устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей
Классы МПК: | G01R29/12 для измерения электростатических полей |
Автор(ы): | Зажирко В.Н., Крысов С.А., Полянин И.Г. |
Патентообладатель(и): | Омский институт инженеров железнодорожного транспорта |
Приоритеты: |
подача заявки:
1991-01-03 публикация патента:
27.12.1996 |
Использование: изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения напряженности электростатических и квазистатических полей. Сущность изобретения: устройство содержит первичный измерительный преобразователь 1 в виде трех параллельных металлических пластин, представляющий собой два последовательно соединенных конденсатора с общей пластиной, управляемый оптоэлектронный коммутатор 2, два разрядных сопротивления 3 и 4, дифференциальный усилитель 5, пиковый детектор 6, сумматор 7, блок 8 памяти, регистратор 9 и блок 10 управления. Новым в устройстве является введение трехпластинчатого измерительного преобразователя 1, второго разрядного сопротивления 4 и дифференциального усилителя 5, за счет чего значительно уменьшено влияние собственного потенциала измерителя на результат измерения. 4 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Формула изобретения
Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, содержащее первичный измерительный преобразователь, управляемый коммутатор, первое разрядное сопротивление, последовательно соединенные усилитель, пиковый детектор, сумматор, запоминающий блок, выход которого соединен с вторым входом сумматора и регистратор, а также блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом управляемого коммутатора, второй выход с входом сброс пикового детектора, а третий выход с управляющим входом запоминающего блока, причем первый вывод первого разрядного сопротивления соединен с первым выходом управляемого коммутатора и с первым входом усилителя, а второй выход управляемого коммутатора соединен с вторым входом усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введено второе разрядное сопротивление, усилитель выполнен дифференциальным, а первичный измерительный преобразователь выполнен в виде трех параллельных пластин, причем первый вывод второго разрядного сопротивления подключен к второму входу дифференциального усилителя, вторые выводы первого и второго разрядных сопротивлений подключены к общей шине, две крайние пластины первичного измерительного преобразователя соединены с соответствующими входами управляемого коммутатора, а третья пластина с общей шиной.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для непрерывного длительного измерения напряженности электростатического и квазистатического полей. Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерений напряженности электростатического и квазистатического полей за счет уменьшения методической ошибки, вызванной неодинаковостью частичных емкостей между измерительными пластинами, с одной стороны, и детали измерительной системы и источника, с другой. Цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве снижается влияние неодинаковости полевых связей измерительных пластин с деталями измерительной системы и источника электрического поля на результат измерения. Для этого в устройство введены датчик, состоящий из трех параллельных пластин, второе разрядное сопротивление, дифференциальный усилитель. На фиг. 1-3 представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения напряженности электростатического и квазистатического поля; на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства. Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического электрических полей (фиг.1) содержит первичный измерительный преобразователь 1, состоящий из трех параллельных пластин а, b, с (трехпластинчатый датчик электрического поля). Одна пластина с через коммутатор 2 подключена к общему проводу и корпусу прибора, две другие пластины а и b через коммутатор 2 подключаются к одинаковым разрядным сопротивлениям 3 и 4, которые соответственно подключены параллельно прямому и инверсному входам дифференциального усилителя 5. Выход дифференциального усилителя 5 через пиковый детектор 6 подключен к первому входу сумматора 7. Выход сумматора 7 соединен со входом запоминающего блока 8, выход которого соединен с регистратором 9 и вторым входом сумматора 7. Блок управления 10 состоит из последовательно соединенных генератора 11, счетчика 12, дешифратора 13 с тремя выходами, причем первый выход соединен с управляющим входом коммутатора 2, второй выход со входом сброса пикового детектора 6, третий выход с управляющим входом запоминающего блока 8. Первичный измерительный преобразователь 1 предназначен для преобразования соответствующих приращений напряженности исследуемого поля в пропорциональную разность потенциалов и выполнен в виде трех параллельных пластин, представляющих собой два последовательно соединенных конденсатора с одной общей пластиной. Управляемый коммутатор 2 служит для периодического подключения ПИП 1 к разрядным сопротивлениям 3 и 4 на время полного разряда каждого конденсатора с целью формирования разрядных импульсов, амплитуда которых несет информацию об изменении напряженности поля с момента предыдущего подключения. Коммутатор может быть выполнен, например, на базе оптоэлектронного коммутатора К249 КН1А (Иванов В.И. и др. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Справочник, 1984, с. 175). Дифференциальный усилитель 5 может быть выполнен, например, на микросхеме К544УД1А. Пиковый детектор 6 предназначен для преобразования амплитуды импульса в пропорциональное постоянное напряжение на время, достаточное для его дальнейшей обработки. Пиковый детектор может быть выполнен, например, на микросхеме К544УД1А (Алексеенко А.Г. Коломбет В.А. Стародуб В.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем, М. Радио и связь, 1985, с. 170). По управляющему каналу на него приходит сигнал на сброс информации. Сумматор 7 может быть реализован на микросхемах К155ИМ3, представляющих собой четырехразрядные сумматоры (Б. В. Тарабрин. Справочник по интегральным микросхемам. М. Энергия, 1980, с. 146). Запоминающее устройство 8 может быть реализовано на микросхеме К589ИР 12, представляющей собой многофункциональный буферный регистр (Б. В. Тарабрин. Интегральные микросхемы. Справочник. М. Радио и связь, 1984, с. 373). Для согласования вида информационного сигнала в устройстве может использоваться аналого-цифровой преобразователь, реализованный на микросхеме К1108ПВ1, представляющий собой АЦП последовательного приближения. Блок управления 10 служит для обеспечения синхронной работы элементов устройства и для осуществления ими своих функций. Он может быть выполнен, например, на тактовом генераторе 11, счетчике 12, дешифраторе 13. Они реализованы на микросхемах серии 155, соответственно К155ЛА3, К155ИЕ2, К155ИД1. Устройство работает следующим образом. Рассмотрим физические явления, лежащие в основе предлагаемого устройства. Если в электрическое поле внести проводящее тело (зонд), оно приобретает потенциал соответствующей точки поля (фиг.2). В устройстве-прототипе каждая пластина первичного измерительного преобразователя должна приобрести потенциал той точки поля, в которой она находится. Так как расстояние между пластинами фиксированное d, то измеряя разность потенциалов на них, можно вычислить напряженность исследуемого поля в контролируемой зоне.![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-2t.gif)
где
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
Ecp среднее значение напряженности электрического поля между пластинами. Фактически же, каждая пластина датчика не может считаться полностью изолированной от измерительного прибора в целом и, следовательно, от земли. Имеют место как резистивные, так и емкостные связи. Из-за наличия этих связей потенциал каждой пластины датчика будет отличаться от потенциала поля в той точке, где находится пластина. (Поясним это на примере фиг.3. Пусть мы имеет систему из двух тел 1 и 2, соединенных проводником. Во всех случаях эта система будет эквипотенциальной. Если ее поместить в электрическое поле, причем так, что тела 1 и 2 будут находиться в местах с разными потенциалами v1 и
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071048/697.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-3t.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-4t.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071048/697.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071048/697.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-5t.gif)
В случае, когда не обеспечивается одинаковость частичных емкостей между пластинами датчика, с одной стороны, и измерительной системой и землей, с другой стороны, то есть не обеспечивается одинаковость коэффициентов К1 и К2, при измерении напряженности электрического поля возникает погрешность
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-6t.gif)
Этот эффект имеет место в устройстве-прототипе. В случае, когда частичная емкость между одной пластиной и землей стремится к бесконечности, К1 0, а частичная емкость между второй пластиной и землей пренебрежимо мала и К2
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/8776.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-7t.gif)
то есть выходной сигнал будет пропорционален потенциалу
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-8t.gif)
Полученный сигнал будет пропорционален напряженности исследуемого поля, и коэффициент К может быть учтен при калибровке прибора. Теперь рассмотрим работу предлагаемого устройства. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии ПИП 1 отключен от измерительного устройства коммутатором 2. В отсутствии поля разность потенциалов на его пластинах равна нулю, что соответствует моменту времени to на фиг.4. Если теперь внести ПИП в квазистатическое поле с напряженностью Е1, в момент времени t1, то разность потенциалов на пластинах датчика должна быть пропорциональна изменению напряженности поля, от нуля до Е1,
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
u1ac=
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
где
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
d расстояние между пластинами первичного измерительного преобразователя;
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-9t.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-10t.gif)
Пластина с через коммутатор 2 соединена с общим проводом измерительной системы, и следовательно, частичная емкость, характеризующая величину связи этой пластины с заземленными деталями, будет определяться, как у всей измерительной системы в целом, и будет велика. Две другие пластины а и b через коммутатор 2 подключены к дифференциальным входам усилителя 5 и практически в равной степени изолированы от общего провода измерительной системы. Частичные емкости, характеризующие величину полевых связей этих пластин с заземленными деталями, будут приблизительно равны между собой (Кa
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/8776.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-11t.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-12t.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-13t.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-14t.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-15t.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071006/981.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071048/247.gif)
где l расстояние вдоль линии напряженности электрического поля от нулевой эквипотенциали;
d расстояние между пластинами первичного измерительного преобразователя. Пластины а и с первичного измерительного преобразователя в таком поле будут иметь потенциалы
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-16t.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-17t.gif)
и разность этих потенциалов
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-18t.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-19t.gif)
Таким образом, в предлагаемом устройстве информационный сигнал будет пропорционален изменению напряженности поля от нуля до Е1. Здесь методическая погрешность измерения из-за влияния связей между пластинами датчика и деталями измерительной системы и источника электрического поля сведена к постоянной величине за счет использования трехпластинчатого датчика и дифференциального усилителя, и может быть учтена при калибровке прибора. С дифференциального усилителя 5 импульс напряжения поступает на вход пикового детектора 6. На пиковом детекторе 6 амплитуда импульса преобразуется в пропорциональное постоянное напряжение (фиг.4, е)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-20t.gif)
Также как и в предыдущем случае, на сопротивлениях 3 и 4 формируются разрядные импульсы напряжения (фиг.4, в, г), а на выходе дифференциального усилителя 5 импульс напряжения
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-21t.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071071/2071071-22t.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
En=
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
При этом величина и знак приращений
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
![устройство для измерения напряженности статического и квазистатического полей, патент № 2071071](/images/patents/401/2071036/916.gif)
fт > 2Fв,
где Fв верхняя граница частотного спектра напряженности исследуемого поля. Предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения электрических полей по сравнению с прототипом. Использование первичного измерительного преобразователя, состоящего из трех измерительных пластин, позволяет снимать с него два сигнала, несущих информацию об изменении напряженности исследуемого электрического поля. Из-за влияния полевых связей различной величины между измерительными пластинами и деталями измерительной системы и источника электрического поля в эти сигналы будет вноситься погрешность. В устройстве-прототипе измеряемый сигнал является аналогом одного из двух сигналов, снимаемых с датчика предлагаемого устройства. По его величине получают информацию о напряженности исследуемого поля, которая, естественно, содержит в себе эту погрешность. В предлагаемом устройстве снимаемые с датчика два сигнала поступают на входы дифференциального усилителя. Использование дифференциального усилителя позволяет получить результирующий сигнал, который несет информацию о напряженности исследуемого поля со значительно большей точностью, чем в прототипе, так как в процессе вычитания сигналов с первичного измерительного преобразователя погрешность значительно снижается. Для того, чтобы точно измерять напряженность электрического поля с помощью датчика, выполненного в виде плоского конденсатора, необходимо, чтобы пластины датчика принимали потенциал тех точек исследуемого поля, где они находятся. Как уже указывалось, в реальных условиях эти невыполнимо из-за влияния полевых связей между пластинами датчика и деталями измерительной системы и источника электрического поля. Поэтому, чтобы потенциалы пластин датчика соответствовали потенциалам тех точек поля, в которых они находятся, применяется метод выравнивания потенциалов (Юркевич В.М. Кондратьев Б.Л. О методике измерения напряженности и других характеристик электрического поля. Измерительная техника, 1979, N 5, с. 57-59). При использовании этого метода измерительной системе и пластинам датчика искусственно придается необходимый потенциал с помощью специального источника напряжения. Применение предлагаемого устройства позволяет достигать аналогичного результата без специального источника напряжения.
Класс G01R29/12 для измерения электростатических полей