Вдосконалення ротаційного методу вимірювання напруженості електростатичного поля
Вантажиться...
Дата
2024
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Повшенко О.А. Вдосконалення ротаційного методу вимірювання напруженості електростатичного поля. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 152 - Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка (15 - Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Київ, 2024.
Дисертаційна робота присвячена вдосконаленню ротаційного методу вимірювання напруженості електростатичного поля у вимірювальному діапазоні до 1 кВ/м за рахунок підвищення його точності, чутливості та збільшення динамічного діапазону. Основна частина дисертаційної роботи складається з чотирьох розділів, які присвячені дослідженню шляхів вдосконалення ротаційного методу вимірювання напруженості електростатичного поля та розробці вдосконаленої ІВС. Перший розділ присвячено огляду стану проблеми та обґрунтуванню напрямку досліджень дисертаційної роботи. Розглянуто характеристику електростатичного поля, як фізичного явища та приведено його основні величини. Сформульовано загальну задачу та підходи до вимірювання напруженості електростатичного поля (ЕП) для різних задач. Особливу увагу було приділено розгляду особливостей та обґрунтуванню підходів до вимірювання напруженості атмосферного електростатичного поля, для задач геофізики та геології, а також при проведенні моніторингу електростатики на виробництві. Обґрунтовано вимоги до апаратного забезпечення для вимірювання напруженості ЕП з підвищеною точністю у низькому вимірювальному діапазоні до 1 кВ/м. Обґрунтовано вибір ротаційного методу вимірювання напруженості електростатичного поля. Розглянуто основні сучасні засоби вимірювання напруженості ЕП такі як електрометри та електростатичні флюксиметри. Обґрунтовано їх переваги та недоліки для вимірювання напруженості ЕП з підвищеною точністю у низькому вимірювальному діапазоні до 1 кВ/м. Показано основні тенденції розвитку засобів вимірювання напруженості електростатичного поля. Проведено аналіз попередніх робіт за темою дослідження та обґрунтовано мету і завдання даних напрямів дослідження. Другий розділ дисертаційної роботи присвячено математичному та комп’ютерному моделюванню сенсору електростатичного флюксметру (ЕФ). Розглянуто будову та фізичний принцип роботи сенсора ЕФ, обґрунтовано вимоги до його математичної моделі. Проведено аналіз типового рівняння перетворення напруженості електростатичного поля в струм, яким описується робота сенсора ЕФ та визначено його недосконалості. Встановлено шляхи підвищення чутливості сенсора ЕФ. Запропоновано та обґрунтовано вдосконалене рівняння перетворення, з врахуванням обмежень та недосконалостей, які присутні у типовому рівнянні перетворення. Для порівняння вдосконаленої математичної моделі сенсора ЕФ з типовою, було проведено комп’ютерне моделювання розподілу ЕП між чутливими та екрануючими пластинами сенсора ЕФ і встановлено чисельні значення індукованого на сенсорній пластині заряду та розраховано значення індукованого струму. Побудова та розрахунок моделі сенсора ЕФ відбувалась за допомогою програмного забезпечення COMSOL Multiphysics, а обробка результатів моделювання за допомогою програми Matlab. В якості імітаційної моделі використано сенсор ЕФ з двома групами чутливих пластин. Показано отримані форми сигналу індукованого заряду та розрахованих значень індукованого струму на чутливій пластині в залежності від кута повороту екрануючого ротора. Встановлено, що форма сигналу, отримана за допомогою вдосконаленого рівняння перетворення краще відповідає реальному сигналу, порівняно з типовим. Наступна частина дослідження була направлена на встановлення оптимальної конфігурації та будови сенсора ЕФ: визначення значення оптимальної відстані між чутливими пластинами та екрануючою пластиною; визначення значення раціональної кількості секторів. Представлено методики, хід та результати комп’ютерного моделювання сенсора ЕФ. Показано графіки зміни індукованого електричного заряду та індукованого струму в залежності від параметрів конфігурації та будови сенсора ЕФ. Показано графіки розподілу відносної похибки амплітудного значення індукованого струму в залежності від відстані між чутливими пластинами та екрануючою пластиною. Встановлено відношення чутливості сенсора ЕФ з різною кількістю лопаток до конфігурації з двома лопатками. Запропоновано та обґрунтовано новий підхід до розрахунку коефіцієнтів пропорційності чутливості сенсора ЕФ від його конфігурації та будови та встановлено їх числові значення. Представлено методику розрахунку невизначеності рівняння вимірювання. Проведено аналіз чутливості рівнянь перетворення напруженості електростатичного поля в струм. Для порівняння типового та вдосконаленого рівнянь перетворення розраховано їх коефіцієнти чутливості та бюджет невизначеностей. Проведено розрахунок невизначеності вимірювання вдосконаленої математичної моделі сенсора ЕФ. Третій розділі дисертаційної роботи присвячено розробленню вдосконаленої інформаційно-вимірювальної системи напруженості електростатичного поля. Запропоновано та обґрунтовано узагальнену структурну схему ІВС напруженості ЕП. Представлено еквівалентну схему сенсора ЕФ, електричну схему перетворювача струму у напругу, електричну схему смугового фільтра, схему диференційного трансімпедансного підсилювача та схему підсилювача з керованим коефіцієнтом підсилення для розроблення вдосконаленої ІВС напруженості ЕП. Для вдосконалення схеми перетворення струму в напругу запропоновано та обґрунтовано схему незаземленого диференціального трансімпедансного підсилювача з нульовим падінням напруги. Встановлено критерії вибору оптимальних операційних підсилювачів для побудови схем трансімпедансних підсилювачів та проведено їх аналіз. Проведено комп’ютерні моделювання параметрів шумів схем в частотному діапазоні та фактичного коефіцієнта підсилення для типової та запропонованої схем диференціальних трансімпедансних підсилювачів. Запропоновано та обґрунтовано методологію розрахунку інструментальної похибки вимірювання аналогового каскаду ЕФ та проаналізовано вплив похибки квантування на загальний результат вимірювання напруженості ЕП. Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячено експериментальному дослідженню вдосконаленого електростатичного флюксиметру. Запропоновано та обґрунтовано алгоритм цифрової обробки вимірювальної інформації отриманих з сенсору вдосконаленого ЕФ, у результат каліброваного вимірювання напруженості ЕП. Представлено структуру алгоритму та обґрунтовано його основні етапи: алгоритм передискретизації, цифрову фільтрацію, обробку результатів вимірювання, амплітудного аналізатору розмаху сигналу, збереження та передачу інформації. Розроблено методичне, алгоритмічне та програмне забезпечення для проведення калібрування вдосконаленого ЕФ. Запропоновано та обґрунтовано алгоритм калібрування аналогового контуру електростатичного флюксиметру та сенсору електростатичного флюксиметру. Сконструйовано еталонний стенд для проведення калібрування сенсору. Розроблено методики проведення експериментального дослідження похибок вимірювання вдосконаленого електростатичного флюксиметру. Представлено результати проведеного експерименту. Усі результати, що виносяться на захист, є новими. Вони неодноразово обговорювалися на міжнародних конференціях. За матеріалами дисертації опубліковано 5 статей, 3 тези конференцій які повною мірою відображають її зміст.
Опис
Ключові слова
напруженість електростатичного поля, електростатичний флюксиметр, ємнісний сенсор, інформативні параметри, невизначеність, вимірювання, процедура оцінки, результат вимірювання, похибка, напруга, трансімпедансний підсилювач, комп'ютерне моделювання, обробка сигналів, комп’ютеризована система, інформаційно-вимірювальна система, electrostatic field strength, electrostatic field mill, capacitive sensor, information parameters, uncertainty assessment, measurement, assessment procedure, measurement result, error, voltage, transimpedance amplifier, computer simulation, signal processing, computerized system, information and measuring system
Бібліографічний опис
Повшенко, О. А. Вдосконалення ротаційного методу вимірювання напруженості електростатичного поля : дис. … д-ра філософії : 152 Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка / Повшенко Олександр Анатолійович. – Київ, 2024. – 199 с.