МЕТОДИЧНІ ОСОБЛИВОСТІ РОЗРАХУНКУ ПОХИБОК ВИМІРЮВАННЯ НАПРУЖЕНОСТІ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОГО ПОЛЯ
DOI:
https://doi.org/10.20535/1970.65(1).2023.283358Ключові слова:
вимірювання, електростатичне поле, електростатичний флюксметр, похибки вимірюванняАнотація
Вимірювання напруженості електричного поля атмосфери на сьогодні стало розповсюдженою задачею сучасної метеорології. Адже розподіл напруженості локального електричного поля поблизу поверхні Землі тісно пов’язаний з глобальним розподілом гроз і електрифікованих хмар. Силовою характеристикою електричного поля є його напруженість. Зміна атмосферного електричного поля відбувається відносно повільно, тому для вимірювання напруженості електричного поля найбільш широко використовуються електростатичні флюксметри (ЕФ).
Електростатичні флюксметри знайшли своє застосування для моніторингу електричного поля за гарної погоди, вимірювання вертикального електричного поля всередині хмар та спостереження за рухом і еволюцією штормів. Були розроблені та задокументовані різні конструкції електростатичних флюксметрів протягом більш ніж століття, але оскільки дана тематика не є популяризованою, їх методи побудови та особливості розрахунків не задокументовані. Тому, постала необхідність в узагальненні будови приладу та розрахунку його метрологічних характеристик.
Робота направлена на підвищення точності вимірювання та вдосконалення апаратного забезпечення електростатичних флюксметрів. Задача підвищення точності вимірювання електростатичного поля напряму залежить від зменшення похибок, які виникають в приладі. До причин цих похибок можна віднести як недосконалість методу вимірювання або невідповідність об’єкта вимірювання його моделі, так само, як і властивості засобів вимірювання. У попередніх дослідженнях авторами було використано математичну модель сенсору ЕФ, яка не відповідає реальній формі сигналу, що створило необхідність в її вдосконаленні.
В даній роботі авторами було запропоновано та обґрунтовано універсальну математичну модель сенсору ЕФ. Також в роботі приведено аналіз складових запропонованої математичної моделі, який дозволить підібрати оптимальні параметри будови сенсору ЕФ, що підвищить його чутливість. Додатково у роботі було запропоновано власну функціональну схему ЕФ та розроблено методологію розрахунку її інструментальної похибки, що дозволяє виділити критичні параметри під час вибору комплектуючих для побудови приладу.
Розглянуті аспекти в цій статті обґрунтовують актуальність підвищення точності вимірювання напруженості електростатичного поля. Проведена робота є початком досліджень, направлених на вдосконалення апаратного забезпечення електростатичних флюксметрів.
Посилання
C. Liu, E. R. Williams, E. J. Zipser G. Burns, “Diurnal variations of global thunderstorms and electrified shower clouds and their contribution to the global electrical circuit”, Journal of the Atmospheric Sciences, pp. 309-323, 2010.
R. Markson, “The global circuit intensity: Its measurement and variation over the last 50 years”, Bulletin of the American Meteorological Society, pp. 223-242, 2007.
R. Roble and I. Tzur, “The global atmospheric electrical circuit”, in The Earth's electrical environment, Washington, DC, National Academies Press, 1986, pp. 206-231.
R. J. Blakeslee, D. M. Mach, M. G. Bateman, & J. C. Bailey, “Seasonal variations in the lightning diurnal cycle and implications for the global electric circuit”, Atmospheric Research, pp. 135-136, 228-243, 2014.
M. Mach, R. J. Blakeslee, M. G. Bateman and J. C. Bailey, “Comparisons of total currents based on storm location, polarity, and flash rates derived from high-altitude aircraft overflights”, Journal of Geophysical Research, 2010.
D. M. Mach, R. J. Blakeslee and M. G. Bateman, “Global electric circuit implications of combined aircraft storm electric current measurements and satellite-based diurnal lightning statistics”, Journal of Geophysical Research, 2011.
F. J. W. Whipple, “Modern views on atmospheric electricity”, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, pp. 199-222, 2007.
S. V. Anisimov, S. V. Galichenko, K. V. Aphinogenov and A. A. Prokhorchuk, “Evaluation of the atmospheric boundary-layer electrical variability”, Boundary-Layer Meteorology, pp. 327-348, 2017.
G. M. Lucas, J. P. Thayer та W. Deierling, “Statistical analysis of spatial and temporal variations in atmospheric electric fields from a regional array of field mills”, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, pp. 1158-1174, 2017.
G. R. Harrison, “The carnegie curve. Surveys in Geophysics”, Springer Science, pp. 209-232, 2012.
E. A. Jacobson and E. P. Krider, “Electrostatic field changes produced by Florida lightning”, Journal of the Atmospheric Sciences, pp. 103-117, 1976.
W. J. Koshak and E. P. Krider, “Analysis of lightning field changes during active Florida thunderstorms”, Journal of Geophysical Research, p. 1165, 1989.
W. J. Koshak & E. P. Krider, “A linear method for analyzing lightning field changes”, Journal of the Atmospheric Sciences, pp. 473-488, 1994.
L. M. Maier & E. P. Krider, “The charges that are deposited by cloud-to-ground lightning in Florida”, Journal of Geophysical Research, pp. 13,275-13,289, 1986.
M. J. Murphy, E. P. Krider M. W. Maier, “Lightning charge analyses in small convection and precipitation electrification (CaPE) experiment storms”, Journal of Geophysical Research, pp. 29,615-29,626, 1996.
M. G. Bateman, M. F. Stewart, S. J. Podgorny, H. J. Christian, D. M. Mach and R. J. Blakeslee, “A low-noise, microprocessor-controlled, internally digitizing rotating-vane electric field mill for airborne platforms”, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, pp. 1245-1255, 2007.
S. Chauzy, J. C. Medale, S. Prieur and S. Soula, “Multilevel measurement of the electric field underneath a thundercloud: 1. A new system and the associated data processing”, Journal of Geophysical Research, pp. 22,319-22,326, 1991.
W. P. Winn та C. B. Moore, “Electric field measurements in thunderclouds using instrumented rockets”, Journal of Geophysical Research, pp. 5003-5017, 1971.
J. A. Chalmers, Atmospheric electricity. New York, Pergamon Press, 1967, p. 128.
J. N. Chubb, “Two new designs of ‘field mill’ type fieldmeters not requiring earthing of rotating chopper”, IEEE Transactions on Industry Applications, pp. 1178-1181, 1990.
G. P. Harnwell та S. N. Voorhis, “An electrostatic generating voltmeter”, Review of Scientific Instruments, pp. 540-541, 1933.
M. N. Horenstein and P. R. Stone, “A micro-aperture electrostatic field mill based on MEMS technology”, Journal of Electrostatics, pp. 51-52, 515-521, 2001.
D. J. Malan та B. F. J. Schonland, “An electrostatic fluxmeter of short response-time for use in studies of transient field-changes”, Proceedings of the Physical Society, pp. 402-408, 1950.
W. W. Mapleson & W. S. Whitlock, “Apparatus for the accurate and continuous measurement of the Earth's electric field”, Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, pp. 61-72, 1955.
P. E. Secker, “The desing of simple instruments for measurement of charge on insulating surfaces”, Journal of Electrostatics, pp. 27-36, 1975.
J. Chubb and J. Harbour, “A system for the advance warning of risk of lightning”, in Paper presented at the Electrostatics Society of America ‘ESA 2000’ meeting Niagara Falls, June 18-21 2000, Niagara Falls, 2000.
J. Montanya, J. Bergas and B. Hermoso, “Electric field measurements at ground level as a basis for lightning hazard warning”, Journal of Electrostatics, pp. 241-246, 2004.
M. J. Murphy, R. L. Holle & N. W. S. Demetriades, “Cloud-to-ground lightning warnings using electric field mill and lightning observations”, in 20th International Lightning Detection Conference (ILDC), Tucson, USA, 2008.
O. A. Povshenko, «Analiz suchasnykh metodiv vymiriuvannia elektrychnykh poliv», Sciences of Europe, № 101, pp. 72-77, 2022. (In Ukrainian)
V. S. Akselrod, V. A. Mondrusov ta K. B. Shchyhlovskyi, «Metody y sredsva yzmerenyia napriazhennosty y potentsyala elektrycheskoho polia,» Metody y sredsva yzmerenyia parametrov эlektrycheskoho polia, pp. 80-97, 1964 (In Russian)
A. Antunes de Sá, R. A. Marshall, A. P. Sousa, A. Viets та W. Deierling, “An array of low-cost, high-speed, autonomous electric field mills for thunderstorm research, Earth and Space Science, 3 November 2020.
C. Yong, Y. Haiwen, S. Xiao, Z. Luxing, L. Yumeng та L. Liwei, «Model, Design and Testing of Field Mill Sensors for Measuring Electric Fields under High-Voltage Direct Current Power Lines,» IEEE Transactions On Industrial Electronics, 2016.
D. S. Chester, “Electrical storm forecastsystem”, The United States of America Patent US4095221, 13 07 1978.
T. J. Wells and R. S. Elliott, “Micro-electrometer”, The United States of America Patent US 6,982,549 B1, 3 7 2006.
J. A. Swenson, W. H. Beasley, L. G. Byerley and I. G. Bogoev, “Electric-field meter having current compensation”, The United States of America Patent US 7.256,572 B2, 14 9 2007.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 CC BY 4.0
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Авторське право на публікацію залишається за авторами.
Автори можуть використовувати власні матеріали в інших публікаціях за умови посилання на збірник наукових праць "Вісник Київського політехнічного інституту. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ" як на перше місце видання та на Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» як на видавця.
Автори публікують свої статті в збірнику на умовах ліцензії Creative Commons:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії CC BY 4.0, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на динаміці цитування опублікованої роботи.
Видавець (КПІ ім. Ігоря Сікорського) має право за будь-якого використання цього видання зазначати своє ім'я або вимагати такого зазначення.
Редакційна колегія залишає за собою право розміщувати опубліковані в збірнику статті в різних інформаційних базах для надання відкритого доступу до матеріалів з метою популяризації наукових досліджень та підвищення цитованості авторів.
