CN102830382B - 一种圆柱型电容式模拟电场发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种圆柱型电容式模拟电场发生器。该模拟电场发生器包括一个底座(8)和固定在该底座(8)上的圆柱形不锈钢屏蔽外罩(9)，所述的圆柱形不锈钢屏蔽外罩(9)的内部同轴设置两块平行且相离一定距离的圆形不锈钢制的高电位板(1)和低电位板(2)构成的平行板电容器；所述的圆柱形不锈钢屏蔽外罩(9)上设有高绝缘接线柱(11)和低压接线柱(12)，所述的高绝缘接线柱(11)与高电位板连接，所述的低压接线柱(12)与低电位板连接，其特征在于，所述的不锈钢高电位板(1)和低电位板(2)的直径和间距比≥3。本模拟电场发生器精度高、线性好、性能稳定，满足欲建立的精度为1％的宽量程全自动化记录的电场标定系统的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟电场发生器，具体涉及一种圆柱型电容式模拟电场发生器，用于评价电场测量仪器性能，用于气象行业标准关于高精度宽量程全自动大气电场标定系统中最关键的设备-模拟电场发生器。
背景技术
大气电场是雷暴、冰雹、沙尘暴和地震等形成过程中主要特征性参数之一，电场测量是确保航天器安全升空，气象预报，研究空间环境和空间物理、空间天气学的重要手段。长期以来关于电场的探测与研究引起了多学科科技人员的关注。
为确保电场测量的真实性和各电场测量仪器的一致性，国际上在上世纪中期就建立了电场标准或基准的电场标定系统。前苏联建立了24×24×10m电场标定系统；美国建立了精度达0.3％的电场标定系统。IEEE在1990年颁布了一份直流电场强度测量的技术标准。然而，电场是我国目前唯一没有建立国家标准或基准的电学参量。既不能确保各电场测量仪器的一致性，也不能确定电场数值的真实性或可信性。这已经不适合我国在各领域日益广泛应用电场仪的现状，影响了ISO9000质量管理和质量保证的贯彻，也阻碍了我国的自主创新能力的发展。
专利号ZL 200420006920.6公布了一种电场测量仪器的标定装置，它具有线性好，可作为地面电场仪、球载双球电场仪和微火箭电场仪调试中的模拟电场信号源，由于精度较差(9％左右)，只能对电场仪进行定性的标定。中国气象局和中国科学院共同建立精度为1％的大气电场标定系统作为气象部门的行业标准的基准设备，其中最基本、最关键的问题是设计出精度高，线性好，稳定的模拟电场发生器。经检验和试用，本模拟电场发生器能产生每米零伏至每米数百千伏的电场，均方根误差为0.322％，适用于中国气象局欲创建的精度为1％的气象行业标准的电场标定系统。
发明内容
本发明的目的在于，提供一台能产生均匀而恒定的模拟电场发生器，产生电场的范围、电场的均匀性和稳定性满足中国气象部门欲建立的宽量程高精度全自动化记录的电场标定系统，适用于气象行业标准的电场标定系统中的模拟电场发生器。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种圆柱型电容式模拟电场发生器(图1)，该模拟电场发生器包括一个底座8和固定在该底座8上的圆柱形不锈钢屏蔽外罩9，所述的圆柱形不锈钢屏蔽外罩9的内部同轴设置由两块相互平行且相离一定距离的圆形不锈钢制的并分别被称之为高电位板1和低电位板2构成的平行板电容器；所述的圆柱形不锈钢屏蔽外罩9上设有高绝缘接线柱11和低压接线柱12，所述的高绝缘接线柱11与高电位板相连接，所述的低压接线柱12与低电位板相连接，其特征在于，所述的不锈钢高电位板1和不锈钢低电位板2的直径和间距比≥3。(注：不同的比有不同的误差，比值愈大，精度愈高，但加工愈困难。)。
所述的不锈钢低电位板2的中心处有一开孔，并通过不锈钢法兰盘3放置电场仪探头，该电场仪探头突出低电位板2的最大高度可达40mm。在不影响误差的情况下，能容许该电场仪探头突出低电位板2的部分最大高度是40mm，过大就会引起误差。
所述的不锈钢高电位板1和不锈钢低电位板2之间，沿板边缘等距安装有若干导电环5和等分压电阻6构成等电位层，以减少边缘效应的影响。
所述的模拟电场发生器包括一个不锈钢防尘盖10。待卸掉探头时，可以用来盖上开孔。
所述的直径为Φ1000×12mm高电位板1、低电位板2和法兰盘3采用无磁性304#不锈钢制成，均为构成模拟电场发生器的关键部件。
所述的高、低电位板之间采用聚砜绝缘支柱4固定和支撑。
所述的不锈钢高电位板1和低电位板2构成的平行板电容器由若干聚砜绝缘支柱7支撑，并设置于圆柱形不锈钢屏蔽外罩9的内部。
所述的不锈钢屏蔽外罩9的半径和电位板半径之比值，为两电位板之间距离的2.5倍。
所述的不锈钢屏蔽外罩9在高、低电位接线柱处附近设置一个可关闭的小窗口，用于固定高、低电位板与高、低接线柱之间的连线。
所述的圆柱型电容式模拟电场发生器采用独立的专用接地线作为放电通路，避免了因公共接地线的干扰，采用接地屏蔽罩9和底座8形成封闭式屏蔽体隔离来自杂散电磁波尤其是电场的干扰。
本发明的优点在于，本发明采用无磁性不锈钢制电容器式模拟电场发生器，如图1所示，选择了合理的两板之间的距离和两板的大小及仪器安装孔的孔径，能产生每米零伏至每米数百千伏的均匀、恒定的模拟电场，可适用于不同尺寸仪器的绝对标定，0.322％均方根误差适用于精度较高的电场标定系统。
附图说明
图1为圆柱型电容式不锈钢模拟电场发生器示意图。
附图标识
1、高电位板 2、低电位板 3、法兰盘
4、第一绝缘支柱 5、等电位导电环 6、等分压电阻
7、第二绝缘支柱 8、底座 9、屏蔽外罩
10、不锈钢防尘盖 11、高绝缘接线柱 12、低压接线柱
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明所提出的一种圆柱型电容式模拟电场发生器，如图1所示，圆柱型无磁性不锈钢电容式模拟电场发生器，它包括直径均为Φ1000×12mm不锈钢高电位板1和低电位板2，并由8根Φ50mm聚砜绝缘支柱4将高电位板1和低电位板2连接成一体，构成内空Φ1000×200mm基本的模拟电场发生器的主体。其中低电位板正中有一Φ130mm开孔，放置稍大于Φ130mm的不锈钢法兰盘3，以便安装Φ130mm以内的各种尺寸的被标定大气电场仪。两板之间安装了4条Φ1000mm等电位导电环5和5支耐高压的等分压电阻6，以改善由于两板尺寸有限而引起的边缘效应。电场发生器的主体由4根Φ100×500mm聚砜绝缘支柱7支撑在Φ2000×20mm底座8上，Φ2000×750mm不锈钢屏蔽外罩9固定在底座8的周围而对电场发生器的主体形成整体屏蔽。不锈钢屏蔽外罩9顶部正中开有Φ250mm的孔，以便放置法兰盘3和待标定的大气电场仪的探头。待探头卸后，将Φ300mm不锈钢防尘盖10盖上，以防尘埃进入模拟电场发生器中。高压由固定在屏蔽外罩上的高绝缘接线柱11引入到高电位板，以便施加高压和高压测量方便、安全。低电位由固定在屏蔽外罩上的低压接线柱12引入到低电位板。
针对可能影响模拟电场发生器的三种主要干扰源，即公共接地线、公共220V市电和空间杂散电磁场，分别采用独立的专用地线、WH-38902超级隔离变压器和不锈钢屏蔽外罩9加以消除。
电场标定的关键问题是建立一个数值为已知的均匀、恒定电场。从理论上两个处于不同电位的任何形状的电极都可用来产生电场，较常见的采用带电架空线和平行板电容器两种方法，前者是由一根孤立的架空高电位导线与地电位板构成，它的优点是简单，但易产生电晕放电和不便于对杂散电场的屏蔽；本发明采用后者一种类似于电容器的模拟电场发生器(图1)，即将两块相距为一定距离且相互平行的金属板为电极，以空气为介质构成基本的电场发生器，在两极板之间加上一已知的稳定电压，平行电位板间产生的电场E在一定的区域内是均匀、稳恒的。
在直角坐标系中，均匀电场的电位函数U(x，y，z)与x、y、z的关系为
U(x，y，z)＝Fz (1)
其中x、y定为等电位面所在平面，z为电(力)场线方向，于是可计算出电场E：E(x，y，z)＝U/z＝F (2)
式(2)表明E与x、y、z坐标无关，也就是说，E是恒定的，并且它等于式(1)中U与z之间的比例系数F。
为了得到等位面，在式(1)中令U＝U1＝常数，得到：
Z＝U1/F＝Z1 (3)
式(3)表明，Z＝Z1也是个常数，等位面是一个平行于Z＝0平面并与之相距Z1＝U1/F的无限大平面。
如果两板间的电压差为U1＝20000V，距离为L＝0.2m，则产生的电场为E＝20000V/0.2m＝100000V/m
从式中可知，当两平板之间的距离一定时，电场与加在两板上的电压成正比。平板电容器式电场发生器适用于不同尺寸电场仪的绝对标定，一般要求精度较高的电场标定系统都采用这种方法。电场的精度除与电压的测量精度和两板之间距离的装配精度有关外，还与两平板的尺寸大小、待标定电场传感器的形状、尺寸及放置位置有关。
根据平行板电容式模拟电场发生器的原理：E＝U/L，其误差只与加在两板之间的电位差和两板之间的距离有关，但此公式是在假定两平行板的尺寸为无穷大，且两平板间不存在任何物体的情况下建立的。在实际中这种理想情况是不存在的，有限的尺寸势必在边缘处电力线与电位线发生畸变，即产生边缘效应；电场仪标定时其探头要露出模拟电场发生器的低电位板，也会引起模拟电场发生器内的电力线与电位线畸变。加之两平行电位板之间的平行度、平面度和内表面的粗糙度、绝缘不好漏电、接地屏蔽体离高电位板的远近，也要产生误差。但是如果在设计模拟电场发生器时，使两平行板的半径远大于电场仪的半径，两平板间的距离远超过电场仪探头露出模拟电场发生器内的高度。上述问题造成模拟电场发生器的误差完全可以限定在所要求的范围内。
1、对于建立我国第一个行业性电场标定系统中的模拟电场发生器，方案设计要充分考虑国内外的现状和发展趋势。
2、为了设计总误差为1％电场标定系统中的模拟电场发生器，在拟定设计方案时，将可能引起系统误差的任一个分误差源原则上均要提高一个数量级来考虑，即限定为0.1％或更小，才能确保系统总的误差不超过1％。但难度较大，在目前国内外水平下，实际上是不可能的，如高压电表现在国内外最好的精度为0.5％，另有些分误差源如平面度、接地屏蔽罩9的影响而造成的误差要达到0.1％，代价太大，如欲要将接地屏蔽的影响降到0.1％，屏蔽外罩9的直径应为Φ10000mm，太庞大，操作也不方便。本系统的设计是采用综合、平衡，互补等措施，最终达到了设计要求。
3、为了使标定系统的总误差1％达到要求，模拟电场发生器的误差应比1％更小，选择合理的两板之间的距离和两板的大小很重要。根据两平行板之间能产生均匀电场的原理，两电位板之间的距离愈近愈好，两电位板的尺寸愈大愈好。但太近，两电位板的内表面的粗糙度要求愈严格，并给今后电场仪的安装条件更苛刻，两电位板的尺寸太大，两电位板之间的平行度和平面度又很难达到。综合各个因素的考虑，两电位板之间的距离选用200mm，两电位板的直径选用Φ1000mm，以此尺寸为基点考虑和计算各分项误差。
4、两板有限尺寸而引起边缘效应对模拟电场发生器误差的影响，对于两平行电位板模拟电场发生器而言，在距离板边缘一个板间距处，由于边缘效应导致的均匀度偏离是0.1％，也就是说在间距200mm情况下，在Φ600mm处为0.1％，在探头Φ130mm处会更小。为更保险起见，在边缘增加由4条Φ1000mm导电环5和5支等分电阻6构成的等电位层，将边缘效应影响进一步减小到ΔEe/E＝1/en＝1/e12.5＝3.73.×10-6，可忽略不计。其中n为电位板的半径与等电位层间距离之比。
5、由于电场仪的放置而引起的畸变对模拟电场发生器误差的影响，在平板式模拟电场发生器中，一般在低电位板的中央开一个圆孔用于安装待标定的电场仪，圆孔的尺寸不能太大，太大将影响高电位板面电荷密度分布，也不能太小，太小将影响电场传感器尺寸较大的仪器的标定，且圆孔的尺寸应尽量贴合电场仪的传感器的直径。若圆孔的半径不大于两电位板的板间距的1/3(即66mm)，由电场仪安装孔带来的电场畸变影响可以小到可忽略的程度。在本设计中，低电位板上电场仪安装孔的半径选为65mm，比66mm稍小。能对电场传感器直径Φ130mm以下的电场仪进行标定，这一尺寸包含了目前国内外电场仪传感器的尺寸。又避免了由开孔而引起的误差。低电位板2中心的开孔选用Φ130mm，并通过不锈钢法兰盘3放置电场仪探头，该电场仪探头突出低电位板部分的高度40mm。该模拟电场发生器还设置一个不锈钢防尘盖10。待卸掉探头时，可以用来盖上开孔。
6、接地屏蔽罩对模拟电场发生器误差的影响：空间总存在电磁场，不论晴天、还是雷雨天，都有电场存在，且这些电场要渗入到室内，同时在室内还存在工频电场，都会给电场标定带来误差。所以应将模拟电场发生器及其被标定的仪器进行局部屏蔽。根据无电位差的导电板间不存在电场的原理，平行板边缘与最近的接地面或接地物体之间的距离至少应为2倍板间距要求，由接地屏蔽物引起的误差为0.5％，本设计屏蔽罩的设计尺寸为Φ2000×750mm，是板间距的2.5倍，由接地屏蔽物引起的误差为0.4％。
7、模拟电场发生器的关键部件-两块直径为Φ1000×12mm的高低电位板选用无磁性的304型不锈钢，且不易氧化或锈化，可避免高、低电位板表面面电荷分布不均匀而影响模拟电场发生器的精度，由于该材料无磁性，也不会因磁化造成面电荷的不均匀性。
8、模拟电场发生器所用的绝缘支柱材料的选择，陶瓷、玻璃、聚砜都能做支柱。在选择支柱材料时，耐压和刚性是主要的，在上述几种绝缘材料中，选用聚砜，其刚性和耐压(30kV/m)均符合要求，不会因漏电而引起误差。
9、对于构成模拟电场发生器两板的内表面粗糙度，加工要求各处不同。低电位板的内表面局地凹凸不平在0.2mm内。低电位板内表面在靠安装孔处应小于0.065mm，若均按此精度要求对低电位板内表面加工，而凹陷处与凸起处所造成的误差相反。所以由内表面粗糙这一项产生的平均误差ΔL1会远小于0.1％。
10、对于构成模拟电场发生器两电位板的平面不平行使得两平面间的距离在不同端测量的数值不等，设最长距离与最短距离之差为ΔL2，在电位板的中心处为ΔL2/2。根据E＝U/L，则ΔL2造成E的相对误差可估算为ΔE/E＝ΔL2/2L，在要求ΔL2/2L＜0.1％的情况下，那么ΔL2＜0.4mm，它作为两电位板平行度的安装精度要求。
11、对于构成模拟电场发生器两电位板1、2内表面间平面度引起的误差，由ΔE/E～ΔL3/L，要求两电位板1、2的内表面间任一处的距离测量误差ΔL3/L＜0.1％，则两电位板1、2内表面的平面度误差应小于0.2mm，这对于直径为Φ1000mm的平板加工难度非常大。
12、干扰对电场标定的影响，电场标定在高灵敏端，被标定的电场仪的感应信号只有百微伏数量级，防止干扰的影响特别重要。针对干扰主要来自于公共接地线，公共电源220V和散布在空间的各种杂散电磁波的三种途径，采用WH-38902超级隔离变压器(22)以120dB的共模抑止比提供模拟电场发生器及其配套设备的交流220V供电，消除市电220V上的杂散干扰。采用独立的专用地线，避免了因公共接地线的干扰，采用接地屏蔽罩9和底座8形成封闭式屏蔽体隔离来此来自于散布在空间的杂散电磁波尤其是电场干扰。并使模拟电场发生器与放置模拟电场发生器的不锈钢制平台形成地电位的等位体，防止静电浮动而产生电位差对模拟电场的影响。
13、不锈钢屏蔽外罩9在高、低电位接线柱处附近设置一个可关闭的小窗口，用于固定高、低电位板与高、低接线柱之间的连线，用后可关闭。
14、构成模拟电场发生器关键部件-两块直径为Φ1000×12mm的高低电位板2、1加工表面的粗糙度和平面度经由中国计量科学院和北京南口轨道交通机械有限公司检验认可，
15、构成模拟电场发生器的关键参量平行度和高低电位板2、1之间的距离经由中国计量科学院检测认可。
16、所述的5支等分压电阻隐含于Φ50mm聚砜绝缘支柱4内，既安全又美观。所述的高绝缘接线柱10选用Φ40×50聚四氟乙稀，避免了数百千伏高压对处在地电位的不锈钢屏蔽外罩9放电打火，便于高压的施加和测量安全性操作。
17、所述的Φ2000×750mm不锈钢屏蔽外罩9固定在Φ2000×20mm底座8的周围，形成封闭式屏蔽体对其内部的模拟电场发生器的主体实现屏蔽。
18、所述的不锈钢屏蔽外罩9采用1.5mm厚的304#不锈钢板焊接制成，确保内表面光滑，在外表面用20×20mm和30×25mm的方形不锈钢管焊接成鸟笼式的加强筋，以增加屏蔽外罩的刚性。
19、所述的构成模拟电场发生器的两块不锈钢高低电位板2、1设计成圆板形，以防止在板边缘处电荷分布的不均匀。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (11)
1.一种圆柱型电容式模拟电场发生器，该模拟电场发生器包括一个底座(8)和固定在该底座(8)上的圆柱形不锈钢屏蔽外罩(9)，所述的圆柱形不锈钢屏蔽外罩(9)的内部同轴设置包括两块相互平行且相离一定距离的圆形不锈钢制的并分别被称之为高电位板(1)和低电位板(2)构成的平行板电容器；所述的圆柱形不锈钢屏蔽外罩(9)上设有高绝缘接线柱(11)和低压接线柱(12)，所述的高绝缘接线柱(11)与高电位板相连接，所述的低压接线柱(12)与低电位板相连接，其特征在于，所述的不锈钢高电位板(1)和不锈钢低电位板(2)的直径和间距比≥3；
所述的不锈钢低电位板(2)的中心处有一开孔，并通过不锈钢法兰盘(3)放置电场仪探头，该电场仪探头突出低电位板(2)的部分最高为40mm。
2.根据权利要求1所述的圆柱型电容式模拟电场发生器，其特征在于，所述的不锈钢高电位板(1)和低电位板(2)之间，沿板边缘等距安装有若干导电环(5)和等分压电阻(6)构成等电位层，以减少边缘效应的影响。
3.根据权利要求1所述的圆柱型电容式模拟电场发生器，其特征在于，所述的模拟电场发生器包括一个不锈钢防尘盖(10)。
4.根据权利要求1所述的圆柱型电容式模拟电场发生器，其特征在于，所述的高电位板(1)、低电位板(2)和法兰盘(3)采用无磁性304#不锈钢制成，设计为圆形，防止电荷在边缘分布的不均匀性。
5.根据权利要求1所述的圆柱型电容式模拟电场发生器，其特征在于，所述的由不锈钢高电位板(1)和低电位板(2)构成的平行板电容器由若干聚砜绝缘支柱(7)支撑，并设置于圆柱形不锈钢屏蔽外罩(9)的内部。
6.根据权利要求1所述的圆柱型电容式模拟电场发生器，其特征在于，所述的不锈钢屏蔽外罩(9)的半径和电位板半径之比值，为两电位板之间距离的2.5倍。
7.根据权利要求1所述的圆柱型电容式模拟电场发生器，其特征在于，所述的高、低电位板之间采用聚砜绝缘支柱(4)固定和支撑。
8.根据权利要求1所述的圆柱型电容式模拟电场发生器，其特征在于，所述的不锈钢屏蔽外罩(9)在高绝缘接线柱(11)、低压接线柱(12)处附近设置一个可关闭的小窗口，用于固定高、低电位板与高绝缘接线柱(11)、低压接线柱(12)之间的连线。
9.根据权利要求1所述的圆柱型电容式模拟电场发生器，其特征在于，所述的圆柱型电容式模拟电场发生器采用独立的专用地线作为放电通路。
10.根据权利要求1所述的圆柱型电容式模拟电场发生器，其特征在于，所述的圆柱型电容式模拟电场发生器放置在具有导电性的不锈钢制平台上，并与专用接地线连接，使模拟电场发生器及其不绣钢制平台构成处于地电位的等电位体。
11.根据权利要求1所述的圆柱型电容式模拟电场发生器，其特征在于，低电位板(2)中心处用于安装仪器开孔的半径稍小于两电位板间距的1/3。
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