Устройство для измерения напряженности электрического поля

Устройство для измерения напряженности электрического поля содержит датчик (1) с расположенной на его поверхности парой чувствительных электродов (2) и (5) центры (8) и (9) которых размещены на оси декартовой системы координат симметрично относительно ее начала (10), дифференциальный преобразователь (11) и измерительный прибор (12). Чувствительный электрод (2), состоящий из двух соприкасающихся и гальванически связанных электропроводящих элементов в виде сферических слоев (3) и (4), подключен к первому входу дифференциального преобразователя (11), а чувствительный электрод (5) состоящий из двух соприкасающихся и гальванически связанных электропроводящих элементов в виде сферических слоев (6) и (7) подключен ко второму входу того же преобразователя (11), выход которого подключен к входу измерительного прибора (12), отградуированного в единицах напряженности электрического поля. Угловые размеры чувствительных электропроводящих элементов выбираются исходя из требуемых погрешности и пространственного диапазона измерения. Заявляемое техническое решение позволяет при правильном выборе конфигурации и размеров чувствительных элементов добиться погрешности измерения менее ±2,5% на расстояниях от источника поля и проводящих поверхностей, больших или равных 1,03·R, где R - радиус сферического корпуса датчика.

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью.

Известно устройство для измерения напряженности электрического поля [Патент 3873919 США, МКИ G01 r 31/02, НКИ 324/72. AC ELECTRIC FIELDMETER], содержащее дифференциальный датчик с двумя плоскими прямоугольными чувствительными элементами, лежащими на одной координатной оси и изолированными от корпуса датчика, причем один чувствительный элемент подключен к первому, а другой к второму входам дифференциального измерительного преобразователя, выход которого соединен с измерительным прибором отградуированным в единицах напряженности электрического поля.

Достоинством этого устройства является простота конструктивного исполнения устройства, заключающаяся в простоте геометрических форм датчика, а его недостатком - большая погрешность при измерении неоднородных электрических полей, обусловленная прямоугольной формой чувствительных элементов датчика.

Наиболее близким устройством к заявляемому является устройство для измерения напряженности электрического поля [Свидетельство на полезную модель 26136 РФ МКИ G01R 29/08. Устройство для измерения напряженности электрического поля / С.В.Бирюков - Опубл. 10.11.2002, Бюл 31] содержащее сферический датчик с тремя парами чувствительных электропроводящих элементов, попарно расположенных на координатных осях, проходящих через центр корпуса датчика и симметрично относительно его корпуса, дифференциальный преобразователь сигналов датчика, преобразователь переменного напряжения в постоянное и измерительный прибор, при этом первые чувствительные электропроводящие элементы каждой пары соединены вместе в первой узловой точке, а вторые - во второй узловой точке, в свою очередь первая узловая точка соединена с первым входом, а вторая со вторым входом дифференциального преобразователя, выход которого через преобразователь переменного напряжения в постоянное соединен с входом измерительного прибора, отградуированного в единицах напряженности электрического поля, причем чувствительные электропроводящие элементы выполнены в форме сферического слоя, внешний размер которого ограничен центральным конусом с углом при вершине ₁90°, а внутренний - центральным конусом с углом ₂<₁ при вершине, выбираемым исходя из требуемых погрешности и пространственного диапазона измерения.

Достоинством этого устройства является простота схемной реализации, а недостатком - значительные погрешности измерения напряженности на расстояниях от источника электрического поля больших или равных 1,5·R, где R - условный радиус корпуса датчика.

Задачей полезной модели является расширение пространственного диапазона измерения напряженности электрического поля в сторону расстояний меньших значений 1,5·R от источника поля.

Указанная задача достигается тем, что в известном устройстве для измерения напряженности электрического поля, содержащем сферический датчик с тремя парами чувствительных электропроводящих электродов, попарно расположенных на координатных осях, проходящих через центр корпуса датчика и симметрично относительно его корпуса, дифференциальный преобразователь сигналов датчика и измерительный прибор, при этом чувствительные электропроводящие электроды соответственно соединены с первым и со вторым входами дифференциального преобразователя, выход которого соединен с входом измерительного прибора, отградуированного в единицах напряженности электрического поля, причем чувствительные электропроводящие электроды выполнены в форме сферического слоя, внешний размер которого ограничен центральным конусом с углом при вершине ₁90°, а внутренний - центральным конусом с углом ₂<₁ при вершине, выбираемым исходя из требуемых погрешности и пространственного диапазона измерения, согласно заявленной полезной модели датчик выполняют с одной парой чувствительных электропроводящих электродов, при этом каждый чувствительный электропроводящий электрод датчика состоит из двух соприкасающихся и гальванически связанных электропроводящих элементов, выполненных, в общем случае, в форме сферического слоя, а координатная ось датчика проходит через точку соприкосновения двух электропроводящих сферических слоев.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами фиг.1 - фиг.4, где

на фиг.1 изображен датчик и структурная схема устройства для измерения напряженности электрического поля;

на фиг.2. - электропроводящий элемент чувствительного электроде датчика, выполненный, в общем случае, в форме сферического слоя, внешне и внутренне ограниченный центральными конусами с углами при вершине соответственно ₁90° и ₂<₁;

на фиг.3 - график, позволяющий по заданной погрешности определять оптимальные внешние угловые размеры ₁ сферических слоев, из которых состоят чувствительные электроды 2 и 5 при фиксированном внутреннем угловом размере ₂=0 и максимально возможном пространственном диапазоне измерения a=R/d (R - радиус корпуса датчика 1, d - расстояние от центра 10 корпуса датчика 1 до источника поля);

на фиг.4 - график, позволяющий по заданной погрешности определять оптимальные внутренние угловые размеры 62 сферических слоев, из которых состоят чувствительные электроды 2 и 5 при фиксированном внешнем угловом размере ₁90° и максимально возможном пространственном диапазоне измерения a=R/d (R - радиус корпуса датчика 1, d - расстояние от центра 10 корпуса датчика 1 до источника поля).

Устройство для измерения напряженности электрического поля содержит датчик 1 с расположенной на его поверхности парой чувствительных электродов 2 и 5 центры 8 и 9 которых размещены на оси декартовой системы координат симметрично относительно ее начала 10, дифференциальный преобразователь 11 и измерительный прибор 12. Чувствительный электрод 2, состоящий из двух соприкасающихся и гальванически связанных электропроводящих элементов в виде сферических слоев 3 и 4, подключен к первому входу дифференциального преобразователя 11, а чувствительный электрод 5 состоящий из двух соприкасающихся и гальванически связанных электропроводящих элементов в виде сферических слоев 6 и 7 подключен ко второму входу того же преобразователя 11, выход которого подключен к входу измерительного прибора 12, отградуированного в единицах напряженности электрического поля.

Устройство работает следующим образом.

Датчик 1 с чувствительными электродами 2 и 3 помещают в пространство исследуемого переменного электрического поля, при этом на чувствительных электродах 2 и 5 возникают переменные во времени электрические заряды, пропорциональные составляющей вектора напряженности измеряемого поля, т.е. суммы исходного поля и собственного поля датчика. Изменение зарядов во времени приводит к возникновению электрических токов, пропорциональных этим зарядам. В составе этих токов присутствует составляющая, обусловленная собственным полем датчика 1. За счет дифференциального преобразования сигналов с чувствительных электродов 2 и 50 датчика 1 на выходе дифференциального преобразователя 11 выделяется электрический сигнал U, пропорциональный вектору напряженности только исходного электрического поля Е. Этот сигнал измеряется измерительным прибором 12, отградуированным в единицах напряженности электрического поля. Для получения результата измерений датчик 1 ориентируют в электрическом поле до достижения максимального показания измерительного прибора 12, которое будет соответствовать напряженности исходного электрического поля. При этом условии показания W измерительного прибора будут равны

,

где k - безразмерный постоянный коэффициент измерительной цепи; - диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится датчик; R - радиус корпуса датчика; углы при вершине внешнего и внутреннего центральных конусов, ограничивающих размер сферического слоя чувствительного электрода; - погрешность датчика в неоднородном электрическом поле, зависящая от углов ; a=R/d- параметр, определяющий пространственный диапазон измерения (R - радиус сферического корпуса датчика 1, d - расстояние от центра датчика до источника поля); E - напряженность исходного электрического поля. Уменьшение погрешности устройства и расширение пространственного диапазона измерения достигается:

1) за счет организации чувствительного электрода датчика из двух гальванически связанных и пристыкованных сферических слоев, центры которых отклонены от координатной оси датчика на внешний ₁ угловой размер сферического слоя;

2) за счет оптимального выбора угловых размеров сферических слоев.

При этом распределение зарядов, индуцированных на поверхности, полученных таким образом электродов датчика приближается к распределению в однородном поле.

Из графиков фиг.3 и фиг.4 видно, что, изменение внутреннего углового размера окна сферического слоя от 0 до ₂, при фиксированном внешнем угловом размере ₁ приводит как к уменьшению погрешности датчика, так и расширению его пространственного диапазона измерений по сравнению с прототипом.

Таким образом, при измерении напряженности электрического поля датчик 1 ориентируют в поле до получения максимального показания измерительного прибора 12. Удерживают датчик 1 в этом положении и измерительным прибором 12 измеряют модуль вектора напряженности исходного электрического поля.

Размер элементов 3, 4 и 6, 7, выполненных в форме сферического слоя, образующих чувствительные электроды 2 и 5, выбирают исходя из минимально возможной погрешности измерения и максимально возможного пространственного диапазона измерения согласно, графикам, представленным на фиг.3 и фиг.4 и таблицам 1-2.

Согласно фиг.3 оптимальные размеры элементов 3, 4 и 6, 7, выполненных в форме сферического слоя при внутренним угловом размере ₂=0 лежат в диапазоне изменения их внешних угловых размеров 87°<₁<80°. Согласно фиг.4 оптимальные размеры элементов 3, 4 и 6, 7, выполненных в форме сферического слоя при внешнем угловом размере ₁=90° лежат в диапазоне изменения их внутренних угловых размеров 22°<₂<44°.

Таблица 1
Зависимости внешнего углового размера 1 чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя при его внутреннем размере 2=0° и максимально возможного параметра амакс, определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ±
, %	0,5	1,0	1,5	2,0
1°	87,1	83,4	81,9	81,2
амакс.	0,62	0,78	0,88	0,98
d	1,61R	1,28R	1,14R	1,02R

Из анализа таблиц 1 следует, что лучшим угловыми размерами чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя с внутренним угловым размером ₂=0, является внешний угловой размер ₂=81,2°, соответствующий погрешности =2%.

Таблица 2
Зависимости внутреннего углового размера 2 чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя при его внешнем размере 1=90° и максимально возможного параметра aмакc., определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ±
, %	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5
20	44,3	37	32,2	29	26,2	24	22,2	20,6	19	17,6
амакс.	0,46	0,6	0,74	0,86	0,97	0,99	0,99	0,99	0,99	0,99
d	2,17R	1,67R	1,35R	1,16R	1,03R	1,01R	1,01R	1,01R	1,01R	1,01R

Из анализа таблицы 2 следует, что оптимальными угловыми размерами чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя с внешнем угловым размером ₁=90°, является внешний угловой размер ₂=26,2°, соответствующий погрешности =2,5%.

В таблицах параметр а _макс.=R/d_мин., R - радиус сферического корпуса датчика; d_мин. - минимально возможное расстояние от центра датчика до источника поля при требуемой погрешности.

Таким образом, пространственный диапазон измерения датчика будет находиться в пределах от d_мин.=R/а _макс. до . Следовательно, чем больше а_макс., тем шире пространственный диапазон и тем ближе к источнику поля можно располагать датчик.

Заявляемое техническое решение позволяет при правильном выборе конфигурации и размеров чувствительных элементов добиться погрешности измерения менее ±2,5% на расстояниях от источника поля и проводящих поверхностей, больших или равных 1,03·R, где R - радиус сферического корпуса датчика.

Устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее сферический датчик с чувствительными электропроводящими электродами, расположенными на координатной оси, проходящей через центр корпуса датчика и симметрично относительно его корпуса, дифференциальный преобразователь сигналов датчика и измерительный прибор, при этом чувствительные электропроводящие электроды соответственно соединены с первым и со вторым входами дифференциального преобразователя, выход которого соединен с входом измерительного прибора, отградуированного в единицах напряженности электрического поля, причем чувствительные электропроводящие элементы электрода выполнены в форме сферического слоя, внешний размер которого ограничен центральным конусом с углом при вершине ₁90°, а внутренний - центральным конусом с углом ₂₁ при вершине, выбираемым исходя из требуемых погрешности и пространственного диапазона измерения, отличающееся тем, что датчик выполняют с одной парой чувствительных электропроводящих электродов, при этом каждый чувствительный электропроводящий электрод датчика состоит из двух соприкасающихся и гальванически связанных электропроводящих чувствительных элементов, а координатная ось датчика проходит через точку соприкосновения двух электропроводящих чувствительных элементов.