Методичні особливості розрахунку похибок вимірювання напруженості електростатичного поля

Вимірювання напруженості електричного поля атмосфери на сьогодні стало розповсюдженою задачею сучасної метеорології. Адже розподіл напруженості локального електричного поля поблизу поверхні Землі тісно пов’язаний з глобальним розподілом гроз і електрифікованих хмар. Силовою характеристикою електричного поля є його напруженість. Зміна атмосферного електричного поля відбувається відносно повільно, тому для вимірювання напруженості електричного поля найбільш широко використовуються електростатичні флюксметри (ЕФ). Електростатичні флюксметри знайшли своє застосування для моніторингу електричного поля за гарної погоди, вимірювання вертикального електричного поля всередині хмар та спостереження за рухом і еволюцією штормів. Були розроблені та задокументовані різні конструкції електростатичних флюксметрів протягом більш ніж століття, але оскільки дана тематика не є популяризованою, їх методи побудови та особливості розрахунків не задокументовані. Тому, постала необхідність в узагальненні будови приладу та розрахунку його метрологічних характеристик. Робота направлена на підвищення точності вимірювання та вдосконалення апаратного забезпечення електростатичних флюксметрів. Задача підвищення точності вимірювання електростатичного поля напряму залежить від зменшення похибок, які виникають в приладі. До причин цих похибок можна віднести як недосконалість методу вимірювання або невідповідність об’єкта вимірювання його моделі, так само, як і властивості засобів вимірювання. У попередніх дослідженнях авторами було використано математичну модель сенсору ЕФ, яка не відповідає реальній формі сигналу, що створило необхідність в її вдосконаленні. В даній роботі авторами було запропоновано та обґрунтовано універсальну математичну модель сенсору ЕФ. Також в роботі приведено аналіз складових запропонованої математичної моделі, який дозволить підібрати оптимальні параметри будови сенсору ЕФ, що підвищить його чутливість. Додатково у роботі було запропоновано власну функціональну схему ЕФ та розроблено методологію розрахунку її інструментальної похибки, що дозволяє виділити критичні параметри під час вибору комплектуючих для побудови приладу. Розглянуті аспекти в цій статті обґрунтовують актуальність підвищення точності вимірювання напруженості електростатичного поля. Проведена робота є початком досліджень, направлених на вдосконалення апаратного забезпечення електростатичних флюксметрів. Measuring the intensity of the electric field of the atmosphere today has become a widespread task of modern meteorology. After all, the distribution of the intensity of the local electric field near the surface of the earth is closely related to the global distribution of thunderstorms and electrified clouds. The force characteristic of an electric field is its intensity. The change in the atmospheric electric field occurs relatively slowly, so electrostatic field mill (EFM) are most widely used to measure the electric field strength. Electrostatic field mills have been used to monitor the electric field in good weather, measure the vertical electric field inside clouds, and observe the movement and evolution of storms. Various designs of EFM have been developed and documented for more than a century, but since the subject is not popularized, their construction methods and calculation features are not documented. Therefore, there was a need to generalize the structure of the device and calculate its metrological characteristics. The work is aimed at increasing the accuracy of measurement and improving the hardware of electrostatic field mills. The task of increasing the accuracy of measuring the electrostatic field on a straight line depends on reducing the errors that occur in the device. The causes of these errors can be attributed to the imperfection of the measurement method or the inconsistency of the measurement object to its model, as well as the properties of the measurement tools. In previous studies, the authors used a mathematical model of the EF sensor, which does not correspond to the real shape of the signal, which created the need for its improvement. In this work, the authors proposed and substantiated a universal mathematical model of the EFM sensor. The paper also provides an analysis of the components of the proposed mathematical model, which will allow choosing the optimal structural parameters of the EFM sensor, which will increase its sensitivity. In addition, the paper proposed its own functional scheme of the EFM and developed a methodology for calculating its instrumental error, which allows to single out critical parameters during the selection of components for the construction of the device. The aspects considered in this article substantiate the relevance of increasing the accuracy of measuring the electrostatic field strength. The work carried out is the beginning of research aimed at improving the hardware of electrostatic field mills.