Устройство для измерения напряженности электростатического поля Советский патент 1985 года по МПК G01R29/12 

2. Устройство по п. 1 , о т л и - материала, электрически соединена с чающееся тем, что сфера дат экранируущими электродами и электроизочика выполнена из электропроводящего лирована от чувствительных элементов.

1163285

I. УСТРОЙСТВО ДОЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ, содержащее сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувст вительных элементов и подвижными экранирующими электродами, причем чувствительные элементы подключены к входам дифференциальных усилителей выходы которых через синхронные детекторы, управляющие входы которых подключены к выходу генератора опорного напряжения, соединены с входами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеизвлекатепя, выход которого подключен к выходной клемме устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, экранирующие электроды выполнены в виде п , например четырех, сферических двуугольников, образованных меридианами, делящими концентрическую с датчиком сферу на 2г частей, а чувствительные элементы выполнены в виде трех пар попарно симметричных относительно центра сфзры частей таких же двуугольников на сфере датчика, образованных сечением этих двуугольников парами параллелей так, что эти части расположены на пересечениях больших кругов, образованных сечениями сферы датчика плоскостями декартовой системы координат с началом в центре сферы и осями, одна из которых перпендикулярна полярной оси сферы, являющейся осью вращения экранов, а две другие повернуты относительно нее на 45° .

Изобретение относится к измерител ной технике, в частности к измерению напряженности электрических полей в пространстве, и может быть использонано для измерения модуле вектора напряженности электростатического поля в электротехнической промышлен ности и в других отраслях народного хозяйства, технологические процессы в которых связаны с электризацией материалов, например, химической, легкой промьшшенности, а также в медицине и охране труда для определения и контроля допустимых уровней на пря енности поля. Известно устройство для измерения нормальной составляющей электростатического поля, содержащее датчик с плоским разрезным вращающимся экраном и расположенным за ним чувствительным элементом, которое включает в себя генератор опорного напряжения и синхронный детектор для отпределения знака поля и подавления помех РЗ Недостатком такого устройства является невозможность с его помощью измерять налряженность поля в пространстве. Наиболее близким техническим решением к предпоженному является устройство д/1Я измерения напряженности электростатического поля, содержащее сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами элек ропроводящих чувствительных элементов и подвижными экранирующими эдект родами, причем чувствительные элемен ты подключены к входам дифференциаль ных усилителей, выходы которых через синхрон1ше детекторы, управляющие входы которых подключены к выходу ге нератора опорного напряжения, соедийены с входами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеизвлекателя, выход которого подключен к выходной клемме устройства С2. Недостатком известного устройства является низкая точность измерений, связанная со сложностью организации линейного (пилообразного) закона модуляции постоянного поля на чувствительных элементах указанной формы. Цель изобретения - повышение точности измерения напряженности электростатического поля в пространстве. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувствительных элементов и подвижными экранирующими электродами, причем чувствительные элементы подклкгчены к входам дифференциальных усилителей, выходы которых через- синхронные детекторы, управляющие входы которых подключены к выходу генератора опорного напряжения, соединены с вхо-. дами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеизвлекателя, выход которого подключен к выходной клемме устройства, экранируницие электроды выполнены в виде п, например четырех, сферических двуугольников, образованных меридианами, делящими концентрическую с датчиком сферу на 2п частей, а чувствительные элементы выполнены в виде трех попарно симметричных относительно центра сферы частей таких же двуугольников на сфере датчика, образованных сечением этих двуугольников парами параллелей так, что эти части расположены на пересечениях больших кругов, образованных сечениями сферы датчика плоскостями декартовой системы координат с началом в центре сферы и осями, одна из которых перпендикулярна к полярной оси сферы, являющейся осью вращения экранов, а две другие повернуты относительно нее на 45. Кроме того, сфера датчика выполнена из электропроводящего материала, электрически соединена с экранирующими электродами и электроизолирована от чувствительных элементов. На фиг.1 схематически изображен датчик без экранирующих электродов, вид по оси ох; на фиг,2 - то же, без экранирующих электродов, вид по оси у; на фиг,3 - то же, с экранируквцими электродами и полностью открытыми чувствительными элементами, вид по полярной оси датчика; на фиг,4 - структурная схема устройства для измерения вектора электростатического поля. Устройство содержит датчик 1 с тремя парами чувствительных элементов 2 и экранирующими электродами 3 (фиг.1-3), Чувствительные элементы 2 попарно подключены к входам дифференциальньк усилителей 4, выхо которых подключены к входам синхронных детекторов 5, управляющие входа которых соединены с выходом генератора 6 опорного напряжения. Выходы синхронных детекторов 5 подключены к входам квадраторов 7, выходы котосумматора 8, рых соединены с входами выход которого соединен с входом корнеизвлекателя 9, Устройство работает следукмцим образом. За счет модуляции электростатического поля на чувствительных элементах 2 датчика I возникают электри ческие сигналы, пропорциональные составляющим вектора напряженности измеряемого электростатического поля, т.е. суммы исходного поля и собствен ного поля датчика. За счет дифференциального усиления сигналов с каждой пары чувствительных элементов, распо ложенных по одной координатной оси, на выходе соответствующих дифференциальных усилителей 4 выделяются напряжения, содержащие составляющие, пропорциональные составляю1101м Е; Е и Е 2 вектора напряженности электростатического поля,.. Кроме того, в напряжении на выходе усилителей 4 присутствуют составляющие пропорциональные аддитивным помехам (переменным составля1в1цин поля ), и составляющая частоты Модуляци поля датчиком, сдвинутая по фазе of носительно основного сигнала и про- порциональная составлякядим исходного поля, направленным по непересекающим рассматриваемую пару чувствительных элементов осям. Эти напряжения поступают на входы синхронных детекторов 5, выделяющих один полупериод напряжений частоты модуляции поля датчиком с выходов усилителей 4 за счет управления сигналами с генератора 6 опорного напряжения. Постоянные напряжения с выходов соответствующих синхронных детекторов, пропорциональные величинам координатных составляющих Е, Е„ и Е, вектора напряженности исходного поля, поступают на входы квадраторов 7, с выходов которых напряжения, пропорциональные квадратам составляющих вектора напряженности исходного поля, поступают на вход сумматора 8, С выхода сумматора 8 напряжение, пропорциональное сумме квадратов составляющих вектора напряженности исходного поля (ЕX + Е + Е ), поступает на вход корнеизвлекателя 9, на выходе которого получается напряжение и, пропорциональное модулю вектора напряженности исходного поля и К|Ё1 К Е| . Повышение точности измерения происходит за счет того, что благодаря выбранной форме экранирующих электродов и чувствительных элементов в виде сферических двуугольников и их частей соответственно осуществляется линейный (пилообразный ) закон модуляции поля на чувствительных элементах с последующим подавлением помех при помощи синхронного детектирования. Действительно, если электрическое поле на чувствительном элементе до модуляции представить в виде Е Е + E(t)(1) Где Eg - напряженность исходного поE(t) - напряженность поля помех, в том числе сторонних со- ставляюошх исходного поля, то электрический сигнал с чувствительного элемента может быть представлен выражением lrlEl-K(Ef .SIL). )). где S - площадь чувствительного элемента;К - размерный коэф циент. Условием отсутствия сигнала от поля помех на выходе синхронного детектора будет Т/г т/2 Любой нелинейный закон изменения площади S от времени не дает ра венства нулю интеграла (4). Для линейного закона изменения площади S интеграл (4) можно пе реписать в виде ... E(fc)-c(t д j Очевидно, что выражение (5) обращается в нуль для всех четных гармоник частоты модуляции поля, а также для первой гармоники, смещенной на jr/2, за счет чего повышается точность измерения. Кроме того, повьшение точности измерений происходит за счет того, что осуществляется независимость сиг нала с каждой пары чувствительных элементов на одной координатной оси от воздействия на них других координатных составляющих поля. Деиствител но, для чувствительных элементов, расположенных на осях оу и oz, потоки напряженности однородного поля, направленного по оси ох, замыкакициеся на каждом из этих чувствительных элементов, равны нулю в силусимметрии этих элементов относительно плос кости zoy, Дпя чувствительных элементов, расположенных на оси ох, то же условие выполняется относительно полей, направленных вдоль осей оу и OZ за счет симметрии нормальных составляющих этих полей на сфере относительно плоскостей OZ и оу. Независимость сигналов с пары чувствительных элементов на оси oz от составляющей Е и с пары чувствительных элементов на оси оу от составляющей Е осуществляется за счет того что выполняется условие равенства нулю соответствующих потоков напряженностей на этих чувствительных элементах 856 Для выбранных норм чувствительных элементов и их расположения это условие выполняется при равенстве нулю для каждого чувствительного элемента интеграла ,c/S 0 . (6) напряженность поля соответствующей составляющей; S - поверхность чувствительного элемента. Для указанных чувствительных элементов это условие можно записать в виде Г (5in6cos6 + 8 n20sin4)dedi/ :0, (7) где в - угол раствора границ чувствительного элемента; У - долгота интегрирования в полярной системе координат с началом в центре сферы,главной прямой,направленной по полярной оси сферы, и полуплоскостью нулевого меридиана содержащей ось ох. Так, для п 4 пределы интегрирования по 1 равны: ; «/2( ; пределы интегрирования по е : &2 , где d- выбранный из конструктивных соображений угол раствора верхней границы, например J/IZ; 62 искомый угол раствора (вторая граница чувствительного элемента). Решение уравнения (7| относительно 02 производится при помощи ЭВМ.численными методами. Для того, чтобы избежать дополнительных ошибок за счет возможного коронирования с острых кромок чувствительных элементов в сильных полях, сфера датчика выполнена электропроводящей, электрически соединена с экранирующими электродами и изолирована от чувствительных элементов.Это позволяет избежать концентрирования измеряемого поля на кромках чувствительных элементов, так как разность потенциалов между ними и сферой датчика определяется только переменным напряжением на входах дифференциальных усилителей. Таким образом, за счет обеспечения пилообразного закона модуляции электрического поля на чувствительных элементах при синхронном детектировании сигналов с них путем ука