НАКОПИТЕЛЬНЫЙ ФЛЮКСМЕТР

Накопительный флюксметр относится к области измерительной техники и может быть использован для электрических измерений, в частности, измерения вертикальной составляющей электрического поля Земли.
При электрофизических исследованиях состояния приземного слоя атмосферы и явлений 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 процессов, происходящих под поверхностью на различных глубинах.
Известны различные устройства, которые измеряют электрическое поле. В одних из них 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.
Основным недостатком является недостаточная чувствительность прототипа при измерении малых значений напряженности полей. Она обусловлена тем, что значения поля измеряются независимо в каждый текущий момент времени. В то же время, изменения поля, обусловленные природными процессами, как правило, происходят достаточно медленно, и в случае перехода от измерения мгновенных значений к накоплению в течение определенного времени зарядов, обусловленных полем, появляется возможность фиксировать значения полей существенно меньшей интенсивности. Прототип не обладает такой возможностью, в следствие чего характеризуется недостаточной чувствительностью и точностью, особенно при измерении полей малой интенсивности.
Задачей данной полезной модели является повышение чувствительности и точности измерения напряженности электрического поля.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее измерительную пластину, корпус-основание, двигатель, изоляторы, микроконтроллер и блок приема-передачи данных, введены шунтирующий резистор, считывающая пластина со скользящими контактами, накопительный электрод, механический ключ, генератор импульсов, детектор импульсов тока, усреднитель и аналого-цифровой преобразователь, при этом корпус-основание расположен горизонтально и заземлен и на нем находится двигатель, на вертикально расположенном валу которого своим центром укреплена диэлектрическая пластина, на обоих конца которой расположены скользящие контакты, на корпусе-основании находится укрепленная на изоляторе измерительная пластина, электрически соединенная с корпусом через шунтирующий резистор, одна из сторон корпуса-основания образует полость, открытую со стороны считывающей пластины, внутри полости на изоляторе укреплен накопительный электрод в виде замкнутого объема с прорезью для захода считывающей пластины, который своей наружной поверхностью соединен с сигнальным входом механического ключа, управляющий вход механического ключа соединен с выходом генератора импульсов, а выход - с одним из входов детектора импульсов тока, другой вход которого подключен к корпусу-основанию, а выход через последовательно соединенные усреднитель и аналого-цифровой преобразователь - к микроконтроллеру, информационный выход микроконтроллера через блок приема-передачи данных соединен с информационным выходом устройства, а управляющий вход устройства через блок приема-передачи данных соединен с управляющим входом микроконтроллера.
На чертеже (фиг.1) представлена схема накопительного флюксметра.
На фиг.1 обозначены: корпус-основание 1; изоляторы 2, 3 и 4; измерительная пластина 5; шунтирующий резистор 6; двигатель 7; считывающая пластина 8; скользящие контакты 9 и 10; накопительный электрод 11; механический ключ 12; генератор импульсов 13; детектор импульсов тока 14; аналого-цифровой преобразователь 15; микроконтроллер 16; блок приема-передачи данных 17; усреднитель 18; удаленный компьютер 19.
Z
Z
Z
Блоки устройства работают следующим образом. Корпус-основание 1 заземлен и имеет нулевой потенциал земной поверхности. Измерительная пластина 5 расположена горизонтально и находится на определенном расстоянии от поверхности корпуса основания. Она укреплена на изоляторе 2. Поскольку конструкция находится в электрическом поле Земли (вертикальная составляющая поля напряженности E), то на измерительной пластине образуется определенный потенциал U, знак которого определяется знаком E, а величина потенциала - величиной E. Потенциал создается зарядами, перетекающими на измерительную пластину по шунтирующему резистору 6 с корпуса-основания.
Двигатель 7 вращается с определенной скоростью. На его вертикально расположенном валу горизонтально расположена считывающая пластина 8, выполненная из диэлектрического материала. Она жестко закреплена на валу своей серединой и вращается со скоростью вращения вала. На обеих ее концах укреплены одинаковые металлические скользящие контакты 9 и 10. Каждый скользящий контакт при вращении пластины периодически касается верхней поверхности измерительной пластины 5. Через половину оборота вала этот контакт заходит в прорезь накопительного электрода 11, не касаясь ее краев. В момент, когда второй скользящий контакт касается измерительной пластины, рассматриваемый первый скользящий контакт, зайдя внутрь накопительного электрода, касается выступа на его внутренней поверхности, расположенного снизу от этого скользящего контакта.
Накопительный электрод 11 укреплен на изоляторе 3 и расположен внутри полости, образованной корпусом-основанием, также имеющей нулевой потенциал и расположенной по другую сторону от вала двигателя по отношению к измерительной пластине. Наружная поверхность накопительного электрода электрически соединена с сигнальным входом механического ключа 12. На управляющий вход механического ключа подаются сигналы, вырабатываемые генератором импульсов 13. В соответствии с этими импульсными сигналами механический ключ 12 периодически открывается и закрывается, отключая или подключая на свой выход потенциал со своего входа.
Один вход детектора импульсов тока 14 заземлен, другой его вход соединен с выходом механического ключа. В момент открытия ключа через детектор протекают токи, величина выходного напряжения детектора импульсов тока усредняется в усреднителе 18, который может быть выполнен, например, в виде электрического фильтра нижних частот. Далее в аналого-цифровом преобразователе 15 осуществляется преобразование выходного напряжения усреднителя в двоичный код, который подается по проводнику, проходящему сквозь корпус-основание через изолятор 4 на микроконтроллер 16. В микроконтроллере результат измерения преобразуется в форму, нужную для дальнейшей обработки и 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 19 и передачи туда результатов измерения.
Удаленный компьютер 19 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 основан на следующем. Используются явления, происходящие в генераторе Ван-дер-Граафа. Как известно, (см., например, кн.: Явроский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1990) в генераторе Ван-дер-Граафа используется свойство электрических зарядов скапливаться на наружной стороне выпуклой поверхности проводников. Заряды накапливаются на наружной поверхности металлической полости. Носитель зарядов вводится внутрь полости и им касаются ее внутренней поверхности. Заряды перетекают с носителя заряда на металлическую полость и добавляются к тем, что уже были расположены на ее наружной поверхности.
Таким образом получают достаточно высокий потенциал на наружной поверхности полости, значительно более высокий, чем потенциал исходного источника электрических зарядов. Энергия, необходимая для такого повышения потенциала, получается в результате выполнения работы по внесению носителем зарядов внутрь полости, так как при этом приходится преодолевать электростатическое сопротивление зарядов, уже расположенных на наружной поверхности полости, одноименных вновь вносимым зарядом.
Z
Z
Этот принцип использован при работе заявляемого устройства. Измерительная пластина 5 расположена на определенной высоте относительно заземленного корпуса-основания 1. При наличии вертикальной составляющей напряженности электрического поля Земли E на измерительной пластине образуется определенный потенциал относительно корпуса-основания, создаваемый зарядами, перетекающими с корпуса в измерительную пластину через шунтирующий резистор 6. Величина потенциала определяется величиной напряженности E и высотой расположения пластины.
Когда считывающая пластина 8 при своем вращении поворачивается и одним из концов, на которых укреплены скользящие контакты 9 или 10 касается верхней поверхности измерительной пластины (на фиг.1 касается концом, на котором укреплен скользящий контакт 9), на этот скользящий контакт перетекает часть зарядов с этой пластины. После размыкания скользящего контакта и измерительной пластины количество зарядов на ней вновь восстанавливается за счет перетекания зарядов через шунтирующий резистор из корпуса-основания. При дальнейшем повороте пластины этот скользящий контакт с зарядами на нем вносится внутрь накопительного электрода 11 через прорезь в нем. Поскольку при этом он не касается краев прорези, то попавший в него заряд при прохождении прорези сохраняется без изменений.
Z
Попав внутрь накопительного электрода, скользящий контакт касается выступа на внутренней поверхности накопительного электрода 11, в результате чего заряды со скользящего контакта перетекают на накопительный электрод и присоединяются к тем, что уже были накоплены на его наружной поверхности. Вращение считывающей пластины происходит непрерывно, в результате чего процесс накопления зарядов на наружной поверхности накопительного электрода также происходит порциями непрерывно. Величина накопленного заряда и текущее значение потенциала наружной поверхности определяется величиной E и временем накопления.
Z
Генератор импульсов 13 вырабатывает электрические импульсы, следующие один за другим через определенный интервал времени Т. С появлением каждого импульса открывается механический ключ 12 и соединяет наружную поверхность накопительного электрода с одним из входов детектора импульсов тока 14. Другой вход детектора импульсов тока заземлен на корпус-основание 1. Таким образом, при замыкании механического ключа появляется разность потенциалов на входах детектора импульсов тока, вызывающая протекание импульса тока через него. Эти импульсы тока в нем одновременно усиливаются и подаются на усреднитель 18. На его выходе вырабатывается напряжение, пропорциональное средней величине импульсов тока, а, следовательно, пропорциональное величине E.
Напряжение с выхода усреднителя 18 поступает на аналого-цифровой преобразователь 15, где преобразуется в цифровой код. Этот код через проводник, выходящий сквозь изолятор 4 из полости корпуса-основания, подается на микроконтроллер 16 для дальнейшей обработки результатов измерения. Через блок приема-передачи данных 17 при необходимости осуществляется связь с удаленным компьютером 19 для передачи результатов измерения и при необходимости для получения команд, управляющих работой микроконтроллера.
Z
Применение предлагаемого устройства позволяет в течение длительного времени, равного периоду повторения импульсов Т, накапливать заряды, возникающие на измерительной пластине. Это дает возможность создавать на поверхности накопительного электрода 11 достаточно большой потенциал, который можно легко измерить с необходимой точностью. Величина этого потенциала будет достаточна для измерения даже в случае, когда величина напряженности поля E крайне мала и не поддается измерению другим путем. При необходимости точность измерений можно повышать, увеличивая длительность интервала накопления Т.
Применение предлагаемого накопительного флюксметра дает возможность повысить чувствительность и точность измерения напряженности электрического поля.