устройство для измерения напряженности электрических полей

Формула изобретения

1. Устройство для измерения напряженности электрических полей, содержащее первичный измерительный преобразователь, включающий две параллельные металлические пластины, подключенные через первый управляемый ключ к параллельно соединенным разрядному сопротивлению и входу усилителя, выход которого через последовательно соединенные пиковый детектор, сумматор и запоминающий блок, выход которого соединен с вторым входом сумматора, подключен к регистратору, а также блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом первого управляемого ключа, второй выход с управляющим входом запоминающего блока, а третий выход с входом "сброс" пикового детектора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения области применения, в него введены второй управляемый ключ, второе разрядное сопротивление, последовательно соединенные интегратор и пороговый элемент, элемент И, а в первичный измерительный преобразователь - третья параллельная пластина, которая через второй управляемый ключ подключена к второму разрядному сопротивлению, которое подключено параллельно входу интегратора, первый выход блока управления соединен с входом "сброс" интегратора, второй и третий выходы блока управления, соответственно с первым и вторым входами элемента И, выход которого соединен с первым входом блока управления, четвертый выход блока управления соединен с управляющим входом второго управляемого ключа, а выход порогового элемента соединен с вторым входом блока управления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения области применения, блок управления выполнен в виде последовательно соединенных тактового генератора, счетчика и дешифратора, причем входы установки счетчика являются двумя входами блока управления, а три первых выхода дешифратора и выход тактового генератора его соответствующими выходами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для осуществления контроля напряженности электрических полей.

Целью изобретения является повышение точности измерения напряженности квазистатических электрических полей и расширение области применения измерителя.

Цель достигается тем, что время дискретизации в предлагаемом устройстве автоматически изменяется в зависимости от скорости изменения напряженности исследуемого поля, за счет этого достигается значительное расширение динамического диапазона измеряемых приращений напряженности. Это в свою очередь делает возможным измерения переменных электрических полей, выходящих за пределы квазистатических.

С этой целью в устройство дополнительно введены: трехпластинчатый первичный измерительный преобразователь, ключ, разрядное сопротивление, интегратор со сбросом в ноль, пороговый элемент, логический элемент И.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для измерения напряженности электрических полей; на фиг.2 диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.3 пример обработки фрагмента поля; на фиг.4 диаграммы, поясняющие работу блока управления.

Устройство для измерения напряженности электрического поля (фиг.1) содержит первичный измерительный преобразователь 1, состоящий из трех пластин, одна из которых соединена с общим проводом устройства, подключенный через два оптоэлектронных коммутатора 2, 3 к разрядным сопротивлениям 4, 5. Разрядное сопротивление 4 подключено ко входу усилителя 6, выход которого через пиковый детектор 7 подан на вход АЦП 8. Выход цифрового сумматора 9 соединен со входом элемента памяти 10, первый вход сумматора 9 подключен к выходу АЦП, а второй вход к выходу элемента памяти, соединенному с регистрирующим блоком 15. Разрядное сопротивление 5 подключено ко входу интегратора 11, выход которого подключен ко входу порогового элемента 12. Выход порогового элемента 12 подключен к входу установки в ноль счетчика блока управления. Блок управления 13 состоит из последовательно соединенных генератора 14, счетчика 16, дешифратора 17. Причем первый выход дешифратора подключен к управляющему входу оптоэлектронного ключа 2 и входу "Сброс в ноль" интегратора 11, второй выход - к управляющим входам АЦП, элемента памяти и к первому входу логического элемента И 18. Третий выход к управляющему входу "Сброс в ноль" пикового детектора 7 и второму входу логического элемента И 18, выход которого соединен со вторым входом "Установка в ноль" счетчика 16. Выход генератора 14 соединен с управляющим входом оптоэлектронного ключа 3.

Первичный преобразователь 1 предназначен для преобразования соответствующих приращений напряженности электрического поля в пропорциональную разность потенциалов и может быть выполнен, например, в виде трех параллельных металлических дисков, представляющих собой два плоских конденсатора с общей пластиной. Управляемые оптоэлектронные коммутаторы 2, 3 служат для подключения первичного измерительного преобразователя 1 к разрядным сопротивлениям 4 и 5 на время полного разряда с целью формирования разрядных импульсов, амплитуды которых несут информацию об изменении напряженности поля с момента предшествующего подключения. Коммутатор может быть выполнен, например, на базе сдвоенного оптоэлектронного коммутатора К249КН1А (В.И. Иванов и др. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Справочник, 1984, с. 175). Усилитель 6 может быть выполнен на микросхеме К544УД1А. Пиковый детектор предназначен для преобразования амплитуды импульса в пропорциональное постоянное напряжение и запоминания его на время, необходимое для считывания аналого-цифровым преобразователем 8. Он является фактически устройством выборки-хранения (УВХ) и может быть выполнен, например, на микросхеме К544У1А (Алексеенко А. Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем, 1985, с. 170). По управляющему входу на него приходит сигнал на сброс информации. Аналого-цифровой преобразователь 8, сумматор (цифровой) 9 и элемент памяти 10 предназначены для преобразования постоянного напряжения в цифровой код и помещения его в память с прибавлением к нему последующих значений, поступающих на вход АЦП 8 напряжений. Результирующая сумма после каждого прибавления, поступающая в память, замещает там предыдущее значение суммы, которое стирается.

Аналого-цифровой преобразователь 8 может быть реализован на микросхеме К1108ПВ1, представляющей законченный АЦП последовательного приближения с выходным регистром для хранения информации (Якубовский С.В. и др. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. М. Радио и связь, 1990, с. 437).

Сумматор 9 может быть реализован на микросхемах К155ИМЗ, представляющих собой четырехразрядные сумматоры (Тарабрин Б.В. Справочник по интегральным микросхемам, М. Энергия, 1980, с. 146).

Запоминающее устройство 10 может быть реализовано на микросхеме К589ИР12, представляющей собой многофункциональный буферный регистр (Тарабрин Б.В. Интегральные микросхемы. Справочник. М. Радио и связь, 1984, с. 372).

Интегратор 11 служит для преобразования разрядных импульсов, формируемых на сопротивлении 5, в постоянное напряжение и суммирования его. Он имеет вход для сброса напряжения в ноль. Интегратор может быть реализован на микросхеме К544УД1А (со сбросом) (Алексеенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем, 1985, с. 104), пороговый элемент реализован, например, на компараторах К544САЗ и служит для сравнения напряжения на выходе интегратора с напряжением установки и выдачи в момент их равенства команды на установку счетчика блока управления 13. Блок управления 13 служит для обеспечения синхронной работы элементов устройства. Он может быть выполнен на тактовом генераторе 14 (микросхема К155ЛАЗ), счетчике 16 (микросхема К155ИЕ2), дешифраторе 17 (микросхема К155ИД1). Логический элемент И 18 осуществляет запрет установки счетчика 16 во время обработки информации АЦП и во время установки в ноль пикового детектора с целью предупреждения потери части информации.

Устройство работает следующим образом.

Блок управления 13 формирует импульсы управления коммутаторами 2 и 3, причем частота следования импульсов на коммутатор 2 f₁, на коммутатор 3 f₂ и f₂= nf₁, где n=10 (или другое целое число). При наличии электрического поля с секции ac первичного измерительного преобразователя снимается напряжение, пропорциональное изменениям напряженности за интервал времени 10 t, а с секции ПИП bc (фиг.1) - напряжение, пропорциональное изменениям напряженности исследуемого поля за интервал времени t. Секция ПИП ac, коммутатор 2, разрядное сопротивление 4, усилитель 6, пиковый детектор 7, аналого-цифровой преобразователь 8, сумматор 9, элемент памяти 10 и регистрирующий блок 15 образуют собственно измеритель напряженности электрического поля. Разрядные импульсы, сформированные на сопротивлении 4, несущие информацию об изменении поля за время 10 t, усиливаются усилителем 6, преобразуются в постоянное напряжение, затем в цифровой код, поступают в сумматор 10, где суммируются с предыдущими, и сумма фиксируется регистрирующим блоком 15. Очередность работы элементов устройства обеспечивается блоком управления, который через интервал времени t после срабатывания коммутатора 2 сигналом со второго выхода элемента 17 производит преобразование напряжения, пропорционального амплитуде разрядного импульса в цифровой код, суммирование его с предыдущей суммой и запоминание результата. По окончании обработки сигнала блок управления также через время t сигналом с третьего выхода элемента 17 производит сброс в ноль напряжения на пиковом детекторе, подготавливая его тем самым к приему нового импульса. В это же время с секции ПИП bc при срабатывании коммутатора 3 на сопротивлении 5 формируются импульсы с частотой следования f₂, несущие информацию об изменении поля за время t (фиг.2, в). Поскольку напряжение на секции ac, возникшее за время 10 t, равно сумме напряжений с секции ПИП bc за интервалы t:



то по сумме последних осуществляется контроль за уровнем напряжения на основной секции, входящей в собственно измеритель. Напряжение на выходе интегратора 11, пропорциональное напряжению секции ac, постоянно сравнивается с уставкой (порогом) элемента 12. При достижении порога срабатывания порогового элемента, что имеет место при достижении напряжением на секции ac максимально допустимого значения, при обработке которого гарантируется работа элементов усилительного тракта в линейной зоне характеристик (фиг.2, г), происходит установка счетчика 16 блока управления в такое состояние, при котором прерывается цикл работы распределителя управляющих импульсов 17 (фиг.4, в) и на его первом выходе вне очередности появляется сигнал, вызывающий срабатывание коммутатора 2 (фиг.2, д). При этом происходит сброс в ноль интегратора 11, после чего он вновь начинает "контролировать" напряжение на измерительной секции ac (фиг.2, г). Поскольку соотношение частот f₁ и f₂ выбрано равным десяти, то срабатывание коммутатора 2 при "штатной" работе происходит при каждом десятом срабатывании коммутатора 3, т. е. через 10 t (фиг. 2, д). Однако элемент 12, воздействуя на вход установки счетчика 16 и соответственно на дешифратор 17, может вызывать срабатывание коммутатора 2 раньше, например, через 3 3t, 4t, 5t, ... 9t. Момент внеочередного срабатывания коммутатора 3 зависит от того, в какой момент времени напряжение на выходе интегратора 11 достигнет значения порога срабатывания элемента 12, а значит, когда и напряжение на измерительной секции ac достигнет максимального значения, при котором обеспечивается линейность характеристик основного канала измерения. Так как напряжение с первичного измерительного преобразователя пропорционально скорости изменения напряженности измеряемого поля, то и интервалы времени между срабатываниями коммутатора 2 пропорциональны интенсивности изменения поля, причем, чем выше значение dE/dt, тем меньше интервалы между срабатыванием коммутатора 2 (фиг.3).

Как видно из фиг.1 и 2, функцией конденсатора bc, коммутатора 3, сопротивления 5, интегратора 11 и порогового элемента 12 является изменение интервалов времени между срабатываниями коммутатора 2 измерительного канала в зависимости от скорости изменения электрического поля путем воздействия через счетчик 16 на работу распределителя импульсов 17. Механизм этого воздействия следующий. Генератор 14 генерирует импульсы с частотой следования f₂, которые поступают на вход счетчика 16, имеющего коэффициент пересчета, равный 10. Цифровой код с выхода счетчика поступает на вход дешифратора 17, имеющего десять выходов, в результате чего импульсы с частотой f₂/10 по очереди с интервалом времени t появляются на выходах дешифратора 17 (фиг.4, а). Если исследуемое электрическое поле медленно меняется во времени, то напряжение на конденсаторе ac измерительного тракта не превышает максимально допустимого и частота срабатывания коммутатора 2 удовлетворяет условию (1), то на десяти выходах дешифратора 17 будут импульсы согласно фиг.4, а. Если же в моменты времени, например, t₁, t₂, t₃ (фиг.4, б) поле изменилось таким образом, что напряжение на конденсаторе ac ПИП достигло максимально допустимого и по цепи конденсатор cb ПИПа, коммутатор 3, сопротивление 5, интегратор 11, пороговый элемент 12 поступил сигнал на вход "Установка" счетчика 16, то диаграммы напряжений на первом, втором и третьем выходах дешифратора будут, как показано на фиг.4, в.

Наличие дополнительного регулирующего канала делает измеритель напряженности электрического поля адаптируемым к исследуемому полю. В результате этого поле, фрагмент которого приведен на фиг.3, а, будет измерено устройством-прототипом, как показано на фиг.3, б, а заявляемым устройством - как показано на фиг.3, в. Как следует из схемы устройства и видно из фиг.3, при измерениях данным устройством автоматически соблюдается условие (1) и гарантируется работа усилительного тракта в линейной части характеристик в широком диапазоне скорости изменения исследуемого поля dE/dt. Поскольку в течение времени 2 t после каждого срабатывания коммутатора 2 идет обработка полученной информации, то во избежание сбоев в работе устройства и возможной потери части информации на это время логический элемент И, включенный к первому и второму выходам дешифратора 17, запрещает сброс счетчика 16, выставляя соответствующий потенциал на втором входе "Установка". Следовательно, интервал между срабатываниями коммутатора 2 может принимать значения 3-10 t. Диапазон изменения интервала дискретизации может быть и иным, это определяется первоначально выбранным отношением частот f₁/f₂ n и видом измеряемых полей. Причем для квазистатических полей n может быть меньше, для интенсивно меняющихся и переменных полей - больше.

Предлагаемое устройство является адаптируемо измерительной системой по частоте дискретизации информационного сигнала. В нем реализованы два канала: основной и вспомогательный. Частота дискретизации информационного сигнала в основном канале является регулируемой величиной, зависящей от скорости изменения исследуемого электрического поля. Она может меняться в пределах от f₁ до f₂ сигналом, формируемым во вспомогательном канале. За счет адаптации частоты дискретизации информационного сигнала к характеру изменения исследуемого электрического поля удалось расширить область применения предлагаемого устройства и повысить точность измерений.

Частота дискретизации информационного сигнала в устройстве-прототипе является фиксированной величиной, например f₁, и таким устройством можно производить измерения электрических полей, верхняя граница частотного спектра напряженности которых меньше F_b1, равной f₁/2.

В предлагаемом устройстве, как указывалось выше, частота дискретизации информационного сигнала может принимать значение в пределах от f₁ до f₂, где f₂=nf₁. Следовательно, таким устройством можно проводить измерения электрических полей, верхняя граница частотного спектра напряженности которых меньше F_b2, равной f₂/2, причем . Тем самым диапазон исследуемых электрических полей по частоте или скорости изменения напряженности при использовании предлагаемого устройства может быть расширен в n раз по сравнению с диапазоном электрических полей, исследуемых с помощью устройства-прототипа.