Цифровой электростатический самоградуирующийся вольтметр Советский патент 1989 года по МПК G01R29/12 G01R19/00 

Изобретение относится к контроль- но-измерит«льнЬй технике и может быть использовано для измерения элект ростатических потенциалов, напряжен- ностей электростатических полей.или зарядов.

Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измере-

НИИ.

. На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого цифрового электростатического вольтметра; на фиг. 2 - временная диаграмма работы вольтметра.

Устройство содержит (фиг,1) компенсационный электростатический датчик 1, первый выход которого соединен с входом усилителя 2, выход которого через последовательно соединенные . амплитудный детектор 3, нуль-орган Л соединен с третьим входом цифрового индикатора 5 и входом амплитудного детектора 6, выход которого через инвертор 7 подключен к первому входу элемента И8, выход которого подключён к входу триггера 9 переклкз- чения полярности, второй выход которо го подключен к входу индикатора 10 плюс, а первый выход - к входу индикатора 1 1 минус. Пятый вход переключателя 12 полярности соединен с входом индикатора 10, а первый вход переключателя 12 - .с входом индикатора 11. Первый и второй выходы распределителя 13 импульсов подключены к соответствующим входам первого RS- триггера 14.1, второй и третий выходы распределителя 13 импульсов подключены к первому и второму входам второго RS-триггера 14.2, (N- i) -и и N-й выходы распределителя импульсов подключены соответственно к первому и второму входам N-ro RS-триггера 14.N. Второй вход генератора 15 соединен с выходом делителя 16 частоты и входом распределителя 13 импульсов. Вход де

0

5

5

0

5

0

5

0

5

лителя 16 частоты подключен к выходу индикатора 5.

Выходы триггеров 14.7,... 14,N подключены соответственно к 4-му - N-ому входам коммутатора 17, первый, второй, третий входы которого соединены с соответствующими выходами блока 18 опорных напряжений, вход которого соединен с вторым выходом регулируемого источника 19 напряжения , первый выход которого подклю,чен к первому входу генератора 15 пилообразного напряжения, выход которого подключен к первому входу сумматора 20, второй вход которого соединен с выходом коммутатора 17, а выход - с входом датчика 1, Первый вход индикатора 5 подключен к первому входу триггера 14.1, а второй вход - к второму входу триггера 14.N и к второму входу элемента ИВ.

Компенсационный электростатический датчик 1 содержит эталонный электрод 21, соединенный с его входом, два плоских конденсатора, образованные неподвижными пластинами 22 и 23 и подвижными пластинами 24 и 25. Подвижные пластины 24 и 25 посажены на общую ось 26 вращения, механически связанную с приводным двигателем (не показан) и закрепленную в подшипниках 27 и 28. На подвижных пластинах смонтированы щтыри 29 и 30, которые образуют узкие зазоры между штырями 31 и 32 неподвижной заземленной пластины 33. В этих зазорах расположены катушки индуктивности 34 и 35, четьфе выхода которых соединены с

четырьмя выходами компенсационного

I

электростатического датчика 1. Расстояние между штырями подвижных пластин (по длине окружности) кратно

двум толщинам .штырей,

Устройство работает следующим образом.

Так как используемый цифровой индикатор 5 представляет собой типовой

импульсный преобразователь и содержит генератор стабильной частоты, то после установления датчика на контролируемый объект и включения питания напряжение Цц (фиг.1) генератора стабильной частоты из цифрового индикатра 5 поступает на вход делителя 16 частоты. В делителе 16 из напряжения

.ц формируется напряжение Ua , после дифференцирования которого па выход

.делителя 16 частоты поступают короткие импульсы Ug.Напряжение регулируемого источника 19 питания заданной величины поступает на вход генератора 15 пилообразного напряжения, который представляет собой типовой интеграто работающей в непрерывном режиме. Импульсы Ug из делителя 16 поступают на вход генератора 15 .пилообразного напряжения и практически мгновенно (в сравнении с длительностью Т) перидически разряжают емкость интегратора до нуля. На выходе генератора 15 пилообразного напряжения формируется напряжение U.Одновременно импульсы Ug в распределителе 13 импульсов формируются в периодические пачки (на фиг.2 в каждой пачке содержится по 6 импульсов) длительностью Т и поступают на выходе распределителя 13 импульсов. Первый импульс пачки (момент ) поступает в цифровой индикатор 5 и используется в нем для формирования временного интервала Ь(фиг.2), в течение которого в цифровом индикаторе производится счет импульсов генератора стабильной частоты, т.е. этот импульс используется

д

5 0

5

0

5

гер 14.1 открывает второй канал коммутатора 17,и на его выходе формируется напряжение уровня U. В последующие интервалы выходное напряжение коммутатора 17 нарастает ступенчато до уровня Аи. Так как интервалы вре-.1 мени Т строго калиброваны, то уровень пилообразного напряжения генератора 15 неизменный. Так как и генератор 15, и блок 18 опорных напряжений .питаются от регулируемого источника 19 питания, то обеспечивается нарастание пилообразного напряжения до уровня и,причем с изменением выходного напряжения регулируемого источника 19 питания соотношение между уровнем пилообр азного напряжения и уровнем ступеньки не изменяется. Это используется в сумматоре 20, в котором из суммы пилообразного напряжения генератора 15 и и ступенчатого напряжения и 1 коммутатора 17 формируется выходное линейное пилообразное напряжение UQ.Седьмой, последний импульс пачки (полная длительность пачки Т, фиг.2) используется для восстановления исходного состояния цифрового индикатора 5, ас восьмого импульса процесс формирования пилообразного на™ пря ;;екия большой амплитуды (в рассмотренном примере 5U) повторяется в той же последовательности. Из изложенного следует, что при использовании большого количества импульсов в пачке уровень выходного напряжения сумматора 20 может быть больше 5U, .фичем, даже не изменяя количества импульсов в пачках, этот уровень мо

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения электростатических полей и зарядов. Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений. Устройство содержит компенсационный электростатический датчик 1, усилитель 2, детекторы 3,6, нуль-орган 4, цифровой индикатор 5, инвертор 7, элемент И 8, триггер 9 переключения полярности, индикаторы "плюс" 10 и "минус" 11, переключатель 12, распределитель 13 импульсов, RS-ТРИГГЕРЫ 14₁...14_N, ГЕНЕРАТОР 15 ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕЛИТЕЛЬ 16 ЧАСТОТЫ, КОММУТАТОР 17, БЛОК 18 ОПОРНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, РЕГУЛИРУЕМЫЙ ИСТОЧНИК 19 НАПРЯЖЕНИЯ, СУММАТОР 20. ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ ДОСТИГАЕТСЯ ЗА СЧЕТ ДОПОЛНИТЕЛЬНО ВВЕДЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ. 2 З.П.Ф-ЛЫ, 2 ИЛ.

для определения начала работы счетчи- д широко регулироваться за счет

ка. Последний, шестой импульс пачкиизменения величины выходного напрятакже поступает в цифровой индикаторжения регулируемого источника 19 пи5 используется в нем для восстановле-тания, т.е. за счет изменения угла

ния нулевого (исходного) состояниянаклона результирующего пилообразносчетчика. Далее импульсы распределите-дсго напряжения Uo. ля 13 импульсов поступают парами на входы N RS-триггеров 14.1...14.N, на выходе которых формируются импульсы

Выходное напряжение сумматора 20 поступает на эталонный электрод 21 компенсационного электростатического датчика 1. Так как эталонный электрод 21 емкостно связан с неподвижной пластиной 22 плоского конденсатора, образованного пластинами 22 и 24 (через воздушный промежуток или про слойку диэлектрика), то в соответст- с законом электростатической индукции на штырях 29 и пластине 24 появляется индукцированный э.пектро- статический заряд тбго же знака, что ri на эталонном электроде 21. Анало

длительностью Т . От регулируемого источника 19 питания напряжение требуемого уровня поступает на вход блока. 18 опорных напряжений, представляющего собой делитель напряжения яа резисторах. Первый импульс RS-тригге- ра 14.1 открывает первый канал комму- татора 17 и на его выходе в течение вр емёни Тд существует первьй, нулево й уровень напряжения U (фиг.2, пунктир В следующий интервал времени Т триг

го напряжения Uo.

вии

Выходное напряжение сумматора 20 поступает на эталонный электрод 21 компенсационного электростатического датчика 1. Так как эталонный электрод 21 емкостно связан с неподвижной пластиной 22 плоского конденсатора, образованного пластинами 22 и 24 (через воздушный промежуток или прослойку диэлектрика), то в соответст- с законом электростатической индукции на штырях 29 и пластине 24 появляется индукцированный э.пектро- статический заряд тбго же знака, что ri на эталонном электроде 21. Аналогично рассмотренному, за счет емкостной связи подвижной пластины 24 с контролируемым объектом конденсатора, образованного пластинами 23 и 25,на штырях 30 ,пластины 25 появляется заряд того же знака, 4fo и ни поверхности контролируемого объекта. При вращении оси 26 в подшипниках 27 и 28 подвижные пластины 24 и 25, вра- щаясь, периодически перемещаются своими штьфями 29 и 30 напротив неподвижных штырей 31 и 32 заземленной пластины 33 и на штырях 31 и 32 также возникают индуцированные электро- I статические заряды противоположных знаков. Таким образом, в зазорах между штьфями 31, 29 и 30, 32 при вращении возникает изменяющееся электромагнитное поле, так как, во-пер- вых, концы штырей имеют заряды противоположных знаков и перемещаются друг относительно друга, т.е. они образуют динамический конденсатор, а при неизменном заряде и изменяющейся емкости С напряжение изменяется, т.е. в зазоре изменяется электрическое поле и, во-вторых, сами заряды на штьфях 29 и 30 двигаются с центро- стремительньп«5и ускорениями. Это в соответствии с законом электромагнит- ной индукции приводит к излучению электромагнитной энергии. В силу этого в катущках 34 и 35 индуктивности возникает ЭДС индукции. В каящой катушке индуктивности магнитный поток за счет пробегающих штьфей нарастает от О до максимума и падает до нуля. Так как ЭДС в катущке пропорциональна производной от потока, то при вращении оси 26 и повороте на один щтьфь в катушках 34 и 35 возникает по одному двухполярному импульсу, амплитуда которого пропорциональна заряду на соответствующем штьфе. Таким образом, амплитуды ЭДС, возникающие в катушках 34 и 35 пропорциональны потенциалам эталонного электрода и контролируемого объекта. Если вращающиеся пластиныу штыри, катушки и не- подвижная пластина симметричны, то при встречном включении катушек 34 и 35 и равенстве потенциалов эталонного и контролируемого объекта результирующая разность потенциалов, независимо от нестабильности скорости вращения оси или абсолютного значения чувствительности кат-ушек ин- дукт вности, будет равной нулю.

Q 5 0 5 0 д

5

На фиг. 2 показано, что разностное выходное напряжение компенсационного электростатического датчика 1 Up при потенциале контролируемого объекта Uj и изменении потенциала контролируемого объекта по закону U и вращении оси 26 изменяется в сторону уменьшения и при t t,, равно 0. При этом предполагается, что полярности напряжений эталонного электрода и контролируемого объекта, а также положение переключателя 12 полярности таково, что обеспечивается встречное включение напряжения катушек 34 и 35 индуктивности. За время одного цикла измерения Т„ напряжение U- только раз обращается в нуль при (по истечении времени Тр характер изменения Up повторяется аналогично). Если после усиления напряжения Up усилителем 2 выделить с помощью амплитудного детектора 3 его огибающую Up и подать напряжение огибающей на нуль-орган 4, то с помощью последнего можно вьще- лить импульс U(,T.e. можно измерить интервал времени t. Напряжение U«о поступает в цифровой индикатор 5 и прекращает работу счетчика импульсов. Так как напряжение эталонного электрода увеличивается от О по линейному закону до равенства U U то, независимо от характера изменения чувст- ,вительности датчика 1 по рабочему диапазону (чувствительность постоянна иЛи изменяющаяся), напряжение Up Uj t, т.е. в счетчике будет зарегистрировано количество импульсов, пропорциональное измеряемому напряжению U.

Работа автоматического переключателя полярности заключается в следующем .

Напряжение нуль-органа 4 поступа- , ет на второй амплитудный детектор 6, с выхода которого поступает на вход инвертора 7. Если, обмотки включены встречно (полярность включена правильно) , то UMO О и на выходе инвертора 7 напряжение отсутствует. Так как выходное напряжение инвертора 7 поступает на один из входов элемента И8, то при его отсутствии с приходом седьмого выходного импульса пачки распределителя импульсов 13 на выходе элемента И8 напряжение отсутствует и триггер 9 переключения полярности, работающий в счетном режиме, не переключается. Если полярность включена ,

неправильно, то О,напряжение на выходе инвертора 7 есть и с приходом седьмого импульса пачки выходное напряжение элемента И8 поступает на триггер 9 переключения полярности и переключает его в другое состояние. Выходное напряжение триггера 9 поступает на входы индикатора 10 плюса, индикаторов 11 минуса, а также на входы переключателя 12 полярности меняет показания индикаторов и включает напряжения катушек индуктивности встречно. При правильном включении полярности система автоматического переключения полярности отключается.

Таким образом, за счет дополнительно введенных элементов, обеспечиваю- пщх компенсационный метод измерения

напряженности электростатических полей, достигнута высокая точность / измерения и расширен диапазон измерения .

Формула изобретения

введены компенсационный электроста- . напряжений,первый, второй,, третий

выходы которого соединены с соответствующими входами коммутатора, первый и второй входы индикатора подключены, соответственно, к первому и N-му вытический датчик, второй амплитудный детектор, переключатель полярности, инвертор, элемент И, триггер переключения полярности, индикаторы плюса и минуса, делитель частоты, распреде- дд ходам распределителя импульсов, литель импульсов, N RS-триггеров, 2. Вольтметр поп.1, отличаю- регулируемый источник напряжения, щ и и с я тем, что компенсационный блок опорных напряжений, коммутатор, электростатический датчик содержит сумматор, причем первый выход компен- эталонный электрод, соединенный с сационного электростатического датчи- «с входом компенсационного электростатика соединен с усилителем, а три ос- ческого датчика, и два плоских кон- тальные - с соответствующими входами денсатора, одни пластины которых переключателя полярности, первый емкостно связаны с эталонным электровход которого подключен к входу инди- дом и измеряемым объектом, а две катора Минус и первому выходу д другие пластины посажены на общую триггера переключения полярности, вто- ось вращения и емкостно связаны с рой выход которого соединен с входом

индикатора Плюс и пятым входом переключателя полярности, вход триггера переключателя полярности подключен к выходу элемента И, первый вход

55

заземленной пластиной и двумя катушками индуктивности, четыре вывода которых соединены соответственно с четырьмя выходами электростатического датчика.

5

которого подключен к выходу инвертора, а второй вход - к N-му выходу рас пределителя импульсов, выход индикатора через делитель частоты соединен с входами генератора пилообразного напряжения, и распределителя импульсов, первьй и второй выходы которого подключены к соответствующим входам первого RS-триггера, второй и третий выходы распределителя импульсов подключены к первому и второму входам второго RS-триггера, (Н-1)-й и N-й выходы распределителя импульсов подключены соответственно к первому и второму входам N-ro RS-триггера, выходы с первого по N-й RS-триггеров подключены, соответственно к входам с четвертого по N-й коммутатора, выход которого соединен с вторым входом сумматора, первый вход которого подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, а выход - к входу компенсационного электростати5 ческого датчика, выход усилителя через первый амплитудный детектор, нуль- орган, подключен к третьему входу цифрового индикатора и к входу второго амплитудного детектора, выход которо0 го подключен к входу инвертора, первый и второй выходы регултфуемого кс- .точника напряжения подключены соответственно к входам генератора пилообразного напряжения и блока опорных

0

выходы которого соединены с соответствующими входами коммутатора, первый и второй входы индикатора подключены, соответственно, к первому и N-му выходам распределителя импульсов, 2. Вольтметр поп.1, отличаю- щ и и с я тем, что компенсационный электростатический датчик содержит эталонный электрод, соединенный с входом компенсационного электростатического датчика, и два плоских кон- денсатора, одни пластины которых емкостно связаны с эталонным электродом и измеряемым объектом, а две другие пластины посажены на общую ось вращения и емкостно связаны с

дд ходам распределителя импульсов, 2. Вольтметр поп.1, отличаю щ и и с я тем, что компенсационный электростатический датчик содержит эталонный электрод, соединенный с «с входом компенсационного электростати ческого датчика, и два плоских кон- денсатора, одни пластины которых емкостно связаны с эталонным электро дом и измеряемым объектом, а две д другие пластины посажены на общую ось вращения и емкостно связаны с

55

заземленной пластиной и двумя катушками индуктивности, четыре вывода которых соединены соответственно с четырьмя выходами электростатического датчика.

1 k К k t

Хи 1хПх1хП/