Аналіз сучасних методів та засобів для вимірювання напруженості електростатичних полів атмосфери
DOI:
https://doi.org/10.15587/2706-5448.2023.285963Ключові слова:
електростатичні вимірювання, електричне поле атмосфери, електростатичне поле, вимірювальні прилади, млин електростатичного поляАнотація
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.
Посилання
- 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
- Roble, R., Tzur, I. (1986). The global atmospheric electrical circuit. The Earth's electrical environment. Washington: National Academies Press, 206–231.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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.
- 7 Electrostatic Instrument Manufacturers in 2023. Metoree. Available at: https://us.metoree.com/categories/static-electricity-meter/
- Electrostatic field measuring instrument max. ±30 kV | AD-1684A. DirectIndustry. Available at: https://www.directindustry.com/prod/d-company-limited/product-54946-1443153.html
- 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
- 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
- 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
- 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
- Ackermann, L., Bouwers, A., Carlsson, C., Dümmlin, K., Goering, U., Haxel, O. et al. (1968). Encyclopedia of Medical Radiology. Verlag Berlin Heidelberg.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Underwood, G. C. (2019). A MEMS Dual Vertical Electrometer and Electric Field-Mill. Aviailable at: https://scholar.afit.edu/etd/2288
- 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
- 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
- Smith, J. R. (1999). Electric field imaging. Massachusetts Institute of Technology.
- 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
- 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
- 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
- Generazio, E. R. (2016). Pat. No. 9,279,719 USA. Electric field quantitative measurement system and method. 08.05.2016.
- Generazio, E. R. (2017). Pat. No. 9,804,199 USA. Ephemeral electric potential and electric field sensor. 31.10.2017.
- Generazio, E. R. (2017). Pat. No. 9,559,616 USA. Quasi-static electric field generator. 31.01.2017.
- 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.
- Generazio, E. R. (2021). Pat. No. 10,900,930 USA. Method for phonon assisted creation and annihilation of subsurface electric dipoles. 26.01.2021.
- 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.
- Generazio, E. R. (2022). Pat. No. 11,360,048 USA. Method for phonon assisted creation and annihilation of subsurface electric dipoles. 14.07.2022.
- 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
- NASA Technical Reports Server (NTRS). Available at: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20160008937/downloads/20160008937.pdf
- 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.
- 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](https://journals.uran.ua/public/journals/15/submission_285963_324193_coverImage_en_US.jpg)
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Oleksandr Povcshenko, Viktor Bazhenov
![Creative Commons License](http://i.creativecommons.org/l/by/4.0/88x31.png)
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.