ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Настоящая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для электрических измерений, в частности, измерения вертикальной составляющей электрического поля.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство [1], содержащее горизонтально расположенные в непосредственной близости одна от другой экранирующую и измерительную пластину, изоляторы, поддерживающие измерительную пластину, корпус-основание, двигатель, маркированный маховик, источник подсветки, фотодиод, мостовую схему, пороговый блок, усилитель тока, полосовой фильтр, микроконтроллер, блок приема-передачи данных, блок стабилизации скорости вращения двигателя, удаленный компьютер. Экранирующая пластина укреплена на валу двигателя и вместе с корпусом заземлена. Горизонтальная неподвижная измерительная круглая пластина содержит шесть секториальных вырезов, над ней вращается экранирующая пластина с такой же конфигурацией вырезов. Оси обеих пластин совпадают. При вращении экранирующей пластины измерительная пластина периодически экранируется от действия измеряемого электрического поля, в результате чего в цепи, соединяющей измерительную пластину с землей, возникает переменный ток, который обрабатывается электрической схемой устройства. Частота вращения вала двигателя остается постоянной. На валу двигателя расположен маркированный маховик, на который нанесены черные и белые полосы одинаковой ширины. Цвет полос чередуется. Вблизи от маховика расположен источник подсветки, излучением которого подсвечиваются полосы на маховике. Также вблизи от маховика расположен фотодиод, на который падает излучение подсветки, отраженное от поверхности маховика. При вращении двигателя цвет полос на поверхности маховика чередуется и в зависимости от этого в фотодиод попадает большее или меньшее количество света от источника подсветки. В результате синхронно с этим меняется уровень сигнала в фотодиоде, который выделяется в мостовой схеме, и в пороговом блоке из него формируется бинарный выходной опорный сигнал, подаваемый на цифровой вход микроконтроллера.
Заряды переменной величины с измерительной пластины, перемещаясь, образуют электрический ток, который усилителе тока усиливается и преобразуется в напряжение. Усиленный сигнал имеет частоту, определяемую скоростью вращения экранирующей пластины и количеством секториальных вырезов на ней. Далее выходной сигнал усилителя тока проходит через полосовой фильтр, очищающий результаты измерения от гармоник промышленной частоты. После этого измерительный сигнал перемножается в микроконтроллере на опорный сигнал, поступающий на цифровой вход микроконтроллера. Результат перемножения усредняется и из него выделяется медленно меняющаяся компонента, несущая информацию о величине измеряемого электрического поля. Результат измерения в последовательном коде поступает на блок приема-передачи данных, который используется для связи с удаленным компьютером и передачи туда результатов измерения.
Основным недостатком устройства-прототипа является то, что он имеет невысокую долговременную стабильность нуля, причем смещение нуля изменяется со временем до 50 В/м под действием неконтролируемых факторов (температура, влажность, запыленность воздуха и прочее). Таким образом, результаты длительных измерений электрического поля устройством-прототипом в отсутствии периодической калибровки могут оказаться недостоверными.
Задачами, на решение которых направлена заявляемая полезная модель, является уменьшение смещения нуля и уменьшение дрейфа нулевых показаний с целью повышения точности измерения электрического поля.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее экранирующую пластину, первую измерительную пластину, изоляторы, корпус-основание, двигатель, блок стабилизации скорости вращения двигателя, первый усилитель тока, первый полосовой фильтр, маркированный маховик, источник подсветки, фотодиод, мостовую схему, пороговый блок, микроконтроллер и блок приема-передачи данных, введены вторая измерительная пластина, экран второй измерительной пластины, второй усилитель тока, дифференциальный усилитель, при этом вторая измерительная пластина накрыта экраном, электрически соединенным с корпусом-основанием, и подключена ко входу второго усилителя тока, выход которого подсоединен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, выход первого усилителя тока подсоединен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя, выход которого подсоединен к входу первого полосового.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1. На фиг.1 обозначены: 1 - первая измерительная пластина, 2 - вторая измерительная пластина, 3 - экран, 4 - первый усилитель тока, 5 - второй усилитель тока, 6 - дифференциальный усилитель, 7 - полосовой фильтр.
Работает устройство следующим образом:
Сигнал от первой измерительной пластины подается на первый усилитель тока. В этом сигнале присутствует составляющая от измеряемого электрического поля и составляющая, возникающая вследствие мешающих факторов Сигнал от второй измерительной пластины подается на второй усилитель тока. В этом сигнале присутствует составляющая, возникающая только вследствие мешающих факторов. В дифференциальном усилителе происходит вычитание сигналов, вследствие чего происходит компенсация мешающих составляющих. Далее усиленный сигнал проходит через полосовой фильтр (частота настройки фильтра зависит от скорости вращения электродвигателя). Гармонический сигнал с полосового фильтра дискретизируется с частотой в несколько раз большей, чем частота дискретизации по Котельникову. Затем следует процесс квантования отсчетов в соответствии с выбранной разрядной сеткой АЦП. Опорный сигнал при этом не оцифровывается и может быть представлен двумя логическими уровнями 0 и 1. Затем следует операция перемножения дискретизированных сигналов с последующим усреднением и децимацией. Выходной сигнал пропорционален напряженности электрического поля.
Техническим результатом, обеспечиваемым конструкцией датчика напряженности электрического поля, является уменьшение смещения нуля до 2 В/м.
Предполагается внедрение полезной модели на метеорологической наблюдательной сети Российской Федерации.
Источники информации:
1. Патент РФ на полезную модель №104729, кл. G01R 1/00 по заявке №2010149128/28 от 30.11.2010 опубл. 20.05.2011.