Измеритель напряженности электрического поля

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советския

Социалистических

Республик

<и983586 (61)Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 27.02.81(21) 3251959/18-21

013 М. Кп.з

G 01 R 29/12 с присоединением заявки №

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 23,12.82. Бюллетень ¹47

Дата опубликования описания 23.12, 82 (53} УДК 621, 317. .7 (088. S) (72) Авторы изобретения

An.A.Тютин, А.А.Тютин и Г.A.Òó÷êîâ

«..

Новосибирский государственный университет им.Ленинского комсомола (71) Заявитель (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ПОЛЯ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерениям напряженности электрических по,лей, и может быть использовано для контроля состояния окружающей среды, при исследовании свойств атмосферы,. для контроля превышения опасного уровня электрических полей на летательных аппаратах и т.д.

Известен датчик напряженности электрического поля вибрационного типа, содержащий измерительный электрод в виде пластины или стержня, находящийся под отверстием в корпусе, соединенный механически с возбудителем колебаний и электрически — через усилитель с первым входом Фазового детектора, генератор колебаний, первый выход которого соединен с возбудителем колебаний, а второй выход соединен с вторым входом фазового детектора, выход которого через усилитель напряжения соединен с параллельно включенными измЕрительным прибором и переменным резистором, средний вывод которого подключен к корпусу датчика.

Электрическое поле, в которое помещен датчик, проникает внутрь его через отверстие. Измерительный электрод совершает .колебания относительно плоскости с отверстием.

При этом из-за разной степени экранироваиия корпусом колеблющегося измерительного электрода в течении периода колебания индуцированный на электроде заряд будет переменным, а амплитуда его изменения пропорциональна величине напряженности электрического поля 1 1).

Недостатком известного датчика является снижение точности измерения при воздействии внешних факторов. Например, при изменении темпе15 р т;,р и давления изменяются частота и амплитуда вибрации, что приводит к снижению точности измерений.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является датчик напряженности электрического поля, содержащий возбудитель механических колебаний с двумя измерительными электродами, выполненными в виде изолированных проводников и подключенными к усилителю, модулирующий электрод, выполненный в виде закрепленной на опорах металлической струны или ленты, и синхронный детектор, подключенный к выходу уси30 лителя.

983586

Измеритель состоит из магнитопровода-1 с обмоткой 2 возбуждения, которая соединена с выходом генератора 3 опорного напряжения, возбуждаю- 55 щим переменное магнитное поле в электроде 4, электрода 5 обратной связи, изолированного совместно с измерительным электродом 4 от магнитопровода 1 посредством ферритовых бО прокладок б, а от электрического поля обмотки 2 возбуждения — экраном 7. Измерительный электрод 4 соединен с входом усилителя 8 тока, выход которого соединен с входом б5

Индуцируемый на электродах заряд по амплитуде пропорционален измеряемому полю. Высокая добротность модулирующего электрода, выполненного в виде струны, позволяет достичь высокой стабильности амплитуды и частоты колебаний, что положительно сказывается на точности измерений 1 2).

Однако воздействия температуры и давления приводят к снижению точ- 0 ности измерения.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель напряженности элект-)5 рического поля, содержащий измерительный электрод, соединенный с усилителем тока, возбудитель механических колебаний с генератором опорного напряжения, выход которого соединен 2() с управляющим входом синхронного детектора, .и регистрирующий прибор, соединенный с выходом синхронного детектора, дополнительно введены последовательно соединенные синхронный фильтр и усилитель напряжения, электрод обратной связи, датчик температу, ры„ электроподогреватель и блок термостабилизации> причем возбудитель механических колебаний выполнен в виде катушки. возбуждения, подключенной к выходу генератора опорного напряжения и расположенной на магнитопроводе, образующем совместно с измерительным электродом замкнутый магнитный контур, а между катушкой возбуждения и измерительным электродомрасположен экран, при этом выход датчика температуры соединен с входом блока термостабилизации, выход кото-: рого подключен к электроподогревате- 4О лю, основной вход синхронного фильтра соединен с выходом усилйтеля тока, его управляющий вход — с выходом ге.нератора опорного напряжения, а выход усилителя напряжения соединен с 45 входом синхронного детектора, который соединен с электродом обратной связи.

На чертеже изображена схема измерителя напряженности эпектрического 50 поля. синхронного фильтра 9 ° Выход последнего присоединен к неинвертирующему входу усилителя 10 напряжения.

В измеритель входят также синхронный детектор 11, управляющий вход которого, а также управляющий вход синхронного фильтра 9 соединены с выходом генератора 3.опорного напряжения. Выход синхронного детектора

11 соединен с электродом 5 обратной связи и регистратором 12. В непосредственной близости от измерительного электрода 4 расположей электроподогреватель 13. Кроме того, в состав измерителя входит также датчик температуры, содержащий диод 14, соединенный с блоком 15 термостаби- лизации, выход которого соединен с электроподогревателем 1.3, представляющим собой спираль, закрепленную на измерительном электроде 4. Магнитопровод 1 выполнен из магнитомягкого материала.

Измерительный электрод 4 выполнен из магнитострикционного материала в виде пластины, ширина которой чуть больше ширины магнитопровода 1. у поверхности измерительного электрода 4 расположен электрод 5 обратной связи, выполненный также в виде пластины, размеры которой чуть больше размеров измерительного элект. рода 4.

Измеритель напряженности электрического поля работает следующим образом.

Переменное напряжение генерато ра 3 опорного напряжения возбуждает в магнитопроводе 1 переменное магнитное поле, которое замыкается через измерительный электрод 4. Под воздействием магнитного поля измерительный электрод 4 удлиняется, увеличивая тем самым экспонированную в электрическом поле площадь.

На .измерительном электроде 4 индуцируется зарядgq, пропорциональный изменению его площади ЬЯ и напряженности электрического поля Е.

При изменении площади l),S = bP Ь, где Ь - экспонируемая в поле ширина измерительного электродаг дР— изменение его длины, величина изменения заряда равна

gq = Ео b S. Е, где со — диэлектрическая проницаемость воздуха (среды).

При этом входной ток. усилителя тока 3, обусловленный изменением заряда Aq, равен

= p -ЬВ E вcos t (1) ф О где Ш - угловая частота изменения длины р измерительного электрода.

983586.ния, и выполнение измерительного

t электрода из магнитострикцноннога измерительный электрод переменной площади, при этом отсутствуют элементы, работающие на изгиб, кручение

)0 или трение.

Введение электрода обратной связи, соединенного с выходом синхронного детектора и входом регистрато-. ра, позволяет ввести 100%-ную от15 рицательную обратную связь по электрическому полю и охватить ею не только усилительные элементы, но и .измерительные элементы, что позволяет обеспечить высокую точность

20 (1-2% погрешности измерения) измерителя напряженности электрического поля.

Введение электроподогревателя, блока термостабилизации и датчика

25 температуры позволяет исключить влия ние уменьшения магнитострикции при отрицательных температурах на точность измерения.

Яр-AS Е UJ- В.К

Ос где d — расстояние между измерительным электродом 4 и электродом 5 обратной связи, за счет соответствующего выбора величин Ь8, сЮ, R К и

d на.2-3 порядка превосходит напряженность измеряемого электрического поля, т.е. Е - (10 -10 ) Е. Вследст- 3{»

Фвие наличия обратной отрицательной связи по электрическому полю измеритель работает как нуль-орган,-при чем его точность тем.выше, чем больше напряженность поля обратной связи по отношению.к напряженности измеряемого электрического поля..

Относительное изменение длины измерительного электрода при изменении температуры в диапазоне от -50 Ñ до +200 С. вследствие зависимости коэффициента магнитострикции от температуры, может приводить (при отсутствии термостабилизации) к погрешности измерения -до 10%. Для умень шения указанной погрешности и повышения точности измерения напряженйости электрического поля при пониженных температурах в измерителе предусмотрен подогрев измерительного электрода 4 посредством электроподогревателя 13 от блока 15 термостабилизации по сигналу датчика 14 температуры. При снижении темпера-, туры измерительного электрода 4 ниже определенного порога датчик -14 температуры выдает в блок 15. термо,стабилизации сигнал на включение электроподогревателя 13, что позволяет поддержать температуру измерительного электрода в заданных пределах и за счет этого повысить точность измерения.

Выполнение возбудителя механических колебаний в виде магнитопровода с катушкой возбуждения, питаФормула изобретения

Измеритель напряженности электри ческого поля., содержащий измеритель35 ный электРод, соединениый с усилителем тока, возбудитель механических колебаний с генератором опорного напряжения, выход которого соединен с управляющим входом синхронного

40 детектора, и Регистрирующий прибор, соединенный с выходом синхронного детектора отличающийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно введены последова-45 тельно соединенные синхронный фильтр и усилитель напряжения, электрод обратной связи, датчик температуры, электроподогреватель и блок термостабилизации, причем возбудитель меха- нических колебаний выполнен в -виде

-50 катушки возбуждения„ подключенной к выходу генератора опорного напряжения и расположенной на магнитопроводе, образующем совместно с измерительным электродом замкнутый магнитный контур, а между катушкой возбуж-, 55 дения и измерительным электродом расположен экран, при этом выход датчика температуры соединен с вхо.дом блока термостабилизации, выход которого подключен к электроподогревателю, основной вход синхронного фильтра .соединен с выходом уси-; лителя тока, его управляющий вход » с выходом генератора опорного напряжения, а выход усилителя,напряже65

Усилитель 8 тока усиливает этот сигнал, а также шумовые напряжения и наводку от сигнала возбуждения.

Синхронный фильтр 9, настроенный на усиление только сигнала (1), подавляет все наводки, не совпадающие с сигналом по фазе и по частоте, Отфильтрованный таким образом сигнал .усиливается усилителем 10 напряжения и детектируется синхронньэе детектором 11. Сигнал с выхода синхронного детектора 11

Б =8о-hS E (и R К. где R — резистор обратной связи усилр теля 8 тока;

К вЂ” коэффициент усиления усилителя 10 напряжения, поДается на электрод 5 обратной связи. Напряженность электрического по- ля, создаваемого электродом 5 обратноф связи, емой от гекератора опорного напряжематериала позволяет на основе явления магнитострикции, т.е. Удлинения измерительного электрода под действием магнитного поля, создать

983586

Составитель В.Костин

Редактор Н.Гунько Техред М.Тепер Корректор A. Гриценко

Заказ 9912/52 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

НИЯ СОЕДИНЕЕЮ С ВХОДОМ СИНХРОНЕЕОГО

gfemkxopa который соединен с элект родом обратной связи.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент CIA 9 3611127, кл. 3 24-72, опублик. 1977.

2. Авторское свидетельство СССР

М 830256, кл. G 01 R 29/12, 1979 (прототип).