CC BY
26УДК 551.501.508.94
ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЦИФРОВЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
Ефимов Владислав Алексеевич
кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехники и радиосистем ФГБОУ ВПО "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых".
E-mail: vladefimov48@mail.ru. Адрес: г. Владимир 600015, ул. Ново-Ямская, дом 30, кв.7.
Готюр Иван Алексеевич
кандидат технических наук, доцент, начальник кафедры федерального государственного казенного военного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского» Министерства обороны Российской Федерации.
E-mail: gotur@newmail.ru.
Щукин Георгий Георгиевич
Доктор физико-математических наук, профессор, профессор федерального государственного казенного военного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского»
Министерства обороны Российской Федерации E-mail: ggshchukin@mail.ru.
Адрес: г. Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13.
Аннотация: Мониторинг состояния электрического поля в приземном слое атмосферы Земли необходим для обеспечения нормального функционирования сложных технических систем, например, космодромов. На основе современной элементной базы возможно построение соответствующих измерительных приборов, обладающих высокой надежностью и малым энергопотреблением. В работе приведено описание структуры электростатического флюксметра, обладающего этими качествами. В его основе лежит применение прецизионного вентильного электродвигателя, скорость вращения которого контролируется микропроцессорной системой. В устройстве реализован комплекс аналоговых и цифровых методов обработки информационного сигнала. Применение цифровых технологий позволяет уменьшить погрешности, свойственные аналоговым методам синхронного детектирования и низкочастотной фильтрации сигнала, обусловленные дрейфом нуля усилителей постоянного тока, а также повысить точность измерений и оперативность передачи полученных данных для последующего анализа и архивирования. Особое внимание уделено описанию алгоритма вычислительного процесса, в результате которого формируется конечный результат измерений. При реализации алгоритма используется минимальная частота дискретизации и классическая процедура прореживания выходных данных. Устройство отличается высокой надежностью и стабильностью характеристик при долговременной непрерывной работе в любых погодных условиях. В состав прибора входят датчики температуры и влажности окружающей среды, что позволяет корректировать результаты измерений. Предполагается его использование в составе комплексной автоматизированной системы оперативного сбора, обработки и представления метеорологической информации на космодроме «Восточный».
Ключевые слова: мониторинг электрического поля Земли, автоматизированные системы сбора метеорологической информации, измерители напряженности электрического поля, цифровые методы обработки сигнала, электростатический флюксметр.
Известно, что разряды молний и сильные электрические поля в атмосфере представляют собой угрозу для безопасности полетов авиации и запуска космических аппаратов. Поэтому в
руководствах по эксплуатации стартовых установок и руководствах пользователя ракетоносителей введены соответствующие требования. Так, например, для РКН «Зенит -2SLБ»
и «Зенит - 3SLБ» существует следующее положение: «Пуск не производится, если в любое время суток в течение 15 минут перед стартом абсолютная напряженность электрического поля у поверхности Земли превышает 1000 В/м на удалении до 9 км от запланированной трассы полета». Для выполнения указанного требования необходим непрерывный мониторинг состояния электрического поля Земли в районе стартовой площадки.
Следует отметить, что в настоящее время разработано большое количество измерителей напряженности электрического поля (Е), в основу которых положены различные физические эффекты [1]. Явление электростатической индукции при этом занимает особое место. Исторически первыми реальными измерителями напряженности поля были приборы, использующие именно этот эффект. Они получили название электростатические флюксметры и в настоящее время имеют широкое распространение. В любой конструкции электростатического флюксметра измеряемое квазистатическое электрическое поле преобразуется в быстроменяющееся переменное, которое за счет электростатической индукции вызывает движение зарядов в измерительном электроде, что, соответственно, приводит к возникновению сигнала переменного тока. Далее сигнал усиливается, выделяется из шумов и детектируется синхронным детектором. В классическом устройстве преобразование поля осуществляется механическим способом за счет вращения лопастей, напоминающих крылья ветряной мельницы. Поэтому существует дру-
гое название флюксметра - Fields Mill или «вертушка».
Концепция построения электростатических флюксметров не претерпела существенных изменений с пятидесятых годов прошлого века. Вместе с тем, современные цифровые технологии позволяют существенно улучшить метрологические характеристики измерителей напряженности квазистатических электрических полей, построенных по классическому образцу, и расширить сферу их применения. В данной статье рассмотрена конструкция электростатического флюксметра, разработанного в Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского [2]. Отличительной особенностью этого прибора является то, что в нем применены цифровые методы получения результатов измерения величины Е, а также осуществлена передача данных по стандартным протоколам в другие автоматизированные системы. Структурная схема устройства приведена на рис. 1.
Модулятор поля Е является электромеханическим устройством, преобразующим квазистатическое электрическое поле с напряженностью Е в переменное поле, воздействующее на неподвижный и закрепленный на изоляторах измерительный электрод. Преобразование осуществляется за счет вращения приводом заземленного экрана (обтюратора). Конструкция датчика поля приведена на рис. 2.
Для привода в устройстве использован вентильный электродвигатель FLAT-32 швейцарской фирмы MACSON с номинальной мощностью 6 Вт под управлением микроконтроллера 1-Q-EC Amplifier DEC 24/1. Микроконтрол-
лерная система поддерживает обороты вала электродвигателя на уровне 3600±2% об/мин в широком диапазоне изменения механических нагрузок и температуры окружающей среды. Высокая стабильность скорости вращения напрямую уменьшает погрешности измерения напряженности электрического поля Е. Вместе с тем, такая конструкция позволяет существенно уменьшить уровень помех, возникающих в заземляющем контакте, так как в этом случае контакт упирается в торец оси двигателя, где скорость его скольжения минимальная.
Входной усилитель тока является преобразователем динамики индуцированных в измерительном электроде зарядов в изменяющееся во времени выходное напряжение. Усилитель тока реализован на прецизионном операционном усилителе OP79F, который охвачен отрицательной обратной связью, параллельной по напряжению. При этом четырехполюсник обратной связи выполнен по Т-образной схеме. Сигнал на выходе усилителя является аддитивной смесью пилообразного периодического процесса и шумов различного типа. Период процесса задается шестилопастным обтюратором и скоростью вращения его привода. С целью более эффективного подавления сетевых помех число оборотов вентильного двигателя выбрано равным 3600 об/мин. При этом ам-
плитуда сигнала на выходе преобразователя равна ит = 36 мВ при измеряемой напряженности электрического поля 3000 В/м.
Далее сигнал подается на полосовой усилитель, являющийся активным полосовом фильтром 4-го порядка. Фильтр состоит из двух последовательно включенных звеньев, выполненных на ОУ OP177F. Каждое звено можно рассматривать как колебательный контур, настроенный на частоту 360 Гц. Ширина полосы пропускания усилителя выбрана равной Af =50 Гц, что позволяет подавлять первые шесть гармоник промышленной частоты, а также существенно снизить дисперсию флук-туационных шумов. Соответственно, импульсные помехи, связанные с работой микроконтроллера управления вентильным двигателем, давятся не менее чем на - 40 дБ, так как их спектр лежит существенно выше 360 Гц.
После фильтрации и усиления информационный сигнал на выходе полосового усилителя ивых(0 является гармоническим колебанием на частоте 360 Гц, амплитуда которого линейно зависит от напряженности Е измеряемого электрического поля. Полосовая фильтрация в аналоговом виде позволяет существенно снизить требования к производительности микропроцессорной системы при цифровых методах определения параметров информационного
1 - корпус, 2 - изолятор, 3 - измерительный электрод, 4 - обтюратор, 5 - оптопара, 6 - маховик привода, 7 - синхродорожка, 8 - заземляющий контакт.
Рис. 2. Конструкция модулятора поля Е
сигнала. В аналоговом тракте возникают две существенные погрешности, влияющие на результат измерений. Первая из них зависит от контактной разности потенциалов в цепи: экран - «земля». Вторая погрешность связана с пороговым эффектом, проявляющимся в зависимости сдвига фазы гармонического сигнала на выходе активного фильтра от его амплитуды. Схемотехнически её можно свести к минимуму путем применения в полосовом усилителе специальных операционных усилителей с высокой скоростью нарастания выходного напряжения [3].
Дальнейшая обработка информационного сигнала связана с получением оценок амплитуды и фазы гармонического колебания ивых((). Известно [4], что искомые несмещенные и эффективные оценки могут быть получены с помощью операции синхронного детектирования, при которой опорный и входной сигналы перемножаются, а их произведение интегрируется. В результате нелинейной операции синхронного детектирования спектр сигнала, несущего информацию о величине Е, переносится в область нуля. При аналоговой реализации такого преобразования все погрешности, связанные с дрейфом нуля схем перемножения и интегрирования, будут внесены в спектр информационного сигнала. Эта погрешность носит случайный характер, трудно поддается контролю и во многом определяет точность измерений. При цифровом способе реализации операции синхронного детектирования точность выполнения вычислительных процедур не зависит от температуры и прочих внешних условий. Следовательно, погрешность, связанная с дрейфом нуля, будет отсутствовать, а метрологические характеристики измерителя могут быть значительно улучшены.
С учетом вышеизложенного, в рассматриваемом измерителе реализована цифровая форма синхронного детектирования. Для этого опорный сигнал детектора формируется в виде последовательности прямоугольных импульсов (меандра). Инфракрасный светодиод, входящий в состав оптопары, подсвечивает синхро-
дорожку на маховике двигателя (рис. 2), а отраженный от неё световой поток воспринимается фотодиодом оптопары. С помощью компаратора сигнал с фотодиода преобразуется в однополярную последовательность синхроимпульсов. Частота повторения импульсов точно совпадает с частотой информационного сигнала, а их положение во времени синхронизируется с Ueux(t). При этом передний фронт синхроимпульса совмещается с положительным максимумом информационного сигнала, а задний фронт - с отрицательным. Синхронизация сигналов осуществляется угловым поворотом обтюратора на валу двигателя при положительном направлении измеряемого электрического поля.
Сформированная последовательность синхроимпульсов подается на один из цифровых входов 32-разрядного микропроцессора STM32F103R, где используется для контроля работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и реализации операции синхронного детектирования. Вторым входным сигналом цифрового синхронного детектора является выборка из аналогового информационного сигнала. Для этого UBUX(t) подается на АЦП, где по команде микропроцессора, синхронизированной с положением фронтов синхросигнала, берется отсчет входного сигнала. Такой порядок определения отсчетного момента времени позволяет задавать минимальную частоту дискретизации информационного сигнала, равную f=720 Гц. При этом отслеживается изменение скорости вращения вентильного электродвигателя, что уменьшает погрешность измерений.
Аналого-цифровое преобразование взятого отсчета информационного сигнала осуществляется 24-х разрядным сигма-дельта АЦП AD7734 типа: true-bipolar. АЦП преобразует отсчет аналогового сигнала в 14 разрядный двоичный код (с учетом знака). В старший разряд двоичного кода заносится информация о знаке, а отрицательные числа представляются в дополнительном коде. Так как смена знака поля приводит к изменению фазы информаци-
Начало Номер Напряженность Влажность Температура Контрольная
сообщения прибора поля Е воздуха воздуха сумма
2 банта 1 бант 4 байта 1 байт 2 байта 2 байта
Рис. 3. Формат сообщения, передаваемого устройством
онного сигнала на 180о, изменяется на противоположное и чередование знаков чисел на выходе АЦП.
Последующая обработка дискретизирован-ного информационного сигнала осуществляется цифровым синхронным детектором и идет по двум ветвям. В первой из них определяется амплитуда информационного сигнала, и, следовательно, напряженность измеряемого электрического поля, во второй - её знак.
Для определения амплитуды опорный синхросигнал преобразуется в чередующуюся последовательность двоичных кодов, соответствующих значению ±1. При этом высокому уровню синхросигнала соответствует «+1», а низкому «- 1». Затем синхронные отсчеты информационного и опорного сигналов перемножаются и подаются на пять последовательно соединенных прореживателей частоты дискретизации. Структура этих устройств описана в [5], а коэффициенты деления соответственно равны: т = 3,3,2,2,2. Частота дискретизации сигнала после прореживания равна /д=10 Гц. Цифровые нерекурсивные фильтры низких частот, используемые при уменьшении частоты дискретизации, имеют порядок N=16, единичный коэффициент передачи и уровень вне-полосного подавления не менее 40 дБ. Нелинейная операция перемножения отсчетов сигналов на входах цифрового синхронного детектора с последующим уменьшением частоты дискретизации (и низкочастотной фильтрацией) позволяет вычислить среднее значение амплитуды информационного сигнала в полосе 5 Гц с подавлением aliasing-эффектов. Одновременно все помеховые компоненты вне указанной полосы (в том числе и сетевая помеха) ослабляются на 60 дБ. Однако, самый главный эффект от применения цифровой обработки сигнала заключается в том, что в выходном сигнале отсутствуют погрешности, свойствен-
ные аналоговому способу синхронного детектирования.
В ветви определения знака поля из дискре-тизированного информационного сигнала выбираются отсчеты, соответствующие положительному фронту синхроимпульса. На интервале времени Т = И/двых= 0,1 сек их будет 36. Эти отсчеты фильтруются простейшим нерекурсивным фильтром 36 порядка, с равномерной импульсной характеристикой. На выходе фильтра значение старшего разряда каждого 36-го выходного отсчета несет информацию о знаке поля в отсчетный момент времени.
Значения температуры и влажности, получаемые от входящих в состав устройства цифровых датчиков, открывают возможность учета текущего состояния параметров атмосферы для корректировки результатов измерения напряженности электрического поля. Эта операция может быть осуществлена при наличии соответствующей статистики, поэтому данные о температуре и влажности окружающей среды включены в состав выходного информационного блока.
Микропроцессорная система измерителя формирует результаты измерений с частотой 10 Гц в виде сообщений, формат которых представлен на рис. 3.
Вначале каждого сообщения передается синхронизирующая последовательность
DDAAh. Затем следует номер, используемый для идентификации приборов в системе автоматизированного сбора информации. Далее последовательно расположены полученные значения напряженности электрического поля Земли, относительной влажности и температуры воздуха. Для контроля возможных искажений при передаче данных в конце каждого сообщения указывается значение контрольной суммы, представляющее собой 2-х байтовый циклический избыточный код.
В качестве физической среды передачи данных используется канал интерфейса RS-485.
Программа архивирования и отображения данных получает кодированную посылку. В случае положительного решения, вынесенного при анализе контрольной суммы, значащая часть сообщения архивируется в текстовом файле с указанием даты и времени.
Общий вид электростатического флюксмет-ра с цифровой обработкой результатов измерений приведен на рис. 4.
Рис. 4. Общий вид электростатического флюксметра с цифровой обработкой результатов измерений
Устройство имеет следующие основные характеристики:
- питание от внешнего источника постоянного напряжения +(9^30)В;
- потребляемая электрическая мощность не более 74 ВА;
- диапазон измерения напряженности электрического поля ±20000 В/м;
- погрешность измерений не превышает ±(0,05|Еизм|+20) В/м;
- чувствительность к изменению электрического поля Е не более 1,5 В/м;
- диапазон рабочих температур от - 40оС до +55 °С.
Как уже было отмечено, одной из сфер человеческой деятельности, при обеспечении которой необходимы данные о состоянии атмосферного электрического поля вблизи поверхности Земли, является подготовка и запуск космических аппаратов. В настоящее время в нашей стране в соответствии с Указом Президента Российской Федерации от 6 ноября 2007 года № 1473 ведутся работы по созданию кос-
Поступила 26 марта 2015 г.
модрома «Восточный». В ходе его строительства предъявляются высокие требования к системе сбора (получения), обработки и представления метеорологической информации для поддержки принятия решений на выполнение всех этапов подготовки к пуску (транспортировка, разворачивание на позиции и др.) и пуска ракет космического назначения [6].
Тем не менее, имеющийся динамический и частотный диапазон, высокая чувствительность и помехозащищенность, всепогодность, приемлемые вес и габариты, развитое программное обеспечение, а также наличие цифрового интерфейса передачи результатов измерений позволили включить разработанное устройство в состав комплексной автоматизированной системы оперативного сбора, обработки и представления метеорологической информации космодрома «Восточный». В настоящее время изготовленные для космодрома флюксметры проходят испытания и подготовку к эксплуатации.
Литература
1. Бирюков С.В. Физические основы измерения параметров электрических полей: Монография. -Омск, Изд-во СибАДИ, 2008, 111 с.
2. Алехин С.Г., Ефимов В.А., Полушин П.А., Готюр И.А., Жуков В.Ю., Костромитинов А.В., Кулешов Н.В., Рудь А.А., Щукин Г.Г., Караваев Д.М., Михайловский Ю.П., Андреев - Красносельский А.А. Компенсационный электростатический флюксметр. Патент 2501029 С1 Россия МПК GO1R 29/12/ Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского МО РФ, опубликовано 10.12.13 г., Бюллетень №34.
3. Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров. Пер. с англ. - М., Радио и связь, 1984, 384 с.
4. Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. и др. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». Под ред. Ю.М. Казаринова. - М., Высш. шк., 1990, 496 с.
5. Ефимов В.А., Полушин П.А., Грунская Л.В. Измерение электрической составляющей геофизических полей. Монография - Palmarium Academic Publishing, ISBN 978-38473-9306-1, 2013, 146 с.
6. Готюр И.А., Кулешов Ю.В., Маков А.В., Суворов С.С., Ширшов Н.В., Щукин Г.Г. Построение автоматизированной системы метеорологического обеспечения космодрома «Восточный». // Метеорология и гидрология, 2014, №6, С. 40-50.
English
Earth electric field meter based of signal digital methods processing
Vladislav Alekseevich Yefimov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor "Vladimir State University named after Alexander and Nickolay Stoletov".
E-mail: vladefimov48@mail.ru.
Address: 600000, Vladimir, Gorkiy str., 87.
Ivan Alekseevich Gotyur - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor "Military space academy named after A.F. Mozhaysky", Ministry of Defence of Russian Federation.
E-mail: gotur@newmail.ru.
Georgy Georgiyevich Schukin - Doctor of Physics and Mathematics, Professor "Military space academy named after A.F. Mozhaysky", Ministry of Defence of Russian Federation.
E-mail: ggshchukin@mail.ru.
Address: Zhdanovskaya Str., 13, St. Petersburg.
Abstract: Electric field condition monitoring in Earth ground atmospheric layer is necessary for ensuring normal functioning of complex technical systems, for example, spaceports. Today's hardware components enable to make corresponding measuring instruments possessing high reliability and small power consumption. The article gives structure description of magnetic flux meter with these qualities. Its principle is application of precision valve electric motor and rotational speed of which is controlled by microprocessor system. The device integrates an array of analog and digital methods of information signal processing. Use of digital technologies enables to reduce errors inherent to analog methods of synchronous detecting and low-frequency signal filtering caused by zero drift and it also contributes to increasing measurements accuracy and operational efficiency of obtained data for subsequent analysis and archiving.
The special attention is given to computation process algorithm description the result of which are composed end measurements. Minimum sampling frequency and classical procedure of output data reduction is used when algorithm is implemented. The device is of high reliability and stability in characteristics during the long-term continuous work in any weather conditions. Meter components include environment temperature and humidity sensors. The instrument is equipped with heating system for protection against low temperatures. It is supposed for use as a part of overall automated system for efficient collecting, processing and submitting meteorological information in Vostochny spaceport.
Key words: Earth electric field monitoring, automated systems of collecting meteorological information, electric field meters, digital methods of signal processing, electrostatic flux meter.
References
1. Biryukov S. V. Principal physics of electric fields parameters measurement: Monograph. - Omsk, Publishing house of SIBADI, 2008, 111 p.
2. Alyokhin S.G., Yefimov V.A., Polushin P. A., Gotyur I.A., Zhukov V.Yu., Kostromitinov A.V., Kuleshov N. V., A.A. Rud, Schukin G.G., Karavayev D.M., Mikhaylovsky Yu.P., Andreyev-Krasnoselsky A.A. Compensation electrostatic flux meter. Patent 2501029 C1 Russia MPK GO1R 29/12/Military space academy after A.F. Mozhaysky MD RF, is published 10.12.13, Bulletin No. 34.
3. Huelsman L.P., Allen F.E. Introduction to the theory and design of active filters. Transl from Eng. - M., Radio i svyaz, 1984, 384 p.
4. Grishin YU.P., Ipatov V.P., Kazarinov Yu.M., and other colleagues. Radio engineering systems: Course manual for higher education institutions with a specialization in Radio engineering. Ed. by Yu.M. Kazarinov. - M, Vyssh. mK., 1990, 496 p.
5. Yefimov V.A., Polushin P. A., Grunskaya L.V. Measurement of geophysical fields electric component. Monograph - Palmarium Academic Publishing, ISBN 978-38473-9306-1, 2013, 146 p.
6. Gotyur I.A., Kuleshov Yu.V., A.V Makov, Suvorov S.S., Shirshov N. V., Schukin G.G. Development of meteorological service automated system for Vostochny spaceport.- Meteorologiya and gydrologiya, 2014, No. 6, pp. 40-50.
7. Romashov V.V., Kurilov I.A., Zhiganova E.A., Surzhik D.I., Romanov D.N., Vasilyev G.S., Harchuk S.M. Analytical methods of radio units on the basis of the functional approximating. - Radiotekhnicheskiye i telekommu-nikatsionnye sistemy, 2014, №1. P. 35-49.
8. Romashov V.V., Zhiganova E.A. Non-linear equation of frequency synthesizer with self-compensation of the amplitude-phase distortions. - Voprosy radioelektroniki. Seriya «Obshchetekhnicheskaya», vypusk 1.-. Moscow, 2010. P.11-17.
