[1]Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля различных заряженных материалов и изделий.
[2]Известен измеритель напряженности электрического поля, содержащий чувствительный электрод, усилитель и индикатор. Чувствительный электрод установлен в отверстии металлического корпуса и соединен через усилитель с индикатором (SU 464872, 25.03.1975). Этот измеритель за счет неподвижного чувствительного электрода измеряет только напряженность переменных электрических полей, создаваемых изменяющимися электрическими зарядами заряженных тел и поверхностей. Данное устройство не позволяет измерять напряженность постоянных и медленно меняющихся электрических полей, создаваемых статическими зарядами неподвижных тел и поверхностей.
[3]Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является измеритель напряженности электрического поля, построенный по принципу электростатического генератора. Он содержит чувствительный и экранирующий электроды, усилитель, синхронный детектор, фильтр нижних частот, электромеханический привод и генератор. Чувствительный электрод подключен через усилитель к измерительному входу синхронного детектора, выход которого через фильтр нижних частот соединен с индикатором. Выход генератора подключен к электромагнитному приводу и к управляющему входу синхронного детектора. Экранирующий электрод, механически связанный с электромеханическим возбудителем, установлен с возможностью экспонирования чувствительного электрода в исследуемом электрическом поле (US 4763078, 9.08.1988; US 5489850, 6.02.1996; RU №2414717, 18.01.2010). В данном измерителе экранирующий электрод за счет электромеханического привода колеблется с частотой генератора, изменяя при этом степень электростатической связи чувствительного электрода с исследуемым электрическим полем, благодаря чему на чувствительном электроде наводится переменный электрический заряд, пропорциональный напряженности электрического поля. Наведенный заряд затем преобразуется усилителем, синхронным детектором и фильтром нижних частот в постоянное напряжение, величина которого пропорциональна напряженности измеряемого электрического поля, а знак - его полярности.
[4]Данное устройство может измерять напряженность постоянных и медленно меняющихся электрических полей, создаваемых статическими зарядами неподвижных заряженных тел и поверхностей. Быстро изменяющиеся электрические поля, имеющие частоту выше, чем частота колебаний экранирующего электрода, данный измеритель измерять не может. Это является существенным недостатком измерителя.
[5]Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключаются в увеличении широкополосности измерителя и увеличении чувствительности измерителя при измерении постоянных и медленно меняющихся электрических полей.
[6]Ожидаемый технический результат достигается тем, что в измеритель напряженности электрического поля вибрационного типа, содержащий чувствительный и экранирующий электроды, усилитель, синхронный детектор, фильтр нижних частот, генератор, электромеханический привод, механически связанный с экранирующим электродом, и индикатор, выход генератора подключен к электромеханическому приводу и управляющему входу синхронного детектора, дополнительно введены второй чувствительный электрод и второй усилитель, причем чувствительные электроды установлены в одной плоскости с зазором симметрично относительно экранирующего электрода, при этом вибрирующая часть экранирующего электрода в одном крайнем положении электростатически связана с локальным участком первого чувствительного электрода, а в другом крайнем положении электростатически связана с локальным участком второго чувствительного электрода, площади локальных участков чувствительных электродов, прилегающие к зазору, установлены равными между собой и имеют значения больше нуля, но меньше полных площадей чувствительных электродов, обращенных в сторону исследуемого поля, кроме того, первый усилитель выполнен дифференциальным, а второй усилитель - суммирующим, первый и второй чувствительные электроды подключены к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального усилителя, выход которого соединен с измерительным входом синхронного детектора, причем первый и второй чувствительные электроды подключены соответственно к первому и второму входам суммирующего усилителя, выход синхронного детектора через фильтр нижних частот соединен с третьим входом суммирующего усилителя, выход которого подключен к индикатору.
[7]Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1, на фиг. 2 показаны временные диаграммы электрических сигналов на выходах чувствительных электродов 1, 2, усилителей 4, 5, фильтра нижних частот 7 при воздействии на измеритель постоянных и переменных электрических полей.
[8]Измеритель напряженности электрического поля вибрационного типа (фиг. 1) содержит чувствительные электроды 1 и 2, экранирующий электрод 3, усилители 4 и 5, синхронный детектор 6, фильтр нижних частот 7, генератор 8, электромеханический привод 9, механически связанный с экранирующим электродом 3, и индикатор 10. Выход генератора 8 подключен к электромеханическому приводу 9 и управляющему входу синхронного детектора 6. Чувствительные электроды 1 и 2 установлены в одной плоскости с зазором 11 симметрично относительно экранирующего электрода 3. Вибрирующая часть экранирующего электрода 3 в одном крайнем положении электростатически связана с локальным участком 12 первого чувствительного электрода 1, а в другом крайнем положении электростатически связана с локальным участком 13 второго чувствительного электрода 2. Площади локальных участков 12 и 13 чувствительных электродов 1 и 2, прилегающие к зазору 11, установлены равными и имеют значения, большие нуля, но меньшие полных площадей чувствительных электродов 1 и 2, обращенных в сторону исследуемого поля. Усилитель 4 выполнен дифференциальным, а усилитель 5 - суммирующим. Чувствительные электроды 1 и 2 подключены к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального усилителя 4 и к первому и второму входам суммирующего усилителя 5. Выход дифференциального усилителя 4 соединен с измерительным входом синхронного детектора 6, выход которого через фильтр нижних частот 7 соединен с третьим входом суммирующего усилителя 5, выход которого подключен к индикатору 10.
[9]Измеритель напряженности электрического поля работает следующим образом.
[10]При воздействии на измеритель постоянного электрического поля, имеющего напряженность E(t)=E=, экранирующий электрод 3, совершающий при помощи электромеханического привода 9 периодические колебания поперек зазора 11, поочередно изменяет напряженность электрического поля у локальных участков 12, 13 чувствительных электродов 1, 2. Благодаря этому на локальных участках 12, 13 наводятся переменные электрические заряды q12, q13, пропорциональные величине напряженности электрического поля Е= и площадям локальных участков 12, 13. Причем амплитуды и частоты наведенных зарядов q12, q13 равны, а фазы отличаются на 180° (фиг. 2, а). Противофазные переменные заряды q12, q13 поступают на инвертирующий и не инвертирующий входы дифференциального усилителя 4, который, преобразуя и суммируя их, вырабатывает переменное напряжение U4 с амплитудой, пропорциональной напряженности электрического поля Е=. Переменное напряжение U4 преобразуется синхронным детектором 6 и фильтром нижних частот 7 в постоянное напряжение U7, величина которого пропорциональна величине напряженности поля Е=, а знак соответствует полярности электростатического поля. Переменные заряды q12, q13 поступают так же на первый и второй входы суммирующего усилителя 5, а напряжение U7 - на третий его вход. Так как переменные заряды q12, q13 изменяются в противофазе, то после сложения в усилителе 5 они уничтожаются, поэтому на выходе усилителя 5 действует только постоянное напряжение U7, соответствующее величине и знаку измеряемого постоянного поля, которое затем регистрируется индикатором 10.
[11]При воздействии на измеритель переменного электрического поля, имеющего напряженность E(t)=E~ (фиг. 2, б), на чувствительные электроды 1 и 2 наводятся переменные электрические заряды q1 и q2, равные
[12]
[13]q1, q2 - заряды, наведенные на полные площади S1 и S2 чувствительных электродов 1 и 2, обращенных в сторону измеряемого электрического поля,
[14]q12, q13 - заряды, наведенные на локальные участки 12 и 13, модулируемые экранирующим электродом 3 и имеющие площади соответственно S12 и S13,
[15]q1', q2' - заряды, наведенные на площади (S1-S12) и (S2-S13) чувствительных электродов 1 и 2, обращенных в сторону измеряемого электрического поля, но не модулируемых экранирующим электродом 3.
[16]Переменные электрические заряды q1, q2, имеющие в силу симметрии конструктивного исполнения чувствительных электродов 1 и 2 одинаковые величины, поступают на инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя 4, где взаимно уничтожаются, поэтому напряжения U4, U6, U7 на выходах усилителя 4, синхронного детектора 6 и фильтра нижних частот 7 равны нулю. В то же время эти же заряды q1, q2 поступают на первый и второй входы суммирующего усилителя 5, где складываются и преобразуются усилителем 5 в напряжение U5, величина и форма которого соответствует величине и форме электрического поля Е~. Напряжение U5 индицируется индикатором 10. Переменные электрические заряды q12, q13, образующиеся на локальных участках 12 и 13 от противофазной модуляции переменного электрического поля Е~ колеблющимся экранирующим электродом 3, изменяются в противофазе, поэтому на первом и втором суммирующих входах усилителя 5 они уничтожаются. На инвертирующем и неинвертирующем входах дифференциального усилителя 4 переменные заряды q12, q13 складываются и, если частота изменения переменного электрического поля fE превышает частоту среза фильтра нижних частот 7, после детектирования синхронным детектором 6 и интегрирования фильтром нижних частот 7 уничтожаются, то есть сигнал на третьем суммирующем входе усилителя 5 равен нулю. Поэтому напряжение U5 на выходе усилителя 5 определяется лишь суммой зарядов q1, q2, воздействующих на первый и второй входы суммирующего усилителя 5. Если частота изменения fE переменного электрического поля Е~ не превышает 0,01f7 частоту среза фильтра нижних частот 7, то на выходе фильтра 7 вырабатывается медленно меняющееся напряжение U7, амплитуда которого пропорциональна напряженности переменного электрического поля Е~, а частота будет равна частоте изменения поля Е~. Напряжение U7 поступает на третий суммирующий вход усилителя 5, где складывается с сигналами на первом и втором суммирующих входах и после усиления усилителем 5 поступает на индикатор 10.
[17]Если электрическое поле E(t) содержит одновременно постоянную Е= и переменную Е~ составляющие (фиг. 2, в), то постоянные и переменные составляющие наведенных зарядов q1, q2, пройдя уже упомянутую обработку элементами схемы измерителя, будут зафиксированы индикатором 10.
[18]Из приведенного выше описания видно, что, если площади локальных участков 12, 13 равны нулю или очень малы [меньше 0,01S1(S2)], то измеритель вырождается в измеритель напряженности переменного электрического поля. Если площади локальных участков 12, 13 равны площадям чувствительных электродов 1, 2, обращенных в сторону исследуемого поля E(t), то измеритель не обеспечивает измерений переменного электрического поля, вырождаясь в измеритель напряженности электростатического поля дифференциального типа.
[19]Экспериментально было установлено, что предлагаемый измеритель позволяет измерять напряженности электрических полей, изменяющихся в диапазоне частот от 0 до 1 МГц, в то время как известное устройство обеспечивает измерение электрических полей от 0 до 0,01Ω, где Ω - частота вибрации экранирующего электрода, которая для измерителей вибрационного типа не превышает 500 Гц, то есть верхняя частота изменения электрического поля, которую способен измерить прототип, не превышает нескольких герц.
[20]Кроме того, конструктивное исполнение предложенного измерителя обеспечивает дифференциальное преобразование статических и квазистатических полей, что, как известно, повышает вдвое чувствительность устройства.
