ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ ВАРИОМЕТР: РЕЗУЛЬТАТЫ ИспытаниЙ ДАТЧИКОВ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова

Российской академии наук

 

ВведенИЕ

Существование электрического поля (ЭП) в атмосфере Земли связано в основном с процессами ионизации воздуха и пространственным разделением возникающих при ионизации положительных и отрицательных электрических зарядов. ЭП, не смотря на сложность систем и условий их регистрации, рассматриваются в геофизике в качестве одного из основных физических факторов взаимодействия процессов, протекающих в приземном слое.   

Из работ [1-3, 9]  известно, что вариации ЭП приземного слоя, вызванные геофизическими процессами, могут испытывать изменения, до порядков величин превышающие фоновые. Многие атмосферные процессы, такие как солнечная активность, конвекция и образование облаков, осадки, грозовые разряды приводят к частичному разделению разноимённых зарядов и возникновению атмосферных ЭП, при этом относительно атмосферы поверхность Земли оказывается заряженной отрицательно. Существование ЭП атмосферы приводит к возникновению токов, разряжающих электрический «конденсатор» атмосфера - Земля.

В последние годы все большее внимание исследователей привлекает к себе проблема влияния на состояние окружающей среды геофизических факторов [9], создано достаточно много различных методик и уникальных приборов для измерения ЭП, некоторые из которых представлены в работах [1-12]. Важное значение придаётся исследованиям электрических характеристик приземного слоя атмосферы, где протекает большая часть деятельности человека. Изменения ЭП здесь происходят под действием различных антропогенных и естественных процессов. Поэтому основной задачей исследований является проведение мониторинга ЭП приземного слоя атмосферы с оценкой степени воздействия на ЭП техногенных процессов.  

Совершенствование методик исследования ЭП приземного слоя атмосферы является в настоящее время актуальной проблемой для учёных и практиков, в том числе создание новых методик и приборов для проведения мониторинга атмосферного ЭП. Важной задачей является создание, на примере Росгидромета (методики РД 52.04.567-96 и РД 52.04.168-2001) [8], измерительной сети из разнесённых в пространстве станций оснащённых современными приборами способными работать в любых погодных условиях.

Описанная в данной статье работа является инициативной и основывается на результатах многолетних стационарных измерений ЭП в приземном слое атмосферы, проводившихся на территории ИЗМИРАН на разнесенных в пространстве измерительных точках (ИТ) на небольшом измерительном полигоне. При этом, идеология всей работы была направлена на создание новых датчиков и современных цифровых приборов, которые способны работать при различных погодных условиях и обеспечивать мониторинг атмосферного ЭП в любых ИТ. При помощи таких датчиков и приборов у исследователей появится возможность в осуществлении наземной диагностики ЭП различной природы и проведение анализа их взаимосвязей с геофизическими и метеорологическими процессами, а также возможность создания цифровой базы измеренных данных.

 

ДАТЧИКИ

Анализ работ некоторых отечественных и зарубежных авторов и существующих в настоящее время приборов [1, 3, 6, 10, 11] и конструкций датчиков ЭП [3-6, 12] показал, что главным недостатком их работы является ограниченная возможность их применения для работы в любых погодных условиях, например, при дожде и снегопаде. Применяемые конструкции датчиков ЭП, выполнены  в виде «вертушек» [4, 6, 7, 10, 11], с механическими приводами разных модификаций и вариантов исполнения. Такое построение схемы датчиков используется для преобразования медленно меняющегося значения ЭП в переменный сигнал (поле-напряжение), с которым было проще работать и осуществлять его усиление, фильтрацию и последующую регистрацию данных. Эти датчики используются для абсолютных измерений ЭП, достаточно ненадёжны и нестабильны во времени, так как всякая «механика» в результате интенсивной эксплуатации имеет свой ограниченный ресурс. При этом замена механических движущихся узлов датчиков ЭП приводит к изменению реальных метрологических характеристик последних. Существуют проблемы с продолжительной эксплуатацией и использованием приборов, которые связаны с необходимостью периодической калибровки датчиков из-за нестабильности «нулевого уровня» (ухода «нуля»). Из-за незащищённой конструкции датчики ЭП, как правило, работают периодически и не могут эффективно работать при выпадении осадков или в условиях повышенной влажности воздуха. К тому же для установки таких датчиков необходимо, согласно рекомендациям методики [8],  выбирать и оборудовать определённые места и ИТ, свободные от техногенных шумов и помех, где искажения ЭП атмосферы минимальны или постоянны.

Целью наших работ и исследований явилось создание конструкции всепогодного датчика, который мог работать в любой ИТ.

Первые опытные конструкции датчика ЭП, согласно указанным выше требованиям, были созданы в 2010 году. Идея конструкции датчика (преобразователя поле-напряжение) состояла в отказе от использования механических узлов и частей в выносном датчике (ВД). Предлагалось построить не абсолютный прибор с измерением потенциала ЭП относительно поверхности Земли, а измерять значение ЭП и его вариации между двух изолированных друг от друга и разнесённых на определённое расстояние электродов – измерительных пластин (ИП) или дисков. Ни один из этих двух электродов-дисков не должен быть заземлён, а расстояние между дисками и их площадь можно было варьировать и поднимать (перемещать в ИТ) относительно уровня поверхности Земли, в том числе проводить измерения ниже этого уровня, например, в естественных и искусственных углублениях. То есть созданный прибор должен был регистрировать изменение разности потенциалов между двумя изолированными электродами и, по сути, являлся – электрометрическим вариометром (ЭВ). При этом предполагалась и была осуществлена замена механического узла преобразователя медленно меняющегося сигнала ЭП на электронную часть, построенную на основе усилителей постоянного тока с МДМ (модулятор-демодулятор) преобразованием сигнала, которые имеют высокую стабильность характеристик и малый дрейф нуля во времени. Упрощённая функциональная схема такого преобразователя поле-напряжение ЭВ показана на рис.1а  и включает в себя датчик и измерительный усилитель А1.  В качестве датчика ЭП применялись две незаземлённых ИП круглой формы из фольгированного стеклотекстолита (выполненные в виде конденсатора), которые были размещены в заземлённом корпусе на некотором (определённом) расстоянии друг от друга. Общий вид такого датчика представлен на рис.1б, рис.1в и рис.2д.

Работа схемы происходит следующим образом. Поток элек­тростатической индукции измеряемого ЭП наводит электрический за­ряд на ИП датчика, которые выполнены в виде плоского конденсатора. И далее, при помощи блока электроники (БЭ), происходит преобразование электрическое поле – ток – напряжение – цифровой код, в результате чего на регистраторе (например, на дисплее персонального компьютера - ПК) индицируется процесс изменения  (вариаций) ЭП во времени, а цифровые данные фиксируются на жёсткий диск (или на флэш-накопитель) в ПК. 

На входе усилителя А1 (для улучшения его стабильности охваченного как внутренней, так и внешней отрицательной обратной связью – ООС) стоит прецизионный модулятор, который преобразует входное напряжение постоянного тока в амплитуду переменного. Далее переменный сигнал усиливается и демодулируется синхронным демодулятором, что позволяет сохранить линейность преобразования и малый дрейф нуля. МДМ-усилитель выполняет в схеме функцию аналогичную экспонирующим пластинам в датчиках-«вертушках» [4, 6, 7, 11], которые периодически с частотой их вращения заземляют (экспонируют) потенциал ЭП, успевающий «натекать» (заряжать) на рабочие пластины. То есть с периодом рабочей частоты, на которой происходит МДМ-преобразование, МДМ-усилитель контролирует изменение разности потенциалов на рабочих ИП. Выходным сигналом такого преобразователя является медленно меняющееся напряжение, пропорциональное изменению ЭП между ИП. Такая схема построения входной части ЭВ обладает малым уровнем шумов (вследствие «узкополосности» системы преобразования шумы – фильтруются), высокой чувствительностью и очень низким, как было уже сказано, дрейфом нуля. Быстродействие схемы усилителя А1 ограничено в нашем случае значением несущей частоты (110-130 Гц), на которой происходит преобразование сигнала. Основная часть схемы была реализована на базе операционного усилителя (ОУ) типа 140 УД13 и размещалась внутри заземлённого корпуса ВД под ИП. Соединение ВД с регистрирующей аппаратурой, расположенной в техническом павильоне, осуществлялось при помощи соединительного экранированного кабеля длиной 25 м. Питание схем ЭВ осуществлялось при помощи сетевого адаптера (СА) постоянным напряжением 12 В от сети переменного тока.

 

Рис.1. Упрощённая схема преобразователя поле-напряжение ЭВ выполненного

с применением МДМ-усилителя (а) и общий вид различных конструкций ВД (б) и (в).

 

В начале 2012 года были созданы новые конструкции ВД, показанные на рис. 2а и рис. 2в, которые отличались от ранее описанного датчика ЭП тем, что в них отсутствовали встроенные электронные узлы, а также была сконструирована защита от плохих погодных условий для их использования в ИТ при проведении непрерывных круглосуточных исследований. ВД предназначены для работы в условиях открытой атмосферы. Рабочие условия эксплуатации ЭВ: температура воздуха от минус 50° до 50°С, влажность до 100%, давление 750 ± 30 мм.рт.ст. Динамический диапазон измеряемых значений вариации напряженности ЭП от 0 до ± 1500 В/м (регулировался и имел возможность масштабирования при помощи специально написанных программ для ПК).

В этом же году в ИЗМИРАН был разработан и создан ЭВ новой конструкции, описание которого дано в работе [15], а общий вид ВД представлен на рис.2б и рис.2г. Корпус ВД выполнен в виде плоского цилиндра диаметром 120 мм и высотой 40 мм (см. схему на  рис.1а.), внутри которого смонтированы: МДМ-усилитель, интегратор, полосовой фильтр и DC-DC-преобразователь, а также схема управления калибровкой прибора. ИП этого датчика ЭВ представляют собой плоские (секционные) металлические пластины толщиной 1 мм и диаметром 240 мм, укрепленные на изоляторе из поликарбоната на расстоянии 10 мм друг от друга. На корпусе датчика ЭВ находятся органы управления, при помощи которых осуществляется включение и калибровка датчика.

Рис.2. Общий вид ВД различных конструкций установленных в ИТ на ИС.

МДМ-усилитель был выполнен на базе ОУ типа ICL7650, который обладал высоким входным сопротивлением (10¹² Ом), малым температурным коэффициентом (0,01 мкВ/°С) и очень малым дрейфом во времени (100 нВ/месяц). Этот ОУ был уже более высокочастотным по отношению к ранее используемым, рабочая частота МДМ-преобразования находилась в пределах от 120 до 375 Гц. Все схемы ВД и БЭ питались постоянным напряжением ± 5 В от источника питания, в качестве которого применялась аккумуляторная батарея (АБ) напряжением 9…24 В (в полевых условиях) или стандартный СА при питании ЭВ от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц (в лабораторных условиях применения), при этом потребление прибора было не более 1,2 ВА. Кабель, соединяющий между собой блоки ВД и БЭ, был экранирован и имел длину (в разные моменты проведения экспериментальных исследований) от 10 до 25 м.  При помощи этого кабеля осуществлялось подача питающего напряжения на все схемы ВД, а также, - передача аналоговых данных в БЭ. Далее, при помощи расположенной в БЭ схемы 4-х канального 24-разрядного АЦП (созданного на базе микросхемы AD7734), эти аналоговые данные преобразовывались в цифровую форму и далее поступали к регистратору, в качестве которого использовался ПК.

 

ТРЁХКАНАЛЬНЫЙ ЭВ

Все созданные датчики ЭП имели разную чувствительность и, чтобы как-то сравнить их между собой в масштабе и во времени, была разработана многоканальная система сбора данных, функциональная схема которой представлена на рис.3. Эта система включала в себя три измерительных канала и была создана на основе БЭ, который применялся в приборах, описанных в работах [13, 14], только без систем позиционирования и систем, связанных с беспроводной передачей данных на расстояние.

БЭ включал в себя платы трёхканального усилителя (УС), схему управления (СУ), управляющий микропроцессор (МП), АЦП и блок питания (БП). Для контроля температуры внешней окружающей среды использовался прецизионный интегральный датчик температуры (ДТ), выполненный на основе микросхемы LM35 и подключённый к одному из каналов АЦП. При питании ЭВ от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц, потребление прибора составляло не более 1,5 ВА.

Конструктивно БЭ был выполнен в металлическом корпусе размерами 225х145х80 мм, на боковых панелях которого расположены органы управления ЭВ и разъёмы для подключения трёх ВД, СА (или АБ) и ПК. Прибор предназначен для длительной непрерывной работы при любой погоде, как в полевых условиях, так и в условиях обсерватории с установкой ВД на постаменте, на специальной подставке вне помещения (на ИТ) или на измерительных столбах (ИС). Соединение ВД с БЭ осуществлялось при помощи экранированных кабелей типа UL2464 4C и 9C (см. рис.3) различной длины, зависящей от расстояния до ИТ на ИС.

Рис.3. Функциональная схема трёхканального ЭВ.

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ РАБОТЫ НА ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ ПОЛИГОНЕ

Для проведения испытаний датчиков ЭВ на территории ИЗМИРАН был организован измерительный полигон (см. рис.4), включающий в себя техническое здание (павильон) и измерительные столбы (ИС). В техническом здании была размещена регистрирующая аппаратура (РА) системы трёхканального ЭВ, включающая в себя БЭ, СА и ПК. Всего было организовано 5 ИТ, - четыре на ИС (С1…С4), которые были расположены по обе стороны технического здания, и одна ИТ (С5) – на выносной мачте над крышей этого здания на расстоянии 10 м от поверхности Земли. Датчики ЭВ располагались на ИС с разных сторон павильона в направлении восток-запад. Крайние из этих ИС отстояли друг от друга по горизонтали на максимальном расстоянии 30 м.

ИС были расположены на различном фиксированном расстоянии друг от друга и от поверхности Земли. На этих ИС поочерёдно или одновременно устанавливались разные исследуемые ВД в различной их комбинации. Общий вид технического здания, измерительного полигона (вид сверху и сбоку) и ИС (С1…С5) с установленными на них ВД показан на рис.4.

 

  

Рис.4. Схема расположения технического здания и ИС с ВД на территории полигона.

 

Примерно в 50-ти метрах от измерительного полигона были расположены здание ионосферной станции с высокой излучающей антенной, которые можно также видеть на рис.4.  Периодическое излучение этой ионосферной станции оказывало достаточно сильное влияние на измерения ЭП в различных ИТ, при проведении методических работ на измерительном полигоне. Излучение станции помимо создаваемых радиопомех, которые показаны на записях ЭП в работе [15], являлось (и использовалось нами) в качестве «элемента калибровки» всей измерительной системы ЭВ и служило положительным моментом при сравнении ВД по чувствительности при их одновременной установке на один и тот же ИС.  Следует отметить, что все ВД с периодичностью в 15 минут испытывали сильное электромагнитное воздействие (с различной частотой и амплитудой излучаемого высокочастотного сигнала) и возвращалась в обычный режим регистрации ЭП без смещения их «нулевого уровня».

 

Рис.5. Примеры влияния на результаты измерения ЭВ излучения ионосферной станции,

расположенной вблизи измерительного полигона (запись в ИТ на ИС С1, С4 и С5).

Примеры регистрации разно амплитудного и разно частотного воздействия спектра излучения ионосферной станции на показания ВД установленных в трёх ИТ (С1, С4 и С5) на измерительном полигоне показаны на рис.5.  Записи ЭП осуществлены при помощи РА в  реальном времени со скоростью 16 изм/с.

             На рис.6, рис.7 и рис.8 показаны фрагменты записей ЭП различных комбинаций и различных конструкций ВД в различный период времени года. Здесь представлены фрагменты одно- и трёхсуточных записей ЭП на различных ИС, а также записи трёхканального (в разных масштабах) ЭВ. Как видно из представленных фрагментов записей ЭП в различных ИТ ведут себя по-разному и имеют (в зависимости положения ИТ от поверхности Земли) отличающийся (не совсем одинаковый) вид.  

Рис.6. Фрагменты суточной и трёхсуточной двухканальной записи ЭП в ИТ на ИС С1 и С2.

 

Рис.7. Пример двухканальной записи изменений ЭП в ИТ на ИС С3 и С5.

 

Рис.8. Пример трёхканальной записи изменений ЭП в ИТ на ИС С1, С4 и С5.

 

 

 

МОРФОЛОГИЯ НЕКОТОРЫХ ПРИРОДНЫХ ЯВЛЕНИЙ ОТРАЖЁННЫХ В ИЗМЕРЕНИЯХ

             В период и в процессе проведения методических и исследовательских работ по изучению работы созданных датчиков ЭП, который продолжался в течение последних почти 6 лет, было сделано много экспериментов и получены интересные данные в цифровой форме по поведению ВД и изменению ЭП в различных ИТ при одновременной регистрации ЭП сразу несколькими работающими датчиками ЭВ.  Иллюстрации некоторых интересных моментов при регистрации ЭП в процессе проведения непрерывных и круглосуточных работ представлены на ниже приводимых рисунках. Здесь показаны примеры регистрации изменения ЭП датчиками ЭВ при действии на них различных погодных условий.

           На рис.9 показаны фрагменты суточной и трёхсуточной записи ЭП при изменении солнечной активности в летний период времени на ИС С4 и С5 (см. рис.4), расположенных в ИТ по вертикали друг над другом и на расстоянии от поверхности Земли соответственно 0,5 и 10 м.

           На рис.10 запечатлены на дисплее ПК фрагменты односуточной и трёхсуточной регистрации изменения ЭП в моменты прохождения грозовых разрядов. Иллюстрации относятся ко всем трём измерительным каналам ЭВ, регистрация которыми велась в непрерывном режиме. Записи сделаны ВД расположенными на ИС С1, С4 и С5 и отражают регистрацию процесса в вертикальной плоскости (на разных уровнях размещения ИТ), как бы в режиме градиента вариаций по высоте.

 

Рис.9. Запись изменения ЭП при суточном изменении солнечной активности

 (суточные и трёхсуточные записи в ИТ на ИС С4 и С5).

 

 

Рис.10. Запись изменения ЭП при грозовых разрядах

 (суточные и трёхсуточные записи в ИТ на ИС С1, С4 и С5).

 

          На рис.11 представлены фрагменты одноканальной и двухканальной записи на дисплее ПК изменения ЭП при внезапном выпадении осадков в виде дождя или сильного ливня. Здесь представлены записи этого явления при различном разрешении регистрирующего устройства ЭВ. Цифровая регистрация в этом случае велась с максимально возможной скоростью (16 изм/с) и осреднением данных на временном интервале 1 с, а визуализация процесса измерения на дисплее ПК, - с осреднением цифровых данных на минутном интервале времени.

 

Рис.11. Запись изменения ЭП при внезапном выпадении

осадков в виде дождя (суточные записи в ИТ на ИС С4 и С5).

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

          В результате проделанных работ и экспериментов созданы и прошли длительное испытание опытные образцы датчиков для измерения ЭП различных видов и конструкций, которые показали свою полную работоспособность в различных условиях применения. Созданные датчики и система ЭВ позволяет проводить непрерывные длительные измерения ЭП при различных погодных условиях. Получение данных в цифровой форме позволяет накапливать эти данные, создавать банк данных и использовать их для проведения различного вида аналитических исследований.

         Анализ полученных данных показал, что ЭП в месте расположения датчиков в приземном слое атмосферы, где протекает большая часть деятельности человека, является неоднородным и его поведение различно в различных измерительных точках, расположенных на различной высоте от уровня земной поверхности. Изменения ЭП здесь происходят под действием различных антропогенных и естественных процессов. Поэтому создание измерительной сети ЭП, как это делается (для «чистой науки») организациями Росгидромета и другими в специально отведённых и оборудованных «чистых местах», не даёт полного представления о процессе изменения ЭП в пространстве и каких-то его закономерностях.

          Для всесторонних исследований в этой области необходимо создание датчиков и систем (многодатчиковой и многоканальной) регистрации ЭП, способных давать непрерывную информацию в любом месте их установки. В том числе это нужно делать и для реализации проектов связанных с электромагнитной совместимостью оборудования и всё возрастающей опасностью связанной с увеличением количества излучающей бытовой аппаратуры, её электромагнитным влиянием на среду обитания человека.

 

 

Литература.

1. Имянитов И.М. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы. М.: Гостехиздат, 1957. - 483 с.

2. Имянитов И.М., Чубарина Е.В. Электричество свободной атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. – 240 с.

3. Афиногенов Л.П., Грушин С.И., Романов Е.В. Аппаратура для исследований приземного слоя атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 319 с.

4. Шварц Я.М. Ротационный преобразователь электрического поля атмосферы в переменный ток. Авторское свидетельство №558241 G01W1/16. Опубликовано 15.05.1977. Бюллетень изобретений №18.

5. Зыков В.М., Юнда Т.Н. Анализ входной цепи электрометрического измерителя с обратной связью // Метрология, 1981, №5. С.58-62.

6. Датчик напряжённости электрического поля «ПОЛЕ-2». Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Л.:  Государственный комитет СССР  по гидрометеорологии,   1989. – 35 с.

7. Прибор для измерения напряжённости электрического поля. Техническое описание и инструкция. Ростов-на-Дону: Радиационно-физический экологический центр НИИ физики РГУ, 1990. – 5 с.

8. РД 52.04.168-2001. Наблюдения за атмосферным электричеством. Методические указания. 2002. – 31 с.

9. Грунская Л. В. Электромагнетизм приземного слоя и его взаимосвязь с геофизическими и астрофизическими процессами.  Владимир:  Посад,  2003.  - 103 с.

10. Измеритель электрического поля Vaisala EFM550. Проспект фирмы VAISALA. – 4 с. (www.vaisala.com)

11.  Анисимов С.В. Устройство для измерения электрической проводимости атмосферы. Патент РФ № 2397515 G01W1/16 G01R29/12. Опубликовано 20.08.2010.

12. Копейкин В.В. Использование приземного электрического поля для обнаружения подземных неоднородностей // Геомагнетизм и аэрономия. М.: Наука, 2011. Том 51, №5. С.690-694.

13. Кириаков В.Х., Любимов В.В. Цифровая магнитовариационная автоматическая станция // Dynamika naukowych badan – 2012 / Materialy VIII Miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji 07 – 15 lipca 2012/ Fizyka. Vol.22, Przemysl. 2012. S.31-35.

14. Любимов В.В., Кириаков В.Х. Цифровая автономная автоматическая станция / Выставочный центр Российской Академии наук. М. 2012  (http://www.expo.ras.ru/base/prod_data.asp?prod_id=5300).

15. Любимов В.В. Электрометрический вариометр // Датчики и Системы / Конструирование и производство датчиков, приборов и систем. Новые приборы. М.: «ООО СенСиДат», 2014. №.2. С.47-48.