Измеритель электростатического поля

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 801290 5114 С 01 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 24-09 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Белорусский политехнический институт(56) Авторское свидетельство СССРУ 652505, кл, 0 0 1 К 29/24, 197 1.Машлокин А.Н. Истоковый повторитель с защитой полевого транзистора от пробоя. - Приборы и техникаэксперимента, 1979, У 6, с. 93(57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - расширение динамич, диапазона. Устр-во содержит измерительныйзонд 1, резистор 2, согласующий блок3, различитель 4 полярности, переключатель 5 полярности, пороговыйблок (ПБ) 6, источник 7 напряженияперегрузки, г-р 8 сброса, землянуюшину 9, геркон 10 с обмоткой 11 икоммутирующими контактами 12 и 13,индикатор 14. Вновь введены интегрирующий ус-ль 15, запоминающий блок16, суммирующий повторитель 17, дифференцирующие блоки (ДБ) 18, 29 и35, ПБ 19 и 26, источник 20 порогового напряжения блок 21 выделениямакс., АЦП 22, ДБ 23 с выпрямителем,эл-ты И 24, 30-32, эл-т ИЛИ 25, источник 27 мин. сигнала, интегратор28, триггеры 33, 34, 36, 37, герконы 38, 44 и 50, резисторы 56-59,.эл-т НЕ 60, конденсаторы 61-64, источник 65 постоянного напряжения. 1 ил,1290207 2выходе всегда существует медленноизменяющееся положительное или отрицательное напряжение. Поступая навход различителя полярности 4, котов. 5 рый, в простейшем случае, представляет собой пороговое устройство, снулевым уровнем сравнения, это напряжение устанавливает пороговый блок26 в одном иэ двух устойчивых состо.10яний с положительным или отрицательным напряжением на выходе, Выходноенапряжение различителя полярности 4управляет работой переключателя 5 по 15лярности так, что на его выходе всегда существует однополярное напряжение.Поступая на вход порогового блока26, к второму .входу которого приложено постоянное напряжение уровня Б/при условии БП , где Б - макг- симально возможное напряжение сме 20щения уровня нуля согласующего блока3 и переключателя 5 полярности, это о- напряжение устанавливает пороговыйблок 26 в состояние, при котором еговыходное напряжение, поступающее науправляющий вход запоминающего блока16, ставит его в режим инвертирующегоповторителя, Выходное напряжение переключателя 5 полярности поступаеттакже на вход интегрирующего усилителя 15, постоянная интегрированияс которого выбрана из условия с= КТ где Тс период повторения най пряжения сети: К = 1,2,3п, так,что помимо усиления входного сигналай требуемого уровня, в нем в значий тельной степени подавляются помехиза счет наводок, частота которыхкратна частоте сети, Напряжение ин 40ий тегрирующего усилителя 15 поступаетна входы запоминающего блока 16 иодин из входов суммирующего повторителя 17, на второй вход которогопоступает выходное напряжение запо 45минающего блока 16. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения электростатических потенциалов, напряженностейэлектростатических полей или зарядоЦель изобретения - расширение динамического диапазона,На чертеже приведена структурнаяэлектрическая схема измерителя элек,тростатического поля.Измеритель электростатическогодроля содержит измерительный зонд 1,первый резистор 2, согласующий блок,3, различитель полярности 4, перелючатель 5 полярности, первый пороговый блок 6, источник 7 напряженияперегрузки, генератор 8 сброса, земляную шину 9, первый геркон 10 собмоткой 11 и коммутирующими контактами 12 и 13, индикатор 14, интерирующий усилитель 15, запоминающийблок 16, суммирующий повторитель 17первый дифференцирующий блок 18, втрой пороговый блок 19, источник 20порогового напряжения, блок 21 выделения максимума, аналого-цифровойпреобразователь (АЦП) 22, дифференцирующий блок 23 с выпрямителем, певый элемент И 24, элемент ИЛИ 25,третий пороговый блок 26, источник27 минимального сигнала, интегратор28, второй дифференцирующий блок 29второй элемент И 30, третий элементИ 31, четвертый элемент И 32, первытриггер 33, второй триггер 34, третий дифференцирующий блок 35, третии четвертый триггеры 36 и 37, второгеркон 38 с обмоткой 39, и с коммутирующими контактами 40, 41 и дополнительными контактами 42 и 43, третгеркон 44 с обмоткой 45 и с коммутирующими контактами 46, 47 и дополнительными контактами 48 и 49, четвертый геркон 50 с обмоткой 51 и с коммутирующими контактами 52, 53 и дополнительными контактами 54 и 55,второй резистор 56, третий резистор57, четвертый резистор 58, пятый резистор 59, элемент НЕ 60, первый,50второй, третий и четвертый конденсаторы 61-64, источник 65 постоянного напряжения,Измеритель электростатического поля работает следующим образом,В отсутствие измеряемого электростатического поля из-за неизбежности дрейфа нуля согласующего блока 3 на основе полевых транзисторов на его Так как эти напряжения равны по величине и противоположны по знаку, то выходное напряжение суммирующего повторителя 17 в отсутствие измеряемого электростатического поля равно нулю. Запоминающий блок 16 и суммирующий повторитель 17 представляют собой каскады с 100 Ж-ной обратной связью, симметричным дифференциальным входом и усилением, равным единице, поэтому дрейф нуля этих каскадов на фоне усиленного до требуемого уровня входного напряжения пренебре 1290207Б поступает на входы пороговых блоков б и 26. Пороговый блок 26 переходит в другое устойчивое состояние,так как Ц, ЦУ и по цепи управляющего входа запоминающего блока 16 переводит последнее в режим заполнения 35того значения дрейфового напряжениясогласующего блока 3, которое былона его выходе до появления напряжения Б, так как напряжение на выходеинтегрирующего усилителя 15 не может 40изменяться скачком и остается неизменным (в случае необходимости, дляувеличения времени усреднения, можетбыть использован метод двойного интегрирования). Если уровень ИП то пороговый блок 6 перегрузки не сработает, коммутируемые контакты герконов 10, 38, 44, 50 будут разомкнуты, напряжение на резисторе 58 равно нулю, а на выходе элемента НЕ 60 - логической единице. Это напряжение на вход интегратора, где, например, с помощью светодиода высвечивается значение перво го рабочего диапазона, Так как на один вход суммирующего повторителя 17 поступает усиленное в Ко раз напряжение Б дрейфа нуля, а на второй жимо мал, Таким образом, влияние значительного температурного дрейфа нуля входного каскада, переключателя полярности и интегрирующего усилителя здесь исключается автоматически,При внесении измерительного зонда 1 в электростатическое поле напряженности Е в материале измерительного зонда 1 наблюдается перемещение зарядов в противоположных направлениях до тех пор, пока внутреннее поле измерительногозонда 1 не скомпенсирует внешнее, измеряемое, т.е, разделенныи (или индуцированный) заряд пропорционален напряженности Е (показания измерителя могут быть градуированы также в средних значениях потенциала или заряда).Пропорционально индуцированному заряду 0 меняется потенциал выхода согласующего блока 3, так как весь заряд Я стекает на конденсатор 61 отрицательной обратной связи согласующего блока 3, работающего в режиме интегратора тока. При значении С конденсатора это изменение напряжения равно Ц = в . Напряжение0 5 10 15 20 25 вход - в противоположной полярности усиленное в К раз напряжение Б дрей фа нуля и напряжение У (с течением времени напряжение на выходе интегрирующего усилителя 15 достигает измеряемого, а вход запоминающего блока 16 отключен), то на выходе суммирующего повторителя 17 появляется напряжение У , Следовательно в рекожиме измерения влияние величины дрейфового напряжения на значение напряжения суммирующего повторителя 17 исключается, т,е. осуществляется автоматическая компенсация дрейфа нуля. Выходное напряжение П поступает на"овход блока 21 и на вход дифференцирующего блока 18. Так как напряжение 13 всегда однополярно, причем сначаола, по мере нарастания Е, нарастает До максимума и, после включения рабочего диапазона, вследствие разряда включенных входных емкостей, уменьшается до нуля, т.е, принимает экстремальное значение, для однозначного измерения И необходимо обеспечить его измерение в момент, когда это напряжение максимально.Таким образом, после дифференцирования напряжения Б в дифференцирующем блоке 18 в его выходном напряжении выделяются три временных интервала: до экстремальной точки, экстремальной точки (выходное напряжение равно нулю) и после экстремальной точки, В первом и третьем временных интервалах выходное напряжение дифференцирующего блока 18 имеет противоположные полярности (производная меняет знак), поэтому при поступлении этого напряжения на один из входов порогового блока 19 (инвертирующий вход операционного усилителя) и положительной полярности напряжения в первом интервале, если другой вход (неинвертирующий вход операционного усилителя) порогового блока 19 соединен с источником 20,уровень которого Б незначительно превышает порог срабатывания порогового блока 19, а уровень напряженияН производной превышает величину Б на выходе порогового блока 19 в первом временном интервале формируется импульс отрицательной полярности, Этот импульс поступает на вход блока 21 выделения максимума и закрывает его выход на время длительности первого интервала. Таким образом, 1290207выходное напряжение блока,21 подается на вход АЦП 22 только с момента начала второго интервала, когда напряжение сигнала максимально, При использовании в АЦП 22 внутреннего запуска (запуска от входного сигнала) начало второго временного интервала будет началом измерения,Спад входного напряжения за счет разряда входных емкостей при высоком быстродействии современных АЦП к ощутимым потерям точности не приводит. Если при малых уровнях напряжения Ц система выделения максимуКома не отработает, то измеряемое напряжение поступает,на вход АЦП 22 непрерывно, и в этом случае измерение осуществляется, Иэ индикатора 14 на другой вход АЦП 22 поступает напряжение, несущее информацию о значении рабочего диапазона, которое используется в нем для формирования сигнала переноса запятой (множителя шкалы). Так по значению У осуществляется цифровое (или аналоговое) измерение и индикация напряженности электростатического поля Е,Если БЦО, то срабатывает пороговый блок 6, напряжение которого переводит триггер 33 второго диапазона в новое устойчивое состояние,Напряжение триггера 33 поступает на обмотку 45 геркона 44 второго диапазо;.а, полярность этого напряжения противоположна полярности напряжения Б, поэтому геркон 44 срабатывает и контакты 41, 47, 53, 48, 49, 54 замыкаются. При этом напряжение Б делится между резисторами 57 и 58, на резисторе 18 появляется напряжение, элемент НЕ 60 первого диапазонна переводится в новое состояние, в индикаторе 14 прекращается индикация первого диапазона и включается индикация второго.Если после подключения в цепь отрицательной обратной связи согласующего блока 3 конденсатора 64 величиной С напряжение Н = - н н ео02 С +С2пороговый блок 6 возвращается в исходное состояние, напряжение Б поступает в АЦП 22, куда из индикатора 14 поступает информация о включении второго диапазона, и значение Б изо меряется, ЗО После измерения значение Е входного электростатического поля обращается в "0" (измерительный зонд 1 выводится из поля, так как в следующем непрерывном режиме измерители без модуляции не могут работать), пороговый блок 26 возвращается в исходное состояние, запоминающий блок 16 - в режим инвентирующего повторителя, на выходе элемента ИЛИ 25 появляется напряжение, так как на один из ее выходов поступает импульс выходного напряжения дифференцирующего блока 29, на входе которого измерилась полярность напряжения на противоположную, и напряжение элемента ИЛИ 25 запускает генератор 8, Напряжение последнего поступает на контакт конца обмотки геркона 10, который срабатывает, контакты 12 и 13 замыкаются, вход согласующего блока 3 подключается к земляной шине, конденсаторы 61 и 64 заряжаются до уровня выходного напряжения согласующего блока 3.В момент окончания длительности импульса генератора 8 сброса с помощью дифференцирующего блока 35 формируется импульс, который поступает на входы АЦП 22 и триггеров 33, 36, 37 второго, третьего и четвертого диапазонов и возвращает их в исходное положение45 Если изменение осуществляется от носительно продолжительно, то за время измерения емкость обратной связисогласующего блока 3 успевает потерять часть заряда, что приводит кнеравенству разделенных измеряемой О напряженностью поля положительных иотрицательных зарядов, т.е, вызывает после осуществления измерения(снятия напряженности поля) появление на входе согласующего блока 3 заряда, противоположного измеряемому,Если при разделении в материале измерительного зонда 1 зарядов измеряемойнапряженностью поля в исходном состоянии положительный заряд й Я равенпо модулю отрицательному - Ц, измеряется - Я (действует на вход согласующего блока 3) и измерительный зонд 1электрически нейтральный, то послеосуществления измерения часть заряда - ь) потерялась, положительныйзаряд +Я больше оставшегося отрицательного заряда - (Ц -6 Я), и емкостьобратной связи согласующего блока 3после снятия измеряемой напряженнос 1290207 -. ти Е заряжается зарядом противоположной, положительной полярности +ЛЯ,Это явление использовано для разряда входных емкостей измерителя в техслучаях, когда оставшееся после измерения напряжения на выходе согла 1сующего блока 3 больше Б , и поэтомуописанная логическая схема сброса несрабатывает, В рассматриваемом случае и после снятия измеряемой напряженности Е блока 26 в исходное состояние не вернется. Так как это состояние порогового блока 26 соответствует логической единице, то завремя измерения логическая единицапередается через интегратор 28 и кмоменту снятия внешнего электростатического поля воздействует на одиниз входов элемента И 24,В момент снятия напряженности Еполярность выходного напряжения согласующего блока 3 меняется на противоположную, что приводит к аналогичному изменению полярности выходного напряжения различителя полярности и формированию короткого импульса на выходе дифференцирующегоблока 23 (в простейшем случае онпредставляет собой диффереыцирующуюКС-цепь с двухполупериодным выпрямителем), Таким образом, в моментокончания измерения элемент И 24формирует напряжение логической единицы, которая воздействует на одиниз входов схемы ИЛИ 25 и формируетна ее выходе напряжение, которое поступает на вход генератора 8 сбросаи запускает его,Если значение Ц продолжает нарастать, так как переключение диапазонов осуществляется в момент внесения измерительного зонда 1 в электростатическое поле, т.е, включениедругих диапазонов осуществляется последовательно, по мере нарастанияполя в процессе перемещения измерительного зонда 1 к заряженному телу,то после возвращения порогового блока 6 в исходное состояние возможносостояние, при котором Б ) Б . В этотомомент пороговый блок 6 снова включается, его напряжение поступает наэлемент И 31 третьего диапазона, навторой вход которого подается напряжение с резистора 58 (второй диапазон включен), элемент И 31 срабатывает и его напряжение включаеттриггер 36 третьего диапазона.Аналогично рассмотренному выходное напряжение триггера 36 поступает на обмотку 39, геркон 44 третьего диапазона включается, и включается тре тий диапазон измерения. При этом напряжение У падает до значения П =0где С- значение конден+Сг+ э10сатора 63. Значение Били измеряется как было описано, или, при дальМнейшем возрастании П , аналогичнорассмотренному включаются последующие 15 диапазоны.Если и после включения четвертого диапазона пороговый блок 6 находится во включенном состоянии, тосработает элемент И 30, так как на 20 один его вход поступает напряжениепорогового блока 6, а на второйнапряжение с резистора 56, включается триггер 34 и элемент ИЛИ 25, Выходное напряжение элемента ИЛИ 25 25 запускает генератор 8 сброса. Одновременно с этим выходное напряжениетриггера 34 поступает на вход индикатора 14 для индикации перегрузкии на другой вход генератора 8, под ключает к его времязадающей БС-цепибольшую добавочную емкость, увеличивая длительность генерируемого импульса до нескольких секунд. Контакты.геркона 9 при этом замыкаются и 35 все входное напряжение измерителявыделяется на защитном высокоомномрезисторе 2.В момент окончания длительностиимпульса генератора 8 выходное на пряжение дифференцирующего блока 35возвращает триггер 34 в исходное состояние. За время защиты измерительный зонд 1 должен быть изолирован отвоздействующего на него электростати" 45 ческого поля (в противном случае описанный процесс повторится).Измеритель реагирует на изменениянапряженности поля Е изменениями величины индуцированного заряда Я, поэтому для цифрового измерения значения Е или величин, ей пропорциональных, необходимо, чтобы функциональная зависимость Я=К(Е) была линейной,что можно сделать за счет соответст вующего выбора значений емкостей С 1,С , Сэ С, добавляемых на каждом диапазоне измерения, в данномслучае емкость, добавляемая на последующем диапазоне, равна емкости1290207 О 35 40 45 50 55 9предыдущего диапазона, увеличеннойв 9 раз. Формула изобретения Измеритель электростатического поля, содержащий последовательно соединенные измерительный зонд, первый 1резистор, согласующий блок, различи- тель полярности, переключатель полярности и первый пороговый блок, второй вход которого соединен с выходом источника напряжения перегрузки, генератор сброса, выход которого соединен с обмоткой первого геркона контакты которого соединены соответственно с входом согласующего блока и земляной шиной, и индикатор, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона, к выходу переключателя полярности подключены последовательно соединенные интегрирующий усилитель, запоминающий блок, суммирующий повторитель, второй вход которого подсоединен к выходу интегрирующего усилителя, первый дифференцирующий блок, второй пороговый блок, второй вход которого соединен с введенным источником порогового напряжения, блок выделения максимума,второй вход которого соединен с выходом суммирующего повторителя и аналогоцифровой преобразователь, второй вход которого соединен с выходом индикатора, между выходом различителя полярности и первым входом генератора сброса введены последовательно соединенные дифференцирующий блок с выпрямителем, первый элемент И и элемент ИЛИ, между выходом переключателя полярности и вторым входом первого элемента И включены последовательно соединенные третий пороговый блок, второй вход которого соединен с выходом источника уровня минимального сигнала, а выход - с вторым входом запоминающего блока, интегратор, между выходом третьего порогового блока и вторым входом элемента ИЛИ включен второй дифференцирующий блок, введены второй элемент И, третий элемент И, четвертый элемент И и первый триггер, первые входы которых соединены с выходом первого порогового блока, между выходом второго элемента И и вторым входом генератора сброса вклю" чен второй триггер выход которогосоединен с третьим входом индикатора, между входом генератора сброса 5 и третьим входом аналого-цифровогопреобразователя включен третий дифференцирующий блок, выход которогоподсоединен к вторым входам первогои второго триггеров и первым входамвведенных третьего и четвертого триггеров, вторые входы которых соедине-,ны соответственно с выходами третьего и четвертого элементов И, приэтом выходы первого, третьего и четвертого триггеров подключены соответственно к одним концам обмоток введенных второго, третьего и четвертого герконов, коммутирующие контактыкоторых включены параллельно коммутирующим Контактам первого геркона,второй вход второго элемента И соединенс третьим входом индикатора, черезвведенный второй резистор - с земляной шиной и через введенные последовательно соединенные дополнительныйкоммутирующий контакт четвертого геркона и третий резистор - с источником постоянного напряжения, соединенным 30с другими концами обмоток второго, третьего и четвертого и первого герконов, параллельно дополнительному коммутирующему контакту четвертого геркона включены второй и третий дополнительные коммутирующие контакты второго и третьего герконов, соединенные с земляной шиной соответственно через введенные четвертый ипятый резисторы, точка соединениядополнительного коммутирующего контакта второго геркона и четвертогорезкстора соединена с четвертым входом индикатора, вторым входом третьего элемента И и через введенный элемент НЕ с пятым входом индикатора,общая тсчка соединения дополнительного коммутирующего контакта третьегогеркона и пятого резистора соединена с шестым входом индикатора и вторымвходом четвертого элемента И, введены первый конденсатор, включенныймежду входом и выходом согласующегоблока, второй, третий и четвертыйконденсаторы, включенные соответственно между вторым, третьим и четвертым коммутирующими контактами второго, третьего и четвертого герконови выходом входного контакта,