазные сигналы от измеряемого поля и синфазные — от поля, создаваемого собственным зарядом измерителя. При этом можно исйользовать один общий модулирующий электрод, выполненный. в виде струны (полоски), вследствие чего исключится дисбаланс коэффициента преобразования и стибилизируются фазовые соотношения по обоим входам дифференциального преобразователя 7 ,"ток - напряжение", что повышает точность измерения.

Расголожение электромагнитов по разные стороны средней части экрана позволяет получить одинаковую конфигурацию силовых линий электрического поля в районах расположения чувствительных электродов.

Дальнейшая обработка сигнала, поступающего с выхода дифференциального преобразователя 7 "ток — на ряжение", осуществляется с помощью блока 8 коррекции основного и опорного сигналов, который содержит регулируемый фазовращатель 11, позво- . ляющий,исключить фазовые искажения сигнала на входе фазочувствительного детектора 12, обусловленные комплексным характером входного импеданса дифференциального преобразователя 7

1! ток — напряжение" (и тем самым увеличить коэффициент преобразования прибора и точность измерений), а также усилитель — формирователь 13, служащий для повышения симметричности импульсов, имеющих форму меандра и управляющих фазочувствительным детектором 12 за счет уменьшения влияния переходных процессов на фронтах импульсов усилителя 9 возбуждения на работу фазочувствительного детектора 12. . 3a счет введения фильтра 14 нижних.частот можно обеспечить эффективное выделение квазипостоянной составляющей сигнала на выходе фазочувствительного детектора 12 и подавление основной частоты сигнала преобразования и его нечетных гармоник, проникающих на вход фазочувствительного детектора 12.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает эффективное подавление сигнала от поля, создаваемого собственным зарядом измерителя, средством доставки его и т.п., в связи с чем существенно расширяется область применения устройства.

Предлагаемое устройство можно использовать как на летающих объектах, электризующихся в процессе эксплуатации, так и для измерений в плазме.

f116399

Фиг.1

Фиг. 2

1 116399

f.!

З )сов ыф

Atт,J

Составитель В. Плужникова

Редактор А.Ревин Техред М.Кузьма . Корректор Е. Сирохман

Заказ 6925/37 Тираж 71G Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

l филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4