ДАТЧИК СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Предлагаемая полезная модель (ПМ) относится к области контрольно-измерительной техники, может быть использована для контроля объемного заряда статического электричества на производствах и объектах при работе с газо-воздушными, жидкими и твердыми средами, а также для измерения и контроля статического электричества атмосферы.
В процессе технологических операций различных типов производств происходит накапливание статического электричества на элементах и деталях оборудования, рабочих материалов и сред, что может служить причиной возникновения отказов и сбоев в работе, а также пожаров и взрывов.
Известно устройство для контроля объемного заряда статического электричества в потоках движущихся диэлектрических жидкостей (светлых нефтепродуктов) или в потоках аэродисперсных сред (Пат. РФ №2196339, МПК G01R 29/00, опубл. 10.01.2003 г.). Данное устройство включает в себя систему электродов, регистрирующий прибор, экранирующие электроды, два крыла, датчик частоты колебаний подвижного крыла, преобразователь частоты в напряжение, аналоговый перемножитель, регистратор.
Существенными признаками, сходными с заявляемой полезной моделью, являются система электродов, регистрирующий прибор, регистратор.
При сравнительно хороших точности и информативности измерений, данное устройство обладает существенными недостатками: сложность конструкции и стационарность, т.к. данное устройство интегрируется в конструкцию трубопровода, резервуара и т д.
Так же известно устройство для измерения электрической проводимости атмосферы (Пат. РФ №2397515, МПК G01R 29/12, опубл. 20.08.2010 г.). Устройство включает измерительную пластину с отверстием в центральной части, а также дополнительную пластину, расположенную над измерительной пластиной параллельно ей. Расстояние между пластинами обратно пропорционально величине напряженности переменного поля, создаваемого генератором инфранизких частот, соединенным с дополнительной пластиной. В отверстии измерительной пластины установлен электростатический флюксметр с возможностью вращения. Также в схему устройства включены усилитель сигналов, блок измерителя разности фаз, блок тригонометрической функции котангенса разности фаз, масштабный усилитель, блок регистрации. Усилитель сигналов подключен к измерительной пластине и к первому входу блока измерителя разности фаз. Ко второму входу блока измерителя разности фаз подключен электростатический флюксметр.
Существенными признаками, сходными с заявляемой полезной моделью, являются усилитель сигналов и блок регистрации.
При сравнительно хороших точности и информативности измерений, данное устройство обладает существенными недостатками: сложность конструкции и узкая сфера применения, (данное устройство можно применять только для измерения электрического поля атмосферного воздуха).
Наиболее близким по своей технической сущности (прототипом) является широкополосное устройство для измерения напряженности электрического поля (Пат. РФ №2485528, МПК G01R 29/00, опубл. 20.06.2013 г.), которое содержит сегнетоэлектрические элементы с электродами в виде идентичных сегнетоэлектрических конденсаторов переменной емкости, находящихся вне действия измеряемого электрического поля, включенных в противоположные плечи мостовой электрической схемы, в другие два противоположных плеча мостовой схемы включены идентичные конденсаторы постоянной емкости, к входной диагонали мостовой схемы подключена симметричная или несимметричная электрическая антенна, находящаяся в измеряемом электрическом поле. Данное устройство позволяет измерять напряженности электрического поля в широком диапазоне от постоянного до быстропеременного электрических полей.
Существенными признаками, сходными с заявляемой полезной моделью, являются сегнетоэлектрический элемент с электродами в виде сегнетоэлектрического конденсатора переменной емкости.
При высокой чувствительности и широком диапазоне измерения, данное устройство обладает следующими недостатками: сложность электрической схемы и конструкции, необходимость использования помимо сенсорных элементов, большого количества дополнительных элементов и оборудования.
Задачей заявляемой полезной модели является упрощение конструкции, расширение динамического диапазона, повышение точности измерения, расширение области применения. Данная задача реализуется путем замены мостовой схемы прототипа, в диагонали которой подключена симметричная или несимметричная электрическая антенна, на одиночный сегнетоэлектрический конденсатор, расположенный на подложке, в виде тонкой пленки с системой электродов.
Заявляемая полезная модель состоит из регистратора (сенсора), зарядочувствительного усилителя, блока питания и блока регистрации (регистрирующий прибор). Сенсором служит сегнетоэлектрический элемент с системой электродов в виде сегнетоэлектрического конденсатора переменной емкости расположенный на подложке.
Устройство работает следующим образом. При помещении устройства в электростатическое поле внутри сегнетоэлектрической пленки (регистратора) индуцируется заряд, который посредством системы электродов снимается с пленки сегнетоэлектрика и передается на зарядочувствительный усилитель. Далее заряд, преобразованный в напряжение, поступает в измерительный блок, который измеряет величину электростатического воздействия. Вся система питается от источника постоянного тока. Экспериментальная зависимость индуцированного заряда внутри чувствительного элемента данной полезной модели от напряженности электростатического поля представлена на фигуре.
Использование сенсоров на основе сегнетоэлектрической пленки позволит существенно расширить диапазоны измерения параметров электростатического поля, упростить конструкцию, схемотехнику и технологию изготовления, а также монтаж и эксплуатацию их на различных объектах и промышленных производствах. Процесс формирования сенсоров осуществляется в рамках стандартной микроэлектронной технологии и не требует разработки специального оборудования.
Применение заявляемой полезной модели позволит повысить безопасность и эффективность различных типов промышленных производств, а также проводить контроль и мониторинг накопления статического заряда в магистральных нефте- и газопроводах, при транспортировке сыпучих мелкодисперсных сред. Применение заявляемой полезной модели сенсора для мониторинга атмосферных электрических полей позволит эффективно в процессе реального времени контролировать грозовые фронты и оценивать вероятность возникновения разрядов молнии. Все это, а также удешевление производства при изготовлении по микроэлектронной серийной технологии, позволяет сделать заключение о высокой технико-экономической эффективности заявляемой ПМ.