Электростатический флюксметр
Электростатический флюксметр относится к области измерительной техники и может быть использован для электрических измерений, в частности, измерения вертикального градиента электрического поля. При изучении атмосферного электрического поля Земли требуются измерения градиента вертикального потенциала поля вблизи земной поверхности. Необходимость измерений обусловлена как фундаментальными научными исследованиями, так и практическими потребностями предсказания некоторых аспектов эволюции подповерхностных слоев. В предлагаемом электростатическом флюксметре измерения производятся периодическим экранированием измерительной пластины с помощью экранирующей пластины и обработкой сигнала с измерительной пластины. С помощью ряда конструктивно-схемотехнических мер и перехода к цифровой обработке устраняется ряд причин, вызывающих появление погрешностей при измерениях. В результате применение предлагаемого технического решения позволяет повысить точность и надежность измерения электрического поля и расширить диапазон измерения.
Электростатический флюксметр относится к области измерительной техники и может быть использован для электрических измерений, в частности, измерения вертикального градиента электрического поля.
При изучении атмосферного электрического поля Земли требуются измерения градиента вертикального потенциала поля вблизи земной поверхности. Необходимость измерений обусловлена как фундаментальными научными исследованиями, так и практическими потребностями предсказания некоторых аспектов эволюции подповерхностных слоев.
В настоящее время известны подобные устройства, измеряющие электрическое поле, например, с помощью модуляции емкости конденсатора, помещенного в измеряемое поле. Это достигается тем, что определенным образом изменяется диэлектрическая проницаемость 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 то, что у сегнетоэлектрических материалов, используемых в качестве диэлектриков, диэлектрические свойства сильно зависят от состояния внешней среды, особенно от ее температуры и влажности. Это 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 управляющих напряжений и соответствующих изменений емкости варикапа. Это сужает возможный диапазон измерения прибором значений электрического поля и ограничивает области его применения.
Известны устройства, где коммутируются измерительные пластины различной пространственной конфигурации, вследствие чего общая емкость измерительного электрода изменяется. (Устройства описаны, например, в кн.: Артамонов О.М., Зынь В.И., Курочкин Е.П. Измерение потенциалов на поверхности диэлектриков динамическим конденсатором. РЖМИТ, 1974, 10.32.1097.) В подобных устройствах велики погрешности, возникающие при измерении, поскольку аналоговые ключи, используемые при коммутации, вносят значительные искажения в информационный сигнал.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, описанное в кн.: Имянитов И.М. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы - М.: ГТТИ, 1957. - 483 с.
Устройство конструктивно состоит из горизонтальной неподвижной измерительной круглой пластины с секториальными вырезами и вращающейся над ней экранирующей пластиной с такой же конфигурацией вырезов. Оси обеих пластин совпадают. При вращении экранирующей пластины измерительная платина 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.
Электрическая часть устройства содержит усилитель тока, вспомогательный генератор, аналоговый перемножитель. Частота вспомогательного генератора синхронизирована с частотой входного тока. После перемножении в аналоговом перемножителе сигналов с усилителя тока и со вспомогательного генератора значение полученного напряжения пропорционально электрическому полю в районе расположения экранирующей и измерительной пластин и выступает, как результат измерения.
Устройство-прототип имеет ряд недостатков. Датчик поля (выход измерительной пластины) пространственно отнесен от усилителя тока, что приводит к возрастанию уровня помех. Не обеспечивается защита от частот, кратных промышленной частоте 50 герц, из-за чего имеет место сетевая помеха значительной интенсивности, особенно в промышленных зонах. Для приводов флюксметров применяются электродвигатели переменного тока 220 вольт, мощные вращающиеся магнитные поля которых могут индуцировать паразитные токи помехи в высокочувствительных входных цепях. Применяемые двигатели постоянного тока являются также источниками помех в результате искрения коллекторных щеток.
Отсутствие стабилизации скорости вращения вала двигателей приводит с дополнительным ошибкам при измерении. Большие габариты устройств в вертикальной плоскости могут вызвать искажения измеряемого поля в точке измерения и, как следствие, искажение результатов измерения. Обработка сигналов целиком в аналоговых блоках увеличивает ошибки измерения из-за нестабильности характеристик аналоговых блоков в результате воздействия внешних условий и температурных режимов, нестабильности питающих напряжений, и т.д.
В результате известные устройства имеют недостаточные точность, надежность и диапазон измерения электрического поля.
Задачей данной полезной модели является повышение точности, надежности и диапазона измерения электрического поля.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее экранирующую пластину, измерительную пластину, изоляторы, корпус-основание, двигатель и усилитель тока, введены маркированный маховик, источник подсветки, фотодиод, мостовая схема, пороговый блок, полосовой фильтр, микроконтроллер, блок приема-передачи данных и блок стабилизации скорости вращения двигателя, при этом экранирующая пластина электрически соединена с корпусом-основанием и расположена в нем на валу двигателя над измерительной пластиной соосно с ней, на валу также укреплен маркированный маховик, вблизи которого расположены источник подсветки и фотодиод, который через последовательно соединенные мостовую схему и пороговый блок подключен к цифровому входу микроконтроллера, измерительная пластина и экранирующая пластина соединены со входами усилителя тока, а его выход через полосовой фильтр - с аналоговым входом микроконтроллера, 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, вход и выход блока стабилизации скорости вращения двигателя подключены, соответственно, к выходу и входу двигателя, причем лопасти экранирующей пластины несколько повернуты в горизонтальной плоскости.
На чертежах представлены: на фиг.1 - конструкция и структурная схема электростатического флюксметра; на фиг.2 - вид сверху со стороны экранирующей пластины.
На фиг.1 обозначены: экранирующая пластина 1; измерительная пластина 2; изоляторы 3 и 4; корпус-основание 5; двигатель 6; маркированный маховик 7; источник подсветки 8; фотодиод 9; мостовая схема 10; пороговый блок 11; усилитель тока 12; полосовой фильтр 13; микроконтроллер 14; блок приема-передачи данных 15; блок стабилизации скорости вращения двигателя 16; удаленный компьютер 17.
На фиг 2 обозначены: экранирующая пластина 18; измерительная пластина 19.
Блоки устройства работают следующим образом.
Частота вращения вала двигателя 6 во время работы устройства остается строго постоянной и контролируется блоком стабилизации скорости вращения двигателя 16. Корпус-основание 5 заземлен. Двигатель 6, укрепленный на корпусе-основании 5, вращает вал с укрепленной на нем и расположенной горизонтально экранирующей пластиной 1, причем вал и экранирующая пластина электрически заземлены. Измерительная пластина 2 неподвижно укреплена на корпусе-основании с помощью изоляторов 3, 4 и расположена горизонтально в непосредственной близости от экранирующей пластины 1 соосно с ней. Измерительная пластина имеет в центре отверстие, через которое проходит вал двигателя, не касаясь пластины, т.е. измерительная пластина изолирована от корпуса и экранирующей пластины. Обе пластины 1 и 2 с выполнены одинаковыми и одинаково расположенными шестью секториальными вырезами. (Вид сверху показан на фиг.2).
На валу двигателя расположен маркированный маховик 7, на который нанесены шесть черных и шесть белых полос одинаковой ширины Цвет полос чередуется. Вблизи от маховика расположен источник подсветки 8, который может быть выполнен в виде инфракрасного светодиода и излучением которого подсвечиваются черные и белые полосы на маркированном маховике 7. Также вблизи от маховика расположен фотодиод 9, на который падает излучение источника подсветки 8, отраженное от поверхности маховика, покрытой черными и белыми полосами.
При вращении вала двигателя 6 цвет полос на поверхности маркированного маховика 7 чередуется и в зависимости от этого в фотодиод 9 попадает большее или меньшее количество света от источника подсветки 8, отраженного полосами. В результате синхронно с этим меняется уровень сигнала в фотодиоде. Этот сигнал выделяется в мостовой схеме 10, и в пороговом блоке 11 из него формируется бинарный выходной сигнал, соответствующий цвету полосы на маховике в данный момент времени, после чего он подается на цифровой вход микроконтроллера 14.
Заряды переменной величины с измерительной пластины, перемещаясь, образуют электрический ток, который поступает в усилитель тока 12 с малым внутренним сопротивлением, где усиливается и преобразуется в напряжения. Усиленный сигнал имеет частоту, определяемую скоростью вращения экранирующей пластины 1 и количеством секториальных вырезов на ней. Эти параметры выбираются так, чтобы эта частота была некратна промышленной частоте 50 герц. Далее выходной сигнал усилителя тока 12 проходит через полосовой фильтр 13. Его полоса пропускания расположена между значениями гармоник промышленной частоты, тем самым фильтр очищает измерительный сигнал от этих гармоник.
Сигнал с выхода полосового фильтра поступает на аналоговый вход микроконтроллера 14, где осуществляется аналого-цифровое преобразование. Далее измерительный сигнал в цифровом виде 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 15, а с его выхода - на выход устройства. Блок приема-передачи данных используется для связи с удаленным компьютером 17 и передачи туда результатов измерения.
Удаленный компьютер 17 через управляющий вход устройства соединен с входом блока приема-передачи данных 15, и через него при необходимости с него передаются управляющие команды на микроконтроллер 14.
Принцип работы устройства заключается в следующем. В основу заложен принцип действия электростатического генератора. Он состоит в том, что при внесении проводника в переменное электрическое поле, в нем возникает движение индуцированных зарядов, причем величина тока, создаваемого перемещающимися зарядами, пропорциональна изменению напряженности поля. Конструкция электростатического флюксметра преобразовывает измеряемое электрическое поле в быстро меняющееся переменное, которое воздействует на измерительный электрод. Преобразование поля осуществляется механическим способом за счет вращения лопастей, напоминающих крылья ветряной мельницы.
За счет энергии электромотора лопасти экранирующей пластины «режут» силовые линии измеряемого электрического поля. Так как измерительная пластина при этом находится в переменном электрическом поле, в ней индуцируются заряды, движение которых воспринимается усилителем тока. Форма напряжения на выходе усилителя тока определяется его входным сопротивлением и близка к синусоидальной. В отсутствии измеряемого электрического поля (например, при полной экранировке прибора), на выходе усилителя будет наблюдаться сигнал, величина которого, определяется контактной разностью потенциалов между экранирующей и измерительной пластинами. Эта сигнал задает предел чувствительности электростатического флюксметра. Опорный генератор используется для определения знака направления поля.
В заявляемом устройстве осуществлен ряд технических решений, позволяющих повысить его показатели по сравнению с аналогичными устройствами. Усилитель тока имеет входное сопротивление много меньше, чем сопротивление источника сигнала, следовательно, требования к качеству изоляторов, на которых крепится измерительная пластина, могут быть снижены. Усилитель тока обязательно балансируется, что позволяет свести к минимуму паразитный сигнал, обусловленный разностью напряжение 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).
Цифровой способ измерения амплитуды имеет сходство с аналоговым, но является существенно более точным. В микроконтроллере 14 гармонический сигнал с полосового фильтра 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 аналоговом входе микроконтроллера находится сразу после полосового фильтра, что исключает возникновение всех погрешностей, характерных для аналогового способа обработки сигнала. (В качестве микроконтроллера может быть выбран, например, микроконтроллер PIC 18F4550).
Опорный сигнал при этом не оцифровывается и может быть представлен двумя уровнями: единицы и нуля. Такая схема не требует точного фазирования, т.е. ошибка временного положения опорного сигнала может составлять примерно половину длительности интервала дискретизации. Затем следует операция перемножения дискретизированных сигналов с последующим усреднением. Точность вычислений определяется разрядной сеткой и может быть сколь угодно высокой. Также возможно значительное расширение диапазона изменения измеряемых величин. Для обмена информацией с удаленным компьютером в качестве блока приема-передачи данных может быть выбрана, например, микросхема AMD485.
Основные погрешности при цифровом методе будут определяться погрешностью аналого-цифрового преобразования, причем эти погрешности носят систематический характер и не зависят от температуры, влажности и прочих условий измерения амплитуды сигнала, что обеспечивает преимущества цифрового метода по сравнению с аналоговым. Плоская конструкция бесщеточного двигателя, питаемого от источника постоянного тока, вносит минимум помех. (В качестве двигателя может быть использована, например, модель серии ЕС32 фирмы MAXON с номинальной мощностью на валу 6 ватт). Скорость вращения задается блоком стабилизации скорости вращения двигателя, в качестве которого может быть использован, например, контроллер двигателя 1-Q-EC Amplifier DEC 24/1, и поддерживается постоянной при изменении температуры и механической нагрузки.
Расстояние между экранирующей и измерительной пластинами выбирается минимальным, а экранирующая пластина лежит в плоскости верхнего края корпуса. Такая конструкция обеспечивает при большой скорости вращения двигателя минимальное попадание осадков на дно корпуса. Капли дождя и снег отбрасываются лопастями экранирующей пластины от корпуса. Для этого лопасти слегка повернуты в горизонтальной плоскости.
В предлагаемом устройстве устранены частично или полностью недостатки аналогичных устройств. Усилитель тока 12 располагается в непосредственной близости от датчика - измерительной пластины 2, что убирает помехи, воздействующие на наиболее чувствительные участки тракта передачи измерительной информации. Выбором частоты вращения и количества секториальных вырезов экранирующей 1 и измерительной 2 пластин, а также ширины и расположения полосы пропускания полосового фильтра 13 убирается воздействие мощных сетевых помех промышленной частоты, что позволяет расширить применение электростатического флюксметра, особенно в промышленных районах. Применяемый тип двигателя также не вносит дополнительных помех. Значительное сокращение операций, выполняемых в аналоговых блоках, существенно снижает влияние нестабильностей различного рода, возникающих при аналоговой обработке.
Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет повысить точность и надежность измерения электрического поля и расширить диапазон измерения.
Электростатический флюксметр, содержащий экранирующую пластину, измерительную пластину, изоляторы, корпус-основание, двигатель и усилитель тока, отличающийся тем, что в него введены маркированный маховик, источник подсветки, фотодиод, мостовая схема, пороговый блок, полосовой фильтр, микроконтроллер, блок приема-передачи данных и блок стабилизации скорости вращения двигателя, при этом экранирующая пластина электрически соединена с корпусом-основанием и расположена в нем на валу двигателя над измерительной пластиной соосно с ней, на валу двигателя также укреплен маркированный маховик, вблизи которого расположены источник подсветки и фотодиод, который через последовательно соединенные мостовую схему и пороговый блок подключен к цифровому входу микроконтроллера, измерительная пластина и экранирующая пластина соединены со входами усилителя тока, а его выход через полосовой фильтр - с аналоговым входом микроконтроллера, 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, вход и выход блока стабилизации скорости вращения двигателя подключены соответственно к выходу и входу двигателя, причем лопасти экранирующей пластины несколько повернуты в горизонтальной плоскости.
