Сдвоенный датчик для измерения напряженности электрического поля с раздельными чувствительными элементами

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью.
Известен однокоординатный датчик, реализованный в устройстве для измерения напряженности электрического поля [Патент №17225 РФ, МПК G01R 29/08]. Датчик содержит проводящее сферическое основание, на поверхности которого изолированно от него и друг от друга расположены два одинаковых электропроводящих чувствительных элементов в форме полусфер, центры которых лежат на одной координатной оси, проходящей через центр сферического основания, дифференциальный преобразователь выходного сигнала датчика, первый вход которого соединен с первым чувствительным элементом, а второй вход - со вторым чувствительным элементом датчика, а его выход является выходом датчика.
Достоинством датчика является то, что он выполняется двойным, так как на координатной оси датчика расположены диаметрально противоположные пары электропроводящих чувствительных элементов. А, по напряженности электрического поля судят по величине разности зарядов между противоположными парами чувствительных элементов. Использование датчика в дифференциальном включении приводит к повышению точности измерений, за счет уменьшения влияния синфазных составляющих, вызванных внешними электрическими помехами.
0
Недостатком датчика является то, что датчик с чувствительными элементами в форме полусфер, угловой размер которых θ=180° в неоднородном поле имеет отрицательную погрешность, предельное значение которой достигает -35%. В результате значение напряженности электрического поля будет занижено.
Известен также датчик, реализованный в способе измерения напряженности электрического поля [Патент RU №2388003, МКИ G01R 29/12, G01R 29/08], содержащий проводящее сферическое основание с тремя парами электропроводящих чувствительных элементов, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности корпуса датчика на его координатных осях, проходящих через центр сферического основания, при этом чувствительные элементы и сферическое основание изолированы друг от друга.
Датчик второго аналога также выполнен двойным и обладает теми же достоинствами двойного датчика, что и датчик первого аналога.
0
0
0
Недостатком второго аналога является то, что его чувствительные элементы выполнены в форме сферических сегментов с угловыми размерами θ≤90° и являются частью полусферы, имеющей угловой размер θ=180°. Ограничение угловых размеров сферических сегментов вызвано исключением их перекрытия друг другом. Датчик с чувствительными элементами в форме сферических сегментов и угловыми размерами θ≤90° в неоднородном поле имеет положительную погрешность, предельное значение которой достигает +35 %. В результате значение напряженности электрического поля будут завышено.
0
1
2
Наиболее близким является датчик, реализованный в устройстве для измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком [Патент RU №207464 U1, МКИ G01R 29/12], содержащий сферический датчик с двумя парами электропроводящих чувствительных элементов, первая пара которых выполнена в форме сферических сегментов с угловыми размерами θ≤90°, а вторая пара выполнена в форме сферических сегментов с угловыми размерами у основания θ≤180° и у вершины θ≥90°. Обе пары чувствительных элементов попарно и симметрично расположены относительно сферического основания датчика на одной координатной оси, проходящих через центр электропроводящего сферического основания, при этом чувствительные элементы и сферическое основание изолированы друг от друга, первые чувствительные элементы соответствующей пары элементов выполнены с возможностью соединения с первыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, а вторые чувствительные элементы этой же пары выполнены с возможностью соединения со вторыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, причем первый вход второго сумматора соединен с первым входом первого сумматора и выходом первого дифференциального преобразователя, а второй вход второго сумматора соединен с выходом первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго дифференциального преобразователя, при этом выход второго сумматора подключен к измерительному прибору.
В неоднородном поле такой датчик имеет положительную погрешность, предельное, значение которой не превышает +5%.
Общим недостатком известных датчиков является низкая точность при измерении неоднородных электрических полей и ограниченный пространственный диапазон измерений.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне измерений, т.е. обеспечение возможности измерения вблизи источников поля и проводящих поверхностей.
0
1
2
0
2
2
0
Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащем сферическое основание с двумя парами электропроводящих чувствительных элементов, первая пара из которых выполнена в форме сферического сегмента с внешним угловым размером θ, а вторая пара чувствительных элементов выполняется в форме сферического слоя с внешним θ<180° и внутренним θ угловыми размерами, причем чувствительные элементы расположены попарно симметрично относительно центра сферического основания по одной координатной оси, проходящей через центр проводящего сферического основания, при этом чувствительные элементы и сферическое основание датчика изолированы друг от друга, первые чувствительные элементы соответствующей пары элементов выполнены с возможностью соединения с первыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, а вторые чувствительные элементы этих же пар выполнены с возможностью соединения со вторыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, а выходы первого и второго дифференциального преобразователя выходных сигналов датчика соответственно соединены с первым и вторым входами сумматора, при этом выход второго дифференциального преобразователя является выходом второго двойного датчика, отличающееся тем, что в датчике внешний и внутренний угловые размеры первой и второй пары чувствительных элементов выполняются соответственно равными θ≥71° и θ≤71,2°, при θ>θ, а выход первого дифференциального преобразователя и выход сумматора являются выходами первого двойного и сдвоенного датчиков соответственно.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен датчик, представляющий собой сдвоенный двойной однокоординатный датчик для измерения напряженности электрического поля, в состав которого входит измерительная цепь; на фиг. 2 показаны чувствительные элементы 2-3 выполненные в форме сферического сегмента (фиг. 2, а) и чувствительные элементы 4-5 выполненные, в форме сферического слоя (фиг. 2, б) и их угловые размеры, а на фиг. 3 представлены графики погрешностей от неоднородности электрического поля для датчиков аналога 1, аналога 2, прототипа и заявляемого датчика в зависимости от пространственного диапазона измерения a=R/d (R - радиус сферического основания 1 датчика, d - расстояние от центра сферического основания 1 датчика до источника поля).
Сдвоенный датчик напряженности электрического поля состоит из электропроводящего сферического основания 1 с расположенными на его поверхности на одной координатной оси двумя парами чувствительных элементов 2-3, входящих в первый датчик и 4-5, входящих во второй датчик, двух двухвходовых дифференциальных преобразователей 7 и 8 низкоомными входами и двухвходового сумматора 9. Чувствительные элементы 2-3 и 4-5 соответственно подключены к входам первого и второго дифференциальных преобразователей 7 и 8, а их выходы к сумматору 9. Выходы дифференциальных преобразователей 7 и 8 и сумматора 9 являются выходами датчика. Дифференциальные преобразователи 7 и 8, сумматор 9 представляют собой измерительную цепь. Измерительная цепь может быть иной, построенной, например, с использованием цифровых и микропроцессорных технологий. В качестве дифференциальных преобразователей измерительной цепи могут, например, использоваться дифференциальные интеграторы тока или усилители заряда. Электропроводящее сферическое основание 1 может являться средней точкой или общей шиной 6 для измерительной цепи датчика.
Датчик работает следующим образом.
1
2
1
2
1
2
1
2
Датчик помещают в исследуемое электрическое поле и ориентируют его координатную ось по направлению поля. Под действием электрического поля на чувствительных элементах 2-3 и 4-5 первого и второго датчика, входящих в сдвоенный датчик индуцируются электрические заряды. С помощью дифференциальных преобразователей 7 и 8 разность зарядов с каждой пары чувствительных элементов первого и второго датчика преобразуются в напряжения  (где k и k - коэффициенты преобразования первого и второго дифференциального преобразователя;  - разность зарядов с чувствительных элементов 2, 3 и 4, 5 соответственно). Напряжения U и U в свою очередь пропорциональны E и E напряженности измеряемого электрического поля E, определяемым первым и вторым датчиком, входящих в состав сдвоенного датчика. Далее напряжения U и U суммируются сумматором 9, на выходе которого формируется напряжение U.
1
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
0
1
2
0
0
1
2
Предварительно при градуировке датчика в однородном электрическом поле регулировкой коэффициентов преобразования k при одной и той же напряженности E добиваются на выходах первого и второго датчика выполнения равенства U=U. В этом случае будет выполняться условие E=E=Е. Напряжения U и U являются выходными напряжениями первого и второго двойных датчиков. Далее напряжения U и U суммируются сумматором 9 и суммарное напряжение U=U+U=k(E+E)=kE(k - коэффициент суммирования сумматора 9) будет выходным напряжением сдвоенного датчика. При выполнении коэффициента суммирования  выходное напряжение U=k(E+E)/2=kE(гдеk=1)будет пропорционально среднему значению напряженности электрического поля , между значениями E и E, полученными первым и вторым двойными датчиками, входящими в состав сдвоенного датчика.
1
2
Использование сдвоенного датчика повышает точность измерения неоднородных электрических полей. Повышение точности достигается тем, что в неоднородном поле измеренные значения напряженности Е и Е содержат противоположные по знаку относительные погрешности от неоднородности поля, соответственно равные
С учетом погрешностей, можно записать
где Е - напряженность исходного электрического поля.
Напряженность измеряемого поля определится по формуле
где погрешность сдвоенного датчика, вызванная неоднородностью поля
1
2
В результате получаем значения напряженности электрического поля с погрешностью δ в два раза меньшей, чем разность модулей погрешностей первого δ и второго δ датчиков, входящих в состав сдвоенного датчика.
Построим графики (фиг. 3) погрешностей для аналога 1, аналога 2, прототипа и заявляемого датчика в зависимости от относительного расстояния a=R/d (где R - радиус сферического корпуса датчика, d - расстояние от центра датчика до источника поля).
В основе построения графиков погрешностей лежит известное выражение для расчета погрешности от неоднородности поля датчиков сферической формы [Бирюков С.В. Измерение напряженности электрических полей в диэлектрических средах электроиндукционными датчиками. Методы и средства измерений: монография / С.В. Бирюков. - Омск. Изд-во ОмГТУ, 2011, 196 с. см. С. 104.
(2)
1
2
1
2
2
1
0
где δ и δ - погрешности первого и второго двойных датчиков, входящих в состав сдвоенного датчика; θ - угловой размер основания сферического слоя, являющегося чувствительным элементом датчика, θ - угловой размер вершины сферического слоя, являющегося чувствительным элементом датчика. При подстановке в выражение (2) θ=0 и принимая θ=θ, получим выражение для погрешности первого двойного датчика с чувствительным элементом в форме сферического сегмента
1
А, при подстановке в выражение (2) θ=180° получим выражение для погрешности второго двойного датчика с чувствительным элементом в форме сферического слоя
0
2
1
2
С учетом выражения (1) и (3), (4) и оптимальных угловых размеров чувствительных элементов датчика θ=71° и θ=72° для погрешностей δ и δ, погрешность заявляемого датчика δ определится как
(5)
01
02
Построим по выражениям (2)-(5) на рис 3. графики погрешности от неоднородности поля для аналога 1, аналога 2, прототипа и заявляемого устройства. Из графиков фиг. 3 следует, что сдвоенный датчик прототипа, с угловыми размерами чувствительных элементов первого датчика θ=90° и второго датчика θ≈180° позволяет уменьшить погрешность измерения неоднородных электрических полей до +4,6% при практически полном пространственном диапазоне измерения 0≤a<0,98 (d=1.02R).
0
1
2
Заявляемый двойной датчик, в котором первая пара чувствительных элементов выполнена в форме сферического сегмента с угловым размером θ=71°, а вторая пара чувствительных элементов выполнена в форме сферического слоя с угловыми размерами при вершине θ≈180° и угловыми размерами у основания θ=71,2°, позволяет снизить погрешность δ(a) датчика прототипа до ±1% во всем пространственном диапазоне измерения, т.е. d=R.
Таким образом, предлагаемый сдвоенный датчик позволяет добиться значительного повышения точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне.