CC BY
29
Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь
УДК 551.594(061.6)
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И АТМОСФЕРНОГО ТОКА ПРОВОДИМОСТИ
А.С.Гуров1
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматривается аппаратно-программный комплекс для измерений напряженности электростатического поля вблизи поверхности Земли, которые выполняются с целью уточнения модели генерации электромагнитного излучения ОНЧ-диапазона. Ил. 3. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: электрическое поле, атмосферный ток проводимости, электростатический флюксметр, электромагнитные предвестники землетрясений.
A HARDWARE- AND SOFTWARE-BASED COMPLEX TO MEASURE THE INTENSITY OF THE ELECTRIC
FIELD AND THE ATMOSPHERE CONDUCTIVITY CURRENT
A.S.Gurov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The author considers a hardware- and software-based complex to measure the electrostatic field intensity near the Earth surface. The measurements are performed to specify the model of generation of electro-magnetic radiation of a very low frequency range. 3 figures. 5 sources.
Key words: an electric field, an atmosphere conductivity current, an electrostatic fluxmeter, electromagnetic forerunners of earthquakes.
Сотрудниками кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем Иркутского государственного технического университета совместно с байкальским филиалом Геофизической службы СО РАН на территории комплексной геофизической обсерватории Талая с 2001 г. проводятся измерения уровня напряженности электромагнитного поля в диапазоне 50 кГц с целью изучения электромагнитных предвестников землетрясений в ОНЧ диапазоне. По результатам исследований была предложена модель генерации электромагнитного излучения, сопутствующего подготовке сейсмического события [1, 2, 3, 4]. Согласно этой модели, одним из обязательных условий является наличие аномального электрического поля в зоне подготовки. Для проверки этого положения было принято решение организовать измерения напряженности электрического поля совместно с электромагнитным.
Существует целое семейство приборов для измерения напряженности электрического поля, отличающихся конструкцией и методикой измерений. Все эти приборы часто называют электростатическими флюксметрами, хотя многие авторы применяли для своих приборов этого семейства другие названия [5]. Принцип действия простейшего электростатического флюксметра, изображенного на рис. 1, основан на периодическом изменении индуцированного электрическим полем заряда на подключенной к измерительному усилителю металлической пластине «а», которая периодически экранируется заземленной пластиной «в» от действия внешнего поля.
I «в»
I «а»
Рис. 1. Электростатический флюксметр
Если к исходной конструкции добавить неподвижную сигнальную пластину (СП), распложенную выше заземленной вращающейся пластины, получится прибор для измерения не внешнего электрического поля, а поля, сформированного внутри прибора между верхней (сигнальной) и нижней (измерительной) пластинами. Такую конструкцию можно использовать для измерения атмосферного тока проводимости, соединив сигнальную пластину с подвешенным горизонтально проводом, играющим роль токового коллектора, и подключив между точкой соединения пластины с коллектором и заземлением резистор сопротивлением несколько ГОм. Ток, текущий из атмосферы через коллектор и резистор в землю, создаст на сопротивлении напряжение, которое и создаст регистрируемое флюксметром поле.
1
Гуров Алексей Сергеевич, аспирант, тел: (3955) 67-89-15, e-mail: [email protected]. Gurov Alexei Sergeevich, a postgraduate, tel.: (3955) 67-89-15, e-mail: [email protected].
216 Вестник ИрГТУ №4 (36) 2008"
Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь
Механический блок! I Электронный блшП
Рис. 2. Структурная комбинированная схема электростатического флюксметра
Разработанное устройство представляет собой сборную металлическую конструкцию - механический блок. Вращающаяся заземленная (электрически соединенная с заземленным корпусом) экранирующая пластина (ЭП) с тремя лопастями жестко закреплена на вращающейся оси. На этой же оси закреплены экран (Э) - непрозрачная пластина с дуговыми прорезями, расположенными эквиугольно лопастям экранирующей пластины, и приводной шкив, который посредством ремня (резинового пассика) соединен со шкивом, размещенным на валу электродвигателя (ЭД). Изолированные от заземленного корпуса сигнальная и измерительная пластины имеют клеммы для подключения к внешним цепям. Рядом с синхронизирующим экраном размещен кронштейн, в котором установлены светодиод и фотодиод, образующие открытую оптопару (ООП), оптический канал которой попеременно открывается и закрывается при вращении экрана.
Рис. 3. Внешний вид флюксметра со снятой сигнальной пластиной
Электронный блок электростатического флюкс-метра предназначен для формирования постоянного (медленно меняющегося) напряжения пропорционального напряженности электрического поля между сигнальной и измерительной пластинами прибора.
Структурная схема электронного блока флюксметра приведена на рис. 2, внешний вид со снятой
сигнальной пластиной - на рис. 3. На сигнальную пластину (СП) подается напряжение, формирующее измеряемое поле. Измерительная пластина (ИП) подключена к входу предварительного усилителя (ПУ) с входным сопротивлением порядка 1 МОм. При вращении экранирующей пластины потенциал на измерительной пластине (т.е. на входе предварительного усилителя) периодически изменяется. Сигнал с выхода усилителя подается на вход синхронного детектора (СД). На другой вход синхронного детектора подается через формирующую схему (ФС) управляющий (опорный) сигнал от фотодиода открытой оптопары, оптический канал которой попеременно открывается и закрывается при вращении экрана. С выхода синхронного детектора сигнал подается на фильтр нижних частот (ФНЧ) и выходной усилитель (ВУ).
Частота вращения экранирующей пластины задается регулятором частоты вращения (РЧВ) - регулируемым источником постоянного напряжения, от которого осуществляется питание электродвигателя.
Блок питания (БП) предназначен для формирования напряжений, необходимых для работы всех электронных цепей. Конструктивно он выполнен отдельным внешним блоком, соединяемым с блоком флюксметра специальным кабелем. Для уменьшения уровня помех предварительный усилитель помещен в металлический экран. Соединение измерительной пластины с входом предварительного усилителя выполнено экранированным проводом.
Выход электронного блока подключается к аналого-цифровому преобразователю с системой регистрации (12 разрядов, минимальное время преобразования 2 мкс). Сбор данных происходит с частотой опроса 1 Гц и последующим усреднением за час с вычислением дисперсии. Указанные параметры могут быть программно изменены, что позволяет изменить алгоритм работы без изменения аппаратных средств.
Библиографический список
1. Бардаков В.М. Возбуждение ОНЧ сигналов при подготовке землетрясения [Электронный ресурс] : электрон. журнал. -/ В.М. Бардаков, Б.О. Вугмейстер, А.С. Гуров, А. В. Петров, А.А. Храмцов // Исследовано в России. -2007. - №116. - С. 1213-1223. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2007/116.pdf
2. Бардаков В.М. Электромагнитные сигналы, возбуждаемые в зоне подготовки землетрясения / В.М. Бардаков, Б.О. Вугмейстер, А.С. Гуров, А.В. Петров, А.А. Храмцов // Вторая Всероссийская школа-семинар по электромагнитным зондированиям Земли: лекции, тезисы. - М.: МАКС Пресс, 2005. - С. 88.
3. Вугмейстер Б.О. Изучение естественных электромагнитных полей в диапазоне сверхнизких частот / Б.О. Вугмейстер, А.С. Гуров, А.В. Петров, А.А. Храмцов // Вестник ИрГТУ. - 2007. - №2. - Т. 1. - С. 112-116.
4. Вугмейстер Б.О. Модель возбуждения СДВ-сигналов при подготовке землетрясения / В.М. Бардаков, Б.О. Вугмейстер, А.С. Гуров, Н.В. Дудник, А.В. Петров, А.А. Храмцов // Распространение радиоволн. Сборник докладов XXI Всероссийской научной конференции. В 2-х т. Йошкар-Ола, 25-27 мая 2005 г. - Йошкар-Ола: Мар-ГТУ, 2005. - Т. 1. - С. 402-407.
5. Чалмерс Д.А. Атмосферное электричество / Дж. Алан Чалмерс. - М. : Гидрометиздат, 1974. - 420 с.
Вестник ИрГТУ №4 (36) 2008
217
