ДАТЧИК ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ Российский патент 1994 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения электростатических полей разрядов, возникающих на поверхности полимерных материалов в процессе их производства.

Известен датчик электростатического поля [1], содержащий корпус, колебательный приводной механизм с валом и гибким проводником, соосно расположенные измерительный электрод, а также снабженные секторными отверстиями экранный электрод и укрепленный на валу приводного механизма модулирующий электрод.

Недостатком этого датчика является низкая точность измерения, обусловленная отсутствием компенсации приращения сигнала в зависимости от изменения влажности и газового состава окружающей среды.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является датчик электростатического поля [2], содержащий корпус, колебательный приводной механизм, вдоль вала которого соосно размещены имеющие секторные отверстия неподвижные экранный электрод и калибровочный электрод, а также укрепленные на валу измерительный электрод и компенсирующий электрод.

Недостатком этого датчика является сложность конструкции, в состав которой входит система из четырех электродов, и низкая точность измерения в условиях действия на датчик магнитных полей, вызывающих изменение частоты и амплитуды собственных колебаний измерительного электрода.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что датчик электростатического поля, содержащий экранирующую крышку, корпус, в котором соосно расположены имеющие секторные отверстия неподвижный экранный электрод и колеблющийся измерительный электрод, закрепленный на валу приводного механизма, соединенном с входом усилителя гибким проводником, снабженным намагниченным по диаметру цилиндрическим магнитом и установленным в диэлектрических опорах в корпусе в зазоре между двумя постоянными магнитами, обращенными друг к другу полюсами противоположной полярности, и двумя обмотками возбуждения, расположенными ортогонально магнитам и подключенными к генератору импульсов возбуждения, дополнительно снабжен электретным калибратором, выполненным в виде слоя из электретного материала, нанесенного и поляризованного на металлической поверхности экранирующей крышки, причем контакт между поляризованной поверхностью электретного материала и экранным электродом датчика отсутствует, а корпус датчика выполнен из ферромагнитного материала, на поверхности которого закреплены постоянные магниты и обмотки возбуждения, магнитные потоки которых не насыщают материал корпуса датчика.

Использование электретного калибратора позволяет осуществить калибровку прибора в производственных условиях без усложнения конструкции датчика и дополнительных затрат электроэнергии.

Использование корпуса из ферромагнитного материала с закрепленными на нем постоянными магнитами и обмотками возбуждения, магнитные потоки которых не насыщают материал корпуса датчика, позволяет замкнуть магнитные потоки и экранировать колебательную систему от воздействия внешних магнитных полей, что дает возможность поддерживать стабильную амплитуду колебаний измерительного электрода и, следовательно, неизменную чувствительность датчика.

Кроме того, использование корпуса из ферромагнитного материала позволяет снизить потоки рассеяния, улучшить эффективность использования материала магнитов и электрической энергии питающей обмотки возбуждения, что дает возможность миниатюризировать датчик и снизить энергопотребление.

На фиг. 1 представлен датчик электростатического поля, общий вид. Датчик заключен в цилиндрический корпус 1 из ферромагнитного материала и содержит экранный электрод 2, измерительный электрод 3, закрепленный на валу 4 приводного механизма, соединенном с входом усилителя 5 гибким проводником 6 и установленным в диэлектрических опорах 12 в корпусе 1. Приводной механизм содержит укрепленный на валу 4 цилиндрический магнит 7 из магнитожесткого материала, установленный в зазоре между полюсами неподвижных постоянных магнитов 9 и обмоток 10 возбуждения, подключенных к генератору 11 импульсов возбуждения. Постоянные магниты 9 и обмотки 10 возбуждения закреплены на корпусе 1 датчика ортогонально друг другу.

На фиг. 2 представлена экранирующая крышка, имеющая два окна для помещения в них торца датчика электростатического поля. Окно 1 используется в случае, когда необходимо заэкранировать датчик от внешнего электростатического поля Е для установки нулевого значения напряженности электростатического поля, а окно 2 используется при проведении оперативной калибровки, когда на датчик действует поле, создаваемое электретным материалом 3, нанесенным на металлическую поверхность крышки 4.

Датчик электростатического поля работает следующим образом.

При включении датчика приводной механизм заставляет колебаться измерительный электрод 3 (фиг. 1) с заданной амплитудой на частоте собственных колебаний, периодически перекрывая отверстия в экранном электроде 2. При этом на вход усилителя 5 поступает переменное напряжение, пропорциональное величине напряженности Е измеряемого электростатического поля.

Перед проведением измерений датчик калибруется при нормальных атмосферных условиях. Сначала торец датчика помещается в окно 1 (фиг. 2) экранирующей крышки, и устанавливается нулевое показание датчика. При этом напряженность поля, действующего на датчик, равна нулю. Затем торец датчика помещается в окно 2 экранирующей крышки и устанавливается показание датчика, соответствующее напряженности электростатического поля Е_о, создаваемого электретным материалом 3.

При проведении измерений в условиях, отличающихся от нормальных, необходимо повторить операцию калибровки и компенсировать возможное изменение ΔЕ_о напряженности электростатического поля калибратора, установив величину выходного электрического сигнала, соответствующую значению Е_о. Таким образом осуществляется коррекция электрического сигнала с выхода датчика электростатического поля на значение, соответствующее изменению внешнего электростатического поля ΔЕ, вызванному изменением влажности и газового состава среды, что позволяет повысить точность измерения.

Приводной механизм датчика работает следующим образом.

Под действием электромагнитного импульса, создаваемого обмотками 10 возбуждения (фиг. 1), подключенными к генератору 11 импульсного возбуждения цилиндрический магнит 7 и измерительный электрод 3, закрепленные на валу 4, отклоняются от положения равновесия. Сила магнитного взаимодействия между цилиндрическим магнитом 7 и постоянными неподвижными магнитами 9 создает противодействующий момент, который вращает цилиндрический магнит 7 и измерительный электрод 3 в исходное положение.

Следующий импульс электромагнитного поля снова отклоняет измерительный электрод 3, а противодействующий момент, обусловленный силами магнитного взаимодействия, возвращает его в исходное положение. Колебания измерительного электрода 3 происходят на резонансной частоте приводного механизма. Амплитуда колебаний регулируется с помощью изменения амплитуды импульсов возбуждения генератора 11.

Известно, что точность измерения датчика электростатического поля находится в прямой зависимости от стабильности амплитуды и частоты колебаний измерительного электрода 3, которые происходят благодаря взаимодействию цилиндрического магнита 7, закрепленного на валу, с постоянными неподвижными магнитами 9 и обмотками 10 возбуждения.

Таким образом наличие корпуса 1 из ферромагнитного материала с закрепленными на нем постоянными магнитами 9 и обмотками 10 возбуждения, магнитные потоки которых не насыщают материал корпуса 1, позволяет защитить колебательную систему от внешних магнитных полей и сохранить стабильными амплитуду и частоту собственных колебаний измерительного электрода, а значит, повысить точность измерения.

Использование: датчик электростатического поля относится к информационно-измерительной технике и может быть использован в электронной, космической, авиационной, текстильной, химической и других отраслях промышленности, а также в медицине. Сущность изобретения: с целью повышения точности измерений датчик дополнительно снабжен калибратором, выполненным из электретного материала, а корпус датчика выполнен из ферромагнитного материала, причем все энергетические элементы приводного механизма датчика установлены непосредственно на корпусе. Это позволяет проводить компенсацию изменения проводимости элементов конструкции датчика вследствие вариации условий окружающей среды, а также исключить влияние внешних постоянных магнитных полей, одновременно используя более эффективно энергетические возможности элементов магнитной системы, предусмотренные конструкцией датчика. 2 ил.

ДАТЧИК ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ, содержащий экранирующую крышку, заземленный корпус, в котором соосно расположены имеющие секторные отверстия неподвижный экранный электрод и колеблющийся измерительный электрод, закрепленный на валу приводного механизма, соединенном с входом усилителя гибким проводником, снабженном намагниченным по диаметру цилиндрическим магнитом и установленном в диэлектрических опорах в корпусе в зазоре между двумя постояннными магнитами, обращенными друг к другу полюсами противоположной полярности, и двумя обмотками возбуждения, расположенными ортогонально магнитам и подключенными к генератору импульсов возбуждения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, датчик дополнительно снабжен калибратором, выполненным в виде слоя из электретного материала, нанесенного и поляризованного на металлической поверхности экранирующей крышки, причем контакт между поляризованной поверхностью электретного материала и экранным электродом датчика отсутствует, а корпус датчика выполнен из ферромагнитного материала, на поверхности которого закреплены постоянные магниты и обмотки возбуждения, магнитные потоки которых не насыщают материала корпуса датчика.