УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ Российский патент 2003 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения параметров электростатического поля.

Для измерения электростатического поля в качестве датчиков используются, в основном, конденсаторы, в которых один из электродов либо вращается, либо механически колеблется. Такое конструктивное решение датчика поля позволяет производить измерения напряженности электрического поля относительно корпуса прибора.

К первому типу датчиков, использующих вращение электрода, относится датчик электрического поля [1]. Датчик заключен в цилиндрический корпус из ферромагнитного материала и содержит экранный электрод, измерительный электрод, закрепленный на валу приводного механизма, соединенном с входом усилителя гибким проводником и установленном на диэлектрических опорах в корпусе.

К устройствам того же типа с вращающимся электродом относится устройство для измерения электростатического поля [2], которое содержит электростатический генератор с секционированным неподвижным чувствительным электродом, электронную схему преобразования сигнала, переключатель диапазонов.

Известно также устройство [3], взятое в качестве прототипа, предназначенное для измерения напряженности статических и квазистатических электрических полей, содержащее возбудитель механических колебаний, в качестве которого используется пьезоэлектрик, на котором расположены измерительный электрод, электроды возбуждения обратной связи, вспомогательный электрод и электрод отрицательной обратной связи, что в совокупности составляет датчик поля, который связан с блоком электронной обработки сигнала, осуществляющим возбуждение пьезоэлектрика, усиление, обработку и индикацию сигнала блоком индикации.

Недостатком всех этих приборов является влияние собственного заряда на величину измеряемого поля, что приводит к необходимости при измерениях заземлять корпус прибора. Это препятствует широкому применению таких устройств в бытовых и полевых условиях.

Ожидаемый технический результат описываемого изобретения заключается в создании портативного переносного прибора широкого применения, не требующего использования громоздких заземляющих устройств.

Технический результат достигается тем, что датчик поля прибора выполнен в виде двух измерительных конденсаторов, включенных последовательно, при этом проводящий корпус датчика является общим внутренним электродом обоих конденсаторов. Корпус датчика выполнен симметричным относительно плоскости, проходящей через его центр, параллельно внешним электродам измерительного конденсатора. Возбудитель механических колебаний (или вращения), размещенный в корпусе датчика, общий для обоих внешних измерительных электродов, заставляет их колебаться (или вращаться) в противофазе. Такая конструкция датчика компенсирует собственный заряд корпуса, поскольку из-за симметрии прибора поле собственных зарядов на измерительных электродах равно и индуцирует заряды одного знака. Противофазность механических колебаний (вращения) электродов приводит к компенсации токов каждого из конденсаторов, так что общий ток датчика, определяемый собственным зарядом корпуса, равен нулю. Следовательно, решается поставленная задача: собственный заряд корпуса не влияет на измерения, а само устройство не требует заземления.

Внешнее измеряемое поле, наоборот, индуцирует на измерительных электродах заряды противоположных знаков, поэтому токи, вызываемые внешним полем, складываются.

Предлагаемое техническое решение поясняется следующим графическим материалом. На фиг.1 представлена общая структурная схема устройства, где 1 - датчик поля, 2 - блок электронной обработки сигнала, 3 - блок индикации. На фиг. 2 показана конструкция датчика поля 1 для случая реализации прибора с возбуждением механических колебаний, на которой 4 - корпус датчика, 5 - внешние измерительные электроды, 6 - возбудитель механических колебаний (электромагнит).

Прибор работает следующим образом. Датчик поля 1 помещают в измеряемое электростатическое поле. Механическое смещение внешних измерительных электродов 5 под воздействием электромагнита 6 приведет к изменению емкости датчика с частотой колебаний, а на выходе датчика появится напряжение, пропорциональное внешнему полю. В блоке электронной обработки 2 происходит усиление, фильтрация и определение знака сигнала. Результат выводится на блок индикации 3.

Для портативного прибора наиболее подходят датчики электростатического поля колебательного типа. По сравнению с вращающимся конденсатором, требующим наличия электродвигателя, обычный электромагнит легче, проще, дешевле, а также потребляет меньше электроэнергии от источника питания.

Корпус датчика лучше всего изготавливать из алюминия, поскольку он должен быть проводящим и не содержать окрашенных поверхностей, которые могут накапливать электрические заряды. Внешние измерительные электроды 5 должны быть изготовлены из магнитомягкого железа и покрыты от коррозии оловом, цинком или другим проводящим и некорродирующим металлом. Особое внимание следует уделить точкам механического крепления пластин к корпусу. Конструкция крепления должна быть такова, чтобы заряд диэлектрика, который обеспечивает изоляцию пластин от корпуса, не влиял на показания прибора.

Остальные узлы прибора - блок электронной обработки сигнала и блок индикации могут быть изготовлены на стандартной элементной базе, поскольку к ним никаких специальных требований не предъявляется. Например, блок электронной обработки 2, исходя из его функционального назначения, может быть выполнен на основе последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя и микропроцессора, а в качестве индикатора 3 может быть использован любой жидкокристаллический индикатор.

Портативный переносной прибор, не связанный с заземляющим устройством, может найти широкое применение в технике и быту для решения многих задач, например:
1. Определение критических зарядов станков и транспортеров, которые могут вызвать искру на взрывоопасных производствах.

2. Измерение поля от телевизоров и компьютеров в целях экологической безопасности человека.

3. Определение свойств одежды накапливать статическое электричество.

4. Поиск подземных аномалий в геологии по изменению напряженности геоэлектрического поля.

Литература
1. В. Н. Таисов, В.Ю. Малиновкин, Е.Н. Савичев. Датчик электростатического поля. Авторское свидетельство RU 2020497 С1, кл. G 01 R 29/12, 1994.

2. А. М. Линов, В.А. Мондрусов. Устройство для измерения напряженности электростатического поля. Авторское свидетельство RU 2028636 С1, кл. G 01 R 29/12, 1995.

3. Ю. Г. Пехтерев, В.В. Канюшкин, В.А. Кочнев. Измеритель напряженности статических и квазистатических полей. Авторское свидетельство SU 1509758 А1, кл. G 01 R 29/12, 1989 (прототип).

Изобретение может использоваться в производстве и в быту, например, для определения статического заряда кинескопов и телевизоров в целях экологии. Технический результат - компенсация собственного заряда корпуса в данном изобретении не требует заземления корпуса прибора в процессе измерения, что позволяет выполнить его в переносном портативном варианте и расширяет возможности его использования в бытовых и полевых условиях. Компенсация собственного заряда корпуса датчика определяется его конструкцией, состоящей из двух измерительных конденсаторов, включенных последовательно, при этом корпус прибора служит общим внутренним электродом конденсаторов. Корпус датчика выполнен симметрично относительно плоскости, проходящей через его центр параллельно внешним измерительным электродам. Заряд корпуса индуцирует на внешних измерительных пластинах заряды одного знака, которые компенсируются из-за противофазного возбуждения пластин. Заряды, индуцируемые на пластинах внешним измеряемым полем, имеют противоположный знак, что при противофазном возбуждении приводит к суммированию величины зарядов. 2 ил.

Устройство для измерения электростатических полей, состоящее из датчика поля, содержащего в своем составе возбудитель колебаний и измерительные электроды, блока электронной обработки сигнала и блока индикации, отличающееся тем, что датчик выполнен в виде двух последовательно соединенных измерительных конденсаторов, при этом проводящий корпус датчика является общим внутренним электродом конденсаторов, сам корпус, внутри которого расположен возбудитель механических колебаний или вращения, заставляющий измерительные электроды двигаться в противофазе, выполнен симметричным относительно плоскости, проходящей через его центр параллельно внешним измерительным электродам конденсаторов, соединенным со входом блока электронной обработки сигнала.