Устройство для измерения напряженности электрического поля

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с требуемой погрешностью. Устройство содержит датчик (1) с расположенными на его поверхности двумя парами чувствительных электродов (2-3), центры (12-13) которых попарно размещены на осях декартовой системы координат симметрично относительно ее начала (14), дифференциальный преобразователь (15), преобразователь переменного напряжения в постоянное (16) и измерительный прибор (17). Чувствительные элементы (4) и (6) гальванически соединены вместе и подключены к первому входу дифференциального преобразователей (15), а чувствительные элементы (5) и (7) гальванически соединены вместе и подключены ко второму выходу того же преобразователя (15), выход которого через преобразователь переменного напряжения в постоянное (16) подключен к входу измерительного прибора (17), отградуированного в единицах напряженности электрического поля. Для получения результата измерения датчик (1) ориентируют в электрическом поле до достижения максимального показания измерительного прибора (17). Угловые размеры чувствительных электропроводящих элементов выбирают, исходя из требуемых погрешности и пространственного диапазона измерения. Заявляемое техническое решение позволяет добиться погрешности измерения менее±3% на расстояниях от источника поля и проводящих поверхностей, больших или равных 1.01R, где R - радиус сферического корпуса датчика, а также упростить конструкцию датчика, за счет использования одной, вместо трех пар чувствительных элементов. 5 ил.

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 [Feser К. A potential free spherical sensor for the measurement of transient electric fields / K.Feser, W.Pfaff // IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, vol. Pas-103. - 1984. - 10. - P. 2904-2911], содержащее сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувствительных элементов, попарно расположенных на координатных осях, проходящих, через центр корпуса датчика, причем чувствительные элементы подключены к входам дифференциальных усилителей, выходы которых соединены с входами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеизвлекателя, выход которого подключен к выходной клемме устройства.

Однако это устройство можно использовать при измерении напряженности электрического поля в узком пространственном диапазоне, т.е. на расстояниях от источников поля, значительно превышающих размеры датчика. В этой области электрическое поле можно считать однородным. При приближении датчика к источнику поля электрическое поле становится неоднородным, и появляется зависимость измеряемой напряженности от ориентации датчика, что также приводит к значительным погрешностям измерения. Кроме этого, такое устройство имеет расширенный диапазон преобразования входных сигналов и обладает повышенной сложностью реализации.

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 и усложненная конструкция датчика.

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

Указанная задача достигается тем, что в известном устройстве для измерения напряженности электрического поля, содержащем сферический датчик с чувствительными электропроводящими электродами, попарно расположенными 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 электроды соответственно соединены с первым и со вторым входами 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 электрода 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 гальванически связанных электропроводящих чувствительных элементов, а координатная ось датчика, выходящая из его центра, проходит между осями двух электропроводящих чувствительных элементов, образующих чувствительный электрод, на равных угловых расстояниях от этих осей и лежит в их плоскости.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами фиг.1 - фиг.5, где

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

на фиг.2 - пример одной из возможных форм чувствительных элементов 4-7 электродов датчика 2-3, выполненной, в общем случае, в виде сферического слоя с внешним ₁ и внутренним ₂ угловыми размерами;

на фиг.3 - фиг.5 - представлены графики погрешности датчика в зависимости от пространственного диапазона измерения и угловых размеров его чувствительных элементов при угловых расстояниях между осями чувствительных элементов и координатной осью датчика =45°.

Устройство для измерения напряженности электрического поля содержит датчик 1 с расположенной на его поверхности парой электропроводящих чувствительных электродов 2 и 3 центры 12 и 13 которых размещены на оси декартовой системы координат симметрично относительно ее начала 14, дифференциальный преобразователь 15, преобразователь переменного напряжения в постоянное 16 и измерительный прибор 17. Чувствительные электроды 2, 3, соответственно состоят из одинаковых электропроводящих чувствительных элементов 4, 6 и 5, 1 в форме сферических сегментов, ограниченных центральным внешним конусом с углом при вершине ₁<90°, в которых вырезаны окна центральным внутренним конусом с углом ₂<₁. Чувствительные элементы 4, 5 и 6, 7 расположены попарно симметрично на диаметрально противоположных участках сферического проводящего корпуса 1, изолированно от него и один от другого. Оси пар чувствительных элементов 4, 5 и 6, 7 проходят через центр датчика 14 и центры 8, 9 и 10, 11 пар чувствительных элементов. Координатная ось датчика выходит из его центра 14, проходит через центры 12 и 13 чувствительных электродов 2, 3, расположенные между осями пар чувствительных элементов 4, 5 и 6, 7 на равном угловом а расстоянии от них и лежит в одной плоскости с осями чувствительных элементов 4, 5 и 6, 7. Чувствительные элементы 4 и 6 гальванически связаны и подключены к первому входу дифференциального преобразователей 15, а чувствительные элементы 5 и 7 гальванически связаны и подключены ко второму входу того же дифференциального преобразователя 15, выход которого через преобразователь переменного напряжения в постоянное 16 подключен к входу измерительного прибора 17, 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 3 возникают переменные во времени электрические заряды, пропорциональные составляющей модуля 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 3 датчика 1 на выходе дифференциального преобразователя 15 выделяется переменное напряжение U_~, пропорциональное модулю вектора напряженности только исходного электрического поля Е. Это напряжение преобразователем 16 переменного напряжения в постоянное, преобразуется в постоянное напряжение U₌, которое измеряется измерительным прибором 17, отградуированным в единицах напряженности электрического поля.

Для получения результата измерений датчик 1 ориентируют в электрическом поле до достижения максимального показания измерительного прибора 17, которое будет соответствовать напряженности исходного электрического поля. Максимальное показание измерительного прибора 17 будет достигаться, когда координатная ось х датчика совпадет с направлением вектора напряженности электрического поля .

В этом случае показания N измерительного прибора будут равны

, где k - безразмерный постоянный коэффициент; k ₁ - коэффициент, учитывающий коэффициенты преобразования интегратора тока, преобразователя переменного напряжения в постоянное и измерительного прибора; ₁ - диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится датчик; R - радиус корпуса датчика; , ₁ и ₂ угловые размеры чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя (=) или его части (<); (₁, ₂, ) - погрешность датчика в неоднородном ЭП, зависящая от углов ₁₂ и параметра ; =R|d - параметр, определяющий пространственный диапазон измерения (d - расстояние от центра датчика до источника поля); Е - напряженность исходного электрического поля.

Уменьшение погрешности устройства и расширение пространственного диапазона измерения достигается:

1) за счет организации чувствительного электрода датчика из двух гальванически связанных чувствительных элементов, выполненных в форме сферических сегментов (сферических слоев), центры которых отклонены от координатной оси датчика в общем случае на угол ;

2) за счет оптимального выбора угловых размеров ₁ и ₂ сферических слоев.

Упрощение конструкции датчика достигается за счет использования одной пары чувствительных электродов вместо трех в прототипе.

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

Из графиков фиг.3-фиг.5 видно, что, изменение внешнего углового размера ₁ сферического сегмента и внутреннего углового размера ₂ окна сферического слоя 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 17. Удерживают датчик 1 в этом положении и измерительным прибором 17 измеряют модуль вектора напряженности исходного электрического поля.

Размер чувствительных элементов, выполненных в форме сферического сегмента или сферического слоя выбирают исходя из максимально возможного пространственного диапазона измерения и минимально возможной погрешности измерения, согласно, графикам, представленным на фиг.3-5 и таблицам 1-3.

Согласно фиг.3 и фиг.4, оптимальные размеры чувствительных элементов 4-7, выполненных в форме сферического сегмента или его части лежат в двух диапазонах изменения их угловых размеров: 47°<1<60° при ₂=0 и 72°<₁<90° при ₂=0. Оптимальные размеры чувствительных элементов 4-7, выполненных в форме сферического слоя (фиг.5) при ₁=45° лежат в диапазоне 8°<₂<22°.

Таблица 1 - Зависимости внешнего углового размера ₁ чувствительного элемента, выполненного в форме сферического сегмента при его внутреннем размере ₂=0° и максимально возможного параметра _макс., определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ± (для первого диапазона) при угловых расстояниях между осями чувствительных элементов и координатной осью датчика =45°.

,%	0.125	0.25	0.5	1	1.5	2
1	60	58	56.5	53.4	51.5	50.1
макс.	0.4	0.45	0.53	0.62	0.69	0.73
Продолжение табл.1
,%	2.5	3	3.5	4
1°	49.1	48.3	47.65	47.1
макс.	0.78	0.81	0.84	0.88

Таблица 2 - Зависимости внешнего углового размера ₁ чувствительного элемента, выполненного в форме сферического сегмента при его внутреннем размере ₂=0 и максимально возможного параметра _макс, определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ± (для второго диапазона) при угловых расстояниях между осями чувствительных элементов и координатной осью датчика =45°.

,%	2.1	2.25	2.5	3	3.25	3.5
1°	90	83	80	77	76.2	75.4
макс.	0.88	0.93	0.99	0.99	0.99	0.99
Продолжение табл.2
,%	3.75	4	4.25	4.5	4.75	5
1°	74.8	74.2	73.7	73.3	72.9	72.55
макс.	0.99	0.99	0.99	0.99	0.99	0.99

Из анализа таблиц 1 и 2 следует, что лучшими угловыми размерами чувствительного элемента, выполненного в форме сферического сегмента является угловые размеры ₁=90° и ₂=0, соответствующие погрешности =2,1%. Сферическим сегментом с таким угловым размером будет полусфера. Таким образом, чувствительные элементы 4-7 выполняются ввиде полусфер, образованных четырьмя конгруэнтными (равными)сферическими треугольниками, полученными путем рассечения сферы тремя взаимно перпендикулярными плоскостями, проходящими через центр сферы. Чувствительные элементы с угловыми размерами 47°<₁<90° и ₂=0 следует выполнять в виде части сферического сегмента.

Таблица 3 - Зависимости внутреннего углового размера ₂ чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя при его внешнем размере ₁=45° и максимально возможного параметра _макс., определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ± при угловых расстояниях между осями чувствительных элементов и координатной осью датчика =45°.

,%	0.5	1	1.5	2	2.5	3	3.5	4	4.5	5
2°	22	18.5	16.1	14.5	13.1	12	11.1	10.3	9.5	8.8
макс.	0.46	0.6	0.74	0.86	0.97	0.99	0.99	0.99	0.99	0.99

Из анализа таблицы 3 следует, что оптимальными угловыми размерами чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя является угловые размеры ₁=45° и ₂=12°, соответствующие погрешности =3%

В таблицах параметр _макс=R|d_мин, где 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|_макс до . Следовательно, чем больше _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 погрешностиизмерения менее±3% на расстояниях от источника поля и проводящих поверхностей, больших или равных 1.01R, где R - радиус сферического корпуса датчика, а также упростить конструкцию датчика, за счет использования одной, вместо трех пар чувствительных элементов.

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, преобразователь переменного напряжения в постоянное и измерительный прибор, при этом чувствительные электропроводящие электроды соединены с первым и вторым входами 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 электрода 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, отличающееся тем, что датчик выполняют с одной парой чувствительных электропроводящих электродов, при этом каждый чувствительный электропроводящий электрод датчика состоит из двух гальванически связанных электропроводящих чувствительных элементов, а координатная ось датчика, выходящая из его центра, проходит между осями двух электропроводящих чувствительных элементов, образующих чувствительный электрод, на равных угловых расстояниях от этих осей и лежит в их плоскости.