ЭЛЕКТРОМЕТР НА ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМПАХ В ОБРАЩЕННОМ РЕЖИМЕ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения электростатических полей и электрических зарядов.
Для различных исследований характеристик электростатических полей и зарядов необходимы электрометрические приборы (электрометры).
12
Основным требованием, предъявляемым к электрометрам, являются малое потребление энергии от наэлектризованного объекта и высокое 19 входное сопротивление (не менее 10 Ом). Для решения такой задачи применяются электрометры различных конструкций от электростатических преобразователей напряжения в перемещения, не содержащих электронных компонентов, до сложных приборов, выполненных на интегральных микросхемах.
В настоящее время ведущие мировые производители электронных компонентов выпускают интегральные микросхемы, предназначенные для построения электрометрической аппаратуры. Так фирма National Semiconductor (США) выпускает операционный усилитель со сверхнизким входным током LMC6001, предназначенный для построения электрометров. (LMC6001 Ultra low input current amplifier. National Semiconductor, 2009). Во входной цепи операционного усилителя используются полевые транзисторы с изолированным затвором. Входной ток микросхемы составляет 25 фА. Диапазон ее входных напряжений составляет ±15 В. В микросхему встроена защита от импульсов электростатического разряда по входной цепи до 2 кВ.
Подобные микросхемы используются в составе измерителей напряженности электростатического поля выпускаемых серийно и отечественной промышленностью. Известен прибор для измерения напряженности электростатического поля ИЭСП-01 выпускаемый ФГУП НПП «Циклон-тест» имеет входной каскад на операционном усилителе со входным сопротивлением 100 ГОм (Измеритель напряженности электростатического поля ИЭСП-01. Руководство по эксплуатации. ПАЭМ.411720.001 РЭ. ФГУП НПП «Циклон-тест»)
Прибор обеспечивает бесконтактное измерения напряженности поля в диапазоне 0,1-180 кВ/м и потенциала в диапазоне 0,1-18 кВ (на расстоянии 100 мм) с погрешностью ±20%.
Недостатком известных электрометров, построенных на современной полупроводниковой элементной базе, является низкая защита от перегрузок. Воздействие многократно повторяющиеся перегрузок по входной цепи до нескольких киловольт и длительной перегрузки до сотен вольт на входную цепь полупроводникового электрометра приводит к пробою его элементов. Таким образом, в известных электрометрах схемотехническая защита от перегрузок по входной цепи полупроводниковых приборов не обеспечивает защиту от длительной перегрузки, что является принципиальным недостатком электрометров, построенных на полупроводниковых компонентах.
Для преодоления данного недостатка используется электрометр на электронных лампах в обращенном режиме. Ламповые устройства отличаются устойчивостью к воздействию перегрузок по входной цепи. Ничтожность энергии, затрачиваемой по цепи управляющей сетки для управления электронным потоком с катода на анод сделала целесообразным использование электронных ламп для измерения слабых токов. Ранее для этого использовались электрометрические лампы, снятые с производства в настоящее время. При использовании приемно-усилительных радиоламп в традиционном включении с общим катодом может не обеспечиваться высокое входное сопротивление, поэтому целесообразно использовать радиолампу в обращенном режиме.
Известен радиолампа-электрометр, содержащий зонд, измерительный прибор, электровакуумный триод и источник накала катода, измерительный прибор включен между сеткой и катодом электровакуумного триода, анод или катод которого соединены с зондом. (Патент РФ 2109299, МПК G01R 5/28, опубл. 20.04.1998 г.)
Триод используется в известном одноламповом устройстве в режиме работы термоэмиссии электронов с катода, похожим на обращенный режим.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является одноламповый индикатор электростатического поля с батарейным питанием на лампе в обращенном режиме. (Ринский В. Индикаторы электрических полей и зарядов. В помощь радиолюбителю. Выпуск 58. М.: ДОСААФ, 1977, с.1-11 - прототип).
Индикатор поля, описанный в статье, включает электронную лампу, источник питания накала и управляющей сетки, например гальваническую батарею, микроамперметр для регистрации показаний, включенный в цепь управляющей сетки, резистор для установки нуля, включенный последовательно с микроамперметром, и зонд, соединенный с экранирующей сеткой лампы.
Однако данное устройство не предназначено для проведения измерений, а только сигнализирует о наличии электростатического поля.
Недостатком вышеупомянутых известных одноламповых электрометров является повышенный дрейф нуля. Повышенный дрейф нуля приводит к необходимости частой переустановки нуля и к неустойчивым показаниям прибора, что приводит неустойчивым результатам измерений с такими приборами и поэтому одноламповые схемы в обращенном режиме пригодны только для индикации, но не для проведения измерений. При этом одноламповые схемы обладают всеми свойствами схем в обращенном режиме, в том числе высокой перегрузочной способностью.
Техническая задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в повышении устойчивости электрометра к воздействию перегрузок, как от кратковременных многократно повторяющихся перегрузок по входной цепи до нескольких киловольт, так и от длительных перегрузок до сотен вольт.
Поставленная техническая задача решается тем, что в электрометре, содержащем электронную лампу, источник питания, микроамперметр, резистор и зонд, согласно предложенной полезной модели, в качестве электронной лампы используется электронная лампа - пентод косвенного накала в обращенном режиме, электрометр дополнительно включает вторую электронную лампу - пентод косвенного накала в обращенном режиме, первая и вторая электронные лампы соединены по мостовой схеме и образуют два плеча моста, переменный резистор соединен с первыми сетками электронных ламп и образует оставшиеся два плеча моста, зонды соединены со вторыми экранирующими сетками электронных ламп, микроамперметр включен в одну диагональ моста и подключен к первым сеткам ламп параллельно переменному резистору, источник писания включен в другую диагональ моста и соединен с катодами электронных ламп и переменным резистором.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией заявленной совокупности существенных признаков, состоит в повышении устойчивости электрометра к воздействию перегрузок. Также в отличие от прототипа и аналогов в предложенном устройстве используются широко распространенные приемно-усилительные лампы косвенного накала, что исключает использование снятых с производства электрометрических ламп.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется рисунками, где на фиг.1 показана принципиальная электрическая схема электрометра на лампах в обращенном режиме.
Фиг.1 включает следующие позиции
1 и 6 - электронные лампы (пентоды)
2 и 5 - зонды
3 - микроамперметр
4 - резистор переменый
7 - положительная клемма источника питания
8 - отрицательная клемма источника питания
Электрометр (фиг.1) включает две электронные лампы (пентоды) косвенного накала в обращенном режиме 1 и 6, соединенные по мостовой схеме и образующие два плеча моста, зонды 2 и 5, соединенные со вторыми экранирующими сетками электронных ламп 1 и 6 соответственно, переменный резистор 4, который соединен с первыми управляющими сетками электронных ламп 1 и 6 и образует оставшиеся два плеча моста, микроамперметр 3, включенный в одну диагональ моста и подключенный к первым сеткам электронных ламп 1 и 6 параллельно переменному резистору 4, источник питания, который включен в другую диагональ моста и соединен с катодами электронных ламп 1 и 6 и переменным резистором 4, источник питания содержит положительную клемму питания 7 и отрицательную клемму питания 8.
Электрометр собран по схеме моста постоянного тока. Применение мостовой схемы позволяет подавить дрейф нуля. В два плеча моста включены электронные лампы (пентоды) 1 и 6 косвенного накала в обращенном режиме. Ко вторым сеткам ламп кабелем «витая пара» подключены два зонда 2 и 5. Входным сигналом прибора является электростатический потенциал, наводимый на зондах. Один из зондов может быть заземлен. В этом случае прибор измеряет электростатический потенциал относительно земли наведенный на втором зонде. Если ни один из зондов не заземлен, то измеряется разность потенциалов зондов относительно земли. Изменение электростатического потенциала наводимого на зондах вызывает изменение потенциала второй сетки относительно катода. Это приводит к отклонению электронов от управляющей сетки и в результате изменяется ток в цепи управляющей сетки. Таким образом, входной сигнал вызывает разбалансировку моста, что регистрируется микроамперметром 3. Анод в таком включении играет роль электростатического экрана. Резистор 4 служит для балансировки моста. С помощью него показания микроамперметра 3 устанавливаются на ноль в отсутствии сигнала. Крутизна характеристики лампы в таком включении составляет в пределах 20-100 мкА/В. Ток первой сетки составляет несколько миллиампер. Данная схема тестировалась с лампами типов 6Ж1П и 6Ж38П.
Диапазон входных напряжений лампы в обращенном режиме может достигать сотен вольт. Допускается кратковременное (до 0,1 с) попадание во входную цепь напряжений до нескольких киловольт. Такая перегрузка не приводит к повреждению лампы.
Благодаря тому, что вторая сетка расположена значительно дальше от катода, чем первая сетка, большинство электронов излучаемых катодом перехватывается управляющей сеткой и создает ее ток. В результате ток второй сетки получается очень малым и входное сопротивление лампы в 12 обращенном режиме составляет не менее 10 Ом. Для обеспечения высокого входного сопротивления подобных приборов необходима высококачественная изоляция цепи второй сетки.
Электрометр питается от одного источника питания постоянного тока напряжением 5 В. «Плюс» источника питания подключается к клемме 7, а «минус» источника питания подключается к клемме 8. «Минус» источника питания заземлен. Для уменьшения помех на входную цепь, накалы ламп питаются постоянным током. Напряжение питания было понижено относительно номинального напряжения накала ламп (6,3 В) в целях повышения входного сопротивления прибора и линейности. Металлический корпус устройства должен быть заземлен. Необходимо использовать только керамические ламповые панели в целях уменьшения утечек по цепи второй сетки.
Для работы электрометр подключается к источнику питания. После начального прогрева в течение 10-15 секунд накалов ламп показания микроамперметра начнут расти. Эти показания необходимо выставить их на ноль. Затем электрометр прогревается еще около 5 минут и окончательно выставляется ноль. Электрометр готов к проведению измерений.
Экспериментальный образец электрометра был собран и успешно прошел испытания на базе предприятия ФГУП Калужский электромеханический завод.
Достоинством предложенного электрометра по сравнению с аналогами на полупроводниковой элементной базе является повышенная устойчивость к воздействию перегрузок по входной цепи, что достигается применением электронных ламп в обращенном режиме. Отличием заявленного электрометра от одноламповых схем-прототипов является подавление дрейфа нуля, что достигается применением мостовой схемы, и что сделало возможным использование электрометра на лампах в обращенном режиме для проведения измерений, а не только для индикации электростатических полей и зарядов. Также в данной конструкции в отличие от аналогов на электрометрических лампах и прототипа на прямонакальных приемно-усилительных лампах используются приемно-усилительные лампы косвенного накала, выпускаемые до настоящего времени.