Устройство для измерения электростатического заряда

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения электростатических зарядов напряженностей электростатических полей или потенциалов. Цель изобретения - повышение быстродействия-достигается тем, что в устройство для измерения электростатических зарядов, содержащее двигатель 17, усилитель переменного тока 2, преобразователь 1 электростатического поля, амплитудный детектор 5, введены блок опорных напряжений 9, шесть электронных ключей 7,8,11,12,14,15, пороговые блоки 6 максимального уровня и 10 слежения, интегратор 13, усилитель мощности 16, фильтр низкой частоты 18, функциональный преобразователь 19 и аналогоцифровой преобразователь 20. Величину электростатического заряда можно измерять, измеряя величину питающего двигатель 17 напряжения, которое изменяется в зависимости от значения величины заряда. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

СОК)3. СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 С 01 R 29/24

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фис.!

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21} 4233607/24-21 (22) 22.04.87. (46) 07.04.89, Бюл. N - 13 (71) Институт прикладной физики

АН БССР (72) Н.Н,Зацепин, В.Ф.Силюк, И.И.Малько, И.И,Кащенко, А.М.Шмелев и А.С.Лысюк (53) 621.317.85(088.8)

/ (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 652505, кл. G 01 R 29/24, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ЗАРЯДА (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения электростатических зарядов напряжен-, ностей электростатических полей или потенциалов. Цель изобретения - по„„SU„„1471154 А1 вышение быстродействия — достигается тем, что в устройство для измерения электростатических зарядов, содержащее двигатель 17, усилитель 2 переменного тока > преобразователь 1 элек тростатического поля, амплитудный детектор 5, введены блок 9 опорных напряжений, шесть электронных ключей 7,8,11,12,14,15, пороговые блоки 6 максимального уровня и 10 слежения, интегратор 13, усилитель 16 мощности, фильтр 18 низкой частоты, функциональный преобразователь 19 и аналого-цифровой преобразователь 20.

Величину электростатического заряда можно измерять, измеряя величину питающего двигатель 17 напряжения, ко- И торое изменяется в зависимости от значения величины заряда. 1 s.ï.ô-лы.. %Ф J

1471154

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения электростатических зарядов, напряженностей электростатических полей или потенциалов, Цель изобретения — увеличение быстродействия устройства °

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для чзмерения электростатического заряда, на фиг.2— диаграммы, поясняющие его работу, Устройство (фиг.1) содержит последовательно соединенные электростатический преобразователь 1, усилитель 2 переменного тока, формирующий каскад 3, индикатор 4 полярности, второй вход формирующего каскада 3 связан с электростатическим преобразо- 20 вателем 1, а первый через амплитудный детектор 5 с одним из входов порогового блока (ПБ) 6 максимального ..уровня сигнала, второй вход последнего связан с общим выходом первого 7 25 и второго 8 электронных ключей с противоположными каналами проводимости, входы которых подключены к первому и второму выходам связанного с электростатическю преобразователем 1 бло- 36 ка 9 опорных напряжений (БОН), а один из управляюших входов связан с выходом порогового блока 10 слежения, при этом выход ПБ 6 максимального уровня сигнала соединен с объединенными управляющими входами третьего 11 и четвертого 12 электронных ключей с противоположными каналами проводимости, входы которых подключены к третьему и четвертому выходам БОН 9, щ0 а объединенный выход связан с входом интегратора 13, выход которого соединен с пороговым блоком 10 слежения и входом пятого электронного ключа 14, управляющий вход которого соединен с управляющим входом шестого электронного ключа 15 с каналом противоположной проводимости и выходом блока 10 слежения и объединенными управляющими входами электронных ключей 7 и 8, причем вход ключа 15 связан с БОН 9, а выход объединен с выходом пятого электронного ключа 14 и подключен к входу усилителя 16 мощности, выход которого соединен с двигателем 17 и последовательно соединенными фильт1 ром низкой частоты (ФНЧ) 18,функциональным преобразователем 19 и аналогоцифровым преобразователем 20. При этом элек трос та тический преобразователь 1 выполнен в виде стакана 21 из диэлектрического материала, в центре основания которого на подшипнике 22 закреплена ось 23, один (внешний) конец которой механически связан с двигателем 17, а на другой (внутренний находящийся в стакане) изолировано от оси 23 посажен диск 24 из проводящего материала, по краю внутренней поверхности которого перпендикулярно к ней расположены штыри 25„ над которыми помещена катушка индуктивности 26 с разорванным магHHTHbM сердечником (в данном примере сердечник изготовлен в виде тороида)., так, что концы штырей периодически связываются с зазором в сердечнике катушки, один конец которой связан с землей1 а другой является выходом электростатического преобразователя 1; помимо этого, преобразователь 1 также содержит связанные с его двумя другими выходами светодиод 27 и фотодиод 28, расположенные так, что оптическая связь между ними прерывается движущимися штырями 25 тогда, когда движущийся штырь связывается с зазором в сердечнике катушки 26, Устройство работает следующим образом.

При включении питания устройства из БОН 9 на вход блока 10 слежения поступает постоянное напряжение Е, Выходное напряжение интегратора 13 По. (фиг.2, временные диаграммы) поступает на второй вход блока 10 и так как в начальный момент оно равно нулю, то блок 10 слежения устанавливается в состояние, при котором его выходное напряжение U закрывает электронные ключи 8 и 15 и открывает ключи 7 и 14.

При этом через ключ 7 напряжение уровня U (это рабочий уровень сигнала) поступает на один из входов блока 6 максимального уровня сигнала,на другой вход которого поступает напряжение амплитудного детектора 5.

Так как входной счгнал отсутствует (преобразователь изолирован от заряженных тел), то блок 6 устанавливается в состояние, при котором его выходное напряжение U открывает электронный ключ 12 и закрывает ключ 11

Теперь из БОН 9 на вход интегратора 13 поступает отрицательное напряг жение уровня U . .Выходное напряжение интегратора U нарастает по ли14711 54 нейному закону, Это возврастающее напряжение поступает на вход усилителя 16 мощности> выходное напряжение

U которого подается на двигатель.

Двигатель 17 начинается раскручиваться.

Постоянная времени интегратора велика в сравнении с инерционностью двигателя, поэтому его скорость на участках заряда или разряда емкос"ги интегратора в любой момент уровня практически пропорциональна напряжению П,, Состояние раскручивания продолжается до тех пор, пока напряже- 15 ние интегратора U не достигнет урови ня Е, В этот момент сработает блок 10 слежения, ключи 8 и 15 откроются, а ключи 7 и 14 закроются.

Через ключ 15 на вход усилителя 16 20 мощности из БОН 9 поступает напряже>! ние небольшого уровня U, котсрое приводит к медленному, равномерному вращению двигателя 17, вращающему ось 23 электростатического преобразо- 25 вателя со скоростью и. Через ключ 8 из БОН 9 на вход блока 6 при этом поступает напряжение уровня П, cU которое незначительно превышает дрейфующий уровень входного напряжения амплитудного детектора в отсутствие входного сигнала. Таким образом>при этом состояние блока 6 не изменится и на выходе интегратора 13 будет удерживаться высокий уровень> равный уровню U напряжения источника питания интегратора. Это ждущий или следящий режим работы между измерениями, При поднесении преобразователя.к заряженной поверхности блок 6 пере4 ключается в другое состояние, что приводит к закрыванию ключа 12 и открыванию ключа 11, поэтому выходное напряжение интегратора 13 начинает линейно падать, так как полярность

И его входного напряжения U при этом меняется на противопогожную (на входы ключей 11 и 12 из БОН 9 поступают равные по амплитуде но противопо> !

/ ложные по знаку напряжения +U и

> о

-U ). Разряд продолжается до момента времени t, в который П„ становится меньше напряжения Е и блок 10 переходит в противоположное состояние, В этот момент ключи 15 и 8 закрываются> а ключи 14 и 7 открываются. При этом выход интегратора подключается к усилителю 16, а вход блока 6 к рабочему уровню U напряжения, В этом интервале времени выходное напряжение интегратора нарастает, а двигатель раскручивается от установившегося значения скорости и до более высокого значения. Это продолжается до тех пор, пока в момент времени (фиг.2) U„ становится больше уровня Е и блок 10 переходит в противоположное состояние. Снова открываются ключи 15 и 8, двигатель включается под напрядение 1), и его скорость вращения и начинает уменьшаться, Блок 6 в этом интервале времени находится в состоянии, при котором выходное напряжение амплитуд-. ного детектора 5 больше уровня напряжения U„поэтому в открытом состоянии находится ключ ll и выходное напряжение интегратора уменьшается, Интервал времени t - t меньше интервала t, — г и определяется временем переключения блока 10 из одного состояния в другое, В интервале времени t - tz (фиг.2) повторяется процесс, протекающий в интервале t,- t3. Потери скорости и вращения двигателя в интервалах и t<- t, незначительны, так как их продолжительность мала, трение незначительно, а момент ннер4 ции двигателя относительно велик.

Таким образом, в каждом последующем цикле, аналогичном t t > скорость вращения двигателя и увеличивается, В конечном итоге при какомто из последующих циклов скорость и становится больше и, при которой выходное напряжение амплитудного детектора 5 становится больше уровня

U На временное диаграмме это происходит в момент времени t . B этот момент блок 6 переходит в состояние

> при котором открываются ключ 11 > и выходное напряжение интегратора начинает падать. Так как двигатель подключен к выходу интегратора (через усилитель мощно с ти), то его скорос ть вращения и после некоторого увеличения (вследствие инерции) начнет уменьшаться и приближаться к значению nape при котором выходное напряжение амп- литудного детектора 5 равно U, В момент времени t,скорость и двигате ля уменьшится настолько, что блок 6 перейдет в про гпвоположное состояние> откроется ключ 1. и напряжение на выходе интегратора начнет увеличиваться, увеличивая и скорость вращения а, 14711 54

55

В момент времени tg скорость вращения п увеличится настолько, что блок 6 снова перейдет в противоположное сос,тояние, начнется разряд интегратора и

5 уменьшение скорости п, Очевидно, описанный процесс в последующие моменты времени будет повторяться. При поднесении преобразователя к положительно заряженной пбверхности в соответствии с законом электромагнитной индукции на концах штырей 25, обращенных в катушке 26 индуктивность"и, возникает связанный положительный заряд. Если по периметру диска расположено N 15 штырей, то при его вращении с частотой и об/с и при величине q заряда, наведенного на конце штыря, через зазор катушки 26 будет протекать пульсирующий ток, среднее значение которого определяется как

11яп б

Так как в промежутке времени двумя штырями мгновенное значение тока равно нулю, а впоследствии (в момент прохождения штыря через зазор) ток возрастает до максимума, то приближенно можно считать, что колебания тока во времени осуществляется по зако30 ну синуса. Из этого же следует, что амплитудное значение протекающего тока равно I . При величине воздушного. зазора магнитного сердечника 21 макс им аль но е значение напряженно с ти поля на краю сердечника будет равным

Хср мсикс 2 р1

При значении внешнего радиуса, сердеч" ника магнитопровода R минимальное 40 значение напряженности магнитного поля, регистрируется сердечником, определяется как

lñð

Н мин 2,;8

Приближенное среднее значение амплитуды регистрируемой напряженности магнитного поля представляется в виде

Нм +Н 1р

Н (К+1) р 47(R1

Соответственно для мгновенного значения напряженности Н срполучают

Nna(R+1)

Н = Н sin27(Nnt = -- — — - х .

Ср 4tiRl

x s in27I Nnt .

При толщине магнитного сердечника d значение S эффективной поверхности, регистрирующей магнитные силовые линии равно

S = K(R-1)d где К < 1 и зависит от вида и расположения обмотки.

С учетом значения магнитной проницаемости сердечника р для мгновенного значения магнитного потока» пересекающего обмотку, получают ф = p p, Н Б = р р К (К-1) d x

Nna (R+1) . г г х — "- — -- sin2((tNnt = pu К (R -1)d х

4Т(Rl

i 0

Мпа х — -"-s in2((Nnt

4T(Rl где р — магнитная проницаемость вакуума.

При количестве витков и регистрирующей катушки с учетом последнего выражения действующее значение ЗДС индукции в обмотке катушки индуктивности равно

d4 a e N n a

E= †- — — = РМ K(R -1 )d †--9- х с1 о 2R1 по х — — = Cn q

12 где С вЂ” для данных условий постоянно, Очевидно, в этом выражении при п = const можно по величине с.определить q а при E = const и и = U« значение а можно измерять по значениям и, так как

Е

Сп

С другой стороны частота вращения двигателя и является функцией питающего напряжения U т.е, Е п= f(U) или q = 7

CLf (U)j

Из последнего выражения следуе т, что величину q можно измерить измеряя величину питающего двигателя напряжения, Работа предполагаемого устройства основана на использовании этой зависимости. Напряжение - Я поступает на вход усилителя 2 и после усиления - на вход амплитудного детекто-. ра 5, Жестких требований к величине входного сопротивления усилителя не предъявляются так как сопротивление катушки 26 индуктивности невелико.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения электростатического заряда, содержащее

1471154 двигатель, источник питания, последовательно соединенные преобразователь электростатического поля, усилитель переменного тока и амплитудный детек5 тор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия оно снабжено пороговым блоком максимального уровня, пороговым блоком слежения, интегратором,,усилителем мощности, низкочастотным фильтром функциональным преобразователем, аналоro-цифровым преобразователем, формирующим каскадом, индикатором полярности, шестью электронными ключами и блоком опорных напряжений, причем выход амплитудного детектора соединен с одним из выходов порогового блока максимального уровня, другой выход которого соединен с общий выходом gp первого и второго электронных ключей с противоположными каналами проводимости, входы которых подключены к первому и второму выходам блока опор.ных напряжений, а объединенные управ-25 ляющие входы соединены с выходом порогового блока слежения, при этом выход порогового блока максимального уровня соединен с объединенными управляющими входами третьего и четвер- 3р того электронных ключей с противоположными каналами проводимости, входы которых подключены к третьему и четвертому выходам блока опорных напряжений, а объединенный выход соединен с выходом интегратора, выход которого соединен с одним входом порогового ,блока слежения, другой вход которого соединен с пятым входом блока опорных напряжений, выход интегратора соеди- 40 нен с входом пятого электронного ключа, управляющий вход которого соединен с управляющими входом шестого электронного ключа и выходом порогового блока слежения, вход шестого 45 электронного ключа соединен с шестым выходом блока опорных напряжений, выходы пятого и шестого электронного ключей соединены с входом усилителя мощности, выход которого соединен с двигателем и низкочастотным фильтром, последовательно соединенным с функциональнымпреобразователем и аналогоцифровым преобразователем, причем преобразователь электростатического поля соединен с седьмым выходом блока опорных напряжений и входом формирующего каскада, другой выход которого подключен в выходу усилителя, а выход — к входу индикатора полярности.

2. Устройство по п,1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что преобразователь электростатического поля выполнен в виде стакана из диэлектрика, в центре основания которого на подшипнике закреплена ось, внешний конец которой механически связан с двигателем, а на внутренний, находящий- . ся в стакане, изолировано от оси . насажен диск из проводящего метариала, на краю внутренней поверхности которого перпендикулярно к ней распо-. ложены штыри, над которыми помещена катушка индуктивности с разорванным

4 магнитным сердечником так, что концы штырей периодически связываются с зазором сердечника катушки, один конец которой соединен с землей, а другойс выходом преобразователя электростатического поля, также содержит связанные с двумя другими выходами преобразователя электростатического поля светодиод и фотодиод, расположенный относительно движущихся штырей так, что оптическая связь между ними прерывается движущимися штырями B те моменты времени, когда двигающийся штырь связывается с зазором катушки сердечника катушки.

14711 54

4 4 (е4 .ее 4 4 ее " Реее"ь ь ежю иенерение !

1 ВЬе 8

Составитель Л.Сорокина

Техред Л.Олийнык Корректор M.Максимишинец

Редактор Е,Папп

Заказ 1605/48 Тираж 711 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытия р

ытиям п и ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раущская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. жгород, у

tt ч л. Гагарина 10Г ь