патент
№ RU 2606927
МПК G01R29/00

ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Авторы:
Филиппов Анатолий Николаевич Пушкин Николай Моисеевич Петренко Олег Петрович
Все (12)
Номер заявки
2015133456
Дата подачи заявки
10.08.2015
Опубликовано
10.01.2017
Страна
RU
Дата приоритета
26.06.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Иллюстрации 
1
Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности электростатических полей различных заряженных материалов и изделий. Технический результат заключается в увеличении чувствительности измерителя посредством увеличения его помехозащищенности. Измеритель напряженности электростатического поля содержит чувствительный электрод, подключенный к входу усилителя, экранирующий электрод, электромагнитный привод, механически связанный с экранирующим электродом, генератор возбуждения, выход которого соединен с входом электромагнитного привода, синхронный детектор, выход которого через фильтр нижних частот подключен к индикатору, и основной двухполярный блок питания, шины питания которого соединены с шинами питания усилителя, синхронного детектора и фильтра нижних частот. Кроме того, в устройство введены дополнительный двухполярный блок питания и блок гальванической развязки, шины питания дополнительного двухполярного блока питания соединены с шинами питания электромагнитного привода, генератора возбуждения и с входной ступенью блока гальванической развязки. При этом шины питания выходной ступени блока гальванической развязки подключены к шинам питания основного двухполярного блока питания, выход генератора возбуждения соединен с входом блока гальванической развязки, выход блока гальванической развязки подключен к управляющему входу синхронного детектора, общие шины двухполярных блоков питания соединены с экранирующим электродом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения

1. Измеритель напряженности электростатического поля, содержащий чувствительный электрод, подключенный к входу усилителя, экранирующий электрод, электромагнитный привод, механически связанный с экранирующим электродом, генератор возбуждения, выход которого соединен с входом электромагнитного привода, синхронный детектор, выход которого через фильтр нижних частот подключен к индикатору, и основной двухполярный блок питания, шины питания которого соединены с шинами питания усилителя, синхронного детектора и фильтра нижних частот, отличающийся тем, что в него введен дополнительный двухполярный блок питания и блок гальванической развязки, шины питания дополнительного двухполярного блока питания соединены с шинами питания электромагнитного привода, генератора возбуждения и с входной ступенью блока гальванической развязки, кроме того, шины питания выходной ступени блока гальванической развязки подключены к шинам питания основного двухполярного блока питания, выход генератора возбуждения соединен с входом блока гальванической развязки, выход блока гальванической развязки подключен к управляющему входу синхронного детектора, кроме того, общие шины двухполярных блоков питания соединены с экранирующим электродом.
2. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что блок гальванической развязки выполнен на сдвоенном транзисторном оптроне, коллектор транзистора первого оптрона соединен с плюсовой шиной основного двухполярного блока питания, эмиттер транзистора первого оптрона соединен с коллектором транзистора второго оптрона и с выходом блока гальванической развязки, эмиттер транзистора второго оптрона соединен с минусовой шиной основного двухполярного блока питания, анод светодиода первого оптрона соединен с катодом светодиода второго оптрона и с входом блока гальванической развязки, катод светодиода первого оптрона соединен с анодом второго оптрона и с общими шинами блока гальванической развязки и дополнительного двухполярного блока питания.

Описание

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности электростатических полей различных заряженных материалов и изделий.

Известен измеритель напряженности электрического поля, содержащий чувствительный электрод, усилитель и индикатор. Чувствительный электрод установлен в отверстии металлического корпуса и соединен через усилитель с индикатором (а.с. СССР №464872, кл. G01R 29/12, 1975 г.). 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.

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, электромагнитный привод, генератор и блок питания, шины питания которого подключены к шинам питания усилителя, генератора, синхронного детектора, фильтра нижних частот и электромагнитного привода. 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 электромагнитным возбудителем, установлен с возможностью экспонирования чувствительного электрода в исследуемом электрическом поле (см. патент РФ №2414717, кл. G01R 29/12 от 18.01.2010 г.). В данном измерителе экранирующий электрод за счет электромагнитного привода колеблется с частотой генератора, изменяя при этом степень электростатической связи чувствительного электрода с исследуемым электрическом 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.

Данное устройство может измерять напряженность постоянных и медленно меняющихся электрических полей, создаваемых статическими зарядами неподвижных заряженных тел и поверхностей. Существенным недостатком измерителя является наличие синфазной помехи, возникающей за счет протекания токов возбуждения генератора и электромагнитного привода по общей шине измерителя. Так как общая шина измерителя имеет конечное омическое сопротивление порядка rобщ=0,1…10 Ом (особенно при двухблочной конструкции измерителя, когда датчик поля подключен к измерительной схеме кабелем длиной 1…10 м), то протекание токов возбуждения генератора и электромагнитного привода создает падение напряжения (синфазное с полезным сигналом), поступающее на вход усилителя. Синфазная помеха заметно ограничивает чувствительность измерителя.

Задача, решаемая изобретением, заключается в увеличении чувствительности измерителя посредством увеличения его помехозащищенности.

Ожидаемый технический эффект достигается тем, что в измеритель напряженности электростатического поля, содержащий чувствительный электрод, подключенный к входу усилителя, экранирующий электрод, электромагнитный привод, механически связанный с экранирующим электродом, генератор возбуждения, выход которого соединен с входом электромагнитного привода, синхронный детектор, выход которого через фильтр нижних частот подключен к индикатору, и основной двухполярный блок питания, шины питания которого соединены с шинами питания усилителя, синхронного детектора и фильтра нижних частот, измеритель отличается тем, что в него введен дополнительный двухполярный блок питания и блок гальванической развязки, шины питания дополнительного двухполярного блока питания соединены с шинами питания электромагнитного привода, генератора возбуждения и с входной ступенью блока гальванической развязки, кроме того, шины питания выходной ступени блока гальванической развязки подключены к шинам питания основного двухполярного блока питания, выход генератора возбуждения соединен с входом блока гальванической развязки, выход блока гальванической развязки подключен к управляющему входу синхронного детектора, кроме того, общие шины двухполярных блоков питания соединены с экранирующим электродом.

Блок гальванической развязки выполнен на сдвоенном транзисторном оптроне, коллектор транзистора первого оптрона соединен с плюсовой шиной основного двухполярного блока питания, эмиттер транзистора первого оптрона соединен с коллектором транзистора второго оптрона и с выходом блока гальванической развязки, эмиттер транзистора второго оптрона соединен с минусовой шиной основного двухполярного блока питания, анод светодиода первого оптрона соединен с катодом светодиода второго оптрона и с входом блока гальванической развязки, катод светодиода первого оптрона соединен с анодом второго оптрона и с общими шинами блока гальванической развязки и дополнительного двухполярного блока питания.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1.

Измеритель напряженности электростатического поля содержит чувствительный электрод 1, подключенный к входу усилителя 2, экранирующий электрод 3, электромагнитный привод 4, механически связанный с экранирующим электродом 3, генератор возбуждения 5, выход которого соединен с входом электромагнитного привода 4, синхронный детектор 6, выход которого через фильтр нижних частот 7 подключен к индикатору 8, и основной двухполярный блок питания 9, шины питания которого соединены с шинами питания усилителя 2, синхронного детектора 6 и фильтра нижних частот 7. Измеритель содержит также дополнительный двухполярный блок питания 10 и блок гальванической развязки 11, шины питания дополнительного блока питания 10 соединены с шинами питания электромагнитного привода 4, генератора возбуждения 5 и с входной ступенью блока гальванической развязки 11. Выход генератора возбуждения 5 соединен с входом блока гальванической развязки 11, выход блока гальванической развязки 11 подключен к управляющему входу синхронного детектора 6. Шины питания выходной ступени блока гальванической развязки 11 подключены к шинам питания основного двухполярного блока питания 9, а общие шины двухполярных блоков питания 9, 10 соединены с экранирующим электродом 3.

Кроме того, блок гальванической развязки 11 выполнен на сдвоенном транзисторном оптроне 12, коллектор транзистора 13 первого оптрона 14 соединен с плюсовой шиной основного двухполярного блока питания 9, эмиттер транзистора 13 первого оптрона 14 соединен с коллектором транзистора 15 второго оптрона 16 и с выходом блока гальванической развязки 11, эмиттер транзистора 15 второго оптрона 16 соединен с минусовой шиной основного двухполярного блока питания 9, анод светодиода 17 первого оптрона 14 соединен с катодом светодиода 18 второго оптрона 16 и с общими шинами блока гальванической развязки 11 и дополнительного двухполярного блока питания 10, катод светодиода 17 первого оптрона 14 соединен с анодом светодиода 18 второго оптрона 16 и с входом блока гальванической развязки 11.

Измеритель напряженности электростатического поля работает следующим образом. При включении измерителя электромагнитный привод 4 заставляет колебаться экранирующий электрод 3 с амплитудой и частотой, задаваемой генератором возбуждения 5. При этом экранирующий электрод 3 периодически экранирует чувствительный электрод 1 от воздействия электростатического поля, благодаря чему на чувствительном электроде 1 наводится переменный электрический заряд q1, пропорциональный величине напряженности электростатического поля Е= и площади чувствительного электрода 1. Усилитель 2, преобразуя и усиливая переменный электрический заряд q1, вырабатывает переменное синусоидальное напряжение U2 с амплитудой, пропорциональной напряженности электрического поля Е=.

Переменное синусоидальное напряжение U2 поступает на сигнальный вход синхронного детектора 6, в то время как на управляющий вход синхронного детектора подается сигнал с выхода блока гальванической развязки 11. С выхода генератора возбуждения 5 синусоидальное напряжение поступает на блок гальванической развязки 11, который с помощью светодиодов 17, 18 и фототранзисторов 13, 15 оптронов 14 и 16 вырабатывает переменное напряжение U11 прямоугольной формы с частотой генератора возбуждения 5. При совпадении фаз переменных напряжений U2 и U11 синхронный детектор 6 вырабатывает полусинусоиды положительной полярности, которые на выходе фильтра нижних частот 7 преобразуются в постоянное положительное напряжение U7, которое затем регистрируется индикатором 8. При сдвиге фаз переменных напряжений U2 и U11 синхронный детектор 6 вырабатывает полусинусоиды отрицательной полярности, которые на выходе фильтра нижних частот 7 преобразуются в постоянное отрицательное напряжение U7. Величина напряжения U7 пропорциональна величине напряженности поля Е=, а знак соответствует полярности электростатического поля.

«Слаботочный» сигнальный переменный ток высокочувствительного усилителя 2 протекает по общей шине «Общ. 1» основного двухполярного блока питания 9, в то время как «сильноточный» переменный ток возбуждения генератора 5 и электромагнитного усилителя 4 и светодиодов 17, 18 (порядка I=5…30 мА) протекает по общей шине «Общ. 2» дополнительного двухполярного блока питания 10 и создает на ней падение переменного напряжения с частотой генератора 5 и амплитудой Uпп⋅rобщ2≈0,5…300 мВ, которая не протекает по общей шине «Общ. 1» и поэтому не создает синфазной помехи на входе усилителя 2.

Экспериментально было установлено, что предлагаемый измеритель позволяет исключить синфазную помеху на входе усилителя 2 за счет исключения протекания токов электромагнитного привода 4 и генератора возбуждения 5 по общей шине основного двухполярного блока питания 9, к которому подключен усилитель 2, благодаря чему чувствительность измерителя увеличилась более чем в 10 раз.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты