Анализ методов измерения напряженности электрического поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.317.328

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

М.А. Королёва

Мы живем в мире, в котором происходит развитие нефтеперерабатывающей, химической, топливно-энергетической промышленности, а также электроэнергетики. Человек, работающей в той или иной промышленности, каждый день подвергает себя различного рода воздействиям. Одним из пагубных влияний являются электрическое и магнитное поля. Степень воздействия этих полей различной частоты во многом зависит от интенсивности облучения. Признаками облучения являются высокое артериальное давление, сонливость, боли в области сердца, усталость. Также в нашем XXI веке люди не представляют свою дальнейшую жизнь без электроники. Телефоны, компьютеры всё это также оказывает воздействие на организм человека. Поэтому возникает вопрос об измерениях параметров полей с целью изучения их воздействия на биологические объекты. В повседневной деятельности человека актуальным средством исследования является измерение электрических полей (ЭП).

Электрическое поле - пространство, где наблюдается действие электрических сил, которое можно охарактеризовать многими параметрами: электрическим зарядом, напряженностью, электрическим потенциалом. Наиболее важной характеристикой действия ЭП является напряженность. Поэтому данная работа посвящена анализу методов и средств измерения напряженности ЭП в диапазоне частот от 30 МГц до 30 ГГц. В работе будут рассмотрены основные эффекты для измерения напряженности ЭП, а также современные конструкции датчиков и средств измерений по данной теме.

В работе в первую очередь будем рассматривать физические эффекты необходимые для дальнейшего исследования и выделим наиболее подходящие из них.

В ходе исследования были изучены следующие эффекты: электроэлектрический; резистивный; емкостной; электромеханический; электропространственный; электрооптический; электротепловой [7-9].

Проведенный анализ позволил выделить два физических эффекта. Это электрооптический и электроэлектрический, основанный на явлении электрической индукции, эффекты. Для детального рассмотрения возьмем электроэлектрический эффект. Он по сравнению с электрооптическим эффектом удобен для изучения датчиков высоких и сверхвысоких частот, простота и прочность конструкции, стойкость к перегрузкам, а также имеет малую погрешность около 2%. Основными недостатками является низкая чувствительность и влияние внешних факторов.

Электроэлектрический эффект лежит в основе нескольких методов, которыми можно воспользоваться для построения датчика электрического поля. К ним относятся следующие методы: метод изменения магнитного сопротивления цепи; метод электромагнитной индукции (ЭМИ); метод моментов или метод конечных элементов; метод амплитудно-импульсной модуляции.

Исследование начнем с рассмотрения современных патентов на датчики и способы измерения электромагнитных полей [1-6].

Первая конструкция, которую мы рассмотрим, основана на проведении амплитудно-импульсной модуляции [1]. Структурная схема устройства, реализующего данный способ измерения напряженности, приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема измерительной цепи устройства

Измерения заключаются в следующем: электромеханический модулятор, состоящий из экранирующего электрода и приемных электродов, при своем вращении обеспечивает частоту модуляции сигнала, которую необходимо поддерживать неизменной. При изменении угловых значений соотношения секторных прорезей экранирующего электрода и приемных электродов, расположенных под ним, производиться регулирование скважности сигнала. По результатам спектрального анализа выходного сигнала модулятора устанавливаются только значения скважности сигнала, при которых коэффициенты разложения гармоник имеют максимальное значение. При помощи избирательного усилителя выделяют именно те гармоники, которые нам необходимы. После этого детектируют и подают на регистрирующее устройство. При равных значениях уровня шумов результаты измерений напряженности ЭП отградуированы изначально и сведены в таблицу. электрический поле датчик цепь

Главным объектом второй рассмотренной измерительной цепи служит электрическая антенна (рис. 2).

Рис. 2. Схема измерительной цепи с симметричным и несимметричным включением антенны

В данной измерительной цепи можно выполнить симметричное и несимметричное включения антенны. Рассмотрим принцип действия данной измерительной цепи. Так как измерительная цепь содержит мостовую схему, то перед проведением измерения необходимо при отключенной антенне с помощью источника смещения варикондов (конденсаторов переменной емкости, выполненных из сегнетоэлектрика) провезти балансировку этой схемы пока на выходной диагонали напряжения не будет установлен нуль. После этого антенну подключают к входной диагонали мостовой схемы. После внесения антенны в измеряемое электрическое поле на входной диагонали появляется напряжение, пропорциональное высоте антенны и величине напряженности измеряемого ЭП. А на выходной диагонали схемы, после её разбалансировки, появляется напряжение, при котором вариконд работает в линейном режиме и которое пропорционально величине напряжения смещения этих конденсаторов и величине напряжения входной диагонали мостовой схемы. Чтобы избежать влияния внешних факторов на результат измерения необходимо периодически замыкать входную диагональ мостовой схемы электронным коммутатором на резистор, имеющий малое сопротивление. Коммутатор вырабатывает последовательность импульсов выходной диагонали мостовой схемы и подает их на синхронный детектор, который синхронно с этими импульсами воспроизводит зависимость напряженности ЭП от времени [2].

Уравнение преобразования представляет с собой

где - напряженность поля в материале сегнетоэлектрических элементов прототипа;

- напряженностью измеряемого электрического поля;

- продольный и поперечный размеры сегнетоэлектрического элемента соответственно.

Рассмотрим работу еще одного из интересных устройств. На рисунке 3 представлена структурная схема данной конструкции.

Рис. 3. Структурная схема измерительной цепи устройства

В данной измерительной цепи есть первичный измерительный преобразователь (ПИП), выполненный в виде трех металлических дисков, параллельных друг другу и представляющие собой два плоских конденсатора имеющих общую пластину. Устройство работает следующим образом. Перед началом работы следует с помощью блока управления сформировать импульсы управления коммутаторами, для того чтобы знать во сколько раз частота следования импульсов, а также интервал времени ПИП секции ас будет выше частоты следования импульсов и интервала времени секции bc. При появлении электрического поля с ПИП секции ac снимается напряжение, пропорциональное изменению напряженности за определенный интервал времени, а с ПИП секции bc - напряжение, пропорциональное изменению напряженности появившегося поля за интервал времени, который меньше интервала времени секции ас.

Уравнение преобразования:

где - напряженностью измеряемого электрического поля;

- напряжение секции ПИП;

- расстояние между обкладками конденсатора.

Измеритель напряженности состоит из ПИП (только секции ас), коммутатора, разрядного сопротивления, усилителя, пикового детектора, АЦП, сумматора, элемента памяти и регистрирующего блока. На разрядном сопротивлении формируются импульсы, несут информацию об изменении поля за время секции ас, после чего усиливаются и преобразуются в постоянное напряжение. Затем это напряжение с помощью АЦП преобразуется в цифровой код и поступает на сумматор, где суммируется с предыдущими значениями. Фиксация этой суммы производится с помощью регистрирующего блока. Блок управления в свою очередь обеспечивает последовательность работы каждого из элементов устройства. Также этот блок производит запоминание результата, а по окончанию обработки производит сброс напряжения в нуль. Напряжение на выходе интегратора, которое пропорционально напряжению секции ac, каждый раз сравнивается с порогом элемента. А также для работы необходимо знать, что чем меньше интервалы времени срабатывания коммутаторов, тем выше значение изменения напряженности ЭП [3].

Также были рассмотрены патенты на полезную модель других стран [4-6]. Эти конструкции объединяет простота метода, но сложность их структурных схем затрудняет их понимание и дальнейшее изучение, что является большим минусом

В заключении хочу сказать, что данная тема очень обширна для изучения и невозможно изложить всю изученную литературу в одной маленькой статье. Также можно сказать, что на основании этой литературы можно спроектировать конструкцию, по заданным нами критериям, и добиваться поставленной в этом цели.

Библиографический список

1. Пат. 2445639 Российская Федерация, МПК G 01 R 29/12. Способ измерения напряженности электрического поля / Сушко Б.К., Исянчурин И.И., Ямалетдинова К.Ш., Гоц С.С., Гимаев Р.Н., Фахретдинов И.Р., Сушко Г.Б. № 2010150127/28; заявл. 08.12.2008; опубл. 20.03.2012.

2. Пат. 2485528 Российская Федерация, МПК G 01 R 29/00. Широкополосное устройство для измерения напряженности электрического поля/ Гончаров В.П., Молочков В.Ф., Филатов М.М. № 2011153806/28; заявл. 28.12.2006; опубл. 20.06.2013.

3. Пат. 2071072 Российская Федерация, МПК G 01 R 29/12. Устройство для измерения напряженности электрических полей/ Зажирко В.Н., Крысов С.А., Полянин И.Г. № 4911235/09; заявл. 09.01.1991; опубл. 27.12.1996.

4. Пат. U 9026 Республика Беларусь, МПК G 01 R 29/12. Устройство для измерения напряженности электрического поля/ Ковалевич В.В., Иващенко И.А., Воинов В.В. № U 9026; заявл. 18.07.2012; опубл. 28.02.2013.

5. Пат. EP 1 477 819 А1 Европа, МПК G 01 R 29/08. Method of measuring electromagnetic field intensity and device therefor/ Kazama, Satoshi. № JP 201110344; заявл. 09.04.2002; опубл. 17.11.2004.

6. Пат. US 2011/0227559 А1 США, МПК G 01 R 31/00. Electric field measuring device/ Norikazu Miyazaki, Takeshi Sakai. № JP 2009/070000; заявл. 27.11.2009; опубл. 22.09.2011.

7. Ложников В.Я. Измерительные преобразователи: межвуз. сб. науч. трудов - Омск: ОмПИ, 1975. 177 с.

8. Бирюков С. В. Физические основы измерения параметров электрических полей: моногр. - Омск: СибАДИ, 2008. 112 с.

9. Бирюков С. В. Измерение напряженности электрических полей в диэлектрических средах электроиндукционными датчиками. Методы и средства измерений: моногр. - Омск: ОмГТУ, 2011. 196 с.

Аннотация

В статье ставится задача рассмотреть современные методы измерения различных характеристик электрического поля. Целью исследования является изучение наиболее простых конструкций необходимых для создания метода, а также реализация нового датчика по данной тематике. Одна из главных физических величин полей, рассматривается в статье, - напряженность. Эта характеристика важна для измерения полей, а также трудна для изучения, поэтому и стала объектом исследования в нынешнем мире. В ходе работы описаны разнообразные методы и эффекты, которые могут быть использованы для решения проблемы.

Ключевые слова: измерение, напряженность, электрическое поле, частота, конструкция.

Размещено на Allbest.ru