Устройство разнесённого измерения электростатических зарядов

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при разнесенном измерении напряженности электростатического поля.
Во многих областях народного хозяйства требуется измерение напряженности электростатического поля: метео- и сейсмонаблюдения, хранение электронных компонентов и легковоспламеняющихся веществ, обеспечение пожарной безопасности химических производств, обеспечение охраны территории и прочие области. Мониторинг электрического поля в атмосфере используется для поиска предвестников геодинамических процессов, в частности в исследованиях по прогнозу землетрясений. Современная элементная база позволяет создать измерительные приборы для регистрации напряженности электрического поля атмосферы с высокой точностью, надежностью и малым энергопотреблением.
Так, известен датчик измерителя напряженности электростатического поля (RU, 2442183, G01R29/12, публ.10.02.2012), содержащий неподвижный заземленный экранирующий электрод с секторными вырезами, вращающийся заземленный электрод-модулятор, повторяющий форму вырезов неподвижного экранирующего электрода, отличающийся тем, что чувствительный электрод выполнен в виде диска с отверстием для прохода вала модулятора, а неподвижный экранирующий электрод установлен на цилиндрическом корпусе, снабженном вырезами вдоль образующих цилиндра корпуса, причем высота вырезов равна расстоянию от внешней границы неподвижного электрода до плоскости внешней поверхности вращающегося электрода-модулятора.
Известен также электростатический флюксметр (RU, 104729, G01R1/00,публ.20.05.2011), содержащий экранирующую пластину, измерительную пластину, изоляторы, корпус-основание, двигатель и усилитель тока, отличающийся тем, что в него введены маркированный маховик, источник подсветки, фотодиод, мостовая схема, пороговый блок, полосовой фильтр, микроконтроллер, блок приема-передачи данных и блок стабилизации скорости вращения двигателя, при этом экранирующая пластина электрически соединена с корпусом-основанием и расположена в нем на валу двигателя над измерительной пластиной соосно с ней, на валу двигателя также укреплен маркированный маховик, вблизи которого расположены источник подсветки и фотодиод, который через последовательно соединенные мостовую схему и пороговый блок подключен к цифровому входу микроконтроллера, измерительная пластина и экранирующая пластина соединены со входами усилителя тока, а его выход через полосовой фильтр - с аналоговым входом микроконтроллера, информационный выход микроконтроллера через блок приема-передачи данных соединен с информационным выходом устройства, а управляющий вход устройства через блок приема-передачи данных соединен с управляющим входом микроконтроллера, вход и выход блока стабилизации скорости вращения двигателя подключены соответственно к выходу и входу двигателя, причем лопасти экранирующей пластины несколько повернуты в горизонтальной плоскости (https://www.fips.ru/Archive/PAT/2011RUPM/201102/DOC/RUNWU1/000/000/000/104/729/00000001.tif).
Основным недостатком устройства является то, что они могут измерять только вертикальную составляющую электрического поля в точке пространства находящейся над прибором, т.е. его недостаточная универсальность, замедляющая и усложняющая процесс измерения поля. В то же время при различных исследованиях необходимо одновременное измерение всех трех пространственных координат поля или одновременное измерение поля в нескольких точках в пространства.
Известен также датчик электрического поля по патенту на полезную модель RU, 110469, G01R1/00, публ.20.11.2011). В предлагаемом датчике электрического поля измерения производятся периодическим экранированием четырех перекрестно расположенных измерительных пластин с помощью экранирующей пластины и параллельной обработкой сигналов с измерительных пластин. Экранирующая пластина и измерительные пластины образованы секториальными вырезами соосных конических поверхностей. При вертикальном размещении осей осуществляется одновременное раздельное измерение вертикальной и двух перпендикулярно ориентированных горизонтальных составляющих электрического поля.
Основным недостатком устройства является то, что нет возможности одновременного измерения поля в нескольких точках пространства, что увеличивает сложность и стоимость применения таких устройств в системах разнесенного приема электростатического поля.
За прототип принят электростатический локатор носителей электрического заряда (RU, 104325, G01S5/16, публ10.05.2011), содержащий первый сумматор и первый вычитатель, отличающийся тем, что в него введены второй, третий, четвертый и пятый сумматоры, второй, третий, четвертый и пятый вычитатели, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой флюксметры, первый, второй, третий и четвертый аналого-цифровые преобразователи и вычислитель, причем первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой флюксметры, корпуса которых заземлены в одной точке, размещаются на диэлектрических креплениях в вершинах вертикально расположенного параллелепипеда с квадратным основанием, диагональ которого ориентирована в направлении с севера на юг, а высота параллелепипеда равна длине диагонали основания, при этом измерительные выходы первого, второго, третьего и четвертого флюксметров соединены со входами первого сумматора, измерительные выходы пятого, шестого, седьмого и восьмого флюксметров соединены со входами второго сумматора, выход первого сумматора подключен ко входам пятого вычитателя и третьего сумматора, выход второго сумматора подключен к другим входам пятого вычитателя и третьего сумматора, выход третьего сумматора через четвертый аналого-цифровой преобразователь соединен с четвертым входом вычислителя, а выход пятого вычитателя через третий аналого-цифровой преобразователь соединен с третьим входом вычислителя, выходы первого и второго флюксметров подключены ко входам первого вычитателя, а его выход - к одному из входов четвертого сумматора, выходы третьего и четвертого флюксметров подключены ко входам второго вычитателя, а его выход - к другому входу четвертого сумматора, выходы пятого и шестого флюксметров подключены ко входам третьего вычитателя, а его выход - к одному из входов пятого сумматора, выходы седьмого и восьмого флюксметров подключены ко входам четвертого вычитателя, а его выход - к другому входу пятого сумматора, выход четвертого сумматора через первый аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом вычислителя, выход пятого сумматора через второй аналого-цифровой преобразователь соединен со вторым входом вычислителя, выход вычислителя подключен к параллельному выходу устройства (https://www.fips.ru/Archive/PAT/2011FULL/2011.05.10/DOC/RUNWU1/000/000/000/104/325/00000001.tif).
Недостатком данного устройства является сложность его конструкции и затратность исполнения, так как для определения координат передвижения зарядов используется 8 флюксметров. Низкая надежность, из-за применения множества однотипных устройств, содержащих движущиеся части. Высокая погрешность измерения, каждый датчик по отдельности должен градуироваться с определённой периодичностью.
Задача предлагаемого технического решения заключается в создании универсального устройства, позволяющего ускорить процесс измерения всех составляющих электрического поля в удаленных точках пространства.
Поставленная задача решается тем, что в известное устройство разнесённого измерения электростатических зарядов, содержащее датчик электростатического поля, включающий измерительную пластину и экранирующую пластину, расположенные в верхней части цилиндрического корпуса, внутри которого смонтирован электронный блок управления и обработки сигналов с преобразователем цифрового интерфейса для удаленного подключения к ПК, дополнительно встроен модуль, состоящий из печатной платы, выполненной в виде пластины с разделенными секторами, каждый сектор которой принимает заряд от удаленной измерительной пластины. Каждый сектор управляется электронным ключом таким образом, что можно принудительно сектор заземлить. Ключами секторов управляет контроллер таким образом, что в каждый интервал времени только одна удаленная измерительная пластина оказывается не заземленной, а все остальные заземлены и измеряемое значение будет равно значению незаземленного сектора, что будет соответствовать удаленной измерительной пластине. К выходам секторной печатной платы подключаются кабели, на концах каждого из которых размещается измерительная пластина.
Из уровня техники известно, что обычно для измерения электрического поля используется один электрод, который поочерёдно измеряет характеристики электростатического поля в разных точках пространства. Следовательно, использование нескольких удалённых измерительных пластин одновременно ускоряет процесс измерения, при этом количество пластин также влияет на скорость измерения, поскольку, чем больше пластин, тем быстрее будет процесс измерения.
В нашем случае, печатная плата выполнена в виде четырёх разделенных секторов, и к каждому сектору есть возможность подключить кабель с удалённой измерительной пластиной на конце.
Возможность подключения к устройству больше одного кабеля обеспечивает достижение технического результата
Описанный модуль крепится в металлической чаше, которая закрепляется сверху корпуса датчика так, что измерительные пластины оказываются полностью герметизированы от внешнего воздействия. Это, во-первых, увеличивает надежность прибора и снижает требования к погодным метеоусловиям; во-вторых, исключает шумовой эффект (сильный звук по принципу ручных механических сирен, за счет прохождения воздуха между пластинами), возникающий при вращении пластины с лопастями относительно неподвижной пластины с лопастями.
У описанного устройства выше надежность, чем у нескольких отдельных датчиков, объединенных в одну сеть мониторинга, за счет снижения количества движущихся механических частей и ниже погрешность, так как погрешность системы, состоящей из нескольких измерительных датчиков суммируется.
Полезная модель поясняется прилагаемыми чертежами, где:
на фиг.1 - схема устройства разнесённого измерения электростатических зарядов в сборе;
на фиг.2 - модель взаимодействия многосекционной печатной платы с удалёнными измерительными пластинами
на фиг.3 - фрагмент схемы конструкции устройства разнесённого измерения электростатических зарядов (датчик электростатического поля + металлическая чаша с многосекционной печатной платой);
на фиг.4 - схема управления работой устройства.
Устройство разнесённого измерения электростатических зарядов содержит датчик электростатического поля, состоящий из измерительной пластины 1 и экранирующей пластины 2, расположенных в верхней части цилиндрического корпуса 3, внутри которого встроен блок управления и обработки сигнала с преобразователем интерфейса 4 для удаленного подключения к ПК 5, модуль, состоящий из печатной платы 6, выполненной в виде печатной платы с разделенными секторами, каждый сектор которой принимает заряд от удаленной измерительной пластины 7. Каждый сектор управляется электронным ключом 8 таким образом, что можно принудительно сектор заземлить. Ключами секторов управляет контроллер 9 таким образом, что в каждый интервал времени только одна удаленная измерительная пластина оказывается не заземленной, а все остальные заземлены и измеряемое значение будет равно значению незаземленного сектора, что будет соответствовать значению удаленной измерительной пластины. Устройство выполнено с возможностью подключения к выходам секторной печатной платы 6 через разъемы 10 кабелей 11, на концах каждого из которых размещена удалённая измерительная пластина 7.
Описанный модуль - многосекционная печатная плата 6 -  крепится в металлической чаше 12, которая закрепляется сверху корпуса 3 датчика электростатического поля так, что измерительные пластины оказываются полностью герметизированы от внешнего воздействия. Это, во-первых, увеличивает надежность устройства, снижает требования к погодным метеоусловиям; во-вторых, исключает шумовой эффект (сильный звук по принципу ручных механических сирен, за счет прохождения воздуха между пластинами), возникающий при вращении пластины с лопастями.
Принцип работы устройства следующий: на удаленные измерительные пластины 7, которые располагаются на удалённых концах кабеля, наводятся электростатические заряды, которые проецируются на секторную печатную плату 6. В свою очередь, программное обеспечение на первом этапе передает сигнал «установить все ключи на секторной плате в открытое состояние, кроме одного измерительного сектора». Таким образом, на всех секторах будет потенциал земли и лишь на одном измеренном сегменте будет спроецированный заряд. На втором этапе программное обеспечение опрашивает модуль обработки сигнала 4 и получает результат измерения поля на конкретной удаленной измерительной пластине 7. За цикл опрашиваются все подключенные удаленные измерительные пластины.
Таким образом, реализация заявляемого технического решения обеспечивает измерение электростатического поля в различных точках пространства.