Датчик измерителя напряженности электрического поля в среде Советский патент 1992 года по МПК G01V3/00 G01R29/12 

Изобретение относится к устройствам для измерения напряженности электростатических и квазистатических полей и может быть использовано при геологоразведке, а также при экспериментальных исследованиях атмосферы.

Известно устройство, использующее динамический метод изменения напряженности электрического поля, основанный на применении электростатических генераторов, где изменение поля осуществляется за счет вибраций одной из пластин плоского воздушного конденсатора. Круглая мембрана раскачивается электромагнитом. При вибрации мембраны поле вокруг измерительной пластины, имеющей те же размеры, что и мембрана, соответственно меняется и. заряд, наведенный на измерительной пластине, что создает падение напряжений на резисторе, соединяющем измерительную пластину с корпусом устройства.

Недостатком устройства такого типа является наличие подвижного вибрирующего элемента и электромагнита (источника паразитных наводок). На устойчивость работы прибора влияют изменения контактной разности потенциалов между пластинами. Существенно осложняет применение вибрационных динамических конденсаторов трудность раскачки пластины большой поверхности с достаточными амплитудой и частотой. Практически в известных конструкциях электрометров полезная площадь колеблющейся пластины составляет 1-2 см2 при частоте вибрации порядка 100 Гц. При таких параметрах генератор вырабатывает относительно малые токи, поэтому в усилителях приходится использовать каскады в электрометрическом режиме.

Наиболее близким техническим решением является устройство, использующее метод периодического экранирования приемного электрода, содержащее корпус, электродвигатель, верхнюю и нижнюю электропроводящие пластины, образующие воздушный конденсатор переменной емкости, усилитель, где вращающийся с помощью

О

электродвигателя заземленный экран (круглая электропроводящая пластина с вырезами в виде равных секторов) периодически закрывает от поля приемный электрод, выполненный так же, как и экран. Напряжение на приемном электроде периодически меняется от нуля, когда электрод закрыт, до значения потенциала данной точки поля. Это переменное напряжение усиливается усилителем и измеряется входным прибо- ром, который градуируется в единицах напряженности электрического поля.

Недостатком таких устройств является высокий и нестабильный уровень шумов, обусловленный принципиальной необходи- мостью заземления вращающегося экрана на корпус устройства. Контактная разность потенциалов между валом двигателя, на котором установлен экран, и материалом контакта заземления, неустойчивость контакта заземления с увеличением оборотов двигателя, загрязнение вала и изменение переходного сопротивления и ухудшение качества заземления создают паразитные сигналы, которые в конечном итоге опреде- ляют шумы такого устройства, избавиться от которых без принципиальных изменений в устройстве не представляется возможИ«М. /.- ...... ,.

Целью изобретения является повыше- ние чувствительности и надежности работы датчика.

На чертеже представлена схема предлагаемого датчика.

Датчик измерителя напряженности электрического поля в среде содержит экранирующую пластину 1, измерительную пластину 2, слой 3 диэлектрика, изолятор 4, электронный ключ 5, резистор 6, усилитель

7и корпус 8, причем Измерительная пласти- на 2 через изолятор 4 укреплена на корпусе

8и соединена с последним через резистор 6, подключенный к входу усилителя 7, выход которого служит выходом датчика, а экранирующая пластина 1 через электронный ключ 5 соединена с корпусом 8.

Датчик работает следующим образом.

Пластина 1 периодически с заданной частотой замыкается с помощью электронного ключа 5 с корпусом 8 датчика. В момент времени, когда ключ 5 замкнут, пластина 1 экранирует измерительную пластину 2 от внешнего измеряемого электрического поля Е, а в момент времени, когда ключ 5 разомкнут, пластина 1 по отношению к электрическому полю Е прозрачна, и На измерительной пластине 2 в соответствии с результирующей емкостью индуцируется поверхностный заряд, пропорциональный измеряемому полю Е. Описанные процессы

периодически повторяются, и на сопротивлении R резистора 6 появляется переменное падение напряжения, которое усиливается с помощью усилителя 7 и поступает на выход датчика.

Если процесс замыкание - размыкание ключа 5 осуществлять периодически и непрерывно, то по сопротивлению R будет все время течь переменный ток I.

Протекающий по сопротивлению ток создается падение напряжения

R « Т {1)

где Q - заряд пластины;

t-текущее время.

С другой стороны, ток по сопротивлению создается за счет разности потенциалов между измерительной пластиной 2 и землей. Потенциал измерительной пластины 2 в какой-либо момент времени складывается из двух частей: из потенциала Vi, который приобретает металлическая пластина 2, внесенная в электрическое поле, этот потенциал связан с напряженностью поля Е соотношением

:: :i - - где S - площадь измерительной пластины 2; С - емкость измерительной пластины 2 по отношению к земле (эта величина также, очевидно ч меняется по времени), и из потенциала V2, который создает заряд Q, появившийся за счет тока, текущего по сопротивлению R на пластину 2, Этот потенQ :.., 1 - тяг. Очевидно, что потенцициал равен V2:

ал, создаваемый зарядом О, по знаку противоположен потенциалу, создаваемому полем. Можно, следовательно, написать

Vi-Vi-rR или

i-s a

(3)

4я-С Данное уравнение можно переписать в виде

c«i . йТ

ES

0

RC 4лгНС Решение этого уравнения дает

Qeej:iV(

И)

/4L3 RC

4JtRC

и

Хе . cp/t-fB), где В-постоянная интегрирования.

Значение тока можно вычислить из выражения

,.««э 1 гг

Чтобы решить задачу о связи с Е и параметрами генератора, решения уравнения (4) проводят отдельно для промежутка времени, когда измерительная пластина 2 открывается, и для промежутка времени, когда она закрывается. Если ключ 5 размыкается, то измерительная пластина 2 открывается и емкость С измерительной пластины 2 изменяется следующим образом

С-Смакс±Кт,(6)

где К - (Смжс - Со) f,Со и Смжс соответственно минимальная и максимальная емкости пластины 2;

f - частота замыкания - размыкания ключа 5.

Решая уравнение (4), получим следующее выражение для тока 10, протекающего через сопротивление R при разомкнутом ключе 5,

- E -So f У 1 п i

In

KR + 1

В

R -Co

1+Ј-0

KR

-1

,(7)

где So - эквивалентная площадь пластины 2 при разомкнутом ключе 5, определяемая из соотношения S - So f t, В -постоянная интегрирования.

Если ключ 5 замыкается, то измерительная пластина 2 закрывается, и в этом случае решение уравнения (4) для тока 13, протекающего через сопротивление R при замкну- том ключе 5, имеет вид

Е -S -f

1

In

KR + 1

В

P+Ј t)

1

KR

-t

(8)

0

5

0

5

R Co v Со Таким образом, обеспечение периодического экранирования электрического поля неподвижными пластинами 1 и 2, разделенными слоем 3 диэлектрика, с помощью электронного ключа 5, дает возможность повысить надежность работы датчика, увеличить коэффициент модуляции в датчике, что увеличивает его предельную чувствительность./ Формула изобретения Датчик измерителя напряженности электрического поля в среде, содержащий корпус, на котором укреплена через изолятор электропроводящая измерительная пластина, соединенная через резистор с корпусом, а также электропроводящую экранирующую пластину и усилитель, вход которого соединен, с резистором, а выход служит выходом датчика, отличающий- с я тем. что. с целью повышения чувствительности и надежности работы, в него дополнительно введен электронный ключ, включенный между экранирующей пластиной и корпусом, причем обе пластины-выполнены сплошными, неподвижными и разделены слоем диэлектрика.

Изобретение относится к устройствам для измерения напряженности электростатических и квазистатических полей и может быть использовано при геоэлектроразведке, а также при экспериментальных исследованиях атмосферы. Цель изобретения - повышение чувствительности и надежности; датчика в работе. Эта цель достигается тем, что производится периодическое экранирование электрического поля неподвижными электродами, разделенными диэлектриком, с помощью электронного ключа, подключенного между экранирующим электродом и корпусом датчика. 1 ил.

IIHIHL