Устройство для измерения высотного профиля квазистатического электрического поля атмосферы Российский патент 2023 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения высотного профиля квазистатического электрического поля и ионосферного потенциала атмосферы.

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.

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.

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.

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.

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.

В частном случае реализации устройства на неподвижной части расположен фиксатор к метеозонду.

Изобретение поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 показан внешний вид устройства.

На фиг. 2 показана структурная электрическая схема устройства.

На фиг. 3 представлено фото разработанного устройства.

На данный момент отсутствует малогабаритное легковесное устройство, позволяющее полностью решить задачу измерения ионосферного потенциала с помощью стандартных метеозондов.

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.

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.

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:

i=4⋅π⋅γ⋅ΔU⋅R⋅С,

где γ - частота вращения в герцах,

ΔU - потенциал, создаваемый внешним однородным полем Е_о на конденсаторе без вращения:

ΔU=Е_о⋅d,

где d - эффективное расстояние между пластинами конденсатора.

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.

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.

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.

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.

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.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения высотного профиля квазистатического электрического поля и ионосферного потенциала атмосферы. Технический результат: возможность проводить измерения электрического поля без априори известного потенциала корпуса («заземления»), малогабаритность и маленький вес. Сущность: в подвижной части устройства, 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. В подвижной части размещены также блок определения положения чувствительного элемента и блок питания. Неподвижная часть включает двигатель, соединенный с чувствительным элементом, и микроконтроллер. Неподвижная часть и подвижная часть соединены посредством оптического канала. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство измерения квазистатического электрического поля, содержащее подвижную часть, включающую вращающийся вокруг неподвижной оси состоящий из секций чувствительный элемент, электрически соединенный с блоками усиления, фильтрации и аналого-цифрового преобразования, неподвижную часть, включающую двигатель, соединенный с чувствительным элементом, и микроконтроллер, а также блок питания, блок определения положения чувствительного элемента, отличающееся тем, 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.

2. Устройство измерения квазистатического электрического поля по п. 1, отличающееся тем, что на неподвижной части расположен фиксатор к метеозонду.