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 [А.с. 1163285 А СССР, МКИ G01R 29/12], 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 простота процесса измерения, т.к. не требуется ориентировать датчик в электрическом поле.
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, RU №26135, МКИ G01R 29/08], содержащее сферический датчик с
1
2
1
тремя парами чувствительных электропроводящих элементов, попарно расположенных на координатных осях, проходящих через центр корпуса датчика и симметрично относительно его корпуса, и три дифференциальных преобразователя выходных сигналов датчика, первые входы которых соединены с первыми чувствительными элементами соответствующей пары элементов, а вторые входы - со вторыми чувствительными элементами этой же пары, измерительный прибор, сумматор и преобразователь переменного напряжения в постоянное, причем выходы дифференциальных преобразователей соединены с соответствующими входами сумматора, 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 угловой размер, которого ограничен центральным конусом с углом при вершине θ≤90°, а внутренний - центральным конусом с углом θ<θ при вершине.
Достоинством этого устройства является простота схемной реализации, а недостатком ограниченный пространственный диапазон измерения в области неоднородных полей.
Задачей полезной модели является расширение пространственного диапазона измерения модуля вектора напряженности электрического поля на малых расстояниях от источника поля при сохранении простоты схемной реализации и минимально возможной погрешности.
Указанная задача достигается тем, что в известное устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее сферический датчик с тремя парами чувствительных электропроводящих элементов, попарно расположенных на координатных осях, проходящих через центр корпуса датчика и симметрично относительно его корпуса, и три дифференциальных преобразователя выходных сигналов датчика, первые входы которых соединены с первыми чувствительными элементами
соответствующей пары элементов, а вторые входы - со вторыми чувствительными элементами этой же пары, измерительный прибор, сумматор и преобразователь переменного напряжения в постоянное, причем выходы дифференциальных преобразователей соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого через преобразователь переменного напряжения в постоянное соединен с входом измерительного прибора, отградуированного в единицах напряженности электрического поля, причем угловые размеры чувствительных электропроводящих элементов выбираются исходя из требуемых погрешности и пространственного диапазона измерения, согласно заявляемому техническому решению дополнительно введены три сигнализатора равенства нулю составляющих вектора напряженности электрического поля по каждой координатной оси датчика, причем первые входы сигнализаторов соответственно соединены с выходами дифференциальных преобразователей, а их вторые входы соединены с нулевым проводом.
1
2
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 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 погрешности датчика в зависимости от пространственного диапазона измерения 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, сигнализаторы равенства нулю составляющих вектора напряженности электрического поля по
координатным осям датчика 18-20, сумматор 21, преобразователь переменного напряжения в постоянное 22 и измерительный прибор 23. Чувствительные элементы 2-7 попарно подключены к входам дифференциальных преобразователей 15-17, выходы которых подключены к соответствующим входам сумматора 21 и к первым входам сигнализаторов равенства нулю составляющих вектора напряженности электрического поля 18-20, вторые входы которого подключены к нулевому проводу, причем выход сумматора 21 через преобразователь переменного напряжения в постоянное 22 подключен ко входу измерительного прибора 23, отградуированного в единицах напряженности электрического поля.
Устройство работает следующим образом.
=
Датчик 1 с чувствительными элементами 2-7 помещают в пространство исследуемого поля, при этом на чувствительных элементах 2-7 возникают электрические заряды, пропорциональные составляющим вектора напряженности измеряемого электрического поля, т.е. суммы исходного поля и собственного поля датчика. За счет дифференциального преобразования сигналов с каждой пары чувствительных элементов, расположенных по одной координатной оси, на выходах соответствующих дифференциальных преобразователей 15-17 выделяются переменные напряжения Ux, Uy и Uz, пропорциональные составляющим Ех, Еу и Ez вектора напряженности только исходного электрического поля. Эти напряжения поступают на входы сумматора 21, на выходе которого формируется переменное напряжение U=Ux+Uy+Uz. Далее суммарное переменное напряжение U, с помощью преобразователя переменного напряжения в постоянное 22, преобразуется в постоянное U, которое измеряется измерительным прибором 23, отградуированным в единицах напряженности электрического поля. Для получения результата измерений датчик 1 ориентируют в электрическом поле до срабатывания одного из сигнализаторов 18-20 в момент равенства нулю одной из составляющих вектора напряженности электрического поля. В этот момент напряжение на выходе сумматора 21 соответствует
алгебраической сумме проекций составляющих вектора напряженности ЭП по двум координатным осям датчика, поскольку проекция этого же вектора на третью координатную ось равна нулю. Напряжение с выхода сумматора 21 после преобразования из переменного в постоянное преобразователем 22, измеряется измерительным прибором 23, отградуированным в единицах напряженности электрического поля.
Таким образом, при измерении напряженности электрического поля датчик 1 ориентируют в поле до момента равенства нулю одной из составляющих датчика. Это происходит тогда, когда вектор напряженности попадает в плоскость двух других координат датчика. Далее начинают поворачивать датчик вокруг оси, по которой составляющая вектора напряженности электрического поля равна нулю. Датчик поворачивают до получения максимального показания прибора. Максимальное показание прибора наступает в момент равенства двух составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика при третьей составляющей, равной нулю. Равенство нулю одной из составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика является непременным условием измерения. Удерживая датчик в этом положении, измеряют сумму двух равных составляющих датчика, пропорциональную модулю вектора напряженности электрического поля. В этом случае показания N измерительного прибора будут равны
где k - безразмерный постоянный коэффициент; ε - диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится датчик; R - радиус корпуса датчика; θ1 и θ2 угловые размеры чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя (при θ2=0 чувствительный элемент образует форму сферического сегмента); δ(θ1, θ2) - погрешность датчика в неоднородном электрическом поле, зависящая от углов θ1 и θ2; а=R/d -
параметр, определяющий пространственный диапазон измерения (R - радиус сферического корпуса датчика 1, d - расстояние от центра датчика до источника поля); Е - напряженность исходного 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, 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.
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°.
1
2
макс.
Таблица 1 - Зависимости внешнего углового размера θ чувствительного элемента, выполненного в форме сферического сегмента при его внутреннем размере θ=0° и максимально возможного параметра a, 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>макc.</sub>
0.4
0.45
0.53
0.62
0.69
0.73
Продолжение табл.1
σ,%
2.5
3
3.5
4
θ<sub>1</sub>°
49.1
48.3
47.65
47.1
a<sub>макc.</sub>
0.78
0.81
0.84
0.88
1
2
макс.
Таблица 2 - Зависимости внешнего углового размера θ чувствительного элемента, выполненного в форме сферического сегмента при его внутреннем размере θ=0° и максимально возможного параметра a, определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ±σ (для второго диапазона)
σ,%
2.1
2.25
2.5
3
3.25
3.5
θ<sub>1</sub>°
90
83
80
77
76.2
75.4
a<sub>макc.</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>макc.</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 лучшими 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, чувствительные электродов 2-7 выполняются в виде полусфер, образованных четырьмя конгруэнтными (равными) сферическими треугольниками, полученными путем рассечения сферы тремя взаимно перпендикулярными плоскостями, проходящими через цент сферы. Чувствительные элементы с угловыми размерами 47°<θ<90° и θ=0 следует выполнять в виде части сферического сегмента.
2
1
макс.
Таблица 3 - Зависимости внутреннего углового размера θ чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя при его внешнем размере θ=45° и максимально возможного параметра a, определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ±σ
σ,%
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
θ<sub>2</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. Кроме этого упрощаются процесс отыскания вектора напряженности электрического поля и устройство обработки сигналов датчика, а также сужается диапазон входных сигналов устройства.