ПРЕЦИЗИОННЫЙ ФЛЮКСМЕТР

Прецизионный флюксметр относится к области измерительной техники и может быть использован для электрических измерений, в частности, измерения вертикальной составляющей электрического поля Земли.
Физические исследования свойств приземного слоя атмосферы и явлений под земной поверхностью требуют измерения вертикальной составляющей поля вблизи поверхности. Подобные измерения проводятся при различных фундаментальных и прикладных научных исследованиях процессов, происходящих у поверхности Земли и под поверхностью на различных глубинах.
Известны различные устройства, которые измеряют электрическое поле. В одних из них 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 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 пластины, 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 расположенные в одной плоскости шесть секториальных вырезов, над ней вращается плоская экранирующая пластина с такой же конфигурацией вырезов. Оси обеих пластин совпадают. При вращении экранирующей, пластины измерительная пластина периодически экранируется от действия измеряемого геофизического электрического поля, в результате чего в цепи, соединяющей измерительную пластину с землей, возникает переменный ток, который обрабатывается электрической схемой устройства.
Частота вращения вала двигателя 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 в 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 является недостаточная точность измерений при использовании прототипа, особенно при измерении малых значений напряженности полей. Она обусловлена появлением ошибки при измерениях, которая образуется по следующим причинам.
Для защиты от наводок корпус прибора должен изготавливаться из мягкой стали с медным покрытием и последующей окраской порошковой эмалью. Все остальные элементы конструкции нужно делать из легких алюминиевых сплавов с различными антикоррозийными защитами. Однако применение этих материалов ведет к появлению дополнительной погрешности. Как известно, при соединении разнородных проводящих материалов в месте их контакта возникает контактная разность потенциалов. Поэтому, какие бы материалы для изготовления измерительной и экранирующей пластин флюксметра ни применялись, и как бы ни был надежен контакт между осью привода и землей, всегда, даже в отсутствии внешнего поля, на измерительной пластине будет генерироваться сигнал, интенсивность которого будет определяться суммарной контактной разностью потенциалов в системе земля - экранирующая пластина.
Этот сигнал изменяется во времени вместе с температурой, влажностью и химическим составом электролита в месте контакта. Его амплитуда, и соответственно вносимая погрешность, зависит от многих причин, в частности частоты прерывания экспонирующего поля, площади пластин, расстояния между ними, чувствительности флюксметра, и т.д. Если стационарную компоненту этой погрешности можно частично снизить тщательным подбором применяемых материалов, то нестационарная (динамическая) часть трудно поддается контролю, что не всегда возможно при эксплуатации прибора. Это значительно ухудшает точностные показатели измерения поля.
Задачей данной полезной модели является повышение точности измерения напряженности электрического поля за счет компенсации факторов, вызывающих появление ошибки.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее экранирующую пластину, измерительную пластину, изоляторы, корпус-основание, двигатель, маркированный маховик, источник подсветки, первый фотодиод, первую мостовую схему, первый пороговый блок, усилитель тока, первый полосовой фильтр, микроконтроллер, блок приема-передачи данных и блок стабилизации скорости вращения двигателя, введены второй фотодиод, вторая мостовая схема, второй пороговый блок, второй полосовой фильтр, интегратор, перемножитель и опорный контакт, при этом экранирующая пластина электрически изолирована от корпуса-основания и электрически соединена и опирается на опорный контакт, расположена на валу двигателя над измерительной пластиной соосно с ней, на валу также укреплен маркированный маховик, вблизи которого расположены источник подсветки и первый и второй фотодиоды, первый фотодиод через первую мостовую схему подключен к первому пороговому блоку, второй фотодиод через вторую мостовую схему подключен ко второму пороговому блоку, выход первого порогового блока соединен с цифровым входом микроконтроллера, а выход второго порогового блока - с одним из входов перемножителя, измерительная пластина и корпус-основание соединены со входами усилителя тока, а его выход через первый полосовой фильтр - с аналоговым входом микроконтроллера и через второй полосовой фильтр - с другим входом перемножителя, выход перемножителя через интегратор подключен к опорному контакту, информационный выход микроконтроллера через блок приема-передачи данных соединен с информационным выходом устройства, а управляющий вход устройства через блок приема-передачи данных соединен с управляющим входом микроконтроллера, вход и выход блока стабилизации скорости вращения двигателя подключены, соответственно, к выходу и входу двигателя, на поверхность маркированного маховика нанесены две кольцеобразные полосы из равномерно чередующихся темных и светлых участков, при этом участки на одной из полос чередуются в два раза чаще, чем на другой полосе, число лопастей экранирующей пластины в два раза больше числа лопастей измерительной пластины, причем лопасти экранирующей пластины попеременно расположены на двух параллельных горизонтальных уровнях.
На чертеже (фиг.1) представлена схема прецизионного флюксметра. На чертеже (фиг.2) представлена конфигурация экранирующей пластины. На чертеже (фиг.3) представлен вид сверху на измерительную пластину. На чертеже (фиг.4) представлены графики, поясняющий процессы обработки сигналов в прецизионном флюксметре.
На фиг.1 обозначены: экранирующая пластина 1; измерительная пластина 2; изоляторы 3 и 4; корпус-основание 5; двигатель 6, маркированный маховик 7; источник подсветки 8; первый 9 и второй 10 фотодиоды; первая 11 и вторая 12 мостовые схемы; первый 13 и второй 14 пороговые блоки; усилитель тока 15; первый 16 и второй 17 полосовые фильтры; микроконтроллер 18; блок приема-передачи данных 19; блок стабилизации скорости вращения двигателя 20; интегратор 21; перемножитель 22; опорный контакт 23; удаленный компьютер 24.
Блоки устройства работают следующим образом.
Частота вращения вала двигателя 6 во время работы устройства остается строго постоянной и контролируется блоком стабилизации скорости вращения двигателя 20. Корпус-основание 5 заземлен. Двигатель 6, укрепленный на корпусе-основании 5, вращает вал с укрепленной на нем и расположенной горизонтально экранирующей пластиной 1, причем вал и экранирующая пластина электрически от корпуса изолированы и опираются на опорный контакт 23, которая крепится на корпусе с помощью изолятора 4. Измерительная пластина 2 неподвижно укреплена на корпусе-основании с помощью изоляторов 3, и расположена горизонтально и соосно с экранирующей пластиной 1. Измерительная пластина имеет в центре отверстие, через которое проходит вал двигателя, не касаясь пластины, т.е. измерительная пластина изолирована и от корпуса, и экранирующей пластины.
Экранирующая пластина 1 выполнена с одинаковыми по ширине шестью секторальными лопастями (показана на фиг.2). Их ширина составляет 30°. Секториальные лопасти экранирующей пластины лежат в двух параллельных плоскостях, расположенных близко одна от другой, причем лопасти, лежащие в одной из плоскостей, чередуются с лопастями, лежащими в другой плоскости.
Измерительная пластина 2 выполнена с тремя равномерно расположенными по кругу секториальными лопастями, ширина которых такая же, как и у экранирующей пластины, и равна 30°. (Вид сверху показан на фиг.3). Все лопасти измерительной пластины расположены в одной плоскости.
На валу двигателя расположен маркированный маховик 7, на который нанесены две кольцевые полосы, состоящие из чередующихся темных и светлых участков одинаковой ширины. На одной из полос имеется шесть темных и шесть светлых участков, угловое расположение их середин соответствует угловому расположению середин секториальных лопастей экранирующей пластины таким образом, чтобы темные (либо светлые) участки располагались в точности под лопастями. На другой полосе расположены три темных и три светлых участка равной ширины. Угловое расположение их середин соответствует угловому расположению середин лопастей экранирующей пластины таким образом, чтобы темные участки располагались под нижними тремя лопастями экранирующей платины, а светлые участки располагались под верхними лопастями экранирующей пластины. (Либо наоборот, светлые участки располагались под верхними лопастями, а темные участки - под нижними лопастями).
Вблизи от маховика расположен источник подсветки 8, который может быть выполнен в виде инфракрасного светодиода, и излучением которого подсвечиваются обе полосы на маркированном маховике 7. Также вблизи от маховика расположен первый 9 и второй 10 фотодиоды. На каждый из них падает излучение источника подсветки 8, отраженное от одной из полос на поверхности маховика 7. (На фиг.1 - отраженное излучение от полосы с шестью темными участками падает на первый фотодиод 9, а излучение от полосы с тремя темными участками падает на второй фотодиод.)
При вращении вала двигателя 6 цвет полос на поверхности маркированного маховика 7 чередуется и в зависимости от этого в фотодиоды 9 и 10 попадает большее или меньшее количество света от источника подсветки 8, отраженного полосами. В результате синхронно с этим меняется уровень сигналов в фотодиодах. Эти сигналы выделяются в первой 11 и второй 12 мостовых схемах, и в первом 13 и втором 14 пороговых блоках из них формируются бинарные выходные сигналы, соответствующие цвету каждой полосы на маховике в данный момент времени. После этого выходной сигнал первого порогового блока 13 подается на цифровой вход микроконтроллера 18. Выходной сигнал второго блока подается на один из входов перемножителя 22.
Заряды переменной величины с измерительной пластины, перемещаясь, образуют электрический ток, который поступает в усилитель тока 15 с малым внутренним сопротивлением, где усиливается и преобразуется в напряжение. Усиленный сигнал меняется с частотой, определяемой скоростью вращения экранирующей пластины 1, количеством и расположением секториальных вырезов на ней. Эти параметры выбираются так, чтобы эта частота была некратна промышленной частоте 50 герц.
Далее выходной сигнал усилителя тока 12 проходит через первый полосовой фильтр 16 и второй полосовой фильтр 17. Центральная частота полосы пропускания первого полосового фильтра 16 равна основной частоте изменения уровня сигнала с измерительной пластины, при этом полоса пропускания расположена между значениями гармоник промышленной частоты, тем самым фильтр очищает измерительный сигнал от этих гармоник. Центральная частота полосы пропускания второго полосового фильтра 17 в два раза меньше центральной частоты полосы пропускания первого полосового фильтра 16. Полоса пропускания второго полосового фильтра также расположена между значениями гармоник промышленной частоты,
Сигнал с выхода первого полосового фильтра 16 поступает на аналоговый вход микроконтроллера 18, где осуществляется аналого-цифровое преобразование. Далее измерительный сигнал в цифровом виде перемножается в микроконтроллере на опорный сигнал, поступающий с выхода первого порогового блока 13 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 19, а с его выхода - на выход устройства. Блок приема-передачи данных используется для связи с удаленным компьютером 24 и передачи туда результатов измерения.
Удаленный компьютер 24 через управляющий вход устройства соединен с входом блока приема-передачи данных 19, и через него при необходимости передаются управляющие команды на микроконтроллер 18.
Сигнал с выхода второго полосового фильтра 17 поступает на другой вход перемножителя 22, а с его выхода - на вход интегратора 21. Если напряжение на входе интегратора отличается от нуля, то его выходное напряжение начинает изменяться. Изменение происходит до тех пор, пока входное напряжение интегратора не станет нулевым. Направление изменения выходного напряжения зависит от знака коэффициента передачи интегратора и выбирается таким образом, чтобы уменьшить уровень переменного сигнала с выхода второго полосового фильтра 17. (Например, если положительное значение цифрового сигнала с выхода второго порогового блока 14 соответствует прохождению нижних лопастей экранирующей пластины над лопастями измерительной пластины, а отрицательное значение цифрового сигнала с выхода второго порогового блока соответствует прохождению верхних лопастей экранирующей пластины над лопастями измерительной пластины, то среднее значение напряжения на выходе перемножителя 22 будет положительным. При этом выходной сигнал интегратора должен уменьшаться. Если же среднее значение выходного напряжения перемножителя будет отрицательным, то выходное напряжение интегратора должно возрастать).
Выходное напряжение интегратора поступает на опорный контакт 23, таким образом, потенциал экранирующей пластины складывается из суммы выходного напряжения интегратора и паразитного потенциала, возникающего из-за контактной разности потенциалов.
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 прецизионного флюксметра преобразовывает измеряемое электрическое поле в быстро меняющееся переменное. Преобразование поля осуществляется механическим способом за счет вращения лопастей, напоминающих крылья ветряной мельницы.
За счет энергии электромотора лопасти экранирующей пластины «режут» силовые линии измеряемого электрического поля. Так как измерительная пластина при этом находится в переменном электрическом поле, в ней индуцируются заряды, движение которых воспринимается усилителем тока. Форма напряжения на выходе усилителя тока определяется его входным сопротивлением и близка к синусоидальной. В отсутствии измеряемого внешнего электрического поля (например, при полной экранировке прибора), на выходе усилителя будет наблюдаться сигнал, величина которого, определяется разностью потенциалов между экранирующей и измерительной пластинами, зависящей от контактной разности потенциалов между экранирующей пластиной и землей. Этот значительно снижает чувствительность флюксметра.
Для увеличения чувствительности в заявляемом устройстве применена более сложная форма поверхности экранирующей пластины, чем в прототипе, и, соответственно, более сложная обработка измерительного сигнала. Для пряснения принципа работы рассмотрим схематическое форму сигнала на выходе измерительной пластины (на фиг.4 - график 1).
Измеряемая напряженность геофизического поля образует между измерительной пластиной 2 и корпусом-основанием 5 разность потенциалов U1, пропорциональную этой напряженности. А между экранирующей пластиной и корпусом-основанием присутствует контактная разность потенциалов. Эта разность потенциалов и является источником ошибок измерения. Напряженность электрического поля в промежутке между корпусом-основанием и экранирующей пластиной пропорциональна подобной разности потенциалов и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами и корпусом-основанием.
Измеряемая напряженность геофизического поля воспринимается усилителем тока 15 в моменты времени, когда лопасти измерительной пластины не закрываются лопастями экранирующей пластины. А в моменты, когда лопасти измерительной пластины закрываются лопастями экранирующей пластины, усилитель тока воспринимает один из двух вариантов напряженности от наводимой разности потенциалов в зависимости от того, какие из пластин (более близкие или более удаленные) в данный момент находятся над лопастями измерительной пластины.
2
3
3
2
1
2
1
3
1
2
3
Пусть в соответствующих ситуациях (когда лопасти экранирующей пластины находятся над лопастями измерительной пластины) на входе усилителя тока образуются напряжения U или U, причем |U|>|U|. Тогда на выходе усилителя тока (график 2 на фиг.4) образуется сигнал, размах которого пропорционален либо U-U, либо U-U в зависимости от рассматриваемого периода. А если бы не было наводимой разности потенциалов, то этот сигнал должен бы быть пропорциональным U, т.е. добавки U и U представляют собой ошибку, вносимую в измерения.
1
ПФ1
1
2
3
ПФ2
3
1
2
1
Сигнал с выхода усилителя тока содержит две основные частотные составляющие. Одна из них равна f - частоте перекрытия лопастей измерительной пластины лопастями экранирующей пластины. Ее размах пропорционален величине U=U-0,5(U+U). Другая частотная составляющая U обусловлена тем, что измерительную пластину попеременно действует поле от наводимой разности потенциалов различной величины от лопастей экранирующей пластины, расположенных от лопастей измерительной пластины на разном расстоянии. Она изменяется в два раза медленнее, чем основная частота, ее уровень пропорционален U-U, a частота равна f=0,5f.
1
2
Эти составляющие выделяются первым полосовым фильтром 16, настроенным на частоту f, и вторым полосовым фильтром 17, настроенным на частоту f.
ПФ2
2
И
Выходной сигнал второго полосового фильтра U в перемножителе 22 умножается на цифровой сигнал с выхода второго порогового блока 14, который также имеет частоту f. Среднее значение результата перемножения зависит от того, синфазны или противофазны перемножаемые сигналы. Если они синфазны, знак результата перемножения положителен, если противофазны - отрицателен. Интегратор 21 вырабатывает выходное напряжение U, пропорциональное интегралу от полученного среднего значения и с его помощью осуществляется компенсация наводимой разности потенциалов.
2
3
1
1
И
1
И
Пусть цифровой сигнал, который вырабатывается цепочкой «второй фотодиод 10 - вторая мостовая схема 12 - второй пороговый блок 14» таковой, что его положительное значение соответствует перекрытию лопастей измерительной пластины более приближенными лопастями экранирующей пластины, а отрицательный сигнал - ее более удаленными лопастями. Тогда, если сигналы на входах перемножителя 22 синфазны, то знак обоих напряжений U и U - положителен. В этом случае знак коэффициента передачи интегратора выбирается отрицательным, и пока на его входе присутствует положительное напряжение, выходной сигнал интегратора уменьшается, сдвигаясь в область отрицательных напряжений. Он поступает на опорный контакт 23 и с него - на экранирующую пластину. Там он вычитается из наведенного контактного потенциала Ф т.е. на экранирующей пластине становится результирующий потенциал, равный Ф-U. А поскольку напряжение на выходе интегратора становится все более отрицательным, то разность Ф-U все время уменьшается, пока не приблизится к нулю.
2
3
Поскольку напряжения U и U пропорциональны этой разности, то при этом их величина также будет близкой к нулю, в результате входное напряжение интегратора станет нулевым и процесс изменения его выходного сигнала остановится.
2
3
Если сигналы на входах перемножителя противофазны, это означает, что напряжения U и U отрицательные. В этом случае выходной сигнал интегратора будет изменяться в положительном направлении и также постепенно скомпенсирует наведенный потенциал. Если коэффициент передачи при практической реализации цепочки «второй фотодиод 10 - вторая мостовая схема 12 - второй пороговый блок 14» выбран таким, что положительное напряжение выходного сигнала второго порогового блока соответствует перекрытию измерительных лопастей более удаленными экранирующими лопастями, то интегратор должен увеличивать свой выходной сигнал при поступлении на его вход положительного напряжения.
2
3
1
2
3
1
Таким образом, интегратор постоянно компенсирует наведенную разность потенциалов, отслеживая ее возможные изменения. А поскольку в результате при этом напряжения U и U оказываются близкими к нулю, то на выходе первого полосового фильтра 16 размах напряжения будет равен U-0,5(U+U)=U, т.е. основная ошибка из-за контактной разности потенциалов оказывается скомпенсированной.
Усилитель тока 15 имеет входное сопротивление много меньше, чем сопротивление источника сигнала, следовательно, требования к качеству изоляторов, на которых крепится 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).
В микроконтроллере 18 гармонический сигнал с первого полосового фильтра 16 дискретизируется 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. Аналогово-цифровой преобразователь на аналоговом входе микроконтроллера находится сразу после полосового фильтра, что исключает возникновение всех погрешностей, характерных для аналогового способа обработки сигнала. (В качестве микроконтроллера может быть выбран, например, микроконтроллер PIC 18F4550).
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 24 в качестве блока приема-передачи данных 19 может быть выбрана, например, микросхема AMD485.
Плоская конструкция бесщеточного двигателя 6, 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 20, 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 измерительной пластинами выбирается минимальным, а верхние лопасти экранирующей пластины лежат в плоскости верхнего края корпуса. Такая конструкция обеспечивает при большой скорости вращения двигателя минимальное попадание осадков на дно корпуса. Капли дождя и снег отбрасываются лопастями экранирующей пластины от корпуса. Для этого лопасти слегка повернуты в горизонтальной плоскости.
Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет устранить основные погрешности измерения электрического поля и повысить точность измерения.