Аналіз сучасних методів та засобів для вимірювання напруженості електростатичних полів атмосфери

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

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2023.285963

Ключові слова:

електростатичні вимірювання, електричне поле атмосфери, електростатичне поле, вимірювальні прилади, млин електростатичного поля

Анотація

Об’єктом дослідження є процес вимірювання напруженості електростатичного поля атмосфери. Дана робота присвячена аналітичному огляду та порівняльному аналізу сучасних методів і приладів вимірювання напруженості електростатичного поля атмосфери. Розглянуто результати наукових досліджень та сучасні практичні технології, які використовуються для розробки технічних засобів та підвищення точності вимірювання напруженості електростатичних полів.

У роботі сформовано загальні функціональні вимоги до апаратного забезпечення систем вимірювання напруженості електростатичного поля атмосфери та визначено основні напрями досліджень і практичні завдання щодо його створення. Детально розглянуто конструктивні особливості та характеристики існуючих засобів вимірювання. Визначено переваги та недоліки електрометрів, електростатичних польових млинів, мікроелектромеханічних електростатичних польових млинів, систем формування зображення електричного поля з огляду на їх мобільність, чутливість, частоту вимірювання, точність, діапазон вимірювання, лінійність і вартість. Аналіз стану сучасних методів і засобів вимірювання напруженості електростатичного поля показав, що одним із найкращих рішень для вимірювання напруженості електростатичного поля атмосфери на сьогоднішній день є використання вдосконаленого млина електростатичного поля.

Визначено, що однією з важливих проблем для забезпечення розробки методів і засобів вимірювання напруженості електростатичного поля атмосфери є необхідність узагальнення структури засобів вимірювання та розрахунку його метрологічних характеристик. Встановлено, що вирішення проблеми підвищення точності вимірювання напруженості електростатичного поля атмосфери потребує комплексного підходу, який базується на вдосконаленні конструкції сенсорної структури лічильника, підвищенні точності навігації та позиціонуванні, підвищенні автономності роботи, вдосконаленні систем зв'язку та передачі даних, а також забезпеченні високої стабільності та надійності роботи під впливом зовнішніх факторів. Удосконалення структури та підвищення характеристик млинів електростатичного поля в майбутньому забезпечить необхідну точність, компактність і доступність вимірювання та включення його в автоматизовану систему моніторингу та прогнозування електростатичного поля атмосфери.

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

Посилання

  1. Whipple, F. J. W. (2007). Modern views on atmospheric electricity. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 64 (275), 199–222. doi: https://doi.org/10.1002/qj.49706427502
  2. Roble, R., Tzur, I. (1986). The global atmospheric electrical circuit. The Earth's electrical environment. Washington: National Academies Press, 206–231.
  3. Markson, R. (2007). The Global Circuit Intensity: Its Measurement and Variation over the Last 50 Years. Bulletin of the American Meteorological Society, 88 (2), 223–242. doi: https://doi.org/10.1175/bams-88-2-223
  4. Liu, C., Williams, E. R., Zipser, E. J., Burns, G. (2010). Diurnal Variations of Global Thunderstorms and Electrified Shower Clouds and Their Contribution to the Global Electrical Circuit. Journal of the Atmospheric Sciences, 67 (2), 309–323. doi: https://doi.org/10.1175/2009jas3248.1
  5. Blakeslee, R. J., Mach, D. M., Bateman, M. G., Bailey, J. C. (2014). Seasonal variations in the lightning diurnal cycle and implications for the global electric circuit. Atmospheric Research, 135-136, 228–243. doi: https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2012.09.023
  6. Anisimov, S. V., Galichenko, S. V., Aphinogenov, K. V., Prokhorchuk, A. A. (2017). Evaluation of the Atmospheric Boundary-Layer Electrical Variability. Boundary-Layer Meteorology, 327–348. doi: https://doi.org/10.1007/s10546-017-0328-0
  7. Jacobson, E. A., Krider, E. P. (1976). Electrostatic Field Changes Produced by Florida Lightning. Journal of the Atmospheric Sciences, 33 (1), 103–117. doi: https://doi.org/10.1175/1520-0469(1976)033<0103:efcpbf>2.0.co;2
  8. Koshak, W. J., Krider, E. P. (1989). Analysis of lightning field changes during active Florida thunderstorms. Journal of Geophysical Research, 94 (D1), 1165. doi: https://doi.org/10.1029/jd094id01p01165
  9. Koshak, W. J., Krider, E. P. (1994). A Linear Method for Analyzing Lightning Field Changes. Journal of the Atmospheric Sciences, 51 (4), 473–488. doi: https://doi.org/10.1175/1520-0469(1994)051<0473:almfal>2.0.co;2
  10. Maier, L. M., Krider, E. P. (1986). The charges that are deposited by cloud-to-ground lightning in Florida. Journal of Geophysical Research, 91 (D12), 13275. doi: https://doi.org/10.1029/jd091id12p13275
  11. Murphy, M. J., Krider, E. P., Maier, M. W. (1996). Lightning charge analyses in small Convection and Precipitation Electrification (CaPE) experiment storms. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 101 (D23), 29615–29626. Portico. doi: https://doi.org/10.1029/96jd01538
  12. Chubb, J., Harbour, J. (2000). A system for the advance warning of risk of lightning. Paper presented at the Electrostatics Society of America ‘ESA 2000’ meeting Niagara Falls. Niagara Falls.
  13. Montanya, J., Bergas, J., Hermoso, B. (2004). Electric field measurements at ground level as a basis for lightning hazard warning. Journal of Electrostatics, 60 (2-4), 241–246. doi: https://doi.org/10.1016/j.elstat.2004.01.009
  14. Murphy, M. J., Holle, R. L., Demetriades, N. W. S. (2008). Cloud-to-ground lightning warnings using electric field mill and lightning observations. 20th International Lightning Detection Conference (ILDC). Tucson.
  15. 7 Electrostatic Instrument Manufacturers in 2023. Metoree. Available at: https://us.metoree.com/categories/static-electricity-meter/
  16. Electrostatic field measuring instrument max. ±30 kV | AD-1684A. DirectIndustry. Available at: https://www.directindustry.com/prod/d-company-limited/product-54946-1443153.html
  17. GHRC: Lightning field campaigns, detection instruments, and research proposals. Wayback Machine. Aviailable at: https://web.archive.org/web/20160307112621/http://thunder.msfc.nasa.gov/validation/validation.html#Interp
  18. 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
  19. Chauzy, S., Médale, J.-C., Prieur, S., Soula, S. (1991). Multilevel measurement of the electric field underneath a thundercloud: 1. A new system and the associated data processing. Journal of Geophysical Research, 96 (D12), 22319. doi: https://doi.org/10.1029/91jd02031
  20. Winn, W. P., Moore, C. B. (1971). Electric field measurements in thunderclouds using instrumented rockets. Journal of Geophysical Research, 76 (21), 5003–5017. doi: https://doi.org/10.1029/jc076i021p05003
  21. Ackermann, L., Bouwers, A., Carlsson, C., Dümmlin, K., Goering, U., Haxel, O. et al. (1968). Encyclopedia of Medical Radiology. Verlag Berlin Heidelberg.
  22. Acharya, Y. B. (2000). A wide range linear electrometer. Review of Scientific Instruments, 71 (6), 2585–2588. doi: https://doi.org/10.1063/1.1150653
  23. Harrison, R. G. (1997). An antenna electrometer system for atmospheric electrical measurements. Review of Scientific Instruments, 68 (3), 1599–1603. doi: https://doi.org/10.1063/1.1147932
  24. Harrison, R. G., Marlton, G. J., Nicoll, K. A., Airey, M. W., Williams, P. D. (2017). A self-calibrating wide range electrometer for in-cloud measurements. Review of Scientific Instruments, 88 (12). doi: https://doi.org/10.1063/1.5011177
  25. 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
  26. 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
  27. Buguet, M., Lalande, P., Laroche, P., Blanchet, P., Bouchard, A., Chazottes, A. (2021). Thundercloud Electrostatic Field Measurements during the Inflight EXAEDRE Campaign and during Lightning Strike to the Aircraft. Atmosphere, 12 (12), 1645. doi: https://doi.org/10.3390/atmos12121645
  28. Hsu, C. H., Muller, R. S. (1991). Micromechanical electrostatic voltmeter. TRANSDUCERS ’91: 1991 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators. Digest of Technical Papers. San Francisco. doi: https://doi.org/10.1109/sensor.1991.148966
  29. Yong Zhu, Lee, J. E.-Y., Seshia, A. A. (2008). A Resonant Micromachined Electrostatic Charge Sensor. IEEE Sensors Journal, 8 (9), 1499–1505. doi: https://doi.org/10.1109/jsen.2008.923597
  30. Peng, C., Chen, X., Bai, Q., Luo, L., Xia, S. (2006). A novel high performance micromechanical resonant electrostatic field sensor used in atmospheric electric field detection. Proceedings of the IEEE International Conference on MICRO Electro Mechanical Systems. Las Vegas. doi: https://doi.org/10.1109/memsys.2006.1627895
  31. Chen, X., Peng, C., Xia, S. (2008). Design of a thermally driven resonant miniature electric field sensor with feedback control. Proceedings of the IEEE International Conference on Nano/micro Engineered and Molecular Systems. Sanya. doi: https://doi.org/10.1109/nems.2008.4484329
  32. Riehl, P. S., Scott, K. L., Muller, R. S., Howe, R. T., Yasaitis, J. A. (2003). Electrostatic charge and field sensors based on micromechanical resonators. Journal of Microelectromechanical Systems, 12 (5), 577–589. doi: https://doi.org/10.1109/jmems.2003.818066
  33. Gong, C., Tao, H., Peng, C., Bai, Q., Chen, S., Xia, S. (2005). A novel miniature interlacing vibrating electric field sensor. Proceedings of the IEEE Sensors. Irvine. doi: https://doi.org/10.1109/icsens.2005.1597722
  34. Yang, P., Peng, C., Zhang, H., Liu, S., Fang, D., Xia, S. (2011). A high sensitivity SOI electric-field sensor with novel comb-shaped microelectrodes. Proceedings of the 16th International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference. Beijing. doi: https://doi.org/10.1109/transducers.2011.5969165
  35. Horenstein, M. N., Stone, P. R. (2001). A micro-aperture electrostatic field mill based on MEMS technology. Journal of Electrostatics, 51-52, 515–521. doi: https://doi.org/10.1016/s0304-3886(01)00048-1
  36. Bahreyni, B., Wijeweera, G., Shafai, C., Rajapakse, A. (2007). Design and testing of a field-chopping electric field sensor using thermal actuators with mechanically amplified response. Proceedings of the Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference. Lyon. doi: https://doi.org/10.1109/sensor.2007.4300404
  37. Bahreyni, B., Wijeweera, G., Shafai, C., Rajapakse, A. (2008). Analysis and Design of a Micromachined Electric-Field Sensor. Journal of Microelectromechanical Systems, 17 (1), 31–36. doi: https://doi.org/10.1109/jmems.2007.911870
  38. Huang, J., Wu, X., Wang, X., Yan, X., Lin, L. (2015). A novel high-sensitivity electrostatic biased electric field sensor. Journal of Micromechanics and Microengineering, 25 (9), 095008. doi: https://doi.org/10.1088/0960-1317/25/9/095008
  39. Wang, Y., Fang, D., Feng, K., Ren, R., Chen, B., Peng, C., Xia, S. (2015). A novel micro electric field sensor with X–Y dual axis sensitive differential structure. Sensors and Actuators A: Physical, 229, 1–7. doi: https://doi.org/10.1016/j.sna.2015.03.013
  40. Ma, Q., Huang, K., Yu, Z., Wang, Z. (2017). An electric field sensor with double-layer floating structure for measurement of dc synthetic field coupled with ion flow. Proceedings of the International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems. Kaohsiung. doi: https://doi.org/10.1109/transducers.2017.7994192
  41. Underwood, G. C. (2019). A MEMS Dual Vertical Electrometer and Electric Field-Mill. Aviailable at: https://scholar.afit.edu/etd/2288
  42. Ling, B., Wang, Y., Peng, C., Li, B., Chu, Z., Li, B., Xia, S. (2017). Single-chip 3D electric field microsensor. Frontiers of Mechanical Engineering, 12 (4), 581–590. doi: https://doi.org/10.1007/s11465-017-0454-x
  43. 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
  44. Smith, J. R. (1999). Electric field imaging. Massachusetts Institute of Technology.
  45. Smith, J. R., Garcia, E., Wistort, R., Krishnamoorthy, G. (2007). Electric field imaging pretouch for robotic graspers. 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 676–683. doi: https://doi.org/10.1109/iros.2007.4399609
  46. Electric Field Imaging System. T2 Portal. NASA Technology Transfer Portal Home. Available at: https://technology.nasa.gov/patent/LAR-TOPS-116 last accessed: 15.07.2023
  47. Generazio, E. R. (2017). Electric potential and electric field imaging. AIP Conference Proceedings. AIP Publishing, 1806 (1). doi: https://doi.org/10.1063/1.4974566
  48. Generazio, E. R. (2016). Pat. No. 9,279,719 USA. Electric field quantitative measurement system and method. 08.05.2016.
  49. Generazio, E. R. (2017). Pat. No. 9,804,199 USA. Ephemeral electric potential and electric field sensor. 31.10.2017.
  50. Generazio, E. R. (2017). Pat. No. 9,559,616 USA. Quasi-static electric field generator. 31.01.2017.
  51. Generazio, E. R. (2020). Pat. No. 10,712,378 USA. Dynamic multidimensional electric potential and electric field quantitative measurement system and method. 14.07.2020.
  52. Generazio, E. R. (2021). Pat. No. 10,900,930 USA. Method for phonon assisted creation and annihilation of subsurface electric dipoles. 26.01.2021.
  53. Generazio, E. R. (2022). Pat. No. 11,293,964 USA. Dynamic multidimensional electric potential and electric field quantitative measurement system and method. 05.04.2022.
  54. Generazio, E. R. (2022). Pat. No. 11,360,048 USA. Method for phonon assisted creation and annihilation of subsurface electric dipoles. 14.07.2022.
  55. Mens, L. H. M. (2007). Advances in Cochlear Implant Telemetry: Evoked Neural Responses, Electrical Field Imaging, and Technical Integrity. Trends in Amplification, 11 (3), 143–159. doi: https://doi.org/10.1177/1084713807304362
  56. NASA Technical Reports Server (NTRS). Available at: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20160008937/downloads/20160008937.pdf
  57. Generazio, E. R. (2019). Pat. No. 10,281,430 USA. Identification and characterization of remote objects by electric charge tunneling, injection, and induction, and an erasable organic molecular memory. 07.05.2019.
  58. Generazio, E. R. (2020). Pat. No. 10,620,252 USA. Electric field imaging system. 14.04.2020.
Analysis of modern atmospheric electrostatic field measuring instruments and methods

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-08-17

Як цитувати

Повшенко, О. А., & Баженов, В. Г. (2023). Аналіз сучасних методів та засобів для вимірювання напруженості електростатичних полів атмосфери. Technology Audit and Production Reserves, 4(1(72), 16–24. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2023.285963

Номер

Том 4 № 1(72) (2023): Виробничо-технологічні системи

Розділ

Електротехніка та промислова електроніка

Ліцензія

Авторське право (c) 2023 Oleksandr Povcshenko, Viktor Bazhenov

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.