Измеритель электростатического поля Советский патент 1987 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения электростатических потенциалов, напряженностей электростатических полей или зарядов.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона.

На чертеже приведена структурная электрическая схема измерителя элек- тростатического поля.

Измеритель электростатического |поля содержит измерительный зонд 1, первый резистор 2, согласующий блок ,3, различитель полярности 4, пере- |ключатель 5 полярности, первый пороговый блок 6, источник 7 напряжения перегрузки, генератор 8 сброса, земляную шину 9, первый геркон 10 с обмоткой 1 Г и коммутирующими контактами 12 и 13, индикатор 14, интегрирующий усилитель 15, запоминающий блок 16, суммирующий повторитель 17, первый дифференцирующий блок 18, второй пороговый блок 19, источник 20 порогового напряжения, блок 21 выделения максимума, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 22, дифференцирующий блок 23 с выпрямителем, первый элемент И 24, элемент ИЛИ 25, третий пороговый блок 26, источник 27 минимального сигнала, интегратор 2в, второй дифференцирующий блок 29, второй элемент И 30, третий элемент И 31, четвертый элемент И 32, первый триггер 33, второй триггер 34, третий дифференцирующий блок 35, третий и 4etBepTbm триггеры 36 и 37, второй геркон 38 с обмоткой 39, и с комму10

15

выходе всегда существует медленно изменяющееся положительное или отрицательное напряжение. Поступая на вход различителя полярности 4, кото- рьй, в простейшем случае, представляет собой пороговое устройство, с нулевым уровнем сравнения, это напряжение устанавливает пороговый блок 26 в одном из двух устойчивых состо- рний с положительньм или отрицательным напряжением на выходе. Выходное напряжение различителя полярности 4 управляет работой переключателя 5 полярности так, что на его выходе всегда существует однополярное напряжение. Поступая на вход порогового блока 26, к второму .входу которого приложено постоянное напряжение уровня U, при условии UQ и„, где Un - мак- симальнЬ возможное напряжение смещения уровня нуля согласующего блока 3 и переключателя 5 полярности, это напряжение устанавливает пороговый -. блок 26 в состояние, при котором его выходное напряжение, поступающее на управляю1ций вход запоминающего блока 16, ставит его в режим инвертирующего повторителя. Выходное напряжение переключателя 5 полярности поступает также на вход интегрирующего усилителя 15, постоянная интегрирования с которого выбрана из условия Г

20

30

кт.

35

Р, где Tj, период повторения напряжения сети: К 1,2,3,...,п, так, что помиг-ю усиления входного сигнала требуемого уровня, в нем в значи- ; тельной степени подавляются помехи за счет наводок, частота которых тирующими контактами 40, 41 и допол- кратна частоте сети. Напряжение ин- нительньтми контактами 42 и 43, третий тегрирующего усилителя 15 поступает

геркон 44 с обмоткой 45 и с коммутирующими контактами 46, 47 и дополнительными контактами 48 и 49, четвертый теркон 50 с обмоткой 51 и с коммутирующими контактами 52, 53 и дополнительными контактами 54 и 55, второй резистор 56, третий резистор 57, четвертый резистор 58, пятый резистор 59, элемент НЕ 60, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы 61-64, источник 65 постоянного напряжения.

Измеритель электростатического поля работает следующим образом.

Б отсутствие измеряемого электростатического поля из-за неизбежности дрейфа нуля согласующего блока 3 на основе полевых транзисторов на его

0

5

выходе всегда существует медленно изменяющееся положительное или отрицательное напряжение. Поступая на вход различителя полярности 4, кото- рьй, в простейшем случае, представляет собой пороговое устройство, с нулевым уровнем сравнения, это напряжение устанавливает пороговый блок 26 в одном из двух устойчивых состо- рний с положительньм или отрицательным напряжением на выходе. Выходное напряжение различителя полярности 4 управляет работой переключателя 5 полярности так, что на его выходе всегда существует однополярное напряжение. Поступая на вход порогового блока 26, к второму .входу которого приложено постоянное напряжение уровня U, при условии UQ и„, где Un - мак- симальнЬ возможное напряжение смещения уровня нуля согласующего блока 3 и переключателя 5 полярности, это напряжение устанавливает пороговый . блок 26 в состояние, при котором его выходное напряжение, поступающее на управляю1ций вход запоминающего блока 16, ставит его в режим инвертирующего повторителя. Выходное напряжение переключателя 5 полярности поступает также на вход интегрирующего усилителя 15, постоянная интегрирования с которого выбрана из условия Г

0

0

кт.

Р, где Tj, период повторения напряжения сети: К 1,2,3,...,п, так, что помиг-ю усиления входного сигнала требуемого уровня, в нем в значи- ; тельной степени подавляются помехи за счет наводок, частота которых кратна частоте сети. Напряжение ин- тегрирующего усилителя 15 поступает

5

0

на входы запоминающего блока 16 и один из входов суммирующего повторителя 17, на второй вход которого поступает выходное напряжение запоминающего блока 16.

Так как эти напряжения равны по величине и противоположны по знаку, то выходное напряжение суммирующего повторителя 17 в отсутствие измеряемого электростатического поля равно нулю. Запоминающий блок 16 и сумми- руюпщй повторитель 17 представляют собой каскады с 100%-ной обратной связью, симметричным дифференциальным входом и усилением, равным единице, поэтому дрейф нуля этих каскадов на фоне усиленного до требуемого уровня Е1ХОДНОГО напряжения пренебрежимо мал. Таким образом, влияние значительного температурного дрейфа нул входного каскада, переключателя полярности и интегрирующего усилителя здесь исключается автоматически.

При внесении измерительного зонда 1 в электростатическое поле напряженности Е в материале измерительного зонда 1 наблюдается перемещение зарядов в противоположных направле « ниях до тех пор, пока внутреннее поле измерительного зонда 1 не скомпенсирует внешнее, измеряемое, т.е. разделенньш (или индуцированный) заряд пропорционален напряженности Е (показания измерителя могут быть градуированы также в средних значениях потенциала или заряда).

Пропорционально индуцированному заряду Q меняется потенциал выхода согласующего блока 3, так как весь заряд Q стекает на конденсатор 61 отрицательной обратной связи согласующего блока 3, работающего в режиме интегратора тока. При значении С. конденсатора это изменение напряжения равно

° §

Напряжение

и поступает на входы пороговых блоков 6 и 26. Пороговый блок 26 переходит в другое устойчивое состояние, ;так как и по цепи управляющего входа запоминающего блока 16 переводит последнее в режим заполнения того значения дрейфового напряжения согласующего блока 3, которое было на его выходе до появления напряжения и, так как напряжение на выходе интегриру ощего ус1-1лителя 15 не может изменяться скачком и остается неизменным (в случае необходимости, для увеличения времени усреднения, может быть использован метод двойного ин-. тегрирования).

Если уровень UiU , то пороговый блок 6 перегрузки не сработает, коммутируемые контакты герконов 10, 38j 44, 50 будут разомкнуты., напряжение на резисторе 58 равно нулю, а на выходе элемента НЕ 60 - логической единице. Это напряжение на вход интегратора, где, например, с помощью светодиода высвечивается значение перво- импульс отрицательной полярности.

го рабочего диапазона. Так как на один вход суммирующего повторителя 17 поступает усиленное в К, раз напряжение иа дрейфа нуля, а на второй

Этот импульс поступает на вход бло ка 21 вьщеления максимума и закрыв ет его выход на время длительности первого интервала. Таким образом,

вход - в противоположной полярности

5

0

5

0

5

0

и„ дрейfO

15

0

усиленное в К раз напряжение фа нуля и напряжение U (с течением времени напряжение на выходе интегрирующего усилителя 15 достигает измеряемого, а вход запоминающего бло - ка 16 отключен), то на выходе суммирующего повторителя 17 появляется напряжение U, . Следовательно в ре- яшме измерения влияние величины дрейфового напряжения на значение напряжения суммирующего повторителя 17 исключается, т.е. осуществляется автоматическая компенсация дрейфа нуля. Выходное напряжение UK поступает на вход блока 21 и на вход дифференцирующего блока 18. Так как напряжение U;,, всегда однополярно, причем снача- по мере нарастания Е, нарастает

|Ла,

;до максимума и, после включения рабочего диапазона, вследствие разряда включенных входных емкостей, уменьшается до нуля, т.е. принимает экстремальное значение, для однозначного измерения И необходимо обеспечить его измерение в момент, когда это напряжение максимально. I

Таким образом, после дифференцирования напряжения U в дифференцирующем блоке 18 в его выходном напряжении вьщеляются три временных интервала: до экстремальной точки, экстремальной точки (выходное напряжение равно нулю) и после экстремальной точки. В первом и третьем временных интервалах выходное напряжение дифференцирующего блока 18 имеет противоположные полярности (производная меняет знак), поэтому при поступлении этого напряжения на один из входов порогового блока 19 (инвертирующий вход операционного усилителя) и положительной полярности напряжения в первом интервале, если другой вход (неинвертирующий вход операционного усилителя) порогового блока 19 соединен с источником 20, уровень которого U незначительно превышает порог срабатывания порогового блока 19, а уровень напряжения производной превышает величину , на выходе порогового блока 19 в первом временном интервале формируется

импульс отрицательной полярности.

Этот импульс поступает на вход блока 21 вьщеления максимума и закрывает его выход на время длительности первого интервала. Таким образом,

выходное напряжение блока,21 подается на вход АЦП 22 только с момента начала второго интервала, когда напряжение сигнала максимально. При использовании в АЦП 22 внутреннего запуска (запуска от входного сигнала) начало второго временного интервала будет началом измерения,

Спад входного напряжения за счет разряда входных емкостей при высоком быстродействии современных АЦП к ощутимым потерям точности не приводит. Если при малых уровнях напряжения и, система выделения максимума не отработает, то измеряемое напряжение поступает.на вход АЦП 22 непрерывно, и в этом случае измерение осуществляется. Из индикатора 14 на другой вход АЦП 22 поступает напряжение, несущее информацию о значении рабочего диапазона, которое используется в нем для формирования сигнала переноса запятой (множителя шкалы). Так по значению U осуществляется цифровое (или аналоговое) измерение и индикация напряженности электростатического поля Е I

Если , то срабатывает пороговый блок 6, напряжение которого переводит триггер 33 второго диапазона в новое устойчивое состояние.Напряжение триггера 33 nocTyviaeT на обмотку 45 геркона 44 второго диа- пазо.а, полярность этого напряжения противоположна полярности напряжения и, поэтому геркон 44 срабатывает и контакты 41, 47, 53, 48, 49, 54 замыкаются. При этом напряжение и делится между резисторами 57 и 58 на резисторе 18 появляется напряжение, элемент НЕ 60 первого диапазона переводится в новое состояние, в индикаторе 14 прекращается индикаци первого диапазона и включается индикация второго о

Если после подключения в цепь отрицательной обратной связи согласующего блока 3 конденсатора 64 величии

о

то

Q ной с, напряжение U ...

i(

пороговый блок 6 возвращается в исходное состояние, напряжение U. поступает в АЦП 22, куда из индикатора 14 поступает информация о включении

второго диапазона, меряется.

и значение U из

5

0

5

0

После измерения значение Е входного электростатического поля обращается в О (измерительный зонд 1 выводится из поля, так как в следующем непрерывном режиме измерители без модуляции не могут работать), пороговый блок 26 возвращается в исходное состояние, запоминающий блок 16 - в режим инвентирующего повторителя, на выходе элемента ИЛИ 25 появляется напряжение, так как на один из ее выходов поступает импульс выходного напряжения дифференцирующего блока 29, на входе которого измерилась полярность напряжения на противоположную, и напряжение элемента ИЛИ 25 запускает генератор 8, Напряжение последнего поступает на контакт конца обмотки геркона 10, который срабатывает, контакты 12 и 13 зa ыкaютcя,вxoд согласующего блока 3 подключается к земляной шине, конденсаторы 61 и 64 заряжаются до уровня выходного напряжения согласующего блока 3.

В момент окончания длительности импульса генератора 8 сброса с по- моЕгью дифферендируюЕ(его блока 35 формируется импульс, который поступает на входы А1Щ 22 и триггеров 33, 36, 37 второго, третьего и четвертого диапазонов и возвращает их в исходное положение.

Если изменение осуществляется относительно продолжительно, то за врея измерения емкость обратной связи согласующего блока 3 успевает потерять часть заряда, что приводит к неравенству разделенных измеряемой напряженностью поля положительных и отрицательных зарядов, т.е. вызыва- ет после осуществления измерения (снятия напряженности поля) появление на входе согласующего блока 3 заряда, противопололсного измеряемому. Если при разделении в материале измерительного зонда 1 зарядов измеряемой напряженностью поля в исходном состоянии положительньш- заряд Q равен по модулю отрицательному - Q, измеряется - Q (действует на вход согласующего блока 3) и измерительный зонд 1 электрически нейтральный, то после осуществления измерения часть заряда - д(,) потерялась, положительный заряд +Q больше оставшегося отрицательного заряда - (Q -uQ), и емкость обратной связи согласующего блока 3 после снятия измеряемой напряженнос

712902ти Е заряжается зарядом противоположной, пололштельной полярности +uQ. Это явление использовано для разряда входных емкостей измерителя в тех случаях, когда оставшееся после из5

мерения напряжения на выходе согласующего блока 3 больше U, и поэтом описанная логическая схема сброса н срабатывает. В рассматриваемом случае и после снятия измеряемой напряженности Е блока 26 в исходное состояние не вернется. Так как это состояние порогового блока 26 соответствует логической единице, то за время измерения логическая единица передается через интегратор 28 и к моменту снятия внешнего электростатического поля воздействует на один из входов элемента И 24.

В момент снятия напряженности Е полярность выходного напряжения согласующего блока 3 меняется на противоположную, что приводит к аналогичному изменению полярности выходного напряжения различителя полярности и формированию короткого импульса на выходе дифференцирующего блока 23 (в простейшем случае он представляет собой дифференцируюш;ую RC-цепь с двухполупериодным выпрямителем) . Таким образом, в момент окончания измерения элемент И 24 формирует напряжение логической единицы, которая воздействует на один из входов схемы ИЛИ 25 и формирует на-ее выходе напряжение, которое по стулает на вход генератора 8 сброса и запускает его.

Если значение U продолжает нарастать, так как переключение диапазонов осуществляется в момент внесения измерительного зонда 1 в электростатическое поле, т.е. включение других диапазонов осуществляется последовательно, по мере нарастания поля в процессе перемещения измерительного зонда 1 к заряженному телу, то после возвращения-порогового блока 6 в исходное состояние возможно состояние, при котором U ; U . В этот момент пороговый блок 6 снова включается, его напряжение поступает на элемент И 31 третьего диапазона, на второй вход которого подается напряжение с резистора 58 (второй диапазон включен), элемент И 31 срабатывает и его напряжение включает триггер 36 третьего диапазона,Аналогично рассмотренному выходное напряжение триггера 36 поступает на обмотку 39, геркон 44 третьего диапазона включается, и включается тре- тий диапазон измерения. При этом наII

до значения U

- значение конден

сатора 63. Значение U или измеряется как было описано, или, при дальтг

неишем возрастании U , аналогично рассмотренному включаются последующие

диапазоны.

Если и после включения четвертого диапазона пороговый блок 6 нахо- дится во включенном сос-тоянр1и, то сработает элемент И 30, так как на

один его вход поступает напряжение порогового блока 6, а на второй - напряжение с резистора 56, включается триггер 34 и элемент ИЛИ 25. Выходное напряжение элемента ИЛИ 25

запускает генератор 8 сброса. Одновременно с этим выходное напряжение триггера 34 поступает на вход индикатора 14 для индикации перегрузки и на другой вход генератора 8, подключает к его времязадающей КС-цепи большую добавочную емкость, увеличивая длительность генерируемого импульса до нескольких секунд. Контакты, геркона 9 при этом замыкаются и

все входное напряжение измерителя выделяется на защитном высокоомном резисторе 2.

В момент окончания длительности импульса генератора 8 выходное напряжение дифференцирующего блока 35 возвращает триггер 34 в исходное состояние. За время защиты измерительный зонд 1 должен быть изолирован от воздействующего на него электростатического поля (в противном случае описанный процесс повторится).

Измеритель реагирует на изменения напряженности поля Е изменениями веичины индуцированного заряда Q, поэтому для цифрового измерения значения Е или величин, ей пропорциональ- ньк, необходимо, чтобы функциональая зависимость (E) была линейной, то можно сделать за счет соответстующего выбора значений емкостей С(, g, С,..., С„, добавляемых на кажом диапазоне измерения, в данном лучае емкость, добавляемая на поледующем диапазоне, равна емкости

предьщущего диапазона, в 9 раз.

Формула изобретения

Измеритель электростатического поля, содержащий последовательно соединенные измерительный зонд, первый резистор, согласующий блок, различи- тёль полярности, переключатель полярности и первый пороговый блок, второй вход которого соединен с выходом источника напряжения перегрузки, генератор сброса, выход которого соединен с обмоткой первого геркона, контакты которого соединены соответственно с входом согласующего блока и земляной шиной, и индикатор, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона, к выходу переключателя полярности подключены последовательно соединенные интегрирующий усилитель, запоминающий блок, суммирую- Ш,ий повторитель, второй вход которого подсоединен к выходу интегрирующего усилителя, первый- дифференцирующий блок, второй пороговый блок, второй вход которого соединен с введенным источником порогового напряжения, блок выделения максимума,второй вход которого соединен с выходом суммирующего повторителя и аналого- цифровой преобразователь, второй вход которого соединен с выходом индикатора, между выходом различителя полярности и первьм входом генератора сброса введены последовательно соединенные дифференцирующий блок с выпрямителем, первый элемент И и элемент ИЛИ, между выходом переключателя полярности и вторым входом первого элемента И включены последовательно соединенные третий пороговый блок, второй вход которого соединен с выходом источника уровня минимального сигнала, а выход - с вторым входом запоминающего блока, интегратор, между выходом третьего порогового блока и вторым входом элемента ИЛИ включен второй дифференцирующий блок, введены второй элемент И, третий элемент И, четвертый элемент И и первьй триггер, первые входы которых соединены с выходом первого порогового блока, между выходом второго элемента И и

10

15

20

25

1290207 10

увеличенной вторым входом генератора сброса вклю- - чен второй триггер, выход которого соединен с третьим входом индикатора, между входом генератора сброса и третьим входом аналого-цифрового преобразователя включен третий дифференцирующий блок, выход которого подсоединен к вторым входам первого и второго триггеров и первым входам введенных третьего и четвертого триггеров, вторые входы которых соедине-, ны соответственно с выходами третьего и четвертого элементов И, при этом выходы первого, третьего и четвертого триггеров подключены соответственно к одним концам обмоток введенных второго, третьего и четвертого герконов, коммутирующие контакты которых включены параллельно коммутирующим Контактам первого геркона,второй вход второго элемента И соединен с третьим входом индикатора, через, введенный второй резистор - с земляной шиной и через введенные последовательно соединенные дополнительный коммутирующий контакт четвертого геркона и третий резистор - с источником постоянного напряжения, соединенным с другими концами обмоток второго, третьего и четвертого и первого герконов, параллельно дополнительному коммутирующему контакту четвертого геркона включены второй и третий дополнительные коммутирующие контакты второго и третьего герконов, соединенные с земляной шиной соответственно через введенные четвертый и. пятьй резисторы, точка соединения дополнительного коммутирующего контакта второго геркона и четвертого резистора соединена с четвертым входом индикатора, вторым входом третьего элемента li и через введенный элемент НЕ с пятым входом индикатора, общая точка соединения дополнительного коммутирующего контакта третьего геркона и пятого резистора соединена с шестым входом индикатора и вторым входом четвертого элемента И, введены первый конденсатор, включенный между входом и выходом согласующего блока, второй, третий и четвертый конденсаторы, включенные соответственно между вторым, третьим и четвертым коммутирующими контактами второго, третьего и четвертого герконов и выходом входного контакта.

30

35

40

45

50

55

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - расширение динамич. диапазона. Устр-во содержит измерительный зонд 1, резистор 2, согласуюпщй блок 3, различ-итель 4 полярности, переключатель 5 полярности, пороговый блок (ПБ) 6, источник 7 напряжения перегрузки, г-р 8 сброса, земляную шину 9, геркон 10 с обмоткой 11 и коммутирующими контактами 12 и 13, индикатор 14. Вновь введены интегрирующий ус-ль 15 , запоминающий блок 16, суммирующий повторитель 17, диф- ференцируюгцие блоки (ДБ) 18, 29 и 35, ПБ 19 и 26, источник 20 порогового напряжения блок 21 выделения макс., А1Щ 22, ДБ 23 с выпрямителем, эл-ты И 24, 30-32, эл-т ИЛИ 25, источник 27 мин. сигнала, интегратор 28, триггеры 33, 34, 36, 37, герко- ны 38, 44 и 50, резисторы 56-59, эл-т НЕ 60, конденсаторы 61-64, источник 65 постоянного напряжения„ 1 ил. (/)