RU110469U1 - ELECTRIC FIELD SENSOR - Google Patents
ELECTRIC FIELD SENSOR Download PDFInfo
- Publication number
- RU110469U1 RU110469U1 RU2011126702/28U RU2011126702U RU110469U1 RU 110469 U1 RU110469 U1 RU 110469U1 RU 2011126702/28 U RU2011126702/28 U RU 2011126702/28U RU 2011126702 U RU2011126702 U RU 2011126702U RU 110469 U1 RU110469 U1 RU 110469U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring
- microcontroller
- electric field
- inputs
- shielding plate
- Prior art date
Links
Landscapes
- Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
Abstract
Датчик электрического поля относится к области измерительной техники и может быть использован для электрических измерений, в частности, измерения вертикальной и горизонтальных составляющих электрического поля. При изучении атмосферного электрического поля Земли и электрических полей в приземном слое и под земной поверхностью требуются одновременные измерения вертикальной и горизонтальных составляющих поля вблизи земной поверхности. 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. Применение предлагаемого технического решения позволяет повысить универсальность устройства, ускорить и упростить процесс измерения всех составляющих электрического поля. The electric field sensor belongs to the field of measurement technology and can be used for electrical measurements, in particular, the measurement of the vertical and horizontal components of the electric field. When studying the atmospheric electric field of the Earth and electric fields in the surface layer and under the earth's surface, simultaneous measurements of the vertical and horizontal components of the field near the earth's surface are required. In the proposed electric field sensor, measurements are made by periodically shielding four cross-located measuring plates using a shielding plate and parallel processing of signals from the measuring plates. The shielding plate and the measuring plates are formed by sectorial cutouts of coaxial conical surfaces. With the vertical placement of the axes, simultaneous separate measurement of the vertical and two perpendicularly oriented horizontal components of the electric field is carried out. The application of the proposed technical solution allows to increase the versatility of the device, speed up and simplify the process of measuring all components of the electric field.
Description
Датчик электрического поля относится к области измерительной техники и может быть использован для электрических измерений, в частности, измерения вертикальной и горизонтальных составляющих электрического поля.The electric field sensor belongs to the field of measurement technology and can be used for electrical measurements, in particular, the measurement of the vertical and horizontal components of the electric field.
При изучении атмосферного электрического поля Земли и электрических полей в приземном слое и под земной поверхностью требуются измерения вертикальной и горизонтальных составляющих поля вблизи земной поверхности. Необходимость измерений обусловлена как фундаментальными научными исследованиями, так и практическими потребностями предсказания некоторых аспектов эволюции подповерхностных слоев.When studying the atmospheric electric field of the Earth and electric fields in the surface layer and under the earth's surface, measurements of the vertical and horizontal components of the field near the earth's surface are required. The need for measurements is due to both basic scientific research and the practical needs of predicting certain aspects of the evolution of subsurface layers.
Известны различные устройства, которые измеряют электрическое поле. В поле помещается конденсатор, емкость которого модулируется с помощью изменения диэлектрической проницаемости диэлектрика, находящегося внутри или снаружи измерительного конденсатора. (Метод описан, например, в кн.: Чалмерс Дж.А. Атмосферное электричество / Пер. с англ. под ред. Имянитова И.М. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 420 с.). Недостатком подобных устройств является сильная зависимость свойств сегнетоэлектрических материалов, используемых в качестве диэлектриков, от состояния внешней среды, особенно от ее температуры и влажности, что приводит к нестабильности характеристик измерителя, значительно снижающих точность измерений. Известны также устройства, использующие варикапы в качестве переменной емкости и описанные, например, в кн.: Гер А.А., Левин А.С., Носов Ю.Р. Электрометрический варикап. // Полупроводниковые приборы и их применение. Вып 28. М.: Сов. Радио, 1974. Недостатком данных устройств является то, что варикапы имеют относительно небольшой диапазон изменений емкости варикапа. Это сужает ограничивает области его применения.Various devices are known which measure an electric field. A capacitor is placed in the field, the capacitance of which is modulated by changing the dielectric constant of the dielectric inside or outside the measuring capacitor. (The method is described, for example, in the book: Chalmers J.A. Atmospheric electricity / Transl. From English under the editorship of IM Imyanitov - L.: Gidrometeoizdat, 1974. - 420 p.). The disadvantage of such devices is the strong dependence of the properties of ferroelectric materials used as dielectrics on the state of the external environment, especially on its temperature and humidity, which leads to instability of the characteristics of the meter, significantly reducing the accuracy of measurements. Also known are devices using varicaps as a variable capacity and described, for example, in the book: Ger A.A., Levin A.S., Nosov Yu.R. Electrometric varicap. // Semiconductor devices and their application. Issue 28. M.: Sov. Radio, 1974. The disadvantage of these devices is that varicaps have a relatively small range of varicap capacitance changes. This narrows the scope of its application.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, описанное в патенте РФ №104729 на полезную модель «Электростатический флюксметр» авторов Ефимова В.А., Полушина П.А., Грунской Л.В., оп 20.05.2011, Бюл. №14. Устройство содержит горизонтально расположенные в непосредственной близости одна от другой экранирующую и измерительную пластину, изоляторы, поддерживающие измерительную пластину, корпус-основание, двигатель, маркированный маховик, источник подсветки, фотодиод, мостовую схему, пороговый блок, усилитель тока, полосовой фильтр, микроконтроллер, блок приема-передачи данных, блок стабилизации скорости вращения двигателя, удаленный компьютер. Экранирующая пластина укреплена на валу двигателя и вместе с корпусом заземлена.The closest in technical essence to the claimed is the device described in the patent of the Russian Federation No. 104729 for the utility model "Electrostatic Fluxmeter" authors Efimova VA, Polushina PA, Grunskoy LV, op 20.05.2011, Bull. No. 14. The device contains a shielding and measuring plate horizontally located in close proximity to one another, insulators supporting the measuring plate, housing base, motor, marked flywheel, backlight, photodiode, bridge circuit, threshold block, current amplifier, bandpass filter, microcontroller, block data transmission and reception, engine speed stabilization unit, remote computer. The shield plate is mounted on the motor shaft and is grounded together with the housing.
Горизонтальная неподвижная измерительная круглая пластина содержит шесть секториальных вырезов, над ней вращается экранирующая пластина с такой же конфигурацией вырезов. Оси обеих пластин совпадают. При вращении экранирующей пластины измерительная пластина периодически экранируется от действия измеряемого электрического поля, в результате чего в цепи, соединяющей измерительную пластину с землей, возникает переменный ток, который обрабатывается электрической схемой устройства.The horizontal stationary measuring circular plate contains six sectorial cuts, a shielding plate with the same configuration of cuts rotates above it. The axes of both plates coincide. When the shielding plate rotates, the measuring plate is periodically shielded from the action of the measured electric field, as a result of which an alternating current arises in the circuit connecting the measuring plate to the ground, which is processed by the device’s electrical circuit.
Частота вращения вала двигателя с остается постоянной. На валу двигателя расположен маркированный маховик, на который нанесены черные и белые полосы одинаковой ширины. Цвет полос чередуется. Вблизи от маховика расположен источник подсветки, излучением которого подсвечиваются полосы на маховике. Также вблизи от маховика расположен фотодиод, на который падает излучение подсветки, отраженное от поверхности маховика. При вращении двигателя цвет полос на поверхности маховика чередуется и в зависимости от этого в фотодиод попадает большее или меньшее количество света от источника подсветки. В результате синхронно с этим меняется уровень сигнала в фотодиоде, который выделяется в мостовой схеме, и в пороговом блоке из него формируется бинарный выходной опорный сигнал, подаваемый на цифровой вход микроконтроллера.The motor shaft speed r remains constant. A marked flywheel is located on the motor shaft, on which black and white stripes of the same width are applied. The color of the stripes alternates. Near the flywheel there is a backlight, the radiation of which highlights the bands on the flywheel. Also located near the flywheel is a photodiode onto which the backlight radiation reflected from the surface of the flywheel is incident. When the engine rotates, the color of the stripes on the flywheel surface alternates and, depending on this, more or less light from the backlight source gets into the photodiode. As a result, simultaneously with this, the signal level in the photodiode changes, which is allocated in the bridge circuit, and in the threshold block a binary output reference signal is generated from it, which is supplied to the digital input of the microcontroller.
Заряды переменной величины с измерительной пластины, перемещаясь, образуют электрический ток, который усилителе тока усиливается и преобразуется в напряжение. Усиленный сигнал имеет частоту, определяемую скоростью вращения экранирующей пластины и количеством секториальных вырезов на ней. Далее выходной сигнал усилителя тока проходит через полосовой фильтр, очищающий результаты измерения от гармоник промышленной частоты. После этого измерительный сигнал перемножается в микроконтроллере на опорный сигнал, поступающий на цифровой вход микроконтроллера. Результат перемножения усредняется и из него выделяется медленно меняющаяся компонента, несущая информацию о величине измеряемого электрического поля. Результат измерения в последовательном коде поступает на блок приема-передачи данных, который используется для связи с удаленным компьютером и передачи туда результатов измерения.Variable charges from the measuring plate, moving, form an electric current, which is amplified by the current amplifier and converted to voltage. The amplified signal has a frequency determined by the rotation speed of the shielding plate and the number of sectorial cutouts on it. Next, the output signal of the current amplifier passes through a band-pass filter, which cleans the measurement results from harmonics of industrial frequency. After that, the measuring signal is multiplied in the microcontroller by the reference signal supplied to the digital input of the microcontroller. The result of multiplication is averaged and a slowly changing component is extracted from it, carrying information about the magnitude of the measured electric field. The measurement result in a serial code is sent to the data receiving and transmitting unit, which is used to communicate with the remote computer and transmit the measurement results there.
Основным недостатком устройства-прототипа является то, что он может измерять только вертикальную составляющую электрического поля, 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.The main disadvantage of the prototype device is that it can only measure the vertical component of the electric field, i.e. its lack of versatility, slowing down and complicating the process of measuring the field. At the same time, various studies require the simultaneous measurement of all three spatial coordinates of the field.
Задачей данной полезной модели является повышение универсальности устройства, ускорение и упрощение процесса измерения всех составляющих электрического поля.The objective of this utility model is to increase the versatility of the device, accelerate and simplify the process of measuring all components of the electric field.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее экранирующую пластину, первую измерительную пластину, изоляторы, корпус-основание, двигатель, блок стабилизации скорости вращения двигателя, первый усилитель тока, первый полосовой фильтр, маркированный маховик, источник подсветки, фотодиод, мостовую схему, пороговый блок, микроконтроллер и блок приема-передачи данных, введены вторая, третья и четвертая измерительные пластины, второй, третий и четвертый усилители тока, второй, третий и четвертый полосовые фильтры, первый и второй вычитатели и сумматор, при этом экранирующая пластина электрически соединена с корпусом-основанием, имеет форму конической поверхности с осью, совпадающей с осью двигателя, и четырьмя одинаковыми секторальными вырезами, первая, вторая, третья и четвертая измерительные пластины представляют собой секторы другой такой же конической поверхности, расположенной сооосно, ближе к корпусу-основанию, который под измерительными пластинами имеет форму такой же соосной конической поверхности, на валу 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, первая измерительная пластина и экранирующая пластина соединены со входами первого усилителя тока, а через его выход и первый полосовой фильтр - с одним из входов первого вычитателя, вторая измерительная пластина и экранирующая пластина соединены со входами второго усилителя тока, а через его выход и второй полосовой фильтр - с одним из входов второго вычитателя, третья измерительная пластина и экранирующая пластина соединены со входами третьего усилителя тока, а через его выход и третий полосовой фильтр - с другим входом первого вычитателя, четвертая измерительная пластина и экранирующая пластина соединены со входами четвертого усилителя тока, а через его выход и четвертый полосовой фильтр - с другим входом второго вычитателя, выход первого вычитателя подключен к первому аналоговому входу микроконтроллера, выход второго вычитателя подключен ко второму аналоговому входу микроконтроллера, выход сумматора подключен к третьему аналоговому входу микроконтроллера, а его входы - к выходам соответствующих первого, второго, третьего и четвертого полосовых фильтров, при этом края лопастей экранирующей пластины пластин слегка повернуты, а информационный выход микроконтроллера через блок приема-передачи данных соединен с информационным выходом устройства, и управляющий вход устройства через блок приема-передачи данных соединен с управляющим входом микроконтроллера.The problem is achieved in that in a device containing a shielding plate, a first measuring plate, insulators, a base body, an engine, a motor speed stabilization unit, a first current amplifier, a first bandpass filter, a marked flywheel, a backlight, a photodiode, a bridge circuit, threshold unit, microcontroller, and data reception and transmission unit; second, third, and fourth measuring plates, second, third, and fourth current amplifiers, second, third, and fourth bandpass filters, introduced the second subtractor and the adder, while the shielding plate is electrically connected to the base body, has the shape of a conical surface with an axis coinciding with the axis of the engine, and four identical sectoral cutouts, the first, second, third and fourth measuring plates are sectors of another same conical of the surface located coaxially closer to the base body, which under the measuring plates has the shape of the same coaxial conical surface, a marked flywheel is also mounted on the shaft near which there is a backlight source and a photodiode, which is connected through a series-connected bridge circuit and a threshold unit to the digital input of the microcontroller, the first measuring plate and the screening plate are connected to the inputs of the first current amplifier, and through its output and the first band-pass filter to one of the inputs the first subtractor, the second measuring plate and the shielding plate are connected to the inputs of the second current amplifier, and through its output and the second band-pass filter with one of the inputs of the second subtraction spruce, the third measuring plate and the shielding plate are connected to the inputs of the third current amplifier, and through its output and the third bandpass filter to the other input of the first subtractor, the fourth measuring plate and the shielding plate are connected to the inputs of the fourth current amplifier, and the fourth strip filter - with another input of the second subtractor, the output of the first subtractor is connected to the first analog input of the microcontroller, the output of the second subtractor is connected to the second analog input of the microcontroller, the output of the adder is connected to the third analog input of the microcontroller, and its inputs are to the outputs of the corresponding first, second, third and fourth bandpass filters, while the edges of the blades of the shielding plate of the plates are slightly rotated, and the information output of the microcontroller is connected to the information output through the data transmission device, and the control input of the device through the block of data reception and transmission is connected to the control input of the microcontroller.
На чертежах представлены: на фиг.1 - структурная схема и вид сверху конструкции датчика электрического поля; на фиг.2 - вид сбоку конструкции датчика электрического поля в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей; на фиг.3. - чертеж, поясняющий особенности измерения составляющих электрического поля.The drawings show: in Fig. 1 is a structural diagram and a plan view of a construction of an electric field sensor; figure 2 is a side view of the structure of the electric field sensor in one of two mutually perpendicular planes; figure 3. - a drawing explaining the features of measuring the components of the electric field.
На фиг.1 обозначены: экранирующая пластина 1; первая 2, вторая 3, третья 4 и четвертая 5 измерительные пластины; корпус-основание 6; двигатель 7; маркированный маховик 8; блок стабилизации скорости вращения двигателя 9; источник подсветки 10; фотодиод 11; мостовая схема 12; пороговый блок 13; первый 14, второй 15, третий 16 и четвертый 17 усилители тока; первый 18, второй 19, третий 20 и четвертый 21 полосовые фильтры; первый 22 и второй 23 вычитатели; сумматор 24; микроконтроллер 25; блок приема-передачи данных 26; удаленный компьютер 27.Figure 1 marked: shielding plate 1; first 2, second 3, third 4 and fourth 5 measuring plates; base case 6; engine 7; marked flywheel 8; block stabilization of the engine speed 9; backlight source 10; photodiode 11; bridge circuit 12; threshold block 13; first 14, second 15, third 16 and fourth 17 current amplifiers; first 18, second 19, third 20 and fourth 21 band pass filters; first 22 and second 23 subtractors; an adder 24; microcontroller 25; block transmit-receive data 26; remote computer 27.
На фиг.2 обозначены: корпус-основание 28, экранирующая пластина 29; первая и третья измерительные пластины 30 и 31; изоляторы 32 и 33; двигатель 34; маркированный маховик 35.Figure 2 marked: the base body 28, the shielding plate 29; first and third measuring plates 30 and 31; insulators 32 and 33; engine 34; marked flywheel 35.
Блоки устройства работают следующим образом.The device blocks work as follows.
Частота вращения вала двигателя 7 во время работы устройства остается строго постоянной и контролируется блоком стабилизации скорости вращения двигателя 9. Корпус-основание 6 заземлен и устанавливается горизонтально. Двигатель 7, укрепленный на корпусе-основании 6, вращает вал с укрепленной на нем экранирующей пластиной 1, причем вал и экранирующая пластина электрически заземлены. Экранирующая пластина имеет четыре одинаковых по форме секторальных выреза. Сектора по окружности пластины размещены симметрично, средняя линия каждого сектора имеет угол со средними линиями двух соседних с ним секторов, равный 90°. Средние линии - это образующие конической поверхности экранирующей пластины. Секторальные вырезы образуют четыре одинаковые по форме лопасти между ними, средние линии которых также повернуты относительно средних линий соседних лопастей на угол 90°.The frequency of rotation of the shaft of the engine 7 during operation of the device remains strictly constant and is controlled by the stabilization unit of the rotation speed of the engine 9. The base body 6 is grounded and mounted horizontally. The motor 7, mounted on the base body 6, rotates the shaft with a shielding plate 1 fixed thereon, the shaft and the shielding plate being electrically grounded. The shield plate has four sectoral cutouts of the same shape. Sectors are arranged symmetrically around the plate circumference, the midline of each sector has an angle of 90 ° with the midlines of two sectors adjacent to it. The middle lines are the generators of the conical surface of the shielding plate. Sectoral cuts form four identical-shaped blades between them, the middle lines of which are also rotated relative to the middle lines of adjacent blades by an angle of 90 °.
Измерительные пластины 2, 3, 4, 5 неподвижно укреплены на корпусе-основании каждая с помощью изоляторов и электрически изолированы одна от другой. Форма измерительных пластин повторяет форму лопастей экранирующей пластины, они составляют части общей конической поверхности, повторяющей форму конической поверхности экранирующей пластины, но соосно смещенной относительно ее. Средняя линия каждой измерительной пластины повернута относительно средних линий соседних измерительных пластин на угол 90°. Таким образом, средние линии каждой пары противоположных измерительных пластин расположены во взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях и определяют взаимно перпендикулярные оси ОХ и OY заявляемого датчика.The measuring plates 2, 3, 4, 5 are fixedly mounted on the base body, each with insulators and are electrically isolated from one another. The shape of the measuring plates follows the shape of the blades of the shielding plate, they form part of a common conical surface, repeating the shape of the conical surface of the shielding plate, but coaxially offset relative to it. The middle line of each measuring plate is rotated relative to the middle lines of adjacent measuring plates by an angle of 90 °. Thus, the middle lines of each pair of opposite measuring plates are located in mutually perpendicular vertical planes and define mutually perpendicular axes OX and OY of the inventive sensor.
Под измерительными пластинами расположена коническая поверхность корпуса-основания 6, повторяющая форму общей конической поверхности измерительных пластин и также смещенная соосно относительно ее. Расположение всех поверхностей иллюстрируется фиг.2, где помещен разрез по оси ОХ. Внешний конус - экранирующая пластина 29, ниже расположен конус, на котором находятся измерительные пластины 30 и 31, ниже расположена коническая поверхность корпуса-основания 28. Измерительные пластины крепятся на корпусе-основании с помощью изоляторов 32 и 33.Under the measuring plates there is a conical surface of the base body 6, repeating the shape of the common conical surface of the measuring plates and also offset coaxially relative to it. The location of all surfaces is illustrated in figure 2, where the incision is placed along the axis OX. The outer cone is the shielding plate 29, the cone is located below, on which the measuring plates 30 and 31 are located, the conical surface of the base body 28 is located below. The measuring plates are mounted on the base body using insulators 32 and 33.
На валу двигателя расположен маркированный маховик 8, на который нанесены четыре черные и четыре белые полосы одинаковой ширины. Вблизи от маховика расположен источник подсветки 10, который может быть выполнен в виде инфракрасного светодиода и излучением которого подсвечиваются черные и белые полосы на маркированном маховике 8. Также вблизи от маховика расположен фотодиод 11, на который падает излучение источника подсветки 10, отраженное от поверхности маховика, покрытой черными и белыми полосами.On the motor shaft there is a marked flywheel 8, on which four black and four white stripes of the same width are applied. Near the flywheel there is a backlight 10, which can be made in the form of an infrared LED and the black and white stripes on the marked flywheel are highlighted by radiation 8. Also close to the flywheel is a photodiode 11, onto which the radiation of the backlight 10, reflected from the surface of the flywheel, covered with black and white stripes.
При вращении вала двигателя 7 цвет полос на поверхности маркированного маховика 8 чередуется и в зависимости от этого в фотодиод 11 попадает большее или меньшее количество света от источника подсветки 10, отраженного полосами. В результате синхронно с этим меняется уровень сигнала в фотодиоде. Этот сигнал выделяется в мостовой схеме 12, и в пороговом блоке 13 из него формируется бинарный выходной сигнал, соответствующий цвету полосы на маховике в данный момент времени, после чего он в качестве опорного подается на цифровой вход микроконтроллера 25.When the motor shaft 7 rotates, the color of the stripes on the surface of the marked flywheel 8 alternates and, depending on this, more or less light from the backlight 10 reflected by the stripes gets into the photodiode 11. As a result, the signal level in the photodiode changes synchronously with this. This signal is allocated in the bridge circuit 12, and in the threshold block 13 a binary output signal is generated from it, corresponding to the color of the strip on the flywheel at a given moment in time, after which it is supplied as a reference to the digital input of the microcontroller 25.
Все четыре канала измерения идентичны и имеют одинаковые характеристики. Заряды переменной величины с каждой измерительной пластины 2-5, перемещаясь, образуют электрический ток, который поступает в усилители тока 14-17 с малым внутренним сопротивлением, где усиливается и преобразуется в напряжения. Усиленные сигналы имеет частоту, определяемую скоростью вращения экранирующей пластины 1 и количеством секторальных вырезов на ней. Эти параметры выбираются так, чтобы эта частота была некратна промышленной частоте 50 герц. Далее выходной сигнал усилителей тока 14-17 проходит через полосовые фильтры 18-21. Его полоса пропускания не пропускает гармоники промышленной частоты, тем самым фильтры очищает измерительные сигналы от этих гармоник.All four measurement channels are identical and have the same characteristics. Variable charges from each measuring plate 2-5, moving, form an electric current, which enters the current amplifiers 14-17 with low internal resistance, where it is amplified and converted to voltage. The amplified signals have a frequency determined by the rotation speed of the shielding plate 1 and the number of sectoral cutouts on it. These parameters are chosen so that this frequency is not a multiple of the industrial frequency of 50 hertz. Next, the output signal of the current amplifiers 14-17 passes through the bandpass filters 18-21. Its passband does not allow harmonics of industrial frequency to pass, thereby filtering the measuring signals from these harmonics.
Сигналы с первого 18 и третьего 20 полосовых фильтров поступают на вход первого вычитателя 22, где определяется их разность. Сигналы со второго 19 и четвертого 21 полосовых фильтров поступают на входы второго вычитателя 23, где также определяется их разность. Сигналы с входов всех полосовых фильтров 18-21 также подаются на входы сумматора 24 где определяется уже их сумма.The signals from the first 18 and third 20 bandpass filters are fed to the input of the first subtractor 22, where their difference is determined. The signals from the second 19 and fourth 21 bandpass filters are fed to the inputs of the second subtractor 23, where their difference is also determined. The signals from the inputs of all bandpass filters 18-21 are also fed to the inputs of the adder 24 where their sum is already determined.
Далее сигналы с выходов вычитателей 22 и 23 и сумматора 24 поступают на, соответственно, первый, второй и третий независимых аналоговых входа микроконтроллера 25, где осуществляется их аналого-цифровое преобразование. Далее измерительные сигналы в цифровом виде независимо один от другого перемножается в микроконтроллере на опорный сигнал, поступающий на цифровой вход микроконтроллера. Результаты перемножения усредняются и из них выделяются медленно меняющиеся компоненты, несущие информацию о величинах трех пространственных составляющих измеряемого электрического поля. Результаты измерения в последовательном коде поступает на блок приема-передачи данных 26, а с его выхода - на информационный выход устройства. Блок приема-передачи данных используется для связи с удаленным компьютером 27 и передачи туда результатов измерения.Further, the signals from the outputs of the subtractors 22 and 23 and the adder 24 are supplied to, respectively, the first, second and third independent analog inputs of the microcontroller 25, where they are analog-to-digital conversion. Further, the measurement signals in digital form are independently multiplied from one another in the microcontroller by a reference signal supplied to the digital input of the microcontroller. The results of multiplication are averaged and slowly changing components that carry information about the values of the three spatial components of the measured electric field are extracted from them. The measurement results in a serial code are sent to the data reception and transmission unit 26, and from its output, to the information output of the device. The data transmit-receive unit is used to communicate with the remote computer 27 and transmit measurement results there.
Удаленный компьютер 27 через управляющий вход устройства соединен с входом блока приема-передачи данных 26, и через него при необходимости с него передаются управляющие команды на микроконтроллер 25.Remote computer 27 through the control input of the device is connected to the input of the data reception and transmission unit 26, and through it, if necessary, control commands are transmitted from it to the microcontroller 25.
Принцип работы устройства заключается в следующем. В основу заложен принцип действия электростатического генератора. Он состоит в том, что при внесении проводника в переменное электрическое поле, в нем возникает движение индуцированных зарядов, причем величина тока, создаваемого перемещающимися зарядами, пропорциональна изменению напряженности поля. Конструкция датчика электрического поля преобразовывает измеряемое электрическое поле в быстро меняющееся переменное, которое воздействует на измерительные электроды. Преобразование поля осуществляется механическим способом за счет вращения лопастей, напоминающих согнутые крылья ветряной мельницы.The principle of operation of the device is as follows. It is based on the principle of operation of an electrostatic generator. It consists in the fact that when a conductor is introduced into an alternating electric field, the movement of induced charges occurs in it, and the magnitude of the current created by the moving charges is proportional to the change in the field strength. The design of the electric field sensor converts the measured electric field into a rapidly changing variable that acts on the measuring electrodes. The transformation of the field is carried out mechanically due to the rotation of the blades, resembling the bent wings of a windmill.
За счет энергии электромотора лопасти экранирующей пластины «режут» силовые линии измеряемого электрического поля. Так как каждая измерительная пластина при этом находится в переменном электрическом поле, в ней индуцируются заряды, движение которых воспринимается соответствующим усилителем тока. Форма напряжения на выходе усилителя тока определяется его входным сопротивлением и близка к синусоидальной. В отсутствии измеряемого электрического поля (например, при полной экранировке прибора), на выходе усилителя будет наблюдаться сигнал, величина которого, определяется контактной разностью потенциалов между экранирующей и измерительной пластинами. Эта сигнал задает предел чувствительности датчика электрического поля. Опорный сигнал используется для определения знака направления поля.Due to the energy of the electric motor, the blades of the shielding plate “cut” the lines of force of the measured electric field. Since each measuring plate is in this case in an alternating electric field, charges are induced in it, the movement of which is perceived by the corresponding current amplifier. The voltage shape at the output of the current amplifier is determined by its input impedance and is close to sinusoidal. In the absence of a measured electric field (for example, when the device is completely shielded), an output will be observed at the amplifier output, the value of which is determined by the contact potential difference between the shielding and measuring plates. This signal sets the sensitivity limit of the electric field sensor. The reference signal is used to determine the sign of the direction of the field.
У каждой измерительной пластины свой тракт усиления сигнала. Усилители тока имеют входное сопротивление много меньше, чем сопротивление источника сигнала, следовательно, требования к качеству изоляторов, на которых крепится каждая измерительная пластина, могут быть снижены. Усилитель тока обязательно балансируется, что позволяет свести к минимуму паразитный сигнал, обусловленный разностью напряжений между входами усилителя. (Усилитель тока может быть выполнен, например, на прецизионном операционном усилителе OP07Z, который преобразует измеренный ток в напряжение. Этот операционный усилитель имеет первоначальную балансировку, обеспечивающую минимально возможное напряжение смещения между его входами). Усилители тока располагаются в непосредственной близости от датчиков - соответствующих измерительных пластин, что убирает помехи, воздействующие на наиболее чувствительные участки тракта передачи измерительной информации.Each measuring plate has its own signal amplification path. Current amplifiers have an input resistance much less than the resistance of the signal source, therefore, the quality requirements of the insulators on which each measuring plate is mounted can be reduced. The current amplifier is necessarily balanced, which minimizes the spurious signal due to the voltage difference between the inputs of the amplifier. (The current amplifier can be implemented, for example, on a precision operational amplifier OP07Z, which converts the measured current to voltage. This operational amplifier has initial balancing, which provides the lowest possible bias voltage between its inputs). Current amplifiers are located in close proximity to sensors - corresponding measuring plates, which removes the interference affecting the most sensitive sections of the measuring information transmission path.
Цифровой способ измерения амплитуды является существенно более точным, чем аналоговый. В микроконтроллере 25 гармонические сигналы с выходов вычитателей 22, 23 и сумматора 24 дискретизируются с частотой, в несколько раз большей, чем частота дискретизации, требуемая, исходя из теоремы Котельникова. Затем следует процесс квантования отсчетов в соответствии с выбранной разрядной сеткой. Каждый аналогово-цифровой преобразователь на аналоговых входах микроконтроллера 25 находится сразу после полосового фильтра, что исключает возникновение всех погрешностей, характерных для аналогового способа обработки сигнала.The digital method of measuring the amplitude is significantly more accurate than the analog one. In the microcontroller 25, the harmonic signals from the outputs of the subtractors 22, 23 and the adder 24 are sampled at a frequency several times higher than the sampling frequency required based on Kotelnikov's theorem. Then follows the process of quantization of samples in accordance with the selected bit grid. Each analog-to-digital Converter on the analog inputs of the microcontroller 25 is located immediately after the band-pass filter, which eliminates the occurrence of all errors characteristic of the analog method of signal processing.
Опорный сигнал при этом не оцифровывается и может быть представлен двумя уровнями: единицы и нуля. Такая схема не требует точного фазирования, т.е. ошибка временного положения опорного сигнала может составлять примерно половину длительности интервала дискретизации. Затем следует операция перемножения дискретизированных сигналов с последующим усреднением. Точность вычислений определяется разрядной сеткой и может быть сколь угодно высокой. Также возможно значительное расширение диапазона изменения измеряемых величин. Для обмена информацией с удаленным компьютером в качестве блока приема-передачи данных 26 может быть выбрана, например, микросхема AMD485.The reference signal is not digitized and can be represented by two levels: one and zero. Such a circuit does not require accurate phasing, i.e. the error of the temporal position of the reference signal can be approximately half the duration of the sampling interval. Then follows the operation of multiplying the discretized signals with subsequent averaging. The accuracy of the calculations is determined by the bit grid and can be arbitrarily high. It is also possible to significantly expand the range of variation of the measured values. To exchange information with a remote computer, for example, an AMD485 chip can be selected as a data transmit-receive unit 26.
Основные погрешности при цифровом методе будут определяться погрешностью аналого-цифрового преобразования, причем эти погрешности носят систематический характер и не зависят от температуры, влажности и прочих условий измерения амплитуды сигнала. Плоская конструкция бесщеточного двигателя 7, питаемого от источника постоянного тока, вносит минимум помех. (В качестве двигателя может быть использована, например, модель серии ЕС32 фирмы MAXON с номинальной мощностью на валу 6 ватт). Скорость вращения задается блоком стабилизации скорости вращения двигателя 9, в качестве которого может быть использован, например, контроллер двигателя 1-Q-EC Amplifier DEC 24/1, и поддерживается постоянной при изменении температуры и механической нагрузки.The main errors in the digital method will be determined by the error of the analog-to-digital conversion, and these errors are systematic in nature and do not depend on temperature, humidity and other conditions for measuring the signal amplitude. The flat design of the brushless motor 7, powered by a direct current source, introduces a minimum of interference. (As an engine, for example, a model of the EC32 series of MAXON firm with a rated power on a shaft of 6 watts can be used). The rotation speed is set by the stabilization unit of the rotation speed of the engine 9, which can be used, for example, the controller of the engine 1-Q-EC Amplifier DEC 24/1, and is maintained constant with changing temperature and mechanical load.
Расстояние между экранирующей и измерительными пластинами выбирается минимальным, а края экранирующей пластины лежат в плоскости края корпуса. Такая конструкция с учетом конической формы обеспечивает при большой скорости вращения двигателя минимальное попадание осадков внутрь корпуса. Капли дождя и снег отбрасываются лопастями экранирующей пластины от корпуса. Для этого края лопастей слегка повернуты.The distance between the shielding and measuring plates is selected to be minimal, and the edges of the shielding plate lie in the plane of the edge of the housing. This design, taking into account the conical shape, ensures at a high engine rotation speed that precipitation gets inside the housing minimally. Raindrops and snow are discarded by the shields of the shielding plate from the body. For this, the edges of the blades are slightly rotated.
В заявляемом устройстве применены технические решения, позволяющие, в отличие от прототипа одновременно измерять сразу три взаимно перпендикулярные составляющие электрического поля (иллюстрируется фиг.3). В общем случае вектор Е электрического поля направлен под углом к горизонту и имеет три взаимно перпендикулярные составляющие - Ex, Ey, Ez. Если датчик установлен горизонтально, то они соответствуют двум горизонтальным и вертикальной составляющим поля. На фиг.3 представлена картина, рассматриваемая в плоскости XOZ. (В плоскости YOZ картина будет аналогичной).In the inventive device, technical solutions are used, which, in contrast to the prototype, simultaneously measure simultaneously three mutually perpendicular components of the electric field (illustrated in FIG. 3). In the general case, the electric field vector E is directed at an angle to the horizontal and has three mutually perpendicular components - E x , E y , E z . If the sensor is installed horizontally, then they correspond to two horizontal and vertical components of the field. Figure 3 presents a picture viewed in the XOZ plane. (In the YOZ plane, the picture will be similar).
Рассмотрим составляющие поля в противоположно расположенных измерительных пластинах и заземленной поверхности корпуса-основания под ними. Поскольку геометрические размеры датчика невелики, то вектор Е можно считать одинаковым в обоих случаях. На выходах первого 18 и третьего 20 полосовых фильтров будут напряжения U1 и U3, соответствующие результатам измерения, и определяющиеся величиной вектора Е и его ориентацией относительно угла образующей конических поверхностей. Каждое из напряжений U1 и U3 содержит доли, соответствующие величине составляющих Еx и Ez. (Если образующая конических поверхностей имеет угол к вертикали, равный 45°, то эти доли будут одинаковые. Если в конкретной конструкции образующая будет наклонена под другим углом, то и соотношение между долями будет другое, но постоянное для данной конструкции. Его нетрудно учесть выбором коэффициентов передачи вычитателей и сумматора).Consider the constituent fields in oppositely located measuring plates and the grounded surface of the base body below them. Since the geometric dimensions of the sensor are small, the vector E can be considered the same in both cases. At the outputs of the first 18 and third 20 bandpass filters there will be voltages U 1 and U 3 corresponding to the measurement results and determined by the magnitude of the vector E and its orientation relative to the angle of the generatrix of the conical surfaces. Each of the voltages U 1 and U 3 contains fractions corresponding to the magnitude of the components E x and E z . (If the generatrix of the conical surfaces has an angle to the vertical equal to 45 °, then these fractions will be the same. If the generatrix in a particular design is inclined at a different angle, then the ratio between the fractions will be different, but constant for this design. It is easy to take into account the choice of coefficients transfer of subtractors and adder).
При этом вертикальные составляющие Ez одинаково направлены для обеих измерительных пластин и имеют равную величину, поэтому и их доли в напряжениях U1 и U3 будут одинаковые по величине и знаку. Горизонтальные же составляющие Еx в обеих пластинах одинаковые по величине, но противоположные по знаку. Поэтому и их доли в напряжениях U1 и U3 будут одинаковы по величине, но с разными знаками.In this case, the vertical components E z are equally directed for both measuring plates and have an equal value; therefore, their shares in the voltages U 1 and U 3 will be the same in magnitude and sign. The horizontal components E x in both plates are identical in magnitude, but opposite in sign. Therefore, their shares in the voltages U 1 and U 3 will be the same in magnitude, but with different signs.
В результате после вычитания в первом вычитателе 22 доли вертикальной составляющей Ez взаимно вычтутся и не будут влиять на результаты измерения. А доли горизонтальной составляющей сложатся и разностный сигнал будет пропорционален только величине Еx. В сумматоре же 24 взаимно вычтутся доли горизонтальной составляющей, а сложатся доли вертикальной составляющей.As a result, after subtraction in the first subtractor 22, the fractions of the vertical component E z are mutually subtracted and will not affect the measurement results. And the fractions of the horizontal component will add up and the difference signal will be proportional only to the value of E x . In the adder 24, the fractions of the horizontal component are mutually subtracted, and the fractions of the vertical component are added.
Аналогичные процессы в паре измерительных пластин 3 и 5, измеряющих составляющие Ey и Ez и в соответствующих трактах измерения. Во втором вычитателе 23 образуется напряжение, пропорциональное составляющей Ey, а в сумматоре доли составляющей, соответствующие Ey, взаимно вычтутся. Таким образом, на выходах первого и второго вычитателей и сумматора одновременно образуются напряжения, пропорциональные измеряемым составляющим электрического поля Еx, Ey и Ez.Similar processes in a pair of measuring plates 3 and 5, measuring the components E y and E z and in the corresponding measurement paths. In the second subtractor 23, a voltage proportional to the component E y is generated, and in the adder, the proportions of the component corresponding to E y are mutually subtracted. Thus, the outputs of the first and second subtracters and the adder simultaneously generate voltages proportional to the measured components of the electric field E x , E y and E z .
Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет повысить универсальность устройства, ускорить и упростить процесс измерения всех составляющих электрического поля.Thus, the application of the proposed technical solution allows to increase the versatility of the device, speed up and simplify the process of measuring all components of the electric field.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011126702/28U RU110469U1 (en) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | ELECTRIC FIELD SENSOR |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011126702/28U RU110469U1 (en) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | ELECTRIC FIELD SENSOR |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU110469U1 true RU110469U1 (en) | 2011-11-20 |
Family
ID=45317072
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011126702/28U RU110469U1 (en) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | ELECTRIC FIELD SENSOR |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU110469U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2501029C1 (en) * | 2012-05-11 | 2013-12-10 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации | Compensatory electrostatic fluxmeter |
-
2011
- 2011-06-29 RU RU2011126702/28U patent/RU110469U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2501029C1 (en) * | 2012-05-11 | 2013-12-10 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации | Compensatory electrostatic fluxmeter |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zheng et al. | A capacitive rotary encoder based on quadrature modulation and demodulation | |
| CN105676008B (en) | Digital electric field sensor | |
| CN104122444A (en) | All-digital intermediate frequency spectrum analyzer and spectrum analyzing method | |
| CN104296786A (en) | Digital bridge capacitive measuring module | |
| CN104181402A (en) | Direct-current electric field detecting device used under condition of hybrid electric field | |
| CN107918062A (en) | A kind of transient state spatial electronic field measurement system and method for wide frequency domain | |
| CN105938198A (en) | High-precision absolute distance measurement apparatus and measurement method based on secondary polarization | |
| RU110469U1 (en) | ELECTRIC FIELD SENSOR | |
| CN113340571B (en) | Optical time delay measurement method and device based on optical vector analysis | |
| CN105203979A (en) | Electrostatic direction finding system | |
| RU104729U1 (en) | ELECTROSTATIC FLUXMETER | |
| CN111698036B (en) | Multi-microwave signal frequency estimation method based on microwave photons | |
| RU2501029C1 (en) | Compensatory electrostatic fluxmeter | |
| RU130716U1 (en) | PRECISION FLUXMETER | |
| RU124400U1 (en) | ELECTRIC FIELD METER | |
| CN109596099B (en) | Inclination angle sensor of similar rotary transformer | |
| CN207502725U (en) | The heterodyne detection of laser system of differential signal link mode | |
| Yang et al. | Displacement sensing with two asymmetrical inclined fibers | |
| CN106405341A (en) | Method used for reducing partial discharge ultrahigh frequency signal | |
| RU134662U1 (en) | MAGNETOELECTROMER | |
| RU203968U1 (en) | Distance measurement device for electrostatic charges | |
| RU128723U1 (en) | STORAGE FLUXMETER | |
| Chen et al. | The Micro-Miniature Capacitance Sensor Based on Light-Trigger Technology and Its Hardware Design in the Electrical Capacitance Tomography System | |
| CN210774096U (en) | High-speed fiber grating demodulating equipment | |
| CN203772415U (en) | Spectrum measurement device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20140630 |