Устройство для измерения напряженности статических и квазистатических электрических полей Советский патент 1985 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности статических и квазистатических электрических полей. Известно устройство для измерения напряженности статических и квазистатических электрических полей, содержащее два управляемых по напряжению генератора, в цепях управления частотой которых включены чувствительные элементы, состоящие из воспринимающих электродов, резисторов и полупроводниковых р-п -переходов, два умножителя высокой частоты, включенные между выходами генераторов и входами смесителя, между выходом которого и входом регистрато|ра включен умножитель низкой частоты а выходы умножителей высокой частоты соединены с входами частотного дискриминатора fl, Однако для известного устройств характерны недостаточная чувствител ность и точность измерений. Цель изобретения - повьшение чув ствительности и точности измерения статических и квазистатических элек рических полей. Поставленная цель достигается те что в устройство для измерения напр женности статических и квазистатических электрических полей, содержа щее два управляемых по напряжению генератора, в цепях управления частотой которых включены чувствительные элементы, состояЕцие из восприни мающих электродов, резисторов и полупроводниковых p-h -переходов, два умножителя вьюокой частоты, включен ные между выходами генераторов и входами смесителя, между выходом которого и входом регистратора вклю чен умножитель низкой частоты, а вьг ходы умножителей высокой частоты соединены с входами частотного дискриминатора, введены два частотных детектора, выполненных по системе фазовой автоподстройки частоты, и двухканальный регистратор, при этом первый частотньй детектор включен между выходом первого умножителя высокой частоты и одним из входов двухканаль«ого регистратора, а второй - между выходом второго умножителя высокой частоты и другим входо двухканального регистратора. Кроме того, в устройство введены калибровочный источник электрического поля с излучающим и экранирующим электродами, блок управления и термостат, при этом экранирующий электрод расположен над воспринимающими электродами со стороны источника исследуемого поля, излучающий электрод расположен под воспринимающими электродами со стороны, противоположной источнику исследуемого поля, блок управления соединен с экранирующим электродом, а полупроводниковые p-ti-переходы и управляемые по напряжению генераторы размещены в термостате. На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства. Устройство для измерения напряженности статических и квазистатическйх электрических пблей содержит управляемые по напряжению генераторы 1 и 2, чувствительные элементы 3 и 4, состоящие из полупроводниковых р-П-переходов 5 и 6, резисторов 7 8 и воспринимающих электродов 9 и 10, блок 11 управления, двухканальный регистратор 12, умножители 13 и 14 высокой частоты, калибровочный источник 15 электрического поля, частотный дискриминатор 16, частотные детекторы 17 и 18, выполненные по системе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), экранирующий электрод 19, излучающий электрод 20 и термостат 21, смеситель 22, умножитель 23 низкой частоты, регистратор 24, фазовые детекторы 25 и 26, вспомогательные генераторы 27 и 28 и усилители 29 и 30 постоянного тока, при этом чувствительные элементы 3 и 4 соединены с генераторами 1 и 2, выходы которых через 5гмножители 13 и 14 подключены к входам частотного дискриминатора 16, смесителя 22 и к частотным детекторам 17 и 18, Выходы частотньпс детекторов 17 и 18 соединены с входами регистратора 12, Выход смесителя 22 соединен через .умножитель 23 с регистратором 24, Блок 11 управления соединен с экранирующим электродом 19, а полупроводниковые р-п-переходы и генератор 1 и 2 размещены в термостате 21, Устройство работает следующим образом. При отсутствии воздействия измеряемого электрического поля на чув31

ствительиые элемер{ты 3 и 4 (например, при экранировании воспринимающих электродов 9 и 10 экранирующим электродом 19 за счет его поворота на -90°-) напряжение на выходе частотных детекторов 17 и 18 путем первоначальной подстройки частоты генераторов 1 и 2 устанавливают равным нулю. При этом за счет срабатывания систем ФАПЧ частота генератора 27 постоянно поддерживается равной точно частоте генератора 1, умноженной умножителем 13, а частота генератора 28 равной точно частоте генератора 2, умноженной умножителем 14.

При неэкранированных электродах 9 и 10 (т.е. при повороте экранирующего электрода 19 на ) и, например, положительной полярности измеряемого поля за счет воздействия электрического поля на чувствительный элемент 3 происходит увеличение частоты генератора 1 на величину, пропорциональную напряженности поля, При этом система ФАПЧ частотного детектора 17 вырабатывает на выходе усилителя 29 напряжение, пропорциональное изменению частоты генератора 1, которое управляет частотой генератора 27, поддерживая ее равной (кратной) частоте гечератора 1, и одновременно измеряется реглстратором 12, например самописцем.

Таким образом, на выходе усилителя 29 действует напряжение, пропорциональное величине измеряемой напряженности поля.

При воздействии поля отрицательной полярности аналогично работает частотный детектор 18, в котором усилитель 30 постоянного тока управляет частотой генератора 28 синхронно с изменением частоты генератора 2,

Напряжение, пропорциональное напряженности электрического поля отрицательной полярности, действует на выходе усилителя 30.

Из описания работы устройства видно, что напряжение на выходе усилителей 29 и 30 постоянного тока, являющееся функцией напряженности электрического поля Е , пропорционально изменению дЕ частотъ только одного из генераторов, так как они не связаны между собой и работают независимо друг о.т друга, что позвоА5304 . 4

лило в два раза увеличить чувствительность предлагаемого устройства, т.е. довести ее до величины менее 0,025 В/м.

5 Для калибровки устройства экранируют от внешнего электрического поля электроды 9 и 10 и включают источник 15, излучающий электрод 20 которого создает постоянную величину

0 напряженности поля в зазоре между электродами 9, 10 и 20. Напряжение вырабатьшаемое источником 15, представляет собой по форме меандр с периодом порядка 1 с, со стабилизированной амплитудой, равной, напри.мер 0,01 В или 0,1 В.

При расстоянии между электродами 9, 10 и 20 1 см и амплитуде напряжения 0,01 В напряженность поля Е

0 в зазоре определяется из соотношения

p-VL-A lA.--,l d 0,01М М

5 где 1 - V2 - разность потенциалов между пластинами; d - расстояние между ними. Повышение точности измерений стало возможным благодаря введению в

0 устройство источника калиброванной напряженности поля, с величиной которого сравнивают последующие результаты измерений, и термостата с температурой +40 , который позволил исключить погрешности, обусловленную влиянием колебаний температуры на параметры чувствительных элементов 3 и 4 и управляемых генераторов 1 и 2.

Q Расположение излучающего электрода калибратора под воспринимающими позволило устранить вносимое им искажение измеряемого электрического поля, которое имело бы место в случае

5 расположения его над воспринимающими электродами.

Кроме того, достигается упрощение эксплуатации прибора за счет введения ФАПЧ, устранение искажений формы

g кривой колебаний напряженности электрического поля, так как частгатные детекторы, выполненные по системе ФАПЧ, имеют высокую линейность характеристики, и обеспечение нормальной работы устройства в интервале температур от +40 до -5(JC за счет введения термостата.

f f f

19

t..

W

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ СТАТИЧЕСКИХ И КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ по авт. св. № 1020785, отличающеес я тем, что, с целью повьгаения чувствительности, в него введены два частотных детектора, выполненных по системе фазовой автоподстройки частоты, и двухканальный регистратор, при этом первый частотный детектор включен между выходом первого умножителя высокой частоты и одним из входов двухканального регистратора, а второй - между выходом второго умножителя вьюокой частоты и другим входом двухканального регистратора. 2. Устройство по п. 1, о т л ичающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены калибровочный источник электрического поля с излучающим и экранирующим электродами, блок управления и термостат, при этом экранирующий электрод раслоложен над воспринимающими электродами со стороны источника исследуемого поля, излучающий электрод расположен под воспринимающими электродами со стороны, противоположной источнику исследуе(Л мого поля, блок управления соединен с экранирующим электродом, а полупроводниковые ji-n -переходы и управляемые по напряженно генераторы размещены в термостате. 4: СЛ QO

15

T.