Підвищення точності вимірювання напруженості електростатичного поля шляхом використання вдосконаленої схеми диференціального трансімпедансного підсилювача

Автор(и)

  • Олександр Анатолійович Повшенко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0003-2998-5950
  • Віктор Григорович Баженов Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-8858-4412
  • Ольга Ярославівна Паздрій Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-8970-5079
  • Галина Анатоліївна Богдан Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0001-6745-1509

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.292691

Ключові слова:

атмосферне електричне поле, напруженість електростатичного поля, електростатичний флюксиметр, трансімпедансний підсилювач

Анотація

Для вимірювання напруженості електростатичних полів широко застосовується електростатичний флюксиметр (ЕФ), основним недоліком якого є виникнення великих похибок вимірювання (до 15 % у діапазоні від 0 до 1 кВ/м).

В роботі досліджується аспекти використання трансімпедансних підсилювачів (ТП) для задач перетворення отриманого з сенсору ЕФ струму в напругу, що дозволить зменшити інструментальну похибку та забезпечить лінійність вимірювання напруженості атмосферного електростатичного поля. В загальному випадку для функціональних схем електростатичного флюксиметру, які включають в себе диференційний трансімпедансний підсилювач, є використання двох схем ТП, які включені паралельно. Незважаючи на простоту реалізації, така конфігурація містить ряд недоліків та не є оптимальною. В роботі проведено порівняльний аналіз типової схеми диференціального ТП та запропонованої авторами схеми незаземленого диференціального трансімпедансного підсилювача з нульовим падінням напруги.

В результаті проведеного аналізу встановлено, що розроблена власна схема незаземленого диференціального трансімпедансного підсилювача з нульовим падінням напруги має кращі параметри лінійності та завадостійкості на відміну від загальноприйнятої. Значення співвідношення сигнал/шум для запропонованої схеми в середньому покращилося на 42 % в порівнянні з типовою. Головною відмінністю запропонованої схеми є те, що забезпечується стабільність коефіцієнту підсилення, нівелюється вплив параметрів зміщення операційного підсилювача та зменшується загальний рівень шуму. Використання розробленої схеми незаземленого диференціального трансімпедансного підсилювача з нульовим падінням напруги дозволить підвищити точність вимірювання напруженості електростатичного поля

Біографії авторів

Олександр Анатолійович Повшенко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Аспірант

Кафедра інформаційно-вимірювальних технологій

Віктор Григорович Баженов, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра автоматизації та систем неруйнівного контролю

Ольга Ярославівна Паздрій, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Асистент

Кафедра комп’ютерно-інтегрованих оптичних та навігаційних систем

Галина Анатоліївна Богдан, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра автоматизації та систем неруйнівного контролю

Посилання

  1. Swenson, J. A., Beasley, W. H., Byerley, L. G., Bogoev, I. G. (2006). Pat. No. US7256572B2. Electric-field meter having current compensation. Available at: https://patents.google.com/patent/US7256572B2/en?oq=US+7.256%2c572
  2. Slocum, C. D. (1976). Pat. No. US4095221A. Electrical storm forecast system. Available at: https://patents.google.com/patent/US4095221A/en?oq=US+4%27095%27221
  3. Wells, T. J., Elliott, R. S. (2003). Pat. No. US6982549B1. Micro-electrometer. Available at: https://patents.google.com/patent/US6982549B1/en?oq=US+6%27982%27549
  4. Antunes de Sá, A., Marshall, R., Sousa, A., Viets, A., Deierling, W. (2020). An Array of Low‐Cost, High‐Speed, Autonomous Electric Field Mills for Thunderstorm Research. Earth and Space Science, 7 (11). doi: https://doi.org/10.1029/2020ea001309
  5. Yamashita, K., Fujisaka, H., Iwasaki, H., Kanno, K., Hayakawa, M. (2022). A New Electric Field Mill Network to Estimate Temporal Variation of Simplified Charge Model in an Isolated Thundercloud. Sensors, 22 (5), 1884. doi: https://doi.org/10.3390/s22051884
  6. Wilson, J. G., Cummins, K. L. (2021). Thunderstorm and fair-weather quasi-static electric fields over land and ocean. Atmospheric Research, 257, 105618. doi: https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2021.105618
  7. Emersic, C., Saunders, C. P. R. (2020). The influence of supersaturation at low rime accretion rates on thunderstorm electrification from field-independent graupel-ice crystal collisions. Atmospheric Research, 242, 104962. doi: https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2020.104962
  8. Korovin, E. A., Gotyur, I. A., Kuleshov, Y. V., Shchukin, G. G. (2019). Lightning discharges registration by the electric field mill. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 698 (4), 044047. doi: https://doi.org/10.1088/1757-899x/698/4/044047
  9. Chubb, J., Harbour, J. (2010). ‘Operational health’ monitoring for confidence in long term electric field measurements. Journal of Electrostatics, 68 (5), 469–472. doi: https://doi.org/10.1016/j.elstat.2010.07.001
  10. Cui, Y., Yuan, H., Song, X., Zhao, L., Liu, Y., Lin, L. (2018). Model, Design, and Testing of Field Mill Sensors for Measuring Electric Fields Under High-Voltage Direct-Current Power Lines. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 65 (1), 608–615. doi: https://doi.org/10.1109/tie.2017.2719618
  11. Bateman, M. G., Stewart, M. F., Podgorny, S. J., Christian, H. J., Mach, D. M., Blakeslee, R. J. et al. (2007). A Low-Noise, Microprocessor-Controlled, Internally Digitizing Rotating-Vane Electric Field Mill for Airborne Platforms. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 24 (7), 1245–1255. doi: https://doi.org/10.1175/jtech2039.1
  12. Povcshenko, O., Bazhenov, V. (2023). Analysis of modern atmospheric electrostatic field measuring instruments and methods. Technology Audit and Production Reserves, 4 (1 (72)), 16–24. doi: https://doi.org/10.15587/2706-5448.2023.285963
  13. Chu, Z., Peng, C., Ren, R., Ling, B., Zhang, Z., Lei, H., Xia, S. (2018). A High Sensitivity Electric Field Microsensor Based on Torsional Resonance. Sensors, 18 (1), 286. doi: https://doi.org/10.3390/s18010286
  14. Lemonou, A., Agorastou, Z., Noulis, T., Siskos, S. (2022). Low Noise-Low Power Transimpedance Amplifier Design for Electric Field Sensing. 2022 Panhellenic Conference on Electronics & Telecommunications (PACET). doi: https://doi.org/10.1109/pacet56979.2022.9976379
  15. Agorastou, Z., Noulis, T., Siskos, S. (2022). Analog Sensor Interface for Field Mill Sensors in Atmospheric Applications. Sensors, 22 (21), 8405. doi: https://doi.org/10.3390/s22218405
  16. Agorastou, Z., Michailidis, A., Lemonou, A., Themeli, R., Noulis, T., Siskos, S. (2023). Integrated Filter Design for Analog Field Mill Sensor Interface. Sensors, 23 (7), 3688. doi: https://doi.org/10.3390/s23073688
  17. Bazhenov, V., Povcshenko, O. (2023). Methodological features of calculating errors in the measurement of electrostatic field strength. Bulletin of Kyiv Polytechnic Institute. Series Instrument Making, 65 (1), 65–72. doi: https://doi.org/10.20535/1970.65(1).2023.283358
  18. Demirtaş, M., Erişmiş, M. A., Güneş, S. (2020). Analysis and design of a transimpedance amplifier based front-end circuit for capacitance measurements. SN Applied Sciences, 2 (2). doi: https://doi.org/10.1007/s42452-020-2104-x
  19. Noh, J.-H. (2020). Frequency-Response Analysis and Design Rules for Capacitive Feedback Transimpedance Amplifier. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 69 (12), 9408–9416. doi: https://doi.org/10.1109/tim.2020.3006325
  20. Thandri, B. K., Silva-Martinez, J. (2006). An overview of feed-forward design techniques for high-gain wideband operational transconductance amplifiers. Microelectronics Journal, 37 (9), 1018–1029. doi: https://doi.org/10.1016/j.mejo.2006.02.003
  21. Rezaei, I., Khani, A. A. M., Dadgar, M., Attar, M. (2023). Fully active frequency compensation analysis on multi-stages CMOS amplifier. Memories - Materials, Devices, Circuits and Systems, 5, 100068. doi: https://doi.org/10.1016/j.memori.2023.100068
  22. Bendre, V. S., Kureshi, A. K. (2017). An Overview of Negative Feedback Compensation Techniques for Operational Transconductance Amplifiers. 2017 International Conference on Computing, Communication, Control and Automation (ICCUBEA). doi: https://doi.org/10.1109/iccubea.2017.8463683
Підвищення точності вимірювання напруженості електростатичних полів шляхом використання вдосконаленої схеми диференціального трансімпедансного підсилювача

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-12-29

Як цитувати

Повшенко, О. А., Баженов, В. Г., Паздрій, О. Я., & Богдан, Г. А. (2023). Підвищення точності вимірювання напруженості електростатичного поля шляхом використання вдосконаленої схеми диференціального трансімпедансного підсилювача. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(5 (126), 6–14. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.292691

Номер

Том 6 № 5 (126) (2023): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2023 Oleksandr Povshenko, Viktor Bazhenov, Olha Pazdrii, Halyna Bohdan

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.