Датчик электрического поля атмосферы Советский патент 1988 года по МПК G01R29/12 

(Л

оо 00 оо ю ю

00

11383228

Изобретение относится к технике измерений электростатического поля атмосферы и может использоваться при проведении как самолетных, так и наземных метеорологических и других исследований в составе измерителей электрического поля атмосферы.

Цель изобретения - повьшение точности и чувствительности.

На чертеже приведена конструкция датчика электрического поля атмосферы.. .

10

ч

Датчик электрического поля атмосферы содержит электродвигатель 1-, генератор 2 опорного напряжения (например, электромагнитного типа с двумя парами магнитных полюсов), связанный с осью электродвигателя 1, измери- тельный электрод 3,. на котором выполнены металлические выступы 4, укреп- ленньш на оси электродвигателя 1 экранирующий электрод 5, градуировоч- ный электрод 6. Экранир3 тощий 5, гра- дунровочный 6 и измерительньй 3 электроды выполнены в виде металлических дисков радиуса R и размещены соосно в металлическом цилиндрическом корпусе 7, а экранирующий 5 и градуировоч- ньй 6 электроды вьшолнены идентичными с секториальными отверстиями, из- мерительньш электрод 3 изолирован от металлического цилиндрического корпуса 7 и от оси электродвигателя 1-, Металличес1й1е выступы 4 ограничены плоскостью, параллельной плоскости измерительного электрода 3, и двумя плоскостями,.проходящими через радиальные границы секториальных отверстий градуировочного электрода 6 перпендикулярно ему, а также двумя цилиндрическими поверхностями, соосными с осью электродвигателя 1, при этом высота металлических выступов 4 h и радиусы цилиндрических поверхностей г и г определяются соотнощениями

d j- h т/ О т, ,

n()i-4d -г 2

(i)

де

г г d.

- « -37h-ii dt-h

- расстояние между градуиро- вочным 6 и измерительным 3 электродами;

d 5 - расстояние между экранирующим 5 и измерительным 3 электродами;

0

5

Q 5 О

и - минимально допустимое расстояние от металлических выступов 4 измерительного электрода 3 до экранирующего электрода 5 (определяется допуском изготовления). Металлические выступы 4 выполнены накладными, измерительный электрод 3 соединен с выходом датчика электрического поля, т.е. с входом УНЧ измерителя поля.

Датчик электрического поля атмосферы работает следующим образом.

При наличии поля и вращении экранирующего электрода 5 в результате модуляции поля на измерительном электроде 3 и на выходе датчика электрического поля атмосферы образуется переменное напряжение U, амплитуда которого пропорциональна напряженности поля Е, а фаза зависит от знака поля. Переменное напряжение U явля ется полезным сигналом на выходе датчика электрического поля. При отсутствии поля Е и вращении экранирующего электрода 5 в случае, когда измерительный электрод 3 находится под посторонним (паразитного происхождения) потенциалом V,, величина переменного напряжения синфазной помехи на выходе датчика электрического поля может быть оценена с помощью соотношения

и.

..V с ВХ

(2)

здесь

.. + 1- - -1 Д1)1

2 d,-h d, d,-h d,J

где ЛС - вариационная составляющая емкости измерительного электрода 3 относительно корпуса датчика (земли); ЕС , S - соответственно диэлектрическая постоянная воздуха и эффективная площадь измерительного электрода 3; емкость на входе УНЧ измерителя поля;.

ИХ

5

г,-г 2

7 отношение площади выступов

V

измерительного электрода к площади секторов градуировочного и экранирующего электродов;

расстояние между градуиро- вочным и измерительным и между экранирующим и йзме I

рйтельным электродами соответственно;

г - радиусы цилиндрических поверхностей, ограничивающих металлические выступы 4 измерительного электрода 3 , . h - высота выступов 4;

R - радиус окружности, ограничивающей измерительньй 3, экранирующий 5 и градуиро- вочный 6 электроды Поясним вывод соотнощения (2). Вариация лС емкости С измерительного электрода 3 датчика поля относительно его корпуса 7 возникает при врй- щении экранирующего электрода 5, закрепленного на соединенной с корпусом 7 и заземленной оси датчика, относительно неподвижных измеритель- кого 3 и градуировочного 6 электродов. При вращении экранирующего электрода 5 емкость С измерительного электрода 3 попеременно принимает максимальное (С,окс) и минимальное (С, значения. Очевидно, что при заданной конструкции электродов датчика минимальное значение емкости С измерительного электрода 3 датчика относительно его корпуса будет в момент движения, изображенньй йа чертеже, т.е. тогда, когда секторные лопасти экранирующего электрода 5 будут находиться точно под секторными лопастями градуировочного электрода 6. -Нетрудно видеть, что-при заданной конструкции электродов датчика и секторно-кольцевой форме метал- лических выступов 4, когда величина /i определяет, по существу, относи- тельную часть эффективной площади измерительного электрода 3, занятую металлическими выступами 4,- величина С/ИНН определяется соотнощением

связано с тем, что минимизация &С . 45 по соотношению (6) может осуществляться с помощью трех варьируемых параметров (h, ri и г), в то вреия как минимизация АС-по соотношению (5) осуществляется лишь с помощью одного

с,.,. .,E..-.... „,

Максимальное значение емкость С примет в момент движения, когда секторные лопасти экранирующего электро-50 варьируемого (практически с большими

л.акс . 1 1

и (-г « «j С J

2 2 d -п d

1 + 1-) dj-h /id,.

Нетрудно показать, что если величины параметров выступов 4 (h,r,,r,, R ). измерительного электрода 3 выполнены в соответствии с соотношением (1), то вариационная составляющая емоксти (ЛС) измерительного электрода 3 в этом случае равна нулю и, следовательно, практически подавленным оказывается переменное напряжение и синфазной помехи на выходе датчика поля (см. соотнощения (1) и (2)).

Таким образом, датчик электрического поЛя атмосферы обеспечивает получение на своем выходе неискаженного полезного сигнала, создаваемого электрическим полем атмосферы, и практически полное подавление синфазной помехи, создаваемой посторонними потенциалами (зарядами) измерительного электрода 3. При этом существенно повьппается точность и реальная чувствительность датчика поля по сравнению с известным датчиком.

Соотнощение минимизации С для , известного датчика может быть записано в виде

0.

(5)

+ 1 : 1.

d,-h d Соотношение минимизации С для данного датчика поля выражается соотношением

1

1

1

(6)

+ 1-1 О d.,-h d., j

Анализ, соотношений (5) и (6) показывает, что минимизация ДС по соотношению (5) практически менее эффек- тивна, чем по соотношению (6). Это

связано с тем, что минимизация &С . по соотношению (6) может осуществляться с помощью трех варьируемых параметров (h, ri и г), в то вреия как минимизация АС-по соотношению (5) осуществляется лишь с помощью одного

варьируемого (практически с большими

Изобретение относится к электроизмерениям. Цель изобретения - повы- таение точности и чувствительности. Датчик содержит электродвигатель 1, генератор 2 опорного напряжения, измерительный электрод (Э) 3, на котором вьтолнены металлические выступы 4, экранирующий Э5, градуировочный Э 6 и металлический цилиндрический корпус 7, в котором размещены соосно Э 5, 6 и 3 в виде металлических дисков. Цель достигается за счет обеспечения практически полного подавления синфазной помехи, создаваемой посторонними потенциалами измерительного Э 3, и получения на выходе датчика неискаженного полезного сигнала,- создаваемого электрическим полем атмосферы. 1 ил. о (С

да 5 окажутся точно под секторными отверстиями градуировочного электрода 6, и будет, равна

C... . V 5-1,; .

«

Отсуда и получаем искомое соотношение для, значения вариационной составляющей йС емкости С

трудностями) параметра (h).

Формула изобретения

Датчик электрического поля атмосферы, содержащий электродвигатель, генератор опорного напряжения, свя- занньй с осью электродвигателя, s kpa- нирующий электрод, закрепленный на

оси электродвигателя перпендикулярно ей и размещенный между градуировоч- ным электродом и измерительным электродом параллельно им, экранирующий, градуировочный и измерительный электроды вьшолнены в виде металлических диодов радиуса R и размещены соосно в металлическом цилиндрическом корпусе, а Экранирующий и градуировочный электроды выполнены иден гичными с секторными .отверстиями, измерительный электрод изолирован от металлического цилиндрического корпуса и от оси электродвигателя и на нем выполнены мет,1ллические выступы, каждьй из которых ограничен плоскостью, параллельной плоскости измерительного электрода, и двумя плоскостями, проходящими через радиальные границы секториальных отверстий градуировоч- ного электрода перпендикулярно ему, экранирующий электрод соединен с металлическим цилиндрическим корпусом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, металлические выступы выполнены накладными и дополнительно ограничены двумя цилиндрическими поверхностями, соосными с осью приводного электродвигателя, при этом высота металлических выступов h и радиусы цилиндрических поверхностей г, и tj определяются соотношениями

Л If h О . г, R,.

d,+di-i/U7- -di)i-4d - - ,

i-RV(l rV-3- i u).

d,-h

dj-h

де d. d. расстояние между градуиро- вочным и измерительным электродами;

расстояние между экранирующим и измерительным электро- . дами;

- минимально допустимое расстояние от металлических выступов измерительного электрода до экранирующего электрода (определяется допуском изготовления).