ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Измеритель электрического поля относится к области измерительной техники и может быть использован для электрических измерений, в частности, измерения вертикальной составляющей электрического поля Земли.
При изучении атмосферного электрического поля Земли и 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 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 является недостаточная чувствительность прототипа, вызванная небольшой площадью измерительных пластин. Их размеры должны соответствовать размеру вращающихся экранирующих пластин. Из-за того, что экранирующие пластины находятся в постоянном вращении, их площадь не может практически быть сделана достаточно большой. В связи с этим при измерении электростатических полей малого уровня переменные заряды, появляющиеся на измерительных пластинах, также малы и не могут быть измерены с необходимой точностью.
Задачей данной полезной модели является повышение чувствительности и точности измерения электрического поля.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее корпус-основание, первую измерительную пластину, изоляторы, первый усилитель тока, полосовой фильтр, микроконтроллер, блок приема-передачи данных и удаленный компьютер, введены вторая измерительная пластина, первая и вторая сетки, первый и второй генераторы, инвертор, второй усилитель тока, усилитель сигнала, сумматор и коммутатор, при этом над заземленным корпусом-основанием с помощью изоляторов закреплены первая и вторая измерительные пластины, а над ними с помощью изоляторов - первая и вторая сетки, выход первого генератора подключен к первой сетке и через инвертор - ко второй сетке, первые входы первого и второго усилителей тока соединены с корпусом-основанием, второй вход первого усилителя тока соединен с первой измерительной пластиной, а второй вход второго усилителя тока соединен со второй измерительной пластиной, выходы первого и второго усилителей тока подключены ко входам сумматора, а его выход - к сигнальному входу коммутатора, выход которого через последовательно соединенные усилитель сигнала и полосовой фильтр соединен с аналоговым входом микроконтроллера, 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, выход второго генератора подключен к управляющему входу коммутатора и к цифровому входу микроконтроллера.
На чертежах представлены: на фиг.1 - структурная схема измерителя электрического поля; на фиг.2 - графики, поясняющие принцип работы измерителя электрического поля.
На фиг.1 обозначены: корпус-основание 1; первая 2 и вторая 3 измерительные пластины, первая 4 и вторая 5 сетки, изоляторы 6, 7, 8; усилитель сигнала 9; первый 10 и второй 11 генераторы; инвертор 12; сумматор 13; коммутатор 14; полосовой фильтр 15; микроконтроллер 16; блок приема-передачи данных 17; первый 18 и второй 19 усилители тока; удаленный компьютер 20.
На фиг.2 обозначены графики, иллюстрирующие: изменение электрического поля в районе расположения первой 21 и второй 22 измерительных пластин; изменение напряжения на выходах первого 23 и второго 24 усилителей тока и на выходе 24 сумматора.
Блоки устройства работают следующим образом.
1
1
Г
Г
Г
Г
Первый генератор 10 вырабатывает переменный сигнал прямоугольной формы с нулевым средним и с частотой f (меандр). (В течение первой половины периода в интервале времени 1/2f он равен U, в течение второй половины периода он равен - U). В инверторе 12 знак выходного напряжения первого генератора 10 изменяется на противоположный, т.е., когда на выходе первого генератора 10 напряжение равно U, то на выходе инвертора 12 в те же моменты времени оно равно -U, и наоборот.
0
Эти напряжения подаются на первую 4 и вторую 5 сетки соответственно. Сетки укреплены с помощью изоляторов 6, 7, 8 горизонтально на горизонтально расположенном корпусе-основании 1 параллельно ему. Они выполнены однослойными из тонкой проволоки с отверстиями значительного размера, такими, чтобы большая доля внешнего природного электростатического поля Земли, напряженность которого нужно измерять, проходила сквозь них. Сетки не касаются ни корпуса-основания, ни измерительных пластин. Сквозь сетки проходит определенная часть от природного поля Земли. Соотношение этой доли E с полем Земли постоянно и известно заранее. Это соотношение учитывается при калибровке измерителя.
По каждой из сеток расположены первая 2 и вторая 3 измерительные пластины, укрепленные ниже сеток горизонтально с помощью изоляторов 6, 7, 8 на корпусе-основании 1 и не касаются его.
Г
0
1
2
0
0
Напряжения, подаваемые на сетку 4 и 5 от первого генератора 10 и инвертора 12, создают противоположные по знаку дополнительные напряженности E электрического поля в области расположения измерительных пластин 2 и 3 (графики 21 и 22 на фиг.2). Эти напряженности накладывается на напряженность природного поля E, образуя суммарные переменные величины E и E. Они также противоположной полярности, но имеют не нулевое среднее значение, а равное E. Напряженность E в районе расположения пластин является предметом измерения.
1
2
1
2
Первая и вторая измерительные пластины соединены с дифференциальными входами соответственно первого 18 и второго 19 усилителей тока. Другие дифференциальные входы этих усилителей тока соединены с заземленным корпусом-основанием 1. Когда на измерительных пластинах меняется напряженность, то на выходах первого и второго усилителей тока возникают переменные напряжения S и S, пропорциональные E и E (графики 23 и 24 на фиг.2).
3
0
2
2
2
2
Эти напряжения суммируются в сумматоре 13, суммарное напряжение S (график 25 на фиг.2), пропорциональное 2E, поступает на сигнальный вход коммутатора 14. На управляющий вход коммутатора подается напряжение со второго генератора 11 с частотой f. Второй генератор также вырабатывает напряжение меандра, положительные значения этого меандра открывают коммутатор 14, отрицательные значения его закрывают. Выходной сигнал коммутатора далее усиливается в усилителе сигнала 9 и проходит полосовой фильтр 15, настроенный на сигнал частоты f. В этом полосовом фильтре устраняется воздействие помех промышленной частоты, так как полоса пропускания возле f расположена между значениями гармоник промышленной частоты, тем самым фильтр очищает измерительный сигнал от этих гармоник (частота f должна быть некратна промышленной частоте 50 герц).
Сигнал с выхода полосового фильтра 15 поступает на аналоговый вход микроконтроллера 16, где осуществляется аналого-цифровое преобразование. Далее измерительный сигнал в цифровом виде перемножается в микроконтроллере на выходной сигнал второго генератора 11, 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 17, а с его выхода - на выход устройства. Блок приема-передачи данных используется для связи с удаленным компьютером 20 и передачи туда результатов измерения.
Удаленный компьютер 20 через управляющий вход устройства соединен с входом блока приема-передачи данных 17, и через него при необходимости с него передаются управляющие команды на микроконтроллер 16.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Электростатическое поле природного происхождения и дополнительное электростатическое поле, создаваемое сетками 4 и 5 в промежутке между измерительными пластинами 2 и 3 и корпусом-основанием 1, складываются или вычитаются в зависимости от их знаков.
1
2
На входе сумматора составляющие напряжений S и S, которые обусловлены изменяющимися напряжениями сеток, противофазны, а составляющие, обусловленные измеряемым природным полем Земли, синфазны. В связи с этим, после их сложения на выходе сумматора 13 остается только сумма составляющих измеряемого поля. Далее она модулируется в коммутаторе 14 для того, чтобы при дальнейшем усилении отсеивать возможные помехи.
У каждой измерительной пластины свой усилитель тока. 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.
В микроконтроллере 16 измерительный сигнал с выхода полосового фильтра 15 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 аналоговых входах микроконтроллера 16 находится сразу после полосового фильтра, что исключает возникновение погрешностей. Точность вычислений определяется разрядной сеткой и может быть сколь угодно высокой. Для обмена информацией с удаленным компьютером в качестве блока приема-передачи данных 17 может быть выбрана, например, микросхема AMD485.
В отличие от прототипа отсутствие вращающихся частей позволяет использовать измерительные пластины большого размера, на которых будут собираться обусловленные внешним полем заряды существенно большей величины. Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет повысить чувствительность и точность измерения электрического поля.