CN102830383A - 一种高精度宽量程的大气电场标定*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度宽量程的大气电场标定***，该大气电场标定***包括电场发生器(21)，直流高压电源(22)，直流中压电源(23)，直流低压电源(24)，高精度高压电表(25)，数字电表(26)，高精度数字电表(27)和数据采集卡(28)，等精度通用计数器(29)，通用示波器(210)，通用计算机和数据处理模块(211)、超级隔离变压器(213)，独立专用接地线(214)等组成大气电场标定***，其特征在于，所述的高精度宽量程大气电场标定***最关键的设备是模拟电场发生器(21)，满足高低电位板的直径和间距比≥3。本发明的电场标定***总设计误差为1％。电场标定范围是0-100kV/m，精度高，量程宽，抗干扰强。

Description

一种高精度宽量程的大气电场标定***

技术领域

本发明涉及一种对衡量测量仪器性能的标定***，特别涉及一种用作气象部门的行业标准的高精度宽量程的大气电场标定***。

背景技术

大气电场是雷暴、冰雹、沙尘暴和地震等形成过程中主要特征性参数之一，电场测量是确保航天器安全升空，天气预报，研究空间环境和空间物理、空间天气学的重要手段。长期以来电场的探测与研究引起了多学科科技人员的关注。

国际上，电场测量仪被广泛应用于科学测量、高压直流电力传输线附近静电环境的监测、航天器的升空安全保障、工业厂矿(如造纸厂、壁纸厂、印刷厂、炼油厂、***厂、储油站和矿山)等易起静电、易受静电和雷电危害的场所的安全监测与预警。研制了地面、机载、球载、箭载、星载电场仪，并建立了电场标准或基准的电场标定***。前苏联建立了24×24×10m电场标准***^[1]；美国建立了精度达0.3％的电场标定***^[2]。IEEE在1990年颁布了一份直流电场强度测量的技术标准，该标准于1990年10月12日通过了美国国家标准协会的认证。该标准电场的标定精度定为1％。

我国虽然对电场测量仪器研制起步较晚，但也有40余年的历史，研制的单位有10余家。我国现在运行的地面电场仪有数百台，主要用于对灾害性天气的预警。然而，电场是我国目前唯一没有建立国家标准或基准的电学参量。不论是地面电场仪，还是电场探空仪，由于我国未建立统一的电场标准的标定***，其测量数值的真实性或可信性难以确定。如2006年国家气象局组织目前在我国使用的大气电场仪的国内外生产厂家在云南西双版纳地区进行了为期4个月的比对试验。结果不同单位研制的同一类型仪器在同一地点同一时间测量的结果相差很大。建立国家统一的电场标准和电场标定***，以确保电场测量仪器的规范化和性能的一致性。有助于ISO9000质量管理和质量保证的贯彻，为进一步提升我国的自主创新能力提供技术支撑。弥补我国电学诸参量中惟独没有电场标准的缺陷，填补国内空白。

专利号ZL 200420006920.6公布了一种电场测量仪器的标定装置，尽管它具有线性好，能用于地面电场仪、球载双球电场仪和微火箭电场仪的标定。但是由于当时的技术条件限制，误差较大，为9％左右，已满足不了电场测量日益提高的要求，标定时操作和数据的记录完全采用人工方式，数据的真实性也很难避免人为因素的影响。本电场标定***的建成，既可以作为电场仪的标定，又可以作为电场模拟信号源，本***设计误差1％，实际的均方根误差为0.365％.，几乎接近美国的高精度电场标定***0.3％的误差，电场仪的低端的标定也从ZL 200420006920.6的500V/m降低到5V/m，几乎提高了100倍，尤其在标定过程中，采用自动控制与记录，避免了人为因素的影响，能真实的代表被标定电场仪本身的性能。

发明内容

本发明的目的在于，建立一个高精度的电场标定***，要求***精度高、量程宽、抗干扰性强，总设计误差为1％，并研制出能产生均匀而恒定电场的模拟电场发生器。

为实现上述发明目的，本发明提供的一种高精度宽量程的大气电场标定***，该大气电场标定***包括：不锈钢模拟电场发生器21、用于产生提供大气电场标定***0V/m-100kV/m的模拟电场、高稳定度的直流高压电源22、直流中压电源23及直流低压电源24分别提供施加在模拟电场发生器21中的不锈钢高电位板1和低电位板2之间的0-20kV各种数值的电压、高精度高压电表25、数字电表26、高精度数字电表27和A/D数据采集卡28、等精度通用计数器29、通用示波器210、通用计算机和控制及数据处理模块211、超级隔离变压器213。独立专用接地线214，其特征在于，所述的模拟电场发生器包括一个底座28和固定在该底座28上的圆柱形不锈钢屏蔽外罩29，所述的圆柱形不锈钢屏蔽外罩29的内部同轴设置由两块相互平行的圆形不锈钢制高电位板1和低电位板2构成模拟电场发生器主体的平行板电容器；所述的圆柱形不锈钢屏蔽外罩29上设有高绝缘接线柱11和低压接线柱12，所述的高绝缘接线柱11与高电位板相连接，所述的低压接线柱12与低电位板相连接，所述的不锈钢制高电位板1和低电位板2的直径和间距比≥3(注：不同的比有不同的误差，比值愈大，精度愈高，但加工愈困难。)。5是本设计的最佳比值。

作为上述技术方案的一种改进，所述的不锈钢低电位板1的中心处有一开孔，并通过不锈钢法兰盘3放置电场仪探头，该电场仪探头突出低电位板的部分最高为40mm，在不影响误差的情况下，最大只能是40mm。

作为上述技术方案的另一种改进，所述的不锈钢高电位板1和低电位板2之间，沿板边缘等距安装有若干导电环5和等分压电阻6构成等电位层，减少边缘效应的影响。

作为上述技术方案的另一种改进，所述的高电位板1、低电位板2和法兰盘3采用无磁性304#不锈钢制成。高电位板1和低电位板2设计为圆板形。

作为上述技术方案的另一种改进，所述的不锈钢屏蔽外罩9的半径和电位板半径之比值，为两电位板之间距离的2.5倍。

作为上述技术方案的另一种改进，所述的直流高压电源22，直流中压电源23，直流低压电源24分别提供范围介于0-20kV的输出电压，确保了模拟电场发生器21产生0V/m-100kV/m的电场值，实现了大气电场标定***对电场仪的电场标定范围为0V/m-100kV/m。

作为上述技术方案的另一种改进，所述的数字电表26，用于测量直流高压电源22，直流中压电源23，直流低压电源24的输出电压，其中，数字电表26具有RS232或USB与计算机兼容的输入输出接口，将测量的电压数值直接输入计算机经相应的控制及数据处理模块211换算成相应的模拟电场值。

作为上述技术方案的另一种改进，所述的标定***还包括超级隔离变压器213，该超级隔离变压器213共模抑止比为120dB。

作为上述技术方案的另一种改进，模拟电场发生器21的不锈钢屏蔽外罩的半径和电位板半径之比值为两电位板之间距离的2.5倍。

作为上述技术方案的另一种改进，所述的高精度数字电表27或16位A/D数据采集卡28，用于测量大气电场仪主机的电压输出，高精度数字电表27具有RS232或USB与计算机兼容的输入输出接口，并直接输入到计算机经相应的控制及数据处理模块211换算成相应的待测电场值。

作为上述技术方案的另一种改进，模拟电场发生器及其放置模拟电场发生器的不锈钢制平台和放置配套设备的不锈钢制实验桌通过专用接地线形成等电位体。

作为上述技术方案的另一种改进，在电场仪标定过程中，对数据采用全自动记录。

本发明的优点在于，本发明采用一种高精度宽量程的大气电场标定***，其中最关键设备是模拟电场发生器1，能产生0V/m-100kV/m均匀而恒定的模拟电场，该大气电场标定***具有精度高、量程宽、抗干扰强的特点，***总误差为1％。实际的均方根误差为0.365％，几乎接近美国的高精度电场标定***0.3％的误差。

附图说明

图1为模拟电场发生器示意图。

图2为电场标定***方框图。

附图标识

1、高电位板            2、低电位板             3、法兰盘

4、第一绝缘支柱        5、等电位导电环         6、等分压电阻

7、第二绝缘支柱        8、底座                 9、屏蔽外罩

10、不锈钢防尘盖       11、高绝缘接线柱        12、低压接线柱

21、模拟电场发生器     22、直流高压电源        23、直流中压电源

24、直流低压电源       25、高压电表            26、数字电表

27、高精度数字电表     28、A/D采集卡           29、等精度通用计数器

210、通用示波器        211、通用计算机         212、打印机

213、超级隔离变压器    214、专用接地线         215、被标定电场仪

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供的一种高精度宽量程的大气电场标定***，如图2所示，该大气电场标定***包括：不锈钢模拟电场发生器21产生能满足大气电场标定***0-100kV/m的模拟电场、高稳定度的直流高压电源22、直流中压电源23及直流低压电源24分别提供施加在模拟发生器21中不锈钢高电位板1和低电位板2之间0-20kV的各种数值的电压、高精度高压电表25、数字电表26、高精度数字电表27和A/D数据采集卡28、等精度通用计数器29、通用示波器210、通用计算机和控制及数据处理模块211、超级隔离变压器213。独立接地线214，其特征在于，所述的模拟电场发生器包括一个底座28和固定在该底座28上的圆柱形不锈钢屏蔽外罩29，所述的圆柱形不锈钢屏蔽外罩29的内部同轴设置包括两块相互平行的圆形不锈钢高电位板1和低电位板2构成的模拟电场发生器主体的平行板电容器；所述的圆柱形不锈钢屏蔽外罩29设有高绝缘接线柱11和低压接线柱12，所述的高绝缘接线柱11将高压引入到高电位板，所述的低压接线柱12将地电位引入到低电位板，所述的不锈钢高电位板1和低电位板2的直径和间距比为5，如图1所示。本发明所提供的高精度宽量程大气电场标定***，其中，模拟电场发生器21产生0V/m-100kV/m均匀而恒定的电场，是建立高精度的大气电场标定***最关键的设备。本例中，采用HV-203P3高稳定度的直流高压电源22，MPS-308直流中压电源23，LPS-202A直流低压电源24提供施加在模拟电场发生器21介于0-20kV的各种数值的电压，以确保产生每米0伏至每米百千伏的电场值。HVC-803高精度高压电表25直接测量施加在模拟电场发生器21中高低电位板之间的高压(0-40kV)，PLUCKE-8840A数字电表26测量直流高压电源22，MPS-308直流中压电源23，LPS-202A直流低压电源24的输出电压，将测量的电压数值直接输入计算机换算成相应的模拟电场值。PLUCKE-8846A高精度数字电表27或16位A/D数据采集卡28以高分辨率测量大气电场仪的主机的电压信号输出，直接输入到计算机换算成相应的待测电场值。SP312B等精度通用计数器29测量电场仪的转速，直接输入到计算机以衡量电场仪工作的稳定性。TDS-1012通用示波器210监测大气电场仪主机的同步检波波形，监视电场仪的工作状态。DELL-OP380通用计算机211及专用软件对电场标定***进行控制和计算。HP-P1008打印机212打印出电场仪标定数据报表和标定曲线。WH-38902超级隔离变压器213以120dB的共模抑止比提供电场标定***的交流220V，以消除市电220V上的杂散干扰。独立的专用接地线214，避免***遭受来自于其他仪器设备通过公共地线的干扰。其中：

HV-203P3高稳定度的直流高压电源22，MPS-308直流中压电源23，LPS-202A直流低压电源24提供施加在模拟电场发生器21的高低电位板之间0-20kV的各种数值的电压，以确保模拟电场发生器21产生每米0伏至每米百千伏的电场值。

精度为0.5％的HVC-803高压电表25直接测量施加在高低电位板之间的高压(0-40kV)。PLUCKE-8840A数字电表26，通过直流高压电源22输出接口测量直流高压电源22，

测量MPS-308直流中压电源23与LPS-202A直流低压电源24的输出电压，将测量的电压数值直接输入计算机211换算成相应的模拟电场值作为电场标定的基准电场值。

PLUCKE-8846A高精度数字电表27或PCI-8326BA/D采集卡28以高分辨率测量大气电场仪的主机的信号电压输出，并输入到计算机211换算成相应的待测电场值。

SP312B等精度通用计数器29测量电场仪的转速并直接输入到计算机211以衡量电场仪工作的稳定性。

TDS-1012通用示波器210监测大气电场仪主机的同步检波波形，监视电场仪的工作状态。

DELL-OP380通用计算机211对电场标定***进行控制和计算。HP-P1008打印机212打印出电场仪标定数据报表和标定曲线。

WH-38902超级隔离变压器213以120dB的共模抑止比提供电场标定***的交流220V，消除市电220V上的杂散干扰。

专用接地线避免其它设备通过公共地线产生对电场标定***的干扰。

本发明实现措施和方法：电场标定的关键问题是建立一个数值为已知的均匀而恒定电场。根据两块相互平行而相隔一定距离，并处于不同电位的无限大导电板之间存在均匀电场的原理，设计模拟电场发生器1，即电场E(U/m)：      E＝U/L

式中U为模拟电场发生器1两电位板之间的电位差，L为两电位板之间的距离。

从式中可知，当两平板之间的距离一定时，电场与加在两板上的电压成正比。平板电容器式模拟电场发生器适用于不同尺寸仪器的绝对标定，一般要求精度较高的电场标定装置都采用这种方法。电场的精度除与电压的测量精度和两板之间距离的装配精度有关外，还与两平板的尺寸大小、待标定电场传感器的形状、尺寸及放置位置有关，平行板电容式模拟电场发生器的原理：E＝U/L，其误差与加在两板之间的电位差和两板之间的距离有关，但此公式是在假定两平行板的尺寸为无穷大，且两平板间不存在任何物体的情况下建立的。在实际中这种理想情况是不存在的，有限的尺寸势必在边缘处电力线与电位线发生畸变，即产生边缘效应；电场仪标定时其探头要露出标定箱内的低电位板，也会引起标定箱内的电力线与电位线畸变。加之两板之间的平行度、平面度和内表面的粗糙度、绝缘不好漏电、接地屏蔽体离高电位板的远近，也要产生误差。但是如果在设计模拟电场发生器时，使两平行板的半径大于电场仪的半径，两平板间的距离远超过电场仪探头露出电场标定箱内的高度。上述问题造成模拟电场发生器产生模拟电场的误差完全可以限止在所要求的范围内。

本发明的具体设计理念体现在：

1、对于建立我国第一个行业性电场标定***，最基本、最关键的设备是模拟电场发生器。它的性能的好坏、误差的大小对整个电场标定***起主要作用。为了使总误差1％达到要求，选择合理的两板之间的距离和两板的大小。***中的模拟电场发生器的高低电位板的直径均为Φ1000mm，高低电位板之间的距离为200mm，模拟电场发生器误差的考虑和计算都是以此尺寸为基准进行的。如尺寸改变，误差也将改变。

2、为了设计总误差1％的电场标定***，拟定设计方案时，最简单的办法是将可能引起***误差的任一个分误差源均提高一个数量级来考虑，即限定为0.1％或更小，以便确保***总的误差不超过1％。但难度较大，在目前国内外水平下，实际上是不可能的，如高压电表现在国内外最好的精度为0.5％，还有如平面度、接地屏蔽外罩，要达到0.1％的误差，代价太大，如欲要将接地屏蔽的影响降到0.1％，屏蔽外罩的直径应为Φ10000mm，太庞大，操作也不方便。本***的设计是采用综合、平衡，互补等措施，最终达到了设计要求。

3、模拟电场发生器的关键部件——高低电位板选用无磁性的304#不锈钢，以避免氧化或锈化或磁化使其内表面的面电荷分布不均匀而影响模拟电场发生器电场的均匀性所带来的误差。

4、严格控制关键设备——模拟电场发生器各部件的加工精度，整体的装配精度，并均需经过如中国计量科学院等检测权威单位检验认可。

5、干扰对电场标定***的影响，电场标定在高灵敏端，信号只有百微伏数量级，防止干扰的影响太别重要。针对干扰主要来自于公共接地线，公共电源220V和散布在空间的各种杂散电磁波的三种途径，采用WH-38902超级隔离变压器22以120dB的共模抑止比提供电场标定***的交流220V供电，消除市电220V上的杂散干扰。采用独立的专用地线，避免了因公共接地线的干扰，采用Φ2000×750mm接地屏蔽罩隔离来自于散布在空间的杂散电磁波尤其是电场的干扰。

6、对***误差直接有影响的测试仪器如选用国内外精度最高的，所有仪器均经过计量权威单位检验认可。

7、由于本***是设计为全自动化记录，在标定过程中直接监测被标定电场仪性能的测量仪器均应具有与计算机的连接接口，以便测量数据直接输入计算机进行处理。

8、设计精度为1％的电场标定***，难度较大，经过多次实验和局部改进，终于达到了设计要求，***的性能与原有的两种标定装置有显著的提高，使电场仪的标定范围由0.5kV/m-50kV/m提高到5V/m-100kV/m，在低端扩展了100倍，均方根误差达到了0.365％(原双球电场标定装置的精度为9％)，几乎接近美国最精确的电场标定***精度0.3％的水平。电场标定过程实现了全自动化记录，更能确实地反映出被标定电场仪的真实性能。

9、将模拟电场发生器的放置平台、检测仪器放置实验桌均用具有导电性无磁性的不锈钢加工制成，并与专用接地线连接，使模拟电场发生器21及其放置平台、仪器22-212放置实验桌成为等电位体，既能防止静电对模拟电场发生器的影响，又能确保高压下的人身安全。

10、本电场标定***对电场仪的测量范围、测量灵敏度，测量误差、线性度等性能标定外、同时还能对电场仪的工作状态、短期和长时间的稳定性等进行全面性衡量和评估。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种高精度宽量程的大气电场标定***，该大气电场标定***包括：不锈钢模拟电场发生器(21)产生用于大气电场标定***0V/m-100kV/m的模拟电场，高稳定度的直流高压电源(22)、直流中压电源(23)及直流低压电源(24)分别提供施加在构成模拟电场发生器(21)的不锈钢高电位板(1)和低电位板(2)之间的各种数值的电压、高精度高压电表(25)、数字电表(26)、高精度数字电表(27)或A/D数据采集卡(28)、等精度通用计数器(29)、通用示波器(210)、通用计算机和控制及数据处理模块(211)、超级隔离变压器(213)和独立接地线(214)，其特征在于，所述的模拟电场发生器包括一个底座(28)和固定在该底座(28)上的圆柱形不锈钢屏蔽外罩(29)，所述的圆柱形不锈钢屏蔽外罩(29)的内部同轴设置由两块相互平行的圆形不锈钢高电位板(1)和低电位板(2)构成的平行板电容器；所述的圆柱形不锈钢屏蔽外罩(29)上设有高绝缘接线柱(11)和低压接线柱(12)，所述的高绝缘接线柱(11)与高电位板(1)相连接，所述的低压接线柱(12)与低电位板(2)相连接，所述的不锈钢高电位板(1)和不锈钢低电位板(2)的直径和间距比≥3。

2.根据权利要求1所述的高精度宽量程的大气电场标定***，其特征在于，所述的不锈钢低电位板(2)的中心处有一开孔，并通过不锈钢法兰盘(3)放置电场仪探头，该电场仪探头突出低电位板的部分最高为40mm。

3.根据权利要求1所述的高精度宽量程的大气电场标定***，其特征在于，所述的不锈钢高电位板(1)和不锈钢低电位板(2)之间，沿板边缘等距安装有若干导电环(5)和等分压电阻(6)构成等电位层，以减少边缘效应的影响。

4.根据权利要求1所述的高精度宽量程的大气电场标定***，其特征在于，所述的不锈钢高电位板(1)、不锈钢低电位板(2)和法兰盘(3)采用无磁性304#不锈钢制成。

5.根据权利要求1所述的圆柱型电容式不锈钢模拟电场发生器，其特征在于，所述的不锈钢屏蔽外罩(9)的半径和电位板半径之比，其比值为两电位板之间距离的2.5倍。

6.根据权利要求1所述高精度宽量程的大气电场标定***，其特征在于，所述的直流高压电源(22)，直流中压电源(23)，直流低压电源(24)提供的输出电压为0-20kV，直流高压电源(22)提供的电压范围介于0-20KV，直流中压电源(23)提供的电压范围介于0-300V，模拟电场发生器(1)产生的模拟电场为0V/m-100kV/m，大气电场标定***对电场仪标定范围为0V/m-100kV/m。

7.根据权利要求1所述高精度宽量程的大气电场标定***，其特征在于，所述的数字电表(26)，具有与计算机兼容的输入输出接口，用于测量直流高压电源(22)，直流中压电源(23)，直流低压电源(24)的输出电压，并直接输入到计算机。

8.根据权利要求7所述高精度宽量程的大气电场标定***，其特征在于，所述的与计算机兼容的输入输出接口采用RS232或USB接口。

9.根据权利要求1所述高精度宽量程的大气电场标定***，其特征在于，所述的A/D数据采集卡(28)采用16位A/D数据采集卡(28)，用于测量大气电场仪主机的输出电压，并直接输入到计算机经相应的控制及数据处理模块(211)换算成相应的待测电场值。

10.根据权利要求1所述高精度宽量程的大气电场标定***，其特征在于，所述的标定***还包括超级隔离变压器(213)，该超级隔离变压器(213)共模抑止比为120dB。

11.根据权利要求1所述高精度宽量程的大气电场标定***，其特征在于，所述的圆柱形模拟电场发生器及其放置不锈钢制平台和放置配套设备的不锈钢制实验桌均与专用接地线连接，构成整体性等位体。

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