ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для последовательного измерения составляющих вектора напряженности электрического поля.
0
Известен двухкоординатный датчик напряженности электрического поля [Климашевский И.П., Кондратьев Б.Л., Полетаев В.А., Юркевич В.М. Измеритель вектора напряженности электрического поля высоковольтного оборудования // Измерительная техника. - 1983. - №1. - С. 48-49], представляющий собой металлический цилиндр, разрезанный взаимно перпендикулярными плоскостями, проходящими через его ось. Образовавшиеся четыре части цилиндра, представляют собой электроды двойного датчика с угловым размером θ=90°, на которых индуцируются заряды, пропорциональные соответствующим составляющим вектора напряженности электрического поля.
0
Поскольку датчик напряженности электрического поля имеет чувствительные электроды с угловым размером θ=90°, обеспечивающие погрешность датчика в однородном поле. При измерении реальных, неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне датчик будет иметь значительные погрешности.
Наиболее близким устройством к заявляемому является трехкоординатный датчик напряженности электрического поля [Патент на полезную модель №175577 РФ, МПК G01R 29/12. Датчик напряженности электрического поля /А.А. Кузнецов, А.Ю. Кузменко, С.В. Бирюков. - №2017125826; Заявлено 18.07.2017; Опубл. 11.12.2017, Бюл №35], содержащий диэлектрический цилиндр, на поверхности которого изолировано друг от друга, расположены четыре проводящих электрода в форме цилиндрического прямоугольника, разделенные двумя взаимно-перпендикулярными диаметральными плоскостями, проходящими через ось цилиндра, третьей секущей плоскостью, проходящей через середину цилиндра и перпендикулярно его оси, четыре цилиндрических прямоугольных электрода разделены на восемь изолированных электродов, на которых индуцируются заряды, пропорциональные соответствующим составляющим вектора напряженности электрического поля.
0
При измерении для каждой координатной оси датчика напряженности электрического поля из восьми электродов формируются противоположные пары групп из четырех электродов, разделенных координатными плоскостями XOZ, YOZ и XOY. Сформированные таким образом составные электроды, представляют собой электроды двойного датчика с угловым размером θ=180°, на которых индуцируются заряды, пропорциональные соответствующим составляющим вектора напряженности электрического поля.
0
Поскольку датчик напряженности электрического поля имеет чувствительные электроды с угловым размером θ=180°, то он будет обеспечивать свою погрешность только в однородном электрическом поле, т.е. в поле, в котором проводится его градуировка (поверка). При измерении реальных, неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне датчик будет иметь значительные погрешности. Кроме того, диэлектрическое основание цилиндрического датчика приводит к тому, что двойной датчик будет иметь плавающий потенциал средней точки, приводящий к дополнительной погрешности, вызванной отличием потенциала поля в точке измерения от потенциала средней точки датчика.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне измерения, т.е. на расстояниях от источника поля или проводящих поверхностей соизмеримых с размерами датчика. На таких расстояниях электрическое поле в присутствии датчика обладает сильной неоднородностью.
0
Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащем основание цилиндрической формы, на поверхности которого изолировано друг от друга, расположены проводящие чувствительные электроды в форме цилиндрического прямоугольника, разделенные плоскостью, проходящей через ось цилиндра, согласно заявленному решению основание цилиндрической формы выполнено из проводящего материала, а чувствительные электроды изолированы от основания и выполнены с угловым размером 90°<θ<180°.
a
0
0
0
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1, а, б изображен датчик напряженности электрического поля (вид сбоку фиг. 1,а и вид сверх фиг. 1, б), а на фиг. 2 - графики погрешности от неоднородности поля в зависимости от относительного расстояния =R/d (где R - радиус цилиндрического основания 1 датчика, d - расстояние от оси цилиндрического основания 1 до источника поля) и различных значениях углового размера чувствительного электрода θ. График 1 соответствует датчику аналога при θ=90°, а график 4 соответствует датчику прототипа при θ=180°.
0
Датчик напряженности электрического поля содержит проводящее цилиндрическое основание 1, чувствительные электроды 2 и 3 расположенные диаметрально противоположно на боковой поверхности цилиндрического основания и изолированы от него. Каждый чувствительный электрод выполнен из проводящего материала в форме цилиндрического сегмента с угловым размером 90°<θ<180°.
Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.
При внесении датчика в электрическое поле, его координатную ось ориентируют по направлению поля, при этом на чувствительных элементах 2 и 3 датчика индуцируются противоположные по знаку и максимальные по величине электрические заряды. Величины этих зарядов пропорциональны напряженности электрического поля Е. Измеряя разность зарядов между чувствительными элементами 2 и 3, находят модуль вектора напряженности электрического поля.
0
Для повышения точности измерения напряженности реальных электрических полей цилиндрическое основание выполняют проводящей, а расстояние между чувствительными электродами и цилиндрическим основанием выбирают много меньше толщины чувствительных электродов. Этим достигается равенство потенциалов цилиндрического основания, чувствительных электродов, точки пространства расположения датчика и его средней точки. В результате этого можно считать, что датчик представляет собой не что иное, как проводящий цилиндр. Кроме того, уменьшение погрешности датчика и расширение его пространственного диапазона измерения достигается за счет выбора угловых размеров чувствительных электродов из диапазона 90°<θ<180°.
a
0
0
0
При этом распределение зарядов, индуцированных неоднородным полем на поверхности чувствительных электродов датчика изменяется, приближаясь к распределению в однородном поле. Это подтверждает фиг. 2, где в качестве примеров приведены графики погрешности от неоднородности электрического поля линейного заряда в зависимости от относительного расстояния до источника поля =R/d (где R - радиус цилиндрического основания 1 датчика, d - расстояние от оси цилиндрического основания 1 до источника поля) и различных значениях углового размера чувствительного электрода θ. График 1 соответствует датчику аналога при θ=90°, а график 4 соответствует датчику прототипа при θ=180°.
0
Из графиков фиг. 2 видно, что использование чувствительных электродов с угловыми размерами, выбранными из диапазона 90°<θ<180°, приводит как к уменьшению погрешности датчика, так и расширению его пространственного диапазона измерений по сравнению с прототипом и аналогом.
0
0
0
0
0
а
а
a
а
Например, для датчика, имеющего чувствительные электроды с угловым размером θ=120° (меньше углового размера прототипа) при погрешности δ=-10% пространственный диапазон измерения практически будет от ∞ до R (≈0.99), а для датчика прототипа имеющего чувствительные электроды с угловым размером θ=180° при погрешности δ=-10% пространственный диапазон измерения будет от ∞ до 1.6⋅R (=0.6). Если для сравнения рассмотреть датчик-аналог, то выбор чувствительных электродов с угловым размером  θ>90°, например θ=100°, то из фиг. 2 видно, что погрешность датчика уменьшается с +12% до +6% в пространственном диапазоне от ∞ до R (≈0.99). Следовательно, датчик с чувствительными электродами, имеющими угловой размер в диапазоне 90°<θ<180° обладает меньшей погрешностью при заданном относительном расстоянии  до источника поля, а при заданной погрешности большим пространственным диапазоном измерения.
Таким образом, предлагаемый датчик позволяет уменьшить погрешность и расширить пространственный диапазон измерения в электрических полях. Он легко реализуется современными методами наноинженерии.