WO2010055180A1 - Sensor de campo eléctrico - Google Patents
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Definitions
- the present invention refers to an electric field sensor that is based on a virtually floating electrode and whose purpose is to facilitate a continuous and low frequency electric field meter that exceeds drawbacks of the electric field meters of the state of the art such as lack of stability or requirement of mechanical elements.
- the invention employs a floating electrode on a control electrode provided with an opening in which an electrostatic probe is applied, facilitating potential measurements on the control electrode without mechanical components and without physical contact, so that the measurements do not they cause the discharge of the control electrode or the introduction in it of parasitic currents that could be superimposed on the measurements made.
- the electronic equipment used to measure the electric charge is leaking due to the currents of polarization they need both if they measure the charge of a capacitor connected to the electrode or if they integrate the current of the electrode itself.
- the floating plate must be located on an insulator that separates it from ground and the insulator always has leakage currents that discharge the sensor, invalidating the corresponding measurement, which is a problem that has been partially solved using type sensors
- MOSFET with feedback but still, there are still inconveniences that only a few seconds or minutes of stability are achieved.
- the equipment called “field mill” (field mili) operating with a similar principle is used, that is, measuring the load on a conducting electrode, but with the difference that exposure is made to the electric field by placing that conductive electrode behind a grounded rotating electrode.
- the electric field that affects the surface of the sensor is alternate and presents minor problems with an integrating circuit.
- the main drawbacks of these "field mill” equipment are that they use a mechanical rotation system with an engine that introduces problems related to maintenance and life of the equipment, also generating other inconveniences related to noise and vibrations that occur.
- the invention consists of an electric field sensor for measuring electric fields of continuous and low frequency.
- the senor or measuring device of said invention has a floating electrode that is located in small areas of its surface on an insulator attached to a control electrode provided with an opening in which an electrostatic probe with shielding that allows measurements of surface potential without physical contact and that is connected to a measuring block that in turn connects to an attenuator connected to a controlled high voltage source that is connected to the control electrode; thus facilitating potential measurements in the control electrode without mechanical components and without physical contact so that the measurement does not cause the discharge of said control electrode or the introduction of parasitic currents therein that could be superimposed on the measurements made.
- the aforementioned insulator is an insulator with low surface and volume conductivity, and with low polarization with respect to absorption current.
- said electrostatic probe is based on a vibrating electrode by means of an oscillator with feedback system that controls the potential of the measuring electrode itself.
- another type of insulator and another type of probe can be used.
- the electric field sensor of the invention has the following main advantages: - It allows measuring the potential of the contactless floating plate or electrode, and therefore without discharging that plate or introducing parasitic currents that are could overlap with the measures themselves.
- the frequency response of the meter or sensor of the invention can range from continuous electric field to a limit frequency that can reach the order of KHz.
- Figure 1. Represents a functional block diagram of an electric field sensor made according to the present invention.
- the sensor of the present example allows measuring electric fields 1 of continuous and low frequency.
- Receiving that electric field 1 is a floating electrode 2 connected by small areas of its surface to an insulator 4 which in turn is connected to a control electrode 3, as shown in Figure 1.
- the control electrode 3 has an opening in which an electrostatic probe 6 with shielding 5 is applied to perform surface potential measurements without physical contact and which is connected to a measuring block 7 connected in series with an attenuator
- Cancellation of the discharge current of the floating electrode 2 by controlling a potential that virtually nullifies the potential difference with the earth.
- the frequency response of the sensor or meter will range from the continuous electric field to a limit frequency that can be reached KHz
- the measurement procedure used in Figure 1 is that the floating electrode 2 is placed on the insulator 4 which is an insulator with low surface and volume conductivity and low polarization (absorption currents).
- the invention allows all types of insulators to be used, since it nullifies their response.
- the measurement of potential is carried out by means of a probe 6 of measurement of surface potential without contact that does not affect the potential of the measured plate.
- Said probe 6 is conventional and is based on a vibrating electrode by means of an oscillator and a feedback system that controls the potential of the measuring electrode itself and another type of probe 6 can be used in other embodiments.
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Abstract
Sensor de campo eléctrico. Cuenta con un electrodo flotante (2) que se sitúa en pequeñas áreas de su superficie sobre un aislante (4) unido a un electrodo de control (3) provisto de una abertura en la que se aplica una sonda electrostática (6) con apantallamiento (5) que permite efectuar medidas de potencial de superficie sin contacto físico y que se encuentra conectada a un bloque de medidas (7) que a su vez conecta con un atenuador (8) unido a una fuente de alta tensión controlada (9) que está conectada al electrodo de control (3 ).
Description
SENSOR DE CAMPO ELÉCTRICO OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva se refiere a un sensor de campo eléctrico que se basa en un electrodo virtualmente flotante y cuya finalidad consiste en facilitar un medidor de campo eléctrico de continua y baja frecuencia que supera inconvenientes de los medidores de campo eléctrico del estado de la técnica tales como falta de estabilidad o requerimiento de elementos mecánicos. Para ello, la invención emplea un electrodo flotante sobre un electrodo de control provisto de una abertura en la que se aplica una sonda electrostática, facilitando medidas de potencial en el electrodo de control sin componentes mecánicos y sin contacto físico, de manera que las medidas no provocan la descarga del electrodo de control ni la introducción en el mismo de corrientes parásitas que se pudieran superponer a las medidas efectuadas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La medida de campo eléctrico atmosférico estático o de baja frecuencia presenta ciertas dificultades técnicas para ser realizada. El método más sencillo que se suele utilizar para frecuencias elevadas, por ejemplo mayores de 50 Hz, consiste en utilizar un sensor capacitivo mediante una placa conductora flotante. El campo eléctrico atmosférico induce una carga en la placa que depende del campo eléctrico. Así, basta medir la carga de ese electrodo, integrando la corriente con un condensador o con un equipo de medida de carga eléctrica. Este método presenta inconvenientes relativos a que el correspondiente electrodo de medida se descarga siempre por corriente de fuga, determinando medidas inestables y produciendo errores a largo plazo.
Dichas corrientes de fuga se deben principalmente a las siguientes dos causas:
Los equipos electrónicos utilizados para medir la carga eléctrica tienen fugas debido a las corrientes de
polarización que necesitan tanto si miden la carga de un condensador conectado al electrodo como si integran la corriente del propio electrodo.
La placa flotante debe estar situada sobre un aislante que la separe de tierra y el aislante siempre tiene corrientes de fuga que descargan el sensor, invalidando la correspondiente medida, lo cual es un problema que ha sido resuelto parcialmente empleando sensores de tipo
MOSFET con realimentación, pero aun asi, sigue habiendo inconvenientes relativos a que solo se consiguen algunos segundos o minutos de estabilidad.
Para evitar los inconvenientes referidos de los sistemas de medida de campo eléctrico mediante sensor capacitivo, se utilizan actualmente los equipos denominados "molino de campo" (field mili) que operan con un principio similar, es decir, midiendo la carga en un electrodo conductor, pero con la diferencia de que se hace la exposición al campo eléctrico colocando ese electrodo conductor tras un electrodo giratorio puesto a tierra. Asi, el campo eléctrico que incide en la superficie del sensor es alterno y presenta menores problemas con un circuito integrador. Los inconvenientes principales de estos equipos de "molino de campo" consisten en que utilizan un sistema mecánico de rotación con motor que introduce problemas relativos a mantenimiento y vida de los equipos, generando además otros inconvenientes relativos al ruido y las vibraciones que se producen.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Para lograr los objetivos y evitar los inconvenientes referidos en anteriores apartados, la invención consiste en un sensor de campo eléctrico para medir campos eléctricos de continua y baja frecuencia.
Novedosamente, según la invención, el sensor o dispositivo medidor de dicha invención cuenta con un electrodo flotante que se sitúa en pequeñas áreas de su superficie sobre un aislante unido a un electrodo de control provisto de una abertura en la que se aplica una
sonda electrostática con apantallamiento que permite efectuar medidas de potencial de superficie sin contacto físico y que se encuentra conectada a un bloque de medida que a su vez conecta con un atenuador unido a una fuente de alta tensión controlada que está conectada al electrodo de control; facilitándose así medidas de potencial en el electrodo de control sin componentes mecánicos y sin contacto físico de manera que la medida no provoca la descarga de dicho electrodo de control ni la introducción en el mismo de corrientes parásitas que se pudieran superponer a las medidas efectuadas.
Según una realización preferente de la invención, el aludido aislante es un aislante con baja conductividad de superficie y de volumen, y con baja polarización respecto de corriente de absorción. Además, en esa realización preferente de la invención, la mencionada sonda electrostática se basa en un electrodo vibrante mediante oscilador con sistema de realimentación que controla el potencial del propio electrodo de medida. No obstante, en otras realizaciones se puede emplear otro tipo de aislante y otro tipo de sonda.
Con la estructura que se ha descrito, el sensor de campo eléctrico de la invención presenta las siguientes principales ventajas: - Permite medir el potencial de la placa o electrodo flotante sin contacto, y por lo tanto sin descargar esa placa ni introducir corrientes parásitas que se pudieran superponer con las propias medidas.
Permite que sean nulas las corrientes de descarga propias del electrodo o placa flotante mediante el control de un potencial que anula virtualmente la diferencia de potencial con tierra.
En función de los tiempos de respuesta de la sonda y del sistema de control de potencial flotante determinado por el atenuador y la fuente de alta tensión, la respuesta en frecuencia del medidor o sensor de la invención puede ir desde campo eléctrico de continua hasta una
frecuencia límite que puede alcanzar el orden de los KHz .
A continuación, para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompaña una figura única en la que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA FIGURA
Figura 1.- Representa un diagrama de bloques funcionales de un sensor de campo eléctrico realizado según la presente invención.
DESCRIPCIÓN DE UN EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Seguidamente se realiza una descripción de un ejemplo de la invención haciendo referencia a la numeración adoptada en la figura.
Así, el sensor del presente ejemplo permite medir campos eléctricos 1 de continua y baja frecuencia.
Recibiendo ese campo eléctrico 1 se encuentra un electrodo flotante 2 unido por pequeñas áreas de su superficie a un aislante 4 que a su vez se encuentra unido a un electrodo de control 3, tal y como se representa en la figura 1.
El electrodo de control 3 presenta una abertura en la que se aplica una sonda electrostática 6 con apantallamiento 5 para efectuar medidas de potencial de superficie sin contacto físico y que se encuentra conectada a un bloque de medida 7 conectado en serie con un atenuador
8 y con una fuente de alta tensión controlada 9 unida eléctricamente al electrodo de control 3, tal y como se representa en la figura 1.
Con esta configuración se posibilita:
Medida del potencial de la placa o electrodo flotante 2 sin contacto, y por lo tanto sin descargar la placa ni introducir corrientes parásitas que se superpongan con la medida.
Anulación de la corriente de descarga propia del electrodo flotante 2 por medio del control de un
potencial que anula virtualmente la diferencia de potencial con la tierra.
Que en función de los tiempos de respuesta de la sonda y del sistema de control del potencial restante (atenuador 8 y fuente de alta tensión 9) la respuesta en frecuencia del sensor o medidor irá desde campo eléctrico de continua hasta una frecuencia limite que puede alcanzar los KHz.
El procedimiento de medida empleado en la figura 1 consiste en que el electrodo flotante 2 se sitúa sobre el aislante 4 que es un aislante con baja conductividad de superficie y de volumen y baja polarización (corrientes de absorción) . No obstante, en otras realizaciones, la invención permite utilizar todo tipo de aislantes, ya que anula su respuesta. La medida de potencial se realiza mediante una sonda 6 de medida de potencial de superficie sin contacto que no afecta al potencial de la placa medida.
Dicha sonda 6 es convencional y se basa en un electrodo vibrante por medio de un oscilador y un sistema de realimentación que controla el potencial del propio electrodo de medida pudiéndose emplear en otras realizaciones otro tipo de sonda 6.
Claims
1.- SENSOR DE CAMPO ELÉCTRICO, para medir campos eléctricos (1) de continua y baja frecuencia; caracterizado porque cuenta con un electrodo flotante (2) que se sitúa en pequeñas áreas de su superficie sobre un aislante (4) unido a un electrodo de control (3) provisto de una abertura en la que se aplica una sonda electrostática (6) con apantallamiento (5) que permite efectuar medidas de potencial de superficie sin contacto físico y que se encuentra conectada a un bloque de medida (7) que a su vez conecta con un atenuador (8) unido a una fuente de alta tensión controlada (9) que está conectada al electrodo de control (3); facilitándose así medidas de potencial en el electrodo de control (3) sin componentes mecánicos y sin contacto físico, de manera que la medida no provoca la descarga de dicho electrodo de control (3) ni la introducción en el mismo de corrientes parásitas que se pudieran superponer a las medidas efectuadas.
2.- SENSOR DE CAMPO ELÉCTRICO, según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho aislante (4) es un aislante con baja conductividad de superficie y de volumen y con baja polarización respecto de corrientes de absorción.
3.- SENSOR DE CAMPO ELÉCTRICO, según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha sonda electrostática (6) se basa en un electrodo vibrante mediante oscilador con sistema de realimentación que controla el potencial del propio electrodo de medida.
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