SU1809397A1

SU1809397A1 - Electrostatic field strength meter

Info

Publication number: SU1809397A1
Application number: SU914951755A
Authority: SU
Inventors: Evgenij S Shemchuk; Vladimir M Yurkevich; Aleksandr S Viskov; Igor P Klimashevskij; Mikhail V Prokofev
Original assignee: Mo Aviatsionnyj I Im S Ordzhon
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1993-04-15

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для непрерывного измерения напряженности электростатического поля; может быть использовано во всех отраслях промышленности, где имеет место электризация среды, например при пересыпании порошков, гравия, транспортировке нефти и других диэлектрических жидкостей по трубопроводу, а также для измерений в разреженных плазменных средах.The invention relates to electrical equipment and is intended for continuous measurement of the strength of the electrostatic field; can be used in all branches of industry where the medium is electrified, for example, when pouring powders, gravel, transporting oil and other dielectric fluids through a pipeline, as well as for measurements in rarefied plasma media.

Целью изобретения является повышение чувствительности и расширение функциональных возможностей измерителя.The aim of the invention is to increase the sensitivity and expand the functionality of the meter.

Измеритель напряженности электростатического поля (см. чертеж) содержит емкостный датчик, выполненный в виде плоского конденсатора постоянной емкости других диэлектрических жидкостей по трубопроводу, а также для измерений в разреженных плазменных средах. Сущность изобретения: измеритель содержит емкостный датчик, выполненный в виде конденсатора постоянной емкости в диэлектрическом корпусе, соединенный через RC-цепочку с электрометрическим усилителем и вольтметром, которые помещены в экранированный корпус. Под воздействием измеряемого электростатического поля на электродах датчика индуцируется наведенный заряд. Внешняя оболочка пропускает поле к конденсатору, но при снятии воздействия не имеет остаточной поляризации. Для обеспечения требуемых свойств материал выполнен из керамики на основе системы алюминий-кальций-бор. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.The meter of the strength of the electrostatic field (see drawing) contains a capacitive sensor made in the form of a flat capacitor of constant capacity of other dielectric fluids through a pipeline, as well as for measurements in rarefied plasma media. The essence of the invention: the meter contains a capacitive sensor made in the form of a capacitor of constant capacitance in a dielectric case, connected via an RC-chain with an electrometric amplifier and a voltmeter, which are placed in a shielded case. Under the influence of the measured electrostatic field, an induced charge is induced on the sensor electrodes. The outer shell transmits the field to the capacitor, but does not have residual polarization when the effect is removed. To ensure the required properties, the material is made of ceramics based on the aluminum-calcium-boron system. 1 C.p. f-crystals, 1 ill.

в диэлектрическом корпусе 2, соединенный через RC-цепочку 3 с электрометрическим усилителем 4 и вольтметром 5, которые помещены в экранированный корпус 6.in a dielectric case 2, connected through an RC-chain 3 with an electrometric amplifier 4 and a voltmeter 5, which are placed in a shielded case 6.

Под воздействием измеряемого электростатического поля на электродах датчика индуцируется наведенный электростатический заряд. Внешняя оболочка датчика, выполненная из диэлектрического материала с низкой остаточной поляризацией и диэлектрической проницаемостью^ позволяет электростатическому полю проникать к конденсатору, обеспечивая его заряд, пропорциональный тангенциальной составляющей напряженности поля. В цепи, состоящей из емкостного датчика, резистора и конденсатора RC-цепочки, формируется сигнал, который усиливается электрометрическимUnder the influence of the measured electrostatic field, an induced electrostatic charge is induced on the sensor electrodes. The outer shell of the sensor, made of a dielectric material with low residual polarization and dielectric constant ^, allows the electrostatic field to penetrate to the capacitor, providing its charge proportional to the tangential component of the field strength. In a circuit consisting of a capacitive sensor, a resistor and a capacitor of an RC-chain, a signal is generated that is amplified by an electrometric

SU.„, 1809397 А1 усилителем и регистрируется вольтметром. Измеритель обеспечивает линейную зависимость регистрируемого сигнала от напряженности внешнего поля, которая практически ограничена параметрами электрометрического усилителя и вольтметра.SU. „, 1809397 A1 with an amplifier and registered with a voltmeter. The meter provides a linear dependence of the recorded signal on the external field strength, which is practically limited by the parameters of the electrometric amplifier and voltmeter.

Предложенная схема измерений ранее имела ограниченное применение или не могла быть применена из-за медленной релаксации зарядов емкостного датчика в том случае, если входное сопротивление усилителя высокое, или вследствие низкой чувствительности,. если сопротивление на входе усилителя низкое. Чтобы обеспечить возможность измерений, полевых воздействий сравнительно невысоких напряженностей (В-см'¹) использовали различные способы модуляции первичного сигнала.The proposed measurement scheme previously had limited application or could not be applied due to the slow relaxation of the charges of the capacitive sensor in the event that the input impedance of the amplifier is high, or due to low sensitivity. if the impedance at the amplifier input is low. To ensure the possibility of measurements of field effects of relatively low strengths (V-cm ' ¹ ), various methods of modulating the primary signal were used.

Сопоставление предложенного измерителя и устройства для измерения напряженности электрического поля, принятого за прототип, показывает, что в последнем использована схема емкостной модуляции с регистрацией падения напряжения на резисторе или конденсаторе цепи емкостного’ модулятора. Использованная схема модуляции первичного информационного сигнала, снимаемого с датчика, с помощью нелинейной (сегнетоэлектрической) емкости, требует высокой напряженности регистрируемого поля, так как сопротивление цепи, в которую входят датчик и емкостный модулятор,оказывается низким. Это приводите одной стороны, к искажению поля, а в случае контакта твердых тел с датчиком - к разряду через датчик внешних действующих электростатических зарядов. Таким образом, при измерениях в твердых и жидких диэлектрических средах с невысокими напряженностями поля явления стекания зарядов и искажения поля приводят к практической неработоспособности прибора.Comparison of the proposed meter and the device for measuring the electric field strength, taken as a prototype, shows that the latter uses a capacitive modulation circuit with recording the voltage drop across the resistor or capacitor of the capacitive modulator circuit. The used modulation scheme of the primary information signal taken from the sensor using a nonlinear (ferroelectric) capacitance requires a high intensity of the recorded field, since the resistance of the circuit, which includes the sensor and the capacitive modulator, is low. This leads to one side of the field distortion, and in the case of contact of solids with the sensor - to the discharge through the sensor of external acting electrostatic charges. Thus, when measuring in solid and liquid dielectric media with low field strengths, the phenomena of charge drainage and field distortions lead to the practical inoperability of the device.

В предложенном измерителе стекание заряда с обкладок датчика определяется параметрами RC-цепочки и свойствами диэлектрической среды датчика (конденсатора и корпуса), которые обеспечивают сопро тивление по току на 5-6 порядков выше, чем в известной схеме. С другой стороны, применение специального материала на основе оксидов алюминия, бора и кальция с низкими диэлектрической проницаемостью и остаточной поляризацией для изготовления конденсатора и диэлектрического корпуса датчика, обеспечивает практическое отсутствие релаксационных явлений. При сопротивлении входного RC-фильтра 10⁹ Ом, сопротивлении датчика 10¹² Ом и номинальной емкости конденсатора датчика 15-20 pF, стекание заряда происходит за 0,2 с и менее.In the proposed meter, the drainage of the charge from the sensor plates is determined by the parameters of the RC chain and the properties of the dielectric medium of the sensor (capacitor and case), which provide the current resistance by 5-6 orders of magnitude higher than in the known circuit. On the other hand, the use of a special material based on oxides of aluminum, boron and calcium with low dielectric constant and residual polarization for the manufacture of the capacitor and the dielectric body of the sensor ensures that there are practically no relaxation phenomena. When the resistance of the input RC filter is 10 ⁹ Ohm, the resistance of the sensor is 10 ¹² Ohm and the nominal capacitance of the sensor capacitor is 15-20 pF, the charge drains off in 0.2 s or less.

Сравнительные испытания собранного по приведенной выше схеме измерителя и устройства по авт.св.СССР № 930162 показали, что в области низких значений напряженности внешнего электростатического поля 1-2 В/см последнее не работает, в области 2-10 В/см - дает заниженные значения. В то же время, предложенный измеритель обеспечивает линейную зависимость значений напряженности поля выходного сигнала от напряженности поля..Comparative tests of the meter and device assembled according to the above scheme according to the author of the USSR No. 930162 showed that in the region of low values of the external electrostatic field strength of 1-2 V / cm, the latter does not work, in the range of 2-10 V / cm it gives underestimated values. At the same time, the proposed meter provides a linear dependence of the output signal field strength on the field strength.

Claims

Claim

1. An electrostatic field strength meter containing a capacitive sensor made in the form of a constant capacitor connected to a recorder. located in a shielded housing, characterized in that, in order to increase sensitivity and expand functionality, the capacitive sensor is placed in a dielectric housing made of a material with a low dielectric constant and residual polarization, tightly adjacent to the sensor electrodes, and the recorder is made in the form of a high-resistance voltmeter with an integrating RC circuit and an amplifier at the input.

2. The meter according to claim 1, distinguished by the fact that the body and the flat capacitor of the capacitive sensor are made of ceramics based on aluminum, boron and calcium oxides.

ί. ...