СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ
EXTENDED PRECISION ELECTRIC FIELD STRENGTH MEASUREMENT METHOD

Изобретение относится к области измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью.
Известен способ измерения напряженности электрического поля [Патент № 2200330 РФ, МПК G 01 R 29/08, МПК G 01 R 29/12. Способ измерения напряженности электрического поля / С.В. Бирюков. - №2001104744; Заявлено 07.10.2002; Опубл. 27.04.2003, Бюл № 12] путем помещения в исследуемое пространство датчика с чувствительными элементами, а для повышения точности измерений датчик ориентируют в электрическом поле так, чтобы сумма потоков вектора напряженности электрического поля через чувствительные элементы была минимальна или равна нулю, а затем поддерживают датчик в этом положении и определяют модуль вектора напряженности электрического поля. Конфигурация и размеры чувствительных элементов должны быть одинаковыми.
0
0
0
Недостатком способа является то, что для достижения повышенной точности измерения необходима ориентация датчика в электрическом поле. Кроме того, чувствительные элементы датчика, используемые в способе, выполнены в форме шаровых (сферических) сегментов с угловыми размерами θ≤45°, являются частью половины шара (полусферы) имеющего угловой размер θ=90°. Датчик с чувствительными элементами в форме сферических сегментов и угловыми размерами θ≤45° в неоднородном поле имеет положительную погрешность. В результате значение определенного модуля вектора напряженности электрического поля будет завышено по отношению к напряженности исходного поля.
Известен также способ измерения напряженности электрического поля, реализованый в устройстве для измерения составляющих электрического поля [Авторское свидетельство № 920569 СССР, МКИ G 01 R 29/08, Устройство для измерения составляющих электрического поля / И.В. Хахамов. - №2954934/18-21; Заявлено 10.07.1980; Опубл. 15.04.1982, Бюл № 14], заключающийся в том, что в исследуемое пространство вносится датчик, содержащий для повышения точности измерений сферический корпус и восемь измерительных электродов. Измерительные электроды выполнены в форме конгруэнтных сферических треугольников, из которых формируются две группы из четырех измерительных электродов, образующих две противоположные полусферы, одной из трех пространственной системы координат.
0
Недостатком способа является то, что для достижения повышенной точности измерения из восьми конгруэнтных сферических треугольников, формируются две группы из четырех измерительных электродов, образующих две противоположные полусферы. Датчик с измерительными электродами в форме полусфер имеющих угловой размер θ=90° в неоднородном поле имеет отрицательную погрешность. В результате значение определенного модуля вектора напряженности электрического поля будет занижено по отношению к напряженности исходного поля.
Общим недостатком известных способов является ограниченный пространственный диапазон измерения, определяемый размерами датчика.
Задача изобретения - повышение точности измерения модуля вектора напряженности электрического поля и расширение пространственного диапазона измерения неоднородных электрических полей.
помещения
определении
помещают
определяют
вычисляют
согласно заявленному решению
Е
Е
Е
Е
+Е
2
1
2
1
2
Задача достигается путем  датчика в исследуемую точку поля и модуля вектора напряженности измеряемого поля по его выходному сигналу, в ту же точку поля поочередно второй датчик, имеющий противоположную по знаку и отличающуюся по модулю не более, чем в три раза погрешность и  по немумодуль вектора напряженности электрического поля, а затем по определенным модулям вектора напряженности электрического поля и  среднее значение =()/.
Предлагаемый способ поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг. 1. представлена реализация способа с первым датчиком 1 и вторым датчиком 2, а на фиг. 2 представлены графики погрешностей от неоднородности электрического поля для способов, реализуемых первым и вторым аналогами в зависимости от пространственного диапазона измерения, и график той же погрешности заявляемого способа.
помещают
измеряют
вычисляют
E
E
Е
Е
Е
Е
+Е
2
1
2
.
1
2
1
2
Способ измерения реализуется следующим образом. В исследуемую точку электрического поля поочередно  первый и второй датчики, имеющие противоположные по знаку погрешности, вызванные неоднородностью поля. Каждым датчиком модули вектора напряженности электрического поля в данной точке пространства, соответственно равные и  Затем, по измеренным значениям модулей вектора напряженности электрического поля  и  среднее арифметическое значение =()/, которое принимают за результат измерения.
Е
Е
1
2
Повышение точности измерения напряженности реальных неоднородных электрических полей достигается тем, что измеренные значения модуля вектора напряженности электрического поля  и  содержат противоположные по знаку относительные погрешности, соответственно  и .
Таким образом можно записать, что
и ,
Е
0
где - напряженность исходного электрического поля.
Тогда среднее значение модуля вектора напряженности электрического поля будет
,
где  - погрешность устройства, реализующего предлагаемый способ измерения.
δ
Из анализа погрешности  следует два возможных варианта
δ
1) если , то погрешность отрицательная и должна удовлетворять условию
,
откуда ,
δ
kδ
k
1
k
3
2
1
где  может принимать значения , а коэффициент  удовлетворять условию ≤≤
δ
2) если , то погрешность  положительная и должна удовлетворять условию
,
откуда ,
δ
kδ
k
1
k
3
1
2
где  может принимать значения , а коэффициент  удовлетворять условию ≤≤
δ
Результаты оценки погрешности  двух вариантов представлены в таблице.
Таблица
Вариант 1
<img file="00000007.jpg" he="7" wi="16" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Вариант 2
<img file="00000014.jpg" he="7" wi="15" img-content="undefined" img-format="jpg" />
k
δ
k
δ
1
0
1
0
1.5
-0.25δ<sub>1</sub>
1.5
0.25δ<sub>2</sub>
2
-0.5δ<sub>1</sub>
2
0.5δ<sub>2</sub>
2.5
-0.75δ<sub>1</sub>
2.5
0.75δ<sub>2</sub>
3
-δ<sub>1</sub>
3
δ<sub>2</sub>
δ
Из таблицы следует, что в двух представленных вариантах погрешность способа измерения меньше наименьшей погрешности одного из измеренных значений напряженности электрического поля.
Следовательно, определение среднего значения напряженности электрического поля приводит либо к полной, либо частичной компенсации погрешности измерения, что повышает точность заявляемого способа измерения.
0
0
θ
Расширение пространственного диапазона измерения покажем на примере сравнения способов - аналогов. В первом аналоге использовался сферический датчик с чувствительными элементами в форме сферических сегментов с угловыми размерами θ≤45°, имеющий положительную погрешность от неоднородности электрического поля. Во втором аналоге использовался сферический датчик с чувствительными элементами в форме полусфер с угловыми размерами =90°, имеющий отрицательную погрешность от неоднородности электрического поля.
Графики этих погрешностей и заявляемого способа представлены на фиг. 2. В основе построения графиков погрешности лежит известное выражение для погрешности от неоднородности поля датчиков сферической формы [Бирюков С.В. Расчет и измерение напряженности электрического поля в электроустановках сверх - и ультравысокого напряжения /С.В. Бирюков, Ф.Г. Кайданов, Р.А. Кац, Е.С.Колечинский, В.Я. Ложников, Н.С. Смекалова, М.Д. Столяров //Влияние электроустановок высокого напряжения на окружающую среду: Переводы докладов Международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ-86) (Энергетика за рубежом) / Под ред. Ю.П. Шкарина. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - С. 6-13].
,
а=R/d
R
d
θ
0
где  - пространственного диапазона измерения,  - радиус сферического основания датчика,  - расстояние от центра сферического основания датчика до источника поля,  - угловой размер чувствительного элемента датчика.
a
d=R
a
d≈4R
a
d≈3R
Из графиков фиг.2 следует, что предложенный способ позволяет не только значительно снизить погрешность измерения неоднородных электрических полей (см. график для заявляемого способа), но и расширить пространственный диапазон измерения. График погрешности для заявляемого способа показывает, что погрешность способа измерения снизилась до +5 % при полном пространственном диапазоне измерения 0≤≤1 (), в то время как для аналогов 1 и 2 при той же погрешности пространственные диапазоны измерения соответственно равны 0≤≤0.24 () и 0≤≤0.3 ().
Таким образом, используя заявляемый способ измерения можно добиться значительного повышения точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне измерений по сравнению с известными способами.