RU2532599C1

RU2532599C1 - Electrical field intensity measurement device

Info

Publication number: RU2532599C1
Application number: RU2013135885/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Ильич Болдырев; Владимир Николаевич Иванов; Роман Вячеславович Кемаев; Виктор Яковлевич Коровин; Алексей Вячеславович Меляшинский; Константин Владимирович Памухин; Виктор Николаевич Панов; Юрий Николаевич Швырёв
Original assignee: Федеральное государственное бюджетное учреждение Научно-производственное объединение "Тайфун"
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2014-11-10

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: invention relates to electrical measurements and can be used for measurement and recording of intensity of an electrical field in a wide dynamic range. The device includes an electromechanical modulator made in the form of a rotating screening electrode and fixed measuring electrodes, and input amplifier, the input of which is connected to the measuring electrodes, and an analogue-to-digital converter (ADC) and a microcontroller, which are connected in series. Besides, ADC input is connected to the input amplifier output. The first output of the microcontroller is an output of the device, and the second output of the microcontroller is connected to the input of the controlled EMF source, the output of which is connected to the screening electrode of the electromechanical modulator. The controlled EMF source is implemented in the form of in-series connected digital-and-analogue converter (DAC) and a scaling amplifier with low output resistance. Besides, DAC input is an input of the controlled EMF source, and the output of the scaling amplifier with low output resistance is the output of the controlled EMF source.

EFFECT: increase of sensitivity of measurements of electrical field intensity in a wide dynamic range.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано для измерения и регистрации напряженности электрического поля в широком динамическом диапазоне с повышенной чувствительностью при проведении метеорологических, геофизических, радиофизических исследований, а также для оценки экологического состояния атмосферы и поверхности Земли.The invention relates to the field of electrical measurements and can be used to measure and record the electric field in a wide dynamic range with increased sensitivity during meteorological, geophysical, radiophysical studies, as well as to assess the ecological state of the atmosphere and Earth's surface.

Как известно, вертикальная составляющая напряженности электрического поля атмосферы у поверхности Земли в условиях хорошей погоды (отсутствие гроз, осадков, сильной облачности и т.д.) составляет величину порядка плюс 100 В/м (в системе координат с вертикальной осью, направленной к Земле) и может изменяться в пределах нескольких (а иногда и десятков) киловольт на метр по абсолютному значению в зависимости от наличия тех или иных атмосферных процессов/явлений [Френкель Я.И. Теория явлений атмосферного электричества. Изд 2-е, испр. - М.: КомКнига, 2007. - с.36]. Причем наиболее интенсивные спектральные компоненты вариации напряженности электрического поля атмосферы обнаруживаются в полосе частот от 0 до 0,06 Гц [Атмосфера: справочник (справ, данные, модели) / ред. Ю.С. Седунов и др. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - с.407]. В то же время некоторые геофизические процессы могут сопровождаться незначительными вариациями напряженности электрического поля с амплитудой порядка единиц и даже долей милливольт на метр [Апсен А.Г. Магнитосферные эффекты в атмосферном электричестве / А.Г. Апсен, X.Д. Канониди, С.П. Чернышева и др. - М.: Наука, 1988. - с.47]. В этой связи получение информации о низкоамплитудных вариациях поля, особенно в условиях наличия сильных источников электрического поля, таких как кучевая облачность, атмосферный фронт и т.д., может быть затруднено из-за недостаточной чувствительности или ширины динамического диапазона измерителя.As you know, the vertical component of the electric field of the atmosphere at the Earth's surface in good weather (no thunderstorms, rainfall, overcast, etc.) is of the order of plus 100 V / m (in a coordinate system with a vertical axis directed to the Earth) and can vary within a few (and sometimes tens) kilovolts per meter in absolute value depending on the presence of certain atmospheric processes / phenomena [Frenkel Y.I. Theory of phenomena of atmospheric electricity. 2nd ed., Rev. - M .: KomKniga, 2007. - p. 36]. Moreover, the most intense spectral components of the variation in the electric field of the atmosphere are found in the frequency band from 0 to 0.06 Hz [Atmosphere: a reference (reference, data, models) / ed. Yu.S. Sedunov et al. - L .: Gidrometeoizdat, 1991. - p. 407]. At the same time, some geophysical processes may be accompanied by insignificant variations in the electric field strength with an amplitude of the order of units and even fractions of a millivolt per meter [Apsen A.G. Magnetospheric effects in atmospheric electricity / A.G. Apsen, X.D. Canonidi, S.P. Chernysheva et al. - M .: Nauka, 1988. - p. 47]. In this regard, obtaining information on low-amplitude field variations, especially in the presence of strong sources of electric field, such as cumulus, atmospheric front, etc., can be difficult due to insufficient sensitivity or width of the dynamic range of the meter.

Известен преобразователь измерительный «Поле-2» для измерения напряженности электрического поля [Преобразователь измерительный «Поле-2», номер 27790-04 в государственном реестре средств измерений], содержащий первичный и вторичный преобразователи. Первичный преобразователь содержит электромеханический модулятор (электростатический генератор), состоящий из экранирующей и измерительной пластин, генератор управляющего напряжения, электродвигатель и электронный блок. Вторичный преобразователь содержит усилитель и синхронный детектор. Суть способа, по которому работает преобразователь измерительный «Поле-2», заключается в следующем. Поток вектора напряженности измеряемого электрического поля модулируют заземленной вращающейся экранирующей пластиной с прорезями, в результате чего на измерительной пластине появляется переменный сигнал, пропорциональный величине напряженности измеряемого электрического поля. Этот сигнал после усиления и масштабирования и детектируют, а затем регистрируют. Для расширения динамического диапазона обработка сигнала идет по 2 измерительным каналам с пределами измерений ±500 В/м и ±5000 В/м. Каналы работают поочередно, используемый канал определяют текущей напряженностью измеряемого электрического поля. При выборе канала руководствуются требованиями достижения наиболее высокой чувствительности и точности. Недостатком данного технического решения является то, что канал с высоким верхним пределом измерений обладает малой чувствительностью и большой абсолютной погрешностью, другой канал, являясь более чувствительным и точным, имеет невысокий верхний предел измерений. Совокупность указанных недостатков приводит к невозможности регистрации низкоамплитудных вариаций напряженности электрического поля на фоне значительных постоянной и низкочастотных спектральных составляющих.Known measuring transducer "Field-2" for measuring electric field strength [Measuring transducer "Field-2", number 27790-04 in the state register of measuring instruments], containing primary and secondary converters. The primary converter contains an electromechanical modulator (electrostatic generator), consisting of shielding and measuring plates, a control voltage generator, an electric motor and an electronic unit. The secondary converter contains an amplifier and a synchronous detector. The essence of the method by which the measuring transducer “Field-2” works is as follows. The flow of the vector of the measured electric field intensity is modulated by a grounded rotating shielding plate with slots, as a result of which an alternating signal appears on the measuring plate proportional to the value of the measured electric field strength. This signal, after amplification and scaling, is detected and then recorded. To expand the dynamic range, the signal is processed through 2 measuring channels with measurement limits of ± 500 V / m and ± 5000 V / m. The channels operate alternately, the channel used is determined by the current intensity of the measured electric field. When choosing a channel, they are guided by the requirements to achieve the highest sensitivity and accuracy. The disadvantage of this technical solution is that the channel with a high upper limit of measurement has low sensitivity and a large absolute error, the other channel, being more sensitive and accurate, has a low upper limit of measurement. The totality of these shortcomings makes it impossible to register low-amplitude variations in the electric field against a background of significant constant and low-frequency spectral components.

Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству для измерения напряженности электрического поля являются ротационный электростатический флюксметр [А.С. СССР, №746308, МПК⁵ G01R 19/16)] и способ, реализованный в нем. Флюксметр содержит электромеханический модулятор (датчик), выполненный в виде соосного соединения неподвижной измерительной и вращающейся экранной пластин, и измерительный блок, выполненный в виде соединения измерительного усилителя и индикатора. Измерительная пластина ротационного электростатического флюксметра выполнена в виде соосного соединения двух изолированных одна от другой пластин, а измерительный блок - в виде соединения двух измерительных усилителей с индикатором, подключенных соответственно к двум измерительным пластинам датчика. Суть способа, по которому работает Флюксметр, заключается в следующем. Поток вектора напряженности измеряемого электрического поля модулируют заземленной вращающейся экранирующей пластиной с прорезями, в результате чего на каждой изолированной измерительной пластине появляется переменный сигнал, пропорциональный величине напряженности измеряемого электрического поля. Эти сигналы усиливают с различными коэффициентами усиления по двум каналам соответствующими измерительными усилителями и отображают их на индикаторах. По показаниям индикаторов судят о величине напряженности измеряемого электрического поля. Измерительные усилители отличаются величинами входных сопротивлений, что позволяет расширить динамический диапазон, поскольку измерения напряженности электрического поля осуществляют одновременно на двух разных диапазонах. Недостатком данного технического решения является невозможность регистрации слабых вариаций поля на фоне значительных постоянной и низкочастотных составляющих. Это происходит в результате того, что при наличии указанных составляющих измерительный усилитель с большим входным сопротивлением переходит в насыщение, а измерительный усилитель, имеющий низкое входное сопротивление, не обладает достаточной чувствительностью и точностью.Closest to the proposed method and device for measuring electric field strength are a rotational electrostatic fluxmeter [A.S. USSR, No. 746308, IPC ⁵ G01R 19/16)] and the method implemented therein. The fluxmeter comprises an electromechanical modulator (sensor) made in the form of a coaxial connection of a stationary measuring and rotating screen plate, and a measuring unit made in the form of a connection of a measuring amplifier and an indicator. The measuring plate of a rotational electrostatic fluxmeter is made in the form of a coaxial connection of two plates isolated from one another, and the measuring unit is in the form of a connection of two measuring amplifiers with an indicator connected respectively to two measuring plates of the sensor. The essence of the method by which the Fluxmeter works is as follows. The flow of the intensity vector of the measured electric field is modulated by a grounded rotating shielding plate with slots, as a result of which an alternating signal appears on each isolated measuring plate proportional to the magnitude of the measured electric field strength. These signals are amplified with different amplification factors on two channels by corresponding measuring amplifiers and displayed on indicators. According to the indications of the indicators, the strength of the measured electric field is judged. Measuring amplifiers differ in input impedances, which allows to expand the dynamic range, since the measurement of the electric field is carried out simultaneously on two different ranges. The disadvantage of this technical solution is the impossibility of registering weak field variations against a background of significant constant and low-frequency components. This is due to the fact that in the presence of these components, the measuring amplifier with a large input impedance goes into saturation, and the measuring amplifier having a low input impedance does not have sufficient sensitivity and accuracy.

Задачей данного технического решения является повышение чувствительности измерений напряженности электрического поля способа с расширенным динамическим диапазоном, а также создание устройства, реализующего данный способ.The objective of this technical solution is to increase the sensitivity of measuring the electric field of a method with an extended dynamic range, as well as creating a device that implements this method.

Задача решается тем, что в способе измерения напряженности электрического поля путем проведения амплитудной модуляции его величины при помощи помещенного в исследуемое электрического поле электромеханического модулятора, содержащего экранирующий и измерительный электроды, между экранирующим и измерительным электродами модулятора создают дополнительное электрическое поле, совпадающее по направлению с измеряемым, напряженностью, близкой к суммарной напряженности постоянной составляющей и низкочастотных спектральных компонент измеряемого электрического поля, а по сумме величины напряженности дополнительного электрического поля и величины напряженности модулированного электрического поля судят о величине напряженности измеряемого электрического поля. Кроме того, дополнительное электрическое поле между электродами модулятора создают путем подачи электрического потенциала на модулирующий электрод относительно измерительного. Задача решается также тем, что в устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее электромеханический модулятор, выполненный в виде вращающегося экранирующего и неподвижного измерительного электродов, входной усилитель, вход которого соединен с измерительным электродом, систему регистрации выходного сигнала, вход которой соединен с выходом входного усилителя, введен управляемый источник ЭДС, вход которого соединен с одним из выходов системы регистрации выходного сигнала, а выход соединен с экранирующим электродом электромеханического модулятора. Кроме того, управляемый источник ЭДС реализован в виде последовательно соединенных ЦАП и масштабирующего усилителя с низким выходным сопротивлением, причем входом управляемого источника ЭДС является вход ЦАП, а выходом является выход масштабирующего усилителя с низким выходным сопротивлением. А также система регистрации выходного сигнала реализована в виде последовательно соединенных АЦП и микроконтроллера, причем вход АЦП является входом системы регистрации выходного сигнала, а второй выход микроконтроллера является выходом устройства для измерения напряженности электрического поля.The problem is solved in that in a method for measuring electric field strength by performing amplitude modulation of its magnitude using an electromechanical modulator containing shielding and measuring electrodes placed in the studied electric field, an additional electric field is created between the shielding and measuring electrodes of the modulator, which coincides with the measured one, intensity close to the total intensity of the DC component and low-frequency spectral components from measured electric field, and the sum of the magnitude of the additional electric field and the magnitude of the modulated electric field is judged on the magnitude of the measured electric field. In addition, an additional electric field between the electrodes of the modulator is created by applying an electric potential to the modulating electrode relative to the measuring one. The problem is also solved by the fact that in the device for measuring the electric field strength containing an electromechanical modulator made in the form of a rotating shielding and stationary measuring electrodes, an input amplifier, the input of which is connected to the measuring electrode, an output signal registration system, the input of which is connected to the output of the input amplifier , a controlled EMF source is introduced, the input of which is connected to one of the outputs of the output signal registration system, and the output is connected to a shielding electron electromechanical modulator house. In addition, the controlled source of EMF is implemented as a series-connected DAC and a scaling amplifier with a low output resistance, the input of a controlled source of EMF being the input of the DAC, and the output is the output of a scaling amplifier with a low output resistance. And also, the system for recording the output signal is implemented in the form of series-connected ADCs and a microcontroller, the ADC input being the input of the output signal registration system, and the second output of the microcontroller being the output of the device for measuring the electric field strength.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения напряженности электрического поля.The drawing shows a functional diagram of a device that implements the proposed method for measuring electric field strength.

Измеритель содержит: электромеханический модулятор 1, состоящий из экранирующего электрода 2, измерительного электрода 3, мотора 4, токосъемника 5; входной усилитель 6; систему регистрации выходного сигнала 7, включающую аналого-цифровой преобразователь 8, микроконтроллер 9, выходной интерфейс 10; управляемый источник ЭДС 11, включающий цифроаналоговый преобразователь 12 и масштабирующий усилитель 13 с низким выходным сопротивлением на землю (точку нулевого потенциала) 14.The meter contains: an electromechanical modulator 1, consisting of a shielding electrode 2, a measuring electrode 3, a motor 4, a current collector 5; input amplifier 6; an output signal recording system 7, including an analog-to-digital converter 8, a microcontroller 9, an output interface 10; a controlled source of EMF 11, including a digital-to-analog converter 12 and a scaling amplifier 13 with a low output resistance to earth (zero potential point) 14.

Способ измерения напряженности электрического поля осуществляют следующим образом.The method of measuring the electric field is as follows.

В результате поочередного экспонирования / экранирования измерительного электрода 3 в измеряемом электрическом поле E₀ на этом электроде возникают колебания заряда q_s, являющегося суммой заряда q₀, индуцируемого измеряемым полем E₀ и заряда q_c, накапливаемого динамическим конденсатором, образованным измерительным 3 и экранирующим 2 электродами, под действием разности потенциалов, создаваемой управляемым источником ЭДС 11 между экранирующим 2 и измерительным 3 электродами:As a result of alternating exposure / shielding of the measuring electrode 3 in the measured electric field E ₀ , oscillations of the charge q _s occur on this electrode, which is the sum of the charge q ₀ induced by the measured field E ₀ and the charge q _c accumulated by the dynamic capacitor formed by measuring 3 and shielding 2 electrodes, under the action of a potential difference created by a controlled source of EMF 11 between the shielding 2 and the measuring 3 electrodes:

$q_{s} = q_{0} + q_{c} (1)$

q_{s} = q_{0} + q_{c} (one)

Каждый из зарядов, в свою очередь, находится как:Each of the charges, in turn, is located as:

$q_{0} (t) = ε \cdot ε_{0} \cdot E_{0} \cdot S_{o p e n} (t) (2)$

q_{0} (t) = ε \cdot ε_{0} \cdot E_{0} \cdot S_{o p e n} (t) (2)

$q_{c} (t) = ε \cdot ε_{0} \cdot U_{c} \cdot \frac{S_{c l o s e} (t)}{d} = ε \cdot ε_{0} \cdot U_{c} \cdot \frac{S_{r e g} - S_{o p e n}}{d} (3)$

q_{c} (t) = ε \cdot ε_{0} \cdot U_{c} \cdot \frac{S_{c l o s e} (t)}{d} = ε \cdot ε_{0} \cdot U_{c} \cdot \frac{S_{r e g} - S_{o p e n}}{d} (3)

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды, ε₀ - диэлектрическая постоянная, S_opent) - площадь экспонированной части измерительного электрода 3 в момент времени t, S_dose(t) - площадь экранированной части измерительного электрода 3 в момент времени t, S_reg - общая площадь измерительного электрода 3, E₀ - напряженность измеряемого электрического поля, U_с - разность потенциалов между экранирующим 2 и измерительным 3 электродами электромеханического модулятора 1. Подставляя (2) и (3) в (1) для изменения заряда на измерительном электроде 3 во времени, получим:where ε is the relative dielectric constant of the medium, ε ₀ is the dielectric constant, S _open t) is the area of the exposed part of the measuring electrode 3 at time t, S _dose (t) is the area of the shielded part of the measuring electrode 3 at time t, S _reg - the total area of the measuring electrode 3, E ₀ is the intensity of the measured electric field, U _with the potential difference between the shielding 2 and measuring 3 electrodes of the electromechanical modulator 1. Substituting (2) and (3) in (1) to change the charge on the measuring electrode 3 in VR Meni, we get:

$q_{c} (t) = ε \cdot ε_{0} \cdot (E_{0} \cdot \frac{U_{c}}{d}) = S_{o p e n} (t) + \frac{U_{c}}{d} \cdot S_{r e g} (4)$

q_{c} (t) = ε \cdot ε_{0} \cdot (E_{0} \cdot \frac{U_{c}}{d}) = S_{o p e n} (t) + \frac{U_{c}}{d} \cdot S_{r e g} (four)

Разность потенциалов между электродами электромеханического модулятора U_c может считаться равной напряжению источника ЭДС 11 U₀ при выполнении следующего, легко выполняемого условия: $R_{i n} \cdot C < < \frac{1}{w_{\mod}}$

, где R_in - входное сопротивление усилителя 6, C - емкость конденсатора, образованного экранирующим 2 и измерительным 3 электродами электромеханического модулятора 1, w_mod - частота модуляции.The potential difference between the electrodes of the electromechanical modulator U _c can be considered equal to the voltage of the emf source 11 U ₀ when the following, easily fulfilled condition is fulfilled:

R_{i n} \cdot C < < \frac{one}{w_{\mod}}

where R _in is the input impedance of amplifier 6, C is the capacitance of the capacitor formed by the shielding 2 and measuring 3 electrodes of the electromechanical modulator 1, w _mod is the modulation frequency.

Колебание заряда измерительного электрода 3 приводит к образованию тока во входной цепи входного усилителя 6, который находится какThe oscillation of the charge of the measuring electrode 3 leads to the formation of current in the input circuit of the input amplifier 6, which is located as

$i (t) = ε \cdot ε_{0} \cdot (E_{0} - \frac{U_{0}}{d}) \cdot \frac{d S_{o p e n}}{d t} (5)$

i (t) = ε \cdot ε_{0} \cdot (E_{0} - \frac{U_{0}}{d}) \cdot \frac{d S_{o p e n}}{d t} (5)

и определяет уровень сигнала на выходе устройства. Как видно из (5), сигнал на выходе электромеханического модулятора 1 определяется не только напряженностью измеряемого электрического поля E₀, но и напряжением U₀управляемого источника ЭДС 11. Отсюда следует, что, регулируя U₀, можно изменять величину сигнала на выходе электромеханического модулятора 1. В частности, сигнал может быть ослаблен, что позволяет регистрировать поля больших напряженностей без необходимости загрубления входного усилителя 6, системы регистрации выходного сигнала 7 или электромеханического модулятора 1. При мониторинге напряженности электрического поля атмосферы в силу его изменчивости величину U₀ изменяют вслед за измеряемым полем и обеспечивают тем самым малый диапазон изменения результирующего сигнала на выходе электромеханического модулятора 1 (в пределах динамического диапазона входного усилителя 6 и системы регистрации выходного сигнала 7).and determines the signal level at the output of the device. As can be seen from (5), the signal at the output of the electromechanical modulator 1 is determined not only by the measured electric field strength E ₀ , but also by the voltage U _{0 of the} controlled emf source 11. It follows that, by adjusting U ₀ , it is possible to change the signal value at the output of the electromechanical modulator 1. In particular, the signal can be attenuated, which makes it possible to register fields of high intensities without the need for coarsening the input amplifier 6, the registration system of the output signal 7, or the electromechanical modulator 1. When monitored In the ring of the electric field strength of the atmosphere, due to its variability, the value of U _{0 is} changed after the measured field and thereby provides a small range of variation of the resulting signal at the output of the electromechanical modulator 1 (within the dynamic range of the input amplifier 6 and the registration system of the output signal 7).

Изменение напряжения U₀ может осуществляться ступенчато или непрерывно. При ступенчатом изменении напряжение U₀ меняется при достижении величины сигнала на входе входного усилителя 6 определенного уровня, например верхней или нижней границы его динамического диапазона. Алгоритм непрерывного изменения напряжения U₀ заключается в повторении хода напряженности измеряемого электрического поля в полосе частот, соответствующей наибольшим амплитудам его спектральных составляющих, например от нуля до 0,06 Гц. Указанному ходу напряженности соответствует ход демодулированного сигнала на входе входного усилителя 6. Чувствительность, с которой управляемый источник ЭДС 11 отслеживает изменения напряженности измеряемого поля E₀, может быть невысокой. Но максимальное абсолютное значение напряжения U₀ на выходе управляемого источника ЭДС 11 должно быть достаточным для ослабления сигнала на входе входного усилителя 6 до уровня, не превышающего его верхнюю границу динамического диапазона. Входной усилитель 6 и система регистрации выходного сигнала 7, наоборот, должны иметь высокую чувствительность, чтобы улавливать незначительные изменения поля E₀, и не требовательны к верхнему пределу измерений. Напряженность измеряемого электрического поля E₀ при измерениях указанным способом вычисляется как сумма демодулированной величины напряжения на выходе входного усилителя 6 и величины напряжения на выходе масштабирующего усилителя 13, умноженных на соответствующие калибровочные коэффициенты:The voltage change U ₀ can be carried out stepwise or continuously. With a stepwise change, the voltage U ₀ changes when the value of the signal at the input of the input amplifier 6 reaches a certain level, for example, the upper or lower boundary of its dynamic range. The algorithm for continuously changing the voltage U ₀ is to repeat the course of the measured electric field in the frequency band corresponding to the largest amplitudes of its spectral components, for example, from zero to 0.06 Hz. The indicated course of the intensity corresponds to the course of the demodulated signal at the input of the input amplifier 6. The sensitivity with which the controlled source of EMF 11 monitors changes in the measured field strength E ₀ may be low. But the maximum absolute value of the voltage U ₀ at the output of the controlled source EMF 11 should be sufficient to attenuate the signal at the input of the input amplifier 6 to a level not exceeding its upper boundary of the dynamic range. The input amplifier 6 and the registration system of the output signal 7, on the contrary, must have a high sensitivity in order to capture minor changes in the field E ₀ , and are not demanding on the upper limit of measurements. The measured electric field strength E ₀ during measurements in this way is calculated as the sum of the demodulated voltage at the output of the input amplifier 6 and the voltage at the output of the scaling amplifier 13, multiplied by the corresponding calibration factors:

$E_{0} = k_{1} \cdot U_{p} + k_{2} \cdot U_{0} (6)$

E_{0} = k_{one} \cdot U_{p} + k_{2} \cdot U_{0} (6)

где U_p - величина демодулированного сигнала на выходе входного усилителя 6, k₁ - коэффициент пропорциональности между определенным значением напряженности электрического поля на "входе" электромеханического модулятора и величиной демодулированного сигнала на выходе входного усилителя 6 при U₀=0, k₂ - коэффициент пропорциональности между определенным значением напряжения U₀ управляемого источника ЭДС 11 и величиной напряженности электрического поля на "входе" электромеханического модулятора, дающей на выходе входного усилителя 6 аналогичный сигнал при U₀=0.where U _p is the value of the demodulated signal at the output of the input amplifier 6, k ₁ is the proportionality coefficient between a certain value of the electric field strength at the "input" of the electromechanical modulator and the value of the demodulated signal at the output of the input amplifier 6 at U ₀ = 0, k ₂ is the proportionality coefficient U ₀ between a certain value of the voltage controlled source of EMF 11, and the magnitude of the electric field at the "entrance" of the electromechanical modulator, giving at the output of the input amplifier 6 analogous first signal when U ₀ = 0.

Таким образом, используя представленный способ, можно проводить измерения напряженности электрического поля с высокой чувствительностью в широком динамическом диапазоне. Верхняя граница динамического диапазона определяется применяемым управляемым источником ЭДС 11 - его максимальным напряжением. Данный способ применим для устройств, использующих в качестве преобразователя электрического поля электромеханический модулятор, вне зависимости от его конструктивного исполнения и последующих схем и алгоритмов обработки сигнала.Thus, using the presented method, it is possible to measure the electric field with high sensitivity in a wide dynamic range. The upper limit of the dynamic range is determined by the applied controlled source of EMF 11 - its maximum voltage. This method is applicable to devices using an electromechanical modulator as an electric field converter, regardless of its design and subsequent signal processing schemes and algorithms.

Устройство для измерения напряженности электрического поля работает следующим образом. Сигнал на выходе входного усилителя 6 оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя 8 и далее поступает в микроконтроллер 9, где происходит его обработка, в результате которой подавляются шумы, выделяется рабочая полоса частот, осуществляется демодуляция. Далее вычисляется напряженность измеряемого электрического поля по формуле (7) в соответствии с уровнем обработанного сигнала и текущим значением напряжения на выходе масштабирующего усилителя 13, которое находится по известному коду ЦАП-а 12 и коэффициенту усиления масштабирующего усилителя 13. Полученное значение напряженности измеряемого электрического поля направляется на выходной интерфейс 10. Затем в случае достижения уровня обработанного сигнала границ динамического диапазона входного усилителя 6 осуществляется его смещение на середину этого диапазона путем соответствующего изменения напряжения управляемого источника ЭДС 11 с помощью ЦАП-а 12. ЦАП 12, масштабирующий усилитель 13 и его коэффициент усиления выбирают таким образом, чтобы измеряемое поле при его максимальной напряженности не вызывало насыщения входного усилителя 6, а шаг изменения напряжения управляемого источника ЭДС 11, приведенный к соответствующему изменению сигнала на входе входного усилителя 6, был меньше динамического диапазона входного усилителя 6. Помимо масштабирования сигнала ЦАП-а 12 масштабирующий усилитель 13 также осуществляет заземление экранирующего электрода 2 через свое малое внутреннее выходное сопротивление.A device for measuring electric field strength works as follows. The signal at the output of the input amplifier 6 is digitized using an analog-to-digital converter 8 and then goes to the microcontroller 9, where it is processed, as a result of which noise is suppressed, the operating frequency band is allocated, demodulation is performed. Next, the measured electric field strength is calculated by the formula (7) in accordance with the level of the processed signal and the current voltage value at the output of the scaling amplifier 13, which is located on the known DAC code a 12 and the gain of the scaling amplifier 13. The obtained value of the measured electric field strength is sent to the output interface 10. Then, when the level of the processed signal reaches the boundaries of the dynamic range of the input amplifier 6, it is shifted by The middle of this range by a corresponding change in the voltage of the controlled source of the EMF 11 using the DAC-a 12. DAC 12, the scaling amplifier 13 and its gain is chosen so that the measured field at its maximum intensity does not cause saturation of the input amplifier 6, and the voltage step controlled source EMF 11, reduced to a corresponding change in the signal at the input of the input amplifier 6, was less than the dynamic range of the input amplifier 6. In addition to scaling the signal of the DAC-a 12 scale The inhibitory amplifier 13 also provides grounding of the shield electrode 2 through its low internal output impedance.

Помимо повышения чувствительности в предлагаемом устройстве возможно также повышение точности путем компенсации паразитных сигналов и калибровки в процессе измерений напряженности электрического поля. Калибровка измерителя осуществляется следующим образом. На экранирующий электрод 2 с выхода усилителя 13 подается постоянный потенциал, уровень которого определяется выбранным калибровочным значением и устанавливается соответствующим кодом ЦАП-а 12. Если калибровка осуществляется при отсутствии электрического поля, то величине демодулированного сигнала на выходе входного усилителя 6 ставится в соответствие напряженность электрического поля, создаваемого между экранирующим 2 и измерительным 3 электродами. В присутствии электрического поля E₀ изменению величины демодулированного сигнала на выходе входного усилителя 6 при подаче на экранирующий электрод 2 калибровочного потенциала ставится в соответствие напряженность электрического поля, создаваемого данным потенциалом между экранирующим 2 и измерительным 3 электродами. Паразитные сигналы, обусловленные действием контактной разности потенциалов в токосъемнике 5 или загрязнением поверхности измерительных электродов 3 и определяемые при отсутствии электрического поля, могут быть компенсированы путем установки соответствующего напряжения управляемого источника ЭДС 11.In addition to increasing the sensitivity in the proposed device, it is also possible to increase accuracy by compensating for spurious signals and calibrating during the measurement of electric field strength. Calibration of the meter is as follows. A constant potential is applied to the shielding electrode 2 from the output of the amplifier 13, the level of which is determined by the selected calibration value and is set by the corresponding DAC-a code 12. If calibration is performed in the absence of an electric field, then the value of the demodulated signal at the output of the input amplifier 6 is associated with the electric field strength created between the shielding 2 and measuring 3 electrodes. In the presence of an electric field E _{0, a} change in the magnitude of the demodulated signal at the output of the input amplifier 6 when a calibration potential is applied to the shielding electrode 2 is associated with the electric field generated by this potential between the shielding 2 and the measuring 3 electrodes. Spurious signals due to the action of the contact potential difference in the current collector 5 or contamination of the surface of the measuring electrodes 3 and determined in the absence of an electric field can be compensated by setting the corresponding voltage of the controlled source of EMF 11.

Claims

A device for measuring the electric field strength comprising an electromechanical modulator made in the form of a rotating shielding and stationary measuring electrodes, an input amplifier, the input of which is connected to the measuring electrodes, and an analog-to-digital converter and a microcontroller connected in series, the input of the analog-to-digital converter connected to the output of the input amplifier , the first output of the microcontroller is the output of the device, and the second output of the microcontroller is connected to the input ohm of a controlled EMF source, the output of which is connected to the shielding electrode of an electromechanical modulator, characterized in that the controlled EMF source is implemented as a series-connected digital-to-analog converter and a scaling amplifier with a low output resistance, the input of the digital-to-analog converter being the input of a controlled EMF source, and the output of a scaling amplifier with a low output impedance is the output of a controlled emf source.