PL222540B1

PL222540B1 - Sposób i urządzenie do heterodynowego pomiaru natężenia pola elektrostatycznego

Info

Publication number: PL222540B1
Application number: PL397967A
Authority: PL
Inventors: Paweł Bieńkowski; Hubert Trzaska
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2016-08-31
Also published as: PL397967A1

Description

(21) Num^{er z}gł^oszeni^a: 397967 G01R 29/12 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 01.02.2012 (54) Sposób i urządzenie do heterodynowego pomiaru natężenia pola elektrostatycznego (73) Uprawniony z patentu:

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono:

24.09.2012 BUP 20/12 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

31.08.2016 WUP 08/16 (72) Twórca(y) wynalazku:

PAWEŁ BIEŃKOWSKI,

Bielany Wrocławskie, PL HUBERT TRZASKA, Wrocław, PL (74) Pełnomocnik:

rzecz. pat. Regina Kozłowska

PL 222 540 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do heterodynowego pomiaru natężenia pola elektrostatycznego oraz pól elektrycznych wolnozmiennych.

Sposób pomiaru pola elektrostatycznego i urządzenie do pomiaru pola elektrostatycznego znane są z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.386166. Sposób polega na tym, że ładunki indukowane przez stacjonarne pole elektrostatyczne w czujniku przetwarza się na elektryczny sygnał zmienny w układzie równolegle połączonych: klucza zwierającego, kondensatora ładującego i rezystora, przy czym, z zadaną częstotliwością, zwiera się okładki kondensatora ładującego w wyniku czego otrzym uje się okresowy sygnał unipolarny, którego amplituda jest proporcjonalna do wartości natężenia mierzonego pola elektrostatycznego. Układ ma czujnik połączony z wejściem wzmacniacza dopasowującego o wysokiej impedancji wejściowej, przy czym równolegle do wejścia jest dołączony klucz zwierający sterowany z generatora oraz kondensator ładujący i rezystor. 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.

Sposób pomiaru pola elektrostatycznego i urządzenie do pomiaru pola elektrostatycznego znane są z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.386169. Sposób 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, przy czym układem kluczy przemiennie i z zadaną częstotliwością łączy się czujniki z ko ndensatorami i rezystorami w wyniku czego otrzymuje się dwa okresowe sygnały unipolarne, których amplituda jest proporcjonalna do wartości natężenia mierzonego pola elektrostatycznego. Układ 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. Kluczowanie stosuje się kluczowanie celem uzyskania efektu przebiegów zmiennych, 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.

Bezpośredni pomiar pola elektrostatycznego nie jest znany. W pomiarach wykorzystuje się i ndukowanie się ładunków w sondach pomiarowych i ich pomiar. Pomiar taki wymaga uzmiennienia ładunków statycznych, co odbywa się za pomocą ruchomego elementu wirującego lub czasowego uziemiania ładunku wy indukowanego w sondzie i jej ponownego ładowania. Sposób taki jest znany z opisu patentowego USA nr US4716371.

Istota sposobu, według wynalazku, polega na tym, że ładunek indukowany na co najmniej jednej elektrodzie pomiarowej doprowadza się do rezonatora i poprzez zmianę pojemności rezonatora przestraja się generator pomiarowy, którego częstotliwość pracy reguluje się diodą pojemnościową z uwzględnieniem indukcyjności i pojemności rozproszonych układu oraz stabilizuje się układem pętli fazowej, przy czym wejście generatora pomiarowego cyklicznie zwiera się z masą układu przez co ładunek gromadzony na elemencie sterującym generatora pomiarowego cyklicznie zeruje się, przy czym jako częstotliwości odniesienia używa się generatora odniesienia o częstotliwości stabilizowanej rezonatorem kwarcowym. Po czym w mieszaczu miesza się sygnał z generatora pomiarowego z s ygnałem z generatora odniesienia, a sygnał różnicowy z mieszacza, filtruje się w filtrze, po czym w detektorze częstotliwości poddaje się detekcji i wyświetla na wskaźniku, przy czym różnica częstotliwości mieszanych sygnałów z generatora pomiarowego i z generatora odniesienia, jest miarą natężenia mierzonego pola elektrostatycznego.

Istota urządzenia, według wynalazku, polega na tym, że ma co najmniej jedną elektrodę pomiarową, z których każda osadzona jest w przepuście obudowy oraz połączona z kluczem sterowanym z generatora impulsów oraz z jedną elektrodą rezonatora, natomiast przeciwległa elektroda rezonatora połączona jest z wejściem generatora pomiarowego, które połączone jest z masą układu przez diodę pojemnościową połączoną szeregowo z kondensatorem blokującym. Pomiędzy diodę pojemnościową i kondensator blokujący włączone jest wyjście układu pętli fazowej, którego wejście połączone jest z wyjściem generatora pomiarowego i jednocześnie z wyjściem generatora odniesienia o częstotliwości stabilizowanej rezonatorem kwarcowym. Drugie wyjście generatora pomiarowego połączone

PL 222 450 B1 jest z mieszaczem, który połączony jest z wyjściem generatora odniesienia i jednocześnie poprzez filtr i detektor ze wskaźnikiem.

Korzystnie, rezonator wykonany jest w postaci płytki z elektrooptycznego materiału dielektrycznego, korzystnie z niobianu litu, na powierzchnie której naniesione są warstwy przewodzące stanowiące elektrody.

Podstawową zaletą sposobu według wynalazku, jest prowadzenie pomiaru pola elektrostatycznego drogą przekazania ładunków indukowanych przez mierzone pole do elementu o znacznej impedancji wejściowej, stanowiącego element obwodu rezonansowego generatora samowzbudnego, co powoduje zmianę jego częstotliwości, proporcjonalną do natężenia mierzonego pola elektrostatycznego. Pozwala to na znacznie podniesienie czułości układu oraz poprawę jego stabilności. Celem umożliwienia pomiarów pola o natężeniu zmieniającym się w czasie lub do pomiaru przestrzennego rozkładu pola indukowany w sondzie ładunek jest okresowo uziemiany, czego konieczność wynika ze znacznej stałej czasowej układu pomiarowego.

Przedmiot wynalazku w przykładach realizacji jest przedstawiony na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat blokowy urządzenia do heterodynowego pomiaru natężenia pola elektrostatycznego z wykorzystaniem kryształu elektrooptycznego, a Fig. - urządzenie do heterodynowego pomiaru natężenia pola elektrostatycznego w układzie symetrycznym.

P r z y k ł a d 1

Sposób heterodynowego pomiaru natężenia pola elektrostatycznego polega na tym, że elektrodę pomiarową E1 umieszcza się w mierzonym polu elektrostatycznym, a ładunek indukowany na elektrodzie pomiarowej E1 doprowadza się do rezonatora R i poprzez zmianę pojemności rezonatora R przestraja się generator pomiarowy G2. Częstotliwość pracy generatora pomiarowego G2 reguluje się diodą pojemnościową DW z uwzględnieniem indukcyjności i pojemności rozproszonych układu oraz stabilizuje się układem pętli fazowej PLL, przy czym wejście generatora pomiarowego G2 cyklicznie zwiera się z masą układu przez co ładunek gromadzony na elemencie sterującym generatora pomiarowego G2 cyklicznie zeruje się. Jako częstotliwości odniesienia używa się częstotliwości generatora odniesienia G1, którego częstotliwość stabilizuje się rezonatorem kwarcowym X1. Po czym w mieszaczu M miesza się sygnał z generatora pomiarowego G2 z sygnałem z generatora odniesienia G1, Sygnał różnicowy z mieszacza M filtruje się w filtrze F, po czym w detektorze częstotliwości D poddaje się detekcji i wyświetla na wskaźniku W. Różnica częstotliwości mieszanych sygnałów z generatora pomiarowego G2 i z generatora odniesienia G1, jest miarą natężenia mierzonego pola.

P r z y k ł a d 2

Sposób heterodynowego pomiaru natężenia pola elektrostatycznego przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że w polu elektrostatycznym umieszcza się dwie elektrody pomiarowe E1, E2, a ładunek indukowany na elektrodach pomiarowych E1, E2 doprowadza się do rezonatora R, Ponadto elektrody pomiarowe E1, E2 przemiennie rozładowuje się kluczami K1, K2.

P r z y k ł a d 3

Urządzenie do heterodynowego pomiaru natężenia pola elektrostatycznego zawierające elelctrodę pomiarową E1 osadzoną w przepuście P1 obudowy O i połączoną z kluczem K1 sterowanym generatorem impulsów G1. Elektroda pomiarowa E1 z elektrodą 1 rezonatora R, natomiast przeciwległa elektroda 2 rezonatora R połączona jest z wejściem generatora pomiarowego G2, które połączone jest z masą układu przez diodę pojemnościową DW połączoną szeregowo z kondensatorem blokującym C. Pomiędzy diodę pojemnościową DW i kondensator blokujący C włączone jest wyjście układu pętli fazowej PLL, którego wejście połączone jest z wyjściem generatora pomiarowego (G2 i jednocześnie z wyjściem generatora odniesienia G1o częstotliwości stabilizowanej rezonatorem kwarcowym XI. Drugie wyjście generatora pomiarowego G2 połączone jest z mieszaczem M, który połączony jest z wyjściem generatora odniesienia G1 i jednocześnie poprzez filtr F i detektor D ze wskaźnikiem W.

Mierzone pole elektrostatyczne powoduje indukowanie się w elektrodzie pomiarowej E1 ładunków, które są kumulowane w pojemnościach układu wejściowego na które składają się pojemność przepustu P1 , pojemność elektrody 1, rezonatora R i pojemności montażowe układu. Rezystancja wejściowa układu pomiarowego jest wysoka i sięga TQ, skutkiem czego czas relaksacji układu jest znaczny, co uniemożliwia pomiar czasowych zmian mierzonego pola. Celem usunięcia tej niedogodności wejście układu zwiera się cyklicznie do masy za pomocą klucza K1 w postaci kontaktronu sterowanego generatorem impulsów G3 o częstotliwości 10 Hz i współczynniku, wypełnienia 1%. Ładunek przyłożony do elektrody 1 rezonatora R powoduje zmianę stałej dielektrycznej ośrodka, z którego jest on wykonany, a zatem i częstotliwość pracy generatora pomiarowego G2. Częstotliwość ta jest

PL 222 540 B1 ustalona zgodnie z regułą Thompsona przez indukcyjność układu i wymienione pojemności układu. Indukcyjność dobiera się tak, że średnia częstotliwość pracy generatora pomiarowego G2 jest identyczna z częstotliwością generatora odniesienia G1 i wynosi 8 MHz. Generator odniesienia G1 jest generatorem odniesienia dla układu pętli fazowej PLL.

Własności elektryczne kryształu niobianu litu nie pozwalają na uzyskanie czułości, jak w poprzednich rozwiązaniach jednak impedancja wejściowa tego rozwiązania jest najwyższa z pozostałych, co kompensuje tą niedogodność i było powodem zastosowania takiego kryształu po raz pierwszy w zastosowaniach innych niż fotonika. Za pomocą układu pętli fazowej PLL porównuje się częstotliwość generatora odniesienia G1 i generatora pomiarowego G2. W rezultacie różnicy tych częstotliwości powstaje sygnał korygujący, doprowadzany do diody pojemnościowej DW, którego rezultatem jest stabilizacja średniej wartości częstotliwości generatora pomiarowego G2. Sygnały wyjściowe obu generatorów G1, G2 po zmieszaniu w mieszaczu M i odfiltrowaniu za pomocą filtra F i detekcji w detektorze D są doprowadzane do wskaźnika W i są miarą wartości natężenia mierzonego pola elektrycznego.

P r z y k ł a d 4

Urządzenie do heterodynowego pomiaru natężenia pola elektrostatycznego wykonany jak w przykładzie czwartym z tą różnicą, że ma dwie elektrody pomiarowe E1, E2, z których każda osadzona jest w przepuście P1, P2 obudowy O oraz połączona z kluczem K1, K2, i z jedną elektrodą 1, 3 rezonatora R, natomiast przeciwległa elektroda 2 rezonatora R połączona jest z wejściem generatora pomiarowego G2. Oba klucze K1, K2, są sterowane z jednego generatora impulsów G3. Ponadto rezonator R wykonany jest w postaci płytki z elektrooptycznego materiału dielektrycznego, korzystnie z niobianu litu o wymiarach 1 x 1 x 0.05 cm, na powierzchnie której naniesione są warstwy przewodzące w postaci napylonej warstwy srebra stanowiące elektrody 1,2, 3, przy czym jedna strona rez onatora jest w całości pokryta i stanowi elektrodę 2 rezonatora, zaś na drugiej stronie płytki są napylone dwie identyczne elektrody 2 i 3 o wymiarach 1 x 0.45 cm. Przenikalność elektryczna kryształu elektrooptycznego LiNbO₃, zależna, jest od przyłożonego napięcia i wytworzonego w ten sposób natężenia pola elektrycznego.

Praca tego urządzenia jest podobna do działania urządzenia z przykładu czwartego, a różnica polega na zastosowaniu symetrycznie względem obudowy położonych dwu elektrod pomiarowych E1 i E2. Daje to rozwiązanie symetryczne, którego stosownie jest szczególnie korzystne w najbliższym otoczeniu źródeł pola. Ze względów identycznych, jak w poprzednich rozwiązaniach obie elektrody są cyklicznie rozładowywane za pomocą kluczy K1 i K2, w postaci kontaktronów, które są sterowane generatorem impulsów G3, który pracuje na częstotliwości 10 Hz i generuje symetryczny sygnał prostokątny o współczynniku wypełnienia 50%.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób heterodynowego pomiaru natężenia pola elektrostatycznego polegający na umies zczeniu elektrody pomiarowej w polu elektrostatycznym, znamienny tym, że ładunek indukowany na co najmniej jednej elektrodzie pomiarowej (E1, E2) doprowadza się do rezonatora (R) i poprzez zmianę pojemności rezonatora (R) przestraja się generator pomiarowy (G2), którego częstotliwość pracy reguluje się diodą pojemnościową (DW) z uwzględnieniem indukcyjności i pojemności rozproszonych układu oraz stabilizuje się układem pętli fazowej (PLL), przy czym wejście generatora pomiarowego (G2) cyklicznie zwiera się z masą układu przez co ładunek gromadzony na elemencie sterującym generatora pomiarowego (G2) cyklicznie zeruje się, przy czym jako częstotliwości odniesienia używa się generatora odniesienia (G1) częstotliwości stabilizowanej rezonatorem kwarcowym (X1), po czym w mieszaczu (M) miesza się sygnał z generatora pomiarowego (G2) z sygnałem z generatora odniesienia (G1), a sygnał różnicowy z mieszacza (M) filtruje się w filtrze (F), po czym w detektorze częstotliwości (D) poddaje się detekcji wyświetla na wskaźniku (W), przy czym różnica częstotliwości mieszanych sygnałów z generatora pomiarowego (G2) i z generatora odniesienia (G1), jest miarą natężenia mierzonego pola elektrostatycznego.
2. Urządzenie do heterodynowego pomiaru natężenia pola elektrostatycznego zawierające elektrodę pomiarową osadzoną w przepuście obudowy i połączoną z kluczem sterowanym z generatora impulsów oraz wyposażone w filtr i kondensator, znamienne tym, że ma co najmniej jedną elektrodę pomiarową (E1, E2), z których każda osadzona jest w przepuście (P) obudowy (O) oraz połączona z kluczem (K1, K2) sterowanym z generatora impulsów (G3) i z jedną elektrodą (1,3) rezonatoPL 222 450 B1 ra (R), natomiast przeciwległa elektroda (2) rezonatora (R) połączona jest z wejściem generatora pomiarowego (G2), które połączone jest z masą układu przez diodę pojemnościową (DW) połączoną szeregowo z kondensatorem blokującym (C), przy czym pomiędzy diodę pojemnościową (DW) i kondensator blokujący (C) włączone jest wyjście układu pętli fazowej (PLL), którego wejście połączone jest z wyjściem generatora pomiarowego (G2) i jednocześnie z wyjściem generatora odniesienia (G1) o częstotliwości stabilizowanej rezonatorem kwarcowym (X1), zaś drugie wyjście generatora pomiarowego (G2) połączone jest z mieszaczem (M), który połączony jest z wyjściem generatora odniesienia (G1) i jedocześnie poprzez filtr (F) i detektor (D) ze wskaźnikiem (W).
3. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że rezonator (R) wykonany jest w postaci płytki z elektrooptycznego materiału dielektrycznego, korzystnie zniobianu litu, na powierzchnie której naniesione są warstwy przewodzące stanowiące elektrody (1,2, 3).