RU2779924C1 - Apparatus for measuring the intensity of a static and quasi-static vortex electric field - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical measuring equipment and is intended for measuring the vortex electric field created by a time and space-variant magnetic field, and can be used to measure a low-value vortex electric field of the Earth. Apparatus for measuring the intensity of a static and quasi-static vortex electric field consists of a grounded conductive shield made in the form of a horizontal circular cylinder; a flat measuring capacitor located in the conductive shield and consisting of two plates made of a conductive material and a dielectric material installed between the plates; a voltage amplifier, connected to the inputs whereof by conductors are the plates of the voltage meter, the input whereof is connected with the output of the voltage amplifier and the resistor installed between and connected to the conductors. The measuring capacitor is configured to rotate by means of a rotary mechanism, the half-axle whereof is connected with the measuring capacitor. The axis of symmetry of the conductive shield is matched with the axis of rotation of the measuring capacitor.

EFFECT: increased accuracy of measurement.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения вихревого электрического поля, создаваемого изменяющимся во времени и в пространстве магнитным полем и может быть использовано для измерения небольшого по величине вихревого электрического поля Земли.The invention relates to electrical measuring technology and is intended to measure the eddy electric field created by a magnetic field that changes in time and space and can be used to measure the small eddy electric field of the Earth.

Известно устройство для измерения квазистатического вихревого электрического поля, включающее рамку с разомкнутым витком провода и подключенного к концам этого витка измерителя электродвижущей сила (см. л.: Поль Р.В. Учение об электричестве. М., Физматгиз, 1962 г., стр. 117, рис. 159).A device for measuring a quasi-static vortex electric field is known, including a frame with an open coil of wire and an electromotive force meter connected to the ends of this coil (see L.: Pol R.V. Teaching about electricity. M., Fizmatgiz, 1962, p. 117, Fig. 159).

Недостатком данного устройства является низкая чувствительность к вихревому электрическому полю.The disadvantage of this device is the low sensitivity to the vortex electric field.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения напряженности электростатического поля, включающее плоский измерительный конденсатор, состоящий из двух металлических пластин, изолированных друг от друга и расположенных перпендикулярно вектору электрического поля и баллистический гальванометр, подключенный к пластинам (см. Л.: Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. М., 1970 г., стр. 109, рис. 89 и стр. 110).The closest in technical essence to the proposed invention is a device for measuring the strength of an electrostatic field, including a flat measuring capacitor, consisting of two metal plates isolated from each other and located perpendicular to the electric field vector and a ballistic galvanometer connected to the plates (see L .: Zilberman G.E. Electricity and Magnetism, Moscow, 1970, p. 109, Fig. 89 and p. 110).

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, высокий уровень помех и низкая чувствительность к вихревому электрическому полю, т.к. диэлектрическая проницаемость воздуха между пластинами равна единице.The disadvantage of this device is the low measurement accuracy, high level of noise and low sensitivity to the vortex electric field, because. the dielectric constant of the air between the plates is equal to unity.

Техническим результатом является повышение точности измерения, уменьшения уровня помех и увеличения чувствительности к вихревому электрическому полю за счет создания среды между пластинами с диэлектрической проницаемостью больше единицы.The technical result is to increase the measurement accuracy, reduce the level of interference and increase the sensitivity to the vortex electric field by creating a medium between the plates with a dielectric constant greater than one.

Технический результат достигается в устройстве для измерения напряженности статического и квазистатического вихревого электрического поля, включающем заземленный электропроводный экран, выполненный в форме горизонтального круглого цилиндра, внутри которого расположен плоский измерительный конденсатор, состоящий из двух выполненных из электропроводного материала пластин и диэлектрика, установленного между пластинами, усилитель напряжения, к входам которого посредством проводников подключены пластины, измеритель напряжения, вход которого соединен с выходом усилителя напряжения, и резистор, установленный между проводниками и соединенный с ними, при этом измерительный конденсатор установлен с возможностью поворота посредством поворотного механизма, полуось которого соединена с измерительным конденсатором, а ось симметрии электропроводного экрана совмещена с осью вращения измерительного конденсатора.The technical result is achieved in a device for measuring the intensity of a static and quasi-static vortex electric field, including a grounded electrically conductive screen made in the form of a horizontal round cylinder, inside which is a flat measuring capacitor, consisting of two plates made of electrically conductive material and a dielectric installed between the plates, an amplifier voltage, to the inputs of which plates are connected by means of conductors, a voltage meter, the input of which is connected to the output of the voltage amplifier, and a resistor installed between the conductors and connected to them, while the measuring capacitor is mounted rotatably by means of a rotary mechanism, the semi-axis of which is connected to the measuring capacitor , and the axis of symmetry of the electrically conductive screen is aligned with the axis of rotation of the measuring capacitor.

Установка диэлектрика между пластинами позволяет повысить чувствительность к вихревому электрическому полю за счет создания среды между пластинами с диэлектрической проницаемостью больше единицы.Installing a dielectric between the plates makes it possible to increase the sensitivity to the vortex electric field by creating a medium between the plates with a dielectric constant greater than one.

Усилитель напряжения, к входам которого посредством проводников подключены пластины, позволяет значительно повысить чувствительность устройства к вихревому электрическому полю за счет увеличения напряжения и согласования высокого входного сопротивления усилителя с емкостью измерительного конденсатора.The voltage amplifier, to the inputs of which plates are connected by means of conductors, can significantly increase the sensitivity of the device to the vortex electric field by increasing the voltage and matching the high input resistance of the amplifier with the capacitance of the measuring capacitor.

Измеритель напряжения позволяет повысить точность измерения, увеличить чувствительность к вихревому электрическому полю за счет измерения большой величины напряжения.The voltage meter allows you to increase the measurement accuracy, increase the sensitivity to the vortex electric field by measuring a large voltage value.

Резистор позволяет увеличить точность измерений за счет сохранения стабильности величины входного сопротивления для нагрузки измерительного конденсатора, т.к. влияние внешних факторов на величину входного сопротивления усилителя напряжения достигает значительных величин.The resistor allows you to increase the accuracy of measurements by maintaining the stability of the input resistance for the load of the measuring capacitor, because the influence of external factors on the value of the input impedance of the voltage amplifier reaches significant values.

Заземленный электропроводный экран, выполненный в форме горизонтального круглого цилиндра позволяет отделить от измеряемого вихревого электрического поля различные электромагнитные помехи, такие как индустриальные помехи, радиопомехи, радиоволны, электростатические поля, электрическое поле атмосферы Земли.A grounded electrically conductive screen made in the form of a horizontal round cylinder makes it possible to separate various electromagnetic interferences from the measured vortex electric field, such as industrial interference, radio interference, radio waves, electrostatic fields, and the electric field of the Earth's atmosphere.

Установка измерительного конденсатора с возможностью поворота посредством поворотного механизма, полуось которого соединена с измерительным конденсатором позволяет устанавливать измерительный конденсатор поочередно то перпендикулярно, то параллельно вектору вихревого электрического поля, что вызывает перепады величины напряжения на измерительном конденсаторе, которые после усиления измеряются измерителем напряжения, и затем умножением величины перепадов напряжения на коэффициент чувствительности устройства получают значение величины напряженности вихревого электрического поля.Installation of the measuring capacitor with the possibility of rotation by means of a rotary mechanism, the semi-axis of which is connected to the measuring capacitor, allows you to install the measuring capacitor alternately either perpendicular or parallel to the vector of the vortex electric field, which causes voltage drops on the measuring capacitor, which, after amplification, are measured by a voltage meter, and then by multiplying the magnitude of the voltage drops on the sensitivity coefficient of the device receive the value of the intensity of the vortex electric field.

Совмещение оси симметрии электропроводного экрана с осью вращения измерительного конденсатора обеспечивает неизменность расстояний между пластинами измерительного конденсатора и стенками заземленного электропроводного экрана при вращении измерительного конденсатора, а значит емкость измерительного конденсатора будет сохраняться неизменной, следовательно будет обеспеченна высокая точность измерений.Alignment of the symmetry axis of the electrically conductive screen with the axis of rotation of the measuring capacitor ensures that the distances between the plates of the measuring capacitor and the walls of the grounded electrically conductive screen remain unchanged during the rotation of the measuring capacitor, which means that the capacitance of the measuring capacitor will remain unchanged, hence high measurement accuracy will be ensured.

Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического вихревого электрического поля поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства.A device for measuring the intensity of a static and quasi-static vortex electric field is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a general view of the device.

Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического вихревого электрического поля состоит из заземленного электропроводного экрана 1, выполненного в форме горизонтального круглого цилиндра, плоского измерительного конденсатора 2, расположенного внутри электропроводного экрана 1 и состоящего из двух выполненных из электропроводного материала пластин 3 и 4 и диэлектрика 5, установленного между пластинами, усилителя напряжения 6, к входам которого посредством проводников 7 и 8 подключены пластины 3 и 4, соответственно, измерителя напряжения 9, вход которого соединен с выходом усилителя напряжения 6, и резистора 10, установленный между проводниками 7 и 8 и соединенный с ними. Измерительный конденсатор 2 установлен с возможностью поворота посредством поворотного механизма 11, полуось которого соединена с измерительным конденсатором 2. Ось симметрии электропроводного экрана 1 совмещена с осью вращения измерительного конденсатора 2.A device for measuring the intensity of a static and quasi-static vortex electric field consists of a grounded conductive screen 1, made in the form of a horizontal round cylinder, a flat measuring capacitor 2, located inside the conductive screen 1 and consisting of two plates 3 and 4 made of conductive material and a dielectric 5, installed between the plates, voltage amplifier 6, to the inputs of which, through conductors 7 and 8, plates 3 and 4 are connected, respectively, voltage meter 9, the input of which is connected to the output of voltage amplifier 6, and resistor 10, installed between conductors 7 and 8 and connected to them. The measuring capacitor 2 is installed with the possibility of rotation by means of a rotary mechanism 11, the semi-axis of which is connected to the measuring capacitor 2. The symmetry axis of the electrically conductive screen 1 is aligned with the axis of rotation of the measuring capacitor 2.

Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического вихревого электрического поля работает следующим образом.A device for measuring the intensity of a static and quasi-static vortex electric field operates as follows.

Если измеряемое вихревое электрическое поле направленно вертикально вниз (Фиг. 1, вектор Е), то тогда поворотным механизмом 11 следует повернуть измерительный конденсатор 2 так, чтобы его пластины 3 и 4, а также диэлектрик 5 установились горизонтально. При этом величина напряжения между пластинами 3 и 4 станет близкой к нулю через интервал времени, равный 3…5 величин суммарной постоянной времени от всех цепей, приведенных к входу усилителя напряжения 6. Процесс падения напряжения между пластинами 3 и 4 произойдет из-за перетекания зарядов между этими пластинами по проводникам 7 и 8 и резистору 10. Т.к. шумы, приведенные к входу усилителя напряжения 6 смещают величину напряжения на входе и выходе этого усилителя, то необходимо записать величину начальных показаний измерителя напряжения 9. После этого измерительный конденсатор 2 необходимо повернуть поворотным механизмом 11 вокруг оси вращения на 90 градусов, чем будет достигнуто расположение пластин 3 и 4, а также диэлектрика 5 параллельно вектору Е (т.е. вертикально). Затем нужно записать новые показания измерителя напряжения 9, и вычесть из них начальные показания. Полученную разность напряжений надо умножить на коэффициент пропорциональности, известный по расчетам или в результате калибровки устройства. Полученный результат и будет величиной напряженности вертикальной составляющей векторной суммы измеряемых статического и квазистатического вихревых электрических полей. Номинал резистора 10 следует выбирать таким, чтобы за время между записями начальных и конечных показаний измерителя напряжения 9 измерительный конденсатор успевал разрядиться на величину, не превышающую допустимую погрешность измерения напряженности вихревого электрического поля.If the measured eddy electric field is directed vertically downwards (Fig. 1, vector E), then the rotary mechanism 11 should turn the measuring capacitor 2 so that its plates 3 and 4, as well as the dielectric 5, are installed horizontally. In this case, the voltage between plates 3 and 4 will become close to zero after a time interval equal to 3 ... 5 values of the total time constant from all circuits brought to the input of voltage amplifier 6. The process of voltage drop between plates 3 and 4 will occur due to the flow of charges between these plates along conductors 7 and 8 and resistor 10. noises brought to the input of the voltage amplifier 6 shift the voltage value at the input and output of this amplifier, then it is necessary to record the value of the initial readings of the voltage meter 9. After that, the measuring capacitor 2 must be rotated by the rotary mechanism 11 around the rotation axis by 90 degrees, which will achieve the location of the plates 3 and 4, as well as dielectric 5 parallel to the vector E (ie vertically). Then you need to record the new readings of the voltage meter 9, and subtract the initial readings from them. The resulting voltage difference must be multiplied by a proportionality factor known from calculations or as a result of device calibration. The result obtained will be the magnitude of the intensity of the vertical component of the vector sum of the measured static and quasi-static vortex electric fields. The value of the resistor 10 should be chosen so that during the time between recording the initial and final readings of the voltage meter 9, the measuring capacitor has time to discharge by an amount not exceeding the allowable error in measuring the eddy electric field strength.

Предложенное устройство для измерения напряженности статического и квазистатического вихревого электрического поля повышает точность и стабильность измерений, позволяет уменьшить влияние помех и обеспечить высокую чувствительность к вихревому электрическому полю до 0,1 мВ/м и лучше.The proposed device for measuring the intensity of a static and quasi-static eddy electric field increases the accuracy and stability of measurements, reduces the effect of interference and provides high sensitivity to an eddy electric field up to 0.1 mV/m and better.

Claims (1)

Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического вихревого электрического поля, включающее заземленный электропроводный экран, выполненный в форме горизонтального круглого цилиндра, внутри которого расположен плоский измерительный конденсатор, состоящий из двух выполненных из электропроводного материала пластин и диэлектрика, установленного между пластинами, усилитель напряжения, к входам которого посредством проводников подключены пластины, измеритель напряжения, вход которого соединен с выходом усилителя напряжения, и резистор, установленный между проводниками и соединенный с ними, при этом измерительный конденсатор установлен с возможностью поворота посредством поворотного механизма, полуось которого соединена с измерительным конденсатором, а ось симметрии электропроводного экрана совмещена с осью вращения измерительного конденсатора.A device for measuring the intensity of a static and quasi-static vortex electric field, including a grounded electrically conductive screen, made in the form of a horizontal round cylinder, inside which is a flat measuring capacitor, consisting of two plates made of electrically conductive material and a dielectric installed between the plates, a voltage amplifier, to the inputs which the plates are connected by means of conductors, a voltage meter, the input of which is connected to the output of the voltage amplifier, and a resistor installed between the conductors and connected to them, while the measuring capacitor is installed with the possibility of rotation by means of a rotary mechanism, the half-axis of which is connected to the measuring capacitor, and the axis of symmetry conductive screen is aligned with the axis of rotation of the measuring capacitor.

Images