Устройство для измерения высокого напряжения Советский патент 1980 года по МПК G01R15/00 G01R19/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при контроле постоянного/, медленноменяющегося и первменного напряжения промышленной частоты. Известно устройство для измерения высокого напряжения по абсолютному методу, выполненное на основе фазометра и пролетного усилителя, включенного в цепь высокочастотного генератора и связанного по модулирующему входу с источником контролируемого напряжения 1. Недостаток известного устройства связан с его весьма ограниченными функциональными .возможностями, Наиболее близким техническим решением к данному изобретеншо являет ся устройство для измерения высокого напряжения, содержащее помещенные и вакуумный объем источник заряженных частиц, ускоряюцдай электрод и .модулятор, подключенный к высокочас тотному генератору f2. Указанное устройство также реали зует абсолютный метод измерения, од нако, позволяет контролировать этим методом лишь дискретные значения постоянного высокого напряжения, при которых на пролетной длине входящего в устройство резонатора укладывается точно нечетное число полупериодов модулированной плотности тока в пучке. Неодинаковые величины токов пучка в области входного и выходного зазоров резонатора из-за неизбежных потерь доли тока в дрейфовом пространстве являются существенным фактором, ограничивсиощим точность устройства. Необходимость же определения величины отношения этих токов при калибровке устройства усложняет процедуру измерения и отрицательно сказывается на Ьбщем времени измерения. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия подобного измерительного устройства. Поставленная цель достигается гем, что устройство для измерения высокого напряжения, содержащее помещенные в вакуумный объем источник заряженньис частиц, ускоряющий электрод и модулятор, подключенный к высокочастотному генератору, снабжено генератором прямоугольных импульсов, фазометрическим блоком, формирователем импульсов, ключом и счетчиком, а в вакуумный объем дополнительно

введены два размещенных друг от друга токосъемных датчика, первый из которых, расположенный ближе к модулятору, выполнен с-отверстием в центре, причем синхронизирующий вход генератора прямоугольных импульсов подключен к выходу высокочастотного генератора, а выход - ко входу модулятора, входы фазометрического блока соединены с выходами обоих токосъемных датчиков, вход формирователя/ импульсов подключен к Первому токосъемному датчику, а выход - к управляющему входу ключа, информационный вход ключа соединен со вторым токосъемным датчиком, а выход - со входом счетчика,

На чертеже представлен общий вид предложенного устройства- для измерения высокого напряжения.

Устройство имеет вакуумный объем 1, в котором размещены источник заряженных частиц (эле.ктронов или ионов) 2 с выводом 3 для подключени измеряемого напряжения, ускоряющий электрод 4, электроды модулятора 5, токосъемные датчики б и 7, выполненные в виде плоских пластин, установленных перпендикулярно оси системы на известном расстоянии друг от друга. Датчик 6 имеет в центре отверстие для пропускания пучка. Ускоряющий электрод 4 и один из электродов модулятора 5 заземлены на корпус, датчики б и 7 нагружены на сопротивления в и 9. К электродам модулятора 5 подключены стабилизированный высокочастотный генератор 10 и генератор прямоугольных импульсов И с относительно низкой частотой следования. Между выходами датчиков б и 7 включен фазометрический блок 12, Кроме то.го, вьйход датчика 6 соединен с блоком формирования импульсов 13, упраляющим ключом 14, через который производится коммутация выхода датчика 7 на вход электронного счетчика 15,

Устройство работает следующим образом,

Измер1яемое высокое напряжение прикладывается между источником 2 (вывод 3) и ускоряющим электродом 4, Пучок частиц из источника 2 ускоряется и после прохождения через Отверстие в электроде 4 имеет энергию, определяемую приложенной разностью потенциалов, В пространстве между электродами модулятора 5 на пучок воздействует поперечное знакопеременное во времени электрическое полеiизвестной частоты f, задаваемое от стабилизированного генератора 10,

. Токосъёмный датчик 6 одновременно является выходной диафрагмой модулятора 5, в его отверстие попа дают лищь те частицы, которые прошли модулятор 5 в моменты времени, соответствующие .нулевым или близким к ним значениям поля. За датчиком б вдоль оси системы распространяется модулированный удвоенный - частотой пучок, ток которого регистрируется датчиком 7,

На электроды модулятора 5 от генератора 11 периодически подается прямоугольный импульс с амплитудои, превышающей амплитуду генера тора 10, момент включения которого синхронизирован с моментом максимума напряжения обратной полярности генератора 10, Этот импульс запирает пучок на время, определяемое длительностью пульса.

Последовательности импульсов с датчиков б и 7 сдвинуты во времени относительно друг друга на интервал, равный времени пролета частицами

0 заданного расстояния L между датчиками. Измерив величину этого фазового сдвига, можно определить скорость частиц пучка и соответствующее ей значение приложенного напряжения,

C в общем случае набег фазы & равен целому числу N полных периодов плюс некоторый сдвиг&© , не прерывающий одного периода,

Сдвиг по фазе в пределах одного периода измеряется фазометрическим

D блоком 12, который включает в себя фильтры для выделения первых гармоник сигналов, равных удвоенной частоте генератора 10 и фазоизмерительную схему с индикатором.

Для измерения целого числа N периодов модуляции в пучке, укладываю-, щихся на пролетной длине, используется электронный счетчик 15, включаемый на датчик 7 через управляемый тслюч 14, Открывание и закрывание ключа 14 производится импульсами с .формирователя 13, входной каскад которого содержит дифференцирующую

5 цепь исхему выделения экстремальных значений. Формирователь 13 выделяет из последовательности сигналов с датчика 6 сигналы - метки, соответствующие фронтам запирающего прямоуQ гольного импульса с генератора 11, которые имеют большую производную, и вырабатывает на выходе управляющие импульсы. Время нахождения ключа 14 вОткрытом состоянии определяется

- длительностью прямоугольного импульса, которая может быть произвольной, но-должна превышать время пролета, соответствующее нижнему пределу диапазона измеряемых напряжений, Если время запаздывания момента открывания ключа 14 относительно сигналаКлетки выбрано равным половине периода основного модулирующего напряжения, число сосчитанных сметчиком 15 импульсов будет равно числу N

5 полных периодов модуляции в пролетном пространстве (будут сосчитаны (N - 1) период плюс сигнал-метка). При измерении постоянного напряж ния генератор 11 работает в режиме с низкой частотой повторения и большой скважностью. Величина N определяется по показаниям индикатора счетчика 15, как среднее за время измерения, кратное известному числу периодов повторения. При измерении медлен иомен ЯЮ1ДИХС я напряжений частота следования генератора 11 выбирается такой, чтобы харак терное время изменения напряжения н величину, вызывающую изменение N на единицу, превышало несколько периодов повторения прямоугольных импуль сов. Предложенное устройство позволяет измерять и переменное высокое напряжение промьшшенной частоты одной полярности. При этом, помимо соответствующего подбора частот модулирующих генераторов, необходимо также применение запоминающих регистрирующих устройств на выходах фазометрического блока 12 и электро ного счетчика 15, Скорость пучка выражается через измеряемые величины следующим образом : IfL Для нахождения значения измеряем го напряжения с высокой-точностью необходимо в общем случае пользоваться зависимостью с учетом релят вистских эффектов: Ы}4 Точностные характеристики предл гаемого устройства для абсолютных измерений высокого напряжения опре деляется погр-ешностями, с которыми известны частота модуляции, пролет ная длина и может быть измерен фазовый сдвиг. Входящие в формулу фундаментальные константы (скорост света с, масса покоя MO и заряд частиц Z) известны с погрешностью порядка 10 или меньшей. Частота м дулядии и пролетное расстояние мог быть заданы с погрешностью такого же порядка. Погрешность измерения Фазы при заданных параметрах устро ства растет с увеличениемизмеряемо напряжения, Эта погрешность может быть уменьшена путем соответствующ выбора параметров устройства, обес чивающих большое время пролета, либо за счет повышения частоты модуляции или выделения более высоких гармоник сигналов с датчика 6 и 7, Больш-ие времена пролета могут быть обеспечены при использовании источников тяжелых ионов. Однако относительно большой разброс начальных скоростей в ионных источниках по сравнению с электронными пушками ограничивает возможности повышения точности таким путем. Выбор оптимальных параметров устройства и типа источника для обеспечения высокой точности определяется диапазоном измеряемых напряжений. По предварительным оценкам, погрешность измерения высокого напряжения предлагаемым устройством может не превышать тысячных долей процента, Формула изобретения Устройство для измерения высокого напряжения, содержащее помещенные в вакуумный объем,источник заряженных частиц, ускоряющий электрод и модулятор, подключенный к высокочастотному генератору, о т л и чающееся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, оно снабжено генератором прямоугольных импульсов, фазометрическим блоком, фор алрователем иьтульсов, ключом и счетчиком, а в вакуумный объем дополнительно введены.два разнесенных друг от друга токосъемных датчика, первый из которых, расположенный ближе к модулятору, выполнен с отверстием в центре, причем синхронизирующий вход генератора прямоугольных импульсоВ подключен к выходу высокочастотного генератора, а выход - ко входу модулятора, входы фазомзтрического блока соединены с выходами обоих токосъем 1ых датчиков, вход формирователя импульсов подключен к первому токосъемному датчику, а выход - к управляющему входу ключа, информационный вход ключа соединен со вторым токосъемным датчиком, а выход - со входом счетчика. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Авторское свидетельство СССР № 176962, кл. G ОХ R 19/18, 1965, 2,Бровченко В,Г. и др. Электронные устройства на электростатических ускорителях, Атомиэдат М,, 1968, с, 108.