RU41521U1

RU41521U1 - DEVICE FOR REGISTRATION OF STATIC OR QUASISTATIC ELECTRIC FIELD

Info

Publication number: RU41521U1
Application number: RU2004118033/22U
Authority: RU
Inventors: Валерий Иванович Балабай; Юрий Владимирович Иванько; Анатолий Павлович Сечкин
Original assignee: Юрий Владимирович Иванько
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2004-10-27

Abstract

Устройство для измерения напряженности статического или квазистатического электрического поля, содержащее датчик электрического поля, выполненный в виде плоского конденсатора, через коммутатор подключенный к входам усилителя постоянного тока, регистратор, блок управления, разрядное сопротивление, пиковый детектор, сумматор и запоминающий блок, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок синхронизации, причем его вход подключен к выходу коммутатора, а выход - к входу блока управления.A device for measuring the strength of a static or quasistatic electric field, containing an electric field sensor made in the form of a flat capacitor through a switch connected to the inputs of a DC amplifier, a recorder, a control unit, a discharge resistance, a peak detector, an adder and a storage unit, characterized in that it additionally contains a synchronization unit, and its input is connected to the output of the switch, and the output to the input of the control unit.

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регистрации и измерения медленно изменяющихся электрических полей и может быть использовано в промышленности, связи, медицине, геологоразведке..The invention relates to electrical engineering and can be used to record and measure slowly changing electric fields and can be used in industry, communications, medicine, exploration ..

Регистрация и измерение медленно меняющихся электрических полей представляет собой проблему, решение которой является сложной задачей в условиях промышленных помех. Назначение: промышленность, связь, медицина, геологоразведка.Registration and measurement of slowly changing electric fields is a problem, the solution of which is a difficult task in the conditions of industrial interference. Purpose: industry, communications, medicine, exploration.

Известно, что низкочастотные сигналы с малой амплитудой колебания не могут быть непосредственно зарегистрированы. Дело не только в том, что эти сигналы недостаточно велики по амплитуде, гораздо существеннее их низкочастотность. Чтобы осуществить эффективную передачу низкочастотных сигналов в какой-либо среде, с одной стороны, необходимо их надежно идентифицировать, а с другой стороны, необходимо перенести спектр этих сигналов из низкочастотной области в область достаточно высоких частот.It is known that low-frequency signals with a small amplitude of oscillation cannot be directly detected. The point is not only that these signals are not large enough in amplitude, their low frequency is much more significant. In order to efficiently transmit low-frequency signals in any medium, on the one hand, it is necessary to reliably identify them, and on the other hand, it is necessary to transfer the spectrum of these signals from the low-frequency region to the region of sufficiently high frequencies.

Известен, например, способ измерения напряженности электрического поля, который используют в технической физике, измерительной технике, приборостроении, а также при исследовании электрического поля земли путем модуляции его величины при помощи электрически управляемого механического модулятора, помещенного в исследуемое электрическое поле, и регистрации модулированного сигнала, по величине которого определяют напряженность электрического поля [см. описание к авт. св. СССР Known, for example, is a method of measuring electric field strength, which is used in technical physics, measurement technology, instrumentation, as well as in the study of the electric field of the earth by modulating its value using an electrically controlled mechanical modulator placed in the studied electric field, and registering a modulated signal, the magnitude of which determines the electric field strength [see description of author St. USSR

№873162, М. кл. G 01 R 29/12, опубл. 15.10.81], в котором частоту управляющего напряжения механического модулятора устанавливают равной частоте нечетной субгармоники его собственного механического резонанса, а амплитуду выбирают из условия обеспечения режима незатухающих колебаний механического модулятора.No. 873162, M. cl. G 01 R 29/12, publ. 15.10.81], in which the frequency of the control voltage of the mechanical modulator is set equal to the frequency of the odd subharmonic of its own mechanical resonance, and the amplitude is selected from the conditions for ensuring the regime of undamped oscillations of the mechanical modulator.

Использование предлагаемого способа измерения напряженности электрического поля по сравнению с существующими позволяет повысить чувствительность измерений до 0,1 в/м и выше, а также улучшить соотношение сигнал/помеха.Using the proposed method for measuring the electric field strength in comparison with existing allows you to increase the sensitivity of the measurements to 0.1 V / m and above, as well as improve the signal-to-noise ratio.

Однако чувствительности устройства недостаточно для идентификации медленных изменений электрического поля в условиях промышленных помех (в частности наводок от промышленной сети ~50 Гц).However, the sensitivity of the device is not enough to identify slow changes in the electric field under industrial noise (in particular, interference from an industrial network ~ 50 Hz).

Известно также устройство для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля, содержащее датчик электрического поля, выполненный в виде плоского конденсатора, через коммутатор подключенный к входам усилителя постоянного тока, регистратор и блок управления [см. описание к патенту РФ №2071070, М. кл. G 01 R 29/12, опубл. 27.12.96], в котором дополнительно введено разрядное сопротивление, пиковый детектор, сумматор и запоминающий блок, причем разрядное сопротивление включено параллельно входу усилителя постоянного тока, выход которого через пиковый детектор соединен с первым входом сумматора, выход которого через запоминающий блок соединен с регистратором и вторым входом сумматора, при этом выход блока управления соединен с управляющим входом коммутатора, второй выход - с входом «сброс» пикового детектора, а третий выход - с управляющим входом запоминающего блока.It is also known a device for measuring the strength of static and quasistatic electric fields, containing an electric field sensor made in the form of a flat capacitor through a switch connected to the inputs of a DC amplifier, a recorder and a control unit [see Description to the patent of the Russian Federation No. 2071070, M. cl. G 01 R 29/12, publ. 12/27/96], in which a bit resistance, a peak detector, an adder and a storage unit are additionally introduced, the bit resistance being connected in parallel with the input of a DC amplifier, the output of which is connected through a peak detector to the first input of the adder, the output of which is connected to a recorder through a storage unit and the second input of the adder, while the output of the control unit is connected to the control input of the switch, the second output is with the input "reset" of the peak detector, and the third output is with the control input of the storage unit.

В описанном выше устройстве благодаря разряду датчика через сопротивление при длительных непрерывных измерениях точность измерения напряженности электростатического поля, по сравнению с прототипом, повышена за счет исключения влияния саморазряда датчика через сопротивление изоляции между его пластинами.In the device described above, due to the discharge of the sensor through the resistance during long-term continuous measurements, the accuracy of measuring the electrostatic field strength, compared with the prototype, is increased by eliminating the influence of the sensor’s self-discharge through the insulation resistance between its plates.

Однако, описанное выше техническое решение хотя и позволяет измерить напряженность электрического поля с высокой точностью, но не обладает достаточной помехозащищенностью от промышленных помех, что не обеспечивает в полной мере реализации высокоточных измерений напряженности электрического поля при воздействии индустриальных помех.However, although the technical solution described above, although it is possible to measure the electric field strength with high accuracy, it does not have sufficient noise immunity from industrial interference, which does not fully ensure the implementation of high-precision measurements of electric field strength when exposed to industrial interference.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является устройство для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля, содержащее датчик электрического поля, выполненный в виде плоского конденсатора, через коммутатор подключенный к входам усилителя постоянного тока, регистратор, блок управления, разрядное сопротивление, пиковый детектор, сумматор и запоминающий блок [см. описание к патенту РФ J6 2071070, М. кл. G 01 R 29/12, опубл. 27.12.96].The closest to the claimed technical solution for the purpose, technical nature and the achieved result when using is a device for measuring the intensity of static and quasistatic electric fields, containing an electric field sensor made in the form of a flat capacitor through a switch connected to the inputs of a DC amplifier, a recorder, a unit control, discharge resistance, peak detector, adder and storage unit [see Description to the patent of the Russian Federation J6 2071070, M. cl. G 01 R 29/12, publ. 12/27/96].

В описанном выше устройстве благодаря разряду датчика через сопротивление при длительных непрерывных измерениях точность регистрации и измерения напряженности электростатического поля повышена за счет исключения влияния саморазряда датчика через сопротивление изоляции между его пластинами, однако оно не шиноляст измерять напряженность электрического поля с высокой точностью из-за Н1ИЯНИЯ внешних индустриальных помех, например, создаваемых промышленными и электропередачи 50/60 Гц.In the device described above, due to the discharge of the sensor through the resistance during long-term continuous measurements, the accuracy of recording and measuring the electrostatic field strength is increased by eliminating the influence of the sensor’s self-discharge through the insulation resistance between its plates, however, it doesn’t have the ability to measure the electric field strength with high accuracy due to external industrial interference, for example, generated by industrial and power transmission 50/60 Hz.

Недостатком известного устройства является невозможность точной регистрации и измерения напряженности электростатического поля из-за влияния внешних индустриальных помех.A disadvantage of the known device is the inability to accurately register and measure the strength of the electrostatic field due to the influence of external industrial interference.

Поэтому целью предлагаемого технического решения является повышение помехозащищенности регистрации и измерения напряженности электростатического поля.Therefore, the purpose of the proposed technical solution is to increase the noise immunity of registration and measurement of electrostatic field strength.

Поставленная цель достигается я тем, что в известное устройство для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля, содержащее датчик электрического поля, выполненный в виде плоского конденсатора, через коммутатор подключенный к входам усилителя постоянного тока, регистратор, блок управления, разрядное сопротивление, пиковый детектор, сумматор и запоминающий блок, согласно изобретению, дополнительно введен блок синхронизации, вход которого подключен к выходу коммутатора, а выход - к входу блока управления.This goal is achieved by the fact that in a known device for measuring the strength of static and quasistatic electric fields, containing an electric field sensor made in the form of a flat capacitor through a switch connected to the inputs of a DC amplifier, a recorder, a control unit, a discharge resistance, a peak detector, the adder and the storage unit, according to the invention, an additional synchronization unit is introduced, the input of which is connected to the output of the switch, and the output to the input of the unit is controlled i.

Как видно из описания сущности заявляемого технического решения, оно отличается от прототипа, и следовательно является новым.As can be seen from the description of the essence of the claimed technical solution, it differs from the prototype, and therefore is new.

Решение также обладает изобретательским уровнем. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для измерения статического и квазистатического электрического поля, в котором, вследствие введения в устройство блока синхронизации, вход которого подключен к выходу коммутатора, а выход - к входу блока управления, обеспечивается измерение электрического потенциала в моменты времени, когда вклад потенциала, создаваемого промышленной помехой равен нулю и достигается синхронизация до фазы частоты коммутации с частотой индустриальной помехи, и за счет этого повышается точность регистрации и измерения напряженности ростатического поля и повышается помехозащищенность регистрации и измерения. H1 описания уровня техники видно, что регистрация и измерение электростатических с высокой точностью сопряжена с большими трудностями, связанными присутствием в момент измерений и регистрации трудно учитываемого и постоянно меняющегося во времени уровня индустриальных помех. Решение проблемы устранения влияния индустриальных помех требует новых инженерных и конструктивных решений одним из которых и является данное изобретение.The solution also has an inventive step. The basis of the invention is the task of improving the device for measuring static and quasistatic electric fields, in which, due to the introduction of a synchronization unit into the device, the input of which is connected to the output of the switch, and the output to the input of the control unit, the electric potential is measured at times when the contribution potential created by industrial interference is equal to zero and synchronization is achieved up to the phase of the switching frequency with the frequency of industrial interference, and thereby increases I accuracy of registration and measurement of the strength of the rostatic field and increases the noise immunity of registration and measurement. H1 of the description of the prior art it can be seen that the registration and measurement of electrostatic with high accuracy is fraught with great difficulties associated with the presence at the time of measurement and registration is difficult to take into account and constantly changing over time, the level of industrial interference. Solving the problem of eliminating the influence of industrial interference requires new engineering and constructive solutions, one of which is this invention.

Предлагаемое решение принципиально отличается тем, что включение в схему системы синхронизации до фазы частоты коммутации и частоты индустриальной помехи The proposed solution is fundamentally different in that the inclusion in the circuit of the synchronization system up to the phase of the switching frequency and the industrial noise frequency

позволяет исключить воздействие помехи на результаты измерений и регистрации медленно меняющихся электростатических полей.eliminates the effect of interference on the results of measurements and registration of slowly changing electrostatic fields.

Решение промышленно применимо, так как технические решения предлагаемого изобретения были проверены на конструктивном действующем макете и подтвердили повышение помехозащищенности от индустриальных помех в процессе измерения и регистрации медленно меняющихся электростатических полей.The solution is industrially applicable, since the technical solutions of the present invention were tested on a constructive operational layout and confirmed the increase in noise immunity from industrial interference in the process of measuring and recording slowly changing electrostatic fields.

Фиг.1 Блок-схема устройства.Figure 1 Block diagram of the device.

Фиг.2 График изменения индустриальной помехи.Figure 2 Graph of changes in industrial interference.

Фиг.3 График изменения квазистатического поля.Figure 3 Graph of changes in the quasistatic field.

Фиг.4 Временные диаграммы срабатывания электронного коммутатора синхронного и синфазного с частотой и фазой индустриальной помехи.Figure 4 Timing diagrams of the operation of the electronic switch synchronous and in-phase with the frequency and phase of industrial interference.

Фиг.5 Временные диаграммы приращения выходного напряжения на выходе пикового детектора.Figure 5 Timing diagrams of the increment of the output voltage at the output of the peak detector.

Фиг.6 Результирующая последовательного суммирования приращений напряжений с учетом знака (на выходе регистрирующего блока).6 The resulting sequential summation of the voltage increments taking into account the sign (at the output of the recording unit).

Устройство (см. фиг.1) содержит выполненный в виде плоского конденсатора датчик 1 электрического поля, через коммутатор 2 подключенный к разрядному сопротивлению 3. Разрядное сопротивление 3, в свою очередь, подключено к выходу усилителя 4, выход которого через пиковый детектор 5 подключен к первому входу сумматора 6, выход которого через запоминающий блок 7 соединен с входом регистратора Вис вторым входом сумматора 6. Блок 9 управления соединен первым выходом с управляющим входом коммутатора 2, вторым выходом с входом сброса пикового детектора 5, третьим выходом с управляющим входом запоминающего блока 7.Вход блока 9 управления соединен с выходом блока 10 синхронизации. Вход блока 10 синхронизации соединен с выходом коммутатора 2. Устройство работает следующим образом.The device (see Fig. 1) contains an electric field sensor 1 in the form of a flat capacitor connected to a discharge resistance 3 through a switch 2. The discharge resistance 3, in turn, is connected to the output of an amplifier 4, the output of which through a peak detector 5 is connected to the first input of the adder 6, the output of which through the storage unit 7 is connected to the input of the recorder Vis by the second input of the adder 6. The control unit 9 is connected by the first output to the control input of the switch 2, the second output to the reset input of the peak detector 5, the third output with a control input of the storage unit 7. The input of the control unit 9 is connected to the output of the synchronization unit 10. The input of synchronization unit 10 is connected to the output of switch 2. The device operates as follows.

При разомкнутом коммутаторе 2 разность потенциалов А(р между пластинами датчика 1 соответствует суммарной напряженности измеряемого электрического поля Е и индустриальной помехи Ь, в котором находится датчик:When switch 2 is open, the potential difference A (p between the plates of the sensor 1 corresponds to the total intensity of the measured electric field E and the industrial noise b, in which the sensor is located:

где d -расстояние между пластинами датчика.where d is the distance between the sensor plates.

Пусть, например, в момент времени (фиг.4) по команде блока 9 происходит кратковременное замыкание коммутатора 2, в результате чего происходит разряд конденсатора через сопротивление 3 с формированием на последнем экспоненциального разрядного импульса напряжения. Усиленный усилителем 4 разрядный импульс поступает на вход пикового детектора 5, где его амплитуда преобразуется в постоянное напряжение поступающее на первый вход сумматора о. В первом цикле устройства напряжение на втором входе сумматора равно нулю, следовательно, на выходе сумматора также равно По команде блока 9 происходит запоминание этого напряжения в блоке 7. Регистратор 8 при этом регистрирует значение напряженности поля 4 (фиг.3). Блок 9 управления вырабатывает управляющие импульсы с тактовой частотой, согласованной с частотой индустриальной помехи.Suppose, for example, at the time point (Fig. 4), at the command of block 9, short-circuiting of the switch 2 occurs, as a result of which the capacitor discharges through the resistance 3 with the formation of the last exponential discharge voltage pulse. The 4-bit pulse amplified by the amplifier is fed to the input of the peak detector 5, where its amplitude is converted to a constant voltage supplied to the first input of the adder о. In the first cycle of the device, the voltage at the second input of the adder is equal to zero, therefore, the output of the adder is also equal to. By the command of block 9, this voltage is stored in block 7. In this case, the recorder 8 registers the value of the field strength 4 (Fig. 3). The control unit 9 generates control pulses with a clock frequency consistent with the frequency of industrial interference.

Перед следующим срабатыванием коммутатора 2 по команде блока 9 происходит сброс напряжения на пиковом детекторе 5. В момент времени t5 происходит следующее кратковременное замыкание коммутатора 2. Разность потенциалов между пластинами датчика к этому моменту достигает значенияBefore the next actuation of the switch 2, at the command of block 9, the voltage drops at the peak detector 5. At time t5, the next short-circuiting of the switch 2 occurs. The potential difference between the sensor plates reaches this value

где AEs - приращение напряженности измеряемого электрического поля за интервал времени (4-1:, Abs - приращение напряженности электрического поля, создаваемой индустриальной помехой, за тот же интервал времени При выполнении условия синхронизации до фазы тактовой частоты с частотой промышленной помехи, where AEs is the increment of the measured electric field intensity for the time interval (4-1 :, Abs is the increment of the electric field generated by the industrial noise for the same time interval When the synchronization condition is met to the phase of the clock frequency with the industrial noise frequency,

т.е. условия fr=fb, которое реализовано соединением выхода блока 10 синхронизации с входом блока 9 управления, моменты кратковременного замыкания коммутатора 2 совпадают с моментами нулевого приращения напряженности электрического поля АЬ=0, создаваемого индустриальной помехой Ь. Поэтому разность потенциалов между пластинами датчика к моменту ts достигает значенияthose. conditions fr = fb, which is realized by connecting the output of the synchronization unit 10 to the input of the control unit 9, the moments of short-circuiting of the switch 2 coincide with the moments of a zero increment of the electric field strength AB = 0 created by the industrial interference b. Therefore, the potential difference between the sensor plates reaches ts by the time ts

Так же, как и в предыдущем случае, формируется разрядный импульс напряжения на сопротивлении J, а на выходе пикового детектора 5 формируется новое значение напряжения AUs (фиг.5), пропорциональное разности потенциалов Aωs и соответственно приращению напряженности измеряемого электрического поля АЕ: с нулевым приращением напряженности, создаваемой промышленной помехой AbsO. К этому времени на втором входе сумматора 6 имеется напряжение AU соответствующее измеренному в предыдущем цикле значению напряженности поля £4 и помехи 6=0, поэтому на выходе сумматора напряжение равно сумме AU4+AUs. Эта сумма и запоминается в блоке 7 по очередной команде блока 9, после чего напряжение на пиковом детекторе снова обнуляется. Тем самым пиковый детектор подготавливается к новому циклу работы.As in the previous case, a discharge voltage pulse is generated at the resistance J, and a new voltage value AUs is generated at the output of peak detector 5 (Fig. 5), which is proportional to the potential difference Aωs and, accordingly, the increment of the measured electric field strength AE: with a zero increment tensions caused by industrial interference AbsO. By this time, at the second input of adder 6 there is a voltage AU corresponding to the field strength value £ 4 measured in the previous cycle and interference 6 = 0, therefore, the voltage at the output of the adder is equal to the sum of AU4 + AUs. This amount is stored in block 7 by the next command of block 9, after which the voltage at the peak detector is reset again. Thus, the peak detector is prepared for a new cycle of work.

Регистратор 8 регистрирует новое значение измеряемого напряжения злектрического поля, соответствующее моменту времени ts:The registrar 8 registers a new value of the measured voltage of the electric field corresponding to time ts:

В дальнейшем происходит последовательное алгебраическое сложение приращений измеряемой напряженности поля АЕ и нулевых приращений напряженности поля АЬ=0, создаваемых промышленной помехой, в результате чего в момент времени tn показание регистратора формируется в виде Subsequently, a sequential algebraic addition of increments of the measured field strength AE and zero increments of the field strength AB = 0 caused by industrial noise occurs, as a result of which, at time tn, the recorder readings are formed in the form

При этом величина и знак приращений АЕ зависит только от характера изменения измеряемой напряженности исследуемого поля без вклада воздействия промышленной помехи во времени.In this case, the magnitude and sign of the increments of AE depends only on the nature of the change in the measured intensity of the field under study without the contribution of industrial interference in time.

Благодаря синхронизации до фазы тактовой частоты с частотой промышленной помехи, которое реализовано соединением блока 10 синхронизации с выходом коммутатора 2 и выхода блока 10 синхронизации с входом блока 9 управления, помехозащищенность измерений статических и квазистатических электрических полей по сравнению с прототипом значительно повышается, так как моменты кратковременного замыкания коммутатора 2 совпадают с моментами нулевого приращения напряженности электрического поля, создаваемого индустриальной помехой.Due to synchronization to the phase of the clock frequency with the frequency of industrial interference, which is realized by connecting the synchronization unit 10 with the output of the switch 2 and the output of the synchronization unit 10 with the input of the control unit 9, the noise immunity of measurements of static and quasistatic electric fields is significantly increased compared with the prototype, since the short-term moments the closure of the switch 2 coincide with the moments of zero increment of the electric field created by industrial interference.

Claims

A device for measuring the strength of a static or quasistatic electric field, containing an electric field sensor made in the form of a flat capacitor through a switch connected to the inputs of a DC amplifier, a recorder, a control unit, a discharge resistance, a peak detector, an adder and a storage unit, characterized in that it additionally contains a synchronization unit, and its input is connected to the output of the switch, and the output to the input of the control unit.