автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Развитие теории и практики изотропных измерений электростатического поля на основе динамических преобразователей

На правах рукописи

КОЛМОГОРОВА СВЕТЛАНА СЕРГЕЕВНА

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ИЗОТРОПНЫХ ИЗМЕРЕНИИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

° 'VI м,/ ¿и ¡2

Омск-2012

005015892

005015892

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Научный руководи- доктор технических наук, доцент тель: Бирюков Сергей Владимирович

Официальные Кликушин Юрий Николаевич

оппоненты: доктор технических наук, профессор

кафедры «Технология электронной аппаратуры» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет», г. Омск

Петров Святослав Иванович кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование» Омского института водного транспорта (филиал) федерального бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Новосибирская государственная академия водного транспорта», г. Омск

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения», г.Омск

Защита диссертации состоится «17» мая 2012 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при Омском государственном техническом университете, по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, корп. 8, ауд. 421 Тел/факс: (3812)65-64-92, e-mail: dissov_omgtu@onigtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан «16» апреля 2012г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.178.01 tf

д.т.н., профессор

B.J1. Хазан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прогрессивное развитие технологий промышленности сопровождается как целенаправленной генерацией электростатических полей для технологических процессов, так и побочным их возникновением при работе электротехнического оборудования. В связи с этим возникает ряд проблем, связанных с контролем и обнаружением электростатических полей, а также выявлением их воздействий на технические и биологические объекты. Так же ощущается необходимость в регистрации сверхслабых электростатических полей, например, при поисках дробных элементарных зарядов, а в космической области нужны приборы, позволяющие проводить исследование полей в условиях плазмы газового разряда.

В настоящее время все более актуальным становятся измерения и контроль уровней напряженности электростатического поля на соответствие требованиям норм по электромагнитной безопасности, согласно действующим правовым и нормативным документами Госстандарта и Госкомэпидем надзора России. Необходимость контроля воздействия электрических полей крайне высока в помещениях, где сосредоточенно большое количество электротехнического оборудования (в том числе компьютеров, оргтехники и т.д.). Систематическое воздействие на организм человека сверхдопустимых уровней электрического поля отрицательно воздействует на здоровье человека, может привести к необратимым изменениям в организме (функциональное состояние нервной системы, сердечно сосудистой и эндокринной системы и пр.). Экологическая безопасность электротехнического оборудования является приоритетной проблемой.

Сильные электростатические поля с каждым годом все шире применяются в технологических процессах. Электростатические поля используются при окрашивании и нанесении покрытий, при распылении и улавливании аэрозолей, при электростатической сепарации и электрофлокировании, во всех этих процессах, используется взаимодействие электростатических полей и заряженных дисперсных материалов. В связи с этим приобретают большое значение проблемы, связанные с разработкой новых средств для получения информации о параметрах электростатических полей.

Знание напряженности электростатических полей требуется и в других областях - в нефтяной (при перекачке, транспортировке и хранении нефтепродуктов) в химической, текстильной и электронной промышленности. Т.е. там, где возникает вероятность появления электрических зарядов, приводящих к вероятности взрыва или пожара, а также в области изучения атмосферного электричества, в экологии, медицине и др.

В России исследования измерительных преобразователей параметров электростатических полей начались с основополагающих работ Г. В. Рихмана, разработавшего и применившего первый в мире электрометр (1744 г). В настоящее время этой теме посвящены работы: И. М. Имянитова, Л. Г. Гросса,

A. М. Илюковича, К. Л. Куликовского, В. С. Аксельрод, К. Б. Щегловского

B. А. Мондрусова, В. А. Прянишникова, Я. М. Шварца, В.Н. Зажирко,

C. В. Бирюкова и др. За рубежом аналогичные исследования проводили Дж. Н.

Чабб, П. Э. Секер, Е. Сайто и др.

Первые конструкции динамических электроиндукционных преобразователей были разработаны в J937 г. для измерения сверхвысоких мегавольтных напряжений, вырабатываемых электростатическими генераторами. В России основоположником создания динамических измерительных преобразователей для исследования вариаций электрического поля на земле и в атмосфере является коллектив ученых, работавших под руководством И. М. Имянитова. Ими же были разработаны приборы, устанавливавшиеся на борт}' первых космических аппаратов.

Наибольшего развития техника электростатических измерений достигла в последние десятилетия, что связано с появлением дешевых операционных усилителей с высоким входным сопротивлением. В настоящее время наиболее известными зарубежными фирмами-производителями измерителей параметров электростатических полей являются Keithley Instruments, Pitman Instruments, Sallivan (Великобритания), Дзгоннити дэнки (Япония), Prostat Corp (США), Элтекс-Элеюросгатик (Германия) и др.

Практическое значение электростатических измерений и испытаний материалов на электризуемость постоянно растет. При этом возрастают также требования к точности и чувствительности измерительных преобразователей электростатических полей. Многие из существующих в настоящее время измерительные преобразователи (ИП) в полном объеме не удовлетворяют требованиям промышленности, поскольку они не позволяют производить длительных измерений в изменяющихся полях и большинство из них обладают малой чувствительностью.

Таким образом, задача по разработке и проектированию новых средств измерений на основе динамических электроиндукционных преобразователей, обладающих малыми погрешностями и полностью удовлетворяющих всем требованиям, предъявляемым к современным ИП параметров электростатических полей, остается нерешенной, вследствие чего проведение исследований в этом направлении является актуальным и составляет одну из важных проблем современной измерительной техники.

Данная работа является изложением разработанных автором научно обоснованных технических решений, внедрение которых позволит получить средства контроля и измерения параметров электростатических полей с характеристиками, удовлетворяющими современным техническим требованиям и тем самым внесет значительный вклад в развитие ряда отраслей промышленностей, использующих электростатические поля.

Целью диссертационной работы является создание и исследование динамических первичных измерительных преобразователей (датчиков) параметров электростатических полей инвариантных к его направлению и обладающих улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести анализ существующих средств измерений, применяемых для контроля параметров электростатических полей, в том числе утвержденных ти-

пов средств измерений, зарегистрированных в федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений и выявление факторов, ограничивающих их метрологические характеристики.

2. Рассмотреть вопрос взаимодействия проводящей поверхности сферического датчика с электрическими полями различных источников (однородное поле, поле точечного источника, поле проводящей линии конечной длины, поле электрического диполя и квадруполя) посредством математического и экспериментального моделирования.

3. Создать новую конструктивную модель изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика (ИТЭСД) напряженности электростатического поля, в основе которой лежит динамический метод измерения.

4. Создать математическую модель динамического изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика напряженности электростатического поля, учитывающую взаимосвязи его выходных сигналов с конструктивными размерами чувствительных элементов, неоднородностью поля и результирующей погрешностью датчика, вызванной этой неоднородностью и на основании математического моделирования выявить параметры датчика критичные к его погрешности. Математическая модель должна представлять собой блочную структуру, в которой путем смены блоков подынтегральных выражений можно было бы изменять условия неоднородности поля для исследуемого датчика.

5. Разработать структурную схему средства измерений напряженности электростатического поля (ЭСП) с динамическим ИТЭСД и реализовать имитационное программное моделирование средств измерений с созданием виртуального прибора с учетом разработанной конструкции и математической модели датчика.

Методы исследования. В работе применялись теоретические методы исследования с использованием соответствующего математического и имитационного моделирования. При выводе основополагающих выражений и зависимостей были использованы теория поля и методы теоретических основ электротехники, теория математического анализа (интегральное, дифференциальное, вариационное исчисление) и прикладной математики.

При решении поставленных задач использовались классические разделы математического анализа, известные положения теории электромагнитного поля, а также методы компьютерного математического моделирования в среде пакета Mathcad, имитационное моделирование взаимодействия датчика с полями в пакетах Elcut и Maxwell, для апробации функционирования средства измерения напряженности ЭСП с ИТЭСД пакет объектно-графического программирования LabVlEW.

Научную новизну работы составляют:

1. Теоретическое обоснование технической реализации изотропного датчика напряженности электростатического поля.

2. Выражение для расчета индуцированного заряда на изменяющейся площади чувствительного элемента, учитывающего его угловые размеры и скорость вращения, а также радиус кривизны корпуса датчика.

3. Математическая модель динамического изотропного трехкоординатного

сферического датчика напряженности электростатического поля, имеющая блочную структуру и учитывающая взаимосвязи его выходных сигналов с конструктивными размерами чувствительных элементов, неоднородностью поля и результирующей погрешностью датчика, вызванной этой неоднородностью, позволяющая провести выбор размеров чувствительных элементов и формы сигналов датчика с точки зрения минимума погрешности от неоднородности поля и максимума пространственного диапазона измерений.

Оригинальность разработки и новизна технических решений подтверждена полученным патентом Российской Федерации № 106959.

Практическое значение работы состоит в создании теоретических предпосылок и научно обоснованных технических решений для проектирования динамических изотропных трехкоординатных электроиндукционных сферических датчиков напряженности электростатического поля.

Реализация м внедрение результатов работы осуществлены в виде:

-переданных материалов по разработке датчика контроля параметров электростатических полей ЗАО «СибЭлектро», г.Омск, ОАО «Омское специальное конструкторское бюро приборов», г.Омск (акты внедрения и передачи представлены в приложении к диссертации);

-использования в научно-исследовательской работе и учебном процессе Омского государственного технического университета (ОмГТУ) при подготовке магистров кафедры САПР М и ТП ОмГТУ (акт использования представлен в приложении к диссертации);

Реализация работы, кроме этого, осуществлена в виде патента РФ на полезную модель.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Развитие математического аппарата исследования поведения динамических изотропных трехкоординатных электроиндукционных сферических датчиков напряженности в ЭСП с различной неоднородностью, позволяющего рассматривать трехкоординатный датчик как единое целое и проводить расчеты его конструктивных и электрических параметров.

2. Конструктивная и математическая модели ИТЭСД и результаты их математического моделирования.

3. Полученная математическая зависимость, позволяющая рассчитывать индуцированный заряд на изменяющейся площади чувствительного элемента, учитывающая угловые размеры и скорость вращения чувствительного элемента, а также радиус его кривизны.

4. Установленная независимость выходных сигналов динамических ИТЭСД напряженности ЭСП при их среднеквадратическом детектировании от степени неоднородности поля.

Достоверность результатов подтверждается корректным применением соответствующего математического аппарата при выводе основополагающих зависимостей и анализе полученных выражений; теоретическими расчетами, согласующимися с результатами других авторов и проверенными математическим моделированием и экспериментальными исследованиями; апробацией результатов

работы перед научной общественностью; удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментально определенных параметров и характеристик.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих научных форумах: X международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2010), 12-й международной научно-технической конференции «Измерение. Контроль. Информатизация» (Барнаул, 2010), III Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии в промышленность» (Омск, 2010).

Полное содержание диссертации докладывалось и обсуждалось на расширенном научно-техническом семинаре кафедры «Информационно-измерительная техника» Омского государственного технического университета» с участием представителей кафедр энергетического института и радиотехнического факультета.

Публикации. Результаты диссертационных исследований опубликованы в 16 работах, из них: четыре статьи в центральных периодических журналах, рекомендованных ВАК, одно описание к патенту на полезную модель, одно свидетельство об отраслевой регистрации разработок в Отраслевом фонде алгоритмов и программ, четыре статьи в сборниках трудов всероссийских научно-технических конференций, пять статей в сборниках трудов международных научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 111 источников и приложений. Работа изложена на 168 страницах и содержит 60 рисунков, 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, показана область применения ее результатов, определена практическая значимость диссертации, сформулированы цели, задачи и научная новизна.

В первой главе диссертации рассматривается проблематика и определяются основные направления исследований, необходимых для достижения поставленных целей.

Рассмотрены основные физические эффекты, возможные для построения датчиков напряженности ЭСП. На основе анализа эффектов выделены электроэлектрический эффект, основанный на явлении электрической индукции и электрооптические эффекты, обеспечивающих построение датчиков схожих по чувствительности, диапазону измерений.

Обзор существующих методов измерения ЭСП показал, что целесообразно разрабатывать и использовать датчики ненаправленного приема, которые не только упрощают процесс измерений, но и повышают точность измерения напряженности ЭСП.

В процессе обзора существующих и применяемых современных СИ напряженности ЭП выделены типовые СИ, допущенных к применению в РФ, занесен-

ные в фонд Государственного реестра средств измерений, имеющие номер государственной регистрации, зарегистрированные предприятиями, осуществляющие не только их разработку и реализацию, но и в том числе контроль ЭМП по существующим нормативам, а именно СанПиН 2.2.4.1191-03; СанПиН 2.2.2/2.4.134003; СанПиН 2.1.2.729-99; СанПиН 2.5.2/2.2.4.1989-06 и др.

Приведена сравнительная таблица по нормативным документам, регламентирующие уровни электромагнитных излучений и определяющие требования к СИ, применяемым в РФ.

Сравнительный анализ по стандартам показал, что: - измерение напряженности ЭСП должен осуществляться в диапазоне от 0,3 до 300 кВ/м;

-требования к СИ заключаются в том, что инструментальный контроль должен осуществляться приборами, включенными в Госреестр, а также следует отдавать предпочтение измерителям с изотропными антеннами-преобразователями; -инструментальный контроль должен осуществляться приборами с допускаемой основной относительной погрешностью измерений +-10%, при проведении измерений на минимальном расстоянии в 0,5 м от источника ЭП.

Однако, серийно выпускаемые СИ лишь частично удовлетворяют установленным стандартам. И не смотря на все многообразие приборов с различными видами датчиков напряженности ЭСП, существует необходимость в модернизации и разработке приборов с качественно лучшими параметрами и характеристиками, а также в учете существующих стандартов, регламентирующих требования к применяемым приборам и параметры воздействия ЭМП.

Для решения задач по исследованию ЭСП перспективным остается направление, связанное с разработкой СИ характеристик ЭСП с использованием двойных трехкоординатных электроиндукционных сферических датчиков напряженности ЭП в дифференциальном включении, пригодных для измерений как в однородных, так и неоднородных ЭП.

Во второй главе представлены принцип и метод измерения параметров ЭСП, используемые при проектировании динамического ИТЭСД, а также проведен анализ взаимодействия проводящей поверхности датчика с ЭСП различных источников.

Анализ физических эффектов, пригодных для построения высокоточных датчиков напряженности ЭСП показал, что электроиндукцонный эффект, основанный на электрической индукции, обеспечивает построение датчиков простой конструкции. Благодаря электроиндукционному эффекту на поверхности проводящей сферы или ее части при внесении в ЭСП наводятся (индуцируются) заряды. В результате модулирования постоянного поля снимаемый сигнал преобразуется в переменный, пропорциональный напряженности измеряемого поля. Благодаря электростатической индукции на поверхностях проводящих сферических электродов наводятся электрические заряды, которые при соответствующем механическом движении (а именно периодическом вращении) образуют электрический ток, пропорциональный напряженности исследуемого поля:

dS = к-Eq'Û) t (i)

где En - измеряемое значение напряженности, со- угловая скорость вращения сферического датчика, /:'„- нормальная составляющая напряженности ЭСП на поверхности сферического датчика, dS = R2 -sinO-dedip- элемент поверхности, выраженный в сферической системе координат; R-радиус сферы; вн ç- широтный и долготный углы сферической системы координат, к- коэффициент, учитывающий параметры среды, неоднородность поля, изменение проводящей поверхности в процессе вращения.

Отметим также, что электроиндукционный принцип позволяет проектировать датчики измерения параметров ЭСП в широком пространственном диапазоне, т.е. на расстояниях от источника поля соизмеримых с размером датчика. В зависимости от требуемой чувствительности и уровней измеряемой напряженности при электроиндукционном методе измерений можно строить датчики с линейными размерами от 10 до 200 мм.

При разработке датчика напряженности электростатического поля использовался метод трехкоординатных измерений (МТИ). Суть МТИ сводиться к восприятию трех ортогональных составляющих вектора напряженности ЭСП с последующим их геометрическим суммированием, что обеспечивает независимость восстановления модуля вектора напряженности ЭСП от ориентации датчика. Используя МТИ в разработке сферического датчика параметров ЭСП выявлена зависимость погрешности от размеров чувствительного элемента. Исходя из этой зависимости размер чувствительного элемента следует выбирать из расчета минимума погрешности от неоднородности поля в широком пространственном диапазоне.

В главе рассмотрено взаимодействие сферического датчика с различными источниками полей с учетом их «возмущений» и проанализировано в программных продуктах (Elcut, Ansoft Maxwell).

Аналитические выражения для нахождения нормальной составляющей напряженности ЭСП на сферической поверхности датчика представлены выражениях (2-5). Для изолированной проводящей сферы нормальная составляющая напряженности ЭСП Е„ в однородном поле будет определяться выражением:

Е„(в) = -3 • cosO • Е0 (2)

В поле точечного источника:

/

а

1- ^

■ , Ео (3)

л/1 - 2дсо50 + 2а ,

В поле электрического диполя, расположенного на одной оси со сферическим датчиком:

и

2ac

1+— + c-4

I+— -c-a1 4

(1+— +c + a2 4

-lacosO'

\ + C-

(1 + —-c+a2-4

2acos9- 1

В поле линейного источника:

f+arctg(l/d)

О

+ С

lac

i<

1-яcos(y/)

1

cos у/ • (1 + a2cos(ty)2 - 2acos у/ ■ cos(9 -

-y/f12 cosy/

-aeclg(l Id)

В формулах (2-5): a=R/d- относительное расстояние; R- радиус корпуса сферического датчика; d- расстояние от центра датчика до источника поля; c=l/d, I-длина линии в случае с полем линейного источника или расстояние между точечными источниками в случае поля электрического диполя; т- линейным зарядом постоянной плотности; в- широтный угол сферической системы координат от оси z; \р- угол между центром сферы и элементарным зарядом на линии.

Выражения (2-5) были промоделированы с помощью математического пакета Mathcad. В результате математического моделирования были получены графические зависимости нормированного значения нормальной составляющей напряженности Еп (в, а)! Еа.

Графическое моделирование дает наглядную картину изменения электрического поля, поэтому с помощью программы Elcut экспериментально рассчитали ЭСП точечного источника (электрического диполя, квадруполя, поле линейного источника) при внесении в поле изолированной сферы и получили распределение эквипотенциальных линий с учетом различных показателей неоднородности а. Из анализа рисунков таблицы 1 следует, что при показателе неоднородности а=/ прежде всего со стороны точки полюса сферического датчика, обращенной к источнику, наблюдается заметное увеличение напряженности поля (область А), тогда как с противоположной стороны (область В) напряженность поля уменьшается. Очевидно также, при а-* 1 количество эквипотенциальных линий увеличивается, отражая максимальную неоднородность и, соответственно, чем меньше показатель неоднородности, тем поле вблизи проводящей поверхности датчика приближается к однородному (при а-* 0).

В связи с отсутствием математического выражения нормальной составляющей напряженность ЭСП квадруполя и высокой сложностью вывода выражения, для анализа взаимодействия сферического датчика и этого вида источника ЭСП используются модель, созданная в Elcut, а также аналитические данные, рассчитанные этим программным продуктом в процессе моделирования.

Для анализа поведения проводящей сферы в ЭСП различных источников взяты случаи с наибольшей плотностью распределения эквипотенциальных линий, а именно поля точечного источника, электрического диполя, расположенного на одной оси со сферическим датчиком, и квадруполя.

dyf

(5)

Таблица 1 - Взаимодействие модели сферического датчика с ЭСП различной не-

По полученным в программе Е1си1 экспериментальным данным построены графики зависимостей. На рисунке 1 - показана зависимость полученных значений напряженности возмущенного поля Еп относительно полюса сферического датчика Ъ=+\, обращенного к источнику ЭСП, от показателя неоднородности а=1Ш (й- расстояние от источника ЭСП до центра сферического датчика; Л- радиус сферического датчика).

На рисунке 2 показано отношения зависимости напряженности возмущенного поля Еп на поверхности изолированного сферического датчика к напряженности невозмущенного случая в геометрическом центре сферы Е0 от показателя неоднородности а. Очевидно, что напряженность возмущенного поля в ЭСП точеч-

ного источника в полюсе сферического датчика больше, чем в полях электрического диполя и квадруполя при различных показателях а, особенно в близи источника (а-» 1). Область поля с сильной неоднородностью для электрического диполя и квадруполя либо соизмерима, либо значительно меньше размера датчика. Поэтому сферический датчик, попадая в поля подобные полям диполя и квадруполя находится в области поля, близкой к однородному.

Согласно полученным графикам, применимость сферического датчика в полях электрического диполя и квадруполя ограничивается узким диапазоном измерения, поскольку на малых расстояниях от источника ЭСП возникает вероятность электрического пробоя среды, в которой находится датчик в процессе измерения. В качестве такой среды в нашем случае выступает воздух. Электрическая прочность воздуха зависит от многих параметров (в т.ч. температура, влажность, давление и др.), то электрический пробой воздуха будет зависеть от сочетания указанных параметров в момент измерения. Таким образом, ограничении использование сферического датчика происходит с одной стороны за счет увеличения напряженности ЭСП на полюсах сферического датчика, а с другой стороны за счет наличия конечного значения электрической прочности воздуха.

д. 4-

£

1

=я

4

р- Р

у / !

-/ ✓

\о—1- —|—1-' 'Г

; (

1

-Г- Г>1 } ¡2

1

1

1 ; / 1 /

' /

/| 1 /

Ш/

........ -и- у' /

2 <?, 2 0,3 ¿> 0,5 6 0,7 8 а.

Рисунок 1 - График зависимости, полученных в программе Е1си( 5.1, значений напряженности на поверхности полюса изолированной сферы для различных источников ЭСП: 1-точечный заряд; 2- электрический диполь; 3- электрический квадру-поль.

Рисунок 2 - Графики зависимостей полученных значений в программе Е1сШ отношения напряженностей ЭСП Еп/Е0 в зависимости от показателя неоднородности а: 1- однородное поле; 2- поле точечного источника; 3- поле электрического диполя, расположенного на одной оси со сферическим датчиком; 4- поле электрического квадруполя.

В третье главе представлено теоретическое обоснование конструктивной модели трехкоординатного датчика напряженности ЭСП, а также разработанные конструктивная и математическая базовые модели электроиндукционных сферических датчиков с замкнутой системой чувствительных элементов, позволяющие выявлять изменения составляющих вектора напряженности ЭСП по координат-

ным осям датчика и проводить исследования поведения датчиков в полях различной неоднородности в любых их пространственных положениях.

В качестве конструктивной базовой модели ИТЭСД принята конструкция двойного трехкоординатного датчика с шестью чувствительными элементами, защищенная свидетельством на полезную модель. Общий вид датчика напряженности ЭСП представлен на рисунке 3. Датчик напряженности электростатического поля состоит из полой проводящей сферы радиуса Л, на поверхности которой расположены три пары диаметрально противоположных круглых окон (отверстий). Каждая пара круглых окон расположены на соответствующих координатных осях X, V, Я с радиусом гок. Внутри сферы расположен вращающийся на валу челнок. Ось вала проходит через центр сферы и располагается на равных угловых расстояниях от координатных осей круглых окон. На челноке изолировано друг от друга находятся три пары диаметрально противоположных проводящих чувствительных элементов (ЧЭ) и , радиусы которых совпадают с радиусами окон гок= гчэ (НГН2, Н3-Н4 и Н5-Н6).

Чувствительные элементы в общем случае выполняются в форме сферического сегмента, с внешним угловым размером в0, являющимся его конструктивным параметром. ЧЭ располагаются по трем ортогональным осям X, У, 2 декартовой системы координат, начало которой совпадает с центром сферы.

Датчик находится в однородной изотропной среде с относительной диэлектрической проницаемостью Еи в которой существует постоянное во времени ЭСП. Благодаря сферической форме экранирующего корпуса и возможности перекрытия всех отверстий одинаковыми ЧЭ, укрепленными на одном валу, повышается точность измерения вектора напряженности ЭСП.

Динамический принцип измерения ИТЭСД заключается в том, что при механическом движении (а именно при вращении) на ЧЭ датчика индуцируются электрические заряды величина которых определяется выражением (в общем случае) с

учетом известного выражения б = Цо- • •.

я

= (6) где к2 - коэффициент, учитывающий параметры взаимодействия датчика с источником поля; ё, - диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится проводящая сфера; Бф) - изменение площади ЧЭ при вращении челнока на пространственный угол ¡3, ¡3=и>1\ ш- угловая скорость вращения челнока; Е0 - результирующая поверхностная напряженность электростатического поля на ЧЭ.

Наведенный ток на ЧЭ, используемый в качестве измеряемой величины, определяется изменением количества заряда 0 на ЧЭ в течение времени I. Здесь необходимо обратить внимание на то, что, что при повороте ЧЭ на некоторый пространственный угол /3=0)? стекает именно то количество заряда (), которое на поверхности ЧЭ с углом /3 распределено в виде поверхностного заряда (или нормальной составляющей напряженности ЭП). Изменение выходного тока:

тМ (7)

а)

в) г)

а - внешний вид конструкции ИТЭСД в момент совпадения ЧЭ (SrSe) и круглых окон (НГН6)\

б, в - внутренне исполнение конструкции ИТЭСД;

г- базовая конструктивная модель ИТЭСД в момент совмещения всех пар ЧЭ (SrS6) и отверстий (Н,-Н6) по осям XYZ.

Рисунок 3 - Конструкция ИТЭСД (прозрачное изображение датчика использовано для удобства представления его внутреннего исполнения): 1- ось датчика; 2- защитный кожух; 3- чувствительные элементы; 4- вращающийся челнок, на котором расположены чувствительные элементы (S]-S6); 5- круглые окна (НГН6) по осям X, Y, Z. Изображения моделей выполнены в программе SolidWorks

Так как угловая скорость вращения челнока со принимается постоянной, то ее можно вынести за пределы дифференцирования, тогда

V, г. Л dQpeM,En)

i(t,En) = a—^--(8)

где Еп - нормальная составляющая напряженности ЭП на поверхности сферы, результирующее значение заряда на ЧЭ, расположенных на осях X, Y a Z датчика:

Qpes (».£,)= л/е!('>£*)+ Qy(t,En)+ Qi(t,En) (9)

где - площадь соответствующего чувствительного элемента; <181 - элемент его поверхности; г - параметр изменяющейся от 1 до 6 по числу чувствительных элементов датчика, ¿8

-Я ^тв йв-й- элемент поверхности, выраженный в

сферической системе координат, ег--ехЕп - поверхностная плотность заряда, -диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится проводящая сфера.

Рисунок 4 - Основные этапы (1-6) вращения модели ЧЭ датчика с угловой скоростью и относительно отверстий. Вращение ЧЭ смоделировано в системе автоматизации проектных работ (САПР) БоМИ'огЬ 2009

С учетом нормированное значение е„(в,а) =

Е„(9,а)

е„

Я'

(П)

где Е0 - значения составляющих напряженности ЭСП, направленные по

осям X, У, 2 на ЧЭ датчика.

Так как в результирующем выражении используется нормированная нормальная составляющая напряженности ЭП Е„ = £0 ■ е„ на поверхности сферы тогда

Выражение (12) представляет собой общее уравнение преобразование динамического ИТЭСД.

Из уравнения (12) видно, что выходной ток датчика пропорционален измеряемой величине Е0 и с ростом ы растет. Это позволяет изменением частоты вращения челнока устанавливать необходимую чувствительность датчика. Чувствительность пропорционально зависит и от радиуса кривизны ЧЭ, а следовательно и от радиуса Я сферического корпуса. Из главы 2 для уменьшения искажений, вно-

симых в ЭСП, необходимо уменьшать радиус Л корпуса датчика, что приведет к уменьшению чувствительности, однако, путем увеличения частоты вращения можно добиться необходимой чувствительности.

Границы интегрирования при определении индуцированного заряда на чувствительных элементах и их площади согласно выражениям (10). ЧЭ в общем случае выполняются в форме сферического сегмента, с внешним угловым размером в/, являющимся его конструктивным параметром. Зная изменение <р, определяющего границы изменения сферического сегмента при его пересечении с отверстием, несложно найти на поверхности сферического сегмента индуцированный заряд. Общее выражение для индуцированного заряда на одном ЧЭ:

(13)

= 2 • arccos

d Р + arctg

COS02 • cos ft - COS в у COS в) ■ SinP

Ф,)

(14)

Рисунок 5 - Пояснения к выводу выражений для границ интегрирования для момента пересечения ЧЭ и отверстия

где Л- радиус сферического корпуса датчика, /?- пространственный угол поворота чувствительного элемента, Р=ыГ, Е„ - нормальная составляющая напряженности ЭСП на поверхности сферы, выражения для которой получены в главе 2.

Таким образом, индуцированные заряды на противоположных ЧЭ:

&5=2Л2

•п

J,

cos^smp JJ

Ф>)

smBde

(15)

QasJ'

2 -arcco:

Г со чв-, ■ соф - со.A p + arcti ^ _

\ cosfysmp

>M

-sine-de

(16)

Используя математическую модель датчика (рисунок 6) нашли внешние угловые размеры в2 сферического сегмента с максимальным диапазоном измерения dmax и с минимальной погрешностью от неоднородности для дифференциального трехкоординатного датчика. В таблице 2 приведены результаты моделирования для вариантов угловых размеров ЧЭ (5°, 15°, 20° и 22,5 ).

Математическая модель щотропного трехкоорлннатною электроннлукинонного сферического датчика напряженности электростатического поля с чувствительными элементами, находящимися на координатных осях датчика

Задание параметров:

1. Задание углового размера чувствительных элементов для сферического сегмента вг принимает значения от 0° до 22,5°

2. Задание угловой частоты вращения со

3. Задание параметра поля а (а задавать от 0 до I)

4. Ядро математической модели для поля точечного источника

Ь0 а

\-а2

асозО + а2)

Индуцированный заряд на чувствительном хземеите (вь Б* 8;):

^s,x

I

[е„] 2 агссо*

, „ (со.к(0,) • сол( оИ) - соз(в,) 1 ^

{<м)~ .........'

^ соз{0{ )-зт(а>1) )

)

[пп(0)\10

Индуцированный заряд на противоположном чувствительном элементе (в], в«):

( со5(в,)со5{ео1)-соз(01)\\

? -...... . : ; —"

= [е„]

2агссох

<т)

яп(0)\10

Дифференциальные заряды по осям датчика Х,Уиг <2х.) 7. = -Qs2.s4.sr, Результирующее значение индуцированного заряда и в неоднородном поле

Действующее значение результирующего значения индуцируемого заряда в неоднородном поле

Он*-

Результирующее значение индуцированного заряда в однородном поле

= /2)

Ео

Действующее значение результирующего значения индуцируемого заряда в

однородном поле

Вд

Погрешность датчика от неоднородности электрического поля

„ _ С?д н ~ £?д о

Сдо

-•100%.

Рисунок 6

Таблица 2 - Внешние угловые размеры в2 сферического сегмента (ЧЭ), пространственный диапазон измерения а и погрешность от неоднородности (</'=</-/?, расстояние от центра сферического датчика до источника ЭП, Л-радиус сфериче-

ского корпуса датчика /? = 60 мм).

а Погрешность, о, %

5" 15' 20" 22,5" <Г

0,01 2,30 0.09 0,05 0,01 100«

0,10 2,29 1.76 1,36 1,15 9«

0,15 5,26 4,02 3,09 2.59 5,6«

0,20 9,62 7,25 5,53 4.61 4,0«

0,25 15,57 11,55 8.70 7.22 3.0«

0,30 23,44 17.03 12,64 10.40 2,3«

0,35 33.69 23,83 17.36 14.50 1.8«

0,40 46,96 32,10 22,88 18,43 1,5«

0,45 64,19 42.00 29,20 23,21 1,2«

0.50 86,80 53,87 36.28 28,40 1,0«

0,55 116,86 67.70 44,04 33,89 0,8«

0,60 157,65 83,90 52,34 39,49 0.6«

0,65 214,37 102,30 60,92 44,95 0,5«

0,70 295,66 122,70 69,32 49,84 0,4«

0,75 416,26 144,60 76,84 53,59 0,3«

0,80 601,86 166,30 82.31 55,23 0,25«

0,85 896,24 184,50 83,64 53,18 0,17«

0,90 1361,00 191.40 76,81 44,44 0,11«

0,95 1982,00 166,74 51,54 21,11 0,05«

Анализируя результаты математического моделирования можно сделать следующие вывод, что для минимизации погрешности от неоднородности, чувствительные элементы необходимо выполнять в виде сферического сегмента с максимально возможным угловым размером в2. Отметим, что согласно требованиям к СИ допустимые погрешности измерительного прибора, применяемые для измерения напряженности ЭСП, составляют 10-20 %. Согласно полученным данным (рисунок 7) сферический датчик возможно использование в пространственном диапазон а < 0,45 не превышая заданной погрешности. Однако эта погрешность снижается выбором конструктивного размера сферического датчика, а именно радиус Я, который следует выполнять как можно меньшего размера для минимизации погрешности и, следовательно, уменьшение расстояние до исследуемого объекта. Согласно нормам минимальное расстояние до исследуемого объекта должно быть 50 см, поэтому даже при Л«« = 6 см погрешность измерения примерно составит 2 %. То есть минимальное расстояние между центром сферического датчика и измеряемым объектом составляет ¡,2Ясф<с! <10Ясф\ то есть расстояние от сферического датчика до объекта равно примерно радиусу сферы. Однако радиус разрабатываемого динамического ИТЭСД составляет 3 см, это расширяет пространственный диапазон измерений в 2 раза, не превышая заданной погрешности измерения.

При оценке влияния способа детектирования выходного переменного сигнала с датчика (а именно модулированного посредством периодической модуляции согласно используемому методу) было выявлено уменьшение влияния степени

неоднородности электрического поля на выходной сигнал датчика при различных способах его детектирования.

Рисунок 7 - Графики зависимости Рисунок 8 - Графики изменения: погрешности от неоднородности «г от 1- амплитудного (максимального); показателя неоднородности атах для 2- средневыпрямленного; различных угловых размеров ЧЭ 3- среднеквадратического (действующего) выходных значений с ИТЭСД

Для оценки были выбраны следующие варианты детектирования выходного зарядового сигнала:

!. Амплитудное (максимальное) значение с функцией преобразования:

= шах |0<О| (17)

2. Средневыпрямленное значение с функцией преобразования:

I;

о«)

3. Среднеквадратическое (действующее) значение с функцией преобразования:

(19)

где Q(l)- выходной периодический сигнал сферического датчика, полученный при модулировании входного сигнала.

Согласно полученным данным (рисунок 8), действующее значение выходного значения в диапазоне от а= 0 до я=0,5 изменяется в пределах 18 %. Поэтому среднеквадратическое значение лучше всего подходит в качестве величины, характеризующей напряженность ЭСП и в определенных пределах незначительно зависимая от неоднородности измеряемого поля.

В четвертой главе на уровне структурной схемы разработано средство измерения (СИ) параметров ЭСП с использованием динамического ИТЭСД, отмечены основные метрологические характеристики электроиндукционного сферического датчика и факторы, ограничивающие пределы измерений, разработан виртуальный прибор измерителя напряженности ЭСП (ИНЭСП) с ИТЭСД в среде имитационного программирования ЬаЬУ1Е1¥.

Из анализа нормальных составляющих, а также экспериментальных данных полученных в главе 2 следует, что на полюсах сферического датчика происходит значительное увеличение напряженности ЭСП. Например, в однородном поле напряженность на полюсах изолированной сферы возрастает в 3 раза, в однородном поле вблизи проводящей плоскости (а = 0,9) в 8 раз, а в неоднородном поле вблизи точечного заряда (а = 0,9) уже в 210 раз.

С ростом напряженности ЭСП на полюсах проводящей сферы увеличивается вероятность электрического пробоя среды, в которой находится датчик в процессе измерения.

Верхний предел преобразования измерительной цепи ИТЭСД зависит от степени неоднородности ЭСП. В однородном поле верхний предел преобразования ИТЭСД может достигать 1000 кВ/м, а в неоднородном поле точечного источника на малых расстояниях от источника поля всего лишь 15 кВ/м (я=0,9).

Диапазон преобразования ИТЭСД снизу ограничен порогом чувствительности измерительной цепи, а сверху электрической прочностью воздуха:

где £„„ - электрическая прочность воздуха, составляет около 3,2 МВ/м, а=Д/с/-пространственный диапазон измерения.

На рисунке 9 согласно выражению (20) представлена зависимость от относительного расстояния а от центра датчика до источника поля. Из рисунка 8 следует, что чем ближе датчик к источнику поля, тем меньше уровни напряженности можно измерять.

Таким образом, допустимая измеряемая величина ИТЭСД ограничивается конструктивными особенностями конкретного датчика, спецификой его работы и электрической прочностью среды, в которой находится в процессе измерений.

Теоретический анализ работы датчиков в полях, создаваемых различными источниками показал, что граница пространственного диапазона измерений вблизи источников поля и проводящих поверхностей определяется требуемой погрешностью ст, обусловленной неоднородностью поля, конструктивным исполнением датчика, размерами его чувствительных элементов. Таким образом, нижняя граница пространственного диапазона измерений ограничивается пределом (1 = (1 4- 2)Я.

Рисунок 9 - График зависимости верхнего предела преобразования измерительной цепи от параметра а для изолированного датчика

О 0.1 0,2 и.» 0.4 О.* »,.г. 0.7 О.» 0.4

Рисунок 10 - Структурная схема измерителя напряженности ЭСП (ИНЭСП)

Разработанная конструкция и математическая модель ИТЭСД в главах 2 и 3 легли в основу построения измерителя напряженности ЭСП (ИНЭСП). На рисунке 10 представлена структурная схема ИНЭСП с ИТЭСД. Конструктивно измеритель состоит из преобразователя напряженности ЭСП (электроиндукционный датчик), блока управления и индикации: ИП- измерительный преобразователь, ПРС- привод регулятора скорости вращения, БУД- блок управления двигателем, МПСУ- микропроцессорная система управления с АЦП, БК- блок кнопок, ЖКИ-жидкрокристаллический символьный дисплей.

При проектировании СИ особое внимание стоит уделить стабильности и высокой скорости работы ПРС. Целесообразно использовать наибольшую допустимую частоту вращения, для повышения точности измерений и чувствительности при измерениях малых напряженностей. Ряд зарубежных компаний (FAULHABER, Precision microdrivers и SHAYANG YE INDUSTRIAL) выпускают микродвигатели постоянного тока с частотой вращения вала 5000- 20000 об/мин, и малыми габаритами: диаметр двигателя от 6 до 50 мм, длина от 12 до 80мм. Используя подобные микродвигатели можно достичь значений выходного ток ИТЭСД порядка 10 мА, при частоте вращения 5000 об/мин.

X

I

Рисунок 11 - Внешний вид ИНЭСП, разработанный в программе БоНсНУогкя

Разработанный виртуальный прибор измерителя напряженности ЭСП (ИНЭСП), представляет собой модель, которая учитывает математические законы работы ИНЭСП с ИТЭСД и может применяться для функционирования в реаль-

21

ных измерительных системах. Виртуальный прибор зарегистрирован в Отраслевом фонде алгоритмов и программ (ОФАП) и имеет свидетельство об отраслевой регистрации за № 17642.

В заключении резюмируются основные результаты работы.

Список используемых источников содержит 111 наименований.

В приложениях приводятся параметры виртуальной среды моделирования при анализе взаимодействия проводящей поверхности сферы и полей различных источников в программных продуктах Е1си1, Апзо/1 МатгеИ", приводятся копии актов внедрения результатов диссертационной работы, патент на ПМ, свидетельство об отраслевой регистрации, а также сертификат участия во всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области информатики и информационных технологий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Результатом работы является комплекс знаний, необходимых для конструкторской разработки и проектирования средств измерения напряженности ЭСП с использованием динамических электроиндукционных сферических датчиков, обеспечивающих измерение напряженности поля с погрешностью в 1-10% как вблизи источника поля 1,2Я, где </- расстояние от центра датчика до источника поля; Я- радиус корпуса датчика), так и в свободном пространстве (</ » Я).

Основные результаты исследований, выполненных в настоящей работе, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Проведен анализ информации о средствах измерений параметров ЭСП (в том числе и о СИ, допущенных к применению в РФ, занесенные в фонд Государственного реестра средств измерений), что позволило, путем расширенного исследования проблемных моментов, определить перечень характеристик СИ ЭСП, улучшение которых необходимо.

2. Получены экспериментальные данные (а именно иллюстрации пространственного распределения напряженности ЭП и граничные значения напряженности ЭСП) о взаимодействии поверхности проводящего сферического датчика для полей различной неоднородности, позволяющие визуально выявлять области концентрации напряженности ЭП.

3. Предложена конструктивная и математическая модели динамического изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика напряженности ЭСП, обеспечивающая заданную погрешность измерения в широком пространственном диапазоне.

4. Развит математический аппарат исследования динамических ИТЭСД напряженности в электрических полях с различной степенью неоднородности.

5. Опираясь на предложенную конструкцию трехкоординатного датчика и созданного математического аппарата разработана структурная схема средства измерения с улучшенными метрологическими характеристиками.

Таким образом, результатом представленной работы является развитие теории построения средств измерений, осуществляющих мониторинг электротехни-

ческого оборудования для контроля норм электростатического поля в различных технологических процессах, в экологии и других областях.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для представления основных научных результатов кандидатский диссертации:

1. Баранова, С. С. Вращающийся сферический датчик в постоянном электрическом поле / С. С. Баранова, С. В. Бирюков // Приборы, №9 (111). - Москва, 2009. - С. 53-55.

2. Колмогорова, С С. Реализация метода трехкоординатных измерений в конструкции датчиков напряженности электростатического поля / С. В. Бирюков, С. С. Колмогорова // Омский научный вестник, серия «Приборы, машины и технологии», № 2( 100). - Омск : ОмГТУ, 2011. - С. 177 - 179.

3. Колмогорова, С С. Математическая модель изотропного трехкоординат-ного электроиндукционного сферического датчика напряженности электростатического поля / С. С. Колмогорова, С. В. Бирюков // Ползуновский вестник, № 3/1. - Барнаул : АлтТГУ, 2011. - С. 15 - 18.

4. Колмогорова, С С. Конструктивные особенности сферического датчика и его взаимодействие с электрическими полями различных источников / С. С. Колмогорова, С. В. Бирюков // Омский научный вестник, серия «Приборы, машины и технологии», № 2( 110). - Омск : ОмГТУ, 2012. - С. 251 - 254.

Статьи в других изданиях:

5. Баранова, С. С. Способ измерения напряженности постоянного электрического поля вращающимся сферическим датчиком / С. С. Баранова, С. В. Бирюков // Россия молодая : передовые технологии в промышленность: Материалы II Всероссийской молодежи, науч.-техн. конф. - Омск : ОмГТУ, 2009. - С. 144-148.

6. Баранова, С. С. Вращающийся сферический датчик в постоянном электрическом поле / С. С. Баранова, С. В. Бирюков // Измерение. Контроль. Информатизация (ИКИ-2009) : Материалы 12-й междун. науч.-техн. конф. - Барнаул : АлтТГУ, 2009. - С.65-69.

7. Баранова, С. С. Расчет напряженности электрического поля сферическим датчиком / С. С. Баранова, С. В. Бирюков. // «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2010) : Материалы X междун. конф. - Новосибирск : НГТУ, 2010. Т.2.- С. 87-90.

8. Баранова, С. С. Измерение напряженности постоянного электрического поля вращающимся сферическим датчиком с чувствительным элементом в виде круглого диска / С. С. Баранова // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке : Тез. докл. 14 междун. молодежи, форума. - Харьков : ХНУРЭ, 2010.- С. 249.

9. Колмогорова, С. С. Трехкоординатный сферический датчик измерения напряженности электростатического поля / С. С. Колмогорова, С. В. Бирюков II Россия молодая : передовые технологии в промышленность: Материалы III Всероссийской молодежи, науч.-техн. конф. — Омск : ОмГТУ, 2010. - С. 111-115.

10. Колмогорова, С. С. Изотропный электроиндукционный сферический датчик напряженности электростатического поля / С. С. Колмогорова, С. В. Би-

рюков // Измерение. Контроль. Информатизация (ИКИ-2011) : Материалы 12-й междун. науч.-техн. конф. - Барнаул : АлтТГУ, 2011. - С.105-108.

11. Колмогорова, С. С. Взаимодействие проводящей поверхности сферического датчика напряженности с электростатическим полем линии / С. С. Колмогорова // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке : Тез. докл. 15-й юбил. междун. молодежи, форума. - Харьков : ХНУРЭ, 2011.- С. 226-227.

12. Колмогорова, С. С. Виртуальная модель измерителя напряженности электростатического поля / С. В. Бирюков, С. 3. Ихлазов, С. С. Колмогорова // Молодежь и современные информационные технологии : Сборник трудов IX Все-рос. науч.-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск : Изд-во СПБ Графике, 2011. - С. 260-261.

13. Колмогорова, С. С. Виртуальный прибор измерителя напряженности электростатического поля, разработанный в среде LabVIEW / С. С. Колмогорова, С. 3. Ихлазов // Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области информатики и информационных технологий в рамках всероссийского фестиваля науки: Сборник научных работ, том 2.- Белгород : БелГУ, 2011.-С. 313-316.

14. Колмогорова С. С. Обзор существующих датчиков и средств измерения напряженности электростатического поля / С.С.Колмогорова, С.В.Бирюков; Омск: ОмГТУ, 2011. - 22 с. - Деп. в ВИНИТИ 22.11.2011, № 504-В2011.

Патенты на полезные модели и свидетельства об отраслевой регистрации разработок:

15. Патент на ПМ № 106959 РФ МПК G01R 29/14. - 2011110185/28. Датчик измерения напряженности электростатического поля / С. В. Бирюков, С. С. Колмогорова - № 2011110185/28 ; Заявлено 17.03.2011 ; Опубл. 27.07.2011, Бюл. № 21.-2с.: ил.

16. Колмогорова, С. С. Измеритель напряженности электростатического поля / С. С. Колмогорова // Свидетельство об отраслевой регистрации, № 17642, Министерство образования и науки РФ, ОФАП, М., 2011

Подписано в печать 10.04.2012. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл.пл. 1,5. Уч.-издл. 1,07. Тираж 100 экз. Тип.зак. 36 Заказное

Отпечатано на дупликаторе в полиграфической лаборатории кафедры «Дизайн и технологии медиаиндустрии» Омского государственного технического университета 644050, Омск-50, пр. Мира, 11

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

61 12-5/3684 На правах рукописи

Колмогорова Светлана Сергеевна

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ИЗОТРОПНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, доцент Бирюков Сергей Владимирович

Омск-2012

СОДЕРЖАНИЕ

С.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ................... 5

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 6

ГЛАВА 1 ОБЗОР СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ

13

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ.................................................

1.1 Состояние проблемы измерения параметров электростатических

13

полей...................................................................................

1.2 Основные физические эффекты для построения датчиков напряженности электростатического поля....................................... 17

1.3 Методы измерения напряженности электростатического поля.............. 21

1.4 Средства измерения напряженности электростатического поля............ 25

1.5 Выводы по главе...................................................................... 51

1.6 Постановка задачи исследования................................................. 52

ГЛАВА 2 ПРИНЦИП И МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ. АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ СФЕРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ РАЗЛИЧНЫХ источников............................. 54

2.1 Вводные замечания.................................................................... 54

2.2 Явление электрической индукции и принцип измерения параметров электростатического поля сферическим датчиком............................ 54

2.3 Метод трехкоординатных измерений для измерения параметров электростатического поля............................................................................. 57

2.4 Взаимодействие проводящей поверхности сферического датчика с

электростатическими полями различных источников.......................... 61

2.4.1 Обоснование формы корпуса датчика..................................... 62

2.4.2 Моделирование взаимодействия проводящей поверхности

сферического датчика с электростатическими полями различных

/ГО

источников.....................................................................

2.5 сравнительный анализ поведения проводящей сферы в полях

различной неоднородности........................................................ 91

93

2.6 Выводы по главе.......................................................................

ГЛАВА 3 КОНСТРУКТИВНАЯ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛИ

ИЗОТРОПНОГО ТРЕХКООРДИНАТНОГО ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННОГО СФЕРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

95

НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ........

3.1 Вводные замечания.................................................................. 7J

3.2 Теоретическое обоснование конструктивного построения трехкоординатного датчика электростатического поля...................... 96

3.3 Конструктивная базовая модель динамического изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика...... 100

3.4 Принцип работы динамического изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика напряженности электростатического поля.........................................................

3.5 Теоретические основы, заложенные в математическую модель изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика напряженности электростатического поля.......................... 107

3.6 Конструктивное исполнение форм чувствительных элементов изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика и математические выражения полных зарядов...................... 111

3.7 Размеры чувствительного элемента сферического датчика................ 119

3.8 Выбор типа детектирования выходного сигнала динамического изотропного трехкоординатного электроиндукционного

сферического датчика................................................................ 122

3.9 Выводы по главе.....................................................................

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ С ИЗОТРОПНЫМ ТРЕХКООРДИНАТНЫМ ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННЫМ СФЕРИЧЕСКИМ ДАТЧИКОМ. ВИРТУАЛЬНЫЙ ПРИБОР ИЗМЕРИТЕЛЯ НАПРЯЖЕННОСТИ

125

ЭЛЕКТРОСТАТЧИЕСКОГО ПОЛЯ....................................

195

4.1 Вводные замечания..................................................................

4.2 Основные метрологические характеристики динамического изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического

128

датчика...........................................................................................

4.3 Структурная схема средства измерения напряженности

135

электростатического поля..........................................................

4.4 Виртуальная модель измерителя напряженности электростатического

поля.................................................................................... 136

4.5 Выводы по главе.....................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................... 143

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................ 144

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................... 158

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИИ

ЭМП ЭП

эсп си ЭД ДЭД ДОЭД

ДДЭД ДТЭД

эсд оэсд

ДЭСД

тэсд итэсд

чэ ин инэсп мти

в (р

во

со

Ео а=Ш

я а

¿Б X

электромагнитное поле; электрическое поле; электростатическое поле; средство измерения; электроиндукционный датчик; динамический электроиндукционный датчик;

однокоординатныи электроиндукционныи

двухкоординатных электроиндукционныи

трехкоординатный электроиндукционныи

сферический сферический

V

8 Л

динамическии датчик; динамический датчик; динамический датчик;

электроиндукционный сферический датчик; однокоординатный электроиндукционный датчик;

двухкоординатных электроиндукционный датчик;

трехкоординатный электроиндукционный сферический датчик; изотропный трехкоординатный электроиндукционный сферический датчик; чувствительный элемент; измеритель напряженности;

измеритель напряженности электростатического поля;

метод трехкоординатных измерений;

широтный угол сферической системы координат;

долготный угол сферической системы координат;

угловой размер сферического сегмента;

пространственный угол поворота челнока;

угловая скорость вращения челнока;

напряженность однородного ЭСП в отсутствии датчика;

величина обратная относительному расстоянию до источника

поля;

радиус корпуса датчика;

расстояние от центра датчика до источника поля; элемент поверхности;

направляющий угол между направлением напряженности ЭСП и координатной осью X датчика; направляющий угол между направлением напряженности ЭСП и координатной осью У датчика; направляющий угол между направлением напряженности ЭСП и координатной осью Ъ датчика; долготный угол, задающий положение датчика в пространстве; широтный угол, задающий положение датчика в пространстве

вектора

вектора

вектора

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Прогрессивное развитие технологий промышленности сопровождается как целенаправленной генерацией электростатических полей для технологических процессов, так и побочным их возникновением при работе электротехнического оборудования. В связи с этим возникает ряд проблем, связанных с контролем и обнаружением электростатических полей, а также выявлением их воздействий на технические и биологические объекты. Так же ощущается необходимость в регистрации сверхслабых электростатических полей, например, при поисках дробных элементарных зарядов, а в космической области нужны приборы, позволяющие проводить исследование полей в условиях плазмы газового разряда.

В настоящее время все более актуальным становятся измерения и контроль уровней напряженности электростатического поля на соответствие требованиям норм по электромагнитной безопасности, согласно действующим правовым и нормативным документами Госстандарта и Госкомэпидемнадзора России. Необходимость контроля воздействия электрических полей крайне высока в помещениях, где сосредоточенно большое количество электротехнического оборудования (в том числе компьютеров, оргтехники и т.д.). Систематическое воздействие на организм человека сверхдопустимых уровней электрического поля отрицательно воздействует на здоровье человека, может привести к необратимым изменениям в организме (функциональное состояние нервной системы, сердечно сосудистой и эндокринной системы и пр.). Экологическая безопасность электротехнического оборудования является приоритетной проблемой.

Сильные электростатические поля с каждым годом все шире применяются в технологических процессах. Электростатические поля используются при окрашивании и нанесении покрытий, при распылении и улавливании аэрозолей, при электростатической сепарации и электрофлокировании, во всех этих процессах, используется взаимодействие электростатических полей и заряженных дисперсных материалов. В связи с этим приобретают большое значение про-

блемы, связанные с разработкой новых средств для получения информации о параметрах электростатических полей.

Знание напряженности электростатических полей требуется и в других областях - в нефтяной (при перекачке, транспортировке и хранении нефтепродуктов) в химической, текстильной и электронной промышленности. Т.е. там, где возникает вероятность появления электрических зарядов, приводящих к вероятности взрыва или пожара, а также в области изучения атмосферного электричества, в экологии, медицине и др.

В России исследования измерительных преобразователей параметров электростатических полей начались с основополагающих работ Г. В. Рихмана, разработавшего и применившего первый в мире электрометр (1744 г). В настоящее время этой теме посвящены работы: И. М. Имянитова, JI. Г. Гросса,

A. М. Илюковича, К. JI. Куликовского, В. С. Аксельрод, К. Б. Щегловского

B. А. Мондрусова, В. А. Прянишникова, Я. М. Шварца, В.Н. Зажирко,

C. В. Бирюкова и др. За рубежом аналогичные исследования проводили Дж. Н. Чабб, П. Э. Секер, Е. Сайто и др.

Первые конструкции динамических электроиндукционных преобразователей были разработаны в 1937 г. для измерения сверхвысоких мегавольтных напряжений, вырабатываемых электростатическими генераторами. В России основоположником создания динамических измерительных преобразователей для исследования вариаций электрического поля на земле и в атмосфере является коллектив ученых, работавших под руководством И. М. Имянитова. Ими же были разработаны приборы, устанавливавшиеся на борту первых космических аппаратов.

Наибольшего развития техника электростатических измерений достигла в последние десятилетия, что связано с появлением дешевых операционных усилителей с высоким входным сопротивлением. В настоящее время наиболее известными зарубежными фирмами-производителями измерителей параметров электростатических полей являются Keithley Instruments, Pitman Instruments, Sallivan (Великобритания), Дзюннити дэнки (Япония), Prostat Corp (США), Эл-

текс-Электростатик (Германия) и др.

Практическое значение электростатических измерений и испытаний материалов на электризуемость постоянно растет. При этом возрастают также требования к точности и чувствительности измерительных преобразователей электростатических полей. Многие из существующих в настоящее время измерительные преобразователи (ИП) в полном объеме не удовлетворяют требованиям промышленности, поскольку они не позволяют производить длительных измерений в изменяющихся полях и большинство из них обладают малой чувствительностью.

Таким образом, задача по разработке и проектированию новых средств измерений на основе динамических электроиндукционных преобразователей, обладающих малыми погрешностями и полностью удовлетворяющих всем требованиям, предъявляемым к современным ИП параметров электростатических полей, остается нерешенной, вследствие чего проведение исследований в этом направлении является актуальным и составляет одну из важных проблем современной измерительной техники.

Данная работа является изложением разработанных автором научно обоснованных технических решений, внедрение которых позволит получить средства контроля и измерения параметров электростатических полей с характеристиками, удовлетворяющими современным техническим требованиям и тем самым внесет значительный вклад в развитие ряда отраслей промышленностей, использующих электростатические поля.

Целью диссертационной работы является создание и исследование динамических первичных измерительных преобразователей (датчиков) параметров электростатических полей инвариантных к его направлению и обладающих улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести анализ существующих средств измерений, применяемых для контроля параметров электростатических полей, в том числе утвержденных

типов

средств измерений, зарегистрированных в федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений и выявление факторов, ограничивающих их метрологические характеристики.

2. Рассмотреть вопрос взаимодействия проводящей поверхности сферического датчика с электрическими полями различных источников (однородное поле, поле точечного источника, поле проводящей линии конечной длины, поле электрического диполя и квадруполя) посредством математического и экспериментального моделирования.

3. Создать новую конструктивную модель изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика (ИТЭСД) напряженности электростатического поля, в основе которой лежит динамический метод измерения.

4. Создать математическую модель динамического изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика напряженности электростатического поля, учитывающую взаимосвязи его выходных сигналов с конструктивными размерами чувствительных элементов, неоднородностью поля и результирующей погрешностью датчика, вызванной этой неоднородностью и на основании математического моделирования выявить параметры датчика критичные к его погрешности. Математическая модель должна представлять собой блочную структуру, в которой путем смены блоков подынтегральных выражений можно было бы изменять условия неоднородности поля

для исследуемого датчика.

5. Разработать структурную схему средства измерений напряженности электростатического поля (ЭСП) с динамическим ИТЭСД и реализовать имитационное программное моделирование средств измерений с созданием виртуального прибора с учетом разработанной конструкции и математической модели датчика.

Методы исследования. В работе применялись теоретические методы исследования с использованием соответствующего математического и имитационного моделирования. При выводе основополагающих выражений и зависимостей были использованы теория поля и методы теоретических основ элек-

тротехники, теория математического анализа (интегральное, дифференциальное, вариационное исчисление) и прикладной математики.

При решении поставленных задач использовались классические разделы математического анализа, известные положения теории электромагнитного поля, а также методы компьютерного математического моделирования в среде пакета Mathcad, имитационное моделирование взаимодействия датчика с полями в пакетах Elcut и Maxwell, для апробации функционирования средства измерения напряженности ЭСП с ИТЭСД пакет объектно-графического программирования Lab VIEW.

Научную новизну работы составляют:

1. Теоретическое обоснование технической реализации изотропного датчика напряженности электростатического поля.

2. Выражение для расчета индуцированного заряда на изменяющейся площади чувствительного элемента, учитывающего его угловые размеры и скорость вращения, а также радиус кривизны корпуса датчика.

3. Математическая модель динамического изотропного трехкоординатно-го сферического датчика напряженности электростатического поля, имеющая блочную структуру и учитывающая взаимосвязи его выходных сигналов с конструктивными размерами чувствительных элементов, неоднородностью поля и результирующей погрешностью датчика, вызванной этой неоднородностью, позволяющая провести выбор размеров чувствительных элементов и формы сигналов датчика с точки зрения минимума погрешности от неоднородности поля и максимума пространственного диапазона измерений.

Оригинальность разработки и новизна технических решений подтверждена полученным патентом Российской Федерации № 106959.

Практическое значение работы состоит в создании теоретических предпосылок и научно обоснованных технических решений для проектирования динамических изотропных трехкоординатных электроиндукционных сферических датчиков напряженности электростатического поля.

Реализация и внедрение результатов работы осуществлены в виде:

- переданных материалов по разработке датчика контроля параметров электростатических полей ЗАО «СибЭле�