ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для одновременного измерения ортогональных составляющих вектора напряженности электрического поля.
Известен датчик для измерения напряженности электрического поля [А.с. № 1401407 СССР, МКИ G 01R 29/12, опубл. 09.06.88, Бюл. № 21], содержащий диэлектрическую подложку с нанесенными на её  основания электродами, симметрично расположенными по осям координат. Диэлектрическая подложка выполнена в виде плоской квадратной пластины, электроды на одном основании которой представляют собой четыре проводника, расположенных параллельно сторонам плоской квадратной пластины симметрично по осям координат и относительно её центра, а на другом основании электрод выполнен в виде сплошного плоского проводника, перекрывающего электроды, расположенные на первом основании. Попарно соединяя электроды по координатным осям x, y и z датчик позволяет раздельно измерять ортогональные составляющие вектора напряженности электрического поля. О составляющих вектора напряженности электрического поля судят по величине разности зарядов, индуцированных между попарно соединенными электродами.
x
y
z
Поскольку датчик напряженности электрического поля по каждой координате имеет одну пару чувствительных электродов, то он представляет собой одинарный датчик составляющих вектора напряженности электрического поля и асимметричную систему электродов относительно координатных плоскостей XOZ, YOZ и XOY. Это приводит к разным чувствительностям датчика по составляющим E, E и E вектора напряженности электрического поля, и как следствие этого к дополнительной погрешности от неоднородности электрического поля. Кроме этого электроды датчика удалены от центра плоской квадратной пластины и прижаты к её краям, и из-за неравномерности распределения электрических зарядов на их поверхностях будут возникать значительным погрешностям при измерении реальных, неоднородных электрических полей.
Наиболее близким устройством к заявляемому является датчик напряженности электрического поля [Патент № 175038 RU, МПК G01R29/12, опубл. 16.11.2017, Бюл № 32], содержащий диэлектрическую подложку с нанесенными на неё электродами, симметрично расположенными по осям координат, причем, электроды на одном основании подложки представляют собой четыре проводника, симметрично расположенные относительно краев плоской пластины и ее центра, диэлектрическая подложка выполнена в виде плоской круглой пластины, а электрод другого основания разбивается на четыре электрода, повторяющих электроды первого основания и расположенных под ними. При этом электроды датчика представляет собой одинаковые по форме и равные по площади усеченные с двух сторон квадранты, дуги которых совпадает с контуром круглого основания датчика. В результате этого из восьми образовавшихся электродов одинаковых по форме и размерам для каждой составляющей электрического поля формируются пары чувствительных электродов, причем каждая пара чувствительного электрода состоит из четырех электродов в форме усеченного квадранта.
Таким образом, формируется двойной датчик с противоположными парами чувствительных электродов, состоящими из четырех электродов. О составляющих вектора напряженности электрического поля судят по величине разности зарядов между противоположными парами групп чувствительных электродов состоящих из четырех электродов, расположенных на основаниях диэлектрической подложке.
Поскольку датчик напряженности электрического поля имеет электроды, размеры которых не регламентируются, то он будет обеспечивать свою погрешность только в однородном электрическом поле, т.е. в поле, в котором проводится его градуировка (поверка). При измерении напряженности реальных, неоднородных электрических полей такой датчик может иметь значительные погрешности. Кроме того, диэлектрическая подложка в датчике 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.
Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащем подложку с нанесенными на неё электродами, симметрично расположенными по осям координат, причем подложка выполнена в виде плоской круглой пластины, электроды на одном основания которой представляют собой четыре проводника, симметрично расположенные относительно краев плоской круглой пластины и её центра, а четыре электрода второго основания располагаются под электродами первого основания, согласно заявленному решению подложка выполнена из проводящего материала, а электроды датчика имеют в форму квадрантов с дугами одинаковых радиусов с началом в центре круглой пластины, изолированы от неё и друг дуга и в совокупности образуют чувствительный электрод в форме круга с радиусом меньшим или равным радиусу круглого основания подложки.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен датчик напряженности электрического поля (вид с верху и вид снизу), а на фиг. 2 – то же, вид сбоку; на фиг.3 – графики погрешности от неоднородности поля в зависимости от относительного расстояния a=R/d (где R – радиус круглой подложки 1 основания датчика, d - расстояние от центра круглой подложки 1 до источника поля) и различных значениях относительного размера чувствительного электрода b=r/R (где r – радиус электрода 2 датчика,   R – радиус круглой подложки 1 основания датчика).  Датчик напряженности электрического поля содержит проводящую подложку 1, выполненную в форме круглой пластины, четыре пары чувствительных электродов, из которых четыре электродов 2-5 расположены на одном основании подложки и четыре электрода 6-9 расположены на другом основании подложки. Каждый электрод изолирован от проводящей подложки и друг от друга и выполнен в виде плоского проводника в форме квадранта, центр которого совпадает с центром подложки, а его радиус меньшего радиуса подложки 1.  Таким образом, четыре электрода 2-5 одного основания и четыре электрода 6-9 другого основания в совокупности образуют чувствительные электроды в форме кругов с радиусом меньшим или равным радиусу круглого основания подложки.
Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.
x
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 чувствительных электродов, состоящих 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 чувствительных электродов, пропорциональных составляющим E, E и E вектора напряженности электрического поля Е, а по ним определяют его модуль
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>E</mi><mi>x</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>E</mi><mi>y</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>E</mi><mi>z</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow>
.
Для повышения точности измерения напряженности реальных электрических полей подложку выполняют проводящей, а электроды и расстояние между ними и подложкой выбирают много меньше толщины подложки. Этим достигается равенство потенциалов подложки, электродов, точки пространства расположения датчика и его средней точки. В результате этого можно считать, что датчик  представляет собой плоскую проводящую пластину в форме диска. Кроме того, уменьшение погрешности датчика и расширение его пространственного диапазона измерения достигается за счет выполнения электродов датчика в форме квадрантов, дуги которых имеют одинаковые радиусы с началом в центре подложки и радиусом дуги квадранта меньше радиуса подложки.
При этом распределение зарядов, индуцированных неоднородным полем на поверхности чувствительных электродов датчика изменяется, приближаясь к распределению в однородном поле. Это подтверждает фиг.3, где в качестве примеров приведены графики погрешности от неоднородности электрического поля точечного заряда в зависимости от относительного расстояния до источника поля a=R/d (где R – радиус круглой подложки 1 датчика, d – расстояние от центра подложки 1 датчика  до источника поля) для прототипа и заявляемого устройства. Графики построены для различных значений относительного размера электрода для заявляемого датчика b=r/R (где r – радиус сектора электрода датчика, R – радиус круглой подложки 1 датчика) и прототипа c=h/R (h – половина расстояния между электродами датчика прототипа, R – радиус круглой подложки 1 датчика). Для примера на фиг. 3 показаны аналогичные графики для датчика прототипа, с параметрами  с=0.7 и с=0.95, где с=h/R (h – половина расстояния между электродами датчика прототипа, R – радиус круглой подложки 1 основания датчика).
Из графиков фиг. 3 видно, что выполнения электродов датчика в форме квадрантов, дуги которых имеют одинаковые радиусы с началом в центре подложки и радиусом дуги квадранта меньше радиуса подложки, приводит как к уменьшению погрешности датчика, так и расширению его пространственного диапазона измерений по сравнению с прототипом.
Например, для датчика прототипа, имеющего погрешность 5 % и  относительные конструктивные параметры с=0.7 или с=0.95 относительные расстояния до источника поля будут соответственно равны a=0.18 и a=0.26.  Для заявляемого датчик с той же погрешностью и относительных конструктивных параметрах от b=0.95 до b=0.1 относительные расстояния до источника поля будут лежать в диапазоне 0.28<a≤1. Следовательно, для заявляемого датчика при одинаковой погрешности с прототипом пространственный диапазон измерения будет шире. И, наоборот, при одинаковом пространственном диапазоне измерения для заявляемого датчика и прототипа меньшая погрешность будет у заявляемого датчика. Это означает, что в рамках предложенного решения, датчик с электродами в форме квадрантов начала радиусов дуг, которых  совпадают с центром круглого основания подложки, а радиус дуги квадранта меньше радиуса подложки, обладает меньшей погрешностью при заданном относительном расстоянии a до источника поля, а при заданной погрешности большим пространственным диапазоном измерения.
Таким образом, предлагаемый датчик позволяет повысить точность и расширить пространственный диапазон измерения в электрических полях.