Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического вихревого электрического поля
APPARATUS FOR MEASURING THE INTENSITY OF A STATIC AND QUASI-STATIC VORTEX ELECTRIC FIELD

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения вихревого электрического поля, создаваемого изменяющимся во времени и в пространстве магнитным полем и может быть использовано для измерения небольшого по величине вихревого электрического поля Земли.
Известно устройство для измерения квазистатического вихревого электрического поля, включающее рамку с разомкнутым витком провода и подключенного к концам этого витка измерителя электродвижущей сила (см. л.: Поль Р.В. Учение об электричестве. М., Физматгиз, 1962 г., стр. 117, рис. 159).
Недостатком данного устройства является низкая чувствительность к вихревому электрическому полю.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения напряженности электростатического поля, включающее плоский измерительный конденсатор, состоящий из двух металлических пластин, изолированных друг от друга и расположенных перпендикулярно вектору электрического поля и баллистический гальванометр, подключенный к пластинам (см. Л.: Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. М., 1970 г., стр. 109, рис. 89 и стр. 110).
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, высокий уровень помех и низкая чувствительность к вихревому электрическому полю, т.к. диэлектрическая проницаемость воздуха между пластинами равна единице.
Техническим результатом является повышение точности измерения, уменьшения уровня помех и увеличения чувствительности к вихревому электрическому полю за счет создания среды между пластинами с диэлектрической проницаемостью больше единицы.
Технический результат достигается в устройстве для измерения напряженности статического и квазистатического вихревого электрического поля, включающем заземленный электропроводный экран, выполненный в форме горизонтального круглого цилиндра, внутри которого расположен плоский измерительный конденсатор, состоящий из двух выполненных из электропроводного материала пластин и диэлектрика, установленного между пластинами, усилитель напряжения, к входам которого посредством проводников подключены пластины, измеритель напряжения, вход которого соединен с выходом усилителя напряжения, и резистор, установленный между проводниками и соединенный с ними, при этом измерительный конденсатор установлен с возможностью поворота посредством поворотного механизма, полуось которого соединена с измерительным конденсатором, а ось симметрии электропроводного экрана совмещена с осью вращения измерительного конденсатора.
Установка диэлектрика между пластинами позволяет повысить чувствительность к вихревому электрическому полю за счет создания среды между пластинами с диэлектрической проницаемостью больше единицы.
Усилитель напряжения, к входам которого посредством проводников подключены пластины, позволяет значительно повысить чувствительность устройства к вихревому электрическому полю за счет увеличения напряжения и согласования высокого входного сопротивления усилителя с емкостью измерительного конденсатора.
Измеритель напряжения позволяет повысить точность измерения, увеличить чувствительность к вихревому электрическому полю за счет измерения большой величины напряжения.
Резистор позволяет увеличить точность измерений за счет сохранения стабильности величины входного сопротивления для нагрузки измерительного конденсатора, т.к. влияние внешних факторов на величину входного сопротивления усилителя напряжения достигает значительных величин.
Заземленный электропроводный экран, выполненный в форме горизонтального круглого цилиндра позволяет отделить от измеряемого вихревого электрического поля различные электромагнитные помехи, такие как индустриальные помехи, радиопомехи, радиоволны, электростатические поля, электрическое поле атмосферы Земли.
Установка измерительного конденсатора с возможностью поворота посредством поворотного механизма, полуось которого соединена с измерительным конденсатором позволяет устанавливать измерительный конденсатор поочередно то перпендикулярно, то параллельно вектору вихревого электрического поля, что вызывает перепады величины напряжения на измерительном конденсаторе, которые после усиления измеряются измерителем напряжения, и затем умножением величины перепадов напряжения на коэффициент чувствительности устройства получают значение величины напряженности вихревого электрического поля.
Совмещение оси симметрии электропроводного экрана с осью вращения измерительного конденсатора обеспечивает неизменность расстояний между пластинами измерительного конденсатора и стенками заземленного электропроводного экрана при вращении измерительного конденсатора, а значит емкость измерительного конденсатора будет сохраняться неизменной, следовательно будет обеспеченна высокая точность измерений.
Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического вихревого электрического поля поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства.
Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического вихревого электрического поля состоит из заземленного электропроводного экрана 1, выполненного в форме горизонтального круглого цилиндра, плоского измерительного конденсатора 2, расположенного внутри электропроводного экрана 1 и состоящего из двух выполненных из электропроводного материала пластин 3 и 4 и диэлектрика 5, установленного между пластинами, усилителя напряжения 6, к входам которого посредством проводников 7 и 8 подключены пластины 3 и 4, соответственно, измерителя напряжения 9, вход которого соединен с выходом усилителя напряжения 6, и резистора 10, установленный между проводниками 7 и 8 и соединенный с ними. Измерительный конденсатор 2 установлен с возможностью поворота посредством поворотного механизма 11, полуось которого соединена с измерительным конденсатором 2. Ось симметрии электропроводного экрана 1 совмещена с осью вращения измерительного конденсатора 2.
Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического вихревого электрического поля работает следующим образом.
Если измеряемое вихревое электрическое поле направленно вертикально вниз (Фиг. 1, вектор Е), то тогда поворотным механизмом 11 следует повернуть измерительный конденсатор 2 так, чтобы его пластины 3 и 4, а также диэлектрик 5 установились горизонтально. При этом величина напряжения между пластинами 3 и 4 станет близкой к нулю через интервал времени, равный 3…5 величин суммарной постоянной времени от всех цепей, приведенных к входу усилителя напряжения 6. Процесс падения напряжения между пластинами 3 и 4 произойдет из-за перетекания зарядов между этими пластинами по проводникам 7 и 8 и резистору 10. Т.к. шумы, приведенные к входу усилителя напряжения 6 смещают величину напряжения на входе и выходе этого усилителя, то необходимо записать величину начальных показаний измерителя напряжения 9. После этого измерительный конденсатор 2 необходимо повернуть поворотным механизмом 11 вокруг оси вращения на 90 градусов, чем будет достигнуто расположение пластин 3 и 4, а также диэлектрика 5 параллельно вектору Е (т.е. вертикально). Затем нужно записать новые показания измерителя напряжения 9, и вычесть из них начальные показания. Полученную разность напряжений надо умножить на коэффициент пропорциональности, известный по расчетам или в результате калибровки устройства. Полученный результат и будет величиной напряженности вертикальной составляющей векторной суммы измеряемых статического и квазистатического вихревых электрических полей. Номинал резистора 10 следует выбирать таким, чтобы за время между записями начальных и конечных показаний измерителя напряжения 9 измерительный конденсатор успевал разрядиться на величину, не превышающую допустимую погрешность измерения напряженности вихревого электрического поля.
Предложенное устройство для измерения напряженности статического и квазистатического вихревого электрического поля повышает точность и стабильность измерений, позволяет уменьшить влияние помех и обеспечить высокую чувствительность к вихревому электрическому полю до 0,1 мВ/м и лучше.