ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Датчик электрического поля относится к области измерительной техники и может быть использован для электрических измерений, в частности, измерения вертикальной и горизонтальных составляющих электрического поля.
При изучении атмосферного электрического поля Земли и электрических полей в приземном слое и под земной поверхностью требуются измерения вертикальной и горизонтальных составляющих поля вблизи земной поверхности. Необходимость измерений обусловлена как фундаментальными научными исследованиями, так и практическими потребностями предсказания некоторых аспектов эволюции подповерхностных слоев.
Известны различные устройства, которые измеряют электрическое поле. В поле помещается конденсатор, емкость которого модулируется с помощью изменения диэлектрической проницаемости диэлектрика, находящегося внутри или снаружи измерительного конденсатора. (Метод описан, например, в кн.: Чалмерс Дж.А. Атмосферное электричество / Пер. с англ. под ред. Имянитова И.М. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 420 с.). Недостатком подобных устройств является сильная зависимость свойств сегнетоэлектрических материалов, используемых в качестве диэлектриков, от состояния внешней среды, особенно от ее температуры и влажности, что приводит к нестабильности характеристик измерителя, значительно снижающих точность измерений. Известны также устройства, использующие варикапы в качестве переменной емкости и описанные, например, в кн.: Гер А.А., Левин А.С., Носов Ю.Р. Электрометрический варикап. // Полупроводниковые приборы и их применение. Вып 28. М.: Сов. Радио, 1974. Недостатком данных устройств является то, что варикапы имеют относительно небольшой диапазон изменений емкости варикапа. Это сужает ограничивает области его применения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, описанное в патенте РФ №104729 на полезную модель «Электростатический флюксметр» авторов Ефимова В.А., Полушина П.А., Грунской Л.В., оп 20.05.2011, Бюл. №14. Устройство содержит горизонтально расположенные в непосредственной близости одна от другой экранирующую и измерительную пластину, изоляторы, поддерживающие измерительную пластину, корпус-основание, двигатель, маркированный маховик, источник подсветки, фотодиод, мостовую схему, пороговый блок, усилитель тока, полосовой фильтр, микроконтроллер, блок приема-передачи данных, блок стабилизации скорости вращения двигателя, удаленный компьютер. Экранирующая пластина укреплена на валу двигателя и вместе с корпусом заземлена.
Горизонтальная неподвижная измерительная круглая пластина содержит шесть секториальных вырезов, над ней вращается экранирующая пластина с такой же конфигурацией вырезов. Оси обеих пластин совпадают. При вращении экранирующей пластины измерительная пластина периодически экранируется от действия измеряемого электрического поля, в результате чего в цепи, соединяющей измерительную пластину с землей, возникает переменный ток, который обрабатывается электрической схемой устройства.
Частота вращения вала двигателя с остается постоянной. На валу двигателя расположен маркированный маховик, на который нанесены черные и белые полосы одинаковой ширины. Цвет полос чередуется. Вблизи от маховика расположен источник подсветки, излучением которого подсвечиваются полосы на маховике. Также вблизи от маховика расположен фотодиод, на который падает излучение подсветки, отраженное от поверхности маховика. При вращении двигателя цвет полос на поверхности маховика чередуется и в зависимости от этого в фотодиод попадает большее или меньшее количество света от источника подсветки. В результате синхронно с этим меняется уровень сигнала в фотодиоде, который выделяется в мостовой схеме, и в пороговом блоке из него формируется бинарный выходной опорный сигнал, подаваемый на цифровой вход микроконтроллера.
Заряды переменной величины с измерительной пластины, перемещаясь, образуют электрический ток, который усилителе тока усиливается и преобразуется в напряжение. Усиленный сигнал имеет частоту, определяемую скоростью вращения экранирующей пластины и количеством секториальных вырезов на ней. Далее выходной сигнал усилителя тока проходит через полосовой фильтр, очищающий результаты измерения от гармоник промышленной частоты. После этого измерительный сигнал перемножается в микроконтроллере на опорный сигнал, поступающий на цифровой вход микроконтроллера. Результат перемножения усредняется и из него выделяется медленно меняющаяся компонента, несущая информацию о величине измеряемого электрического поля. Результат измерения в последовательном коде поступает на блок приема-передачи данных, который используется для связи с удаленным компьютером и передачи туда результатов измерения.
Основным недостатком устройства-прототипа является то, что он может измерять только вертикальную составляющую электрического поля, т.е. его недостаточная универсальность, замедляющая и усложняющая процесс измерения поля. В то же время при различных исследованиях необходимо одновременное измерение всех трех пространственных координат поля.
Задачей данной полезной модели является повышение универсальности устройства, ускорение и упрощение процесса измерения всех составляющих электрического поля.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее экранирующую пластину, первую измерительную пластину, изоляторы, корпус-основание, двигатель, блок стабилизации скорости вращения двигателя, первый усилитель тока, первый полосовой фильтр, маркированный маховик, источник подсветки, фотодиод, мостовую схему, пороговый блок, микроконтроллер и блок приема-передачи данных, введены вторая, третья и четвертая измерительные пластины, второй, третий и четвертый усилители тока, второй, третий и четвертый полосовые фильтры, первый и второй вычитатели и сумматор, при этом экранирующая пластина электрически соединена с корпусом-основанием, имеет форму конической поверхности с осью, совпадающей с осью двигателя, и четырьмя одинаковыми секторальными вырезами, первая, вторая, третья и четвертая измерительные пластины представляют собой секторы другой такой же конической поверхности, расположенной сооосно, ближе к корпусу-основанию, который под измерительными пластинами имеет форму такой же соосной конической поверхности, на валу также укреплен маркированный маховик, вблизи которого расположены источник подсветки и фотодиод, который через последовательно соединенные мостовую схему и пороговый блок подключен к цифровому входу микроконтроллера, первая измерительная пластина и экранирующая пластина соединены со входами первого усилителя тока, а через его выход и первый полосовой фильтр - с одним из входов первого вычитателя, вторая измерительная пластина и экранирующая пластина соединены со входами второго усилителя тока, а через его выход и второй полосовой фильтр - с одним из входов второго вычитателя, третья измерительная пластина и экранирующая пластина соединены со входами третьего усилителя тока, а через его выход и третий полосовой фильтр - с другим входом первого вычитателя, четвертая измерительная пластина и экранирующая пластина соединены со входами четвертого усилителя тока, а через его выход и четвертый полосовой фильтр - с другим входом второго вычитателя, выход первого вычитателя подключен к первому аналоговому входу микроконтроллера, выход второго вычитателя подключен ко второму аналоговому входу микроконтроллера, выход сумматора подключен к третьему аналоговому входу микроконтроллера, а его входы - к выходам соответствующих первого, второго, третьего и четвертого полосовых фильтров, при этом края лопастей экранирующей пластины пластин слегка повернуты, а информационный выход микроконтроллера через блок приема-передачи данных соединен с информационным выходом устройства, и управляющий вход устройства через блок приема-передачи данных соединен с управляющим входом микроконтроллера.
На чертежах представлены: на фиг.1 - структурная схема и вид сверху конструкции датчика электрического поля; на фиг.2 - вид сбоку конструкции датчика электрического поля в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей; на фиг.3. - чертеж, поясняющий особенности измерения составляющих электрического поля.
На фиг.1 обозначены: экранирующая пластина 1; первая 2, вторая 3, третья 4 и четвертая 5 измерительные пластины; корпус-основание 6; двигатель 7; маркированный маховик 8; блок стабилизации скорости вращения двигателя 9; источник подсветки 10; фотодиод 11; мостовая схема 12; пороговый блок 13; первый 14, второй 15, третий 16 и четвертый 17 усилители тока; первый 18, второй 19, третий 20 и четвертый 21 полосовые фильтры; первый 22 и второй 23 вычитатели; сумматор 24; микроконтроллер 25; блок приема-передачи данных 26; удаленный компьютер 27.
На фиг.2 обозначены: корпус-основание 28, экранирующая пластина 29; первая и третья измерительные пластины 30 и 31; изоляторы 32 и 33; двигатель 34; маркированный маховик 35.
Блоки устройства работают следующим образом.
Частота вращения вала двигателя 7 во время работы устройства остается строго постоянной и контролируется блоком стабилизации скорости вращения двигателя 9. Корпус-основание 6 заземлен и устанавливается горизонтально. Двигатель 7, укрепленный на корпусе-основании 6, вращает вал с укрепленной на нем экранирующей пластиной 1, причем вал и экранирующая пластина электрически заземлены. Экранирующая пластина имеет четыре одинаковых по форме секторальных выреза. Сектора по окружности пластины размещены симметрично, средняя линия каждого сектора имеет угол со средними линиями двух соседних с ним секторов, равный 90°. Средние линии - это образующие конической поверхности экранирующей пластины. Секторальные вырезы образуют четыре одинаковые по форме лопасти между ними, средние линии которых также повернуты относительно средних линий соседних лопастей на угол 90°.
Измерительные пластины 2, 3, 4, 5 неподвижно укреплены на корпусе-основании каждая с помощью изоляторов и электрически изолированы одна от другой. Форма измерительных пластин повторяет форму лопастей экранирующей пластины, они составляют части общей конической поверхности, повторяющей форму конической поверхности экранирующей пластины, но соосно смещенной относительно ее. Средняя линия каждой измерительной пластины повернута относительно средних линий соседних измерительных пластин на угол 90°. Таким образом, средние линии каждой пары противоположных измерительных пластин расположены во взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях и определяют взаимно перпендикулярные оси ОХ и OY заявляемого датчика.
Под измерительными пластинами расположена коническая поверхность корпуса-основания 6, повторяющая форму общей конической поверхности измерительных пластин и также смещенная соосно относительно ее. Расположение всех поверхностей иллюстрируется фиг.2, где помещен разрез по оси ОХ. Внешний конус - экранирующая пластина 29, ниже расположен конус, на котором находятся измерительные пластины 30 и 31, ниже расположена коническая поверхность корпуса-основания 28. Измерительные пластины крепятся на корпусе-основании с помощью изоляторов 32 и 33.
На валу двигателя расположен маркированный маховик 8, на который нанесены четыре черные и четыре белые полосы одинаковой ширины. Вблизи от маховика расположен источник подсветки 10, который может быть выполнен в виде инфракрасного светодиода и излучением которого подсвечиваются черные и белые полосы на маркированном маховике 8. Также вблизи от маховика расположен фотодиод 11, на который падает излучение источника подсветки 10, отраженное от поверхности маховика, покрытой черными и белыми полосами.
При вращении вала двигателя 7 цвет полос на поверхности маркированного маховика 8 чередуется и в зависимости от этого в фотодиод 11 попадает большее или меньшее количество света от источника подсветки 10, отраженного полосами. В результате синхронно с этим меняется уровень сигнала в фотодиоде. Этот сигнал выделяется в мостовой схеме 12, и в пороговом блоке 13 из него формируется бинарный выходной сигнал, соответствующий цвету полосы на маховике в данный момент времени, после чего он в качестве опорного подается на цифровой вход микроконтроллера 25.
Все четыре канала измерения идентичны и имеют одинаковые характеристики. Заряды переменной величины с каждой измерительной пластины 2-5, перемещаясь, образуют электрический ток, который поступает в усилители тока 14-17 с малым внутренним сопротивлением, где усиливается и преобразуется в напряжения. Усиленные сигналы имеет частоту, определяемую скоростью вращения экранирующей пластины 1 и количеством секторальных вырезов на ней. Эти параметры выбираются так, чтобы эта частота была некратна промышленной частоте 50 герц. Далее выходной сигнал усилителей тока 14-17 проходит через полосовые фильтры 18-21. Его полоса пропускания не пропускает гармоники промышленной частоты, тем самым фильтры очищает измерительные сигналы от этих гармоник.
Сигналы с первого 18 и третьего 20 полосовых фильтров поступают на вход первого вычитателя 22, где определяется их разность. Сигналы со второго 19 и четвертого 21 полосовых фильтров поступают на входы второго вычитателя 23, где также определяется их разность. Сигналы с входов всех полосовых фильтров 18-21 также подаются на входы сумматора 24 где определяется уже их сумма.
Далее сигналы с выходов вычитателей 22 и 23 и сумматора 24 поступают на, соответственно, первый, второй и третий независимых аналоговых входа микроконтроллера 25, где осуществляется их аналого-цифровое преобразование. Далее измерительные сигналы в цифровом виде независимо один от другого перемножается в микроконтроллере на опорный сигнал, поступающий на цифровой вход микроконтроллера. Результаты перемножения усредняются и из них выделяются медленно меняющиеся компоненты, несущие информацию о величинах трех пространственных составляющих измеряемого электрического поля. Результаты измерения в последовательном коде поступает на блок приема-передачи данных 26, а с его выхода - на информационный выход устройства. Блок приема-передачи данных используется для связи с удаленным компьютером 27 и передачи туда результатов измерения.
Удаленный компьютер 27 через управляющий вход устройства соединен с входом блока приема-передачи данных 26, и через него при необходимости с него передаются управляющие команды на микроконтроллер 25.
Принцип работы устройства заключается в следующем. В основу заложен принцип действия электростатического генератора. Он состоит в том, что при внесении проводника в переменное электрическое поле, в нем возникает движение индуцированных зарядов, причем величина тока, создаваемого перемещающимися зарядами, пропорциональна изменению напряженности поля. Конструкция датчика электрического поля преобразовывает измеряемое электрическое поле в быстро меняющееся переменное, которое воздействует на измерительные электроды. Преобразование поля осуществляется механическим способом за счет вращения лопастей, напоминающих согнутые крылья ветряной мельницы.
За счет энергии электромотора лопасти экранирующей пластины «режут» силовые линии измеряемого электрического поля. Так как каждая измерительная пластина при этом находится в переменном электрическом поле, в ней индуцируются заряды, движение которых воспринимается соответствующим усилителем тока. Форма напряжения на выходе усилителя тока определяется его входным сопротивлением и близка к синусоидальной. В отсутствии измеряемого электрического поля (например, при полной экранировке прибора), на выходе усилителя будет наблюдаться сигнал, величина которого, определяется контактной разностью потенциалов между экранирующей и измерительной пластинами. Эта сигнал задает предел чувствительности датчика электрического поля. Опорный сигнал используется для определения знака направления поля.
У каждой измерительной пластины свой тракт усиления сигнала. Усилители тока имеют входное сопротивление много меньше, чем сопротивление источника сигнала, следовательно, требования к качеству изоляторов, на которых крепится каждая измерительная пластина, могут быть снижены. Усилитель тока обязательно балансируется, что позволяет свести к минимуму паразитный сигнал, обусловленный разностью напряжений между входами усилителя. (Усилитель тока может быть выполнен, например, на прецизионном операционном усилителе OP07Z, который преобразует измеренный ток в напряжение. Этот операционный усилитель имеет первоначальную балансировку, обеспечивающую минимально возможное напряжение смещения между его входами). Усилители тока располагаются в непосредственной близости от датчиков - соответствующих измерительных пластин, что убирает помехи, воздействующие на наиболее чувствительные участки тракта передачи измерительной информации.
Цифровой способ измерения амплитуды является существенно более точным, чем аналоговый. В микроконтроллере 25 гармонические сигналы с выходов вычитателей 22, 23 и сумматора 24 дискретизируются с частотой, в несколько раз большей, чем частота дискретизации, требуемая, исходя из теоремы Котельникова. Затем следует процесс квантования отсчетов в соответствии с выбранной разрядной сеткой. Каждый аналогово-цифровой преобразователь на аналоговых входах микроконтроллера 25 находится сразу после полосового фильтра, что исключает возникновение всех погрешностей, характерных для аналогового способа обработки сигнала.
Опорный сигнал при этом не оцифровывается и может быть представлен двумя уровнями: единицы и нуля. Такая схема не требует точного фазирования, т.е. ошибка временного положения опорного сигнала может составлять примерно половину длительности интервала дискретизации. Затем следует операция перемножения дискретизированных сигналов с последующим усреднением. Точность вычислений определяется разрядной сеткой и может быть сколь угодно высокой. Также возможно значительное расширение диапазона изменения измеряемых величин. Для обмена информацией с удаленным компьютером в качестве блока приема-передачи данных 26 может быть выбрана, например, микросхема AMD485.
Основные погрешности при цифровом методе будут определяться погрешностью аналого-цифрового преобразования, причем эти погрешности носят систематический характер и не зависят от температуры, влажности и прочих условий измерения амплитуды сигнала. Плоская конструкция бесщеточного двигателя 7, питаемого от источника постоянного тока, вносит минимум помех. (В качестве двигателя может быть использована, например, модель серии ЕС32 фирмы MAXON с номинальной мощностью на валу 6 ватт). Скорость вращения задается блоком стабилизации скорости вращения двигателя 9, в качестве которого может быть использован, например, контроллер двигателя 1-Q-EC Amplifier DEC 24/1, и поддерживается постоянной при изменении температуры и механической нагрузки.
Расстояние между экранирующей и измерительными пластинами выбирается минимальным, а края экранирующей пластины лежат в плоскости края корпуса. Такая конструкция с учетом конической формы обеспечивает при большой скорости вращения двигателя минимальное попадание осадков внутрь корпуса. Капли дождя и снег отбрасываются лопастями экранирующей пластины от корпуса. Для этого края лопастей слегка повернуты.
x
y
z
В заявляемом устройстве применены технические решения, позволяющие, в отличие от прототипа одновременно измерять сразу три взаимно перпендикулярные составляющие электрического поля (иллюстрируется фиг.3). В общем случае вектор Е электрического поля направлен под углом к горизонту и имеет три взаимно перпендикулярные составляющие - E, E, E. Если датчик установлен горизонтально, то они соответствуют двум горизонтальным и вертикальной составляющим поля. На фиг.3 представлена картина, рассматриваемая в плоскости XOZ. (В плоскости YOZ картина будет аналогичной).
1
3
1
3
x
z
Рассмотрим составляющие поля в противоположно расположенных измерительных пластинах и заземленной поверхности корпуса-основания под ними. Поскольку геометрические размеры датчика невелики, то вектор Е можно считать одинаковым в обоих случаях. На выходах первого 18 и третьего 20 полосовых фильтров будут напряжения U и U, соответствующие результатам измерения, и определяющиеся величиной вектора Е и его ориентацией относительно угла образующей конических поверхностей. Каждое из напряжений U и U содержит доли, соответствующие величине составляющих Е и E. (Если образующая конических поверхностей имеет угол к вертикали, равный 45°, то эти доли будут одинаковые. Если в конкретной конструкции образующая будет наклонена под другим углом, то и соотношение между долями будет другое, но постоянное для данной конструкции. Его нетрудно учесть выбором коэффициентов передачи вычитателей и сумматора).
z
1
3
x
1
3
При этом вертикальные составляющие E одинаково направлены для обеих измерительных пластин и имеют равную величину, поэтому и их доли в напряжениях U и U будут одинаковые по величине и знаку. Горизонтальные же составляющие Е в обеих пластинах одинаковые по величине, но противоположные по знаку. Поэтому и их доли в напряжениях U и U будут одинаковы по величине, но с разными знаками.
z
x
В результате после вычитания в первом вычитателе 22 доли вертикальной составляющей E взаимно вычтутся и не будут влиять на результаты измерения. А доли горизонтальной составляющей сложатся и разностный сигнал будет пропорционален только величине Е. В сумматоре же 24 взаимно вычтутся доли горизонтальной составляющей, а сложатся доли вертикальной составляющей.
y
z
y
y
x
y
z
Аналогичные процессы в паре измерительных пластин 3 и 5, измеряющих составляющие E и E и в соответствующих трактах измерения. Во втором вычитателе 23 образуется напряжение, пропорциональное составляющей E, а в сумматоре доли составляющей, соответствующие E, взаимно вычтутся. Таким образом, на выходах первого и второго вычитателей и сумматора одновременно образуются напряжения, пропорциональные измеряемым составляющим электрического поля Е, E и E.
Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет повысить универсальность устройства, ускорить и упростить процесс измерения всех составляющих электрического поля.