Датчик напряженности электрического поля

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения ортогональных составляющих вектора напряженности электрического поля.
х
y
Известен двухкоординатный датчик напряженности электрического поля [1], представляющий собой металлический цилиндр, разрезанный взаимно перпендикулярными плоскостями, проходящими через его ось. Образовавшиеся четыре части цилиндра представляют собой электроды датчика. На каждой паре диаметрально противоположных электродов индуцируются напряжения, пропорциональные соответствующим составляющим вектора напряженности электрического поля Е и E.
Поскольку датчик напряженности электрического поля имеет только две пары чувствительных электродов, то к его недостаткам можно отнести сложность процесса нахождения направления вектора напряженности электрического поля, поскольку датчик требует ориентации в электрическом поле.
Наиболее близким устройством к заявляемому является трехкоординатный датчик напряженности электрического поля [2], содержащий диэлектрическое тело с нанесенными на его поверхности электродами, попарно расположенными на трех координатных осях. Диэлектрическое тело выполнено в виде цилиндра, на поверхности которого изолировано друг от друга расположены две пары электродов в форме цилиндрического прямоугольника, разделенных взаимно-перпендикулярными диаметральными плоскостями, а на основаниях цилиндра расположены электроды круглой формы.
При измерении датчик напряженности электрического поля располагают перпендикулярно определяемой составляющей вектора напряженности электрического поля. О составляющих X и Y вектора напряженности электрического поля судят по величине разности зарядов между парами электродов, расположенных на цилиндрической поверхности тела датчика по осям X и Y соответственно, а о составляющей Z - между электродами, расположенными на основаниях цилиндра. Датчик напряженности электрического поля позволяет раздельно измерять составляющие вектора напряженности электрического поля.
х
y
z
К недостаткам датчика напряженности электрического поля можно отнести асимметричную систему электродов относительно координатных плоскостей XOZ, YOZ и XOY. Асимметрия системы электродов приводит к разным чувствительностям датчика по составляющим Е, E и E вектора напряженности электрического поля, и как следствие этого к дополнительной погрешности от неоднородности электрического поля.
Задачей полезной модели является создание датчика с симметричной конструкцией, позволяющей обеспечить равенство чувствительностей датчика по трем координатным осям и снижение его дополнительной погрешности при измерении в неоднородных электрических полях.
Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащем 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.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен датчик напряженности электрического поля.
Датчик напряженности электрического поля содержит диэлектрический цилиндр 1, четыре первых электрода 2-5 симметрично расположены в верхней части цилиндрической поверхности, и четыре вторых электрода 6-9 симметрично расположены в нижней части цилиндрической поверхности. Каждый электрод выполнен в виде цилиндрического проводящего прямоугольника, представляющего восьмую часть цилиндрической поверхности.
Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.
х
y
z
При внесении датчика в электрическое поле на его проводящих электродах 2-9 индуцируются электрические заряды, величина которых пропорциональна измеряемой напряженности электрического поля Е. Одновременно или разновременно формируя из электродов 2-9 противоположные пары групп из четырех электродов: по оси X - 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9; по оси Y - 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9; по оси Z - 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9, разделенных координатными плоскостями XOZ, YOZ и XOY, измеряют разности зарядов между электрически соединенными парами составных электродов, пропорциональных составляющим Е, E и E вектора напряженности электрического поля Е, а по ним определяют его модуль .
Для создания симметричной конструкции датчика по трем ортогональным направлениям в него введены дополнительно четыре электрода 6, 7, 8, 9 (фиг. 1). В результате чего из восьми образовавшихся электродов, одинаковых по форме и размерам, для каждой составляющей электрического поля формируются пары чувствительных элементов, причем каждая пара чувствительного элемента состоит из четырех электродов. Так, по оси X объединяются электроды 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9; по оси Y - 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9; по оси Z - 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9, разделенные координатными плоскостями XOZ, YOZ и XOY соответственно. Поскольку каждый чувствительный элемент состоит из четырех одинаковых по форме и размерам электродов, то датчик обладает симметрией относительно координатных плоскостей и имеет одинаковую чувствительность по каждой координатной оси X, Y и Z.
На каждой паре чувствительного элемента индуцируются заряды, пропорциональные только одной составляющей напряженности электрического поля. Для подтверждения этого рассмотрим фиг. 2. Из фиг. 2 следует, что если напряженность электрического поля нормально падает на чувствительные элементы 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9, расположенные по оси Z, то на чувствительном элементе 2, 3, 4, 5 индуцируются отрицательные заряды, а на чувствительном элементе 6, 7, 8, 9 - положительные. Таким образом, индуцированные на электродах заряды разделяются плоскостью электрической и геометрической нейтрали. При этом на чувствительных элементах 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9, расположенных на оси Х, и чувствительных элементах 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9, расположенных на оси Y, суммарный индуцированный заряд равен нулю. Если же напряженность электрического поля нормально падает на чувствительные элементы 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9, расположенные по оси X, то на чувствительном элементе 2, 3, 6, 7 индуцируются отрицательные заряды, а на чувствительном элементе 4, 5, 8, 9 - положительные. При этом на чувствительных элементах 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9, расположенных на оси Y, и чувствительных элементах 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9, расположенных на оси Z, суммарный индуцированный заряд равен нулю. Если же напряженность электрического поля нормально падает на чувствительные элементы 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9, расположенные по оси Y, то на чувствительном элементе 3, 4, 7, 8 индуцируются отрицательные заряды, а на чувствительном элементе 2, 5, 6, 9 - положительные. При этом на чувствительных элементах 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9, расположенных на оси X, и чувствительных элементах 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9, расположенных на оси Z, суммарный индуцированный заряд равен нулю.
Таким образом, предлагаемый датчик имеет симметричную конструкцию относительно его координатных осей и позволяет раздельно измерять составляющие вектора напряженности электрического поля.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. 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.
2. Щегловский К.Б., Аксельрод B.C. Приборы для измерения параметров электрического поля и их калибровка // Измерительная техника. - 1978. - №5. - С. 63-65.