КОМПЕНСАЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ФЛЮКСМЕТР
COMPENSATORY ELECTROSTATIC FLUXMETER

Компенсационный электростатический флюксметр относится к области измерительной техники и может быть использован для электрических измерений, в частности, измерения вертикальной составляющей электрического поля.
При изучении атмосферного электрического поля Земли, электрических полей в приземном слое и под земной поверхностью требуются измерения вертикальной составляющей 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 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 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.
Недостатком устройства-прототипа является недостаточная точность, надежность и диапазон измерения электрического поля. Это обусловлено тем, что усилитель тока, измеряющий величину переменных зарядов на измерительной пластине, работает с крайне малыми значениями этой величины. Здесь дополнительно ухудшают точность измерения паразитные заряды на элементах конструкции. Кроме того, для каждого экземпляра флюксметра необходимо осуществлять отдельную калибровку измерительного тракта, т.е. измерять зависимость между напряженностью поля и величиной напряжения на выходе измерительного тракта, которое поступает на аналоговый вход микроконтроллера. Эта калибровочная зависимость при вычислениях в микроконтроллере должна корректировать результаты измерений. Подобная калибровочная зависимость должна периодически обновляться из-за ухода параметров достаточно чувствительного измерительного тракта. При изменении внешних условий работы (например, температуры, влажности и т.п.) параметры калибровочной характеристики также могут меняться и потребовать дополнительной коррекции.
В результате известные устройства имеют недостаточные точность, надежность и диапазон измерения электрического поля.
Задачей данного изобретения является повышение точности, надежности и диапазона измерения электрического поля.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее экранирующую пластину, измерительную пластину, изоляторы, корпус-основание, двигатель, усилитель тока, маркированный маховик, источник подсветки, фотодиод, мостовую схему, пороговый блок, полосовой фильтр, блок приема-передачи данных и блок стабилизации скорости вращения двигателя, введены сетка, дополнительные изоляторы, синхронный детектор, интегратор, регулируемый источник напряжения и аналого-цифровой преобразователь, при этом экранирующая пластина электрически соединена с корпусом-основанием и расположена в нем на валу двигателя над измерительной пластиной соосно с ней, на валу также укреплен маркированный маховик, вблизи которого расположены источник подсветки и фотодиод, который через последовательно соединенные мостовую схему и пороговый блок подключен к одному из входов синхронного детектора, измерительная пластина и экранирующая пластина соединены со входами усилителя тока, а его выход через полосовой фильтр - с другим входом синхронного детектора, выход аналого-цифрового преобразователя через блок приема-передачи данных соединен с информационным выходом устройства, вход и выход блока стабилизации скорости вращения двигателя подключены, соответственно, к выходу и входу двигателя, причем лопасти экранирующей пластины несколько повернуты в горизонтальной плоскости, сетка на дополнительных изоляторах укреплена на корпусе-основании в непосредственной близости от экранирующей пластины, выход синхронного детектора через интегратор подключен к управляющему входу регулируемого источника напряжения, а его выход подключен к сетке и ко входу аналого-цифрового преобразователя.
На чертежах представлены: на фиг.1 - конструкция и структурная схема электростатического флюксметра; на фиг.2 - вид сверху со стороны сетки и экранирующей пластины.
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; фотодиод 9; мостовая схема 10; пороговый блок 11; усилитель тока 12; полосовой фильтр 13; синхронный детектор 14; интегратор 15; блок приема-передачи данных 16; удаленный компьютер 17; блок стабилизации скорости вращения двигателя 18; сетка 19; дополнительные изоляторы 20 и 21; регулируемый источник напряжения 22; аналого-цифровой преобразователь 23.
На фиг 2 обозначены: экранирующая пластина 24; измерительная пластина 25; сетка 26.
Блоки устройства работают следующим образом.
Частота вращения вала двигателя 6 во время работы устройства остается строго постоянной и контролируется блоком стабилизации скорости вращения двигателя 18. 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 заземлены. Измерительная пластина 2 неподвижно укреплена на корпусе-основании с помощью изоляторов 3,4 и расположена горизонтально в непосредственной близости от экранирующей пластины 1 соосно с ней. Измерительная пластина имеет в центре отверстие, через которое проходит вал двигателя, не касаясь пластины, т.е. измерительная пластина изолирована от корпуса и экранирующей пластины. Обе пластины 1 и 2 с выполнены одинаковыми и одинаково расположенными шестью секториальными вырезами. (Вид сверху показан на фиг.2).
На валу двигателя расположен маркированный маховик 7, на который нанесены шесть черных и шесть белых полос одинаковой ширины. Цвет полос чередуется. Вблизи от маховика расположен источник подсветки 8, который может быть выполнен в виде инфракрасного светодиода и излучением которого подсвечиваются черные и белые полосы на маркированном маховике 7. Также вблизи от маховика расположен фотодиод 9, на который падает излучение источника подсветки 8, отраженное от поверхности маховика, покрытой черными и белыми полосами.
При вращении вала двигателя 6 цвет полос на поверхности маркированного маховика 7 чередуется и в зависимости от этого в фотодиод 9 попадает большее или меньшее количество света от источника подсветки 8, отраженного полосами. В результате синхронно с этим меняется уровень сигнала в фотодиоде. Этот сигнал выделяется в мостовой схеме 10, и в пороговом блоке 11 из него формируется бинарный выходной сигнал, соответствующий цвету полосы на маховике в данный момент времени, после чего он подается на один из входов синхронного детектора 14.
Заряды переменной величины с измерительной пластины, перемещаясь, образуют электрический ток, который поступает в усилитель тока 12 с малым внутренним сопротивлением, где усиливается и преобразуется в напряжение. Усиленный сигнал имеет частоту, определяемую скоростью вращения экранирующей пластины 1 и количеством 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 полосовой фильтр 13. Его полоса пропускания расположена между значениями гармоник промышленной частоты, тем самым фильтр очищает измерительный сигнал от этих гармоник.
Сигнал с выхода полосового фильтра поступает на другой вход синхронного детектора 14, где осуществляется его перемножение с выходным сигналом порогового блока 11. Результат перемножения интегрируется в интеграторе 15 и управляет перестройкой выходного напряжения на выходе регулируемого источника напряжения 22. Это выходное напряжение пропорционально выходному напряжению интегратора.
Выходное напряжение регулируемого источника напряжения 22 подается на металлическую сетку 19. Она укреплена на корпусе-основании 5 на дополнительных изоляторах 20 и 21 и выполнена однослойной из тонкой проволоки с отверстиями значительного размера, такими, чтобы большая доля внешнего природного электростатического поля, напряженность которого нужно измерять, проходила сквозь нее. Форма ячеек сетки произвольная. Сетка расположена горизонтально и параллельно экранирующей пластине, не касаясь ее. (Вид сверху со стороны экранирующей пластины с вариантом квадратных ячеек сетки представлен на фиг.2)
Напряжение, подаваемое на сетку 19 от регулируемого источника напряжения 22, создает дополнительную напряженность электрического поля в области измерения между корпусом-основанием и измерительной пластиной. Эта напряженность накладывается на напряженность природного поля, измеритель измеряет их сумму. Выходной сигнал синхронного детектора 14 пропорционален этой сумме. Он интегрируется интегратором 15, который изменяет выходное напряжение регулируемого источника напряжения 22 таким образом, чтобы эта сумма уменьшалась, и перестает перестраиваться, когда эта сумма становится близкой к нулю. При этом дополнительная напряженность электростатического поля, созданная сеткой 19 полностью уравновешивает напряженность природного электростатического поля.
Эта дополнительная напряженность прямо пропорциональна напряжению на сетке, и коэффициент пропорциональности постоянен и известен заранее. Также доля внешнего поля, проникающая сквозь сетку пропорциональна величине внешнего поля, эта доля тоже известна заранее, так как определяется только геометрическими особенностями конструкции. Таким образом, напряжение на выходе регулируемого источника напряжения 22 после окончания уравновешивания также прямо пропорционально измеряемой напряженности внешнего природного электростатического поля, причем коэффициент пропорциональности постоянен и известен заранее.
Напряжение на выходе регулируемого источника напряжения 22 подается на аналого-цифровой преобразователь 23 и далее информация о результатах измерения в оцифрованном виде через блок приема-передачи данных 16 передается на удаленный компьютер 17 для дальнейшего использования.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Электростатическое поле природного происхождения и дополнительное электростатическое поле, создаваемое сеткой 19 в промежутке между измерительной пластиной 2 и корпусом-основанием 5 складываются или вычитаются в зависимости от их знаков. Знак напряжения на сетке с помощью регулируемого источника напряжения 22 создается таким, чтобы эти напряженности взаимно вычитались.
Постоянно измеряется разница между напряженностью природного электростатического поля и дополнительной напряженностью электростатического поля, создаваемого сеткой. Величина напряженности дополнительного поля изменяется с помощью интегратора 15 до тех пор, пока не произойдет полная компенсация одного поля другим. Эта компенсация означает, что в промежутке между измерительной пластиной 2 и корпусом-основанием 5 величина электростатического поля стала близкой к нулю. Поскольку коэффициент пропорциональности между измеряемой напряженностью внешнего природного поля и напряженностью в промежутке измерительной пластиной 2 и корпусом-основанием 5 определяются только конструктивными размерами (они постоянны и известны) и коэффициент пропорциональности между напряжением на сетке 19 и напряженностью в этом промежутке по тем же причинам также известен и постоянен, то напряжение на сетке 19 несет всю необходимую информацию о напряженности природного поля, поскольку пропорционально ему с известным коэффициентом пропорциональности.
Уровень напряженности электростатического поля в промежутке между измерительной пластиной 2 и корпусом-основанием 5 измеряется следующим образом. В основу измерения 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 компенсационного электростатического флюксметра преобразовывает измеряемое электрическое поле в быстро меняющееся переменное, которое воздействует на измерительный электрод. 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 отсутствие 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 электростатического флюксметра. Опорный генератор используется для определения знака направления поля.
В заявляемом устройстве осуществлен ряд технических решений, позволяющих повысить его показатели по сравнению с аналогичными устройствами. Усилитель тока 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 напряжение 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).
Для обмена информацией с удаленным компьютером в качестве блока приема-передачи данных может быть выбрана, например, микросхема AMD485. Плоская конструкция бесщеточного двигателя, 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, 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 экранирующая пластина лежит 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. Усилитель тока 12 располагается в непосредственной близости от датчика - измерительной пластины 2, что убирает помехи, воздействующие на наиболее чувствительные участки тракта передачи измерительной информации. Выбором частоты вращения и количества секториальных вырезов экранирующей 1 и измерительной 2 пластин, а также ширины и расположения полосы пропускания полосового фильтра 13 убирается воздействие мощных сетевых помех промышленной частоты, что позволяет расширить применение компенсационного электростатического флюксметра, особенно в промышленных районах. Применяемый тип двигателя также не вносит дополнительных помех.
В отличие от прототипа для целей измерения в предлагаемом компенсационном электростатическом флюксметре не нужна калибровочная характеристика тракта измерения «измерительная пластина - усилитель тока - полосовой фильтр». Для измерения достаточно только определять больше или меньше создаваемое дополнительное поле, чем природное в промежутке «измерительная пластина - корпус основание», тем самым устраняется одна из главных причин ухудшения точности и надежности измерений, кроме того расширяется динамический диапазон возможного изменения измеряемой величины.
Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет повысить точность и надежность измерения электрического поля и расширить диапазон измерения.