Вдосконалення ротаційного методу вимірювання напруженості електростатичного поля
| dc.contributor.advisor | Баженов, Віктор Григорович | |
| dc.contributor.author | Повшенко, Олександр Анатолійович | |
| dc.date.accessioned | 2024-06-10T12:43:25Z | |
| dc.date.available | 2024-06-10T12:43:25Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Povshenko O.A. Improvement of the rotational method of measuring the electrostatic field strength. - Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Thesis for the scientific degree of Doctor of Philosophy scientific degree in specialty 152 - Metrology, Informative and Measuring Equipment (15 - Automation and instrumentation). – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2024. The dissertation is devoted to the improvement of the rotational method of measuring the strength of the electrostatic field by reducing its measurement errors and the development of an improved information-measuring system (IMS) of the strength of the electrostatic field with increased accuracy and in a low measurement range from 0 to 1 kV/m. The main part of the dissertation work consists of four chapters, which are devoted to the study of ways to improve the rotational method of measuring the strength of the electrostatic field and the development of an improved IMS. The first chapter is dedicated to the overview of the problem and justification of the research direction of the dissertation work. The characteristic of the electrostatic field as a physical phenomenon is considered and its main values are given. The general problem and approaches to measuring the strength of the electrostatic field (EF) for various problems are formulated. Special attention was paid to consideration of features and substantiation of approaches to measurement of atmospheric electrostatic field strength, for geophysics and geology problems, as well as when monitoring electrostatics in production. The requirements for the hardware for measuring the voltage of the EF with increased accuracy in the low measurement range from 0 to 1 kV/m are substantiated. The selection of the rotational method of measuring the strength of the electrostatic field is justified. The main modern means of measuring the voltage of the EF, such as electrometers and electrostatic field mills, are considered. Their advantages and disadvantages for measuring the electrostatic field strength with increased accuracy in the low measurement range from 0 to 1 kV/m are substantiated. The main trends in the development of means of measuring the electrostatic field strength are shown. An analysis of previous works on the topic of the research was carried out and the purpose and objectives of these areas of research were substantiated. The second section of the dissertation is devoted to mathematical and computer modeling of the electrostatic field mill (EFM) sensor. The structure and physical principle of the EFM sensor are considered, and the requirements for its mathematical model are substantiated. An analysis of the common equation for the conversion of the electrostatic field strength into current, which describes the operation of the EFM sensor, and its imperfections were determined. Ways to increase the sensitivity of the EFM sensor have been established. An improved conversion equation is proposed and justified, which describes the operation of the EFM sensor, taking into account the limitations and imperfections that are present in the typical conversion equation. In order to compare the improved mathematical model of the EFM sensor with the typical one, a computer simulation of the EF distribution between the sensitive plates and shielding plate of the EFM sensor was carried out, and the numerical values of the charge induced on the sensor plate were determined and the value of the induced current was calculated. The EFM sensor model was built and calculated using the COMSOL Multiphysics software, and the modeling results were processed using the Matlab program. An EFM sensor with two groups of sensitive plates was used as a simulation model. The obtained waveforms of the induced charge and the calculated values of the induced current on the sensitive plate are shown, depending on the angle of rotation of the shielding plate. It is established that the waveform obtained using the improved transformation equation better corresponds to the real signal, compared to the typical one. The next part of the study was aimed at establishing the optimal configuration and structure of the EFM sensor: determining the value of the optimal distance between the sensitive plates and the shielded plate; determination of the value of the rational number of sectors. Methods, progress and results of computer modeling of the EFM sensor are presented. Graphs of changes in the induced electric charge and induced current depending on the configuration parameters and structure of the EFM sensor are shown. Graphs of the distribution of the relative error of the amplitude value of the induced current depending on the distance between the shielding and sensitive plates are shown. The sensitivity ratio of the EFM sensor with different number of vanes to the configuration with two vanes is established. A new approach to calculating the coefficients of proportionality of the sensitivity of the EFM sensor from its configuration and structure is proposed and substantiated, and their numerical values are established. The method of calculating the uncertainty of the measurement equation is presented. An analysis of the sensitivity of the equations for converting the electrostatic field strength into current was carried out. To compare the standard and improved conversion equations, their sensitivity coefficients and uncertainty budget were calculated. The measurement uncertainty of the improved mathematical model of the EFM sensor was calculated. The third chapter of the dissertation is devoted to the development of an improved information and measuring system of the electrostatic field strength. A generalized structural scheme of the IMS of the EF strength is proposed and substantiated. The equivalent circuit of the EFM sensor, the circuit of the current-to-voltage converter, the circuit of the band-pass filter, the circuit of the differential transimpedance amplifier and the circuit of the amplifier with a controlled gain are presented for the development of an improved IMS of the EF strength. In order to improve the current-to-voltage conversion scheme, the scheme of an ungrounded differential transimpedance amplifier with zero voltage drop is proposed and substantiated. The criteria for choosing optimal operational amplifiers for the construction of transimpedance amplifier circuits were established and their analysis was carried out. Computer simulations of circuit noise parameters in the frequency range and the actual amplification factor for typical and proposed schemes of differential transimpedance amplifiers were carried out. The methodology for calculating the instrumental error of measuring the analog EF cascade is proposed and substantiated, and the influence of the quantization error on the overall result of measuring the strength of the EF is analyzed. The fourth chapter of the dissertation is devoted to the experimental study of the improved electrostatic field mill. An algorithm for digital processing of the measurement information obtained from the sensor of the improved EFM, as a result of calibrated measurement of the strength of the EF, is proposed and substantiated. The structure of the algorithm is presented and its main stages are substantiated: oversampling algorithm, digital filtering, processing of measurement results, amplitude analyzer of the signal sweep, storage and transmission of information. Methodical, algorithmic and software for calibrating the improved EFM has been developed. The calibration algorithm of the analog circuit of the electrostatic field mill and the EFM sensor is proposed and substantiated. A reference stand for sensor calibration has been designed. Methods of conducting an experimental study of measurement errors of the improved electrostatic flux meter have been developed. The results of the conducted experiment are presented. All results presented for defense are new. They were repeatedly discussed at international conferences. Based on the dissertation materials, 6 articles, 14 conference abstracts and one copyright registration certificate for the work were published, which fully reflect its content. | |
| dc.format.extent | 199 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/67073 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | напруженість електростатичного поля | |
| dc.subject | електростатичний флюксиметр | |
| dc.subject | ємнісний сенсор | |
| dc.subject | інформативні параметри | |
| dc.subject | невизначеність | |
| dc.subject | вимірювання | |
| dc.subject | процедура оцінки | |
| dc.subject | результат вимірювання | |
| dc.subject | похибка | |
| dc.subject | напруга | |
| dc.subject | трансімпедансний підсилювач | |
| dc.subject | комп'ютерне моделювання | |
| dc.subject | обробка сигналів | |
| dc.subject | комп’ютеризована система | |
| dc.subject | інформаційно-вимірювальна система | |
| dc.subject | electrostatic field strength | |
| dc.subject | electrostatic field mill | |
| dc.subject | capacitive sensor | |
| dc.subject | information parameters | |
| dc.subject | uncertainty assessment | |
| dc.subject | measurement | |
| dc.subject | assessment procedure | |
| dc.subject | measurement result | |
| dc.subject | error | |
| dc.subject | voltage | |
| dc.subject | transimpedance amplifier | |
| dc.subject | computer simulation | |
| dc.subject | signal processing | |
| dc.subject | computerized system | |
| dc.subject | information and measuring system | |
| dc.subject.udc | 621.3.082.72 | |
| dc.title | Вдосконалення ротаційного методу вимірювання напруженості електростатичного поля | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: