CC BY
13вания процесса СФПД для сварки низколегированных сталей с пределом прочности до 680 МПа без предварительного подогрева металла.
На основании выполненного комплекса исследований можно сделать вывод, что СФПД является новым прогрессивным вариантом технологии сварки под флюсом, отличающимся высокой экономичностью при сохранении уровня производительности и надежности, характерного для этого процесса в целом.
Литература
1. ДСТУ ISO 6892-1:2019 Металевi матерь али. Випробування на розтяг. Частина 1. Метод ви-пробування за шмнатно! температури.
2. ДСТУ ISO 15792-1:2009 Матерiали зварю-вальш. Методи випробування зразшв i3 наплавле-ного металу зварного шва i3 сталi, нiкелю та шкеле-вих сплавiв.
АНАЛ1З СУЧАСНИХ МЕТОД1В ВИМ1РЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ПОЛ1В
Повшенко О.А.
Нацюнальний техтчний унгверситет Украши «Кшвський полтехтчий iнститут 1мет 1горя Сжор-
ського», астрант кафедри 1ВТ Баженов В.Г.
Нацюнальний техтчний yHieepcumem Украши «Кшвський полтехтчний тститут iMeHi 1горя Ci-
корського», к.т.н., доцент кафедри АСНК
ANALYSIS OF MODERN METHODS OF MEASURING ELECTRIC FIELDS
Povschenko O.
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute ", PhD student
Bazhenov V.
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", c.t.s.
DOI: 10.5281/zenodo.7107072
АННОТАЦ1Я
У статп наведено короткий огляд та аналiз основних методiв вимiрювання напруженосп електричних та електростатичних полiв. Розглянуто цифровий метод та розроблено! на його базi апаратури для вимь рювання та бездротово! передачi шформащ! з метою подальшо! обробки, реестрацп, вiзуалiзацi! та доку-ментування на комп'ютерi.
ABSTRACT
The article provides a brief overview and analysis of the main methods of measuring the intensity of electric and electrostatic fields. The digital method and the equipment developed on its basis for measurement and wireless transmission of information for the purpose of further processing, registration, visualization and documentation on a computer are considered.
Ключовi слова: напружешсгь електричного поля, електросгатичш поля, динашчний метод вимiрю-вання електрично! напруженосп поля.
Keywords: strength of the electric field, electcrostatic field, dynamic method of measuring electric field strength.
Завдання вимiрювання напруженосп електричних полiв виникае в рiзних галузях промисловосп, пов'язаних з виробництвом або з широким викори-станням синтетичних матерiалiв, де може накопи-чуватися статична електрика i може призвести до серйозних наслщшв. Це стало особливо актуальним iз бурхливим розвитком технологш морських наф-топеревезень (виробництво великотоннажних тан-керiв), де накопичення статично! електрики, при транспортуваннi нафти, призводило до екологiчних катастроф.
Зростання енергетично! промисловосп вима-гало побудови лiнiй електропередач (ЛЕП) рiвнi пе-редачi напруг, на яких вже перевищують 1000 кВ. Це свое чергу потребувало вивчення питань впливу низькочастотних полiв як на людину, так i на навко-
лишне середовище, що створюеться як самими ене-ргетичними установками так i ЛЕП. Виршення цих питань також неможливе без засобiв вимiрювання напруженостi електричних полiв низько! частоти. Перерахованi завдання в основному пов'язаш з ви-мiрюваннями дуже високих значень електрично! напруженосп або з вимiрюваннями електричних полiв змiнноi промислово! частоти. Тому для вирь шення цих завдань використовуються специфiчнi методи та апаратура.
Питаннями вимiрювання електростатичних полiв в атмосферi цiкавляться вченi з давшх--давен. Використовуючи механiчнi електроскопи, такими вимiрами займалися ще М.В.Ломоносов та Г.В^хман у серединi 18 столггтя. При вимiрюваннi напруженостi електростатичних полiв в атмосферi було встановлено, що значення ще! напруженостi
значною мiрою визначаеться не лише часом дня чи ноч^ або на якш висотi над землею виробляються цi вимiри, а й вщ мюця на земнш кулi, де це вщбу-ваеться. Науковi дискуси про природу походження атмосферно! електрики ведуться вченими до тепе-рiшнього часу. Спочатку висувалась гiпотеза, що походження електростатичних полiв обумовлено рухом хмар.
Однак на основi експериментiв Лемонье було встановлено, що електричнi явища вiдбуваються i в безхмарнiй атмосферi. Дшсно наявшсть хмари в ат-мосферi можуть iстотно змiнити результати вимь рювань «електрики хорошо! погоди». У роботах [4,5,11] Було показано, що атмосферна електрика залежить як вщ приземного юшзуючого впливу ко-смiчних промешв i радону, так i ввд погоди, що дало привiд для висловлювання знаменитим англшсь-ким фiзиком Томсоном про те, що в майбутньому прогноз погоди буде здшснюватися за допомогою електрометра.
Розширення географп та зб№шення штенсив-ностi вимiрювань атмосферно! електрики призвело до того, що було виявлено його зв'язок iз геомагнь тними та iншими аномалiями земно! кори. Це свое чергу зацiкавило геофiзикiв пiд час виршення за-вдань пошуку та розввдки з корисними копалинами, i навггь пiд час вирiшення завдань iнженерно! гео-логi!. Однак, незважаючи на деяку схож1сть вимь рювань електрично! напруженостi в атмосферi при вивченш явищ атмосферно! електрики та при вирь шеннi завдань пошуку, е дуже серйознi вiдмiнностi у вимогах до апаратури вимiрювань, як1 полягають у наступному:
а) при вимiрах явищ атмосферно! електрики:
1. Апаратура для вимiрювання явищ атмосферно! електрики е стацюнарною, що встановлюеться в однiй точцi;
2. Апаратура встановлюеться на ввддаленш вiд людей та будiвель на спецiалъних майданчиках з викошеною травою;
3. Вимiрювання виконуються не безперервно, а через певш штервали протягом доби.
б) при виршенш завдань пошуку:
1. Апаратура мае бути моб№ною - вщповвдно мати малу вагу, автономне живлення та невелике
Иср
СО
енергоспоживання. Оск1льки не виключаеться !! ви-користання на радюкерованому безпшотному легальному апарап або оператором тд час пересування та вим1рювання (пошуку). При цьому для мш1м1за-ци впливу самого оператора на процес вим1рю-вання тд час руху передбачаеться сам вим1рювач утримувати на невеликш вщсташ в1д оператора i ввд земл (не менше 0,5м) бажано на спещальнш штанз1, а не на спещальному в1зку;
2. Вим1рювач напруженосп повинен бути шви-дкодшчим, оскшьки оператор може рухатися до-сить швидко (не виключаеться, що це буде лггаль-ний апарат);
3. Для документування результапв вим1рю-вань необхщно мати даш про координати точок ви-м1рювання, тобто обов'язково мае бути модуль GPS або сумщений модуль GPS;
4. Враховуючи необхвдшсть оперативного про-ведення пошуку на заданих дшянках мюцевосп, не-обхщно повшстю автоматизувати процес реестрацп результапв вим1рювань електричного поля парале-льно з процесом реестраци координат мюцевосп, що може бути можливим при створенш цифрового вим1рювача електричного поля.
5. Використання модул1в бездротового зв'язку дозволить здшснювати автоматично комплексну реестрацш та документування результата вим1рю-вання за допомогою ноутбука на ввдсташ в1д оператора або ввд л1тального апарата. При цьому створю-ються передумови для максимально! мшатюриза-ци вим1рювального модуля i максимально! мш1м1заци фактор1в, що впливають, на процес ви-м1рювання.
В результат! проведеного огляду та анал1зу на-уково-техшчно! л1тератури та патенпв [1,3,4,7,8] було встановлено, що серед юнуючих метод1в вимь рювання напруженосп електричного поля е два ос-новн1: cтатичний метод та динам1чний або ротацш-ний методи вим1рювання електрично! напружено-ст1.
Найб1льш простим е статичний метод вим1рю-вання, який з'явився з появою мехашчних електро-метр1в.
R
L
С
Рис.1. Еквгвалентна схема вимгрювального перетворювача: Со - власна емтсть зонда чи пластин вим1рювача напруженостг електричного поля; С - емтсть вим1рювально'1 схеми; Rcp - onip середовища, зумовлений ioнними струмами середовища; R - отр вимipювальнoi схеми; Edh- джерело напруги, обумовлений напружетстю E електричного поля
Для експрес анал1зу метод1в, що розгляда-ються, пропонуеться наступна спрощена екивален-тна схема вишрювального перетворювача (Рис.1.).
Для анал1зу схеми в цьому випадку емшстю зонда С0 можна знехтувати, тод1 вим1рювана напруга
на входi вимiрювача буде шсля зак1нчення перехщ-них процеав, пов'язаних i3 зарядом eMHOCTi C струмами провщносп середовища (юнними струмами), визначатися з виразу
EdhR
UR =
(1)
Але, на жаль, ця напруга на входi вишрюваль-ного ланцюга зпдно з другим законом комутащ! [2] з'явиться не вщразу, а через час £ = 4ИсрС воно до-сягне 98% вщ и [4] (якщо рахувати Edh як стрибок напруги).
Оцiнка даного часу дае невтiшнi результати. Наприклад: вщомо [5,11], що опiр повiтря, обумов-лений юнними струмами, знаходиться в межах 1016 Ом. Припустимо, що при використанш механiчного електрометру опiр R, визначаеться опором iзолято-рiв, до яких крiпиться зонд i вш може бути рiвним 1014 Ом, емшсть С=1 пФ. Припустимо також, що зонд перебувае на висоп 1м, напруженiсть Е =100 В/м. Тодi iз виразу (1) випливае, що для ия = 100 В, а час вишрювання Ь = 4ЯсрС = 4 • 104 с.
З розглянутого прикладу можна зробити ви-сновки. По-перше, при використаннi електронних вимiрювальних схем для отримання нормально! чу-тливостi необхщно на входi використовувати спе-цiальнi схеми електронних пiдсилювачiв заряду з великим опором R, що викликае досить великi скла-дностi. По-друге, що найголовнiше, при вимiрi статично! електрики змиритися з таким часом вимiрю-вання дуже складно. Виходячи в таких вимог вико-ристовують спещальш зонди (колектори) [3,4], крт свое! основно! функцi!, ще збшьшують провщ-нiсть середовища навколо себе. Це колектори з ра-дюактивними iзотопами, полум'янi колектори, як1 працюють за рахунок коронного розряду тощо. Час вимiрювання з використанням таких колекторiв значно менший i може коливатися вiд 10 до 60 с [4]. Тому вимiрювачi електрично! напруженостi, що ре-алiзують статичний принцип вимiрювання, викори-стовуються тшьки для вимiрювання електрично! напруженостi змшних полiв промислово! частоти. Цi вимiрювачi дуже просто влаштованi, можуть
мати малi габарити та вимiрювати напруженшсть в к1лькох площинах одночасно.
Для аналiзу роботи вимiрювального перетво-рювача електрично! напруженосп змiнноi частоти у наведенш еквiвалентнiй схемi рис.1, з достатшм ступенем точностi можна знехтувати резистором Rcр враховуватимемо тiльки емшсть Со зонда (най-частiше це пластини). Таким чином, за рахунок змшного електричного поля на пластинах шдуку-ються заряди з частотою мереж^ що призводить до появи змшного струму вимiрювального ланцюга. Можна показати, наприклад, якщо емшсть зонда складе 20 пФ то частоп мереж1 50 Гц отр Zc = 159 • 106 Ом, тобто значно менше Rcp, тому чутли-вiсть таких вимiрювачiв напруженосп змшного електричного поля зб№шуеться на калька порядков. Особливо слщ зазначити, що так1 вимiрювачi реалiзуються на електронних компонентах. Збшь-шення чутливостi вимiрювачiв дозволяе проводити вимiрювання змiнних електричних полiв з частотою мереж1 i ускладнюе !х використання при вимь рюваннi постшних електричних полiв через переш-коди з частотою мереж! Як показуе досвщ, за ная-вностi поряд з таким вимiрювачем електропроводки використання таких вимiрювачiв для вимiрювання напруженосп постшних полiв без спецiальних схем захисту в1д наведень iз частотою мережi практично неможливо.
Динамiчний метод вимiрювання електрично! напруженостi поля передбачае модулящю постiй-ного електричного поля, перетворюючи його з пос-тiйного на змшне, наприклад, почергового експо-нування та екранування вимiрювальних пластин. Таким чином, принцип роботи вимiрювального пе-ретворювача буде таким самим як для поля змшно! частоти (в екшвалентнш схемi рис. 1 джерело на-пруги буде змiнним). Вiдомо [6, 9], що шд дiею електрично! напруженосп Е у вщкритш пластиш, що е частиною конденсатора С0, з площею S буде наво-дитися (iндукуватися) заряд рiвний: Q = Е •S/4n. Якщо площа пластини буде незмшною (S = const), то струм у резисторi R зпдно з вщомим рiвнянням
dQ а
i = — буде вlдсутнiм.
1 4
ср
Рис. 2. Блок схема вимiрювального перетворювача ротацшного типу
Зпдно з блок-схемою перетворювача ротацш-ного типу (рис.2), заземлена пластина 1 попере-мiнно екрануе i експонуе двi пари вишрювальних пластин 3, пiдключених до входiв диференщаль-ного пiдсилювача 4. Ввдповвдно, у пластинах змь нюеться iндукований заряд, що викликае змiнний струм у резисторах R, що умовно визначаються двома диференцiальними входами щдсилювача 4. Неважко показати, що за перюд обертання Т заземлено! пластини 1 струм змшить свш напрямок 4 рази. Таким чином, динамiчний спосiб вимiрю-
вання дозволяе виконувати одне повноцiнне вимь рювання напруженостi електричного поля за час не б№ше 1/2 перiоду обертання двигуна, що на калька порядив може перевищувати швидкодш вимiрю-вань статичними методами (навiть з використанням радiоактивних колекторiв).
Тому враховуючи вищесказане, (а саме висока швидкодiя вимiрювань, висока чутливiсть) для реа-лiзацi! поставлених вище вимог для вимiрювача на-пруженостi електричних полiв е доцшьним викори-стовувати динамiчний метод вимiрювання.
Рис.3. Функцюналъна схема цифрового вимiрювача електричног напруженостi: 1 екрануюча (заземлена) пластина; 2-двi пари вимiрювалъних пластин; 3 електродвигун; 4-диференщалъний пiдсилювач; 5-фшътр; 6- аналого-цифровий перетворювач; 7- мкроконтролер; 8-датчик синхросигналу положення пластини; 9-цифровий дисплей; 10 модуль бездротовог передачi цифровог iнформацii.
Рис.4. Зовтшнт вигляд компактного цифрового вимiрювача електричног напруги поля.
На основi цього методу вишрювання електри-чно! напруженосп поля розроблено та виготовлено цифровий мобшьний вимiрювач [10], ввдповвдно до поставлених вище вимог (рис.3,4). Головна особли-вють вимiрювача полягае в тому, що вш е цифро-вим, тобто аналоговий сигнал з вимiрювального пе-ретворювача перетворюеться на код за допомогою 12-розрядного АЦП, що керуеться мшроконтроле-ром за спещальним алгоритмом.
Алгоритм обробки наступний. Спочатку за синхросигналом з датчика положення заземлено! пластини 8, з'еднаного з одним iз входiв мжроконтро-лера 7, фшсуеться положення пластини в простор^ розраховуеться перiод !! звернення, а також моме-нти запуску АЦП 6 м^оконтролером 7 (рис. 3). Вь домо, що фiксацiя положення екрануючо! пластини необхвдна визначення полярносп напруженостi.
Рис. 5. Форма сигналу на euxodi вимiрювального претворювача
Алгоритм розрахунку моменпв запуску АЦП на виходi вимiрювального перетворювача, а також випливае з аналiзу графЫв форми сигналу (рис. 5) аналиичних виразiв, що ïx описують [1]:
2 eE0S0R
U =
(i -2Rp)
T( 1
x
1 +
С'' 1+^г(1
2t. T)
-(1-
тл)
m
С'' -
(1 + Сй)
(1-
2RC,
TT)
^ 2RCrn
С'' -(1-
(1 + СО (
Де :
=1
2 R C
С'' -(1+'
— (1+Ст) ( 2RC
тг) m
UR =
zEqSQ 2 C
2171(1+^)
(i-(i+^m)-2
— 2Zn [1 + С" (1 — 2-)] — 1}
2t T
де — = v;-
T 2 R Cm
= p; С? = m; Ur = U1-UR = U1.
На графтах рис. 5, нормованих по осях Х i Y, а також в аналггичних виразах, що описують роботу вимiрювального перетворювача, що реалгзуе рота-цшний споаб, враховаш не тшьки струми iндукцiï, що наводяться зарядами пластин, а й конвекцшш (юнш) струми в атмосферi. Можна помнити, що збiльшення амплiтуди сигналу перетворювача i зменшення часу вимiрювання пропорцшш частотi обертання 1/Т пластини, що екрануе. Однак на-пруга, що знiмаеться з вимiрювальниx пластин, при зменшенш перiоду обертання набувае складно! фо-рми (рис. 5, крива р = 0,01).
Доцшьно використовувати ви6Грки (запускати АЦП) сигналу лише у райош позитивних i негатив-них шив сигналу, а амплпуду сигналу розрахову-вати як рГзницю усереднених значень цих шив. Це дозволяе суттево з6Гльшити коефiцiент перетво-рення вимiрюваного параметра, знизити вимоги до
алгорштшв фiльтрацiï сигналу, зменшити обсяг оперативно! пам'ятi, що використовуеться. КрГм того, розрахунок амплiтуди вихвдного сигналу як рГзнищ позитивних та негативних шив суттево зни-жуе вимоги до дрейфу операцшного пiдсилювача. Як випливае з виразу (2), амплиуда сигналу зале-жить вгд частоти обертання i, таким чином, змша частоти може призвести до похибок. Тому результат вимiрювання перiоду обертання використовуеться алгоритмом роботи мжроконтролера для без-перервно! корекцiï результату вишрювання елект-рично! напруги.
Подання результапв вимiрювання у виглядГ цифрового коду дозволяе використовувати цифровГ теxнологiï бездротово1 передачi iнформацiï, що, крГм зб№шення мобшьносл пристрою за рахунок ввдсутносп необxiдностi зберiгання, подальшо!' об-
T
x
2
T
v
/
T
ff
m
ff
робки, реестраци та вiзуалiзацii даних, ютотно зме-ншуе помилки вимiрювання при впливi навколиш-шх факторiв. Використання мiкроконтролера з вбу-дованими АЦП та пiдсилювачем з регульованим
коефiцiентом посилення дозволило, ^м наведе-ного вище, реалiзувати вимiрювач напруженостi електричного поля з автоматичним вибором меж1 вимiрювань до ±10 кВ.
Рис. 6. Вигляд панелi комп Ютера з прикладом представления тформаци, що рееструе змту
напруженостi поля.
Вимiрювану напружешсть електричного поля можна безперервно рееструвати i вiзуалiзувати на монiторi комп'ютера (рис. 6), при цьому фiксуються данi про координати вимiрювання з модуля GPS. За допомогою ввдомих програм вся шформащя може бути представлена на монiторi у виглядi карти роз-подiлу лiнiй однакового напруження електричного поля на мюцевостг При вiзуалiзацii iнформацii' (рис.6) по осях Y та Х використовуеться автошкала, що дае можливють максимально вiзуалiзувати отриману iнформацiю на весь екран монггора, т. е. залежно ввд рiвня та часу отриманого сигналу автоматично змiнюеться масштаб як оа Y, так i осi Х таким чином, щоб максимальний рiвень отриманого за час дослщжень сигналу був представлений на всю шкалу.
Таким чином, використання цифрових техно-логш обробки сигналiв, останшх досягнень у галузi мiкроелектронiки з обробки цифрових даних та !х бездротово! передачi на вiдстань дало можливють розробити та реалiзувати новi алгоритми виконання та реестрацii вимiрювань електричного поля та ви-готовити апаратуру, що вiдповiдае поставленим вище вимогам для вирiшення завдань пошуку та ро-зввдки корисних копалин. При цьому реестрацiю результатiв вимiрювання можна виконувати на стандартному комп'ютер! який може залишатися не-рухомим. За допомогою комп'ютера результата об-робляються, рееструються, накопичуються та доку-ментуються у заданому формат!
Мiкромiнiатюризацiя проввдними виробниками мь кросхем модулiв GPS або сумiщених модулiв GPS дозволяе вбудовувати !х безпосередньо у вимiрю-вачi напруженостi, суттево не змiнюючи габаритiв модулiв та енергоспоживання.
Лiтература
1. Аксельрод В.С. Методы и средства измерения напряжённости и потенциала электрического поля / В.С. Аксельрод, В.А. Мондрусов К.Б. Щиг-ловский // Труды Центрального научно-исследова-
тельского института судовой электротехники и технологии. - Л.: Судостроение, 1974. - № 9. С. 8097.
2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники / Л.А. Бессонов. - М.: Высш. шк., 1967. - 775 с.
3. Илюкович А.М. Техника электрометрии /
A.М. Илюкович. - М.: Энергия, 1976. 399 с.
4. Имянитов И.М. Приборы и методы для изучения электричества / И.М. Имянитов.- М.: Го-стехиздат, 1957. - 483 с.
5. Кузнецов В.В. Атмосферное электрическое поле: факты, наблюдения, корреляции, модели /
B.В. Кузнецов // Сб. докл. - Петропавловск-Камч.: ИКИР ДВО РАН. 2004. - С.165-196.
6. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Ч. 2 / Г.С. Ландсберг. - М.:Физматгиз, 1961. -448 с.
7. Ложников В.Я. О классификации измерительных преобразователей, основанных на физических эффектах / В.Я. Ложников // Измерительные преобразователи: Межвуз. сб. науч. тр. - Омск: ОмПИ, 1975. - С. 146-161.
8. Мошков А.Г. Измерение параметров электростатического поля / А.Г. Мошков, Л.Г. Гросс // Измерит. техника. - 1978. - № 5. - С. 61-63.
9. Нейман Л.Р. Теоретические основы электротехники / Л.Р. Нейман, Д.С. Демирчан. Л.: Энергия, 1967. - 522 с. 10.
10. Пат. 78688 Украна, МПК(2006.01^0Ж29/12. Цифровий споаб вимь рювання напруженосп електричного поля / В.Г. Баженов, М.А. Якимчук, С.В. Грузш; Укр.-№201211683; Заяв.09.10.2012. Опубл. 25.03.2013. Бюл. № 6.
11. Эпов М.И. Естественные электрические токи в земле - обзор научно-технической информации [Электронный ресурс] / М.И.Эпов // Отчет по договору №407-01 от 27.02.2007 г. Ин-т нефтегаз. геологии и геофизики СО РАН.
