Магнитоэлектромер
Магнитоэлектрометр относится к области измерительной техники и может быть использован для электрических и магнитных измерений, в частности, одновременного совмещенного измерения вертикальной составляющей электрического и магнитного полей. При изучении геофизических электрического и магнитного полей Земли требуются измерения вертикальной составляющей полей вблизи земной поверхности. Необходимость измерений обусловлена как фундаментальными научными исследованиями, так и практическими потребностями предсказания некоторых аспектов эволюции подповерхностных слоев. Электрическая и магнитная составляющая измеряется периодическим экранированием измерительной пластины (электрическая составляющая) и измерительных катушек (магнитная составляющая) с помощью вращающейся экранирующей пластины с секториальными вырезами. Полученные сигналы усиливаются и фильтруются с помощью полосовых фильтров, настроенных на скорость вращения экранирующей пластины. Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет одновременно и совместно измерять составляющие геофизического поля, что дает возможность повысить точность измерения электрического и магнитного полей и увеличить универсальность применения устройства.
Магнитоэлектрометр относится к области измерительной техники и может быть использован для электрических и магнитных измерений, в частности, одновременного совмещенного измерения вертикальной составляющей электрического и магнитного полей.
При изучении геофизических электрического и магнитного полей Земли требуются измерения градиента вертикального потенциала полей 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.
Известны также способы измерения магнитного поля, основанные на изменении величины поля, проходящего сквозь катушку (см., например, Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики - М.: Высшая школа, 1989; Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. - М.: Оникс 21 век, 2005.) Изменения уровня магнитного поля, проходящего сквозь катушку, вызывает появление меняющегося тока через нее, величина которого зависит от величины поля и скорости изменения. (Если скорость изменения постоянна, то от величины поля). К электростатическому полю катушки нечувствительны.
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 устройства-прототипа является то, что он может измерять только электрическую составляющую общего геофизического поля Земли. В то же время имеется потребность одновременного измерения также и магнитной составляющей, причем в той же точке или небольшой локальной области пространства. Для этого необходимо использовать отдельный магнитометр. Поскольку он даже при достаточно близком расположении он отстоит от измерителя электрической составляющей на некоторое расстояние, это влияет на точность измерения. Таким образом, снижается точность комплексных измерений электрического и магнитного полей и уменьшается универсальность измерителя.
Задачей данной полезной модели является повышение точности измерения электрического и магнитного полей и увеличение универсальности применения устройства.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее экранирующую пластину, измерительную пластину, изоляторы, корпус-основание, двигатель, первый усилитель тока, маркированный маховик, источник подсветки, фотодиод, мостовую схему, пороговый блок, первый полосовой фильтр, микроконтроллер, блок приема-передачи данных и блок стабилизации скорости вращения двигателя, введены измерительные катушки, второй усилитель тока и второй полосовой фильтр, 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 первого усилителя тока, а его выход через первый полосовой фильтр - с первым аналоговым входом микроконтроллера, выводы всех измерительных катушек соединены последовательно, вход первой катушки и выход последней катушки - со входами второго усилителя тока, а его выход через второй полосовой фильтр - со вторым 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 и покрыты с верхней стороны слоем из материала с большой относительной магнитной проницаемостью и малым магнитным насыщением, корпус-основание, вал двигателя, экранирующая и измерительная пластины и маркированный маховик выполнены из немагнитного металла, двигатель отнесен от корпуса-основания.
На чертежах представлены: на фиг.1 - конструкция и структурная схема магнитоэлектрометра; 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; первый 12 и второй 13 усилители тока; первый 14 и второй 15 полосовые фильтры; измерительные катушки 16; блок стабилизации скорости вращения двигателя 17; микроконтроллер 18; блок приема-передачи данных 19; удаленный компьютер 20.
На фиг.2 обозначены: экранирующая пластина 21; измерительная пластина 22; измерительные катушки 23.
Блоки устройства работают следующим образом.
Частота вращения вала двигателя 6 во время работы устройства остается строго постоянной и контролируется блоком стабилизации скорости вращения двигателя 17. Корпус-основание 5 заземлен. Двигатель 6 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 с 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 18.
Для измерения электростатической составляющей геофизических полей заряды переменной величины с измерительной пластины, перемещаясь, образуют электрический ток, который поступает в первый 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 первого усилителя тока 12 проходит через первый полосовой фильтр 14. Его полоса пропускания расположена между значениями гармоник промышленной частоты, тем самым фильтр очищает измерительный сигнал от этих гармоник.
Сигнал с выхода первого полосового фильтра поступает на первый аналоговый вход микроконтроллера 18, где осуществляется аналого-цифровое преобразование. Далее этот 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.
Для измерения магнитной составляющей геофизических полей обмотки всех шести измерительных катушек соединены последовательно, выходы первой и последней катушек подсоединены ко входам второго усилителя тока 13. Направление намотки всех измерительных катушек совпадает. Катушки укреплены на корпусе-основании в промежутках между лопастями измерительной пластины. При вращении экранирующей пластины с нанесенным на ее поверхности слоем магнитного материала с большим значением магнитной проницаемости и малым магнитным насыщением происходит попеременное экранирование магнитного поля Земли, и это вызывает появление в катушках переменного сигнала с частотой, определяемой скоростью вращения экранирующей пластины и количеством секториальных вырезов на ней. Остальные элементы магнитоэлектрометра выполнены из немагнитных материалов и влияния на измерение магнитного поля не оказывают.
Далее выходной сигнал второго усилителя тока 13 проходит через второй полосовой фильтр 15. Его полоса пропускания расположена между значениями гармоник промышленной частоты, тем самым фильтр очищает измерительный сигнал от этих гармоник. Сигнал с выхода второго полосового фильтра поступает на второй аналоговый вход микроконтроллера 18, где осуществляется аналого-цифровое преобразование. Далее этот 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 магнитного поля.
Результаты всех измерений поступают на блок приема-передачи данных 19, 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 19, и через него при необходимости с него передаются управляющие команды на микроконтроллер 18.
Принцип работы устройства заключается в следующем. В основу электрических измерений 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 устройства 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. Опорный генератор используется для определения знака направления поля.
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.
При магнитных измерениях измерительные катушки 16 периодически оказываются открытыми и подвергаются воздействию магнитного поля. Их оси направлены вертикально и токи, наводимые в них, зависят от величины вертикальной составляющей поля. Когда они закрываются лопастями экранирующей пластины, силовые линии магнитного поля перераспределяются, меняя свою форму, и через катушки проходит меньшая величина поля. Поскольку геометрические размеры конструкции устройства не изменяются, то величина колебания магнитного поля вблизи катушек, а также и величина токов, наводимых в катушках в результате этого колебания, пропорциональны величине геофизического магнитного поля. Количественное значение этой пропорциональности постоянно, и устанавливается при калибровке после изготовления устройства. Переменные токи в измерительных катушках во втором усилителе тока 13, втором полосовом фильтре 15 и микроконтроллере 18 преобразуются в цифровой измерительный сигнал для дальнейшего использования.
Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет одновременно и совместно измерять составляющие геофизического поля, что дает возможность повысить точность измерения электрического и магнитного полей и увеличить универсальность применения устройства.
Магнитоэлектромер, содержащий экранирующую пластину, измерительную пластину, изоляторы, корпус-основание, двигатель, первый усилитель тока, маркированный маховик, источник подсветки, фотодиод, мостовую схему, пороговый блок, первый полосовой фильтр, микроконтроллер, блок приема-передачи данных и блок стабилизации скорости вращения двигателя, отличающийся тем, что в него введены измерительные катушки, второй усилитель тока и второй полосовой фильтр, 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 первого усилителя тока, а его выход через первый полосовой фильтр - с первым аналоговым входом микроконтроллера, выводы всех измерительных катушек соединены последовательно, вход первой катушки и выход последней катушки - со входами второго усилителя тока, а его выход через второй полосовой фильтр - со вторым 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 и покрыты с верхней стороны слоем из материала с большой относительной магнитной проницаемостью и малым магнитным насыщением, корпус-основание, вал двигателя, экранирующая и измерительная пластины и маркированный маховик выполнены из немагнитного металла, двигатель отнесен от корпуса-основания.
