Измеритель напряженности электрического поля Советский патент 1981 года по МПК G01R29/12 

(5) ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при реализации контроля окружающей среды на предприятиях, спутниках и космических кораблях, а также при различного рода исследованиях атмосферы.

Известно устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее источник потока электронов, выполненный в.виде нити катода, размещенной в цилиндре, приемник потока электронов, состоящий из токосъемных колец с центрами, смещенными на центральной оси, и блок регистрации. Отклонение потока электронов, обусловленное воздействием контролируемого электрического поля, определяется путем обнаружения кольца,бомбардируемого потоком электронов 13

Известное устройство имеет ряд недостатков. Во-первых, с помощью подобного устройства вследствие его цилиндрической формы контролируется ПОЛИ

ЛИШЬ часть электрического поля, присутствующая внутри прибора,что ограничивает пороговую чувствительность устройства Во-вторых, при изменениях тока эмиссии, вызванных колебаниями тока, протекакхцего по нити катода, либо изменениях поверхности нити катода или токосъемных колец имеет место дополнительная погрешность измерения электрического поля.

10 Кроме того, известное устройство неудовлетворительно работает при наличии внешнего ипи собственного магнитного поля, искривляющего траектории электронов, а также при токах

15 внешней плазмы, попадающей на приборс Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению

является измеритель напряженности электрического поля, содержащий

20 Источник потока электронов, выполненный в виде нити катода, цилиндрический ускоряющий электрод, одна половина которого выполнена сплошной, а другая - в виде сетки, приемник потока электронов, состоящий из токрсъемных электродов в форме изолированных металлических полосок,расположенных симметрично относительно нити катода и находящихся под положительным потенциалом. В указанном устройстве характеристики электрр;ческого поля фиксируются путем измерения тока на токо съемных электродах регистрирующим . прибором, подключенным к последним через усилитель 23. Недостатки известного устройства также связаны с погрешностью контроля при изменениях тока эмиссии, вызванны .колебаниями тока, протекащего по нити накала, неудовлетворительной , работой при наличии внешнего магнитного поля и токов внешней плазмы, Цель изобретения - повышение точности подобного измерительного устройства при его использовании как в земных условиях, так и в безвоздушном пространстве. Поставленная цель достигается тем что в измеритель напряженности электрического поля, содержащий расположенный в -металлическом корпусе источник потока электронов, функционально связанный с приемником потока электронов, СОСТОЯ1ЦЦ1М из приемных электродов, усилитель и регистрирующий прибор, введены компенсирующий электрод, модулирующий генератор, блок синхронного детектирования и два блока коррекции, источник потока электронов выполнен с системой коллимации потока, а приемник потока электронов заключен в металлический корпус с отверстием и снабжен разделительным экраном между приемными электродами, причем в качестве компенсирующего электрода использована пластина из магнитомягкогЬ материала с шириной, превышающей в несколько раз диаметр потока электронов, и длиной, близкой к расстоянию между корпусами источника и приемника потока электронов, установленная параллельно потоку и подключеная к выходу|усилителя, разделительный экран размещен вдоль потока электронов на одинаковом расстоя нии от приемных электродов, не превыц|аюЩ1ВМ половину диаметра потока, первый блок коррекции выполнен в виде коммутируемого блока питания повышенного напряжения и соединен с одним из управляющих входов источника ,потока электронов, второй блок коррекции выполнен в виде переключаемого блока памяти и установлен между выходом и соответствующим входом усилителя, блок синхронного детектирования включен между приемными электродами и усилителем, а выход модулирующего генератора соединен с другим управляющим входом источника потока электронов и тактовым входом блока синхронного детектирования. На чертеже приведена функциональная схема предложенного измеоителя напряженности электрического поля. Устройство содержит источник потока электронов с нитью катода 1, фокусирующим электродом 2, ускоряющим анодом 3, модулятором И и коллимирующим otвepcтиeм 5 (2-5 - система элементов)о Источник потока электронов расположен в металлическом корпусе 6 с .коллимирующим отверстием 7 Нить катода 1, фокусирующий электрод 2 и модулятор k соединены с блоком 8 питания Ускоряющий анод 3 через переключатель 9 подключен к блоку 10 питания и k блоку t1 питания повышенного напряжения. Переключатель 9 связан (например, индуктивно), с командным блоком 12, Корпус источника потока электронов закреплен на основании 13 На основании 13 установлен также приемник потока электронов,- заклю- ченный в металлический корпус с отверстием 15 и состоящий из приемных электродов 16 и 17 с разделительным экраном 18, В состав устройства входят также усилитель 19, компенсирующий электрод 20, блок 21 синхронного детектирования, модулирующий генератор 22 и блок 23 памяти с усилителями 2 и 25, переключателями 26 и 27, ключом 28 и. конденсаторами . Переключатели 26, 27 и ключ 28 связаны с командным блоком 12. Регистрирующий прибор, являющийся составным звеном устройства, на схеме не показан. При измерении напряженности электрического поля Е в условиях отсутствия внешних токов помехи и плазменных полей, функииональные блоки 21, 23, генератор 22 не используются, т.е. вход усилителя 19 подключается непосредственно к электродам 16 и17. При этом работа устройства происходит следующим образом. 5 Нить катода 1 излучает поток элект ронов, который, проходя систему элементов ,3,2 и 5 у скоряется до необходимой энергии и, линейно коллимируясь, направляется через отверстие 7в исследуемое пространство. Пролетая над электродом 20, поток через отверстие 15 попадает в торец экрана 18 и в предизмерителЬном цикле устрой ства делится на два равных потока, воспринимающихся электродами 16 и 17 При наличии равных токов на электродах 16 и 17 напряжение на выходе усилителя оказывается на нулевом уровне 8процессе измерения при воздействии коитролйруемого электрического поля с напряженностью Е, направленной по стрелке, показанной на чертеже, поток электронов отклоняется вверх, соотношение tokoB на электродах 16 и 17 ме няется, появляется напряжение соответ ствующего знака на выходе усилителя 19а Это н апряжение возрастает до тех пор покй не Достигнет величины,при которой поле от компенсирующего,элект рода 20 и внешнее поле уравновешиваются. Итоговый сигнал с выхода усили теля 19 отображающий напряженность контролируемого электрического поля, поступает на регистрирующий прибор. Искомая напряженность Е опредепвется как отношение зарегистриров 1шго напряжения к расстоянию от потока электронов до компенсирующего электрода 20, В результате длительной автономной работы устройства может произойти смещение нуля усилителя 19. Вследствие этого производится необходимая коррекция, сущность которой заключается S том, что ускоряющий анод 3, параллельно подключенный к блоку 10 питания с напряжением 100-1000 В по команде от блока 12 с помощью переключателя 9 переводится на блок 11 питания с напряжением в 10-100 раз большим. В результате этого происходит увеличение энергии потока в 10-100 раз и, как следствие, имеет место в 10-100 раз меньшее отклонение потока во внешнем поле. При этом накопленная ошибка уменьшается в несколько раз о Ряд последовательных коррекций позволяет вновь установить нуль устройства. При измерении напряженности электрического поля Е в условиях присутствия Внешних токов помехи и плазменных полей в схему устройства вводятся 3 ранее выделенные функциональные блоки 21, 23, генератор 22, При этом работа устройства происходит следующим образом. Промодулированный по току с помощью генератора 22 поток электронов из отверстия 7 пролетает над электродом 20 и попадает на электроды 16 и 17, разделившись на два равных потока экраном 18, Сигнал с электродов 16 и 17 подводится, в свою очередь, ко входу блока синхронного детектирования 21, В последнем осуществляется детектирование и выпрямление сигнала, Окончательное усиление постоянного напряжения производится усилителем 19, после чего оно через усилитель 2 с единичным коэффициентом усиления поступает на компенсирующий электрод 20 и в регистрирующий прибор, обеспечивая контроль напряженности Е электрическогб поля. Вместе с тем выходное напряжение усилителя 2k запоминается на конденсаторе 29 и подводится к одному из входов усилителя 25. При осуществлении коррекции по команде из блока 12 с помощью переключатели 26 к другому входу усилителя 25 подается новое напряжение, которое сравнивается с ранее зафиксированным. Полученная на выходе усилителя 25 разность напряжений через замкнутый.ключ 28 и переключатель 27 заряжает конденсатор 51. В это время к усилителю 24 подводится напряжение с конденсатора 30, После переключения устройства в рабочий режим все коммутирующие элементы возвращаются в положение, изображенное на чертеже. При этом к усилителю 2h подключается конденсатор 31V обеспечивая вычитание сигнала ошибки. Таким образом, точность измерения напряженности электрического поля по вышается за счет устранения ошибок, появляющихся из-за смещения нуля усилителей, например, вследствие изменения состояния источника потока электронов. формула изобретения Измеритель напряженности электрического поля, содержащий расположенный в металлическом корпусе источник потока электронов, функционально связанный с приемником потока электронов, состоящим из приемных электродов, усилитель и регистрирующий прибор, от личающийся тем, что, с

цепью повышения точности измерения,в него введены компенсирующий электрод, модулирующий генератор, блок синхронного детектирования и два блока коррекции, источник потока электронов, выполнен с системой коллимации потока, а приемник потока электронов заключен в металлический корпус, с отверстием и снабжен раздельным экраном между приемными электродами,причем в- качестве компенсирующего электрода использована пластина из магнитомягкого материала с шириной, превышающей в несколько раз диаметр потока .электронов, и длиной, близкой к расстоянию между корпусами источника и приемника потока электронов, установленная параллельно потоку и подключенная к выходу усилителя, раздельный экран размещен вдоль потока электроно на одинаковом расстоянии от приемных электродов, не превышающем половину диаметра потока, первый блок коррекции выполнен в аиде коммутируемого

блока питания повышенного напряжения и соединен с одним из управляющих входов источника потока электронов, второй блок коррекции выполнен в виде переключаемого блока памяти и установлен между выходом и соответствующим входом усилителя, блок синхронного детектирования включен между приемными электродами и усилителем, а выход модулирующего генератора соединен с другим управляющим входом источника потока электронов и тактовым входом блока синхронного детектирования.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № ,кло324-32 опублик. 1970.

2,Qgava H.S., Sellen I.W.; Cole R,K, Electron EmUslve lurface Electric, Revien Scientific Instril ments, 1376 38 tP 8, p. 1117-1123 (прототип).

S5