RU2020497C1

RU2020497C1 - Transducer of electrostatic field

Info

Publication number: RU2020497C1
Authority: RU
Inventors: Валерий Николаевич Таисов; Владимир Юрьевич Малиновкин; Евгений Николаевич Савичев
Original assignee: Валерий Николаевич Таисов; Владимир Юрьевич Малиновкин; Евгений Николаевич Савичев
Priority date: 1992-07-06
Filing date: 1992-07-06
Publication date: 1994-09-30

Abstract

FIELD: information and measurement technology. SUBSTANCE: transducer has additional calibrator made of electret material. Transducer body is made of ferromagnetic material. All power members of transducer drive are installed directly on body. EFFECT: higher measurement accuracy, compensated variation of conductance of transducer design members caused by variation of environment conditions, excluded effect of external permanent magnetic fields with simultaneous more effective use of power potentiality of magnetic system members provided by transducer design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения электростатических полей разрядов, возникающих на поверхности полимерных материалов в процессе их производства. The invention relates to information-measuring equipment and can be used to measure the electrostatic fields of discharges that occur on the surface of polymeric materials in the process of their production.

Известен датчик электростатического поля [1], содержащий корпус, колебательный приводной механизм с валом и гибким проводником, соосно расположенные измерительный электрод, а также снабженные секторными отверстиями экранный электрод и укрепленный на валу приводного механизма модулирующий электрод. A known electrostatic field sensor [1], comprising a housing, an oscillating drive mechanism with a shaft and a flexible conductor, coaxially located measuring electrode, as well as provided with sector holes screen electrode and mounted on the shaft of the drive mechanism modulating electrode.

Недостатком этого датчика является низкая точность измерения, обусловленная отсутствием компенсации приращения сигнала в зависимости от изменения влажности и газового состава окружающей среды. The disadvantage of this sensor is the low accuracy of the measurement, due to the lack of compensation of the signal increment depending on changes in humidity and gas composition of the environment.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является датчик электростатического поля [2], содержащий корпус, колебательный приводной механизм, вдоль вала которого соосно размещены имеющие секторные отверстия неподвижные экранный электрод и калибровочный электрод, а также укрепленные на валу измерительный электрод и компенсирующий электрод. The closest technical solution to the claimed one is an electrostatic field sensor [2], comprising a housing, an oscillating drive mechanism, along the shaft of which are stationary screen electrode and calibration electrode having sector holes coaxially located, as well as a measuring electrode and a compensating electrode mounted on the shaft.

Недостатком этого датчика является сложность конструкции, в состав которой входит система из четырех электродов, и низкая точность измерения в условиях действия на датчик магнитных полей, вызывающих изменение частоты и амплитуды собственных колебаний измерительного электрода. The disadvantage of this sensor is the complexity of the design, which includes a system of four electrodes, and low measurement accuracy under the action of magnetic fields on the sensor, causing a change in the frequency and amplitude of the natural oscillations of the measuring electrode.

Цель изобретения - повышение точности измерения. The purpose of the invention is to improve the accuracy of measurement.

Цель достигается тем, что датчик электростатического поля, содержащий экранирующую крышку, корпус, в котором соосно расположены имеющие секторные отверстия неподвижный экранный электрод и колеблющийся измерительный электрод, закрепленный на валу приводного механизма, соединенном с входом усилителя гибким проводником, снабженным намагниченным по диаметру цилиндрическим магнитом и установленным в диэлектрических опорах в корпусе в зазоре между двумя постоянными магнитами, обращенными друг к другу полюсами противоположной полярности, и двумя обмотками возбуждения, расположенными ортогонально магнитам и подключенными к генератору импульсов возбуждения, дополнительно снабжен электретным калибратором, выполненным в виде слоя из электретного материала, нанесенного и поляризованного на металлической поверхности экранирующей крышки, причем контакт между поляризованной поверхностью электретного материала и экранным электродом датчика отсутствует, а корпус датчика выполнен из ферромагнитного материала, на поверхности которого закреплены постоянные магниты и обмотки возбуждения, магнитные потоки которых не насыщают материал корпуса датчика. The goal is achieved in that the electrostatic field sensor comprising a shielding cover, a housing in which a stationary shield electrode and oscillating measuring electrode are mounted coaxially with sector openings and are mounted on the drive mechanism shaft connected to the input of the amplifier by a flexible conductor equipped with a cylindrical magnetized diameter and installed in dielectric supports in the housing in the gap between two permanent magnets facing each other by poles of opposite polarity , and two excitation windings located orthogonally to the magnets and connected to the excitation pulse generator, is additionally equipped with an electret calibrator made in the form of a layer of electret material deposited and polarized on the metal surface of the shielding cover, and there is no contact between the polarized surface of the electret material and the screen electrode of the sensor and the sensor housing is made of ferromagnetic material, on the surface of which permanent magnets and a winding are fixed excitation ki, whose magnetic fluxes do not saturate the sensor body material.

Использование электретного калибратора позволяет осуществить калибровку прибора в производственных условиях без усложнения конструкции датчика и дополнительных затрат электроэнергии. Using an electret calibrator allows you to calibrate the device in a production environment without complicating the design of the sensor and the additional cost of electricity.

Использование корпуса из ферромагнитного материала с закрепленными на нем постоянными магнитами и обмотками возбуждения, магнитные потоки которых не насыщают материал корпуса датчика, позволяет замкнуть магнитные потоки и экранировать колебательную систему от воздействия внешних магнитных полей, что дает возможность поддерживать стабильную амплитуду колебаний измерительного электрода и, следовательно, неизменную чувствительность датчика. The use of a case made of ferromagnetic material with permanent magnets and field windings fixed on it, the magnetic fluxes of which do not saturate the sensor housing material, allows magnetic fluxes to be closed and the oscillating system to be shielded from external magnetic fields, which makes it possible to maintain a stable oscillation amplitude of the measuring electrode and, therefore , constant sensitivity of the sensor.

Кроме того, использование корпуса из ферромагнитного материала позволяет снизить потоки рассеяния, улучшить эффективность использования материала магнитов и электрической энергии питающей обмотки возбуждения, что дает возможность миниатюризировать датчик и снизить энергопотребление. In addition, the use of a housing made of ferromagnetic material can reduce the scattering fluxes, improve the efficiency of the use of the magnet material and the electric energy of the supply field coil, which makes it possible to miniaturize the sensor and reduce power consumption.

На фиг. 1 представлен датчик электростатического поля, общий вид. Датчик заключен в цилиндрический корпус 1 из ферромагнитного материала и содержит экранный электрод 2, измерительный электрод 3, закрепленный на валу 4 приводного механизма, соединенном с входом усилителя 5 гибким проводником 6 и установленным в диэлектрических опорах 12 в корпусе 1. Приводной механизм содержит укрепленный на валу 4 цилиндрический магнит 7 из магнитожесткого материала, установленный в зазоре между полюсами неподвижных постоянных магнитов 9 и обмоток 10 возбуждения, подключенных к генератору 11 импульсов возбуждения. Постоянные магниты 9 и обмотки 10 возбуждения закреплены на корпусе 1 датчика ортогонально друг другу. In FIG. 1 shows an electrostatic field sensor, general view. The sensor is enclosed in a cylindrical housing 1 made of ferromagnetic material and contains a screen electrode 2, a measuring electrode 3, mounted on the shaft 4 of the drive mechanism, connected to the input of the amplifier 5 by a flexible conductor 6 and installed in dielectric supports 12 in the housing 1. The drive mechanism contains a shaft mounted 4, a cylindrical magnet 7 of magnetically rigid material mounted in the gap between the poles of the fixed permanent magnets 9 and the field windings 10 connected to the field pulse generator 11. Permanent magnets 9 and field windings 10 are mounted on the sensor housing 1 orthogonally to each other.

На фиг. 2 представлена экранирующая крышка, имеющая два окна для помещения в них торца датчика электростатического поля. Окно 1 используется в случае, когда необходимо заэкранировать датчик от внешнего электростатического поля Е для установки нулевого значения напряженности электростатического поля, а окно 2 используется при проведении оперативной калибровки, когда на датчик действует поле, создаваемое электретным материалом 3, нанесенным на металлическую поверхность крышки 4. In FIG. 2 shows a shielding cover having two windows for placing an end of the electrostatic field sensor therein. Window 1 is used when it is necessary to shield the sensor from an external electrostatic field E to set the electrostatic field strength to zero, and window 2 is used during on-line calibration when the sensor is affected by a field created by electret material 3 deposited on the metal surface of cover 4.

Датчик электростатического поля работает следующим образом. The electrostatic field sensor operates as follows.

При включении датчика приводной механизм заставляет колебаться измерительный электрод 3 (фиг. 1) с заданной амплитудой на частоте собственных колебаний, периодически перекрывая отверстия в экранном электроде 2. При этом на вход усилителя 5 поступает переменное напряжение, пропорциональное величине напряженности Е измеряемого электростатического поля. When the sensor is turned on, the drive mechanism causes the measuring electrode 3 to oscillate (Fig. 1) with a given amplitude at the frequency of natural oscillations, periodically blocking the holes in the shield electrode 2. At the same time, an alternating voltage is supplied to the input of amplifier 5, which is proportional to the value of the voltage E of the measured electrostatic field.

Перед проведением измерений датчик калибруется при нормальных атмосферных условиях. Сначала торец датчика помещается в окно 1 (фиг. 2) экранирующей крышки, и устанавливается нулевое показание датчика. При этом напряженность поля, действующего на датчик, равна нулю. Затем торец датчика помещается в окно 2 экранирующей крышки и устанавливается показание датчика, соответствующее напряженности электростатического поля Е_о, создаваемого электретным материалом 3.Before taking measurements, the sensor is calibrated under normal atmospheric conditions. First, the end face of the sensor is placed in window 1 (Fig. 2) of the shielding cover, and the sensor zero value is set. In this case, the field strength acting on the sensor is zero. Then the end face of the sensor is placed in the window 2 of the shielding cover and set the sensor reading corresponding to the electrostatic field strength E _about created by the electret material 3.

При проведении измерений в условиях, отличающихся от нормальных, необходимо повторить операцию калибровки и компенсировать возможное изменение ΔЕ_о напряженности электростатического поля калибратора, установив величину выходного электрического сигнала, соответствующую значению Е_о. Таким образом осуществляется коррекция электрического сигнала с выхода датчика электростатического поля на значение, соответствующее изменению внешнего электростатического поля ΔЕ, вызванному изменением влажности и газового состава среды, что позволяет повысить точность измерения.When carrying out measurements under conditions different from normal, it is necessary to repeat the calibration operation and compensate for the possible change ΔЕ _about the electrostatic field strength of the calibrator, setting the value of the output electric signal corresponding to the value Е _о . Thus, the correction of the electric signal from the output of the electrostatic field sensor is carried out by a value corresponding to a change in the external electrostatic field ΔE caused by a change in humidity and gas composition of the medium, which allows to increase the measurement accuracy.

Приводной механизм датчика работает следующим образом. The drive mechanism of the sensor operates as follows.

Под действием электромагнитного импульса, создаваемого обмотками 10 возбуждения (фиг. 1), подключенными к генератору 11 импульсного возбуждения цилиндрический магнит 7 и измерительный электрод 3, закрепленные на валу 4, отклоняются от положения равновесия. Сила магнитного взаимодействия между цилиндрическим магнитом 7 и постоянными неподвижными магнитами 9 создает противодействующий момент, который вращает цилиндрический магнит 7 и измерительный электрод 3 в исходное положение. Under the influence of an electromagnetic pulse generated by the field windings 10 (Fig. 1) connected to the pulse excitation generator 11, the cylindrical magnet 7 and the measuring electrode 3, mounted on the shaft 4, deviate from the equilibrium position. The force of magnetic interaction between the cylindrical magnet 7 and the permanent fixed magnets 9 creates a counteracting moment, which rotates the cylindrical magnet 7 and the measuring electrode 3 to its original position.

Следующий импульс электромагнитного поля снова отклоняет измерительный электрод 3, а противодействующий момент, обусловленный силами магнитного взаимодействия, возвращает его в исходное положение. Колебания измерительного электрода 3 происходят на резонансной частоте приводного механизма. Амплитуда колебаний регулируется с помощью изменения амплитуды импульсов возбуждения генератора 11. The next pulse of the electromagnetic field again rejects the measuring electrode 3, and the opposing moment, due to the forces of magnetic interaction, returns it to its original position. Oscillations of the measuring electrode 3 occur at the resonant frequency of the drive mechanism. The amplitude of the oscillations is regulated by changing the amplitude of the excitation pulses of the generator 11.

Известно, что точность измерения датчика электростатического поля находится в прямой зависимости от стабильности амплитуды и частоты колебаний измерительного электрода 3, которые происходят благодаря взаимодействию цилиндрического магнита 7, закрепленного на валу, с постоянными неподвижными магнитами 9 и обмотками 10 возбуждения. It is known that the measurement accuracy of the electrostatic field sensor is directly dependent on the stability of the amplitude and frequency of oscillations of the measuring electrode 3, which occur due to the interaction of the cylindrical magnet 7, mounted on the shaft, with permanent fixed magnets 9 and excitation windings 10.

Таким образом наличие корпуса 1 из ферромагнитного материала с закрепленными на нем постоянными магнитами 9 и обмотками 10 возбуждения, магнитные потоки которых не насыщают материал корпуса 1, позволяет защитить колебательную систему от внешних магнитных полей и сохранить стабильными амплитуду и частоту собственных колебаний измерительного электрода, а значит, повысить точность измерения. Thus, the presence of a housing 1 made of ferromagnetic material with permanent magnets 9 and excitation windings fixed on it, the magnetic fluxes of which do not saturate the material of the housing 1, makes it possible to protect the oscillatory system from external magnetic fields and keep the amplitude and frequency of natural vibrations of the measuring electrode stable, and therefore , improve measurement accuracy.

Claims

ELECTROSTATIC FIELD SENSOR, comprising a shielding cover, a grounded housing, in which a stationary screen electrode and an oscillating measuring electrode, coaxially arranged with sector openings, are mounted on the drive mechanism shaft connected to the amplifier input by a flexible conductor equipped with a cylindrical magnet magnetized in diameter and installed in dielectric supports in the housing in the gap between two permanent magnets facing each other by poles of opposite polarity and two excitation chambers located orthogonally to the magnets and connected to the excitation pulse generator, characterized in that, in order to increase the measurement accuracy, the sensor is additionally equipped with a calibrator made in the form of a layer of electret material deposited and polarized on the metal surface of the shielding cap, and the contact between polarized the surface of the electret material and the screen electrode of the sensor are absent, and the sensor housing is made of ferromagnetic material, on the surface of which Permanent magnets and field windings are fixed, the magnetic fluxes of which do not saturate the sensor body material.