Устройство для измерения напряженности электростатического поля

(9) ( 4(5 0 01 12 ЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Н АВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1, Авторское свидетельство СССР1(ф 629513, кл. 0 01 В 29/12, 25.10.78.2. Бирюков С.В Логинов В.Я.Цифровой измеритель напряженностиэлектрического поля промышленностичастоты. - ПТЭ, 1981, У 1, с. 275.,(54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯНАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГОПОЛЯ, содержащее сферический датчикс размещенными на его поверхноститремя парами электропроводящих чувствительных элементов и подвижнымиэкранирующими электродами, причемчувствительные элементы подключенык входам дифференциальных усилителей,выходы которых через синхронные детекторы, управляющие входы которыхподключены к выходу генератора опорного напряжения, соединены с входами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеиэвлекателя, выход которого подключен к выходной клемме устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, экранирующие электроды выполнены в виде и , например четырех, сферических двуугольников, образованных меридианами, делящими концентрическую с датчиком сферу на 2 о частей, а чувствительные элементы выполнены в виде трех пар попарно симметричных относительно центра сферы частей таких же двуугольников на сфере датчика, образованных сечением этих дву- ф угольников парами параллелей так, что эти части расположены на пересечениях больших кругов, образованных сечениями сферы датчика плоскостями декартовой системы координат с началом в центре сферы и осями, одна из которых перпендикулярна полярной оси сферы, являющейся осью вращения экранов, а две другие повернуты относительно нее на 453163285 2. Устройство по п.1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что сфера датчика выполнена из электропроводящего Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению напряженности электрических полей в пространстве, и может быть использо- . вано для измерения модуля вектора 5 напряженности электростатического поля в электротехнической промышленности и в других отраслях народного хозяйства, технологические процессы в которых связаны с электризацией .10 материалов, цапример, химической, легкой промышленности, а также в медицине и охране труда для определения и контроля допустимых уровней напряженности поля. 15Известно устройство для измерения нормальной составляющей электростатического поля, содержащее датчик с плоским разрезным вращающимся экраном и расположенным за ним чувстви р тельным элементом, которое включает в себя генератор опорного напряжения и синхронный детектор для определения знака поля и подавления помех 1,Недостатком такого устройства яв ляется невозможность с его помощью измерять напряженность поля в пространстве.Наиболее близким техническим решением к предложенному является уст- ЗО ройство для измерения напряженности электростатического поля, содержащее сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувствительных элементов и подвижными экранирукнцими эпект 35 родами, причем чувствительные элементы подключены к входам дифференциальных усилителей, выходы которых через синхронные детекторы, управляющие входы которых подключены к выходу генератора опорного напряжения, соединены с входами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеизвлекателя, выход ко 45 торого подключен к выходной клемме устройства 2 ). материала, электрически соединена сэкранируущими электродамии электроизолирована от чувствительных элементов. Недостатком известного устройства является низкая точность измерений, связанная со сложностью организации линейного пилообразного) закона модуляции постоянного поля на чувствительных элементах укаэанной формы,Цель изобретения - повышение точности измерения напряженности электростатического цоля в пространстве. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувствительных элементов и подвижными экранируницими электродами, причем чувствительные элементы подключены к входам дифференциальных усилителей, выходы которых через синхронные М детекторы, управляющие входы которых подключены к выходу генератора опорного напряжения, соединены с вхо- . дами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеизвлекателя, выход которого подключен к выходной клемме устройства, экранируннцие электроды выполнены в виде и, например четырех, сферических двуугольников, образованных меридианами, делящими концент.рическую с датчиком сферу на 2 п частей, а чувствительные элементы выполнены в виде трех попарно симметричных относительно центра сферычастей таких же двуугольников насфере датчика, образованных сечением этих двуугольников парами параллелей так, что эти части расположены на пересечениях больших кругов, образованных сечениями сферы датчика плоскостями декартовой системыкоординат с началом в центре сферы и осями, одна из которых перпендикулярна к полярной оси сферы, являющейся осью вращения экранов, адве другие повернуты относительнонее на 453 11632Кроме того, сфера датчика выполнена из электропроводящего материала, электрически соединена с экранирующими электродами и электроизолирована от чувствительных элементов,На фиг.1 схематически изображендатчик без экранирующих электродов,вид по оси ох; на фиг.2 - то же,без экранирующих электродов, вид по Ооси у; на фиг.3 - то же, с экранирующими электродами и полностьюоткрытыми чувствительными элементами, вид по полярной оси датчика;на фиг.4 - структурная схема устройства для измерения вектора электростатического поля,Устройство содержит датчик 1 стремя парами чувствительных элементов 2 и экранирующими электродами 3 офиг.1-3). Чувствительные элементы2 попарно подключены к входам дифференциальных усилителей 4, выходякоторых подключены к входам синхронных детекторов 5, управляющие входы 25которых соединены с выходом генератора 6 опорного напряжения. Выходысинхронных детекторов 5 подключенык входам квадраторов 7, выходы которых соединены с входами сумматора 8,выход которого соединен с входомкорнеизвлекателя 9.Устройство работает следующимобразом,За счет модуляции электростати 35ческого поля на чувствительных элементах 2 датчика 1 возникают электрические сигналы, пропорциональные составляющим вектора напряженности измеряемого электростатического поля,40т,е, суммы исходного -поля и собственного поля датчика. За счет дифференциального усиления сигналов с каждойпары чувствительных элементов, расположенных по одной координатной оси,ена выходе соответствующих дифференциальных усилителей 4 выделяются напряжения, содержащие составляющие,пропорциональные составляющим Е Еи Евектора напряженности электро-статического поля.Кроме того, в напряжении на выходе усилителей 4 присутствуют составляющие пропорциональные аддитивнымпомехам (переменным составляыщим поля ), и составляющая частоты модуляцииполя датчиком, сдвинутая по фазе относительно основного сигнала и про где Е - напряженность исхостоянного поля;Е(1 ) - напряженность поляв том числе сторонставляющих исходното электрический сигнал с чтельного элемента может бытставлен выражением о н помех, их соо поля встви предаз зе(2)аеаеав, аесЧ 1аеаефувствительного эле=К фК(Е +ЕМде 8 - площадь ента;азмерный коэффициен порциональная составляющим исходного поля, направленным по непересекающим рассматриваемую пару чувствительных элементов осям. Эти напряжения поступают на входы синхронных детекторов 5, выделяющих один полупериод напряжений частоты модуляции поля датчиком с выходов усилителей 4 за счет управления сигналами с генератора 6 опорного напряжения. Постоянные напряжения с выходов соответствующих синхронных детекторов, пропорциональные величинам координатных составляющих Ен, Е и Е вектора напряженности исхода ного поля, поступают на входы квадраторов 7, с выходов которых напряжения, пропорциональные квадратам составляющих вектора напряженности исходного поля, поступают на вход сумматора 8. С выхода сумматора В напряжение, пропорциональное сумме квадратов составляющих вектора напряженности исходного поля (Е + Е + Е ), по ступает на вход корне из вле кателя 9, на выходе которого получается напряжение 11, пропорциональноемодулю вектора напряженности исхо ого поляБ К 1 Е К Ех+Е+ ЕПовышение точности измерения происходит за счет того, что благодаря выбранной форме экранирующих электродов и чувствительных элементов в виде сферических двуугольников и их частей соответственно осуществляется линейный (пилообразный ) закон модуляции поля на чувствительных элементах с последующим подавлением помех при помощи синхронного детектирования. Действительно, если электрическое поле на чувствительном элементе до модуляции представить в видеЕ-Е,+ Ей) (1)/2 20 Условием отсутствия сигнала от поля помех на выходе синхронного детектора будет1/2 /2 С 1 ЕсИт.е,ОюТ/2Е, + 8 / сН д 0 .зв аяЖ 1а оЛюбой нелинейный закон изменения площади Я от времени не дает равенства нулю интеграла (4).Для линейного закона изменения площади 8 = ы 1 интеграл (4) можно пе" 15 реписать в виде Очевидно, что выражение (5) обращается в нуль для всех четных гармоник частоты модуляции поля, а также 25 для первой гармоники, смещенной на 1 Г/2, за счет чего повышается точность измерения. Кроме того, повышение точности измерений происходит эа счет того, что осуществляется независимость сигнала с каждой пары чувствительных элементов на одной координатной оси от воздействия на них других коорди натных составляющих поля. Действитель но, для чувствительных элементов, расположенных на осях оу и ог, потоки напряженности однородного поля, направленного по оси ох, замыкающие ся на каждом иэ этих чувствительных элементов, равны нулю в силу симметрии этих элементов относительнб плоскости гоу. Для чувствительных элементов, расположенных на оси ох, то 45 же условие выполняется относительно полей, направленных вдоль осей оу и ог эа счет симметрии нормальных составляющих этихполей на сфере относительно плоскостей ог и оу. Незави симость сигналов с пары чувствитель, ных элементов на оси ог от составляющей Е и с пары чувствительных элементов на оси оу от составляющей Ед осуществляется за счет того, что 55 выполняется условие равенства нулю соответствующих потоков напряженностей на этих чувствительных элементах. 85 6Для выбранных норм чувствительных эле"ментов и их расположения это условиевыполняется при равенстве нулю длякаждого чувствительного элемента ин-теграла ЕИЭ о (6)5где Е - напряженность поля соответ- ствующей составляющей;Б - поверхность чувствительногоэлемента.Для укаэанных чувствительных элементов это условие мозно записать в видеЕ 2 В 2(зь 9 соз 8+Юдзч)дбдЧ = 0(т) где 9 - угол раствора границ чувствительного элемента;- долгота интегрирования в полярной системе координат сначалом в центре сферы, главной прямой, направленной пополярной оси сферы, и полуплоскостью нулевого меридианасодержащей ось ох.Так, для и4 пределы интегрирования по Ч равны: Ч=ЭУ/2; Ч 2=)ЗФ/Эпределы интегрирования по 9: У/Ф-;92 , где ю - выбранный иэ конструктивных соображений угол раствора верх ней границы, например ,Т(/12 Вгискомый угол раствора (вторая граница чувствительного элемента ).Решение уравнения (7 ) относнтельнс 62 производится при помощи ЭВМ,численными методами.Для того, чтобы избежать дополнительных ошибок за счет возможного коронирования с острых кромок чувствительных элементов в сильных полях, сфера датчика выполнена электропроводящей, электрически соединена с экранирующими электродами и изолирована от чувствительных элементов,Это позволяет избежать концентрирования измеряемого поля на кромках чувствительных элементов, так как разность потенциалов между ними и сферой датчика определяется только переменным напряжением на входах дифференциальных усилителей.Таким образом, за счет обеспечения пилообразного закона модуляции электрического поля на чувствительных элементах при синхронном детектировании сигналов с ннх путем ука7 1 занного выбора формы и расположенияэкранирующих электродов и чувствительных элементов, а также за счет изготовления сферы датчика из элект 163285проводящего материала обеспечивается повьппение точности измерения модуля вектора напряженности поля в пространстве.