PL213153B1 - 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 czujniku (E) przetwarza się na elektryczny sygnał zmienny w układzie równolegle połączonych: klucza zwierającego (K), kondensatora ładującego (C1) i rezystora (R), przy czym, z zadaną częstotliwością, zwiera się okładki kondensatora ładującego (C1) w wyniku czego otrzymuje się okresowy sygnał unipolarny, którego amplituda jest proporcjonalna do wartości natężenia mierzonego pola elektrostatycznego. Układ ma czujnik (E) połączony z wejściem wzmacniacza dopasowującego (W1) o wysokiej impedancji wejściowej, przy czym równolegle do wejścia jest dołączony klucz zwierający (K) sterowany z generatora (G) oraz kondensator ładujący (C1) i rezystor (R). Drugie wejście wzmacniacza dopasowującego (W1) jest połączone z jego wyjściem, które z kolei poprzez filtr dolnoprzepustowy (F) i wzmacniacz (W2) jest połączone ze wskaźnikiem (M), ponadto wejście wzmacniacza (W2) jest zwarte z masą układu kondensatorem całkującym (C2).

Description

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

Z opisu patentowego USA nr 4716371 znany jest ukł ad 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 ukł adem scalonym i z wyś wietlaczem cyfrowym. Ponadto do uk ł adu logicznego podłączony jest układ wskaźników świetlnych i dźwiękowych wyposażony w generator.

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 pomiaru pola elektrostatycznego według wynalazku, polega na tym, że ładunki indukowane przez stacjonarne pole elektrostatyczne w czujniku przetwarza się na elektryczny sygnał zmienny w układzie równolegle połączonych klucza, kondensatora ładującego i rezystora, przy czym, z zadaną częstotliwoś cią , zwiera się okł adki kondensatora ł adują cego w wyniku czego otrzymuje się okresowy sygnał unipolarny, którego amplituda jest proporcjonalna do wartości natężenia mierzonego pola elektrostatycznego, po czym napięcie okresowego sygnału unipolarnego wzmacnia się we wzmacniaczu dopasowującym i filtruje w filtrze, a następnie poddaje uśrednieniu na kondensatorze całkującym, w wyniku czego otrzymuje się uśrednioną wartość napięcia, a następnie uśrednioną wartość napięcia ponownie wzmacnia się we wzmacniaczu.

Korzystnie, wzmocnioną uśrednioną wartość napięcia odczytuje się na wskaźniku wyskalowanym w jednostkach natężenia pola elektrostatycznego.

Korzystnie, wzmocnioną uśrednioną wartość napięcia 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.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że czujnik jest połączony z wejściem wzmacniacza dopasowującego, przy czym równolegle do wejścia jest dołączony klucz zwierający sterowany z generatora oraz kondensator ładujący i rezystor, natomiast drugie wejście wzmacniacza dopasowującego jest połączone z jego wyjściem, które z kolei poprzez filtr dolnoprzepustowy i wzmacniacz jest połączone ze wskaźnikiem, ponadto wejście wzmacniacza jest zwarte z masą układu kondensatorem całkującym.

Korzystnie, wyjście wzmacniacza poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy, modulator optyczny i ś wiatłowód jest połączone z zewnętrznym układem optycznym.

Korzystnym jest również to, że układ jest umieszczony w obudowie ekranującej, natomiast wejście z czujnika oraz wyjście światłowodu są wyprowadzone przez przepusty.

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

PL 213 153 B1

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

P r z y k ł a d 1

Sposób pomiaru natężenia pola elektrostatycznego polega na tym, że ładunki indukowane przez stacjonarne pole elektrostatyczne w czujniku E przetwarza się na elektryczny sygnał zmienny w ukł adzie równolegle połączonych klucza zwierają cego K, kondensatora ł adują cego C1 i rezystora R, przy czym z zadaną częstotliwością zwiera się okładki kondensatora ładującego C1, w wyniku czego otrzymuje się okresowy sygnał unipolarny, którego amplituda jest proporcjonalna do wartości natężenia mierzonego pola elektrostatycznego. Klucz zwierający jest sterowany z generatora G przebiegiem impulsowym o małym czasie wypełnienia. Napięcie okresowego sygnału unipolarnego wzmacnia się we wzmacniaczu dopasowującym W1 o dużej impedancji wejściowej i filtruje w filtrze F, a następnie poddaje uśrednieniu na kondensatorze C2, w wyniku czego otrzymuje się uśrednioną wartość napięcia. Tak otrzymany sygnał ponownie wzmacnia się we wzmacniaczu W2, a otrzymaną wartość odczytuje się na wskaźniku M, wyskalowanym 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 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 przesyła się do zewnętrznego układu odczytowego.

P r z y k ł a d 3

Układ do pomiaru natężenia pola elektrostatycznego jest wyposażony w czujnik pomiarowy E połączony z wejściem wzmacniacza dopasowującego W1 o wysokiej impedancji wejściowej. Równolegle do wejścia wzmacniacza dopasowującego W1 jest dołączony klucz K, sterowany z generatora G, oraz kondensator ładujący C1 i rezystor R. Drugie wejście wzmacniacza dopasowującego W1 jest połączone z jego wyjściem, które z kolei jest połączone poprzez filtr dolnozaworowy F i wzmacniacz W2 ze wskaźnikiem M, ponadto wejście wzmacniacza W2 jest zwarte z masą układu kondensatorem całkującym C2. Całość układu jest umieszczona w obudowie ekranującej EE. Układ jest wyposażony w przepust P1, przez który umieszczony na zewną trz obudowy EE czujnik E jest połączony ze wzmacniaczem dopasowującym W1.

P r z y k ł a d 4

Układ do pomiaru natężenia pola elektrostatycznego wykonany jak w przykładzie trzecim z tą różnicą, że wyjście wzmacniacza W2, poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy AC i modulator optyczny MO, jest połączone światłowodem SW z zewnętrznym układem odczytowym. Generator G generuje impulsy prostokątne, sterujące kluczem zwierającym K, o czasie trwania mniejszym od połowy okresu, a częstotliwość generowana przez generator G odpowiada stałej czasowej kondensatora ładującego C1 i rezystora R. Układ jest wyposażony dodatkowo w przepust P2 w obudowie EE, przez który jest wyprowadzony światłowód SW.

Działanie układu do pomiaru natężenia pola elektrostatycznego polega na tym, że pole elektrostatyczne powoduje indukowanie się ładunków w czujniku E i ładowanie się kondensatora C1. Poprzez cykliczne zwieranie kondensatora C1, za pomocą klucza K, uzyskuje się rozładowanie kondensatora C1 i jego ponowne ładowanie w takt sygnału z generatora kluczującego G. Uzyskane w ten sposób impulsy sterują wzmacniacz dopasowujący W1 o dużej impedancji wejściowej, pracujący w ukł adzie wtórnika. W celu zabezpieczenia wejś cia wzmacniacza przed uszkodzeniem jego wejś cie jest zwarte rezystorem R o dużej rezystancji. Ze względu na wrażliwość układu także na pola zmienne, a zwłaszcza w celu zabezpieczenia go przed przenikaniem sygnału o częstotliwości przemysłowej, na wejściu wzmacniacza na wyjściu wzmacniacza dopasowującego W1 stosuje się filtr dolnozaporowy F. Po odfiltrowaniu składowych zmiennych na kondensatorze całkującym C2 i wzmocnieniu we wzmacniaczu prądu stałego W2, sygnał jest doprowadzany do wskaźnika M. W mierniku przedstawionym w przykł adzie wykonania stosuje się kondensator C1 o pojemnoś ci 40 pF i rezystor R o rezystancji

Md, co łącznie z rozproszonymi pojemnościami układu daje stałą czasową odpowiadającą częstotliwości kluczowania 400 Hz. Rezonansowy dobór stałej czasowej pozwala na wstępną eliminację sygnałów niepożądanych. Kondensator filtrujący C2 ma pojemność 1 nF. Przebieg kluczujący z generatora G stanowią impulsy prostokątne o czasie trwania 0,1 okresu, co pozwala na uzyskanie krótkiego czasu rozładowania kondensatora i wydłużonego czasu jego ładowania. Klucz K stanowi przekaźnik kontaktronowy. Całość jest umieszczona w obudowie EE, wykonanej z materiału przewodzącego,

PL 213 153 B1 co zapewnia wystarczające ekranowanie miernika i zabezpiecza go przed zaburzeniami pomiaru przez sygnały zakłócające. Wejście sygnału z czujnika E jest połączone z wejściem wzmacniacza dopasowującego W1 poprzez przepust 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.

Claims (6)

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 czujniku (E) przetwarza się na elektryczny sygnał zmienny w układzie równolegle połączonych klucza (K), kondensatora ładującego (C1) i rezystora (R), przy czym, z zadaną częstotliwością, zwiera się okładki kondensatora ładującego (C1) w wyniku czego otrzymuje się okresowy sygnał unipolarny, którego amplituda jest proporcjonalna do wartości natężenia mierzonego pola elektrostatycznego, po czym napięcie okresowego sygnału unipolarnego wzmacnia się we wzmacniaczu dopasowującym (W1) i filtruje w filtrze (F), a następnie poddaje uśrednieniu na kondensatorze całkującym (C2) w wyniku czego otrzymuje się uśrednioną wartość napięcia, a następnie uśrednioną wartość napięcia ponownie wzmacnia się we wzmacniaczu (W2).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wzmocnioną uśrednioną wartość napięcia odczytuje się na wskaźniku (M) wyskalowanym w jednostkach natężenia pola elektrostatycznego.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wzmocnioną uśrednioną wartość napięcia 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. Układ do pomiaru natężenia pola elektrostatycznego wyposażony w czujnik połączony z wejściem wzmacniacza, do którego jest dołączony zwarty z masą kondensator, znamienny tym, że czujnik (E) jest połączony z wejściem wzmacniacza dopasowującego (W1), przy czym równolegle do wejścia jest dołączony klucz zwierający (K) sterowany z generatora (G) oraz kondensator ładujący (C1) i rezystor (R), natomiast drugie wejś cie wzmacniacza dopasowują cego (W1) jest połączone z jego wyjściem, które z kolei poprzez filtr dolnoprzepustowy (F) i wzmacniacz (W2) jest połączone ze wskaźnikiem (M), ponadto wejście wzmacniacza (W2) jest zwarte z masą układu kondensatorem całkującym (C2).

5. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że wyjście wzmacniacza (W2) poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy (AC), modulator optyczny (MO) i światłowód (SW) jest połączone z zewnętrznym układem optycznym.

6. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że układ jest umieszczony w obudowie ekranującej (EE), natomiast wejście z czujnika (E) oraz wyjście światłowodu (SW) są wyprowadzone przez przepusty