Устройство для измерения электростатического заряда

(51)4 С 01 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ из их и К)(57) Изобрете рольно-измери быть использо электростатич ностей электр потенциалов.ВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКО ЗАРЯДАние относится к конттельной технике и можвано для измерения еских зарядов напряженостатических полей илиЦель изобретения - поГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Институт прикладнойАН БССР(56) Авторское свидетельсУ 652505, кл. С 01 К 29/ вышение быстродействия - достигаетсятем, что в устройство для измеренияэлектростатических зарядов, содержащее двигатель 17, усилитель 2 переменного тока преобразователь 1 электростатического поля, амплитудныйдетектор 5, введены блок 9 опорныхнапряжений, шесть электронных ключей 7,8,11,12,14,15, пороговые блоки 6 максимального уровня и 10 слежения интегратор 13, усилитель 16 мощности, фильтр 18 низкой частоты,функциональный преобразователь 19 ианалого-цифровой преобразователь 20.Величину электростатического зарядаможно измерять, измеряя величину питающего двигатель 17 напряжения, которое изменяется в зависимости отзначения величины заряда. 1 з.п,ф-лы2 ил,Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и можетбыть использовано для измерения электростатических зарядов, напряженностей электростатических полей илипотенциалов,Цель изобретения - увеличениебыстродействия устройстваНа фиг.1 представлена структурнаясхема устройства для измерения электростатического заряда; на фиг.2 -диаграммы, поясняющие его работу,Устройство (фиг.1) содержит последовательно соединенные электростатический преобразователь 1, усилитель 2переменного тока, формирующий каскад 3, индикатор 4 полярности, второй вход формирующего каскада 3 связан с электростатическим преобразователем 1, а первый через амплитудный детектор 5 с одним из входов порогового блока (ПБ) 6 максимальногоуровня сигнала, второй вход последнего связан с общим выходом первого 7 25и второго 8 электронных ключей с противоположными каналами проводимости,входы которых подключены к первому ивторому выходам связанного с электростатическю преобразователем 1 бло- ЗОка 9 опорных напряжений (БОН), аодин из управляюших входов связан свыходом порогового блока 10 слежения,при этом выход ПБ 6 максимальногоуровня сигнала соединен с объединенными управляющими входами третьего 11и четвертого 12 электронных ключей спротивоположными каналами проводимости, входы которых подключены к третьему и четвертому выходам БОН 9, 40а объединенный выход связан с входоминтегратора 13, выход которого соединен с пороговым блоком 10 слежения ивходом пятого электронного ключа 14,управляющий вход которого соединен суправляющим входом шестого электронного ключа 15 с каналом противоположной проводимости и выходом блока 10слежения и объединенными управляющимивходами электронных ключей 7 и 8,причем вход ключа 15 связан с БОН 9,а выход объединен с выходом пятогоэлектронного ключа 14 и подключен квходу усилителя 16 мощности, выходкоторого соединен с двигателем 17 ипоследовательно соединенными фильт 1ром низкой частоты (ФНЧ) 18,функциональным преобразователем 19 и аналогоцифровым преобразователем 20. При этом электростатический преобразователь 1 выполнен в виде стакана 21 издиэлектрического материала, в центреоснования которого на подшипнике 22закреплена ось 23, один (внешний) ко"нец которой механически связан с двигателем 17, а на другой (внутреннийнаходящийся в стакане) изолированоот оси 23 посажен диск 24 из проводящего материала, по краю внутреннейповерхности которого перпендикулярнок ней расположены штыри 25 над которыми помещена катушка индуктивности 26 с разорванным магнитным сердечником (в данном примере сердечник изготовлен в виде тороида).,так, чтоконцы штырей периодически связываются с зазором в сердечнике катушки,один конец которой связан с землей,а другой является выходом электростатического преобразователя 1; помимоэтого, преобразователь 1 также содержит связанные с его двумя другимивыходами светодиод 27 и фотодиод 28,расположенные так, что оптическаясвязь между ними прерывается движущимися штырями 25 тогда, когда движущийся штырь связывается с зазоромв сердечнике катушки 26,Устройство работает следующим образом,При включении питания устройстваиз БОН 9 на вход блока 10 слежения поступает постоянное напряжение Е, Выходное напряжение интегратора 13 П 1.(фиг.2, временные диаграммы) поступает на второй вход блока 10 и так какв начальный момент оно равно нулю,то блок 10 слежения устанавливаетсяв состояние, при котором его выходноенапряжение 1 закрывает электронныеключи 8 и 15 и открывает ключи 7 и 14.При этом через ключ 7 напряжениеуровня 11, (это рабочий уровень сигнала) поступает на один из входов блока 6 максимального уровня сигнала,надругой вход которого поступает напряжение амплитудного детектора 5,Так как входной сигнал отсутствует(преобразователь изолирован от заряженных тел), то блок 6 устанавливается в состояние, при котором его выходное напряжение ПА, открывает элект"ронный ключ 12 и закрывает ключ 11.Теперь из БОН 9 на вход интегратора 13 поступает отрицательное напряжение уровня П . Выходное напряжение интегратора П нарастает по ли 14711 54нейному закону, Это возврастающее напряжение поступает на вход усилителя 16 мощности выходное напряжениеУ которого подается на двигатель.Двигатель 17 начинается раскручиваться,Постоянная времени интегратора велика в сравнении с инерционностьюдвигателя, поэтому его скорость научастках заряда или разряда емкос"гиинтегратора в любой момент уровняпрактически пропорциональна напряжению П , Состояние раскручивания продолжается до тех пор, пока напряжение интегратора 11 не достигнет уровиня Е, В этот момент сработаетблок 10 слежения, ключи 8 и 15 откроются, а ключи 7 и 14 закроются.Через ключ 15 на вход усилителя 16мощности из БОН 9 поступает напряже 11ние небольшого уровня 1) котсроеприводит к медленному, равномерномувращению двигателя 17, вращающемуось 23 электростатического преобразователя со скоростью и. Через ключ 8из БОН 9 на вход блока 6 при этомпоступает напряжение уровня П,гПкоторое незначительно превышает дрейфующий уровень входного напряженияамплитудного детектора в отсутствиевходного сигнала. Таким образомприэтом состояние блока 6 не изменитсяи на выходе интегратора 13 будетудерживаться высокий уровень, равныйуровню П напряжения источника питания интегратора. Это ждущий или следящий режим работы между измерениями,При поднесении преобразователя.кзаряженной поверхности блок 6 пере 4ключается в другое состояние, чтоприводит к закрыванию ключа 12 и открыванию ключа 11, поэтому выходноенапряжение интегратора 13 начинаетлинейно падать, так как полярностьего входного напряжения П при этомменяется на противопогожную (на входы ключей 11 и 12 из БОН 9 поступаютравные по амплитуде но противопо 1/ложные по знаку напряжения +П иНо-П), Разряд продолжается до момента времени 1, , в который П становится меньше напряжения Е и блок 10переходит в противоположное состояние. В этот момент ключи 15 и 8 закрываются, а ключи 14 и 7 открываются, При этом выход интегратора подключается к усилителю 16, а входблока 6 к рабочему уровню 11 напряжения, В этом интервале времени выходное напряжение интегратора нарастает, а двигатель раскручивается отустановившегося значения скорости идо более высокого значения. Это продолжается до тех пор, пока в моментвремени С (фиг,2) П становитсябольше уровня Е и блок 10 переходитв противоположное состояние, Сноваоткрываются ключи 15 и 8, двигательвключается под напрядение 1), и егоскорость вращения и начинает уменьшаться, Блок 6 в этом интервале времени находится в состоянии, при котором выходное напряжение амплитуд-,ного детектора 5 больше уровня напряжения У, поэтому в открытом состоянии находится ключ 11 и выходноенапряжение интегратора уменьшается,Интервал времени С-меньше интервала С, -г и определяется временем переключения блока 10 из одного состояния в другое,В интервале времени С -(Фиг,2)повторяется процесс, протекающий винтервале С, - с. Потери скорости ивращения двигателя в интервалахи С- Г, незначительны, таккак их продолжительность мала, трение незначительно, а момент ннерции двигателя относительно велик,Таким образом, в каждом последующем цикле, аналогичном 1, - Г., скорость вращения двигателя и увеличивается, В конечном итоге при какомто из последующих циклов скорость истановится больше и, при которойвыходное напряжение амплитудного детектора 5 становится больше уровняЦ , На временное диаграмме это происходит в момент времени . В этотмомент блок 6 переходит в состояние1при котором открываются ключ 11 ивыходное напряжение интегратора начинает падать. Так как двигатель подключен к выходу интегратора (через усилитель мощности), то его скорость вращения и после некоторого увеличения (вследствие инерции) начнет уменьшаться и приближаться к значению исръ при котором выходное напряжение амп- литудного детектора 5 равно П. В момент времени Сскорость и двигате ля уменьшится настолько, что блок 6 перейдет в про гпвоположное состояние, откроется ключ 1. и напряжение на выходе интегратора начнет увеличиваться, увеличивая и скорость вращения и,1471154 В момент времени й скорость вращения и увеличится настолько, что блок 6 снова перейдет в противоположное сос,тояние, начнется разряд интегратора и5 уменьшение скорости и, Очевидно, описанный процесс в последующие моменты времени будет повторяться, При поднесении преобразователя к положительно заряженной пбверхности в соответствии с законом электромагнитной индукции на концах штырей 25, обращенных в катушке 26 индуктивности возникает связанный положительный заряд, Если по периметру диска расположено Н 15 штырей, то при его вращении с частотой и об/с и при величине с 1 заряда, наведенного на конце штыря, через зазор катушки 26 будет протекать пуль" сирующий ток, среднее значение которого определяется как регистрирующей магнитные силовые линии равно Б = К(К)с 1где К1 и зависит от вида и расположения обмотки.С учетом значения магнитной проницаемости сердечника р для мгновенного значения магнитного потока, пересекающего обмотку, получают ф= р р, Н Б = р рК (К)д хБиа (К+1) . г гх - "- -зи 2 Т Ми Е =и К (К -1 ) с 1 х4 Т( К 10Миах в -"-зп 2 УМис47 И 1 где р - магнитная проницаемость вакуума.При количестве витков и регистрирующей катушки с учетом последнего выражения действующее значение ЗДС индукции в обмотке катушки индуктивности равнои с 1 фКиаЕ: - - -- = ,К(К)д -- - хо 2 К 1 иох -- = Сис 12где С - для данных условий постоянно. Очевидно, в этом выражении при и = сопят можно по величине с.определить с 1 а при 1 = сопят и и= 11значение а можно измерять по значениям и, так какЕЯСи С другой стороны частота вращениядвигателя и является функцией питаю"щего напряжения П т.е,Еи = 01) илиСК(0) При значении внешнего радиуса, сердеч" ника магнитопровода К минимальное 40 значение напряженности магнитного поля, регистрируется сердечником определяется какТ.,Нмин 2 Д е45 Приближенное среднее значение амплитуды регистрируемой напряженности магнитного поля представляется в ви- де Из последнего выражения следует,чтовеличину с 1 можно измерить измеряявеличину питающего двигателя напря"жения, Работа предполагаемого уст"ройства основана на использованииэтой зависимости. Напряжение Я поступает на вход усилителя 2 и после усиления - на вход амплитудного детекто-.ра 5, Жестких требований к величиневходного сопротивления усилителя непредъявляются так как сопротивлениекатушки 26 индуктивности невелико. 50 Нмакс Н мин Т срНе(К+1)Р 4 М 1 Соответственно для мгновенного значения напряженности Н с 0 получают11 иа (К+1)Н = Н вг.и 2 ТБий = "- в в - х .ср 4 ГК 1 55 Формула изобретения х зг.и 27 Бис.При толщине магнитного сердечника с 1 значение Б эффективной поверхности,1. Устройство для измерения электростатического заряда, содержащее Т = Нс 1 и.Так как в промежутке времени двумя штырями мгновенное значение тока равно нулю, а впоследствии (в момент прохождения штыря через зазор) ток возрастает до максимума, то приближенно можно считать, что колебания тока во времени осуществляется по зако 30 ну синуса. Из этого же следует, что амплитудное значение протекающего тока равно Т . При величине воздушного. зазора магнитного сердечника 21 максимальное значение напряженности поля на краю сердечника будет равным35Тсрмокс 231 фдвигатель, источник питания, последовательно соединенные преобразователь электростатического поля, усилитель переменного тока и амплитудный детек 5 тор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия оно снабжено пороговым блоком максимального уровня, пороговым блоком слежения, интеграторомусилителем мощности, низкочастотным фильтром функциональным преобразователем, аналого-цифровым преобразователем, формирующим каскадом, индикатором полярности, шестью электронными ключами и блоком опорных напряжений, причем выход амплитудного детектора соединен с одним из выходов порогового блока максимального уровня, другой выход которого соединен с общий выходом 2 О первого и второго электронных ключей с противоположными каналами проводимости, входы которых подключены к первому и второму выходам блока опор.ных напряжений, а объединенные управляющие входы соединены с выходом порогового блока слежения, при этом выход порогового блока максимального уровня соединен с объединенными управляющими входами третьего и четвер- Зо того электронных ключей с противоположными каналами проводимости, входы которых подключены к третьему и четвертому выходам блока опорных напряжений, а объединенный выход соединен с выходом интегратора, выход которого соединен с одним входом порогового ,блока слежения, другой вход которого соединен с пятым входом блока опорных напряжений, выход интегратора соеди нен с входом пятого электронного ключа, управляющий вход которого соединен с управляющими входом шестого электронного ключа и выходом порогового блока слежения, вход шестого 45 электронного ключа соединен с шестым выходом блока опорных напряжений, выходы пятого и шестого электронногоключей соединены с входом усилителямощности, выход которого соединен сдвигателем и низкочастотным фильтром,последовательно соединенным с функциональнымпреобразователем и аналогоцифровым преобразователем, причемпреобразователь электростатическогополя соединен с седьмым выходом блока опорных напряжений и входом формирующего каскада, другой выход которого подключен в выходу усилителя, авыход - к входу индикатора полярности. 2, Устройство по п,1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что преобразователь электростатического поля выполнен в виде стакана из диэлектрика,в центре основания которого на подшипнике закреплена ось, внешний конец которой механически связан с двигателем, а на внутренний, находящий- .ся в стакане, изолировано от оси .насажен диск из проводящего метариала, на краю внутренней поверхностикоторого перпендикулярно к ней распо-.ложены штыри, над которыми помещенакатушка индуктивности с разорванным4магнитным сердечником так, что концыштырей периодически связываются с зазором сердечника катушки, один конецкоторой соединен с землей, а другойс выходом преобразователя электростатического поля, также содержит связанные с двумя другими выходами преобразователя электростатического поля светодиод и фотодиод, расположенный относительно движущихся штырейтак, что оптическая связь между нимипрерывается движущимися штырями р темоменты времени, когда двигающийсяштырь связывается с зазором катушкисердечника катушки,14711 54 й рее еаю Составитель Л,Сорокиор Е.Папп Техред Л. Олийнык оррек тор М.Максимишине ед гарина, 1 изводственно-издательский комбинат Патент , г.И ФУжго аказ 1605/48 Тираж 711 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН113035, Москва, 3-35, Раущская наб., д, 4/5