PL213152B1 - Sposób pomiaru pola elektrostatycznego i urządzenie do pomiaru pola elektrostatycznego - Google Patents

Abstract

Sposób polega na tym, że ładunki indukowane przez stacjonarne pole elektrostatyczne w dwóch czujnikach (E) przetwarza się na dwa elektryczne sygnały zmienne w dwóch układach, z których każdy stanowi równolegle połączony kondensator (C1) i rezystor R, przy czym układem kluczy (K1, K2, K3, K4) przemiennie i z zadaną częstotliwością łączy się czujniki (E) z kondensatorami i rezystorami (R) w wyniku czego otrzymuje się dwa okresowe sygnały unipolarne, których amplituda jest proporcjonalna do wartości natężenia mierzonego pola elektrostatycznego. Układ ma dwa czujniki (E), z których każdy przez układ kluczy (K1, K2, K3, K4) sterowanych z generatora (G), jest przemiennie połączony z wejściem jednego ze wzmacniaczy dopasowujących (W1) o dużej impedancji wejściowej, przy czym równolegle do wejścia każdego wzmacniacza dopasowującego (W1) jest włączony kondensator ładujący (C1) i rezystor (R). Drugie wejście każdego ze wzmacniaczy dopasowujących (W1) jest połączone z jego wyjściem, które z kolei poprzez odpowiadający mu filtr dolnoprzepustowy (F) jest połączone z pierwszym wejściem wzmacniacza (W2), a wyjście wzmacniacza (W2) jest połączone ze wskaźnikiem (M), ponadto oba wejścia wzmacniacza (W2) są zwarte z masą układu kondensatorami całkującymi (C2).

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru pola elektrostatycznego i urządzenie do pomiaru pola elektrostatycznego.

Z opisu patentowego USA nr US4716371 znany jest układ miernika pola elektrostatycznego, w którym wykorzystuje się elektryczną metodę komutacji do pomiaru pól elektrostatycznych i ich parametrów, takich jak potencjał elektrostatyczny, napięcie i gęstość naładowanych obiektów. Miernik zawiera czujnik do teledetekcji ładunku elektrostatycznego wytwarzanego przez obiekt i do wytwarzania sygnału elektrycznego, którego wartość odpowiadająca wielkości ładunku, wyświetlana jest na wyświetlaczu z odczytem wizualnym i wyskalowanym w jednostkach pola. Miernik na wejściu ma czujnik połączony z wejściem nieodwracającym wzmacniacza wejściowego. Do wejścia wzmacniacza wejściowego dołączony jest przełącznik oraz zwarty z masą układu kondensator, natomiast wyjście wzmacniacza połączone jest przez układ scalony z wyświetlaczem cyfrowym i jednocześnie przez wzmacniacz buforowy układ wartości bezwzględnej i komparator z układem logicznym, który jest połączony z układem scalonym i z wyświetlaczem cyfrowym. Ponadto do układu logicznego podłączony jest układ wskaźników świetlnych i dźwiękowych wyposażony w generator.

Miernik pola elektrostatycznego znany z opisu patentowego USA nr US4642559, zawiera głowicę umieszczaną w zmiennym polu elektrostatycznym, a ładunki indukowane przez to pole przetwarza się na zmienny sygnał elektryczny. Następnie sygnał elektryczny przetwarzany jest w przetworniku analogowo-cyfrowym na sygnał cyfrowy, który kierowany jest do układu pomiarowego, wskazującego siłę pola elektrostatycznego, zgodnie z sygnałem sieciowym.

Bezpośredni pomiar pola elektrostatycznego lub zmiennego pola elektrycznego nie jest znany. W znanych sposobach pomiaru pola elektrostatycznego wykorzystuje się sił y elektromotoryczne indukowane w przewodnikach i ich pomiar. Zjawisko indukcji wymaga czasowych zmian natężenia mierzonego pola, co sprawia kłopoty przy pomiarze stałych pól elektrostatycznych. W stosowanym urządzeniu do pomiaru pola elektrostatycznego stosowany jest wirnik z ekranem, przemiennie ekranujący antenkę stanowiącą czujnik pola, co pozwala na sztuczne uzmiennienie pola elektrostatycznego. Antenka połączona jest poprzez wzmacniacz z układem odczytowym. Ponadto w układzie tym, konieczne jest stosowanie układu obracającego ekranem, i wynikające z tego zapotrzebowanie na dodatkową moc zasilania. Układ charakteryzuje się dużą niestabilnością i małą czułością.

Nie jest znane urządzenie do pomiaru natężenia pola elektrostatycznego pracujące w układzie symetrycznym, co jest szczególnie korzystne przy pomiarach pól zaburzonych obecnością ośrodków materialnych.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że ładunki indukowane przez stacjonarne pole elektrostatyczne w dwóch czujnikach przetwarza się na dwa elektryczne sygnały zmienne w dwóch układach, z których każdy stanowi równolegle połączony kondensator i rezystor. Układem kluczy przemiennie i z zadaną częstotliwością łączy się czujniki z kondensatorami i rezystorami w wyniku czego otrzymuje się dwa okresowe sygnały unipolarne, których amplituda jest proporcjonalna do wartości natężenia mierzonego pola elektrostatycznego. Napięcia obu okresowych sygnałów unipolarnych wzmacnia się we wzmacniaczach dopasowujących i filtruje w filtrach, a następnie poddaje uśrednieniu na kondensatorach całkujących w wyniku czego otrzymuje się dwa uśrednione sygnały napięciowe, które sumuje się i ponownie wzmacnia, a otrzymaną wartość odczytuje na wskaźniku wyskalowanym w jednostkach natężenia pola elektrostatycznego.

Korzystnie, otrzymany sygnał, ponownie wzmocniony we wzmacniaczu, przetwarza się w przetworniku analogowo-cyfrowym na sygnał cyfrowy, a następnie w modulatorze optycznym nakłada się go na optyczną falę nośną i przesyła światłowodem do zewnętrznego układu odczytowego.

Korzystnie, wejścia wzmacniaczy dopasowujących cyklicznie zwiera się do masy układu zróżniczkowanym przebiegiem kluczującym.

Istota układu do pomiaru natężenia pola elektrostatycznego według wynalazku, polega na tym, że ma dwa czujniki, z których każdy przez układ kluczy sterowanych z generatora, jest przemiennie połączony z wejściem jednego ze wzmacniaczy dopasowujących o dużej impedancji wejściowej, przy czym równolegle do wejścia każdego wzmacniacza dopasowującego jest włączony kondensator ładujący i rezystor. Drugie wejście każdego ze wzmacniaczy dopasowujących jest połączone z jego wyjściem, które z kolei poprzez odpowiadający mu filtr dolnoprzepustowy jest połączone z pierwszym wejściem wzmacniacza, a wyjście wzmacniacza jest połączone ze wskaźnikiem, ponadto oba wejścia wzmacniacza są zwarte z masą układu kondensatorami całkującymi. Układ korzystnie, umieszczony

PL 213 152 B1 jest w obudowie ekranującej, natomiast wejścia z czujników oraz wyjście układu są wyprowadzone przez przepusty odpowiednio.

Korzystnie, wyjście wzmacniacza poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy, modulator optyczny i światłowód, jest połączone z zewnętrznym układem odczytowym.

Korzystnie, klucze są sterowane z generatora generującego symetryczne impulsy prostokątne.

Korzystnym jest, gdy częstotliwość symetrycznych impulsów prostokątnych generowanych przez generator odpowiada stałej czasowej kondensatora ładującego i rezystora.

Korzystnie, wejścia wzmacniaczy dopasowujących są połączone z masą układu, kluczami sterowanymi poprzez układ różniczkujący z generatora symetrycznego przebiegu prostokątnego.

Zaletą sposobu według wynalazku jest prowadzenie pomiaru pola elektrostatycznego polegającego na elektrycznej komutacji ładunków indukowanych przez pole elektrostatyczne w czujnikach pomiarowych oraz wyposażenie układu do stosowania tego sposobu w układ przełączający, który realizuje komutację.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy miernika natężenia pola elektrostatycznego z odczytem bezpośrednim, fig. 2 - schemat blokowy miernika pola elektrostatycznego z odczytem zdalnym, a fig 3 - schemat blokowy miernika o podwyższonej czułości.

P r z y k ł a d 1.

Sposób pomiaru pola elektrostatycznego polega na tym, że ładunki indukowane przez stacjonarne pole elektrostatyczne w dwu jednakowych i symetryczne umieszczonych względem obudowy czujnikach E przetwarza się na dwa elektryczne przebiegi zmienne w dwu identycznych układach, z których każ dy stanowi wzmacniacz dopasowują cy W1, którego wejś cie jest zwarte do masy ukł adu przez równolegle połączone rezystor R i kondensator C1, przy czym układem kluczy K1, K2, K3 i K4 z zadaną częstotliwością przełącza się przemiennie czujniki E do wejść wzmacniaczy dopasowujących W1 w wyniku czego na wejściach wzmacniaczy otrzymuje się okresowe przebiegi unipolarne, których amplituda jest proporcjonalna do wartości natężenia mierzonego pola elektrostatycznego. Sygnały wyjściowe wzmacniaczy dopasowujących W1 poddaje się filtracji w filtrach dolnozaporowych F celem potłumienia sygnałów niepożądanych, zwłaszcza o częstotliwości przemysłowej i po filtracji doprowadza się do symetrycznych wejść wzmacniacza W2, a po wzmocnieniu do wskaźnika M, który jest wyskalowany w jednostkach natężenia pola elektrostatycznego.

P r z y k ł a d 2.

Sposób pomiaru natężenia pola elektrostatycznego przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że sygnał ponownie zsumowany i wzmocniony we wzmacniaczu W2 przetwarza się w przetworniku analogowo-cyfrowym AC na sygnał cyfrowy, a następnie w modulatorze optycznym nakłada się go na optyczny przebieg nośny i światłowodem SW przesyła się do zewnętrznego układu odczytowego.

P r z y k ł a d 3.

Sposób pomiaru natężenia pola elektrostatycznego przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że do wejść wzmacniaczy dopasowujących W1 są równolegle dołączone klucze K5 i K6, sterowane przebiegiem z generatora G zróżniczkowanym w układzie różniczkującym UR, co pozwala na szybsze przeładowywanie kondensatorów C1 I zwiększenie czułości układu.

P r z y k ł a d 4.

Układ do pomiaru natężenia pola elektrostatycznego jest wyposażony w dwa symetrycznie położone względem obudowy czujniki E, z których każdy jest przemiennie przełączany za pomocą kluczy K1, K2, K3 i K4 do wejść dwóch wzmacniaczy dopasowujących W1 o wysokiej impedancji wejściowej. Wejście każdego ze wzmacniaczy dopasowujących W1 jest połączone z masą układu przez równolegle połączony kondensator ładujący C1 i rezystor R. Drugie wejścia wzmacniaczy dopasowujących W1 są połączone z ich wyjściami, które z kolei są połączone poprzez filtry dolnozaporowe F z wejściami wzmacniacza W2 a nastę pnie ze wskaźnikiem M. Ponadto wejścia wzmacniacza W2 są zwarte z masą układu kondensatorami całkującymi C2. Całość układu jest umieszczona w obudowie ekranującej EE. Układ jest wyposażony w przepusty P1, przez które umieszczone na zewnątrz obudowy EE czujniki E są połączone, za pośrednictwem układu przełączającego złożonego z kluczy K1, K2, K3 i K4, ze wzmacniaczami dopasowującymi W1. Generator G generuje symetryczne impulsy prostokątne, sterujące kluczami zwierającymi K1, K2, K3 i K4, a częstotliwość generowana przez generator G odpowiada stałej czasowej kondensatorów ładujących C1 i rezystorów R.

PL 213 152 B1

P r z y k ł a d 5.

Układ do pomiaru natężenia pola elektrostatycznego wykonany jak w przykładzie czwartym z tą różnicą, że wyjście wzmacniacza W2, poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy AC i modulator optyczny MO, jest połączone światłowodem SW z zewnętrznym układem odczytowym. Układ jest wyposażony dodatkowo w przepust P2 w obudowie EE, przez który jest wyprowadzony światłowód SW.

P r z y k ł a d 6.

Układ do pomiaru natężenia pola elektrostatycznego wykonany jak w przykładzie czwartym z tą różnicą, że wejścia wzmacniaczy dopasowujących W1 są zwierane z masą za pomocą kluczy K5 i K6 sterowanych z generatora G poprzez układ różniczkujący UR.

Działanie układu do pomiaru natężenia pola elektrostatycznego polega na tym, że pole elektrostatyczne powoduje indukowanie się ładunków w czujnikach E i ładowanie się kondensatorów C1. Poprzez cykliczne przełączanie połączenia czujników E i kondensatorów C1, za pomocą kluczy K1, K2, K3 i K4, w takt sygnału z generatora kluczującego G, uzyskuje się na impulsy sterujące wejścia wzmacniaczy dopasowujących W1 o dużej impedancji wejściowej, pracujące w układzie wtórnika. W celu zabezpieczenia wejś cia wzmacniaczy przed uszkodzeniem ich wejścia są zwarte rezystorami R o dużej rezystancji. Ze względu na wrażliwość układu takż e na pola zmienne, a zwłaszcza w celu zabezpieczenia go przed przenikaniem sygnału o częstotliwości przemysłowej, na wyjściu wzmacniaczy dopasowujących W1 stosuje się filtry dolnozaporowe F. Po odfiltrowaniu składowych zmiennych na kondensatorach całkujących C2 sygnały doprowadza się do dwu wejść wzmacniacza prądu stałego W2, a po wzmocnieniu sygnał jest doprowadzany do wskaźnika M. W mierniku przedstawionym w przykł adzie wykonania stosuje się kondensatory C1 o pojemnoś ci 40 pF i rezystory R o rezystancji

ΜΩ, co łącznie z rozproszonymi pojemnościami układu daje stałą czasową odpowiadającą częstotliwości kluczowania 400 Hz. Rezonansowy dobór stałej czasowej pozwala na wstępną eliminację sygnałów niepożądanych. Kondensatory filtrujące C2 mają pojemność 1 nF. Przebieg kluczujący z generatora G stanowią symetryczne impulsy prostokątne o częstotliwości 400 Hz. Klucze K stanowią przekaźniki kontaktronowe. Całość jest umieszczona w obudowie EE, wykonanej z materiału przewodzącego, co zapewnia wystarczające ekranowanie miernika i zabezpiecza go przed zaburzeniami pomiaru przez sygnały zakłócające. Wejścia sygnału z czujników E są połączone z układem przełączającym, złożonym z kluczy K1, K2, K3 i K4, przez przepusty P1. Zwarta obudowa i własne zasilanie umożliwiają pomiar także w warunkach pola zaburzonego obecnością w jego pobliżu osoby wykonującej pomiar i innych obiektów materialnych. Celem umożliwienia zdalnego odczytu wartości mierzonego natężenia pola elektrostatycznego, automatyzacji pomiaru czy wykonywania pomiarów ciągłych w rozwiązaniu jak powyżej sygnałem wyjściowym wzmacniacza W2 steruje się przetwornik analogowo-cyfrowy AC i po zmodulowaniu uzyskanym przebiegiem cyfrowym optycznego przebiegu nośnego w modulatorze optycznym MO za pomocą światłowodu przesyła się uzyskany sygnał do zewnętrznego układu odczytowego. Światłowód jest wyprowadzony z obudowy EE poprzez przepust P2. Przyśpieszenie przeładowywania kondensatorów C1, i zwiększenie czułości układu uzyskuje się w rozwiązaniu jak powyżej poprzez dołączenie równolegle do wejść wzmacniaczy dopasowujących W1 kluczy K5 i K6 sterowanych przebiegiem prostokątnym z generatora G po jego zróżniczkowaniu w układzie różniczkującym UR.

Claims (8)

1. Sposób pomiaru natężenia pola elektrostatycznego, w którym wartość stacjonarnego pola elektrostatycznego przetwarza się na elektryczny sygnał zmienny, znamienny tym, że ładunki indukowane przez stacjonarne pole elektrostatyczne w dwóch czujnikach (E) przetwarza się na dwa elektryczne sygnały zmienne w dwóch układach, z których każdy stanowi równolegle połączony kondensator (C1) i rezystor R, przy czym układem kluczy (K1, K2, K3, K4) przemiennie i z zadaną częstotliwością łączy się czujniki (E) z kondensatorami (C) i rezystorami (R) w wyniku czego otrzymuje się dwa okresowe sygnały unipolarne, których amplituda jest proporcjonalna do wartości natężenia mierzonego pola elektrostatycznego.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że napięcia obu okresowych sygnałów unipolarnych wzmacnia się we wzmacniaczach dopasowujących (W1) i filtruje w filtrach (F), a następnie poddaje uśrednieniu na kondensatorach całkujących (C2) w wyniku czego otrzymuje się dwa uśrednione

PL 213 152 B1 sygnały napięciowe, które sumuje się i ponownie wzmacnia, a otrzymaną wartość odczytuje na wskaźniku (M) wyskalowanym w jednostkach natężenia pola elektrostatycznego.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że otrzymany sygnał, ponownie wzmocniony we wzmacniaczu (W2), przetwarza się w przetworniku analogowo-cyfrowym (AC) na sygnał cyfrowy, a następnie w modulatorze optycznym (MO) nakłada się go na optyczną falę nośną i przesyła światłowodem (SW) do zewnętrznego układu odczytowego.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wejścia wzmacniaczy dopasowujących (W1) cyklicznie zwiera się do masy układu zróżniczkowanym przebiegiem kluczującym.

5. Układ do pomiaru natężenia pola elektrostatycznego wyposażony w czujnik połączony z wejściem wzmacniacza, do wejścia którego jest dołączony zwarty z masą kondensator, znamienny tym, że ma dwa czujniki (E), z których każdy przez układ kluczy (K1, K2, K3, K4) sterowanych z generatora (G), jest przemiennie połączony z wejściem jednego ze wzmacniaczy dopasowujących (W1) o dużej impedancji wejściowej, przy czym równolegle do wejścia każdego wzmacniacza dopasowującego (W1) jest włączony kondensator ładujący (C1) i rezystor (R), natomiast drugie wejście każdego ze wzmacniaczy dopasowujących (W1) jest połączone z jego wyjściem, które z kolei poprzez odpowiadający mu filtr dolnoprzepustowy (F) jest połączone z pierwszym wejściem wzmacniacza (W2), a wyjście wzmacniacza (W2) jest połączone ze wskaźnikiem (M), ponadto oba wejścia wzmacniacza (W2) są zwarte z masą układu kondensatorami całkującymi (C2).

6. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że wyjście wzmacniacza (W2) poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy (AC), modulator optyczny (MO) i światłowód (SW) jest połączone z zewnętrznym układem odczytowym.

7. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że układ jest umieszczony w obudowie ekranującej (EE), natomiast wejścia z czujników (E) oraz wyjście układu są wyprowadzone przez przepusty (P1) i (P2) odpowiednio.

8. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że wejścia wzmacniaczy dopasowujących (W1) są połączone z masą układu, kluczami (K5, K6) sterowanymi poprzez układ różniczkujący (UR) z generatora symetrycznego przebiegu prostokątnego (G).