УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
ELECTRICAL FIELD INTENSITY MEASUREMENT DEVICE

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано для измерения и регистрации напряженности электрического поля в широком динамическом диапазоне с повышенной чувствительностью при проведении метеорологических, геофизических, радиофизических исследований, а также для оценки экологического состояния атмосферы и поверхности Земли.
Как известно, вертикальная составляющая напряженности электрического поля атмосферы у поверхности Земли в условиях хорошей погоды (отсутствие гроз, осадков, сильной облачности и т.д.) составляет величину порядка плюс 100 В/м (в системе координат с вертикальной осью, направленной к Земле) и может изменяться в пределах нескольких (а иногда и десятков) киловольт на метр по абсолютному значению в зависимости от наличия тех или иных атмосферных процессов/явлений [Френкель Я.И. Теория явлений атмосферного электричества. Изд 2-е, испр. - М.: КомКнига, 2007. - с.36]. Причем наиболее интенсивные спектральные компоненты вариации напряженности электрического поля атмосферы обнаруживаются в полосе частот от 0 до 0,06 Гц [Атмосфера: справочник (справ, данные, модели) / ред. Ю.С. Седунов и др. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - с.407]. В то же время некоторые геофизические процессы могут сопровождаться незначительными вариациями напряженности электрического поля с амплитудой порядка единиц и даже долей милливольт на метр [Апсен А.Г. Магнитосферные эффекты в атмосферном электричестве / А.Г. Апсен, X.Д. Канониди, С.П. Чернышева и др. - М.: Наука, 1988. - с.47]. В этой связи получение информации о низкоамплитудных вариациях поля, особенно в условиях наличия сильных источников электрического поля, таких как кучевая облачность, атмосферный фронт и т.д., может быть затруднено из-за недостаточной чувствительности или ширины динамического диапазона измерителя.
Известен преобразователь измерительный «Поле-2» для измерения напряженности электрического поля [Преобразователь измерительный «Поле-2», номер 27790-04 в государственном реестре средств измерений], содержащий первичный и вторичный преобразователи. Первичный преобразователь содержит электромеханический модулятор (электростатический генератор), состоящий из экранирующей и измерительной пластин, генератор управляющего напряжения, электродвигатель и электронный блок. Вторичный преобразователь содержит усилитель и синхронный детектор. Суть способа, по которому работает преобразователь измерительный «Поле-2», заключается в следующем. Поток вектора напряженности измеряемого электрического поля модулируют заземленной вращающейся экранирующей пластиной с прорезями, в результате чего на измерительной пластине появляется переменный сигнал, пропорциональный величине напряженности измеряемого электрического поля. Этот сигнал после усиления и масштабирования и детектируют, а затем регистрируют. Для расширения динамического диапазона обработка сигнала идет по 2 измерительным каналам с пределами измерений ±500 В/м и ±5000 В/м. Каналы работают поочередно, используемый канал определяют текущей напряженностью измеряемого электрического поля. При выборе канала руководствуются требованиями достижения наиболее высокой чувствительности и точности. Недостатком данного технического решения является то, что канал с высоким верхним пределом измерений обладает малой чувствительностью и большой абсолютной погрешностью, другой канал, являясь более чувствительным и точным, имеет невысокий верхний предел измерений. Совокупность указанных недостатков приводит к невозможности регистрации низкоамплитудных вариаций напряженности электрического поля на фоне значительных постоянной и низкочастотных спектральных составляющих.
5
Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству для измерения напряженности электрического поля являются ротационный электростатический флюксметр [А.С. СССР, №746308, МПК G01R 19/16)] и способ, реализованный в нем. Флюксметр содержит электромеханический модулятор (датчик), выполненный в виде соосного соединения неподвижной измерительной и вращающейся экранной пластин, и измерительный блок, выполненный в виде соединения измерительного усилителя и индикатора. Измерительная пластина ротационного электростатического флюксметра выполнена в виде соосного соединения двух изолированных одна от другой пластин, а измерительный блок - в виде соединения двух измерительных усилителей с индикатором, подключенных соответственно к двум измерительным пластинам датчика. Суть способа, по которому работает Флюксметр, заключается в следующем. Поток вектора напряженности измеряемого электрического поля модулируют заземленной вращающейся экранирующей пластиной с прорезями, в результате чего на каждой изолированной измерительной пластине появляется переменный сигнал, пропорциональный величине напряженности измеряемого электрического поля. Эти сигналы усиливают с различными коэффициентами усиления по двум каналам соответствующими измерительными усилителями и отображают их на индикаторах. По показаниям индикаторов судят о величине напряженности измеряемого электрического поля. Измерительные усилители отличаются величинами входных сопротивлений, что позволяет расширить динамический диапазон, поскольку измерения напряженности электрического поля осуществляют одновременно на двух разных диапазонах. Недостатком данного технического решения является невозможность регистрации слабых вариаций поля на фоне значительных постоянной и низкочастотных составляющих. Это происходит в результате того, что при наличии указанных составляющих измерительный усилитель с большим входным сопротивлением переходит в насыщение, а измерительный усилитель, имеющий низкое входное сопротивление, не обладает достаточной чувствительностью и точностью.
Задачей данного технического решения является повышение чувствительности измерений напряженности электрического поля способа с расширенным динамическим диапазоном, а также создание устройства, реализующего данный способ.
Задача решается тем, что в способе измерения напряженности электрического поля путем проведения амплитудной модуляции его величины при помощи помещенного в исследуемое электрического поле электромеханического модулятора, содержащего экранирующий и измерительный электроды, между экранирующим и измерительным электродами модулятора создают дополнительное электрическое поле, совпадающее по направлению с измеряемым, напряженностью, близкой к суммарной напряженности постоянной составляющей и низкочастотных спектральных компонент измеряемого электрического поля, а по сумме величины напряженности дополнительного электрического поля и величины напряженности модулированного электрического поля судят о величине напряженности измеряемого электрического поля. Кроме того, дополнительное электрическое поле между электродами модулятора создают путем подачи электрического потенциала на модулирующий электрод относительно измерительного. Задача решается также тем, что в устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее электромеханический модулятор, выполненный в виде вращающегося экранирующего и неподвижного измерительного электродов, входной усилитель, вход которого соединен с измерительным электродом, систему регистрации выходного сигнала, вход которой соединен с выходом входного усилителя, введен управляемый источник ЭДС, вход которого соединен с одним из выходов системы регистрации выходного сигнала, а выход соединен с экранирующим электродом электромеханического модулятора. Кроме того, управляемый источник ЭДС реализован в виде последовательно соединенных ЦАП и масштабирующего усилителя с низким выходным сопротивлением, причем входом управляемого источника ЭДС является вход ЦАП, а выходом является выход масштабирующего усилителя с низким выходным сопротивлением. А также система регистрации выходного сигнала реализована в виде последовательно соединенных АЦП и микроконтроллера, причем вход АЦП является входом системы регистрации выходного сигнала, а второй выход микроконтроллера является выходом устройства для измерения напряженности электрического поля.
На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения напряженности электрического поля.
Измеритель содержит: электромеханический модулятор 1, состоящий из экранирующего электрода 2, измерительного электрода 3, мотора 4, токосъемника 5; входной усилитель 6; систему регистрации выходного сигнала 7, включающую аналого-цифровой преобразователь 8, микроконтроллер 9, выходной интерфейс 10; управляемый источник ЭДС 11, включающий цифроаналоговый преобразователь 12 и масштабирующий усилитель 13 с низким выходным сопротивлением на землю (точку нулевого потенциала) 14.
Способ измерения напряженности электрического поля осуществляют следующим образом.
0
s
0
0
c
В результате поочередного экспонирования / экранирования измерительного электрода 3 в измеряемом электрическом поле E на этом электроде возникают колебания заряда q, являющегося суммой заряда q, индуцируемого измеряемым полем E и заряда q, накапливаемого динамическим конденсатором, образованным измерительным 3 и экранирующим 2 электродами, под действием разности потенциалов, создаваемой управляемым источником ЭДС 11 между экранирующим 2 и измерительным 3 электродами:
<mrow><msub><mtext>q</mtext><mtext>s</mtext></msub><mo>=</mo><msub><mtext>q</mtext><mtext>0</mtext></msub><mo>+</mo><msub><mtext>q</mtext><mtext>c</mtext></msub><mtext>                                                                                        (1)</mtext></mrow>
Каждый из зарядов, в свою очередь, находится как:
<mrow><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>ε</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>o</mi><mi>p</mi><mi>e</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                                                  (2)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>q</mi><mi>c</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>ε</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>c</mi><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>e</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>d</mi></mfrac><mo>=</mo><mi>ε</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>g</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>o</mi><mi>p</mi><mi>e</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mi>d</mi></mfrac><mtext>                            (3)            </mtext></mrow>
0
open
dose
reg
0
с
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды, ε - диэлектрическая постоянная, St) - площадь экспонированной части измерительного электрода 3 в момент времени t, S(t) - площадь экранированной части измерительного электрода 3 в момент времени t, S - общая площадь измерительного электрода 3, E - напряженность измеряемого электрического поля, U - разность потенциалов между экранирующим 2 и измерительным 3 электродами электромеханического модулятора 1. Подставляя (2) и (3) в (1) для изменения заряда на измерительном электроде 3 во времени, получим:
<mrow><msub><mi>q</mi><mi>c</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>ε</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mi>d</mi></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>o</mi><mi>p</mi><mi>e</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mi>d</mi></mfrac><mtext> </mtext><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>g</mi></mrow></msub><mtext>                                         (4)            </mtext></mrow>
c
0
in
mod
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mo><</mo><mo><</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mi>mod</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Разность потенциалов между электродами электромеханического модулятора U может считаться равной напряжению источника ЭДС 11 U при выполнении следующего, легко выполняемого условия:
, где R - входное сопротивление усилителя 6, C - емкость конденсатора, образованного экранирующим 2 и измерительным 3 электродами электромеханического модулятора 1, w - частота модуляции.
Колебание заряда измерительного электрода 3 приводит к образованию тока во входной цепи входного усилителя 6, который находится как
<mrow><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>ε</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>d</mi></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>S</mi><mrow><mi>o</mi><mi>p</mi><mi>e</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mtext>                                                             (5)</mtext></mrow>
0
0
0
0
и определяет уровень сигнала на выходе устройства. Как видно из (5), сигнал на выходе электромеханического модулятора 1 определяется не только напряженностью измеряемого электрического поля E, но и напряжением Uуправляемого источника ЭДС 11. Отсюда следует, что, регулируя U, можно изменять величину сигнала на выходе электромеханического модулятора 1. В частности, сигнал может быть ослаблен, что позволяет регистрировать поля больших напряженностей без необходимости загрубления входного усилителя 6, системы регистрации выходного сигнала 7 или электромеханического модулятора 1. При мониторинге напряженности электрического поля атмосферы в силу его изменчивости величину U изменяют вслед за измеряемым полем и обеспечивают тем самым малый диапазон изменения результирующего сигнала на выходе электромеханического модулятора 1 (в пределах динамического диапазона входного усилителя 6 и системы регистрации выходного сигнала 7).
0
0
0
0
0
0
0
Изменение напряжения U может осуществляться ступенчато или непрерывно. При ступенчатом изменении напряжение U меняется при достижении величины сигнала на входе входного усилителя 6 определенного уровня, например верхней или нижней границы его динамического диапазона. Алгоритм непрерывного изменения напряжения U заключается в повторении хода напряженности измеряемого электрического поля в полосе частот, соответствующей наибольшим амплитудам его спектральных составляющих, например от нуля до 0,06 Гц. Указанному ходу напряженности соответствует ход демодулированного сигнала на входе входного усилителя 6. Чувствительность, с которой управляемый источник ЭДС 11 отслеживает изменения напряженности измеряемого поля E, может быть невысокой. Но максимальное абсолютное значение напряжения U на выходе управляемого источника ЭДС 11 должно быть достаточным для ослабления сигнала на входе входного усилителя 6 до уровня, не превышающего его верхнюю границу динамического диапазона. Входной усилитель 6 и система регистрации выходного сигнала 7, наоборот, должны иметь высокую чувствительность, чтобы улавливать незначительные изменения поля E, и не требовательны к верхнему пределу измерений. Напряженность измеряемого электрического поля E при измерениях указанным способом вычисляется как сумма демодулированной величины напряжения на выходе входного усилителя 6 и величины напряжения на выходе масштабирующего усилителя 13, умноженных на соответствующие калибровочные коэффициенты:
<mrow><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>p</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mtext>                                                                      (6)</mtext></mrow>
p
1
0
2
0
0
где U - величина демодулированного сигнала на выходе входного усилителя 6, k - коэффициент пропорциональности между определенным значением напряженности электрического поля на "входе" электромеханического модулятора и величиной демодулированного сигнала на выходе входного усилителя 6 при U=0, k - коэффициент пропорциональности между определенным значением напряжения U управляемого источника ЭДС 11 и величиной напряженности электрического поля на "входе" электромеханического модулятора, дающей на выходе входного усилителя 6 аналогичный сигнал при U=0.
Таким образом, используя представленный способ, можно проводить измерения напряженности электрического поля с высокой чувствительностью в широком динамическом диапазоне. Верхняя граница динамического диапазона определяется применяемым управляемым источником ЭДС 11 - его максимальным напряжением. Данный способ применим для устройств, использующих в качестве преобразователя электрического поля электромеханический модулятор, вне зависимости от его конструктивного исполнения и последующих схем и алгоритмов обработки сигнала.
Устройство для измерения напряженности электрического поля работает следующим образом. Сигнал на выходе входного усилителя 6 оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя 8 и далее поступает в микроконтроллер 9, где происходит его обработка, в результате которой подавляются шумы, выделяется рабочая полоса частот, осуществляется демодуляция. Далее вычисляется напряженность измеряемого электрического поля по формуле (7) в соответствии с уровнем обработанного сигнала и текущим значением напряжения на выходе масштабирующего усилителя 13, которое находится по известному коду ЦАП-а 12 и коэффициенту усиления масштабирующего усилителя 13. Полученное значение напряженности измеряемого электрического поля направляется на выходной интерфейс 10. Затем в случае достижения уровня обработанного сигнала границ динамического диапазона входного усилителя 6 осуществляется его смещение на середину этого диапазона путем соответствующего изменения напряжения управляемого источника ЭДС 11 с помощью ЦАП-а 12. ЦАП 12, масштабирующий усилитель 13 и его коэффициент усиления выбирают таким образом, чтобы измеряемое поле при его максимальной напряженности не вызывало насыщения входного усилителя 6, а шаг изменения напряжения управляемого источника ЭДС 11, приведенный к соответствующему изменению сигнала на входе входного усилителя 6, был меньше динамического диапазона входного усилителя 6. Помимо масштабирования сигнала ЦАП-а 12 масштабирующий усилитель 13 также осуществляет заземление экранирующего электрода 2 через свое малое внутреннее выходное сопротивление.
0
Помимо повышения чувствительности в предлагаемом устройстве возможно также повышение точности путем компенсации паразитных сигналов и калибровки в процессе измерений напряженности электрического поля. Калибровка измерителя осуществляется следующим образом. На экранирующий электрод 2 с выхода усилителя 13 подается постоянный потенциал, уровень которого определяется выбранным калибровочным значением и устанавливается соответствующим кодом ЦАП-а 12. Если калибровка осуществляется при отсутствии электрического поля, то величине демодулированного сигнала на выходе входного усилителя 6 ставится в соответствие напряженность электрического поля, создаваемого между экранирующим 2 и измерительным 3 электродами. В присутствии электрического поля E изменению величины демодулированного сигнала на выходе входного усилителя 6 при подаче на экранирующий электрод 2 калибровочного потенциала ставится в соответствие напряженность электрического поля, создаваемого данным потенциалом между экранирующим 2 и измерительным 3 электродами. Паразитные сигналы, обусловленные действием контактной разности потенциалов в токосъемнике 5 или загрязнением поверхности измерительных электродов 3 и определяемые при отсутствии электрического поля, могут быть компенсированы путем установки соответствующего напряжения управляемого источника ЭДС 11.