An apparatus for the continuous measurement of the … · 2020. 4. 2. · AN APPARATUS FOR THE CONTINUOUS MEASUREMENT OF THE .ATMOSPHERIC ELECTRIC FIELD AND CONDUCTIVITY by Ronald

An apparatus for the continuous measurementof the atmospheric electric field and conductivity

Item Type text; Thesis-Reproduction (electronic)

Authors Peck, Ronald Lee

Publisher The University of Arizona.

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AN APPARATUS FOR THE CONTINUOUS MEASUREMENT OF THE

.ATMOSPHERIC ELECTRIC FIELD AND CONDUCTIVITY

b y

R o n a l d L ee P e c k

A T h e s i s S u b m i t t e d t o t h e F a c u l t y o f t h e

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

I n P a r t i a l F u l f i l l m e n t o f t h e R e q u i r e m e n t s F o r t h e D e g r e e o f

MASTER OF SCIENCE

I n t h e G r a d u a t e C o l l e g e

THE UNIVERSITY OF ARIZONA

1 9 7 1

STATEMENT'BY AUTHOR

T h i s t h e s i s h a s b e e n s u b m i t t e d i n p a r t i a l f u l f i l l m e n t o f r e q u i r e m e n t s f o r an a d v a n c e d d e g r e e a t The U n i v e r s i t y o f A r i z o n a a n d i s d e p o s i t e d i n t h e U n i v e r s i t y L i b r a r y t o b e made a v a i l a b l e t o b o r r o w e r s u n d e r r u l e s o f t h e L i b r a r y .

B r i e f q u o t a t i o n s f r o m t h i s t h e s i s . a r e a l l o w a b l e w i t h o u t s p e c i a l p e r m i s s i o n , p r o v i d e d t h a t a c c u r a t e a c k n o w l e d g m e n t o f s o u r c e i s made. R e q u e s t s f o r p e r m i s s i o n f o r e x t e n d e d q u o t a t i o n f r o m o r r e p r o d u c t i o n o f t h i s m a n u s c r i p t i n w h o l e o r i n p a r t may b e g r a n t e d b y t h e h e a d o f t h e m a j o r d e p a r t m e n t o r t h e Dean o f t h e G r a d u a t e C o l l e g e when i n h i s j u d g m en t t h e p r o p o s e d u s e o f t h e m a t e r i a l i s i n t h e i n t e r e s t s o f s c h o l a r s h i p . I n a l l o t h e r i n s t a n c e s , h o w e v e r , p e r m i s s i o n m u s t b e o b t a i n e d f r o m t h e a u t h o r .

SIGNED:

APPROVAL BY THESIS DIRECTOR

T h i s t h e s i s h a s b e e n a p p r o v e d on t h e d a t e shown b e l o w :

i t / s u l ? _ /W. H. E v an s * Da t e

P r o f e s s o r o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g

ACKNOWLEDGMENTS

The a u t h o r w i s h e s t o t h a n k P r o f e s s o r W. H . E v a n s f o r h i s

g u i d a n c e an d i n t e r e s t t h r o u g h o u t t h e c o u r s e o f t h i s w o r k , an d t h e

s t a f f o f t h e A t m o s p h e r i c E l e c t r i c i t y L a b o r a t o r y f o r t h e i r , a s s i s t a n c e

i n t h i s p ' r o j e c t .

The a u t h o r a l s o t h a n k s h i s w i f e a n d f a m i l y f o r t h e i r p a t i e n c e

a n d u n d e r s t a n d i n g »

T h i s p r o j e c t was s u p p o r t e d b y t h e N a t i o n a l S c i e n c e F o u n d a t i o n

t h r o u g h r e s e a r c h g r a n t G A -1 0 4 2 8 .

TABLE OF CONTENTS

Page

LIST OF ILLUSTRATIONS , . ........................... v i

LIST OF TABLES . . . . . . . . , . . . . . . . . v i i i

ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . ............................... « , . . * . . . i x

CHAPTER ’ "

1 INTRODUCTION . . ................................. ..... . . . . . . . . . . . . 1

1 . 1 S t a t e m e n t o f t h e P r o b l e m a n d J u s t i f i c a t i o n ............................. 11 . 2 The A p p r o a c h ........................................... . . . ............................................ 2

2 BACKGROUND AND THEORY . . . . . . . . . . . . . . 3

2 . 1 H i s t o r i c a l B a c k g r o u n d . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 . 2 T h e o r y o f a n A p p a r a t u s f o r t h e C o n t i n u o u s M e a s u r i n g

o f E l e c t r i c F i e l d an d C o n d u c t i v i t y . . . . . . . . . . 6

3 PRESENT INSTRUMENTS . . . . . . . . . . \ . . . . . . . 18

3 . 1 M e c h a n i c a l C o m p o n e n t s ................... ......................................................... 183 . 2 E l e c t r i c a l C i r c u i t s . ........................................ 22

3 . 2 . 1 E l e c t r o m e t e r ......................................... 223 . 2 . 2 The F i e l d C o m p r e s s o r ............................................................... 263 . 2 . 3 The S y n c h r o n o u s R e c t i f i e r a n d D e t e c t o r . . . . 313 . 2 . 4 The O u t p u t A m p l i f i e r s ...................................... . .c-* 333 . 2 . 5 C o m ponen t s U sed . ' ............................... 36

4 MEASUREMENTS AND DATA REDUCTION.............................. 40

4 . 1 C a l i b r a t i o n P r o c e d u r e s . . , . . . ................................. 404 . 2 C a l i b r a t i o n C u r v e s . . ........................... . . . . . . . . 414 . 3 R e d u c t i o n o f D a ta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4 . 3 . 1 E l e c t r i c . F i e l d T h u n d e r s t o r m D a t a . . . . . . . 464 . 3 . 2 C o n d u c t i v i t y T h u n d e r s t o r m D a ta . . . . . . . . 57

i v

v

TABLE .OF CONTENTS— C o n t i n u e d

C h a p t e r P a g e

5 CONCLUSIONS AND SUGGESTIONS FOR FURTHER STUDIES ........................ 59

' 5 . 1 C o n c l u s i o n s . ̂ ........................ 595 . 2 S u g g e s t i o n s f o r F u r t h e r S t u d i e s ........................................ 59

APPENDIX A: COMPRESSOR RESPONSE CURVES . . . . . . ........................ 61

APPENDIX B: OUTPUT AMPLIFIER RESPONSE CURVES . . . . .............................. 67

APPENDIX C: CALIBRATION CURVES . .................................. . . . . . . . . . . 74

LIST OF REFERENCES . '........................... 82

LIST OF.ILLUSTRATIONS

Figure - Page

2 . 1 S i m p l i f i e d E l e c t r i c F i e l d M i l l 4

2 . 2 E q u i v a l e n t C i r c u i t o f a F i e l d M i l l Show ing V a r i a t i o no f C a p a c i t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 . 3 E q u i v a l e n t C i r c u i t o f a F i e l d M i l l Show ing V a r i a t i o no f C o n d u c t a n c e . ..................... 9

2 . 4 C u r r e n t Wave Forms . .............................. • - » . 17

3 . 1 ' Cutaway View o f F i e l d M i l l ; '................................. . 19

3 . 2 E l e c t r o m e t e r an d F i e l d C o m p r e s s o r B o a r d ............................... 2.0

3 . 3 Power S u p p l y a n d R e l a y D r i v e r B o a r d .............................. 20

3 . 4 O u t p u t A m p l i f i e r B o a r d ......................... 21

3 . 5 Neon Lamp D r i v e r B o a r d .................... . . . . . . . . . . . . . 21

3 . 6 B l o c k D ia g r a m o f F i e l d M i l l ......................... 23

3 . 7 E l e c t r o m e t e r C i r c u i t . . . . . . . . . . . . . ......................... 24

. . 3 . 8 S i m p l i f i e d E l e c t r o m e t e r C i r c u i t ........................................ 25

3 . 9 F i e l d C o m p r e s s o r C i r c u i t ......................... . . 29

3 . 1 0 I d e a l a n d A c t u a l C o m p r e s s o r R e s p o n s e . . . . . . . . . . . . 30

3 . 1 1 R e l a y D r i v e r C i r c u i t an d Neon Lamp C i r c u i t . . . . . . _ . . ‘ 32

3 . 1 2 . C o n d u c t i v i t y O u t p u t A m p l i f i e r ........................ 34

3 . 1 3 F i e l d O u t p u t A m p l i f i e r .............................................................. 35

3 . 1 4 O u t p u t A m p l i f i e r T e s t C i r c u i t ......................... 37

3 . 1 5 T y p i c a l O u t p u t A m p l i f i e r R e s p o n s e . 38

vii

LIST OF ILLUSTRATIONS— Continued

. Figure .Page

4 . 1 M i l l #2 P o s i t i v e O u t p u t v s . A p p l i e d P o s i t i v e F i e l d . . . . 42

4 . 2 M i l l #2 N e g a t i v e O u t p u t v s . A p p l i e d N e g a t i v e F i e l d . . . . 43

4 . 3 E l e c t r i c F i e l d V a r i a t i o n D u r i n g a T h u n d e r s t o r m . . . . * . 47

A - l M i l l #1 C o m p r e s s o r R e s p o n s e C u rv e . . . . . ..................................... 62

A-2 M i l l #2 C o m p r e s s o r R e s p o n s e C u r v e . . .......................... 63

A -3 M i l l #3 C o m p r e s s o r R e s p o n s e C u r v e . . . . . . . . ...................... 64

A-4 M i l l #4 C o m p r e s s o r R e s p o n s e C u r v e ........................... 65

B - l M i l l #1 F i e l d O u t p u t A m p l i f i e r R e s p o n s e C u r v e . 6 8

B-2 M i l l #2 F i e l d O u t p u t A m p l i f i e r R e s p o n s e C u r v e . . . . . . . 69

B-3 M i l l # 2 : C o n d u c t i v i t y O u t p u t A m p l i f i e r R e s p o n s e C u r v e . . . 7 0

B-4 M i l l #3 F i e l d O u t p u t A m p l i f i e r R e s p o n s e C u rv e . ...................... 71

B-5 M i l l #4 F i e l d O u t p u t A m p l i f i e r R e s p o n s e C u r v e ................................ 72

B- 6 M i l l #4 C o n d u c t i v i t y O u t p u t A m p l i f i e r R e s p o n s e C u r v e . . . 73

C - l M i l l #1 N e g a t i v e O u t p u t v s . A p p l i e d P o s i t i v e F i e l d . . . . 75

C-2 M i l l #1 P o s i t i v e O u t p u t v s . A p p l i e d N e g a t i v e F i e l d . . . . 76

C-3 M i l l #3; N e g a t i v e O u t p u t v s . A p p l i e d P o s i t i v e F i e l d . . . . 77

C-4 M i l l #3 P o s i t i v e O u t p u t v s . A p p l i e d N e g a t i v e F i e l d . . . . 78

C-5 M i l l #4 P o s i t i v e O u t p u t v s . A p p l i e d P o s i t i v e F i e l d . . . . 79

C~ 6 M i l l #4 N e g a t i v e O u t p u t v s . A p p l i e d N e g a t i v e F i e l d . . . . 80

LIST OF TABLES

T a b l e

4 . 1 C o n d u c t i v i t i e s a t S e l e c t e d T im es D u r i n g T h u n d e r s t o r m . . .

A~1 V a l u e s o f Rn , R0 a n d R_ i n C o m p r e s s o r C i r c u i t . . . . .1 . 2 temp

C - l C a l i b r a t i o n D a t a ........................................................................................................

v i i i

ABSTRACT

F o u r g r o u n d - b a s e d i n s t r u m e n t s a r e d e v e l o p e d t o m e a s u r e t h e

a t m o s p h e r i c e l e c t r i c f i e l d . Two o f t h e f o u r a l s o h a v e t h e c a p a b i l i t y

o f m e a s u r i n g t h e c o n d u c t i v i t y . The i n s t r u m e n t s a r e d e s i g n e d an d

e v a l u a t e d f o r c o n t i n u o u s u s e i n f a i r w e a t h e r a n d a l s o d u r i n g s e v e r e

t h u n d e r s t o r m s . F i e l d s i n t h e r a n g e o f . 1 t o 1 , 0 0 0 v o l t s p e r m e t e r c a n

b e m e a s u r e d . I n t h e p r e s e n c e o f l a r g e f i e l d s a n o r d e r o f m a g n i t u d e of.

c o n d u c t i v i t y c a n b e - m a d e .

CHAPTER 1

INTRODUCTION

1 . 1 S t a t e m e n t o f t h e P r o b l e m a n d J u s t i f i c a t i o n

M e a s u r e m e n t o f t h e a t m o s p h e r i c e l e c t r i c a l f i e l d , o r v e r t i c a l

p o t e n t i a l g r a d i e n t [ C h a l m e r s , 1 9 6 7 ] , i s a p r o b l e m t h a t f a c e s many

a t m o s p h e r i c e l e c t r i c i t y i n v e s t i g a t o r s . T h e r e a r e s e v e r a l d e v i c e s t o

make s u c h m e a s u r e m e n t s ; t h e m o s t common a n d a c c u r a t e o f t h e s e i s t h e

e l e c t r i c f i e l d m i l l . Harnwe 11 a n d Van V o o r h i s [1933] ' d e s c r i b e d p e r h a p s

t h e f i r s t f i e l d m i l l , a l t h o u g h t h e r e w e r e s e v e r a l e a r l i e r m e t h o d s o f

f i e l d m e a s u r e m e n t [ C h a l m e r s , 1 9 6 7 ] . S i n c e t h e m e a s u r e m e n t i t s e l f r e l i e s

on t h e s e n s i n g o f t h e b ound c h a r g e on a c o l l e c t o r o f some t y p e , an d

t h e s e c h a r g e s a r e a l w a y s s m a l l , t h e h e a r t o f an y s u c h d e v i c e i s t h e

e l e c t r o m e t e r .

E s s e n t i a l l y a n e l e c t r i c f i e l d m i l l c o n s i s t s o f a p e r i o d i c a l l y

s h i e l d e d c o l l e c t o r , a n e l e c t r o m e t e r t o m e a s u r e t h e s m a l l c u r r e n t c h a n g e s ,

a s y n c h r o n o u s r e c t i f i e r t o c o n v e r t t h e e l e c t r o m e t e r o u t p u t t o a p o l a r i t y

s e n s i t i v e D-C v o l t a g e a n d a D-C a m p l i f i e r t o g i v e t h e d e s i r e d o u t p u t

v o l t a g e r a n g e . ' ' •

I t i s o f t e n d e s i r a b l e t o a l s o m e a s u r e t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y

a t t h e same t i m e t h a t t h e e l e c t r i c f i e l d s a r e b e i n g m e a s u r e d . . N o rm a l

e l e c t r i c f i e l d m i l l s c a n n o t b e u s e d f o r a c c u r a t e m e a s u r e m e n t o f t h e c o n

d u c t i v i t y due t o t h e e f f e c t s o f s p a c e c h a r g e and t h e u n c o n t r o l l e d a i r

f l o w ; h o w e v e r , t h e s e d e v i c e s c a n b e u s e d f o r r o u g h m e a s u r e m e n t s o f t h i s

q u a n t i t y [ E v a n s , 1 9 6 9 ] . {

C o n t i n u o u s m e a s u r e m e n t o f t h e e l e c t r i c - f i e l d r e q u i r e s an i n s t r u

m e n t t h a t h a s good m e c h a n i c a l s t a b i l i t y i n b o t h t h e e l e c t r o n i c and

m e c h a n i c a l p a r t s „ I n a d d i t i o n , s i n c e g r o u n d b a s e d m e a s u r e m e n t s o f

i n t e r e s t v a r y o v e r a b o u t f o u r d e c a d e s ( . 1 t o a b o u t 1 0 0 0 v o l t s / m e t e r )

some t y p e o f q u a s i - 1 o g a r i t h m i c c o m p r e s s i o n n e t w o r k o r a u t o m a t i c s c a l e

c h a n g e i s r e q u i r e d .

1 . 2 The A p p r o a c h

The i n s t r u m e n t s d e s i g n e d a n d b u i l t do n o t d i f f e r a p p r e c i a b l y

f r o m some o f t h e p r e v i o u s l y b u i l t e l e c t r i c f i e l d m i l l , w i t h t h e e x c e p

t i o n ' o f t h e c o n d u c t i v i t y m e a s u r e m e n t c a p a b i l i t y a n d t h e l o g a r i t h m i c

c o m p r e s s i o n i n t h e f i e l d c h a n n e l . R e c e n t co m p o n en t d e v e l o p m e n t s , how

e v e r , a l l o w some m a j o r i m p r o v e m e n t s : s l o w s p e e d m o t o r s p r o l o n g t h e l i f e ,

i n e x p e n s i v e s o l i d - s t a t e a m p l i f i e r s r e d u c e s i z e an d c o s t , a n d t e m p e r a t u r e

s t a b i l i z e d d i o d e s p e r m i t a c c u r a t e d a t a c o m p r e s s i o n . E x t e n s i v e c h e c k i n g

i s r e q u i r e d t o a s s u r e s t a b i l i t y o v e r t h e w i d e t e m p e r a t u r e r a n g e o f

a p p r o x i m a t e l y 0 t o 6 0 °C a n d r e a s o n a b l y p r i c e d c o m p o n e n t s a r e now r e a d i l y

a v a i l a b l e t o o p e r a t e i n t h i s r a n g e .

CHAPTER 2

BACKGROUND AND THEORY

•2.1 H i s t o r i c a l B a c k g r o u n d

C h a l m e r s [1 9 6 7 ] d i v i d e s e l e c t r i c f i e l d m a c h i n e s i n t o f o u r g r o u p s

d e p e n d i n g on t h e o u t p u t 5 e i t h e r AC o r DC an d t h e t y p e o f s h i e l d i n g ,

e i t h e r r o t a t i n g c o n d u c t o r o r r o t a t i n g c o v e r . F i e l d m i l l s , a c c o r d i n g t o

C h a l m e r s , a r e t h o s e d e v i c e s t h a t h a v e a r o t a t i n g c o v e r a n d a f i x e d c o n

d u c t o r w h i c h i s c o n n e c t e d t o g r o u n d t h r o u g h t h e m e a s u r i n g c i r c u i t .

F i g u r e 2 . 1 shows a s i m p l i f i e d v i e w o f t h e f i e l d m i l l a n d p l a t e s .

The o r i g i n a l i n s t r u m e n t o f H a r n w e l l a n d Van V o o r h i s [1 9 3 3 ] was

n o t d e s i g n e d f o r u s e . i n m e a s u r i n g a t m o s p h e r i c e l e c t r i c f i e l d s , i n s t e a d

i t was m e a n t t o be u s e d a s a h i g h v o l t a g e m e a s u r i n g i n s t r u m e n t . T h e r e

f o r e , t h e r e was no m e t h o d t o d e t e r m i n e t h e s i g n o f t h e a p p l i e d f i e l d .

They i n c o r p o r a t e d w h a t i s e s s e n t i a l l y n e g a t i v e f e e d b a c k i n t h e i r i n s t r u

m e n t , t h u s , a p o t e n t i a l i s a p p l i e d t o t h e s t a t i o n a r y c o v e r w h i c h i n

e f f e c t c a n c e l s t h e e x t e r n a l f i e l d . T h i s v o l t a g e i s t h e n d i r e c t l y p r o -.

p o r t i o n a l t o t h e a p p l i e d f i e l d .

•Adamson [ I 9 6 0 ] b u i l t a s i m i l a r i n s t r u m e n t ; h o w e v e r , i t d i d h a v e

s i g n d e t e r m i n a t i o n c a p a b i l i t i e s . A g a i n t h e n e g a t i v e f e e d b a c k l o o p

e n c l o s e d t h e w h o l e s y s t e m , n o t j u s t t h e e l e c t r o n i c s . T h a t i s , i t was

f e e d b a c k t o t h e s t a t i o n a r y c o v e r . T h i s , a c c o r d i n g t o t h e a u t h o r

e n s u r e d l i n e a r i t y o f r e s p o n s e , w h i c h was n e c e s s a r y s i n c e t h e f i e l d m i l l

4

To E l e c t r o m e t e r

To S y n c h r o n o u s Rect i f i er. '—S t a t io n a r y Shield

\ Rotat ing Shield

S t a t i o n a r y Col l ec tor

Com m unt oto r

M o t o r

S t a t io n a r y C ol l ec t or

Rotat in g Shield

Stat ion ary Shield

Fig. 2.1 Simplified Electric Field Mill

was t o p r o v i d e c o m p e n s a t i o n f o r t h e m e a s u r e m e n t o f a c o n d u c t i o n c u r r e n t .

C o n d u c t i o n c u r r e n t s o r a i r - e a r t h c u r r e n t s a r e r e l a t e d t o t h e c o n d u c t i v

i t y . T h e r e i s no m e n t i o n b y Adamson a s t o t h e r a n g e o f h i s i n s t r u m e n t ,

a l t h o u g h h e d o e s l i m i t i t s u s e f u l n e s s t o n o n - t h u n d e r s t o r m m e a s u r e m e n t s .

The c o n t i n u o u s m o n i t o r i n g f i e l d m i l l w i l l n o t r e s p o n d t o v e r y

r a p i d c h a n g e s o f e l e c t r i c f i e l d . K i t a g a w a a n d B ro o k ' [ I 9 6 0 ] h a v e b u i l t

two. i n s t r u m e n t s t o s t u d y t h e d e t a i l e d c h a n g e s i n e l e c t r i c f i e l d d u r i n g

. a . l i g h t n i n g d i s c h a r g e . T h e s e i n s t r u m e n t s do n o t h a v e a r o t a t i n g s h i e l d

a n d a r e m e n t i o n e d h e r e o n l y a s a means o f m e a s u r i n g v e r y r a p i d c h a n g e s ,

b e y o n d t h e c a p a b i l i t i e s o f t h e n o r m a l , f i e l d m i l l .

S i n c e t h e l a t e 1 9 5 0 Ts t h e r e h a s b e e n l i t t l e w o r k p u b l i s h e d i n

t h e a r e a o f f i e l d m i l l s . W i t h t h e a d v e n t , o f FET1s a n d i n t e g r a t e d c i r c u i t

o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r s many o f t h e o l d vacuum t u b e c i r c u i t s c a n now b e

g r e a t l y i m p r o v e d .

E x a c t d e t e r m i n a t i o n o f t h e c o n d u c t i v i t y o f t h e a i r i s p e r h a p s

d o n e b e s t by a G e r d i e n c o n d e n s e r [ G e r d i e n , 1 9 0 5 ] . H o w e v e r , o r d e r o f

m a g n i t u d e m e a s u r e m e n t s c a n b e made i n c o n j u n c t i o n w i t h e l e c t r i c f i e l d

m i l l m e a s u r e m e n t s , b y p r o p e r d e t e c t i o n t e c h n i q u e s . E v a n s [1 9 6 9 ]

d e s c r i b e s a n i n s t r u m e n t t h a t i s u s e d t o c a r r y o u t t h e s e m e a s u r e m e n t s

i n t h u n d e r c l o u d s . A d i f f e r e n t i a l i n p u t t o a FET e l e c t r o m e t e r g i v e s a

s i n u s o i d a l o u t p u t f e d t h r o u g h .a s y n c h r o n i z e d c h o p p e r t o g e t b o t h f i e l d

. a n d c o n d u c t i v i t y d a t a . The i n s t r u m e n t s d e s c r i b e d b e l o w a r e s i n g l e c o l

l e c t i n g p l a t e v a r i a t i o n s o f t h a t d e v i c e . T h a t i s a b a s i c FET i n p u t ,

d i f f e r e n t i a l a m p l i f i e r i s u s e d a s an e l e c t r o m e t e r , w i t h o n e i n p u t g o i n g

t o g r o u n d t h r o u g h a l a r g e i m p e d a n c e .

2 . 2 T h e o r y o f an A p p a r a t u s f o r t h e C o n t i n u o u s M e a s u r i n go f E l e c t r i c F i e l d a n d C o n d u c t i v i t y

C o n s i d e r t h e s i m p l e p i c t u r e o f a f i e l d m i l l a s shown i n F i g . 2 . 1 .

I f ‘ t h i s d e v i c e i s i n t h e p r e s e n c e o f a v e r t i c a l e l e c t r i c f i e l d 3 i . e . ,

t h e p l a t e s a r e p a r a l l e l t o t h e e q u i - p o t e n t i a l l i n e s , t h e r e w i l l b e a

b o u n d c h a r g e i n d u c e d on t h e p l a t e s . F u r t h e r , a n y b o u n d c h a r g e t h a t was

i n d u c e d on t h e c o l l e c t o r when i t was e x p o s e d w i l l d r a i n o f f t h r o u g h t h e

h i g h i m p e d a n c e o f t h e e l e c t r o m e t e r t o g r o u n d when i t i s s h i e l d e d b y t h e

r o t o r . T h i s t o t a l c u r r e n t t h a t f l o w s i s d u e t o two c o m p o n e n t s : t h e d i s

p l a c e m e n t c u r r e n t a n d t h e c o n d u c t i o n c u r r e n t . T h i s c a n b e e a s i l y shown

f r o m M a x w e l l ' s e q u a t i o n s a s '

I T( J + | ^ ) • ds ( 2 . D

The c o n d u c t i o n c u r r e n t , t e r m i s

I = c

J « ds r. ( 2 . 2 )s

w h i c h , s i n c e

, J = X E . . ( 2 . 3 )

c a n b e r e w r i t t e n a s

I = c XE - d s ( 2 . 4 )

s

At t h i s p o i n t i t i s n e c e s s a r y t o make one o f two a s s u m p t i o n s ,

I t i s p o s s i b l e t o a s s u m e t h a t t h e c o n d u c t i v i t y , X, a n d t h e e l e c t r i c

f i e l d , E, a r e c o n s t a n t o r v a r y i n g s l o w l y i n t h e v i c i n i t y o f t h e

. m e a s u r i n g d e v i c e 5 o r a s s u m e t h e m e a s u r e m e n t i s a n a v e r a g e v a l u e . The

l a t t e r i s t h e m o s t v a l i d i n t h i s c a s e s i n c e t h e o u t p u t a m p l i f i e r s h a v e

f a i r l y l o n g r e s p o n s e t i m e s a n d do g i v e an o u t p u t t h a t i s p r o p o r t i o n a l

t o t h e a v e r a g e o f t h e i n p u t s i g n a l . T h e r e f o r e , E a n d X a r e a v e r a g e

v a l u e s , a n d c a n b e r e m o v e d f r o m t h e i n t e g r a l .

T h e r e f o r e ,

ds ( 2 . 5 )

a n d

(2 . 6)

w h e r e t h e i n t e g r a l o f ds i s t h e e f f e c t i v e e x p o s e d a r e a o f t h e c o l l e c t o r .

VThe d i s p l a c e m e n t c u r r e n t i s g i v e n b y :

3D — 3i * dS

( 2 . 7 )

a n d

D = e E (2 .8)

s o

I d "3 E E _ _ _ . ds ( 2 . 9 )

A g a i n , m a k in g t h e a s s u m p t i o n t h a t E i s t o b e an a v e r a g e and: w i t h e

c o n s t a n t .

S u b s t i t u t i n g E q n s . ( 2 . 6 ) a n d ( 2 . 1 1 ) b a c k i n t o ( 2 . 1 )

^ + ^ f r + x ^ ( 2 - 12)

The e f f e c t o f t h e p e r i o d i c s h i e l d i n g a n d e x p o s i n g o f t h e c o l l e c t o r i s

t o h a v e t h e e l e c t r i c f i e l d a p p e a r t o b e v a r y i n g w i t h t i m e . T h i s v a r i

a t i o n may b e s i n u s o i d a l ; h o w e v e r , i f i t i s n o t , a F o u r i e r a n a l y s i s w i l l

y i e l d a s i n u s o i d a l s e r i e s . T h e r e f o r e , i f

E = s i n cot ( 2 . 1 3 )

E q u a t i o n ( 2 . 1 2 ) c a n b e r e w r i t t e n a s

E 0 Ae (eco c o s cot + X s i n cot) (2 . 1 4 )

The o u t p u t o f t h e e l e c t r o m e t e r i s r e l a t e d t o t h i s c u r r e n t b y

a c o n s t a n t g a i n .

v = e - k e 4 ( 2 - 15 ;)

E v an s [1 9 6 5 ] h a s a n a l y z e d , t h e i n p u t c o n d i t i o n s o f t h e f i e l d m i l l ,

F i g u r e 2 . 2 shows t h e e q u i v a l e n t e l e c t r i c a l c i r c u i t o f a f i e l d m i l l . The

u p p e r p l a t e r e p r e s e n t s t h e i o n o s p h e r e . As t h e r o t o r moves t h e c a p a c i

t a n c e ' s c h a n g e a s some p e r i o d i c f u n c t i o n , S i n c e t h e r e i s a p p r o x i m a t e l y a

s i n u s o i d a l v a r i a t i o n ( o r sums o f s i n u s o i d s ) i n t h e c a p a c i t a n c e :

9

_ j .r - C Z-- 1

F i g . 2 . 2 E q u i v a l e n t C i r c u i t o f a F i e l d M i l l Sho w ing V a r i a t i o n o f C a p a c i t a n c e

cj

F i g . 2 . 3 E q u i v a l e n t C i r c u i t o f a F i e l d M i l l S how ing V a r i a t i o n o f C o n d u c t a n c e

10

C- = C “h C s i n cot ( 2 . 1 6 )l e v

w h e r e C i s t h e f i x e d c a p a c i t a n c e a n d w i s t h e a n g u l a r v e l o c i t y o f t h e

s h i e l d . I n t h e c a s e o f a n o n - s i n u s o i d a l v a r i a t i o n i t i s t h e f u n d a m e n t a l

t e r m i n t h e F o u r i e r S e r i e s . A l s o f o r t h e s i n u s o i d a l c a s e

C0 = C - C s i n cot " ( 2 . 1 7 )2 g P

w h e r e C i s t h e c a p a c i t a n c e t o g r o u n d a n d C i s t h e m a g n i t u d e o f t h e g P

v a r i a t i o n . I t c a n b e s e e n t h a t a s i n c r e a s e s 5 m u s t d e c r e a s e so

a n d a r e i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l .

W r i t i n g a n o d e e q u a t i o n a t V o f F i g . 2 . 2 y i e l d s

v d ° df + It Icl

11

V— + — [V (C + C , s i n wt) - V(C + C r s i n u t ) = 0 ( 2 . 2 3 )K at o t a o V

R e w r i t i n g

VR^" + [Vo (Ct + s i n cot)] - VC^ w co s cat = 0 ( 2 . 2 4 )

I n t h e a b o v e f o r m t h e e q u a t i o n i s s i m i l a r t o t h e s t a n d a r d f o r m o f a

l i n e a r d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n w i t h v a r i a b l e c o e f f i c i e n t s . H o w e v e r , i f

C - = 0 (C = C ) t h e n t h e c o e f f i c i e n t s a r e c o n s t a n t a n d a s o l u t i o n c a n d p v

b e f o u n d . R e w r i t i n g Eq, (2 . 2 4 ) w i t h = 0 y i e l d s

V4 - (C V ) = VC co c o s cot ( 2 . 2 5 )

R d t t o v -

S i n c e f r o m Eq. ( 2 . 2 0 ) t h e t e r m i s c o n s t a n t , Eq . ( 2 . 2 5 ) c a n b e

dV VC

+ ec; vo ■ ^ “ cos “ t

12

I f t h e s e a r e c o n s i d e r e d a s two v e c t o r s , t h e p h a s e a n g l e an d

r e s u l t a n t m a g n i t u d e ca n b e f o u n d .

RCt

to

so

s i n

w h i c h c a n b e r e d u c e d t o

/ • 9 - 9 + o) 2 s i n (cot + (f))/ IT C 2

w h e r e

S u b s t i t u t i n g t h i s b a c k i n t o Eq. ( 2 . 2 7 ) g i v e s

VCT7w 1V = — :— :------ :— / - "? y + CO2 Bin (cot + 4>) (2 .3 1 )° Ct -1— + /RCt

r 2 c 2

w h i c h r e d u c e s t o

cvV = V — co s i n (cot .+ cj)) ( 2 . 3 2 ) .° c t

M u l t i p l y t h r o u g h b y a lco/1/co a n d t h e e x p r e s s i o n i s t h e same fo r m a t t h a t

a r r i v e d a t by E v a n s .

Cv 1V = V — )----------- r — ------ s i n (cot +

- 14

h o w e v e r , f o r t h i s a n a l y s i s , i t h a s b e e n i g n o r e d s i n c e i t w i l l d e c a y o u t ,

a n d t h e i n t e r e s t i s i n t h e l o n g t e r m s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n .

. I f t h e b)RCt t e r m i s made l a r g e , w h i c h i t c a n b e b y p r o p e r d e s i g n , ,

t h e o u t p u t v o l t a g e i s i n d e p e n d e n t o f t h e r o t a t i o n f r e q u e n c y . A l s o , a :

s y n c h r o n o u s m o t o r i s u s e d so t h a t t h i s ' f r e q u e n c y i s c o n s t a n t . The p o s s i

b i l i t y a l s o e x i s t s o f p a d d i n g c e r t a i n p a r a m e t e r s t o e n s u r e t h e a c c u r a c y

o f t h e a b o v e a n a l y s i s . -

F o r t h e c a s e w h e r e f 0 , d i v i d e "Eq. ( 2 . 2 2 ) t h r o u g h b y C^,

w h i c h w i l l g i v e

d _d t

Cd(1 4- s i n wt)V

Ct °-

V cv'+ = V — 03 c o s cot (2 .3 4 )

The s o l u t i o n f o r t h i s e q u a t i o n i s n o t s i m p l e an d w i l l n o t b e g i v e n h e r e .

As i t t u r n s o u t t h e t e r m s w h i c h c o n t r o l t h e f o r m o f t h e F o u r i e r

’ Cd - 1s e r i e s t h a t i s a s o l u t i o n a r e —— a n d (coRCt ) . E v an s s t a t e s t h a t t h e s ec t

t e r m s a r e v e r y s m a l l a n d e v e n i f v a l u e s w h i c h a r e o f t h e sam e m a g n i t u d e

a r e u s e d , t h e s e c o n d h a r m o n i c i n t r o d u c e d w i l l b e a p p r o x i m a t e l y 1 0 % o f t h e

f u n d a m e n t a l . I t a p p e a r s t h a t t h e (coRC^) t e r m s h o u l d b e (coRC^.) w h i c h

w i l l make i t e v e n l e s s . •

F i g u r e 2 . 2 -can b e r e d r a w n a s i n F i g . 2 . 3 t o c o n s i d e r t h e c o n d u c

t i o n t e r m . As b e f o r e

Gj_ ^ ' G o + g s i n cot (2 .35)

G ' = G - g s i n cot ( 2 . 3 6 )2 g *p

Gx = G o + Ge ( 2 . 3 7 )

15

gD = gv ~ gp ( 2 *38)

Summing c u r r e n t s a t V g i v e so

Vr ^ + Gl (Vo - V) + G2 Vo = 0 ( 2 . 3 9 )

S u b s t i t u t i n g f o r a n d G2

V+ V (G + r s i n wt + G g s i n cot) R 0 0 . R %

s o

• g P

~ (G^ + gv s i n cot)V = 0 ( 2 . 4 0 )

G + gv s i n ootV = V Y5 ------------------------------- ( 2 . 4 1 )

° R + Gt + S in a)t

A g a i n t h e v o l t a g e o u t p u t due t o t h e c o n d u c t i v i t y i s i n d e p e n d e n t o f t h e -

s p e e d o f t h e r o t a t i o n o f r o t o r .

T h u s , t h e r e a r e two c o m p o n e n t s o f t h e c u r r e n t t h a t a r e d e t e c t e d

b y t h e e l e c t r o m e t e r . A s y n c h r o n o u s r e c t i f i e r i s u s e d f i r s t t o g i v e a

s i g n t o t h e e l e c t r i c f i e l d an d t o a l s o s e p a r a t e t h e f i e l d a n d c o n d u c t i v

i t y d a t a . S y n c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o n c a n b e c a r r i e d ' o u t by two m e t h o d s :

m e c h a n i c a l c h o p p i n g [Adamson, 1960; C h a l m e r s , 1967] o r p h a s e s e n s i t i v e

e l e c t r o n i c s [Gunn, 19 54 ; C h a l m e r s , 1 9 6 7 ] . Each m e t h o d h a s i t s own a d

v a n t a g e s . H e r e t h e m e c h a n i c a l c h o p p i n g m e th o d i s u s e d a n d w i l l b e d i s

c u s s e d b r i e f l y . C o n n e c t e d t o t h e m o t o r s h a f t i s a c h o p p e r w h i c h g r o u n d s

t h e s i g n a l o u t o f t h e e l e c t r o m e t e r a t 0 a n d tt i n F i g . 2 . 4 . T h i s , s i g n a l

i s f e d i n t o t h e c o n d u c t i v i t y a m p l i f i e r w h i c h w i l l g i v e a v o l t a g e o u t

16p r o p o r t i o n a l t o t h e c o n d u c t i o n c u r r e n t . Th e d i s p l a c e m e n t c u r r e n t

a v e r a g e s t o z e r o d u r i n g t h e i n t e r v a l f r o m tt t o 2 tt w h i l e t h e c o n d u c t i o n

c u r r e n t i s s a m p l e d .

A n o t h e r c h o p p e r , 90 e l e c t r i c a l d e g r e e s o u t o f p h a s e w i t h t h i s

one g r o u n d s t h e s i g n a l i n t o t h e f i e l d amp b e t w e e n -tt/ 2 a n d 371/2. T h e r e

f o r e , w h i l e t h e f i e l d s a m p l e i s t a k e n , t h e c o n d u c t i o n c u r r e n t c o m p o n e n t s

a v e r a g e t o z e r o „ The a c t u a l c i r c u i t s w i l l b e d i s c u s s e d i n t h e f o l l o w i n g

c h a p t e r , -

F o r b o t h t y p e s o f l i g h t n i n g s t r o k e s , c l o u d t o g r o u n d a n d c l o u d

t o c l o u d , t h e r e i s a n a s s o c i a t e d f i e l d c h a n g e [Uman, 1 9 6 9 ] . As m e n t i o n e d

e a r l i e r , K i t a g a w a an d B r o o k [1 9 6 0 ] h a v e b u i l t i n s t r u m e n t s t o m e a s u r e

b o t h f a s t f i e l d c h a n g e s a n d a l s o s l o w c h a n g e s . The f a s t f i e l d c h a n g e

i n s t r u m e n t h a s a t i m e c o n s t a n t o f 70y s e c , w h i l e t h e s l o w f i e l d m e a s u r

i n g i n s t r u m e n t vs t i m e c o n s t a n t i s 1 0 s e c .

. F ro m t h e d a t a g a t h e r e d b y K i t a g a w a . a n d B ro o k w i t h t h e i r f a s t

i n s t r u m e n t i t a p p e a r s t h a t m o s t s t r o k e s o c c u r w i t h i n 200 m s e c . The p r e

s e n t i n s t r u m e n t s a r e n o t d e s i g n e d t o r e c o r d t h e f a s t f i e l d c h a n g e s ; how

e v e r , i t w o u l d b e d e s i r a b l e t o h a v e some i n d i c a t i o n o f t h e o c c u r r e n c e o f

l i g h t n i n g s t r o k e s . T h e r e f o r e , t h e e l e c t r o m e t e r h a s a f a i r l y f a s t t i m e

c o n s t a n t , 6 m s e c , w h i l e t h e o u t p u t a m p l i f i e r s h a v e a t i m e c o n s t a n t o f

a p p r o x i m a t e l y 2 s e c . T h e r e f o r e , n e a r b y ( w i t h i n 10 k i l o m e t e r s ) l i g h t n i n g

s t r o k e s w i l l a p p e a r a s r a t h e r l a r g e p e r t u r b a t i o n s on t h e o u t p u t s i g n a l .

Displacement Current

Current out of Elec trometer

Conduct ionCurrent

Fig. 2.4 Current Wave Forms

H'vI

CHAPTER 3

PRESENT INSTRUMENTS

3 . 1 M e c h a n i c a l 'C o m p o n en t s -

As s t a t e d e a r l i e r an y l o n g t e r m m e a s u r i n g d e v i c e s h o u l d h a v e a s

f e w m o v in g p a r t s a s p o s s i b l e . The p r e s e n t i n s t r u m e n t h a s t w o . F i g u r e .

3 , 1 shows a c u t - a w a y v i e w o f t h e g r o u n d b a s e d f i e l d m i l l . M o u n te d on

t h e b a s e p l a t e i s t h e d o u b l e s h a f t e d m o t o r . On t h e l o w e r s h a f t i s t h e

r o t a t i n g s h i e l d w h i c h i s b e t w e e n t h e c o l l e c t o r a n d t h e s t a t i o n a r y s h i e l d .

On t h e u p p e r s h a f t i s a c h o p p e r p l a t e w h i c h p r o v i d e s t h e s y n c h r o n o u s

r e c t i f i c a t i o n . Abov e t h e c h o p p e r two n e o n l a m p s a r e l o c a t e d . The p h o t o

t r a n s i s t o r s a r e m o u n t e d d i r e c t l y b e l o w t h e l a m p s .

G r o u n d i n g o f t h e m o t o r s h a f t a n d t h e r o t a t i n g s h i e l d i s a c c o m

p l i s h e d b y a m e r c u r y w e t t e d r o t a t i n g c o n n e c t o r .. T h i s d e v i c e , w i t h a

t r a d e name o f M e r c o t a x * , i s e s s e n t i a l t o t h e p r o p e r w o r k i n g o f t h e

d e v i c e a n d p r o v i d e s a good e l e c t r i c a l c o n t a c t 3 much more d e s i r a b l e t h a n

* t h e b r u s h e s u s e d i n p r e v i o u s i n s t r u m e n t s .

An o i l s e a l on t h e b o t t o m s h a f t m a i n t a i n s a c l e a n , d r y a t m o s

p h e r e i n s i d e t h e i n s t r u m e n t c o v e r . The c o v e r i s t i g h t e n e d down on a

l a r g e O - r i n g i n t h e b a s e p l a t e w h i c h i s o l a t e s t h e e l e c t r o n i c s f r o m o u t

s i d e p o l l u t i o n . P h o t o g r a p h s i n F i g s . 3 . 2 t h r o u g h 3 . 5 . show t h e v a r i o u s

p a r t s o f t h e i n s t r u m e n t .

^ M a n u f a c t u r e d by L e s l i e Mfg. C o r p . , San M a r c o s , C a l i f .

18

P h ot o C ho ppe r P la teN e o n Bulb

Photo Transistor

Motor

S t a t i o n a r y Col lec tor

Rotat ing Shield

S t a t io n a r y Shield

Fig. 3.1 Cutaway View of Field Mill

20

F i g . 3 . 2 E l e c t r o m e t e r a n d F i e l d C o m p r e s s o r B o a rd

F i g . 3 . 3 Power S u p p ly a n d R e l a y D r i v e r B o a rd

F i g . 3 . 4 O u t p u t A m p l i f i e r B o a rd

F i g . 3 . 5 Neon Lamp D r i v e r B o a rd

22

3 . 2 E l e c t r i c a l C i r c u i t s

F i g u r e 3 . 6 shows a b l o c k d i a g r a m o f t h e g r o u n d b a s e d f i e l d m i l l .

T h e s e c i r c u i t s a r e f o u n d on t h e c i r c u i t b o a r d s l o c a t e d a r o u n d t h e m o to r *

a s shown i n F i g . 3 . 5 . One o f t h e p r i m a r y c o n s i d e r a t i o n s f o r t h e c i r c u i t

i s i t s t h e r m a l s t a b i l i t y . T e m p e r a t u r e s a t t h e o p e r a t i n g s i t e ( d e s e r t

a r e a n o r t h - e a s t o f T u c s o n ) c o u l d r e a c h 5 0 °C w h i l e t h e e l e c t r o n i c s may go

up t o 8 0 ° C . T h e r e f o r e , w h i l e n o t e x t r e m e , t h e r m a l s t a b i l i t y m u s t b e

c o n s i d e r e d .

3 . 2 . 1 E l e c t r o m e t e r

T h e e l e c t r o m e t e r c i r c u i t i s shown i n F i g . 3 . 7 . A h i g h i n p u t im

p e d a n c e i s m a i n t a i n e d b y t h e IGFET1s ( I n s u l a t e d G a t e F i e l d E f f e c t

14T r a n s i s t o r s ) w h o s e i n p u t i m p e d a n c e i s t y p i c a l l y 10 ohm s . S i n c e t h e

IGFET1s o n l y r a i s e t h e i n p u t i m p e d a n c e o f t h e c i r c u i t , t h e s i m p l i f i e d

c i r c u i t i n F i g . 3 . 8 i s a p p l i c a b l e . The t o t a l c u r r e n t g i v e n b y E q . ( 2 . 1 4 )

i s r e l a t e d t o t h e v o l t a g e o u t o f t h e e l e c t r o m e t e r b y E q . ( 2 . 1 5 ) . F o r

t h e c u r r e n t s a s shown i n F i g . 3 . 8 , t h e t r a n s f e r i m p e d a n c e c a n b e f o u n d .

S i n c e t h e i n p u t i m p e d a n c e o f t h e a m p l i f i e r i s v e r y much l a r g e r t h a n t h e

f e e d b a c k r e s i s t o r , R^, a l l t h e i n p u t c u r r e n t , i n e f f e c t g o e s t h r o u g h R^.

T h e r e f o r e , V , t h e v o l t a g e o u t o f t h e e l e c t r o m e t e r i s s i m p l y ,

V0E ' V f ' (3-1)

From t h e d i s c u s s i o n o f t h e f i e l d m i l l t h e o r y i n t h e p r e v i o u s

c h a p t e r , i t i s o b v i o u s t h a t t h e i n p u t h a s a c e r t a i n c a p a c i t a n c e a s s o c - >

i a t e d w i t h i t . I n o r d e r t o p r e v e n t o s c i l l a t i o n s i n t h e e l e c t r o m e t e r ,

Vanes

FET Input Sv\ E lec trometer

Conductivity^ X A m p l i f i e r

Synchronous Rect i f ierMotor

FieldAmplif ier

Field C o mp re sso r

Fig. 3.6 Block Diagram of Field Mill

? +15

5 0 0 M

2 N 3 7 9 6 NEXUS CIA-Input < r

9 . 0 9 K

2 0 K

- 1 5

9 . 0 9 K

2 N 3 7 9 61 0 0 M

Fig. 3.7 Electrometer Circuit

h o

I o vOE

F i g . 3 . 8 S i m p l i f i e d E l e c t r o m e t e r C i r c u i t

N3Ui

- 26

i t i s n e c e s s a r y t o p u t a s m a l l c a p a c i t a n c e i n p a r a l l e l w i t h t h e f e e d b a c k

r e s i s t o r . H o w e v e r , t o a c h i e v e t h e n e c e s s a r y . t i m e r e s p o n s e o f t h e c i r

c u i t , t h e RC c o m b i n a t i o n c a n n o t b e t o o l a r g e . I t s h o u l d b e l e s s t h a n

o n e s e c o n d . F o r t h e v a l u e s o f R and C u s e d h e r e , i t i s much l e s s ,

6 m s e c . T h e r e f o r e , t h e e l e c t r o m e t e r i s c a p a b l e o f p r o d u c i n g v o l t a g e

c h a n g e s on t h e o r d e r o f t h e f i e l d c h a n g e s o f a l i g h t n i n g s t r o k e . As

w i l l . b e shown l a t e r , t h e f i e l d m i l l w i l l n o t r e s p o n d c o m p l e t e l y t o t h e s e

c h a n g e s .

3 . 2 . 2 The F i e l d C o m p r e s s o r

One f e a t u r e t h a t h a s b e e n m i s s i n g f r o m p a s t f i e l d m i l l s i s t h e

c a p a b i l i t y t o m e a s u r e w i d e r a n g e s o f f i e l d s w i t h o u t m a n u a l l y c h a n g i n g

t h e s e n s i t i v i t y . F i g u r e 3 . 9 i s a c i r c u i t t h a t w i l l p r o v i d e t h i s c a p a b i l

i t y . I f t h e o u t p u t v o l t a g e f r o m t h e e l e c t r o m e t e r i s V ^ , a n d i s

t h e o u t p u t v o l t a g e o f t h e c o m p r e s s o r t h e n f o r two r a n g e s o f V T t h e g a i n

c a n b e d e t e r m i n e d . S i n c e t h e d i o d e s m u s t b e f o r w a r d b i a s e d b y a p p r o x i

m a t e l y 0 . 6 v o l t s b e f o r e t h e y w i l l c o n d u c t an y v a l u e o f V* l e s s t h a n 0 . 6

v o l t s w i l l mean t h a t t h e g a i n o f t h e a m p l i f i e r c a n b e f o u n d f r o m

- V ! Rt ,, ■. F e e d b a c k / 0V ~ = R :--------- ' ( 3 *2 ) • .OF I n p u t

T h i s c a n b e shown t o b e t r u e by c o n s i d e r i n g V 1 t o b e t h e o u t p u t v o l t a g e

o f t h e o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r . Then f r o m t h e w e l l known t h e o r y o f o p e r a

t i o n a l " a m p l i f i e r s , E q . ( 3 . 2 ) i s t r u e . V 1 i s i n f a c t d i r e c t l y p r o p o r t i o n

a l t o t h e o u t p u t s i n c e i t i s c o n n e c t e d t o t h e o u t p u t t h r o u g h a v o l t a g e

d i v i d e r .

27

I f i d e a l d i o d e s a r e a s s u m e d a n d f o r t h e c o m p o n en t v a l u e s o f

m i l l . No . 2, t h e g a i n s f o r V* l e s s t h a n . 6 v o l t s w i l l b e : ■

V - 2 4 . 3K + 330K + 4 . 3K

OE 12 4K2 . 8

V < . 6 V ( 3 . 3 )

On t h e o t h e r h a n d , f o r V* > 0 . 6 v o l t s t h e g a i n i s

V' - 2 4 .3 K + 4 .3 KVOE 12 4K

= - . 2 3 ( 3 . 4 )

The r e l a t i o n o f V ' t o V i s e a s i l y f o u n d t o b e

V ’ V0C 1 .8 K + 2 4 . 3 K • ° 6 9 VOC.( 3 . 5 )

A v o l t a g e d i v i d e r was f o u n d t o b e n e c e s s a r y on t h e o u t p u t o f t h e com

p r e s s o r n e t w o r k t o m a i n t a i n a n i n p u t t o t h e f o l l o w i n g s t a g e t h a t w o u ld

n o t s a t u r a t e t h e a m p l i f i e r . T h u s , t h e t o t a l g a i n s f o r t h e two r a n g e s

a r e

an d

OE

- 2 . 8.069 x .35 = - 1 4 . 2 f o r V 1 < 0 . 6 ( 3 . 6 )

Vc = - .23 V0 E ~ • 0 6 9

x .35 = - 1 . 1 7 f o r V > 0 . 6 ( 3 : 7 )

The v a r i a t i o n b e t w e e n i d e a l a n d t h e a c t u a l d i o d e r e s p o n s e

i s shown i n F i g . 3 . 1 0 . C u r v e s f o r e a c h c o m p r e s s o r c i r c u i t a r e

f o u n d i n A p p e n d i x A. The b r e a k p o i n t s o f a d i o d e a r e q u i t e

28

t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t a n d t h e r e f o r e m u s t b e c o n t r o l l e d f o r t h i s a p p l i e s -

t i o n . T h i s was a c c o m p l i s h e d by u s i n g a F a i r c h i l d t e m p e r a t u r e s t a b i l i z e d

t r a n s i s t o r p a i r , w i t h t h e c o l l e c t o r - b a s e j u n c t i o n s h o r t e d a s t h e d i o d e s .

A d j u s t m e n t o f a n e x t e r n a l r e s i s t o r a l l o w s t h e c h i p t e m p e r a t u r e t o b e s e t .

T he s l o p e o f t h e c u r v e on e a c h s i d e o f t h e d i o d e b r e a k p o i n t ca n

b e a d j u s t e d . T h i s a d j u s t m e n t t h e n s e t s t h e b r e a k p o i n t o f t h e n e t w o r k .

I n F i g . 3 . 9 . t h e r e s i s t o r s R an d a r e p r e d o m i n a n t i n t h e i r e f f e c t on

t h e r e s p o n s e a b o v e t h e b r e a k p o i n t ^ w h i l e t h e 330K r e s i s t o r e f f e c t s t h e

s l o p e b e l o w t h e b r e a k p o i n t .

An i n p u t s i g n a l o f . 0 1 Hz was u s e d t o d r i v e t h e c o m p r e s s o r d u r i n g

t e s t i n g . The a c t u a l f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n w i l l b e 3 . 6 H z . H o w ev er , f o r

t e s t i n g p u r p o s e s t h e .0 1 Hz was s l o w en o u g h t o a l l o w t h e r e c o r d e r t o

r e s p o n d . B o t h a x e s w e r e a d j u s t e d t o sweep ±10 v o l t s . I t was n e c e s s a r y

t o c u t down t h e i n p u t v o l t a g e . t o a l l o w a ±10 v o l t o u t p u t . s w i n g . . T h i s

i n d i c a t e s t h a t t h e o u t p u t o f t h e e l e c t r o m e t e r w i l l n o t b e m ore t h a n

a b o u t ±5 t o ± 6 v o l t s , d e p e n d i n g on t h e v a l u e s o f an d R ^ . T h e s e

v a l u e s w i l l v a r y b e c a u s e o f t h e d i o d e c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e c u r r e n t

i n t o t h e h e a t e r c i r c u i t . T h i s c u r r e n t i s a d j u s t e d a s c l o s e t o 9 ma a s

p o s s i b l e w i t h s t a n d a r d r e s i s t o r s . T a b l e A - l i n d i c a t e s t h e v a l u e o f t h e

t e m p e r a t u r e a d j u s t m e n t r e s i s t o r , Rtemp 5 f o r e a c h m i l l . A c c o r d i n g t o t h e

m a n u f a c t u r e ’ s d a t a t h e c h i p t e m p e r a t u r e s h o u l d b e 8 0 0C f o r 9 ma i n .

Due t o t h e n o n l i n e a r i t y o f t h e d i o d e s , i t i s d i f f i c u l t t o d e s i g n

t h e c o m p r e s s o r s t a g e . A much s i m p l e r m e t h o d o f t r i a l a n d e r r o r was

u s e d . The f i n a l c h a r a c t e r i s t i c s o f a l l f o u r o f t h e c o m p r e s s o r s a r e

n e a r l y i d e n t i c a l .

3 3 0 K V■A/v\------- O—O

I 2 4 KA / W -

N E X U S Cl A - 1

D iod es D, and D2 a r e

a t e m p , g l o b a l i z e d t r a n s i s t o r pair.

F i g . 3 . 9 F i e l d C o m p r e s s o r C i r c u i t

NJ ' \D

IDEALACTUAL

Fig. 3.10 Ideal and Actual Compressor Responseu>o

31

The p u r p o s e o f t h e c o m p r e s s o r n e t w o r k was t o a l l o w t h e m e a s u r e

m en t o f f o u r d e c a d e s o f t h e e l e c t r i c f i e l d . From t h e c a l i b r a t i o n d a t a

i n T a b l e C . l t h e o u t p u t o f t h e t o t a l f i e l d c h a n n e l was ± . 0 6 v o l t s f o r a

c o r r e s p o n d i n g f i e l d o f ± . 0 5 v o l t s p e r . c m . , i f t h e o f f s e t v o l t a g e o f + . 0 3

v o l t s i s s u b t r a c t e d f r o m e a c h r e a d i n g . T h i s o f f s e t v o l t a g e i s d u e t o

t h e o u t p u t a m p l i f i e r n o t g i v i n g z e r o v o l t s o u t f o r a z e r o i n p u t s i g n a l .

T h e r e f o r e , t h e l i m i t s ' on t h e d e t e c t a b l e s i g n a l a r e c h a n n e l n o i s e a n d s u p

p r e s s i o n o f t h e 3 . 6 Hz s i g n a l . The n o i s e o u t p u t o f t h e a m p l i f i e r s was

J e s s t h a n 10 m v o l t s w i t h no a p p l i e d s i g n a l a n d t h e a c t i v e f i l t e r ( s e e

S e c t i o n 3 . 2 . 4 ) i s more t h a n 80 db down a t 3 . 6 Hz. So t h e ±60 m v o l t s i g

n a l i s w e l l a b o v e t h e n o i s e a n d , a t 80 db do w n , t h e 3 . 6 Hz w i l l n o t e f

f e c t t h e r e a d i n g . T h e r e f o r e , .0 5 v o l t s p e r cm. i s w i t h i n t h e c a p a b i l i t y

o f , t h e f i e l d c h a n n e l . An u p p e r l i m i t i s s e t b y t h e o p e r a t i o n a l a m p l i f i

e r ’ s o u t p u t . F o r t h e d e v i c e s u s e d h e r e an 11 v o l t s w i n g was p o s s i b l e

an d a l l o w e d m e a s u r e m e n t o f o v e r 110 v o l t p e r cm. f i e l d s . From t h i s i t

c a n b e s e e n t h a t t h e s e i n s t r u m e n t s c a n m e a s u r e n e a r l y f o u r o r d e r s o f

m a g n i t u d e o f e l e c t r i c f i e l d .

3 . 2 . 3 The S y n c h r o n o u s R e c t i f i e r a n d D e t e c t o r

A p a i r o f m e r c u r y w e t t e d r e l a y s s u p p l y t h e g r o u n d i n g t h a t i s r e

q u i r e d f o r b o t h r e c t i f i c a t i o n an d s e p a r a t i o n o f t h e f i e l d a n d c o n d u c t i v

i t y s i g n a l s . T h e s e r e l a y s a r e . d r i v e n b y a n o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r

d r i v e r s t a g e shown i n F i g . 3 . 1 1 . I t may a p p e a r t h a t t h e u s e o f t h i s

t y p e c i r c u i t i s a n a l o g o u s t o u s i n g a p i l e d r i v e r t o p u s h i n thumb t a c k s ,

b u t i n o r d e r t o e n s u r e f a s t , c o n s i s t e n t o p e r a t i o n o f t h e r e l a y s i t

becam e d e s i r a b l e t o o v e r d r i v e them .

32

A / \ ^ ~

l5/%f 6 0 0

+ 15+ 15120 Relay

CoilI N 4 0 0 53 0 K

IOK

A / W 2 7 KLS 6 0 0

B.B 3 0 5 7

- 1 5 - 1 5-15R e l a y Driver

IN 4 0 0 5 IOK 51 K---------------M—i

-------

33

F o r one r e v o l u t i o n o f t h e m o t o r t h e r e w i l l b e t h r e e c y c l e s o f

t h e s i g n a l . T h e r e f o r e , 90° e l e c t r i c a l l y i s 3 0 ° ' m e c h a n i c a l l y • The two

p h o t o t r a n s i s t o r s a r e , t h e r e f o r e , 30° a p a r t an d c h o p p e d b y a p l a t e t h a t

h a s t h e same c o n f i g u r a t i o n a s t h e r o t a t i n g s h i e l d ( s e e F i g . 2 . 1 ) .

P r o p e r a d j u s t m e n t i s made b y a p p l y i n g a l a r g e f i e l d a n d r o t a t i n g

t h e p h o t o t r a n s i s t o r s u n t i l t h e c o n d u c t i v i t y o u t p u t i s z e r o . By d o i n g

t h i s , a n y c o n d u c t i v i t y m e a s u r e m e n t made h a s a n a d d e d t e r m w h i c h i s t h e

c o n d u c t i v i t y a t t h e t i m e t h e i n s t r u m e n t was c a l i b r a t e d . T h i s a d j u s t m e n t

a l s o m a x i m i z e s t h e f i e l d o u t p u t . On t h e i n s t r u m e n t s t h a t do n o t h a v e a

c o n d u c t i v i t y t h e d i o d e s a r e a d j u s t e d t o g i v e a maximum o u t p u t v o l t a g e

i n t h e f i e l d c h a n n e l . •

3 . 2 . 4 The O u t p u t A m p l i f i e r s

B o t h o u t p u t a m p l i f i e r s a r e a c t i v e f i l t e r s w h o se B .C . o u t p u t i s

t h e a v e r a g e o f t h e r e c t i f i e d i n p u t s i g n a l . The c o n d u c t i v i t y a m p l i f i e r

h a s a t i m e s 2 0 b o o s t e r a m p l i f i e r a f t e r t h e a c t i v e f i l t e r t o i n c r e a s e t h e

s i g n a l . T y p i c a l l y , t h e c o n d u c t i v i t y s i g n a l w i l l b e much s m a l l e r t h a n

t h e f i e l d i n f o r m a t i o n . The B .C . c o u p l e d b o o s t e r a m p l i f i e r was u s e d s o

t h a t a d r a s t i c r e d e s i g n o f t h e a c t i v e f i l t e r was u n n e c e s s a r y . T h i s

r e d e s i g n w o u ld h a v e b e e n r e q u i r e d s i n c e b o t h c i r c u i t s r e q u i r e t h e same

t i m e r e s p o n s e . A s i m p l e i n c r e a s e o f g a i n i n one w o u l d a l s o c h a n g e i t s

t i m e r e s p o n s e .

C l o s e e x a m i n a t i o n o f t h e o u t p u t a m p l i f i e r s i n F i g s . 3 . 1 2 and

3-. 13' w i l l r e v e a l t h a t t h e r e a r e t h r e e b a s i c p a r t s t o i t . - The f i r s t

p a r t i s a s i m p l e R-C l o w - p a s s f i l t e r , t h e n e x t i s a t w i n t e e R .C . n o t c h

2M

14.7Ko - J J - w w -

Rel ay 1

2 0 0 K3 . 5 K 3.91 K AA/V-

2 8 K- w v < 1w w c -I 0 5 K I3 0K

= = 5^.f V. out10 K

20 KNEXUS. CIA-1

B.8. I 5 3 8 A100 K

I .69K

-1 5- 1 5

Fig. 3.12 Conductivity Output Amplifier

u>

+ 15

IOOK

I4.7K O-j [-A/W—

3.5 K28KAAA/ 0-

3.9IK I05K

130 Kout

20 Kll/xf Wfi i , AAAr-

100 K

.69 K

-15

Fig. 3.13 Field Output Amplifier

U) ■ Vi

36

f i l t e r 3 an d . f i n a l l y , a l o w - p a s s a c t i v e f i l t e r . I t i s b e y o n d t h e s c o p e

o f t h i s p a p e r t o a n a l y z e t h e a c t i v e f i l t e r . W h i l e t h e e q u a t i o n s d e s c r i b

i n g a n y o n e s e c t i o n a r e n o t d i f f i c u l t , t h e t o t a l f i l t e r e q u a t i o n b e c o m e s

m ore c o m p l e x . ^ -

As m e n t i o n e d a b o v e , t h e t i m e r e s p o n s e o f t h e a c t i v e f i l t e r s i s

i m p o r t a n t , F i g u r e 3 . 1 4 shows t h e t e s t s e t u p f o r c h e c k i n g t h e t i m e r e

s p o n s e o f t h e f i l t e r s . The i n p u t s i g n a l i s 3 . 6 Hz , a n d i s r e c t i f i e d b y

a ge r m an iu m d i o d e , IN 91 , w h i c h a p p r o x i m a t e s t h e a c t i o n o f t h e s y n c h r o n o u s

r e c t i f i e r . T h i s s i g n a l i s a p p l i e d t o t h e c i r c u i t w h i c h i n t u r n i s c o n

n e c t e d t o t h e Y - i n p u t o f t h e x - y p l o t t e r . A s a w t o o t h o u t o f a T e k t r o n i x

555 was u s e d t o g i v e a 1 s e c / i n . sweep f o r t h e p l o t t e r . F i g u r e 3 . 1 5

shows a t y p i c a l s t e p r e s p o n s e o f t h e a m p l i f i e r . The 10% t o 70% r i s e

t i m e i s 2 . 2 5 s e c . S t e p r e s p o n s e s o f a l l a m p l i f i e r s a r e g i v e n i n A p p e n

d i x B . • .

I t i s f e l t t h a t w i t h a 2 s e c . r e s p o n s e , a n e a r b y l i g h t n i n g

s t r o k e w i l l b e i n d i c a t e d b y a s m a l l b l i p on t h e o u t p u t d a t a . Some m i n o r

a d j u s t m e n t s o f t h i s r e s p o n s e t i m e may b e n e c e s s a r y a f t e r f i e l d t e s t s a r e

c o m p l e t e d d u r i n g a t h u n d e r s t o r m .

3 . 2 . 5 C om po nent s Used

The o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r s u s e d i n a l l b u t t h e o u t p u t s t a g e s a r e

Nexus C I A - 1 * s . T h e s e a m p l i f i e r s m u s t h a v e e x t e r n a l r e s i s t o r s a p p l i e d t o

a d j u s t t h e o u t p u t D.C. l e v e l . A s i m p l e t i m e s 100 a m p l i f i e r w i t h g r o u n d e d

* F o r t h e a n a l y s i s a n d d e s i g n o f a c t i v e R-C f i l t e r s , r e f e r t o H u e l s m a n , T h e o r y an d D e s i g n o f A c t i v e R-C C i r c u i t s , M c G r a w - H i l l , 19 6 8 .

I N 9 I

S e w To o th Out

Y InputX Input

TestCircuit

X - YR e c o r d e r

Signa lGenerator

S co p e

F i g . 3 . 1 4 O u t p u t A m p l i f i e r T e s t C i r c u i t

OU

TPU

T VO

LTAG

E (v

olts

8

6

4

2

2 3 4 5 6TIME (seconds)

F i g . 3 . 1 5 T y p i c a l O u t p u t A m p l i f i e r R e s p o n s eOJ00

39

i n p u t was s e t up a n d t h e r e s i s t o r s c h o s e n so t h a t t h e o u t p u t was l e s s

t h a n 80 mV. .The two Nexus a m p l i f i e r s i n t h e b o o s t e r a m p l i f i e r s o f t h e

c o n d u c t i v i t y , c h a n n e l w e r e a d j u s t e d t o l e s s t h a n 10 m V - o u t , s i n c e t h e s e

a r e B .C . c o u p l e d a m p l i f i e r s .

To c u t down d r i f t an d n o i s e i n t h e o u t p u t s t a g e s B u r r - B r o w n

1 538A ! s w e r e u s e d . T h e s e a r e c h o p p e r s t a b i l i z e d o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r s .

CHAPTER 4

MEASUREMENTS AND DATA REDUCTION

4 . 1 C a l i b r a t i o n P r o c e d u r e s

A f t e r an i n i t i a l c h e c k o u t o f e a c h c i r c u i t , w h i c h i n c l u d e d a

c h e c k o f t h e d r i f t o f t h e o u t p u t a m p l i f i e r s , e a c h m i l l was c a l i b r a t e d .

The f i r s t s t e p was t h e p r o p e r a d j u s t m e n t o f t h e s y n c h r o n o u s r e c t i f i e r .

T h i s i s a c c o m p l i s h e d by a p p l y i n g a f i e l d t o t h e i n s t r u m e n t a n d a d j u s t

i n g t h e p h o t o t r a n s i s t o r p l a t e u n t i l t h e o u t p u t o f t h e c o n d u c t i v i t y .

c h a n n e l i s z e r o . D u r i n g t h i s p h a s e o f t h e c a l i b r a t i o n a n e v a p o r a t i v e

c o o l e r was d i r e c t e d a t t h e i n s t r u m e n t t o r a i s e t h e h u m i d i t y a n d a s s u r e

a z e r o , o r n e a r l y s o , c o n d u c t i v i t y s i g n a l . I n F i g . 2 . 4 t h i s c o r r e s p o n d s

t o g r o u n d i n g t h e c o n d u c t i o n ' S i g n a l b e t w e e n 0 an d tt . The d i s p l a c e m e n t

s i g n a l a v e r a g e s t o z e r o f r o m tt t o 2 r w h i l e t h e c o n d u c t i o n s i g n a l , i f

t h e r e was o n e , i s m e a s u r e d . ,Any e r r o r i n t r o d u c e d by t h e l a b o r a t o r y c o n

d u c t i v i t y i s n e g l i g i b l e a s l o n g a s t h e h u m i d i t y i s h i g h , e s p e c i a l l y s i n c e\

t h e c o n d u c t i v i t y m e a s u r e m e n t i s an o r d e r o f m a g n i t u d e m e a s u r e m e n t .

I n t h e c a s e o f t h e two i n s t r u m e n t s t h a t do n o t h a v e . a c o n d u c t i v

i t y c h a n n e l t h e o u t p u t o f t h e f i e l d c h a n n e l i s a d j u s t e d f o r a maximum

r e a d i n g . T h i s e n s u r e s t h a t t h e c h o p p i n g i s o c c u r r i n g a t t h e p r o p e r

p o i n t .

A f t e r t h e m i l l s h a v e b e e n s a t i s f a c t o r i l y a d j u s t e d , a c a l i b r a t i o n

c u r v e i s made f o r e a c h o n e . T h i s e n t a i l s p u t t i n g t h e i n s t r u m e n t s i n a

c y l i n d r i c a l u n i f o r m e l e c t r i c f i e l d c a g e . A f i e l d o f 110 V/cm c a n b e

- 40

• 41

m a i n t a i n e d i n t h e c a g e . B o th t h e f i e l d o u t p u t a n d t h e c o n d u c t i v i t y

o u t p u t a r e m o n i t o r e d d u r i n g t h i s p h a s e o f t h e c a l i b r a t i o n .

4 . 2 C a l i b r a t i o n C u r v e s

As t h e v o l t a g e on t h e u n i f o r m f i e l d c a g e was v a r i e d f r o m 1 0 . 5

v o l t s t o 2 3 , 1 0 0 v o l t s t h e c o n d u c t i v i t y v a r i e d l e s s t h a n . 2 v o l t s f o r

b o t h m i l l s . T a b l e C - l i n A p p e n d i x C g i v e s t h e v o l t a g e o u t o f t h e f i e l d

a m p l i f i e r a s t h e f i e l d was v a r i e d . I n b o t h c a s e s t h e c o n d u c t i v i t y .

a m p l i f i e r o u t p u t v a r i a t i o n was l e s s t h a n . 1 v o l t s .

F i g u r e s 4 . 1 a n d 4 . 2 a r e t h e c a l i b r a t i o n c u r v e s f o r M i l l # 2 .

The o t h e r c u r v e s a r e i n A p p e n d i x C ♦ T h e s e c u r v e s a r e p l o t s o f t h e f i e l d

a m p l i f i e r v s . p o s i t i v e a n d n e g a t i v e f i e l d s . A l l f i e l d d a t a a r e r e d u c e d

u s i n g t h e s e c a l i b r a t i o n c u r v e s ,

I t i s n e c e s s a r y t o p l o t b o t h p o s i t i v e and n e g a t i v e f i e l d s s i n c e

co m p o n en t v a r i a t i o n s , d i o d e c o m p r e s s o r v a r i a t i o n s , an d t h e z e r o o f f s e t

v o l t a g e makes t h e c u r v e s s l i g h t l y d i f f e r e n t . The o u t p u t v o l t a g e f o r

z e r o f i e l d i s n o t z e r o i n a l l c a s e s ; t h e r e f o r e , t h e c u r v e s a r e s h i f t e d

s l i g h t l y . The same i s t r u e f o r t h e c o n d u c t i v i t y a m p l i f i e r s , t h a t i s ,

f o r low v a l u e s o f c o n d u c t i v i t y , t h e o u t p u t i s n o t z e r o . I n t h e c a s e o f

t h e c o n d u c t i v i t y t h i s o f f s e t v o l t a g e m u s t b e s u b t r a c t e d f r o m t h e o u t p u t

v o l t a g e a s t h e f i r s t s t e p i n r e d u c i n g t h e d a t a .

4 . 3 R e d u c t i o n o f D a t a

As s t a t e d a b o v e , t h e r e d u c t i o n o f t h e f i e l d s t r e n g t h i s q u i t e

s i m p l e . I t i s a m a t t e r o f r e a d i n g t h e f i e l d s t r e n g t h o f f t h e c a l i b r a t i o n

OU

TPU

T VO

LTAG

E (v

olts

)

3000 4000 5000 6000ELECTRIC FIELD (v o lts /m e te r )

I .F i g . 4 . 1 M i l l //2 P o s i t i v e O u t p u t v s . A p p l i e d P o s i t i v e F i e l d

>•N>

OU

TPU

T VO

LTAG

E (v

olts

)

5000 6000 7000 8000 90003000 400020001000ELECTRIC FIELD (volts/m eter)

F i g . 4 . 2 M i l l #2 N e g a t i v e O u t p u t v s . A p p l i e d N e g a t i v e . F i e l d

5

c u r v e s f o r a g i v e n . o u t p u t v o l t a g e . R e d u c t i o n o f t h e c o n d u c t i v i t y d a t a

. a r e a l i t t l e more c o m p l e x .

C o n s i d e r t h e o u t p u t o f t h e e l e c t r o m e t e r , w h i c h i s g i v e n in. E q .

(2 .1 5 ) a s :

an d

V o E = KeV

I T " E A , ( j w e 0 + . ( 4 - 2 )

So f o r t h e o u t p u t o f t h e e l e c t r o m e t e r

Vo E ° = 0 + X )- ( 4 - 3 )

F o r t h e f i e l d c h a n n e l t h e s i g n a l t h e n p a s s e s t h r o u g h t h e c o m p r e s s o r

n e t w o r k w h i c h h a s a g a i n a n d t h e n t h r o u g h t h e o u t p u t a m p l i f i e r w h i c h

h a s a g a i n T h e r e f o r e , t h e f i e l d a m p l i f i e r o u t p u t i s

I V - K c V s V % ™ - (4.4)On t h e o t h e r h a n d , t h e c o n d u c t i v i t y c h a n n e l s i g n a l g o e s t h r o u g h t h e o u t

p u t a m p l i f i e r w h i c h h a s a g a i n an d a t i m e s 20 b o o s t e r a m p l i f i e r . S

t h e o u t p u t o f t h e c o n d u c t i v i t y a m p l i f i e r i s

I ' V " 2 0 KoA W X ( 4 ' 5 )

T h i s c a n b e s o l v e d f o r t h e c o n d u c t i v i t y X

45

H owever , t h e r e i s a g r o u p o f unknown q u a n t i t i e s i n t h i s e q u a t i o n .

T h e s e un k n o w n s , w h i l e p o s s i b l e t o c a l c u l a t e , a r e b e s t f o u n d f r o m t h e

c a l i b r a t i o n d a t a , s i n c e t h e y a l s o o c c u r i n t h e f i e l d e q u a t i o n ( 4 . 4 ) .

S o l v i n g Eq. ( 4 . 4 ) f o r t h e d e s i r e d t e r m s g i v e s

KoAKEAe = K E e a ' ' ( 4 , 7 )C O

T h i s l e a v e s K t o b e d e t e r m i n e d . S i n c e i t i s l i n e a r b e l o w t h e b r e a k . c

p o i n t , t h e e a s i e s t m e t h o d i s t o m e a s u r e i t . T h i s m e a s u r e m e n t y i e l d s a

v a l u e s o f 1 0 f o r K .c •

M aking t h e n e c e s s a r y s u b s t i t u t i o n s i n t o Eq. ( 4 . 7 ) w i t h = 1

v o l t a t E = 100 v o l t / m . g i v e s

71 1 0

K K A = ---------------- :----------j Q- :--------------------- = - y -° C 1 0 x 1 0 0 x 1 0 x 277 x 3. 6 x 3 . 6

3 6 tt

( 4 . 8 )

T h e r e f o r e ^ t h e c o n d u c t i v i t y e q u a t i o n f o r t h i s m i l l i s

VX „ 8 .X = — x 1 0 (y - m e t e r ) ( 4 . 9 )ti

T h e r e f o r e , f o r t h e r e d u c t i o n o f t h e c o n d u c t i v i t y d a t a e a c h d a t a p o i n t

m u s t b e c a l c u l a t e d u s i n g t h e e x p r e s s i o n g i v e n i n Eq . ( 4 . 9 ) . . I n p r a c

t i c e a s i m p l e - c o m p u t e r p r o g r a m t o r e d u c e t h e d a t a w o u l d b e e x p e d i e n t ;

h o w e v e r , f o r t h e p r e s e n t p u r p o s e , h a n d c a l c u l a t i o n s w i l l s u f f i c e .

- 46

4 , 3 . 1 E l e c t r i c F i e l d T h u n d e r s t o r m D a t a

On 20 J u l y 1970 m i l l #2 was o p e r a t e d d u r i n g a l a r g e t h u n d e r

s t o r m . T h i s s t o r m s t a r t e d t o b u i l d up a t 4 : 1 5 p . m . a n d when t h e r e c o r d e r

was t u r n e d on a t 6 : 2 5 , a l a r g e n e g a t i v e f i e l d was p r e s e n t . The s t o r m

c e n t e r w as t o t h e n o r t h e a s t a n d a t t h e " time t h e r e c o r d e r w as t u r n e d o n ,

n o t h u n d e r c o u l d b e h e a r d . S e v e r a l m i n u t e s l a t e r , h o w e v e r , t h u n d e r was

h e a r d o v e r h e a d . Ground s t r o k e s b ecam e v i s i b l e f i f t e e n m i n u t e s i n t o t h e

s t o r m a n d w e r e a p p r o x i m a t e l y two m i l e s aw ay . T w e n t y - f i v e m i n u t e s i n t o

t h e s t o r m h e a v y r a i n a c c o m p a n i e d b y c l o s e r g r o u n d s t r o k e s i n d i c a t e d t h e

c e n t e r o f t h e s t o r m was m o v in g c l o s e r . By s e v e n o ' c l o c k t h e s t o r m was

c e n t e r e d o v e r h e a d . A t t h a t p o i n t w i t h a l i m i t e d v i e w , i t was p o s s i b l e

t o c o u n t s e v e n g r o u n d s t r o k e s p e r m i n u t e . As t h e s t o r m moved on t o t h e

w e s t , t h e r a i n s l a c k e n e d a n d t h e g r o u n d s t r o k e s c o u l d b e s e e n t o w a r d s .

t h e w e s t . . •

H o w e v e r , a t one h o u r a n d f i f t e e n m i n u t e s i n t o t h e s t o r m a n o t h e r

c e l l moved i n t o t h e a r e a f r o m t h e s o u t h . . Heav y r a i n a n d c l o s e g r o u n d

s t r o k e s w e r e p r e s e n t a t s e v e n f o r t y - f i v e . By e i g h t o ' c l o c k t h i s c e l l

h a d moved p a s t and t h e r a i n s l a c k e n e d . Two h o u r s a f t e r i t s t a r t e d , t h e *>

s t o r m s w e r e s l o w l y b r e a k i n g up , a l t h o u g h a l i g h t r a i n c o n t i n u e d on u n t i l

a f t e r t e n - t h i r t y .. A t dawn t h e n e x t m o r n i n g c l o u d s w e r e s t i l l p r e s e n t ;

t h e y r e m a i n e d u n t i l a b o u t t e n t h a t m o r n i n g .

G r a p h s i n F i g . 4 . 3 show t h e e l e c t r i c f i e l d m e a s u r e m e n t d u r i n g

t h e s t o r m . T h e s e g r a p h s a r e t e n s e c o n d s a m p l e s o f t h e o r i g i n a l c h a r t

r e c o r d i n g , a n d a s s u c h some s m o o t h i n g h a s b e e n d o n e . The f l a t a r e a s

a r e due t o t h i s s m o o t h i n g .

EL

EC

TR

IC

FIEL

D

(vct

ls/n

rcle

r)

6000

2000

*6000

-8000

20 22 26 40 42 44

Fig. 4.3 Electric Field Variation During a Thunderstorm

EL

IZC

TR

IC

FIE

LD

(v

oll

s/rn

clcr

)

GCOC

2 W

- G O O O

-eooc

TIME (minutes)

4G 4644 50 52 54 56 58 62 64 68 70 72 7460 66 76 78 80 82 84 86 83

Fig. 4.3 Electric Field Variation During a Thunderstorm (Continued)

-o00

ELEC

TRIC

FI

ELD

(vol

is/n

-.ele

r)

eooc

200C

-2COC

-4000

-60CC

-8 0 0 0 -

90 94 96 93 100 102 104 106 108 114 116 118 120 122 124 126 128 130


EL

EC

TR

IC

FIEL

D

(vo

lls/

mcl

cr)

6000

-2000

-6000-

-8 0 0 0 -

156 160 162WO M2 150 152 154 153 164 166 168 170 172136 133 143 174 176

Fig. 4.3 Electric Field Variation During a Thunderstorm (Continued).

InO

EL

EC

TR

IC

FIEL

D

(vo

lK/m

elcr

)

GOOD

2000

-2 C0 C

8000-

200 202 204 206 208 210 2:2 214 216 218 220196176 178 180 182 184 186 188 190 122 194


ViH

ELEC

TRIC

FI

ELD

Ivol

lVm

elcr

)

c-oocr

20CC’

-2000

-6000

-3000

TIME (minutes)

Z2C 222 224 226 228 230 232 234 236 2 # 240 242 244 246 254 255 258 260 262 264


LnK>

ELEC

TRIC

FI

ELD

(vol

ts/m

eter

)

eooc

40 0 0 -

-4000

- 6 0 0 0

-8 0 0 0

TIM E (minutes)

2G4 255 268 270 272 274 276 278 280 282 284 286 238 290 292 294 296 306 308


i nW

ELEC

TRIC

FI

ELD

(vcl

ls/r

nclc

r)

cooc

-2000

-6000

-8000

TIM E (minutes)

305 3:0 312 3:4 316 313 320 322 324 326 328 330 332 334 336 338 340 342 344 346 348 350 352

Fig. A.3 Electric Field Variation During a Thunderstorm (Continued)

m

ELEC

TRIC

FI

ELD

(vol

ls/m

eler

)

6000

2000

•GOOO


56

D u r i n g t h e e a r l y p a r t o f t h e s t o r m t h e c h a n g e s i n t h e f i e l d d u e

t o n e a r l i g h t n i n g d i s c h a r g e s a r e o c c u r r i n g v e r y r a p i d l y a n d t h e r e f o r e ,

i t i s d i f f i c u l t t o d i s c e r n i n d i v i d u a l s t r o k e s . C h a l m e r s [ 1 9 6 7 ] d i s

c u s s e s s e v e r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s t o r m t h a t c a n b e d e t e r m i n e d b y

t h e e x p o n e n t i a l t y p e r e c o v e r y o f t h e e l e c t r i c f i e l d a f t e r a s t r o k e , a n d

t h a t t h e s h a p e o f t h e d e c a y i s d i f f e r e n t f o r s t r o k e s c l o s e r t h a n 3 Km.

a n d f u r t h e r away t h a n 3 Km. W o r m e l l [ 1 9 5 3 ] i n v e s t i g a t e s t h e c h a r g e

t r a n s f e r r e d d u r i n g t h e s t r o k e b y c o n s i d e r i n g t h e s e f i e l d c h a n g e s . Any

s u c h a n a l y s i s h a s t o b e d o n e on t h e o r i g i n a l d a t a s i n c e t h e t i m e s i n

v o l v e d a r e i n t h e t e n s o f s e c o n d s r a n g e . - B o t h t y p e s o f d e c a y i s c l e a r l y

d e t e c t a b l e on t h e d a t a . A c o m p l e t e a n a l y s i s o f t h e d a t a i s b e y o n d t h e

s c o p e o f t h i s . p a p e r .

As W o r m e l l m e n t i o n s t h e n e a r l i g h t n i n g s t r o k e d e c a y s much more■ • i„ ■ i ■

r a p i d l y t h a n t h e f u r t h e r d i s c h a r g e . T h i s e f f e c t h e a s c r i b e s t o s p a c e -

c h a r g e .

S p a c e c h a r g e i s t h e n e t c h a r g e i n a v o lu m e o f a i r [ C h a l m e r s ,

1 9 6 7 ] . T h e r e a r e s e v e r a l d i f f e r e n t s o u r c e s o f s p a c e c h a r g e , h o w e v e r ,

i n t h e p r e s e n c e o f h i g h e l e c t r i c f i e l d s , a s u n d e r a t h u n d e r s t o r m , t h e

d o m i n a n t w o u l d b e p o i n t d i s c h a r g e . Q u i t e s i m p l y , p o i n t d i s c h a r g e i s

c a u s e d b y a c o n c e n t r a t i o n o f t h e l i n e s o f f o r c e d u e t o t h e e l e c t r i c

f i e l d a t t h e p o i n t o f a c o n d u c t i n g o b j e c t . T h u s , t h e l o c a l f i e l d n e a r

t h e p o i n t may b e h i g h en o u g h t o c a u s e i o n i z a t i o n b y c o l l i s i o n i n t h e

c l o s e p r o x i m i t y t o t h e p o i n t i

S e v e r a l i n v e s t i g a t o r s h a v e a t t e m p t e d t o r e l a t e t h e p o i n t d i s

c h a r g e c u r r e n t t o t h e e l e c t r i c f i e l d an d a l s o t o w i n d v e l o c i t y an d

57

h e i g h t [ C h a l m e r s > 1 9 6 7 ] . They h a v e h a d l i m i t e d s u c c e s s w i t h i s o l a t e d

p o i n t s b u t h a v e n o t b e e n a b l e t o o b t a i n a n e m p i r i c a l f o r m u l a f o r i t w i t h

t h e c o n d i t i o n s p r e s e n t u n d e r a t h u n d e r s t o r m .

4 . 3 . 2 C o n d u c t i v i t y T h u n d e r s t o r m D a t a

M e a s u r e m e n t o f t h e c o n d u c t i v i t y u n d e r a n a c t i v e t h u n d e r s t o r m , i s

c o m p l i c a t e d b y t h e t e r m t h a t was a s s u m e d t o b e n e g l i g i b l e when t h e t h e o r y

o f t h e f i e l d - c o n d u c t i v i t y m i l l was d e v e l o p e d i n e a r l i e r c h a p t e r s , i . e . ,

t h e d E / d t t e r m . I t i s p o s s i b l e t o c o n s i d e r t h i s t e r m f r o m t h e f i e l d m ea

s u r e m e n t s an d a c c o u n t f o r i t a t a l l p o i n t s o f t h e c o n d u c t i v i t y d a t a .

T h i s i s b e y o n d t h e s c o p e o f t h i s p a p e r , h o w e v e r , an d t h e c o n d u c t i v i t y d a t a

p r e s e n t e d h e r e w i l l o n l y b e f o r c o n s t a n t f i e l d s .

From E q . ( 4 . 9 ) i t i s o b v i o u s t h a t t h e e l e c t r i c f i e l d m u s t b e q u i t e

l a r g e i n o r d e r f o r t h e c o n d u c t i v i t y m e a s u r e m e n t t o b e m e a n i n g f u l . , F o r

t h i s r e a s o n c o n d u c t i v i t y w i l l o n l y b e c a l c u l a t e d a t p o i n t s o f h i g h c o n

s t a n t e l e c t r i c f i e l d .

On t h e o r i g i n a l d a t a n e a r t h e en d o f t h e s t o r m , i t was n o t e d t h a t

t h e v o l t a g e o u t o f t h e c o n d u c t i v i t y a m p l i f i e r d i d n o t c h a n g e s i g n when

t h e f i e l d c h a n g e d . T h i s w o u l d i n d i c a t e t h a t t h e i n s t r u m e n t was r e s p o n d

i n g t o some t y p e o f m e c h a n i c a l l y t r a n s p o r t e d c h a r g e T h e r e f o r e any

r e a d i n g s a t t h e en d o f t h e s t o r m do n o t i n d i c a t e t h e a c t u a l c o n d u c t i v i t y .

T a b l e 4 . 1 g i v e s t h e c o n d u c t i v i t y a t s e v e r a l p o i n t s . T h ese v a l u e s

a r e p r e s e n t e d h e r e o n l y a s an i n d i c a t i o n t h a t t h e i n s t r u m e n t i s w o r k i n g , •

a s e x p e c t e d . . . . .

58

. ■ - - TABLE 4 . 1

CONDUCTIVITIES AT SELECTED TIMES DURING•THUNDERSTORM

Time i n t o S to r m E l e c t r i c F i e l d C o n d u c t i v i t y

8 2 . 6 m i n u t e s 3400 V o l t s - M e t e r - 1 1 . 2 - 1 2 - 1x 10 Mhos-Met

1 0 5 . 8 m i n u t e s . - 6 5 0 0 V o l t s - M e t e r - 1 2 . 6- 1 2 - 1

x 10 M ho s-M et

CHAPTER 5

CONCLUSIONS AND SUGGESTIONS FOR FURTHER STUDIES

5 . 1 C o n c l u s i o n s ■

I n s t r u m e n t s h a v e b e e n b u i l t t h a t w i l l* c o n t i n u o u s l y m e a s u r e e l e c

t r i e f i e l d s d u r i n g f a i r w e a t h e r a n d a l s o d u r i n g t h u n d e r s t o r m s . T h e s e

i n s t r u m e n t s w i l l n o t show t h e f a s t f i e l d c h a n g e s a s s o c i a t e d w i t h l i g h t

n i n g s t r o k e s , b u t w i l l i n d i c a t e b y s p i k e s t h e o c c u r r e n c e o f s t r o k e s .

Two o f t h e f o u r i n s t r u m e n t s h a v e t h e c a p a b i l i t y o f m e a s u r i n g

t h e c o n d u c t i v i t y o f t h e a i r . T h i s m e a s u r e m e n t i s o n l y an o r d e r o f mag

n i t u d e m e a s u r e m e n t . The m e a s u r e d v a l u e o f c o n d u c t i v i t y i s o f t h e same

o r d e r o f m a g n i t u d e t h a t w o u l d b e e x p e c t e d u n d e r an a c t i v e t h u n d e r s t o r m .

The i n s t r u m e n t s w e r e b u i l t t o o p e r a t e i n t h e d e s e r t c l i m a t e a n d

w i t h s t a n d t h e w a rm er t e m p e r a t u r e s e n c o u n t e r e d t h e r e . A l s o t h e e l e c t r o n

i c s p a c k a g e i s s e a l e d f r o m t h e d u s t a n d r a i n so t h a t l o n g t e r m m e c h a n i

c a l s t a b i l i t y i s a s s u r e d .

A c t u a l m e a s u r e m e n t s made d u r i n g a t h u n d e r s t o r m i n d i c a t e t h a t

t h e i n s t r u m e n t s do m e a s u r e t h e d e s i r e d q u a n t i t i e s . , .

5 . 2 S u g g e s t i o n f o r F u r t h e r S t u d i e s

The f i r s t s t e p i n t h e l o n g t e r m u s e o f t h e i n s t r u m e n t s s h o u l d

b e t h e d a t a a c q u i s i t i o n an d r e d u c t i o n . A t a p e p u n ch r e a d o u t a n d a com

p u t e r p r o g r a m w o u ld b e t h e e a s i e s t a p p r o a c h t o t h e p r o b l e m . Many t y p e s

o f e x p e r i m e n t s c a n b e r u n w i t h one o r m or e o f t h e i n s t r u m e n t s . Some

' '' . 59 - '

o f t h e s e d e a l w i t h s p a c e c h a r g e and. . a i r —e a r t h c o n d u c t i o n c u r r e n t ,

a r e a s s o c i a t e d m or e d i r e c t l y w i t h t h u n d e r s t o r m g r o w t h p r o c e s s e s .

60

O t h e r s

APPENDIX A

COMPRESSOR RESPONSE-CURVES

The f o l l o w i n g f i g u r e s a r e t h e c o m p r e s s o r r e s p o n s e c u r v e s f o r a l l

o f t h e f i e l d m i l l s .

T a b l e A - l g i v e s t h e v a l u e s o f t h e t h r e e r e s i s t o r s , R ^ , R ^ , a n d

R. shown i n F i g . 3 . 9 . temp °

61

I

Fig. A-l Hill #1 Compressor Response Curve

On■ro

F i g . A - 2 H i l l #2 C o m p r e s s s o r R e s p o n s e C urve

F ig , A-3 M i l l #3 Compressor Response Curve.

F ig . A-4 M i l l #4 Compressor Response Curve

66

TABLE A - l

VALUES OF R , R0 , AND R^ IN COMPRESSOR CIRCUIT

M i l l Number R1 R„ II1 2 tem;

1 4.3K 1.2K 82K

2 ■ 7.5K 2 . OK 9IK

3 3.9K 1.8K 62K

4 4.3K 1.8K 9IK

APPENDIX B

OUTPUT AMPLIFIER RESPONSE CURVES .

The f o l l o w i n g f i g u r e s a r e t h e o u t p u t a m p l i f i e r r e s p o n s e c u r v e s

f o r a l l t h e f i e l d m i l l s . * *

67

OU

TPU

T VO

LTAG

E (v

olts

)

TIME (seconds)

Fig. B-l Mill #1 Field Output Amplifier Response Curvecr\CO

OU

TPU

T VO

LTAG

E (v

olts

)

2 3 4TIME (seconds)

5 6 7

Fig. B-2 Mill #2 Field Output Amplifier Response CurveON' vo.

OU

TPU

T VO

LTAG

E (v

olts

)

TIME (se c o n d s)

F ig . B-3 M i l l #2 C o n d u c t iv ity Output A m p lif ier Response Curve• o

OU

TPU

T VO

LTAG

E (v

olts

)

6 74 52 3 8TIME (se c o n d s )

Fig. B-4 Mill #3 Field Output Amplifier Response Curve

OU

TPU

T VO

LTAG

E (v

olts

)

54 6 72 3 8TIME (se c o n d s )

Fig. .B-5 Mill #4 Field Output Amplifier Response Curve

OU

TPU

T VO

LTAG

E (v

olts

)

TIME ( s e c o n d s )

Fig. B-6 Mill #4 Conductivity Output Amplifier Response Curve

APPENDIX C

CALIBRATION CURVES

The f o l l o w i n g f i g u r e s a r e t h e c a l i b r a t i o n c u r v e s f o r f i e l d

m i l l s # 1 , # 3 , an d # 4 . C u r v e s f o r M i l l #2 may b e f o u n d i n t h e t e x t on

.page

The t a b l e w h i c h f o l l o w s c o n t a i n s t h e c a l i b r a t i o n d a t a a s

r e c o r d e d d u r i n g c a l i b r a t i n g f o r e a c h o f t h e d e v i c e s ♦

74

OU

TPU

T VO

LTAG

E (v

olts

)

IOOO 2000 3000 . 4000 5000 6000 7000 8000 9000ELECTRIC FIELD (volts/meter)

F ig . C - l .M il l #1 N eg a t iv e Output v s . A p p lied P o s i t i v e F i e ld

3

OUT

PUT

VOLT

AGE

(vol

ts)

6 —

IOOO 2000 3000 4000 5000 6000 ™:ELECTRIC FIELT) (vo lts /m eter)

50Q0 6000 7000 8000 9000

F ig . C-2 M i l l #1 P o s i t i v e Output v s . A p p lied .N egative F i e ld

OU

TPU

T V

OLT

AGE

(vol

ts)

1000 2000 3000 4000 5.000 6000 7000 8000 9000ELECTRIC FIELD (vo lts /m eter)

Fig. C-3 Mill #3 Negative Output vs. Applied Positive Field

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