Способ измерения напряженности электростатического поля
METHOD OF MEASURING STRENGTH OF ELECTROSTATIC FIELD

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для измерения напряженности постоянных электрических полей как объектов промышленного и лабораторного назначения, так и объектов, находящихся в атмосфере.
Известен способ измерения электростатического поля (см. патент №2501029, G01R 29/12, опубликовано 10.12.2013, бюл. №34), заключающийся в том, что 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 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.
Недостатком этого способа является недостаточная точность измерения электрического поля из-за необходимости введения калибровочных коэффициентов, учитывающих наличие паразитных зарядов на элементах конструкции. При изменении внешних условий работы (например, температуры, влажности и т.п.) параметры калибровочной характеристики могут меняться и требовать дополнительной коррекции.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения напряженности электрического поля (см. патент №2445639, МПК G01R 29/12, опубликовано 20.03.2012 г., бюл. №8) путем проведения амплитудно-импульсной модуляции его величины при помощи помещенного в исследуемое поле электромеханического модулятора, и регистрации промодулированного сигнала, по величине которого определяют напряженность электрического поля. Форму и скважность выходного сигнала модулятора выбирают с возможностью максимизации уровня одной из кратных гармоник сигнала, которая лежит за пределами полосы электромагнитных помех, для чего, при выбранной форме выходного сигнала, изменяют его скважность, проводят спектральный анализ выходного сигнала модулятора для разных значений скважности, получают зависимости спектральных коэффициентов разложения выходного сигнала модулятора от скважности импульсов выходного сигнала, при необходимости корректируют форму сигнала, а регистрацию промодулированного сигнала проводят на частоте, кратной гармонике частоты модуляции.
Недостатком этого способа является необходимость модуляции величины исследуемого электрического поля и изменение скважности выходного сигнала модулятора, что приводит к дополнительным погрешностям при определении напряженности исследуемого электрического поля.
Задачей данного изобретения является повышение точности измерения напряженности электростатического поля при наличии электромагнитных помех.
Это достигается тем, что в способе, включающим проведение спектрального анализа сигнала, получаемого от датчика, например антенны, помещенной в электростатическое поле, дополнительно проводят спектральный анализ фонового электромагнитного поля, полученного от второй антенны, помещенной вне электростатического поля. После этого сравнивают спектральные характеристики сигналов от первой и второй антенны и по их различию судят о величине напряженности электростатического поля.
В предлагаемом способе измерения напряженности электростатического поля результат достигается тем, что в контролируемой точке, где существует кроме электростатического еще и фоновое электромагнитное поле, помещают датчик, например антенну, которая принимает электромагнитное поле, являющееся суперпозицией фонового электромагнитного поля и собственного электромагнитного поля антенны, создаваемого микро токами вещества этой антенны, и проводят спектральный анализ сигнала этой антенны, с характеристиками, зависящими от напряженности внешнего электростатического поля. При этом дополнительно проводят спектральный анализ фонового электромагнитного поля, полученного от антенны, которая помещена вне электростатического поля и принимает только фоновое электромагнитное поле. После чего сравнивают спектральные характеристики сигналов от первой и второй антенны, откуда и получают информацию о величине напряженности внешнего электростатического поля без воздействия на него. В то время как в известном способе при измерении напряженности электростатического поля необходимо применять в качестве датчика электромеханический модулятор для амплитудной модуляции электростатического поля, а также изменять скважность полученного промодулированного сигнала с последующей спектральной обработкой при каждой скважности, что приводит к дополнительным погрешностям при определении напряженности электростатического поля. Таким образом, точность измерения напряженности электростатического поля заявленного изобретения выше по сравнению с прототипом.
На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, на фиг. 2 - график результатов экспериментальной проверки.
Устройство состоит из двух идентичных каналов и содержит датчик 1, широкополосный усилитель 2 первого канала, аналого-цифровой преобразователь 3 первого канала, цифровую память 4 первого канала, второй датчик 5, широкополосный усилитель 6 второго канала, аналого-цифровой преобразователь 7 второго канала, цифровую память 8 второго канала, электронно-вычислительную машину 9.
Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом. Датчик 1 принимает электромагнитное поле, находясь в электростатическом поле, и передает сигнал на широкополосный усилитель 2 первого канала, который его усиливает и передает на вход аналого-цифрового преобразователя 3 первого канала, который оцифровывает сигнал и со своего выхода передает его в цифровую память 4 первого канала. В то же самое время датчик 5, находясь вне электростатического поля, принимает фоновое электромагнитное поле и передает сигнал на широкополосный усилитель 6 второго канала, который усиливает сигнал и передает его на вход аналого-цифрового преобразователя 7 второго канала, который оцифровывает сигнал и со своего выхода передает его в цифровую память 8 второго канала. После набора необходимого количества информации с выходов цифровой памяти 4 первого канала и цифровой памяти 8 второго канала эта информация передается в электронно-вычислительную машину 9, где обрабатывается по соответствующей программе, например, по методу Фурье-анализа.
1
2
1
2
Пример. Экспериментальная проверка предлагаемого способа была проведена следующим образом: первая антенна помещалась между двумя параллельными металлическими пластинами, между которыми создавалось электростатическое поле напряженностью Е. Изменение напряженности достигалось изменением напряжения, подаваемого на пластины. Вторая антенна помещалась вне металлических пластин. Результаты испытаний приведены на рисунке (фиг. 2), где Е - напряженность электрического поля в В/см, Ф(t) - трансформанта Фурье первой антенны, Ф(t) - трансформанта Фурье второй антенны, F=С Ф/Ф - относительная трансформанта Фурье первой антенны по отношению ко второй, здесь С - константа установки. Из рисунка следует, что относительная трансформанта Фурье первой антенны по отношению ко второй линейно возрастает с ростом напряженности электростатического поля.