Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ДАТЧИК ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДЕ
ДАТЧИК ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДЕ

ДАТЧИК ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДЕ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: в физической океанологии, космических исследованиях для измерения вектора электрической напряженности электрических полей в проводящих средах, в частности в ионосфере. Сущность изобретения: датчик содержит четыре проводящих электрода, расположенных в вершинах правильного тетраэдра, и измерительный блок, состоящий из тринадцати дифференциальных усилителей, восьми сумматоров, масштабного усилителя и блока обработки сигналов. 7 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2012894
Класс(ы) патента: G01R29/08
Номер заявки: 4953838/09
Дата подачи заявки: 29.04.1991
Дата публикации: 15.05.1994
Заявитель(и): Научно-исследовательский институт радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им.Н.Э.Баумана
Автор(ы): Зимин Е.Ф.; Мисеюк О.И.; Плаксин И.И.; Собисевич А.Л.
Патентообладатель(и): Научно-исследовательский институт радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им.Н.Э.Баумана
Описание изобретения: Изобретение относится к физической океанологии, космических исследованиях и служит для измерения вектора электрической напряженности электрических полей в проводящих средах, в частности в ионосфере.
Известен датчик вектора, представляющий собой устройство, первичной преобразователь которого выполнен в виде системы электродов, размещенных на линейной базе. Устройство позволяет измерять пространственные составляющие электрического поля.
Однако данное устройство при расположении электродов вдоль одной линии является несимметричным в электрическом смысле, что приводит к значительному снижению точности измерений за счет взаимного влияния измерительных баз друг на друга.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для регистрации трех компонент электрической составляющей электромагнитного поля, содержащее первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде системы из четырех электродов, один из которых (нулевой) размещен в центре декартовой системы координат, а три остальных - на одинаковом от него расстоянии на осях X, Y, Z. Известное устройство позволяет уменьшить число измерительных электродов на два для трехкомпонентного датчика. Однако снижение числа электродов и их конструктивное совмещение приводит к электрической несимметрии датчика и возникновению взаимного влияния измерительных каналов друг на друга, что не позволяет получить высокой точности измерений.
Целью изобретения является повышение точности и увеличение надежности измерений.
Поставленная цель достигается тем, что первичный измерительный преобразователь датчика вектора напряженности электрического поля в проводящих средах содержит четыре измерительных электрода, три из которых расположены на осях OХ, OY декартовой системы координат. Все электроды составляют вершины симметричного тетраэдра со стороной l (фиг. 1). Причем электроды 1 и 3 расположены на оси OY симметрично относительно начала координат O на расстоянии l/2 от него, электрод 2 расположен на оси OX на расстоянии h = l/2 с начала координат, а электрод 4 - на направляющей, параллельной оси OZ, отстоящей от нее в направлении от OX на расстояние 1/3 h, на высоте l/3 от плоскости XOY. Электроды, выполненные в виде проводящих сфер, соединены полыми диэлектрическими стержнями с центром основания тетраэдра, в котором закреплен один конец диэлектрической штанги, другой конец которой закреплен на носителе. Система любых двух электродов образует парциальный датчик, измеряющий проекцию составляющих Ex, Ey, Ez вектор напряженности. Причем каждый из электродов относится сразу к двум парциальным датчикам, что уменьшает число используемых электродов.
Выводы всех четырех электродов соединены с входами тринадцати дифференциальных усилителей ДУ1-ДУ13 следующим образом. Входы ДУ1, имеющего коэффициент усиления (1/l), подсоединены к электродам 1 и 3, входы ДУ2 с коэффициентом усиления (-1/l) соединены с электродами 1 и 4, входы ДУ3 с коэффициентом усиления ( ) соединены с электродами 1 и 2, входы ДУ4 с коэффициентом усиления (1) соединены с электродами 1 и 4; входы ДУ5 с коэффициентом усиления ( ) соединены с электродами 1 и 3, входы ДУ6 с коэффициентом усиления () соединены с электродами 1 и 4, входы ДУ7 с коэффициентом усиления ( ) соединены с электродами 1 и 4, входы ДУ8 с коэффициентом усиления (-1) соединены с электродами 2 и 4, входы ДУ9 с коэффициентом усиления (1) соединены с электродами 2 и 3, входы ДУ10 с коэффициентом усиления ( ) соединены с электродами 2 и 3, входы ДУ11 с коэффициентом усиления () соединены с электродами 2 и 4, входы ДУ 12 с коэффициента усиления ( ) соединены с электродами 3 и 4, входы ДУ 13 с коэффициентом усиления (1/l) соединены с электродами 3 и 4. Выходы дифференциальных усилителей соединены с входами сумматоров. Выходы ДУ2 и ДУ13 соединены с входами сумматора 1 ( Σ 1), выходы 1 и ДУ1 соединены с входами сумматора 2 ( Σ 2), выходы которого подсоединен к входу блока обработки сигналов. Выходы ДУ3 и ДУ10 соединены с входными зажимными сумматора 3 ( Σ 3), а выходы ДУ4, ДУ8, ДУ9 соединены с входами сумматора 4 ( Σ 4). Выход 3 подключен к одному входу сумматора 5 ( Σ 5), к другому входу которого подключен выход масштабного усилителя (МУ) с коэффициентом усиления ( ), вход МУ соединен с выходом Σ 4. Выход Σ 5 соединен с входным зажимом блока обработки сигналов. Выходные зажимы ДУ6, ДУ11, ДУ12 соединены с выходами сумматора 6, а выходные зажимы ДУ5, ДУ7 и ДУ11 с входами сумматора 7, выходы Σ 6 и Σ 7 подключены к выходам 8, выход которого соединен с входным зажимом блока обработки сигналов.
Такая система подключения электродов к устройству обработки сигналов позволяет реализовать двухканальную систему измерения каждой составляющей Ex, Ey, Xz вектора напряженности, а значит увеличить надежность измерений.
Представленная на фиг. 1 и 2 схема расположения электродов относительно декартовой системы координат ZXY позволяет пояснить указанный выше порядок соединения электродов, дифференциальных усилителей и сумматоров. При расположении электродов в электрическом поле с напряженностью Е сигнал, снимаемый с электродов 1 и 2, представляет собой разность потенциалов, равную алгебраической сумме проекций составляющих вектора напряженности Ех и Ey на прямую, соединяющую электроды 1 и 2, а именно
U1= U2= Exlsin60°-Ey·lsin30°= Ex·l - E = E-E (1)
аналогично, сигнал, снимаемый с электродов 3 и 2
U2= U32= Exlsin60°+Eylsin30<°>= Exl + E = E-E (2)
Сигнал, снимаемый с электродов 3 и 1, равен
U3= U31= Ey·l (3)
Сигнал, снимаемый с электродов 1 и 4,
-Eylsin30°+Ezl = Ex·l - E +Ezl = (4)
с электродов 2 и 4
U5= U24= -Elsin60°+Ezl = -Exl + Ezl = l-Ex+E (5)
и с электродов 3 и 4
U6= U34= Exl + E + Ezl = lExl + E + Ezl (6)
Выполнив несложные математические преобразования, из (1) - (6) получают выражения для составляющих вектора напряженности:
Ex= (U12+ U32);
Ex= (U32+ U14+ U24);
Ey= ;
Ey= (U34-U14);
Ez= (U14+ U24+ U34);
Ez= (2U14+ U31+ U24).
Схемные реализации измерения каждой компоненты по двум каналам представлены на фиг. 3-5.
Таким образом предлагаемое техническое решение увеличивает надежность измерений за счет дублирования и повышает точность измерений за счет полной симметрии электродной системы, что обеспечивает отсутствие взаимных влияний электродов, а также исключает появление помех, возникающих при перемещении датчика в пространстве при попадании какого-либо электрода в след другого.
Перечисленные признаки первичного преобразователя неизвестны из других технических решений и поэтому соответствуют критерию "существенные отличия".
На фиг. 6 представлена конструкция, а на фиг. 7 - схема датчика вектора напряженности электрического поля в проводящей среде. Первичный преобразователь датчика содержит четыре электрода 1-4, которые расположены в вершинах симметричного тетраэдра со стороной l. Электроды 1-4, выполненные в виде проводящих сфер, соединены полыми диэлектрическими стержнями 5-8 (фиг. 6) соответственно с центром основания тетраэдра, в котором укреплен один конце диэлектрической штанги 9, другой конец которой крепится на носителе 10. Электрические выводы электродов подсоединены к входам дифференциальных усилителей 11-23 (фиг. 7), реализующих схемы измерения компонент Ex, Ey, Ez в соответствии с фиг. 2-4. Выходы дифференциальных усилителей 12 и 23 подсоединены к входам сумматора 24, выход которого также как и выход дифференциального усилителя 11 соединены с входами сумматора 25, на выходе которого формируется сигнал 2Ey. Выход сумматора 25 соединен с входным зажимом блока обработки сигналов 26.
Выходы дифференциальных усилителей 13 и 20 соединены с входами сумматора 27, а выходы ДУ14, 18, 19 - с входами сумматора 28, выход которого соединен с входом масштабного усилителя 29. Выходы сумматора 27 и масштабного усилителя 29 соединены с входами сумматора 30, где формируется сигнал 2 Ex. Выход сумматора 30 подсоединен к входному зажиму блока обработки сигналов 26. Выходы ДУ16, 21, 22 соединены с входами сумматора 31, а выходы ДУ15, 17, 21 - с входами сумматора 32, выходы сумматоров 31 и 32 соединены с входными зажимами сумматора 33, на выходе которого формируется сигнал 2 Ez. Выход сумматора 33 подсоединен к входу блока обработки сигналов 26.
Датчик работает следующим образом. При перемещении носителя в электрическом поле, вектор напряженности которого измеряется описываемым датчиком, составляющие вектора напряженности создают разности потенциалов между электродами 1, 2, 3, 4 соответственно U12, U32, U31, U14, U24, U34.
Сигналы с электродов поступают на дифференциальные усилители 11-23, выходы которых соединены с сумматорами 24-28, 30-33. С выходов сумматоров 25, 30 и 33 сигналы, равные 2Ex, 2Ey, 2Ez соответственно, поступают на входы блока обработки сигналов 26.
Реализация измерительной системы с дублированием сигналов каждой составляющей Ex, Ey, Ez повышает надежность измерений за счет избыточности информации. Симметричное пространственное расположение электродов практически полностью исключает их взаимное влияние. Кроме того, размещение электродов в вершинах симметричного тетраэдра исключает попадание одного электрода в след другого, что уменьшает помеху гидродинамического происхождения. Таким образом точность измерений повышается.
Предложенное техническое решение может быть использовано в космических исследованиях с целью исследования распространения радиоволн в плазме, а также с целью прогнозирования землетрясений.
Формула изобретения: ДАТЧИК ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДЕ, содержащий первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде четырех проводящих электродов, и измерительный блок, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и точности измерений, проводящие электроды выполнены в виде сфер и расположены в вершинах правильного тетраэдра, длина ребер которого выбрана равной l, при этом первый и третий проводящие электроды расположены симметрично относительно вертикальной оси, параллельной высоте правильного тетраэдра, проводящие электроды соединены посредством полых диэлектрических стержней с центром основания правильного тетраэдра, в котором закреплен один конец диэлектрической штанги, другой конец которой закреплен на носителе, а измерительный блок выполнен в виде тринадцати дифференциальных усилителей, восьми сумматоров, масштабного усилителя, коэффициент усиления которого выбран равным 1/l, и блока обработки сигналов, при этом диэлектрические выводы первого и второго проводящих электродов соединены с соответствующими входами третьего дифференциального усилителя, коэффициент усиления которого выбран равным 1/l , электрические выводы первого и третьего проводящих электродов соединены с соответствующими входами первого и пятого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными 1/l и 1/l соответственно, электрические выходы первого и четвертого проводящих электродов соединены с соответствующими входами второго, четвертого и шестого и седьмого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными -1/l; 1; 1/l и 2/l соответственно, электрические выводы второго и четвертого проводящих электродов соединены с соответствующими входами восьмого и одиннадцатого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными -1 и 1/l соответственно, электрические выводы второго и третьего проводящих электродов соединены с соответствующими входами девятого и десятого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными 1 и 1/l соответственно, электрические выводы третьего и четвертого проводящих электродов соединены с соответствующими входами двенадцатого и тринадцатого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными 1/l и 1/l соответственно, причем выходы второго и тринадцатого дифференциальных усилителей соединены соответственно с первым и вторым входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом первого дифференциального усилителя и первым входом блока обработки сигналов, выходы третьего и десятого дифференциальных усилителей соединен с первым и вторым входами третьего сумматора соответственно, а выходы четвертого, восьмого и девятого дифференциальных усилителей соединены с первым, вторым и третьим входами четвертого сумматора соответственно, выход которого через масштабный усилитель соединен с первым входом пятого сумматора, выход и второй вход которого соединены соответственно с вторым входом блока обработки сигналов и выходом третьего сумматора, выходы шестого, одиннадцатого и двенадцатого дифференциальных усилителей соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами шестого сумматора, а выходы одиннадцатого, пятого и седьмого дифференциальных усилителей соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами седьмого сумматора, выход которого соединен с первым входом восьмого сумматора, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом шестого сумматора и третьим входом блока обработки сигналов.