RU2799385C1 - Device for measuring the height profile of the quasi-static electric field of the atmosphere - Google Patents
Device for measuring the height profile of the quasi-static electric field of the atmosphere Download PDFInfo
- Publication number
- RU2799385C1 RU2799385C1 RU2022134237A RU2022134237A RU2799385C1 RU 2799385 C1 RU2799385 C1 RU 2799385C1 RU 2022134237 A RU2022134237 A RU 2022134237A RU 2022134237 A RU2022134237 A RU 2022134237A RU 2799385 C1 RU2799385 C1 RU 2799385C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensing element
- electric field
- quasi
- measuring
- fixed part
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения высотного профиля квазистатического электрического поля и ионосферного потенциала атмосферы.The invention relates to the field of measurement technology and can be used to measure the altitude profile of a quasi-static electric field and the ionospheric potential of the atmosphere.
Известно устройство, описанное в статье (R.G. Harrison, G.J. Marlton «Fair weather electric field meter for atmospheric science platform», Journal of Electrostatics, 107, 2020, 103489), являющееся по сути своей работы классическим электростатическим флюксметром (Имянитов И.М. «Приборы и методы для изучения электричества атмосферы» - М: ГТТИ, 1957, 483 с.). Устройство состоит из внешней горизонтальной неподвижной пластины, калибровочной пластины, ротора с секторальными вырезами, измерительного электрода, вращающегося опорного диска, референсного электрода и экрана. К основному недостатку следует отнести малую площадь измерительного электрода, которая в свою очередь является требованием миниатюризации устройства. Это приводит к очень маленьким токам полезного сигнала, порядка 5 нА, что сопоставимо с токами тепловых шумов. Усиление и синхронное детектирование подобного сигнала требует применения специальной схемотехники, высокочувствительных и дорогих электронных компонент. К другим недостаткам данного устройства можно отнести достаточно сложное конструктивное исполнение, затрудняющее массовое недорогое производство.A device is known, described in the article (R.G. Harrison, G.J. Marlton "Fair weather electric field meter for atmospheric science platform", Journal of Electrostatics, 107, 2020, 103489), which is essentially a classic electrostatic fluxmeter (Imyanitov I.M. " Devices and methods for studying the electricity of the atmosphere "- M: GTTI, 1957, 483 p.). The device consists of an external horizontal fixed plate, a calibration plate, a rotor with sector cuts, a measuring electrode, a rotating support disk, a reference electrode and a screen. The main disadvantage is the small area of the measuring electrode, which in turn is a requirement for miniaturization of the device. This leads to very small useful signal currents, on the order of 5 nA, which is comparable to thermal noise currents. Amplification and synchronous detection of such a signal requires the use of special circuitry, highly sensitive and expensive electronic components. Other disadvantages of this device include a rather complex design, which hinders mass inexpensive production.
Многие другие устройства, в частности, устройства, описанные в патентных документах: RU 2199761 «Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля» (МПК G01R 29/12, опубл. 27.02.2003 г.), RU 104729 «Электростатический флюксметр» (МПК G01R 1/00, опубл. 20.05.2011 г.), RU 2501029 «Компенсационный электростатический флюксметр» (МПК G01R 29/12, опубл. 10.12.2013 г.), RU 2722477 «Электростатический флюксметр» (МПК G01R 29/00, опубл. 01.06.2020 г.), US 5315232 «Electric field measuring system» (МПК G01R 29/12, G01R 31/02, опубл. 24.05.1994 г.), позволяют улучшить конструкцию классического электростатического флюксметра и не рассматривают возможность использования их для измерения высотных профилей.Many other devices, in particular, devices described in patent documents: RU 2199761 "Device for measuring the intensity of a static and quasi-static electric field" (IPK G01R 29/12, publ. 27.02.2003), RU 104729 "Electrostatic fluxmeter" ( IPC
Наиболее близким является устройство, описанное в патенте US 8536879 «Rotating electric-field sensor» (МПК G01R 29/12, G01R 27/26, опубл. 17.09.2013 г.), выбранное в качестве прототипа. Это устройство содержит металлизированный цилиндр, разделенный на 4 сектора, который является вращающимся чувствительным элементом. Конструктивно внутри цилиндра размещены усилители, фильтры, аналого-цифровые преобразователи для 4-х каналов 4-х секторов и передатчик на неподвижную часть. Все вместе они образуют подвижную часть устройства, вращающуюся со скоростью 600 об/мин. В неподвижной части размещены приемник данных, вычислительный процессор, управляемый двигатель, приводящий во вращение подвижную часть, датчик положения, блок питания и блок передачи данных. Недостатком устройства является большой размер и вес, затрудняющий его использование на стандартном подвесе метеозонда.The closest is the device described in US patent 8536879 "Rotating electric-field sensor" (IPC G01R 29/12, G01R 27/26, publ. 09/17/2013), selected as a prototype. This device contains a metalized cylinder, divided into 4 sectors, which is a rotating sensing element. Structurally, amplifiers, filters, analog-to-digital converters for 4 channels of 4 sectors and a transmitter for the fixed part are placed inside the cylinder. Together they form the moving part of the device, rotating at a speed of 600 rpm. The fixed part contains a data receiver, a computer processor, a controlled motor that drives the movable part, a position sensor, a power supply unit and a data transmission unit. The disadvantage of the device is its large size and weight, which makes it difficult to use it on a standard weather balloon suspension.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка малогабаритного, легковесного и технически несложного устройства, которое можно использовать путем размещения его на стандартных метеозондах для измерения высотного профиля электрического поля.The problem to which this invention is directed is the development of a small-sized, lightweight and technically simple device that can be used by placing it on standard weather balloons to measure the altitude profile of the electric field.
Технический результат в разработанном устройстве достигается за счет того, что оно, как и прототип, содержит подвижную часть, включающую вращающийся вокруг неподвижной оси состоящий из секций чувствительный элемент, электрически соединенный с блоками усиления, фильтрации и аналого-цифрового преобразования, и неподвижную часть, включающую двигатель, соединенный с чувствительным элементом, и микроконтроллер, а также блок питания, блок определения положения чувствительного элемента. Новым в разработанном устройстве является то, что в подвижной части, вращающейся с частотой не менее 6000 об/мин, чувствительный элемент представляет собой полусферу с двумя металлизированными секторами, соединенными с инструментальным усилителем, выполняющим функции блоков усиления и фильтрации, при этом блок определения положения чувствительного элемента и блок питания размещены в подвижной части, а неподвижная часть и подвижная часть соединены посредством оптического канала.The technical result in the developed device is achieved due to the fact that it, like the prototype, contains a movable part, including a sensitive element rotating around a fixed axis, consisting of sections, electrically connected to amplification, filtering and analog-to-digital conversion units, and a fixed part, including a motor connected to the sensing element, and a microcontroller, as well as a power supply, a block for determining the position of the sensing element. What is new in the developed device is that in the moving part rotating at a frequency of at least 6000 rpm, the sensing element is a hemisphere with two metallized sectors connected to an instrumental amplifier that performs the functions of amplification and filtering units, while the block for determining the position of the sensitive The element and the power supply are placed in the moving part, and the fixed part and the moving part are connected by means of an optical channel.
В частном случае реализации устройства на неподвижной части расположен фиксатор к метеозонду.In a particular case of the implementation of the device, a latch to the weather balloon is located on the fixed part.
Изобретение поясняется следующими фигурами.The invention is illustrated by the following figures.
На фиг. 1 показан внешний вид устройства.In FIG. 1 shows the appearance of the device.
На фиг. 2 показана структурная электрическая схема устройства.In FIG. 2 shows the electrical block diagram of the device.
На фиг. 3 представлено фото разработанного устройства.In FIG. 3 shows a photo of the developed device.
На данный момент отсутствует малогабаритное легковесное устройство, позволяющее полностью решить задачу измерения ионосферного потенциала с помощью стандартных метеозондов.At the moment, there is no small-sized lightweight device that can completely solve the problem of measuring the ionospheric potential using standard weather balloons.
Разработанное устройство позволяет измерить электрическое поле без априори известного потенциала корпуса («заземления»). При этом оно является малогабаритным (максимальный линейный размер не превышает 100 мм), легковесным (вес менее 250 г) и технически несложным устройством с малым потреблением электроэнергии, пригодным к использованию в качестве подвеса к стандартному метеозонду. Высотный профиль электрического поля позволяет получить значение ионосферного потенциала - разности электрических потенциалов между ионосферой и поверхностью Земли - уникальный геофизический индекс, имеющий одно и то же значение при измерениях в любой точке Земли.The developed device makes it possible to measure the electric field without a priori known case potential (“grounding”). At the same time, it is small-sized (maximum linear dimension does not exceed 100 mm), lightweight (weight less than 250 g) and technically simple device with low power consumption, suitable for use as a suspension to a standard weather balloon. The altitude profile of the electric field makes it possible to obtain the value of the ionospheric potential - the difference in electric potentials between the ionosphere and the Earth's surface - a unique geophysical index that has the same value when measured at any point on the Earth.
На фиг. 1 показан внешний вид устройства в разных проекциях и в изометрии. Устройство состоит из подвижной 1 и неподвижной 2 частей. Подвижная часть 1 включает чувствительный элемент в виде полусферы, образованной двумя металлизированными секторами 3 с диэлектрическим разделителем 4 между ними. Внутри подвижной части 1 размещаются инструментальный усилитель 5, выполняющий функции усиления и фильтрации, блок определения положения 6 чувствительного элемента, блок питания 7 и первый микроконтроллер 8, включающий блок АЦП (фиг. 2). Неподвижная часть 2 включает в себя двигатель 9, соединенный с вращающимся чувствительным элементом, и второй микроконтроллер 10. Неподвижная 1 и подвижная 2 части устройства соединены посредством оптического канала.In FIG. 1 shows the appearance of the device in different projections and in isometry. The device consists of movable 1 and fixed 2 parts. The
Чувствительный элемент в виде секторальной металлизированной полусферы представляет собой конденсатор емкости С, обе обкладки которого замкнуты на «нулевую» точку через нагрузочные резисторы 11 сопротивлением R. При вращении данного конденсатора во внешнем однородном электрическом поле заряд, обеспечивающий выполнение граничных условий по нормальной компоненте поля, перетекает из одной обкладки конденсатора в другую. Таким образом, в цепи возникает ток i, пропорциональный внешнему полю:The sensitive element in the form of a sectoral metallized hemisphere is a capacitor of capacitance C, both plates of which are closed to the "zero" point through
i=4⋅π⋅γ⋅ΔU⋅R⋅С,i=4⋅π⋅γ⋅ΔU⋅R⋅С,
где γ - частота вращения в герцах,where γ is the rotation frequency in hertz,
ΔU - потенциал, создаваемый внешним однородным полем Ео на конденсаторе без вращения:ΔU - potential created by an external uniform field E o on a capacitor without rotation:
ΔU=Ео⋅d,ΔU=E o ⋅d,
где d - эффективное расстояние между пластинами конденсатора.where d is the effective distance between the capacitor plates.
При частоте γ порядка 100 Гц, нагрузочном сопротивлении R=100 кОм, емкости С=1 пФ, ΔU=0,1 В при внешнем поле 100 В/м (поле хорошей погоды) ток i оценивается по порядку величины в 10 мкА, что является существенным улучшением конструкции малогабаритных измерителей электрических полей и позволяет использовать стандартную схемотехнику.At a frequency γ of the order of 100 Hz, load resistance R=100 kOhm, capacitance C=1 pF, ΔU=0.1 V with an external field of 100 V/m (fair weather field), the current i is estimated in the order of magnitude at 10 μA, which is a significant improvement in the design of small-sized electric field meters and allows the use of standard circuitry.
Инструментальный усилитель 5 используется для подавления суммарного и выделения полезного разностного сигнала и усиления его для дальнейшей оцифровки, коэффициент усиления задается резистором 12. Сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя, встроенного в первый микроконтроллер 8. Блок определения положения 6 чувствительного элемента включает в себя первый фототранзистор 13, а первый светодиод 14 выступает в качестве референса для определения местоположения подвижной части 1 устройства. При вращении полусферы на первый фототранзистор 13 поступают импульсы местоположения вращающегося элемента. При прохождении диэлектрическим разделителем 4 строго горизонтального положения поступает импульс, по которому выполняется однократный запуск аналого-цифрового преобразователя и осуществляется синхронное детектирование полезного сигнала по сигналу местоположения первого фототранзистора 13. Измерения проводятся в течение 1 секунды, одновременно производятся измерения полезного сигнала и количества оборотов полусферы. После проведения измерений результаты усредняются и передаются последовательным кодом минимально возможным объемом в 4 байта на второй микроконтроллер 10 с помощью второго светодиода 15 и второго фототранзистора 16, образующих оптический канал передачи данных. То есть второй микроконтроллер 10 принимает информацию об амплитуде полезного сигнала и частоте вращения. Затем осуществляется преобразование данных в формат XDATA, которые передаются на входы 17 метеозонда. Далее измерения повторяются. Основная обработка сигнала происходит в цифровом виде с помощью специализированного кода для первого и второго микроконтроллеров 8 и 10.The
Достоинствами данного устройства являются формирование полезного сигнала значительно выше уровня шумов благодаря высокой частоте вращения полусферы (~6000 об/мин) и цифровая обработка сигнала непосредственно во вращающемся элементе.The advantages of this device are the formation of a useful signal much higher than the noise level due to the high frequency of rotation of the hemisphere (~6000 rpm) and digital signal processing directly in the rotating element.
В частном случае реализации разработанного устройства авторы в качестве электродвигателя использовали вентилятор Sunon KDE0504PFB3 5В 40×40×10 mm 6500 rpm, пластиковый корпус устройства был напечатан на 3D принтере. Внутри вращающейся металлизированной полусферы были расположены два элемента питания типа LR42, а также инструментальный усилитель 5, первый микроконтроллер 8, блок определения положения 6 чувствительного элемента, включающий в себя первый фототранзистор 13, и второй светодиод 15, размещенные на печатной плате. На корпусе устройства имеется фиксатор 18 к метеозонду с направляющей 19. На фиг. 3 показано расположение разработанного устройства непосредственно на метеозонде.In a particular case of the implementation of the developed device, the authors used a Sunon KDE0504PFB3 5V 40 × 40 × 10 mm 6500 rpm fan as an electric motor, the plastic case of the device was printed on a 3D printer. Inside the rotating metallized hemisphere, two batteries of the LR42 type were located, as well as an
Таким образом, разработанное устройство для измерения высотного профиля квазистатического электрического поля атмосферы является малогабаритным, легковесным и технически несложным благодаря использованию в качестве чувствительного элемента легкой металлизированной полусферы, разделенной на два сектора. Для повышения полезного сигнала применена высокая частота вращения этой полусферы - не менее 6000 об/мин. Полезный сигнал с чувствительного вращающегося элемента усиливается, фильтруется, синхронно детектируется и оцифровывается внутри вращающегося элемента на основе современных электронных аналоговый и цифровых компонентов со сниженным электропотреблением. А для передачи полезного сигнала от подвижной части к неподвижной используют оптический канал, так как используемые в устройствах-аналогах скользящие контакты работают только на частотах, не превышающих 1000 об/мин.Thus, the developed device for measuring the altitude profile of the quasi-static electric field of the atmosphere is small, lightweight and technically simple due to the use of a light metallized hemisphere divided into two sectors as a sensitive element. To increase the useful signal, a high rotational speed of this hemisphere is used - at least 6000 rpm. A useful signal from a sensitive rotating element is amplified, filtered, synchronously detected and digitized inside the rotating element based on modern electronic analog and digital components with reduced power consumption. And to transmit a useful signal from a moving part to a fixed part, an optical channel is used, since the sliding contacts used in analog devices operate only at frequencies not exceeding 1000 rpm.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2799385C1 true RU2799385C1 (en) | 2023-07-05 |
Family
ID=
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2322377A1 (en) * | 1975-08-25 | 1977-03-25 | Kato Giichiro | Device for measuring the intensity of an electric field |
SU1288631A1 (en) * | 1984-12-10 | 1987-02-07 | Главная геофизическая обсерватория им.А.И.Воейкова | Transducer of electric field of atmosphere |
RU2199761C2 (en) * | 2001-05-16 | 2003-02-27 | Умаров Георгий Рамазанович | Device for measuring static and quasi-static electric field intensity |
CN101576590A (en) * | 2009-04-03 | 2009-11-11 | 中国人民解放军理工大学 | Miniature electric field measuring apparatus |
US8536879B2 (en) * | 2008-06-02 | 2013-09-17 | The Regents Of The University Of Michigan | Rotating electric-field sensor |
RU2722477C1 (en) * | 2019-07-24 | 2020-06-01 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Клевер" | Electrostatic flux meter |
CN113671267A (en) * | 2021-10-22 | 2021-11-19 | 中国电力科学研究院有限公司 | Measuring device, measuring system and measuring method for space direct current synthetic field intensity |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2322377A1 (en) * | 1975-08-25 | 1977-03-25 | Kato Giichiro | Device for measuring the intensity of an electric field |
SU1288631A1 (en) * | 1984-12-10 | 1987-02-07 | Главная геофизическая обсерватория им.А.И.Воейкова | Transducer of electric field of atmosphere |
RU2199761C2 (en) * | 2001-05-16 | 2003-02-27 | Умаров Георгий Рамазанович | Device for measuring static and quasi-static electric field intensity |
US8536879B2 (en) * | 2008-06-02 | 2013-09-17 | The Regents Of The University Of Michigan | Rotating electric-field sensor |
CN101576590A (en) * | 2009-04-03 | 2009-11-11 | 中国人民解放军理工大学 | Miniature electric field measuring apparatus |
RU2722477C1 (en) * | 2019-07-24 | 2020-06-01 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Клевер" | Electrostatic flux meter |
CN113671267A (en) * | 2021-10-22 | 2021-11-19 | 中国电力科学研究院有限公司 | Measuring device, measuring system and measuring method for space direct current synthetic field intensity |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103091567B (en) | Instrument and method for space electric charge density measurement | |
Gasulla et al. | A contactless capacitive angular-position sensor | |
MXPA06013523A (en) | Convective accelerometer. | |
RU2799385C1 (en) | Device for measuring the height profile of the quasi-static electric field of the atmosphere | |
CN1601286A (en) | Constant speed rotary flip-chip electric field gage suitable for thunderstom electricity and near ground atmosphere electric enviroment detection | |
CN105425025A (en) | High-precision multi-range weak current detection system | |
Baby et al. | A simple analog front-end circuit for grounded capacitive sensors with offset capacitance | |
CN103018605B (en) | Electronic component detection test supervisory control system | |
CN206146426U (en) | A device of magnetic field environment steadily is provided | |
CN203084086U (en) | Space charge density measurement apparatus | |
RU2712777C1 (en) | Aerometric pressure sensor | |
Homeijer et al. | A brief test of the hewlett-packard mems seismic accelerometer | |
Waddel et al. | Army-navy precipitation-static project: Part II-aircraft instrumentation for precipitation-static research | |
Harrison | A balloon-carried electrometer for high-resolution atmospheric electric field measurements in clouds | |
Jones et al. | The measurement of gustiness in the first few thousand feet of the atmosphere | |
Gathman | A field mill for tethered balloons | |
RU104729U1 (en) | ELECTROSTATIC FLUXMETER | |
US3369397A (en) | Rate of climb indicator | |
Li et al. | A new method for the measurement of low speed using a multiple-electrode capacitive sensor | |
Fort et al. | Design and modeling of an optimized sensor for atmospheric electric field measurement | |
SU1314964A3 (en) | Method for detecting and registering electric phenomena existing around objects and device for effecting same | |
CN111307026A (en) | Charge-discharge type capacitive sensor based on diode switch | |
CN218122279U (en) | Stratosphere environment detecting instrument | |
RU2397515C1 (en) | Device for measuring atmospheric electrical conductivity | |
CN113126181B (en) | Multi-rotor unmanned aerial vehicle for atmospheric electric field detection and measuring method thereof |