Электростатический флюксметр
ELECTROSTATIC FLUX METER

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля при проведении метеорологических, геофизических, биоэнергетических исследований, а также для оценки экологического состояния поверхности Земли и атмосферы.
Известно устройство для измерения напряженности электростатического поля по (см. а.с. SU, №1442941, G01R 29/12, 1988 г.), содержащее помещенные в заземленный электростатический экран измерительный и экранирующий электроды, связанные с валом электродвигателя, усилитель сигнала, преобразователь сигнала и устройство отображения информации. В данном устройстве измеряемое электростатическое поле преобразуется в эквивалентное ему поле, образуемое зарядами подвижного электрода, которое, в свою очередь, воздействует на измерительный электрод, связанный с входом усилителя, в результате чего формируется электрический сигнал для дальнейшего преобразования и отображения.
В описанном устройстве вектор измеряемого поля направлен перпендикулярно плоскости измерительного электрода, поэтому заряд, наведенный электрическим полем на измерительный электрод, накапливается в процессе измерений, внося погрешность, устранение которой, а также повышение чувствительности достигается введением дополнительных электродов и заземленных экранов. Это усложняет конструкцию устройства, ограничивает его эксплуатационные возможности и при этом полностью не исключает наличие шумов.
Известно устройство для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля (см. патент RU, №2199761 С2, G01R 29/12, 2001 г.), Устройство содержит корпус, монополь (измерительный электрод), выполненный в виде пластины из проводящего материала и жестко установленный посредством втулки на валу двигателя, расположенный между ними экран, выполненный в виде металлического кругового кольца, электрически изолированного от монополя и связанный с корпусом с возможностью изменения угла наклона его плоскости относительно плоскости вращения монополя посредством по меньшей мере трех винтов, подпружиненных шайбами. Радиально симметрично монополю в плоскости его вращения установлен противовес. Монополь приводится во вращения микроэлектродвигателем постоянного тока со стабилизатором скорости вращения. Монополь посредством скользящего контакта в виде самоприжимающейся щетки, взаимодействующей с втулкой, электрически связан с входом усилителя тока, который связан с последовательно соединенными усилителем низкой частоты, полосовым фильтром, двухполупериодным выпрямителем, аналого-цифровым преобразователем и устройством отображения информации. Вращающийся монополь защищен от повреждений кожухом с прорезями.
Недостатком данного устройства является ограниченная чувствительность к электростатическому полю из-за наличия шумов, существование которых обусловлено наличием электрического двигателя, скользящего контакта, в виде само прижимающейся щетки.
Целью данного изобретения является повышение точности измерения напряженности электростатического поля и повышение чувствительности к слабым электростатическим полям.
Поставленная цель достигается тем, что в электростатическом флюксметре, содержащем сигнальный электрод, экранирующий электрод, периодически закрывающий сигнальный электрод, электродвигатель, на заземленный вал которого насажен экранирующий электрод, первый повторитель напряжения, вход которого соединен с сигнальным электродом, усилитель, вход которого связан с выходом первого повторителя напряжения, фазочувствительный выпрямитель, вход которого соединен с выходом усилителя, вольтметр, вход которого подсоединен к выходу фазочувствительного выпрямителя, сигнальный электрод выполнен в виде двух цепочек, состоящих из чередующихся независимых сигнальных электродов, одна из которых связана с входом первого повторителя напряжения, второй повторитель напряжения, вход которого связан со второй цепочкой независимых сигнальных электродов, в качестве усилителя используется дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с выходом первого повторителя напряжения, неинвертирующий вход соединен с выходом второго повторителя напряжения, а выход связан с входом фазочувствительного выпрямителя, введен дополнительный экран, состоящий из двух цепочек чередующихся независимых электродов, имеющих форму аналогичную форме сигнальных электродов, и расположенный между цепочкой сигнальных электродов и электродвигателем и связанный с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя.
Введение двух цепочек из чередующихся независимых сигнальных электродов и дифференциального усилителя позволяет получить на входе фазочувствительного выпрямителя гармонически изменяющееся напряжение, появляющиеся на выходе дифференциального усилителя и являющееся следствием попадания на инвертирующий и неинвертирующий входы потенциалов, соответственно, от первой и второй цепочек из чередующихся независимых сигнальных электродов, сдвинутых друг относительно друга во времени, равным полупериоду формируемого гармонического сигнала
где ω - угловая скорость вращения вала электродвигателя, N - число лопастей экранирующего электрода, находящихся при этом временном сдвиге в противофазе, благодаря инвертирующему и неинвертирующему входу у дифференциального усилителя. Наличие гармонического закона изменения напряжения, поступающего на вход фазочувствительного выпрямителя, обеспечивает сходимость операции интегрирования при выпрямлении переменного напряжения, что повышает точность калибровки напряжения при измерении напряженности электростатического поля флюксметром.
Введение дополнительного экрана, состоящего из двух цепочек чередующихся независимых электродов, имеющих форму аналогичную форме сигнальных электродов, расположенного между цепочкой сигнальных электродов и электродвигателем, две цепочки электродов которого подключены к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального усилителя, приводит к тому, что наводки, формирующиеся на электродах дополнительного экрана, на выходе усилителя оказываются в противофазе и компенсируют друг друга, вследствие чего уменьшается величина шумового сигнала на входе фазочувствительного выпрямителя, что увеличивает чувствительность электростатического флюксметра к меньшим напряженностям контролируемого электростатического поля.
Введение дифференциального усилителя обеспечивает уменьшение величины шумового сигнала, обусловленного наводками электродвигателя и фонового электромагнитного поля, вследствие того, что сигнал шума одновременно поступает на инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя и на выходе его происходит взаимная компенсация составляющих шума, находящихся в противофазе. Таким образом, на вход фазочувствительного выпрямителя поступает аналоговый сигнал, со стремящимися к нулю шумовыми составляющими, что повышает чувствительность электростатического флюксметра к более слабым электростатическим полям. В то время как в известном устройстве для измерения статического и квазистатического электрического поля шумовой сигнал поступает на вход усилителя тока, вместе с полезным сигналом усиливается усилителем низкой частоты, выпрямляется и таким образом входит в состав сигнала, по которому оценивается величина напряженности контролируемого электростатического поля, ограничивая, таким образом, чувствительность устройства к малым электростатическим полям.
На фиг. 1 представлена блок-схема электростатического флюксметра, а на фиг. 2 представлены сигнальные электроды (а) и экранирующий электрод (б).
Электростатический флюксметр содержит сигнальные электроды 1а и 1б, экранирующий электрод 2, дополнительный экран 3а и 3б, электродвигатель 4, первый повторитель напряжения 5, второй повторитель напряжения 6, дифференциальный усилитель 7, фазочувствительный выпрямитель 8, оптопару 9 и вольтметр 10, причем сигнальные электроды 1а соединены со входом первого повторителя напряжения 5, а сигнальные электроды 1б соединены со входом второго повторителя напряжения 6, выход которого соединен с цепочкой независимых электродов 3б дополнительного экрана, другая цепочка независимых электродов которого 3а соединена с выходом первого повторителя напряжения 5, выход которого соединен еще и с инвертирующим входом дифференциального усилителя 7, неинвертирующий вход которого соединен с выходом второго повторителя напряжения 6, а выход связан с входом фазочувствительного выпрямителя 8, к дополнительному входу которого подсоединена оптопара 9, пересекаемая экранирующим электродом 2, насаженным на заземленный вал электродвигателя 4. При этом выход фазочувствительного выпрямителя 8 соединен с вольтметром 10.
На фиг. 2а показаны сигнальные электроды, конструктивно независимые друг от друга и соединенные между собой через две независимые цепочки с выходом «Вых. а» и выходом «Вых. б». На фиг. 2б представлен экранирующий электрод с секторами, одновременно перекрывающими одну из цепочек сигнальных электродов.
0
1
Устройство работает следующим образом. В случае, когда открыта для электростатического поля цепочка сигнальных электродов с выходом «Вых. а» электростатическое поле на измерительных электродах этой цепочки индуцирует заряд, пропорциональный напряженности электростатического поля, и поступающий на вход «Вх. 1» первого повторителя напряжения 5, вследствие чего с выхода этого каскада на инвертирующий вход дифференциального усилителя 7 подается напряжение пропорциональное напряженности электростатического поля. Это напряжение инвертируется, усиливается и с выхода дифференциального усилителя поступает на вход фазочувствительного выпрямителя 8. После того, как экранирующий электрод повернется на угол  где N - число лопастей экранирующего электрода (см. фиг. 2б), для электростатического поля становится открытым цепочка сигнальных электродов с «вых. 2» (см. фиг. 2а) на измерительных электродах которой индуцируется заряд, пропорциональный напряженности электростатического поля  где ε - электрическая постоянная, S - площадь измерительных пластин), поступающий на вход «Вх. 2» второго повторителя напряжения 6, вследствие чего с выхода этого каскада на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 7 подается напряжение пропорциональное напряженности электростатического поля. Это напряжение усиливается и с выхода дифференциального усилителя 7 поступает на вход фазочувствительного выпрямителя 8 в фазе, сдвинутой на п по отношению к напряжению, формируемого цепочкой электродов с «Вых. 1». Таким образом на входе фазочувствительного выпрямителя формируется периодически изменяющиеся напряжение с частотой , где  - частота вращения вала электродвигателя 4, N - число лопастей экранирующего электрода. При этом на инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя одновременно поддается напряжение с цепочек чередующихся независимых электродов 3а и 3б дополнительного экрана, экранирующего сигнальные электроды 1 от наводок электростатического поля электродвигателя 4 и фонового электромагнитного поля. Так как на выходе дифференциального усилителя в каждый момент времени сигналы помех, поступающие одновременно на инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя находятся в противофазе, то при сложении они компенсируют друг друга, что приводит к уменьшению уровня шума на входе фазочувствительного выпрямителя 8, который выпрямляет поступающее на его вход напряжение, будучи синхронизированным импульсным напряжением с частотой следования равной частоте вращения экранирующего электрода 2 умноженной на число лопастей экранирующего электрода, которое формируется оптопарой 9, пересекаемой лопастями экранирующего электрода 2. С выхода фазочувствительного выпрямителя 8, выпрямленное напряжение, пропорциональное напряженности электростатического поля, замеряется вольтметром 10, шкала которого отградуирована в единицах напряженности электростатического поля.
Пример. Экспериментально были проведены измерения напряженности электростатического поля для трех вариантов конструктивной реализации флюксметра: с одной цепочкой сигнальных электродов (одноканальная схема), с одной цепочкой сигнальных электродов и дополнительным экраном (одноканальная схема с дополнительным экраном) и с двумя цепочками сигнальных электродов и с дополнительным экраном (двух канальная схема с дополнительным экраном). Результаты измерений представлены на графиках (фиг. 3) зависимости чувствительности флюксметра от частоты изменения сигнала, поступающего на вход фазочувствительного выпрямителя. Под чувствительностью флюксметра понимают отношение напряжения, показываемого вольтметром, к величине напряженности электростатического поля.
Из графиков следует, что введение в одноканальную схему дополнительного экрана увеличивает максимальную чувствительность флюксметра в 2 раза, а при создании двух канальной схемы с дополнительным экраном максимальная чувствительность флюксметра возрастает в 3,1 раза по отношению к одноканальной схеме без дополнительного экрана. Что и доказывает эффективность заявленных решений.