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. Известно устройство для измерения напряженности электрического поля [Патент на полезную модель №81579 (Россия), МКИ G01R 29/08. Устройство для измерения напряженности электрического поля / С.В.Бирюков. - №2008138086/20; Заявлено 24.09.2008; Опубл. 20.03.2009, Бюл. №8], содержащее сферический датчик с тремя парами электропроводящих чувствительных элементов попарно подключенных к входам дифференциальных преобразователей, измерительный прибор, логический блок, первый, второй и третий входы которого соответственно соединены с выходами первого, второго и третьего дифференциальных преобразователей, а его выход - со входом измерительного прибора, отградуированного в единицах напряженности электрического поля.
Достоинством этого устройства является простота схемной реализации, а недостатком - погрешность, возникающая в результате алгебраического суммирования двух составляющих вектора напряженности электрического поля.
Наиболее близким устройством к заявляемому является устройство для измерения напряженности электрического поля [А.с. 1163285А СССР, МКИ G01R 29/12. Устройство для измерения напряженности электростатического поля / Аксельрод B.C., Щигловский К.Б., Шервуд Л.Я. и др. - №3639947/24-21; Заявл. 06.09.83; Опубл. 23.06.85, Бюл. №23], содержащее сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувствительных элементов попарно подключенных к входам дифференциальных усилителей, выходы которых соединены со входами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеизвлекателя, выход которого подключен ко входу измерительного прибора.
Достоинством этого устройства является, то, что оно производит геометрическое суммирование составляющих вектора напряженности электрического поля, уменьшая при этом погрешность от ориентации датчика в пространстве. 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.
Задачей полезной модели является уменьшение погрешности от неточности пространственной ориентации датчика и расширение пространственного диапазона измерения модуля вектора напряженности электрического поля.
Указанная задача достигается тем, что в известное устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувствительных элементов попарно подключенных к входам дифференциальных преобразователей, выходы которых соединены со входами квадраторов, сумматор, выход которого через корнеизвлекатель, подключен ко входу измерительного прибора дополнительно введены три управляемых аналоговых ключа и логический блок, первый, второй и третий входы которого соответственно соединены с выходами первого, второго и третьего дифференциальных преобразователей, а его первый, второй и третий выходы соответственно соединены с управляющими входами первого, второго и третьего управляемых аналоговых ключей, причем сигнальные входы управляемых аналоговых ключей соответственно соединены с выходами квадраторов, а сигнальные выходы управляемых аналоговых ключей с первым, вторым и третьим входами сумматора.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами фиг.1 - фиг.5, где
на фиг.1 изображен датчик и структурная схема устройства для измерения напряженности электрического поля;
1
2
на фиг.2. - пример одной из возможных форм чувствительных элементов 2-7 датчика, выполненной, в общем случае, в виде сферического слоя с внешним θ и внутренним θ угловыми размерами;
на фиг.3 - фиг.5 представлены графики зависимости погрешности датчика от пространственного диапазона измерений и угловых размеров его чувствительных элементов.
Устройство для измерения напряженности электрического поля содержит датчик 1 с расположенными на его поверхности тремя парами чувствительных элементов 2-7, центры 8-13 которых попарно размещены на осях декартовой системы координат симметрично относительно ее начала 14, дифференциальные преобразователи 15-17, квадраторы 18-20, управляемые аналоговые ключи 21-23, логический блок 24 выравнивания двух составляющих вектора напряженности по координатным осям датчика при третьей равной нулю, сумматор 25, корнеизвлекатель 26 и измерительный прибор 27, отградуированный в единицах напряженности электрического поля. Чувствительные элементы 2-7 датчика 1 попарно подключены к входам дифференциальных преобразователей 15-17, выходы которых соответственно соединены с первым, вторым и третьим входами логического блока 24 выравнивания двух составляющих вектора напряженности по координатным осям датчика при третьей равной нулю и с входами соответствующих квадраторов 18-20, выходы которых через управляемые аналоговые ключи 21-13 соответственно соединены с первым, вторым и третьим входами сумматора 25, при этом управляющие входы первого второго и третьего управляемых аналоговых ключей 21-23 подключены к соответствующим выходам логического блока 24, а выход сумматора 25 через корнеизвлекатель 26 подключен к входу измерительного прибора 27, отградуированного в единицах напряженности электрического поля.
Устройство работает следующим образом.
x
y
z
x
y
z
x
y
z
x
y
z
2
2
2
Датчик 1 с чувствительными элементами 2-7 помещают в пространство исследуемого поля, при этом на чувствительных элементах 2-7 возникают электрические сигналы, пропорциональные составляющим вектора напряженности измеряемого электрического поля. За счет дифференциального преобразования сигналов с каждой пары чувствительных элементов, расположенных по одной координатной оси, на выходах соответствующих дифференциальных преобразователей 15-17 выделяются напряжения U, U и U, пропорциональные составляющим E, E и E вектора напряженности исходного электрического поля. Эти напряжения соответственно поступают на первый, второй и третий входы логического блока 24 выравнивания двух составляющих вектора напряженности по координатным осям датчика при третьей, равной нулю и на квадраторы 18-20. На выходах квадраторов 18-20 появляются напряжения, пропорциональные квадратам напряжений (U), (U) и (U). Эти напряжения через управляемые аналоговые ключи 21-23 поступают на входы сумматора 25. Коммутация (замыкание и размыкание) аналоговых ключей осуществляется логическим блоком 24. Логический блок 24 построен так, что на одном из его выходах формируется сигнал “0”, а на двух других - сигналы “1”, в том случае, если одно из напряжений U, U и U равно нулю, а два других равны между собой. Сигналами “1”, сформированными логическим блоком 24, замыкаются соответствующие управляемые аналоговые ключи 21-23 и на входы сумматора 25 поступают с квадраторов 18-20 только два равных возведенных в квадрат напряжения. Сумма квадратов этих напряжений  с выхода сумматора 25 поступает на корнеизвлекатель 26. На выходе корнеизвлекателя 26 формируется напряжение , пропорциональное модулю вектора напряженности электрического поля, равноудаленного от двух координатных осей датчика. При этом проекция этого же вектора на третью координатную ось равна нулю. Выделенное корнеизвлекателем напряжение , измеряется измерительным прибором 27, отградуированным в единицах напряженности электрического поля.
Таким образом, при измерении напряженности электрического поля датчик 1 ориентируют в поле до равенства двух его составляющих при третьей составляющей равной нулю. Это наступает в момент попадания вектора напряженности электрического поля в плоскость двух координатных осей датчика на равных расстояниях от них. Удерживая датчик в этом положении, измеряют геометрическую сумму двух из неравных нулю составляющих датчика, пропорциональную модулю вектора напряженности электрического поля. Поскольку в процессе отыскания пространственного положения датчика, при котором вектор напряженности попадает в плоскость двух координатных осей датчика, задействованы три его координаты, то отыскать это положение становится легче и быстрее, чем двухкоординатным датчиком.
Размер чувствительных элементов 2-7, выполненных в форме сферического сегмента или сферического слоя выбирают исходя из минимально возможной погрешности измерения и максимально возможного пространственного диапазона измерения согласно, графикам, представленным на фиг.3-5. и таблицам 1-3.
1
2
1
2
1
2
Согласно фиг.3 и фиг.4 оптимальные размеры чувствительных элементов 2-7, выполненных в форме сферического сегмента или его части лежат в двух диапазонах изменения их угловых размеров: 47°<θ<60° при θ=0 и 72°<θ<90° при θ=0. Оптимальные размеры чувствительных элементов 2-7, выполненных в форме сферического слоя (фиг.5) при θ=45 лежат в диапазоне 8°<θ<22°.
Таблица 1
Зависимости внешнего углового размера θ<sub>1</sub>  чувствительного элемента, выполненного в форме сферического сегмента при его внутреннем размере θ<sub>2</sub>=0° и максимально возможного параметра a<sub>макс.</sub>, определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ±σ (для первого диапазона)
σ, %
0.125
0.25
0.5
1
1.5
2
θ<sub>1</sub>°
60
58
56.5
53.4
51.5
50.1
a<sub>макс.</sub>
0.4
0.45
0.53
0.62
0.69
0.73
Продолжение табл.1
σ, %
25
3
35
4
θ<sub>1</sub>°
49.1
48.3
47.65
47.1
a<sub>макс.</sub>
0.78
0.81
0.84
0.88
Таблица 2
Зависимости внешнего углового размера θ<sub>1</sub> чувствительного элемента, выполненного в форме сферического сегмента при его внутреннем размере θ<sub>2</sub>=0° и максимально возможного параметра a<sub>макс.</sub> определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ±σ (для второго диапазона)
σ, %
2.1
2.25
25
3
3.25
35
θ<sub>1</sub>°
90
83
80
77
76.2
75.4
a<sub>макс.</sub>
0.88
0.93
0.99
0.99
0.99
0.99
Продолжение табл.2
σ, %
3.75
4
4.25
4.5
4.75
5
θ<sub>1</sub>°
74.8
74.2
73.7
73.3
72.9
72.55
a<sub>макс.</sub>
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
1
2
1
2
Из анализа таблиц 1 и 2 следует, что лучшим угловыми размерами чувствительного элемента, выполненного в форме сферического сегмента является угловые размеры θ=90° и θ=0. Сферическим сегментом с таким угловым размером будет полусфера. Таким образом, чувствительных электродов 2-7 выполняются в виде полусфер, образованных четырьмя конгруэнтными (равными) сферическими треугольниками, полученными путем рассечения сферы тремя взаимноперпендикулярными плоскостями, проходящими через цент сферы. Чувствительные элементы с угловыми размерами 47°<θ<90° и θ=0 следует выполнять в виде части сферического сегмента, как показано в авторском свидетельстве.
Таблица 3
Зависимости внутреннего углового размера θ<sub>1</sub> чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя при его внешнем размере θ<sub>1</sub>=45° и максимально возможного параметра a<sub>макс.</sub>, определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ±σ
σ, %
05
1
1 5
2
25
3
35
4
45
5
θ<sub>1</sub>°
22
18.5
16.1
14.5
13.1
12
11.1
10.3
9.5
8.8
a<sub>макс.</sub>
0.46
0.6
0.74
0.86
0.97
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
1
2
Из анализа таблицы 3 следует, что оптимальными угловыми размерами чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя является угловые размеры θ=45° и θ=12°.
макс.
мин
мин.
В таблицах параметр а=R/d, где R - радиус сферического корпуса датчика; d - минимально возможное расстояние от центра датчика до источника поля при требуемой погрешности.
мин
макс
макс.
Таким образом, пространственный диапазон измерения датчика будет находиться в пределах от d=R/a до ∞. Следовательно, чем больше a, 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 ±3% на расстояниях от источника поля и проводящих поверхностей, больших или равных 1.1R, где R - радиус сферического корпуса датчика.