Диссертация (1149454), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Измерительнаяпластина соединена с землей через сопротивление. Возникающий переменный ток всопротивлении усиливается, выпрямляется, а затем измеряется.Широкое применение в практике измерений атмосферного электричества получилиприборы,принадлежащиекгруппединамическихспособовизмеренияполя-48электростатические флюксметры [234, 249, 253, 268]. Впервые, конструкция флюксметра былапредложена Хорнуэллом и Ван-Воррисом [85] в 1933 году. В последующем онаусовершенствовалась и дополнялась различными авторами.
Теория работы электростатическихфлюксметров получила развитие в работах [268, 289, 343]. Имянитовым для зондированияэлектрического поля в облаках с самолетов был разработан адаптированныйвариантэлектростатического флюксметра [271]. Конструкция прибора [268] оказалась настолькоудачной, что, практически, в неизменном виде (за исключением элементной базы) дошла донаших дней. В зарубежной литературе используется термин «полевые мельницы» (field mills).Рисунок 2.4. Принцип работы динамического способа измерения атмосферного электрическогополя. А – вращающаяся заземленная пластина; Б – измерительная пластина; М – двигательприводящий в движение заземленную пластину; И – измеритель.Современныемоделями:"Поле",электростатические"ГрадиентМ"флюксметрыидр.,апредставленытакжеотечественнымизарубежными:CS110(http://www.campbellsci.com/electric-field), JCI-180 (http://www.chilworth.co.uk ), Boltek EFM-100(www.boltek.com ), PHYWE Electric field meter (http://www.phywe.com/461/pid/3752/Electricfield-meter.htm ) и др.
Электростатические флюксметры имеют несложную конструкцию,доступны для изготовления в небольших мастерских, просты в регулировке и настройке.Существенным недостатком электростатических флюксметров является наличие электромотораи щеточного узла заземления подвижной пластины, значительно снижающие надежностьаппаратуры.Регулярные наблюдения напряженности атмосферного электрического поля в Якутскепроводятся начиная с 2009 года и по настоящее время. Электростатические флюксметры былиустановлены еще в нескольких пунктах: с 2011 г.
– на территории спектрографа космическихлучей высоких энергий ИКФИА СО РАН (пригород Якутска), с 2012 г. – в г. Нерюнгри, с 2009г. - на полигоне ШАЛ ИКФИА СО РАН в с. Октемцы, с 2013 г. – на полигоне Полярной49геокосмофизической обсерватории ИКФИА СО РАН в п. Тикси.На рисунке 2.5 показаныпункты наблюдений атмосферного электрического поля. Система регистрации напряженностиполя во всех пунктах выполнена на базе портативных компьютеров – нетбуков и аналогоцифровых преобразователей (АЦП) E-14-440 и E-154 фирмы L-Card, стабилизированныхисточников питания электронной схемы флюксметра +/- 12 В, источников бесперебойногопитания (ИБП). Связь между флюксметром и системой сбора данных осуществляетсяпосредством экранированной кабельной линии или оптоволоконного кабеля (флюксметр вТикси).
Для сбора и первичной обработки данных во всех пунктах наблюдения (кроме Тикси,где применяется штатное ПО) использовалось программное обеспечение, написанное на языкеLabView (National Instruments) с использованием штатных динамических библиотек (.dll),предоставляемых производителем АЦП.Рисунок 2.5. Пункты регистрации атмосферного электрического поля.50Регистрация данных на всех пунктах наблюдения велась, по возможности, непрерывно икруглосуточно.Синхронизациясистемноговременинакомпьютерахосуществляласьпосредством штатных программ коррекции времени через сеть интернет.
При отключенииэлектроэнергии комплекс, благодаря ИБП, остается работоспособным не менее 2-х часов.Измерение напряженности поля в Якутске, Нерюнгри и Октемцах осуществлялось спомощью электростатических флюксметров марки EZ НМЛС 411124000 производства НИРФИ(г. Нижний-Новгород). Принцип работы прибора показан на рисунке 2.6. Вращающаясязаземленная пластина с четырьмя секторными вырезами попеременно экранирует две группыизмерительных пластин. Сигналы с измерительных пластин, после повторителей наинтегральных микросхемах К140УД17 подаются на синхронный (фазовый) детектор,выполненный на микросхеме КР590КН4 (аналоговый коммутатор).
Детектор управляетсяпрямоугольным сигналом, вырабатываемым блоком формирования на основе импульсов отфотодатчика положения вращающейся пластины. На выходе синхронного детекторапоявляются импульсы положительной, либо отрицательной полярности. Полярность импульсовопределяется знаком электрического поля, в котором экспонируются измерительные пластины.Таким образом, синхронный детектор является важной деталью флюксметра, так какпозволяет определить знак исследуемого поля.
С выхода синхронного детектора сигналподается на сумматор-усилитель (К140УД17), а после него на фильтр низкой частоты (ФНЧ) (К140УД1408). После прохождения ФНЧ постоянный сигнал через усилитель (К140УД708)поступает на АЦП. Прибор имеет диапазон измерений +/- 47,6 кВ/м с точностью +/-0,5 В/м.Временной отклик не более 0,085 с. Питание прибора: от сети переменного тока ≈ 220 В(двигатель подвижного электрода) и постоянного напряжения +/-12 В (электроника прибора).Сигнал, поступающий от флюксметра, оцифровывался с помощью АЦП Е14-440(Якутск, Октемцы) и АЦП Е-154 (Нерюнгри). Частота дискретизации 100 кГц (Е-14-440), либо1024 Гц (Е-154) на канал. Усредненные за одну секунду значения записываются в файл.Передача полученных данных осуществлялась через сеть интернет, с помощью свободного ПО(TeamViwer, FreeLightManager), работающего по принципу "сервер-клиент".
Кроме того,использование данного ПО позволило контролировать работу измерительного комплекса,перезагружать, запускать удаленно с любого мобильного телефона (смартфона), на которомустановлена клиентская программа.С 2013 года ведется наблюдение атмосферного электрического поля в Тикси на полигонеПолярной геокосмофизической обсерватории ИКФИА СО РАН. Для измерения поляиспользуется электростатический флюксметр EFM-100 фирмы Boltek (рисунок 2.5). Приборимеет диапазон измерений +/-20 кВ/м (с возможностью расширения до +/-100 кВ/м), точностьизмерения +/-10 В/м. Данные оцифровываются с помощью встроенного в прибор АЦП и затем51передаются на компьютер через оптоволоконный кабель.
Запись данных осуществляетсяштатным ПО и выводится на экран для контроля. Флюксметр смонтирован на крыше зданиянейтронного монитора и надежно закреплен металлическими тросовыми растяжками. Всекабельные линии (питание и сигнальные) флюксметра, помещены в металлическийгофрированный шланг, для предотвращения повреждений сильным ветром.Для полевых исследований разработан, сконструирован и запущен в эксплуатациюпереносной малогабаритный электростатический флюксметр. Флюксметр прошел апробацию вполевых условиях во время экспедиции в Верхоянский район Якутии, летом 2009 г. С 2011 годаи по настоящее время прибор находится в работе на Спектрографе космических лучей ИКФИАСО РАН (Рисунок 2.5). Прибор позволяет измерять напряженность электрического поля вдиапазоне +/- 50 кВ/м с точностью 0,1 В/м.
Время отклика не более 0,062 с. Принципиальнаяэлектрическая схема флюксметра показана на рисунке 2.7. Элементную базу приборасоставляют прецизионные операционные усилители OP284, имеющие автоматическуюкоррекцию нуля. В качестве фазового детектора используется аналоговый коммутатор 590кн9.Разработанный флюксметр выполнен в алюминиевом пыле- влагозащищенном корпусе, имеетнебольшие габариты и малый вес. Питание осуществляется от двух аккумуляторов либо отдвухполярного источника питания +/-12В. Ток потребления не более 150 мА.
Опытэксплуатации показал, что прибор сохраняет работоспособность при понижении температурыокружающего воздуха до –53С. В качестве привода подвижной шторки использовантрехфазный бесколлекторный двигатель привода жесткого диска (HDD). Штатная электроннаясхема жесткого диска для управления двигателем была демонтирована и вместо нееиспользуется регулятор Pilotage Stamina 7A для бесколлекторнных двигателей.Подобные регуляторы используются в модельном спорте.
Регулятор имеет встроенныйконтроллерсвозможностьюперепрограммироватьзаводскиенастройки.Регуляторобеспечивает мягкий старт двигателя с плавной раскруткой вращающейся пластины, имеетфункцию поддержания заданных оборотов и встроенный термический предохранитель.52Рисунок 2.6. Структурная схема электростатического флюксметра.Рисунок 2.7. Принципиальная электрическая схема разработанного электростатического флюксметра542.2.1 Методика калибровки электростатических флюксметровПеред введением электростатических флюксметров в эксплуатацию, а также несколькораз в год (во время профилактических работ), они калибруются в искусственном электрическомполе.
Для этих целей был сконструирован калибровочный стенд (рисунок 2.8).Рисунок 2.8. Стенд для калибровки электростатических флюксметров.Стенд представляет собой две квадратные металлические пластины 0,6 м * 0,6 м, накоторые подается известное напряжение. Расстояние между пластинами составляет 51 мм.(обусловлено высотой используемых промышленных изоляторов ST-51) В центре одной изпластин выполнено отверстие для установки флюксметра. В качестве источника напряжения,подаваемого на пластины, используется источник высокого напряжения БНВ-2-95. Стендпозволяет создавать электрическое поле напряженностью до +/- 50,9 кВ/м с шагом 196 В/м.Напряженность поля определяется по формуле E = U/d, где U - напряжение, подаваемоена пластины, d - расстояние между пластинами.
Контроль подаваемого на пластинынапряжения осуществлялся с помощью высоковольтного электростатического вольтметра С50 сдиапазоном измерения +/-3 кВ. Сигнал на выходе флюксметра измерялся вольтметром UT2005.По снятым значениям выходного сигнала в зависимости от напряжения на пластинах строиласькалибровочная кривая. В дальнейшем, при анализе данных, используя эту калибровочную55кривую, осуществлялся перевод значений уровня сигнала в стандартную величинунапряженности электрического поля в единицах "вольт на метр" (В/м). Зависимость уровнявыходного сигнала от напряженности электрического поля для всех флюксметров имелалинейную характеристику.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
