Методы и приборы для измерения потенциала электрического поля атмосферы и облаков.
Как отмечалось в Главе 3, потенциал электрического поля в данной точке (UA) есть энергетическая характеристика электрического поля. Численно равен работе по перемещению единичного заряда из данной точки в бесконечность или наоборот. Если эта работа не зависит от траектории перемещения, поле называется потенциальным.
Обычно рассматривается разность потенциалов в двух точках пространства. В практике атмосферно-электрических измерений и исследований электрического поля Земли принято рассматривать разности потенциалов данной точки атмосферы и земли, потенциал которой считается нулевым. Для простоты эта разность потенциалов называется потенциалом данной точки атмосферы.
Принцип измерения потенциала электрического поля основан на свойстве металлического тела (коллектора) принимать потенциал той точки электрического поля, в которой он находится. Коллектор размещается на диэлектрическом стержне на нужной высоте над поверхностью земли и измеряется разность потенциалов между коллектором и землей. Этот простой метод осложняется двумя обстоятельствами:
- коллектор приобретает потенциал точки поля, в которой он размещен, не мгновенно, а за некоторое характерное время, определяемое электропроводностью атмосферы в данной точке атмосферы;
U(t) = UA(1 – e-lt)
- специфика измерений предъявляет очень серьезные требования к внутреннему сопротивлению измерителя разности потенциалов (вольтметров).
|
|
|
Для условий приземных измерений время установления значений потенциала может превышать 10 минут, что является неприемлемым для решений большинства задач. Снижение этого времени обеспечивается дополнительными локальными источниками ионизации в точке расположения коллектора. Обычно используются радиоактивные источники ионизации. При этом возникают дополнительные трудности, связанные с хранением и использованием радиоактивных веществ.
Высокие внутренние сопротивления обеспечиваются использованием приборов основанных на принципах электростатики, так называемых электростатических вольтметров. При использовании приборов этих систем возникают проблемы автоматизации измерений.
Представленный метод измерений потенциала до недавнего времени использовался на сети атмосферно - электрических станций (САЭС) (Иркутск), и по нему определялась напряженность электрического поля. В настоящее время, вследствие указанных проблем, это метод получения напряженности через измерение потенциала не используется на сети САЭС, но может быть использован в экспедиционных условиях при отсутствии электроснабжения.
|
|
|
Методы и приборы для измерения напряженности электрического поля атмосферы и облаков.
Принцип действия прибора для измерения напряженности электрического поля и обоснование режима измерения.
Прибор для измерения напряженности электрического поля (ПНП), также называемый электростатическим флюксметром или генерирующим вольтметром, измеряет напряженность электрического поля путем измерения индуцированного механическим модулятором заряда, потенциала или тока индуцированного заряда на изолированном металлическом электроде [Имянитов, 1957]. Наиболее распространенная схема измерительного прибора используемого для наземных и самолетных исследований приведена на рисунке 5.3.
Измерительный электрод периодически экспонируется в электрическом поле или экранируется от него вращающимся затвором. Заряд 
индуцируемый на измерительном электроде, и ток 
текущий между измерительным электродом и землей пропорциональны напряженности электрического поля E нормальной по направлению к электроду:
и 
(5.5)
где 
-- диэлектрическая константа,
-- эффективная площадь экспонирования электрода в момент времени t.
|
|
|
Рисунок 5.3. Упрощенная схема прибора для измерения напряженности электрического поля.
Рассмотрим случай, когда эффективная площадь экспонирования меняется во времени по гармоническому закону:
(5.6)
Подставляя эту зависимость в уравнение (1) получим:
(5.7)
(5.8)
Напряжение 
, которое создает ток на нагрузке имеющей импеданс z определяется соотношением
(5.9)
Импеданс нагрузки образован параллельно соединенными емкостным и резистивным сопротивлениями и имеет абсолютное значение:
(5.10)
Подставляя значение z в уравнение (5) получим
(5.11)
Практически интересным является электрометрический режим, в котором сопротивление нагрузки настолько велико, что выполняется условие:
, тогда 
(5.12)
В электрометрическом режиме измеряемое напряжение зависит только от напряженности поля и геометрических параметров датчика: площади измерительной пластины и собственной емкости датчика. Этот режим может обеспечить высокую точность измерения при условии контроля высокого входного сопротивления прибора.
|
|
|
Поскольку обеспечение большого входного сопротивления прибора в условиях высокой влажности и осадков является сложной задачей, то был предложен метод измерения тока цепи замыкающей измерительный электрод на землю. Этот ток может быть оценен в соответствии с уравнением (5.8). В этом случае сигнал не зависит от входной емкости прибора, но прямо пропорционален напряженности поля и частоте вращения ротора. Если обороты двигателя не стабилизированы с высокой точностью, то появляется дополнительная погрешность измерения связанная с отклонением частоты вращения от номинального значения.
Наиболее правильным режимом измерения, на наш взгляд является режим измерения заряда, индуцированного на измерительном электроде. В соответствии с формулой (5.5) этот заряд пропорционален напряженности электрического поля и площади измерительного электрода и не зависит ни от входного сопротивления, ни от входной емкости, ни от частоты вращения ротора. Измерение заряда может осуществляться путем интегрирования тока индукции. Необходимыми условиями корректности процесса интегрирования являются качественные характеристики операционного усилителя и параметры RC цепи интегрирования. Эти параметры не зависят от условий измерения (температуры, влажности), что делает этот режим наиболее привлекательным.
Конструкция модулятора электрического поля
Вращающаяся лопасти измерителя напряженности электрического поля осуществляет механическую модуляцию статического электрического поля и создают пропорциональный полю переменный во времени индуцированный заряд. Необходимыми элементами модулятора являются:
(а) чувствительный электрод или электроды,
(б) стабильная платформа или основание, на котором установлен измерительный электрод,
(в) изоляторы, электрически отделяющие измерительный электрод от основания,
(г) вращающийся экранирующий электрод (ротор),
(д) мотор, приводящий в движение экранирующий электрод;
(е) Для уменьшения влияния осадков и прочих загрязнений применяется охранное кольцо, внутри которого находятся измерительный электрод;
(ж) дренажное отверстие или система отверстий для удаления осадков попавших внутрь прибора.
Для работы синхронного детектора на валу двигателя устанавливается:
(з) диск, идентичный по форме ротору модулятора;
(и) датчик положения модулятора.
(к) Щеточный узел, необходимый для выравнивания электрического потенциала вращающегося ротора с потенциалом основания прибора.
Рисунок 5.4. Основные элементы конструкции датчика измерения напряженности электрического поля.
Рисунок 5.5. Внешний вид прибора CS110.
Рисунок 5.6. Внешний вид самолетного измерителя напряженности электрического поля конструкции NASA
Рисунок 5.7. Размещение прибора для измерения напряженности электрического поля на сети атмосферно-электрических станций (п. Воейково).
Рисунок 5.8. Размещение прибора для измерения полярных электрических проводимостей на сети атмосферно-электрических станций (п. Воейково).
Рисунок 5.9. Размещение приборов для измерения напряженности электрического поля и полярных электрических проводимостей на сети атмосферно-электрических станций (п. Тикси).
Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 53; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!