Устройство контроля наличия напряженности постоянного электрического поля

Область техники, к которой относится полезная модель
Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля наличия напряженности постоянного электрического поля.
Уровень техники
Известно однокоординатное устройство измерения напряженности электрического поля [Морозов Ю.А., Громов О.М. Прибор для измерения напряженности электрического поля промышленной частоты. // Научные работы институтов охраны труда ВЦСПС.- М.: Профиздат.- 1970. - Вып.65. - С. 41-44], основанный на помещении в исследуемое пространство одной пары чувствительных элементов, входящих в общий датчик и находящихся на координатной оси, проходящей через центр датчика, ориентировании этих чувствительных элементов в электрическом поле до момента получения максимальной составляющей и определении модуля вектора напряженности путем измерения этой составляющей. Недостатками этого способа является отсутствие возможности измерения постоянной составляющей электрического поля.
Известно также другое двухкоординатное устройство измерения напряженности электрического поля [Bocker Н., Wilhelmy L. Messung der elektrischen Feldstarke bei hohen transienten und periodisch zeitabhangigen Spannungen. // Elektro-techniche zeitschrift. - 1970. - A91. - 8. - S. 427-430], основанный на помещении в исследуемое пространство двух пар чувствительных элементов, входящих в общий датчик и находящихся на двух координатных осях, проходящих через центр датчика, ориентировании этих чувствительных элементов в двух плоскостях электрического поля, измерении двух его составляющих и определении модуля вектора напряженности путем геометрического суммирования измеренных составляющих. Недостатками этого способа также является отсутствие возможности измерения постоянной составляющей электрического поля.
Кроме того, известно устройство измерения напряженности электрического поля [Патент RU 2214611, МКИ G01R 29/12, G01R 29/08], заключающийся в том, что в исследуемое пространство одновременно помещают n-пар проводящих чувствительных элементов, входящих в общий датчик, симметрировании наружных поверхностей датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров поверхностей чувствительных элементов попарно на n осях выбранной системы координат симметрично относительно ее начала, при этом датчик ориентируют и затем поддерживают так, чтобы вектор напряженности электрического поля был равноудален от координатных осей датчика, т.е. чтобы его составляющие по координатным осям были равны, а конфигурацию и размер чувствительных элементов выбирают из условия минимума погрешности от неоднородности электрического поля при максимальном пространственном диапазоне измерения, при этом модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением одной из составляющих датчика. Недостатком этого способа является отсутствие возможности измерения постоянной составляющей электрического поля.
Близким к предлагаемой полезной модели является устройство измерения напряженности электрического поля [Патент RU 2388003(13) C1, (51) МПК G01R29/08 (2006.01), G01R 29/12 (2006.01))]. Датчик выполнен трехкоординатным, т.е. n=3, и его ориентируют в пространстве так, чтобы одна из составляющих вектора напряженности по одной из координатных осей датчика стала равной нулю, затем, фиксируя датчик в этом положении, поворачивают датчик вокруг найденной координатной оси до достижения равенства двух других составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика. Максимальное показание прибора наступит, когда вектор напряженности окажется равноудаленным от двух координатных осей датчика, а его составляющие по этим координатным осям станут равны. При ориентации датчика необходимо, чтобы вектор напряженности электрического поля попал в плоскость двух любых координатных осей. Удерживая датчик в положении, соответствующем максимальному показанию прибора, измеряют алгебраическую сумму составляющих вектора напряженности электрического поля по двум координатным осям, по которой и определяют его модуль. Т.е. вектор напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением алгебраической суммы двух не равных нулю составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика.
Прототипом предлагаемого устройства является устройство измерения напряженности электрического поля постоянного тока по патенту №169304. Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения с напряженности постоянного электрического поля. Особенностью заявленного устройства является модулятор - датчик электрического поля, который выполняют в виде двух соединенных индуктивно катушек на ферритовых кольцах разных диаметров, причем первая катушка с большим диаметром является датчиком и неподвижна относительно корпуса устройства, а вторая с меньшим диаметром, которая установлена на оси двигателя и вращается внутри первой катушки, является модулятором. Выход датчика поступает на вход аналого-цифрового устройства, состоящего из усилителя измеряемого аналогового сигнала, полосового фильтра, детектора, блока фиксатора и индикатора измеряемого поля.
Принцип работы устройства заключается в следующем. В обмотке вращающейся катушки возникает ЭДС, вызывающая протекание электрического тока. За счет магнитной связи между катушками в витках неподвижной катушки-датчика возникает ЭДС, измеряемая аналого-цифровым устройством и индицируемая на индикаторе.
Общими недостатками известных аналогов и прототипа является отсутствие возможности выделения измеренной постоянной составляющей электрического поля в условиях одновременного воздействия постоянного и переменных электрических полей. Вышеперечисленные устройства при отсутствии постоянной составляющей электрического поля и наличии воздействия переменных электрических полей различной частоты устройства все равно будут показывать определенные значения, пропорциональные напряженностям переменных электрических полей различной частоты.
Устройство - прототип имеет при одинаковых массо-габаритных показателях меньшую чувствительность и меньшую точность измерения, т.к. вращающейся частью предлагаемого устройства является диск с отверстиями, масса которого при одинаковом размере с вращающейся катушкой прототипа будет всегда меньше массы вращающейся катушки, следовательно двигатель может обеспечить более высокую скорость вращения более легкого диска, чем более тяжелой катушки, соответственно модуляция будет происходить с большей частотой. Соответственно наводимая ЭДС, пропорциональная частоте модуляции, будет иметь большую величину, а, следовательно, устройство будет иметь большую чувствительность.
За счет нестабильности скорости вращения электродвигателя устройство - прототип имеет погрешность измерения выше, чем у предлагаемого устройства. В предлагаемом устройстве скорость вращения синхронного электродвигателя формируется блоком управления синхронным двигателем и стабилизирована задающим кварцевым генератором этого блока.
Раскрытие полезной модели
Указанные недостатки прототипа устраняются с использованием предлагаемого устройства с механическим облегченным модулятором электрического поля с повышенной частотой модуляции и синхронизацией обработки сигнала с частотой модуляции. Частота модуляции повышается за счет увеличения скорости вращения диска с отверстиями с меньшей массой по сравнению с массой вращающийся катушки при одинаковых массо-габаритных показателях электропривода.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве измерения напряженности электрического поля, основанное на использовании модулятора внешнего электрического поля, датчика переменного электрического поля, усилителя аналогового сигнала, модуля цифровой обработки сигнала, и индикатора, согласно заявленному устройству с целью обеспечения измерения постоянной составляющей внешнего электрического поля и повышения чувствительности и точности измерения предлагается использовать модулятор внешнего электрического поля, устанавливаемый перпендикулярно силовым линиям постоянного электрического поля, выполненный в виде плоского заземленного токопроводящего основания, параллельно которому на валу синхронного электродвигателя установлен вращающийся заземленный токопроводящий диск с отверстиями, а в области модулируемого внешнего поля модулятора, параллельно основанию, устанавливается датчик переменного электрического поля, выполненный в виде катушки на тороидальном ферритовом сердечнике с внутренним диаметром равным диаметру отверстия диска, выход которого соединен через усилитель аналогового сигнала со входом модуля цифровой обработки сигнала со входным аналого-цифровым преобразователем и цифровым вычислителем, на второй вход которого с выхода блока управления синхронным электродвигателем поступает синхронизирующий сигнал с частотой модуляции электрического поля, причем выход модуля цифровой обработки сигнала подключен к индикатору постоянного поля.
Сущностью заявленного устройства является механический модулятор внешнего электрического поля, устанавливаемый перпендикулярно силовым линиям постоянного электрического поля, выполненный в виде плоского заземленного токопроводящего основания, параллельно которому на валу синхронного электродвигателя установлен вращающийся заземленный токопроводящий диск с отверстиями, под которым устанавливается датчик переменного электрического поля, выполненный в виде катушки на тороидальном ферритовом сердечнике с внутренним диаметром равным диаметру отверстия диска, соединенный с аналого-цифровым преобразователем и цифровым вычислителем, который выделяет постоянную составляющую электрического поля, и передает на индикатор.
Техническим результатом полезной модели является возможность измерения напряженности постоянного электрического поля в условиях одновременного воздействия постоянного и переменного электрических полей с большей точностью.
Краткое описание чертежей
Функциональная схема предлагаемого устройство контроля наличия напряженности постоянного электрического поля поясняется чертежом (Фигура).
Осуществление полезной модели
Устройство содержит механический модулятор постоянного электрического поля с повышенной частотой модуляции 1, датчик переменного электрического поля 2, усилитель аналогового сигнала 3, модуль цифровой обработки сигнала 4 и элемент индикации 5.
Механический модулятор внешнего электрического поля с повышенной частотой модуляции выполнен в виде плоского токопроводящего основания 6, параллельно которому на валу синхронного электродвигателя установлен токопроводящий диск с отверстиями 7. Основание и диск соединены с цепью "земля". На фигуре показана область внешнего электрического поля с постоянной составляющей 10 и область модулированного поля 11.
Модулятор устанавливается перпендикулярно силовым линиям внешнего постоянного электрического поля 10. Во время вращения диска в пространстве между диском и основанием формируется модулируемое переменное электрическое поле 11. Частота модулированной постоянной составляющей электрического поля определяется по формуле: F=N*K, где: N - частота вращения диска, а К - количество отверстий в диске.
Между диском и основанием в области модулированного поля 11 устанавливается датчик 2. Датчик представляет собой индуктивную катушку на кольцевом ферритовом сердечнике с внутренним диметром равным диаметру отверстия диска, чтобы все витки катушки пересекались силовыми линиями поля. Катушка устанавливается параллельно основанию, под отверстиями вращающегося диска в области модулированного электрического поля.
Выход датчика подключается ко входу усилителя аналогового сигнала 3, с выхода которого сигнал поступает на модуль цифровой обработки сигнала 4, на второй вход модуля с выхода блока управления синхронным электродвигателем 9 поступает синхронизирующий сигнал с частотой модуляции электрического поля.
Модуль цифровой обработки сигнала 4 содержит входной аналого-цифровой преобразователь и вычислитель, на второй вход которого поступает синхронизирующий сигнал с частотой модуляции внешнего электрического поля. Вычислитель формирует интеграл произведения входного сигнала на синхронизирующий сигнал. Величина интеграла пропорциональна напряженности измеряемого постоянного электрического поля и индицируется на индикаторе.
Принцип выделения постоянной составляющей поясняется формулой:
t→Т
Т - период интегрирования
1
Т>>Т - период гармоники низшей частоты
Принцип действия предлагаемого устройства контроля постоянного электрического поля основан на измерении модулированного электрического поля, напряженность которого пропорциональна напряженности измеряемого внешнего электрического поля. Измеряемое модулированное электрического поле создается путем механической модуляции измеряемого внешнего электрического поля. Механическая модуляция осуществляется заземленным вращающимся относительно токопроводящего заземленного основания металлическим диском с отверстиями с одинаковыми диаметрами, выполненными по периметру диска.
Вращающийся на валу электродвигателя диск с отверстиями, установленный под источником внешнего электрического поля, экранирует это поле в области датчика, а в моменты пересечения отверстиями места установки датчика пропускает электрическое поле через поверхность датчика.
Частота модулированной постоянной составляющей электрического поля определяется по формуле: F=N*K, где: N - частота вращения диска, а K - количество отверстий в диске.
Поверхность датчика пересекает модулированное внешнее электрическое поле, содержащее как постоянную, так и переменную составляющие. Для выделения в измеренном сигнале постоянной составляющей внешнего электрического поля модуль обработки цифрового сигнала осуществляет интегрирование произведения значения измеренного сигнала при t→Т
и сигнала синхронизации, что позволяет выделить значение, пропорциональное постоянной составляющей внешнего электрического поля.
Предлагаемое устройство позволяет осуществлять контроль наличия постоянной составляющей внешнего электрического поля и повысить чувствительность и точность контроля за счет увеличения скорости
вращения диска и стабилизации скорости вращения диска модулятора синхронным электродвигателем.