УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ СТАТИЧЕСКОГО И КВАЗИСТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ Российский патент 2003 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля при проведении метеорологических, геофизических и биоэнергетических исследований.

Известны устройства, в которых датчиком напряженности электрического поля является конденсатор, а информацией о его величине служит изменение под воздействием измеряемого поля напряжения между обкладками конденсатора (RU, 2071070, G 01 R 29/12, 1996 г.).

Известны устройства, в которых используется принцип электростатической индукции, а напряженность электрического поля измеряется путем обработки сигнала, наведенного на измерительный электрод, выполненный в виде металлической пластины (SU, 1288631, G 01 R 29/12, 1987 г.; SU, 1493968, G 01 R 29/12, 1989 г.; международная заявка, опубликованная под WO 96/37786, 1996 г.).

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является устройство для измерения напряженности электростатического поля по SU, 1442941, G 01 R 29/12, 1988 г., содержащее помещенные в заземленный электростатический экран измерительный и экранирующий электроды, связанные с валом электродвигателя, усилитель сигнала, преобразователь сигнала и устройство отображения информации. В упомянутом устройстве измеряемое электростатическое поле преобразуется в эквивалентное ему поле, образуемое зарядами подвижного электрода, которое, в свою очередь, воздействует на измерительный электрод, связанный с входом усилителя, в результате чего формируется электрический сигнал для дальнейшего преобразования и отображения.

В описанном устройстве вектор измеряемого поля направлен перпендикулярно плоскости измерительного электрода, поэтому заряд, наведенный электрическим полем на измерительный электрод, накапливается в процессе измерений, внося погрешность, устранение которой, а также повышение чувствительности достигается введением дополнительных электродов и заземленных экранов. Это усложняет конструкцию устройства и ограничивает его эксплуатационные возможности.

Настоящее изобретение решает задачу создания чувствительного, с малой погрешностью измерения и в то же время компактного и удобного в эксплуатации устройства для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля путем непрерывного снятия наведенного полем заряда, а также обеспечения возможности компенсации заряда, наведенного на измерительный электрод элементами конструкции самого прибора.

Задача решается тем, что в устройстве для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля, содержащем корпус, измерительный электрод, закрепленный на валу электродвигателя перпендикулярно оси вала, экран, усилитель, вход которого связан с измерительным электродом, преобразователь сигнала и устройство отображения информации, измерительный электрод выполнен в виде пластины в форме части круга, причем ось вала электродвигателя проходит через центр круга и электрически изолирована от измерительного электрода, а экран выполнен в виде металлического кругового кольца, электрически изолирован от измерительного электрода и связан с корпусом с возможностью изменения угла наклона его плоскости относительно плоскости вращения измерительного электрода. Упомянутая часть круга выполнена ограниченной двумя радиусами, каждый из которых сопряжен с расположенной между ними частью окружности посредством кривых с изгибом наружу части круга, образуя таким образом фигуру, близкую по форме к сектору с развитой периферийной частью, являющейся оптимальной с точки зрения чувствительности устройства. Экран выполнен таким образом, что внутренний диаметр кругового кольца больше диаметра проходящего сквозь него вала электродвигателя. Для обеспечения точности измерений предпочтительнее экран как можно большей площади, однако исходя из требований компактности устройства целесообразно выполнить внешний радиус кольца равным радиусу измерительного электрода. В этом случае изменением угла наклона его плоскости можно компенсировать влияние на результаты измерений заряда, наведенного собственно устройством на измерительный электрод. Изменение наклона можно осуществить посредством по меньшей мере трех винтов, размещенных в экране с упором на корпус и подпружиненных шайбами. Усилитель связан с измерительным электродом при помощи скользящего контакта, выполненного, например, в виде самоприжимающейся щетки. Щетка, как правило, изготавливается из стали, а ответная ей деталь - из подшипниковой бронзы, при этом разность потенциалов, возникающая в месте их контакта, незначительна и легко отфильтровывается в процессе обработки сигнала. К тому же при этом коэффициент трения между деталями невелик и не происходит изменения площади контакта с течением времени, что гарантирует неизменность его электрических характеристик. В плоскости вращения измерительного электрода радиально симметрично последнему установлен и соединен с ним противовес, выполненный таким образом, что его площадь в плоскости вращения по меньшей мере в несколько десятков раз меньше площади измерительного электрода. Этим гарантируется незначительность зарядов, наводимых на нем измеряемым полем, в то время как сам противовес способствует уменьшению погрешности измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что во вращающемся измерительном электроде (далее для его обозначения используется соответствующий принципу его действия термин "монополь") под воздействием электростатического или квазистатического электрического поля возникает заряд, пропорциональный модулю составляющей вектора напряженности поля, лежащего в плоскости вращения монополя. Заряд, наводимый на монополь, меняет знак с частотой вращения вала электродвигателя и на выходе усилителя, с входом которого через скользящий контакт связан монополь, возникает переменное напряжение V:
V = A|E|cos(2πυo+ϕ),
где |E| - модуль вектора напряженности поля;
А - коэффициент пропорциональности;
υo - частота вращения монополя;
ϕ - начальное положение монополя,
которое затем усиливается в усилителе низкой частоты, отфильтровывается, затем выпрямляется и преобразуется для дальнейшего отображения. В отличие от известного устройства, в котором заряд, наводимый на измерительный электрод, не меняет знак, а ток имеет пульсирующий характер, в заявленном устройстве происходит обнуление наведенного на монополь заряда к следующему циклу (то есть с частотой вращения вала электродвигателя), что обеспечивает малую погрешность измерений. Влияние на результаты измерений зарядов собственно устройства компенсируется изменением положения экрана, связанного с корпусом, но изолированного от монополя. Электрическая схема устройства построена таким образом, что оно может работать без заземления и делает его мобильным, однако не исключается возможность работы устройства и в режиме заземления при использовании соответствующих источников питания.

Изобретение поясняется описанием и приложенными к нему чертежами.

На фиг.1 схематически изображены измерительный электрод и экран с фрагментом корпуса устройства; на фиг.2 - структурная электрическая схема устройства.

Устройство содержит корпус 1 и монополь 2, выполненный в виде пластины из проводящего материала, в частности металла, в форме части круга, близкой к сектору с развитой периферийной частью, ограниченной двумя радиусами, каждый из которых плавно сопряжен с дугой, заключенной между радиусами, посредством кривых, изогнутых наружу. Монополь жестко установлен посредством втулки 3 на валу двигателя 4 таким образом, что вал проходит через центр круга и электрически изолирован от монополя. Для исключения влияния на последний паразитных потенциалов, наводимых от корпуса и прочих частей устройства, между ними расположен экран 5, выполненный в виде металлического кругового кольца, электрически изолированного от монополя. Внутренний диаметр кольца выполнен большим диаметра проходящего сквозь него вала, а наружный радиус - равным радиусу монополя. Экран связан с корпусом с возможностью изменения угла наклона его плоскости относительно плоскости вращения монополя. Для этого по окружности кольца с опорой на корпус размещены по меньшей мере три винта 6, подпружиненные шайбами 7. Радиально симметрично монополю в плоскости его вращения установлен противовес 8, площадь которого в упомянутой плоскости по меньшей мере в несколько десятков раз меньше площади монополя, что обеспечивает незначительность наводимого на нем заряда и предотвращает его влияние на результаты измерений. Монополь приводится во вращения микроэлектродвигателем постоянного тока 9 со стабилизатором скорости вращения. Монополь посредством скользящего контакта в виде самоприжимающейся щетки 10, взаимодействующей с втулкой 2, электрически связан с входом усилителя тока 11, входной импеданс которого много меньше емкостного импеданса монополя на частоте его вращения υo. Усилитель тока связан с последовательно соединенными усилителем низкой частоты 12 с переключателем диапазонов усиления (например, 2-х, поскольку диапазон напряжений может составлять несколько порядков), полосовым фильтром 13, выполненным как фильтр 8-го порядка, двухполупериодным выпрямителем 14, аналого-цифровым преобразователем 15 и устройством отображения информации 16, например, в виде жидкокристаллического индикатора. Выбор частоты вращения монополя (35 Гц), полосы пропускания электрической схемы (33. .37 Гц) и площади поверхности монополя (определяемой углом между радиусами α<90^o) диктуется необходимостью измерения с достаточной чувствительностью и минимальной погрешностью медленно меняющихся электрических полей, описываемых уравнением Пуассона. Вся электрическая схема устройства изолирована от Земли, что позволяет сделать его мобильным, пригодным для эксплуатации в любых условиях. Корпус устройства может быть выполнен как цельным, так и состоящим из двух частей, одна из которых содержит монополь, экран, привод и усилитель тока и соединяется с электронной частью, содержащей остальные элементы устройства, посредством кабеля. Выбор конструкции диктуется лишь назначением устройства и элементной базой. Вращающийся монополь защищен от повреждений кожухом с прорезями (не показан). Питание устройства осуществляется напряжением от 3,5 до 6,5 В (батарея или аккумулятор).

Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля функционирует следующим образом.

Устройство помещается в месте измерения поля. При включении устройства на вращающийся монополь наводится заряд, пропорциональный напряженности измеряемого поля, причем знак его меняется на противоположный при изменении положения монополя на 180^o относительно оси вращения. Наведенный таким образом заряд образует ток в цепи усилителя, связанного с монополем. Напряжение, создаваемое на его выходе, усиливается в усилителе низкой частоты, выпрямляется и преобразуется в вид, удобный для отображения информации о величине напряженности. Перед вводом устройства в эксплуатацию производится предварительная калибровка устройства и компенсация искажающего влияния корпуса устройства на измеряемые величины напряженности.

Устройство используется для определения напряженности статического и квазистатического электрического поля при проведении метеорологических, геофизических, биоэнергетических исследований. Наиболее эффективно его использование для исследований зоны обитания, в частности, для определения геопатогенных зон Земли и оценки экологического состояния ее поверхности и атмосферы, поскольку измеряемое поле является неотъемлемой частью экологической картины и оказывает непосредственное влияние на живые организмы и ткани.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля при проведении метеорологических, геофизических, биоэнергетических исследований, а также для оценки экологического состояния поверхности Земли и атмосферы. Техническим результатом является повышение чувствительности устройства и снижение погрешности измерений. Устройство содержит корпус, измерительный электрод (монополь), закрепленный на валу электродвигателя перпендикулярно оси вала, экран, усилитель, вход которого связан с монополем, преобразователь сигнала и устройство отображения информации. Монополь выполнен в виде пластины в форме части круга, ограниченной двумя радиусами, каждый из которых плавно сопряжен с дугой, заключенной между ними, посредством кривых, изогнутых наружу части круга. Ось вала электродвигателя проходит через центр круга и электрически изолирована от монополя. Экран выполнен в виде кругового кольца, электрически изолирован от монополя и связан с корпусом с возможностью изменения угла наклона его плоскости относительно плоскости вращения монополя, а усилитель связан с монополем посредством скользящего контакта. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля, содержащее корпус, измерительный электрод, закрепленный на валу электродвигателя перпендикулярно оси вала, экран, усилитель, вход которого связан с измерительным электродом, преобразователь сигнала и устройство отображения информации, отличающееся тем, что измерительный электрод выполнен в виде пластины в форме части круга, причем ось вала проходит через центр упомянутого круга и электрически изолирована от измерительного электрода, а экран выполнен в виде металлического кругового кольца, электрически изолирован от измерительного электрода и связан с корпусом с возможностью изменения угла наклона его плоскости относительно плоскости вращения измерительного электрода, а усилитель связан с измерительным электродом посредством скользящего контакта. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутая часть круга выполнена ограниченной двумя радиусами, каждый из которых плавно сопряжен с заключенной между ними частью окружности посредством кривой с изгибом наружу части круга. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что изменение угла наклона плоскости экрана относительно плоскости вращения измерительного электрода осуществляется посредством, по меньшей мере, трех винтов, размещенных в экране с упором на корпус и подпружиненных шайбами. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый скользящий контакт выполнен в виде самоприжимающейся щетки. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиально симметрично измерительному электроду в плоскости вращения последнего установлен противовес.