Устройство для измерения напряженности электрического поля Советский патент 1984 года по МПК G01R29/12 

5стройство относится к измеритель ной технике и может быть использовано для измерения напряженности постоянного и переменного электрического поля, Известны приборы для измерения напряженности электрического поля, содержащие чувствительный электрод, который периодически экспонируется и экранируется в измеряемом поле с помощью вращающейся заземленной плас тины с фигурньми прорезями 1 , Недостатками известных приборов ЯВЛЯЮТСЯ: наличие скользящих контактов, заземляюп их вращающуюся пластину и являющихся источником паразитных шумов, значительные габариты, вес и мощность, потребляемая двигателем, ограниченный ресурс работы без ремонта или профилактического обслуживания. Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее модулирующий электрод, выполненный в виде струны или ленты, струнные чувствительные электроды, расположен ные параллельно по обе стороны от него и электрически связанные между собой, первый электромагнит, соединенный с входом усилителя возбуждения, второй электромагнит. Соединен ный с его выходом, и регистратор, а также синхронный детектор и интегратор 2J, Недостатком данного устройства является низкая точность при работе в условиях, когда его корпус заряже При этом изменяется суперпозиция по ля, подлежащего измерению, и поля, вызванного собственным электрически зарядом. Так, в случае установки ус ройства на объектах типа самолета, ракеты, мешающее поле, вызванное наличием заряда на измерителе, може .превышать измеряемое по своей напря .женности. Точность измерений снижается так и при работе устройства в режиме вы сокой чувствительности, так как загрязнение приэлектродной поверхност прибора диэлектрическими поляризующ мися примесями, например имеющимися ,в воздухе в виде аэрозолей, вызывае эффект, подобный описанному вьше. Распределенный на поверхности заряя вызванный загрязнением, создает электрическое поле, которое прибор не отличает от подлежащего измерению. Целью изобретения является повышение точности измерения. Поставленная цель достигается тем. что в устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее модулирующий электрод, выполненный в виде струны или ленты, струнные чувствительные электроды, расположенные параллельно по обе стороны от него и электрически связанные между собой, первый электромагнит, соединенный с входом усилителя возбуждения, второй электромагнит, соединенный с его выходом, и регистратор, введены дифференциальньй преобразователь ток - напряжение, блок коррекции основного и опорного сигналов и экран, средняя часть «оторого снабжена отверстием с проходящим через него модулирующим электродом, при этом струнные чувствительные электроды, лежащие по одну сторону средней части экрана, и первый электромагнит размещены над одной из частей экрана, а струнные чувствительные электроды, лежащие по другую сторону средней части экрана и второй электромагнит - под другой частью экрана и соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального преобразователя ток - напряжение, выход которого соединен с первым входом блока коррекции основного и опорного сигналов , второй вход которого соединен с выходом усилителя возбуждения, а выход - с регистратором. Кроме того, блок коррекции основного и опорного сигналов вьшолнен в виде регулируемого фазовращателя, фазочувствительного детектора, усилателя-формирователя и фильтра нижних частот, причем вход регулируемого фазовращателя соединен с,-выходом преобразователя ток - напряжение, выход - с первым входом фазочувствительного детектора, второй вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя, вход которого связан с выходом усилители возбуждения, а выход фазочувствительного детектора соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с регистратором. На фиг. Т - экран с модулирующим и чувствительными электродами, разрез и вид сверху; на фиг. 2 - блоксхема устройства; на фиг. 3 - днаг-ра .jvfbi сигналов. Устройство (фиг. 1 и 2) содержит .экран ,1 с основанием для монтажа устройства, на котором укреплен струнный модулирующий электрод 2, проходящий сквозь отверстие 3 в средней части экрана. Параллельно электроду 2 установлены струнные чувствительные электроды 4.1.и 4.2, выполненные в виде двух электрически соединенных отрезков струн, закрепленных на изоляторах 5. Все электроды лежат в одной плоскости. Струнные чувствительные электроды 4.1 и 4.2 - экранированы экраном 1 снизу (по отношению к полю Ю. Электроды 4.2 экранированы экраном 1 сверху. На расстоянии -wl/4 длины модут рующего электрода 2 от его концов закрепле.ны электромагниты 6.1 и 6.2. Входы дифференциального преобразователя 7 ток - напряжение соединены соответ ственно со струнными чувствительными эл тродами 4.1 и 4.2. Выход дифференциального преобразователя 7 ток - напряжение соединен с первым входом блока 8 коррекции основного и опорного сигналов, второй вход которого соединен с вькодом усилителя 9 возбуждения, а выход - с регист ратором 10. Вход усилителя 9 возбуждения соединен с .первым электромагнитом 6.1, а блок 8 коррекции основного и опорного сигналов содержит регулируемый фазовращатель 11, фазо чувствительный детектор 12, усилитель-формирователь 13 и фильтр 14 нижних частот, причем вход регулируе мого фазовращателя 11 соединен с выходом дифференциального преобразователя 7 ток - напряжение, вькод - с первым входом фазочувствительного детектора 12, второй вход которого соединен с выходом усилителя-ф9Рмиро вателя 13, вход которого связан с вы ходом усилителя 9 возбуждения и в-торым электромагнитом 6.2, а выход фазочувствительного детектора 12 соеди нен с входом фильтра 14 нижних часто выход которого соединен с регистратором 10. Устройство работает следующим образом. Электромагниты 6.1 и 6.2, располо женные на расстояниях равных-w 1/4 длины модулирующего электрода 2 от его концов, обеспечивают возбуждэни) колебаний ферромагнитного струнного модулируюр1его электрода 2 на частоте, равной удвоенной частоте основного резонанса. Модулирующий электрод 2 колеблется в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой размещены струнные чувствительные электроды 4.1 и 4.2. При помещении устройства в электрическое поле Е на электродах 4.1 инду1Д1руется электрический заряд ЕО Ер, а на электродах 4.2 - Ер Ед, где К - коэффициент, учитывающий степень искажения электрического поля модулируюдим и чувствительным электродами; Q - диэлектрическая постоянная). При колебаниях заземленного модулирующего электрода 2 у индуцированного заряда за счет модуляции поля появится переменная составляющая и в этом случае Ед Е . (l+KMSintut) ; ЕО Ео(1+Кд, sinujc), где К д,коэффициентмодуляции, зависящий от амплитуды колебаний (,1): , где f - частота колебаний модулирующего электрода 2. Коэффи1.шент передачи дифференциального преобразоватео1Я 7 ток - напряжение соответствует выражению UBb/x K -- i-l2 где Т. - ток в неинвертирующем входе j 1 - ток в инвертирующем входе; KQ - коэффициент пропорциональности. Учитывая, ЧТОI 7, получим 0 0 Е о ( COSLU t+K UJCOStO t) 2К Кд,Ко ujg ЕО cos w t- К EO cos u) t, где Кд КцшЕ; , т.е. амплитуда выходного напряжения дифференциального преобразователя 7 ток - напряжение пропорциональна напряженности измеряемого электрического поля. Сигналы с выхода дифференциального преобразователя 7 ток - напряжение через блок 8 коррекции основного и. опорного сигна.г1ов поступает на вход регистратора 10. Измеряемое поле по разные стороны экрана 1 направлено в одну сторону. В отличие от него поле, связанное с собственным или распределенным на поверхности зарядом по разные стороны экрана 1, направлено в разные стороны, поэтому для такого поля Q ЕоЕ cos (И-К, sinwt), при этом. К о .бстб (Кд Lucosut - K ujcoauut)0. Итак, поле собственного заряда для предпагаемоего устройства явля-J1ется источником синфазной помехи, ко торая подавляется тем лучше,.чем луч ше сбалансированы коэффициенты К и Км по обоим входам дифференциального преобразователя 7 ток - напряжение. Реально достижимым является значение коэффициента подавления поля собственного и распределенного зарядов до 50-60 дБ. Эффект подавления составляющей сигнала, обусловленной собственным зарядом прибора, поясняется фиг. 3. Здесь показаны знаки индуцируемых на чувствительных электродах зарядов для случая внешнего поля (фиг. 3 а),для случая поля собственного заряда (фиг. ) и соответствующие формы сигнала на каждом из входов (1 и Т) и на выходе дифференциального преобразователя 7 ток - напряжение U вы« Так как в первом случае (фиг .За) поле направлено к электродам 4.2, от электродов 4.1 индуцированные заряды имеют разные знаки и на выходе дифференциального преобразователя 7 ток - напряжение напряжение пропор ционально алгебраической сумме токов текущих во входы дифференциального преобразователя 7 ток - напряжение В случае поля, обусловленного соб ственным зарядом (фиг. 3 Б), оно направлено от каждого электрода вовне (для отрицательного собственного заряда) , либо к электродам (для положительного) . В этом случае, как видно из формы сигналов, ток во входы преобразователя носит синфазный характер и подавляется, т.е. напряжение на выходе преобразователя в тече ние всего периода колебаний модулирующего электрода равно нулю. Таким образом, введение экрана и вьтолнение его из средней и двух других чаС тей позволяет расположить отрезки чувствительных электродов, соединенные с первым входом дифференциального преобразователя 7 ток - напряжение, по одну сторону экрана, а отрезки, соединенные с вторым входом по другую. Это позволяет получить на входах дифференциального преобразователя 7 ток - напряжение противофазные сигналы от измеряемого поля и синфазные - от поля, создаваемого собственным зарядом измерителя. При этом можно использовать один общий модулирующий электрод, вьшолненный. 9 . в виде струны (полоски) , вследствие чего исключится дисбаланс коэффициента преобразования и стибилизируются фазовые соотношения по обоим входам дифференциального преобразователя 7 ,ток - напряжение, что повьш1ает точность измерения. Расположение электромагнитов по разные стороны средней части экрана позволяет получить одинаковую конфигурацию силовых линий электрического поля в районах расположения чувствительных электродов. Дальнейшая обработка сигнала, поступающего с выхода дифференциального преобразователя 7 ток - напряжение, осуществляется с помощью блока 8 коррекции основного и опорного сигналов, который содержит ре-, гулируемый фазовращатель 11, позво-. ляющий .исключить фазовые искажения сигнала на входе фазочувствительного детектора 12 обусловленные комплекс- ным характером входного импеданса дифференциального преобразователя 7 ток - напряжение (и тем самым увеличить коэффициент преобразования прибора и точность измерений), а также усилитель - формирователь 13, служащий для повьш1ения симметричности импульсов, имеющих форму меандра и управляющих фазочувствитальным детектором 12 за счет уменьшения влияния переходных процессов на фронтах импульсов усилителя 9 возбуждения на работу фазочувствительного детектора 12. За счет введения фильтра 14 нижних-частот можно обеспечить эффективное выделение квазипостоянной составляющей сигнала на выходе фазочувствительного детектора 12 и подавление основной частоты сигнала преобразования и его нечетных гармоник, проникающих на вход фазочувствительного детектора 12. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает эффективное подавление сигнала от поля, создаваемого собственньм зарядом измерителя, средством доставки его и т.п., в связи с чем существенно расширяется область применения устройства. Предлагаемое устройство можно использовать как на летающих объектах, электризуюш;ихся в процессе эксплуатации, так и для измерений в плазме.

L I I

.г. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ, содержащее модулирующий электрод, выполненный в виде струны или ленты, струнные чувствительные электроды, расположенные параллельно по обе стсроны от него и электрически связанные между собой, первый электромагнит, соединенный с входом усилителя возбуждения, второй электромагнит, соединенный с его выходом, и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения, в него введены дифференциальный преобразователь ток - напряя е ние, блок коррекции основного и опорного сигналов и экран, средняя часть которого снабжена отверстием с проходящим через него модулирующим электродом, при этом струнные чувствительные электроды, лежащие по одну сторону средней части экрана, и первый электромагнит размещены над одной из частей экрана, а струнные чувствительные электроды, лежапгие но дру гую сторону средней части экрана, и второй электромагнит - под другой частью экрана и соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального преобразователя ток - напряжение, выход которого соединен с первым входом блока коррекции основного и опорного сигналов, второй вход которого сое- , динен.с выходом усилителя возбужде§ ния, а выход - с регистратором. 2. Устройство по п. 1, отли(Л чающееся тем, что блок Хорс рекции основного и опорного сигналов выполнен в виде регулируемого фазовращателя, фазочузствительного детектора, усилителя - формирователя и фильтра нижних частот, причем вход регулируемого фазовращателя соединен с выходом преобразователя ток - О) напряжение, выход -. с первым входом фазочувствительного детектора, второй Од со ср вход которого соединен с выходом усилителя- юрмирователя, вход которого связан с выходом усилителя возбуждения, а выход фазочувствительного детектора соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с регистратором.

fu3H

,ecus