NO312923B1 - Elektrisk feltmåling med vibrerende ladningselement - Google Patents

Description

Patentbeskrivelse

Oppfinnelsen Elektrisk feltmåling med vibrerende ladningselement er en fremgangsmåte og anordning for måling av statiske og langsomt varierende, kvasiuniforme elektriske felt, basert på at det kvasiuniforme elektriske feltet Eo som skal måles (heretter kalt måle/ eltet) induserer en ladning Q i et ladningselement (2), se figurer 1-3. Dette ladningselementet vibreres eller beveges mellom to detektorelementer uten at ladningen Q får anledning til å endres under en periode av vibrasjonen eller bevegelsen. De to detektorelementene kan være et frontgitter (1) og en detektorplate (6) plassert henholdsvis foran og bak en vibrerende ladningsplate (i Figur 1 og 2), eller to detektorplater (6) symmetrisk plasserte på sidene av ladningselementet (i Figur 3).

Når man beveger en konstant ladning Q med hastighet v i rommet mellom to parallelle ledende (detektor)plater med avstand D, med v loddrett platene, viser standard elektrostatisk teori at det induseres en strøm / i ledningskretsen mellom detektorplatene gitt ved:

Lar man Q være en ladning indusert av målefeltet Eo blir Q og strømmen / proporsjonale med målefeltet Eo, og kan brukes til å måle dette.

Det er viktig å merke seg at dette feltmålerprinsippet er vesensforskjellig fra feltmåling med frontgitter og vibrerende detektorplate [1], og fra feltmåling med dagens teknikks "feltmøller" hvor detektorplaten periodisk avskjermes fra målefeltet ved mekaniske midler. I disse innretninger induserer det modulerte målefeltet en ladning Q( t) direkte på detektorplaten som måles ved at ladningen strømmer ut og inn av platen gjennom en vekselstrømforsterker i takt med modulasjonsfrekvensen. De mest kjente kommersielle produkter av denne type er Chubb's feltmøller med roterende detektorelement [2], Monroe's overflate- potensial- målere med vibrerende lukkermekanisme som detektorelement [3], og TREK's feltmåler med vibrerende detektor-tunge [4]. Videre er alle de motholdte patenter Dl til D4 [5 - 8] av denne type, og har intet med prinsippet for foreliggende oppfinnelse å gjøre. I den foreliggende oppfinnelse induserer målefeltet en ladning Q i det vibrerende ladningselementet hvor Q ikke har tid til å strømme ut og inn av ladningelementet i løpet av en vibrasjonsperiode, og hvor Q blir beveget mekanisk frem og tilbake mellom to detektorelementer.

Oppfinnelsens praktiske betydning ligger blant annet i at den introduserer et helt nytt måleprinsipp som kan føre til feltmålere som er enklere å produsere og vedlikeholde enn feltmålere etter dagens teknikk. Med frontgitterversjonen er det videre mulig å bruke et vibrerende ladningselement i form av f.eks. en plate som er hermetisk forseglet til instrumentkapslingen, slik at alle andre instrumentkomponenter er beskyttet mot ytre påvirkning. Oppfinnelsen har imidlertid den klare svakhet at kravet til isolasjon av det vibrerende ladningelementet er høyt, og antakelig vanskelige å møte ved bruk i våte og skitne atmosfærer.

Ifølge oppfinnelsen oppnås de nevnte fordeler ved hjelp av trekkene angitt i den kjenne-tegnende del av de selvstendige patentkrav 1, 2 og 5. Fordelaktige utførelsesformer er angitt i de uselvstendige krav.

Oppfinnelsens virkemåte og utnyttelse skal nå forklares punktvis, med henvisning til figurene 1-3. Figur 1 illustrerer oppfinnelsens prinsipielle virkemåte, idet et plateformet ladningselement og et frontgitter med parallelle tråder (1) brukes som eksempel. Dette innebærer ingen begrensning av patentet, som gjelder alle slags ladningselementer og gittere, som kryssgittere og hullgittere med ned til ett hull. Figur 2 illustrerer en praktisk realisering av prinsippet i en hermetisk innkapslet feltmåler for måling av elektrisk felt. Figur 3 viser en åpen konstruksjon hvor ladningselementet beveges loddrett målefeltet. Deler som er felles for figurene har samme henvisningsnummere. 1. Det er en vesentlig betingelse at ladningselementet, som kan være metallisk eller halvledende, mottar flest mulig feltlinjer fra målefeltet Eo for derved å få indusert størst mulig ladning Q. Utfra dette synspunkt ser en at frontgitteret (1) i Figur 1 og 2 bare er i veien, siden dette stjeler endel av målefeltlinjene. På den annen side viser likn.(l) at strømmen som en beveget ladning Q induserer i ledningen til detektorplaten (6) er omvendt proporsjonal med avstanden D mellom detektorplaten og dens motelektrode, her frontgitteret. Uten frontgitter blir D lik avstanden til himmelen eller nærmeste jordete objekt, altså både stor og udefinert, og indusert strøm blir nær lik null uansett stor Q. Valget av avstandene doghog gitterkonstanten a i Figur 1 (og 2) blir derfor et kompromiss. Fysikalsk rimelige verdier er a, dogh like store, og litt større enn ladningsplatens vibrasjonsamplitude H.

I konstruksjonen Figur 3 er derimot ladningselementet en tunge som vibrerer loddrett det ytre målefeltet Eo, slik at detektorplatene kan stå på hver side av ladningselementet uten å skjerme mye for feltet. På den annen side er flaten som ladningelementet byr fram til målefeltet tilsvarende begrenset, slik at feltmålerens følsomhet neppe blir større enn for

Figur 2.

2. Oppfinnelsen krever at ladningselementets ladning Q ikke skal endre seg vesentlig under en vibrasjonsperiode. Dette betyr at ladningselementet må være så godt elektrisk isolert fra jord at ladningen ikke lekker ut under en periode. Hvis vibrasjonsfrekvensen er/perioder per sekund, må produktet av isolasjonsmotstand R og kapasitans mot jord C oppfylle

likningen

På den annen side må ladningen Q kunne følge med i de tidsvariasjoner i målefeltet Eo som ønskes registrert. Dermed må R C holdes mindre enn typiske tidskonstanter for målefeltet. Instrumentets tidsoppløsning kan derfor, prinsipielt, aldri bli bedre enn noen perioder av vibrasjonsrfekvensen. 3. Regneeksempel for feltmåler medfrontgitter og vibrerende ladningselement ( ladningsplate) ( Fig. l og 2) :

Vibrerende ladningselement (ladningsplate) areal =A (» 10 cm<2> )

Avstander ladningsplate-frontgitter og ladningsplate-detektorplate h = d (* 1 mm)

Ladningsplatevibrasjon:

Målefeltsvekking p.g.a. frontgitteret» Vi

Ladning indusert av målefeltet Eo på ladningsplaten:

Indusert strømamplitude i detektorplatekretsen (se likn. 1):

Ladningsplatens kapasitans mot frontgitter og detektorplatene:

, dv.s. en isolasjon bedre enn 10<9>Q.

Disse beregningene viser klart at følsomhet og robusthet økes sterkt ved økning av vibrasjonsfrekvensen.

4. Strømmen som den vibrerende ladningen Q induserer mellom detektorplaten (6) og dens motelektrode (frontgitteret (1) i Figur 1 og 2, den andre detektorplaten (6) i figur 3) kan måles hvor som helst i ledningsbanen mellom elektrodene, fortrinnsvis ved bruk av elektrometer strømforsterker (8) med synkron likeretting faselåst til vibrasjonsfrekvensen. I Figur 2 er strømforsterkeren tegnet koblet til detektorplaten (6), men kunne like godt vært koblet til frontgitteret (1), noe som kan være vel så praktisk. Uten DC tilbakekoblingen (7) fungerer feltmåleren som en direkte feltmåler, hvor proporsjonalitetsfaktoren mellom

målefeltet Eo og utgangssignalet (9) er avhengig av geometrien og av strømforsterkningen. 5. Hvis utgangs-likespenningen (9) i Figur 2 føres tilbake til detektorplaten (6) eller til frontgitteret (1) med egnet polaritet og forsterkning/svekking via et forsterker- eller svekke-ledd (7), og forsterkningen i tilbakekoblingssløyfen (8)+(7) er tilstrekkelig stor, vil feltmåleren fungere ved feltmåling ved utbalansering (nullmetode). Fordelen med dette er at følsomheten blir uavhengig av strømforsterkningen. 6. Figur 2 viser en aktuell anvendelse, anvendbar for måling av elektrisk feltstyrke i vakuumsystemer eller systemer fylt med gasser som ikke må komme i berøring med feltmåler-elektronikken. Elektrodene har samme betegnelser som i Figur 1. Frontgitteret (1) må da gjøres tilstrekkelig solid, og rommet mellom frontgitter og vibrerende

ladningselement-plate (2) kan eventuelt holdes fritt for hydrometeorer (vann, snø o.l.) ved elektrisk oppvarming eller ved en temperert luftstrøm (ikke inntegnet). Ladningselementet, her en elektrisk ledende ladningsplate, er, prinsipielt, hermetisk koblet til metallveggen (5) via et fleksibelt element (3) og en isolatorring (4). I praktisk kan disse elementene kombineres på hensiktsmessig måte. For eksempel kan alle tre elementer være laget i ett som en gummimembran med metallisert midtparti, eller som en fleksibel

halvledende membran.

Ladningselement-platen vibreres mekanisk. Figuren viser bruk av vibrasjonsmotor (6). Eksempel på andre utførelser er direkte kobling til en høyttalerspole, eller akustisk kobling ved lufttrykkvariasjoner laget av en høyttalermembran.

Referanser:

[1]: Patentsøknad 06.09.2000 fra SINTEF Energiforskning AS, oppfinner Reidar Svein Sigmond "Hermetisk lukket elektrisk feltmåler med frontgitter og vibrerende detektorplate"

[2]: John Chubb Instrumentation, Unit 30, Lansdown Industrial Estate, Glouchester Road, Cheltenham, GL51 8PL, UK

[3]: Monroe Electronics, 100 Housel Avenue, Lyndonville, NY 14098, USA

[4]: TREK, INC., 11601 Maple Ridge Road, Medina, NY 14103, USA

[5]: Motholdt patent Dl: DE 3410527 Al (Offenliggjøirngsskrift) (1984, Heinrich Dirks, 5000 Koln, DE)

[6]: Motholdt patent D2: SU 1564574A (Sammendrag) (1988, Ming)

[7]: Motholdt patent D3: SU 1827649A1 (Sammendrag) (1991, ELEK=)

[8]: Motholdt patent D4: US 4,625,176 (Patentskrift) (1986, Champion et al)

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for måling av statiske og langsomt varierende, kvasiuniforme elektriske felt, karakterisert ved at det kvasiuniforme elektriske feltet Eo som skal måles (her kalt målefeltet) induserer en ladning Q i et ledende eller halvledende ladningselement (2) som ved hjelp av en mekanisme (11) vibreres eller beveges mellom to ledende detektorelementer, [(l)-(6) 1 Figur 1 og 2, (6)-(6) i Figur 3], med slik elektrisk forbindelse (10) til jord at ladningen Q ikke får anledning til å endres vesentlig under en periode av vibrasjonen eller bevegelsen, og slik at den bevegede ladningen induserer en strøm i ledningsforbindelsen mellom de nevnte detektorelementer som måles av en forsterker (8) slik at signalutgangen (9) gir et mål for målefeltet E0.

2. Anordning for måling av statiske og langsomt varierende, kvasiuniforme elektriske felt ifølge krav 1, karakterisert ved at ladningselementet (2) er montert tilnærmet loddrett målefeltet Eo og påvirkes av dette gjennom en eller flere åpninger i et parallelt ladningsplaten montert ledende frontgitter (1), og vibreres mellom frontgitteret og en parallelt ladningsplaten montert ledende detektorplate (6) slik at strømmen mellom frontgitteret og detektorplaten blir et mål på målefeltet, samtidig som at konstruksjonen er egnet for hermetisk innelukking av feltmålerens elektroniske og mekaniske aktive komponenter.

3. Anordning for måling av statiske og langsomt varierende, kvasiuniforme elektriske felt ifølge krav 2, karakterisert ved at det i ledningsveien mellom frontgitteret (1) og detektorplaten (6) er koblet et hensiktsmessig jordpunkt og en strømmåler (8) med minst mulig inngangsimpedans og, med fordel, med likeretning faselåst til bevegelsen av ladningselementet (2), slik at den målte strømmen blir proporsjonalt målefeltet E0, og kravene til isolasjon av frontgitter og detektorplate blir minst mulig.

4. Anordning for måling av statiske og langsomt varierende, kvasiuniforme elektriske felt ifølge krav 2 og 3, karakterisert ved at utgangs-likespenningen (9) kobles tilbake til detektorplaten (6) eller til frontgitteret (1) eller til begge, og at strømforsterkeren (8) og tilbakekoblingen (7) gis tilstrekkelig samlet forsterkning til at målingen blir en feltmåling ved utbalansering.

5. Anordning for måling av statiske og langsomt varierende, kvasiuniforme elektriske felt ifølge krav 1, karakterisert ved at ladningselementet (2) er montert åpent mot målefeltet Eo, og vibreres tilnærmet loddrett målefeltet mellom to detektorplater (6) slik at strømmen mellom detektorplatene blir et mål på målefeltet.

6. Anordning for måling av statiske og langsomt varierende, kvasiuniforme elektriske felt ifølge krav 5, karakterisert ved at det i ledningsveien mellom de to detektorplatene (6) er koblet et hensiktsmessig jordpunkt og en strømmåler (8) med minst mulig inngangsimpedans og, med fordel, med likeretning faselåst til bevegelsen av ladningselementet (2), slik at den målte strømmen blir proporsjonalt målefeltet Eo, og kravene til isolasjon av detektorplatene blir minst mulig.

7. Anordning for måling av statiske og langsomt varierende, kvasiuniforme elektriske felt ifølge krav S og 6, karakterisert ved at det foran det vibrerende ladningselementet (2) og åpningen mellom detektorplatene (6) er montert et ledende frontgitter med en eller flere åpninger, som kan tjene til mekanisk beskyttelse av feltmåleren og/eller som elektrisk felttilbakekoblingselement slik at målingen blir en feltmåling ved utbalansering.

8. Anordning for måling av statiske og langsomt varierende, kvasiuniforme elektriske felt ifølge kravene 2-7, karakterisert ved at frontgitteret (1) eller rommet mellom detektorplatene [(6) i Figur 3] holdes fritt for hydrometeorer og støvforurensning ved hjelp av en kald eller varm gasstrøm, eller ved elektrisk oppvarming av frontgitteret, eller ved kombinasjon av disse metoder.