УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ СО СДВОЕННЫМ ДАТЧИКОМ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью.
Известен датчик для измерения составляющих электрического поля [Мисакян М., Коттер Ф.Р., Калер Р.Л. Миниатюрный датчик электрического поля // Приборы для научных исследований. – 1978. -№7.–С.52-55], содержащий однокоординатный дифференциальный датчик с одной парой одинаковых электропроводящих чувствительных элементов в форме полусфер, диаметрально расположенных на одной координатной оси, с началом координат,  совмещенным с центром корпуса датчика, дифференциальный преобразователь выходного сигнала датчика, первый вход которого соединен с первым чувствительным элементом, а второй вход – со вторым  чувствительным элементом датчика, а его выход соединен с измерительным прибором, при этом датчик ориентирован так, чтобы вектор напряженности электрического поля совпадал с направлением координатной оси датчика.
Достоинством датчика является то, что он выполняется двойным,  так как по каждой координатной оси датчика расположены диаметрально противоположные пары электропроводящих чувствительных элементов. А о составляющих вектора 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 синфазных составляющих, т.е. внешних электрических помех.
0
Недостатком датчика является то, что датчик с измерительными электродами в форме полусфер, угловой размер которых θ=90° в неоднородном поле имеет отрицательную погрешность. В результате значение напряженности электрического поля будут занижено.
Известно также устройство, реализованное в способе измерения напряженности электрического поля [Патент RU № 2388003, МКИ G01 R 29/12, G01 R 29/08], содержащее сферический датчик с тремя парами электропроводящих чувствительных элементов, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности датчика на его координатных осях, проходящих через центр электропроводящего сферического корпуса, при этом чувствительные элементы и корпус датчика изолированы друг от друга, 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, а выходы дифференциальных преобразователей соединены с соответствующими  входами сумматора, выход которого подключен к измерительному прибору.
Датчик выполнен двойным и обладает теми же достоинствами, что и датчик аналога.
0
0
0
Недостатком прототипа является то, что его чувствительные элементы выполнены в форме сферических сегментов с угловыми размерами θ≤45° и являются частью полусферы, имеющей угловой размер θ=90°. Ограничение угловых размеров сферических сегментов вызвано исключением их наложения друг на друга. Датчик с чувствительными элементами в форме сферических сегментов и угловыми размерами θ≤45° в неоднородном поле имеет положительную погрешность. В результате значение напряженности электрического поля будут завышено.
Общим недостатком известных датчиков является низкая точность при измерении неоднородных электрических полей и ограниченный пространственный диапазон измерения до источника поля – несколько линейных размеров датчика.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения напряженности неоднородных электрических полей, расширение пространственного диапазона измерения неоднородных электрических полей и функциональных возможностей.
0
01
02
Указанная задача достигается тем, что в известном устройстве для измерения напряженности электрического поля, содержащем сферический датчик с электропроводящими чувствительными элементами в форме сферических сегментов с угловыми размерами θ≤45°, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности датчика на координатных осях, проходящих через центр электропроводящего сферического корпуса, при этом чувствительные элементы и корпус датчика изолированы друг от друга, дифференциальные преобразователи выходных сигналов датчика, первые входы которых соединены с первыми чувствительными элементами соответствующей пары элементов, а вторые входы – со вторыми  чувствительными элементами этой же пары, а выходы дифференциальных преобразователей соединены с соответствующими  входами сумматора, измерительный прибор, согласно заявленному техническому решению в устройстве две пары чувствительных элементов датчика расположены на одной координатной оси, введен второй сумматор с двумя входами, а два дифференциальных преобразователя и первый сумматор с двумя входами, 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, при этом выход второго сумматора подключен к измерительному прибору, при этом вторая пара чувствительных элементов выполняется в форме сферического слоя с внутренним и внешним угловыми размерами, соответственно выбираемыми из условий θ≥45° и θ≤90°.
0
0
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен датчик, представляющий собой сдвоенный двойной однокоординатный датчик и структурная схема устройства для измерения напряженности электрического поля; на фиг.2 показаны чувствительные элементы 2-3 и 4-5, выполненные в форме сферического сегмента (фиг.2,а) и в форме сферического слоя (фиг.2,б), а на фиг.3 представлены графики погрешностей от неоднородности электрического поля для устройств, реализуемых аналогом и прототипом в зависимости от пространственного диапазона измерения a=R/d (R - радиус корпуса 1датчика , d - расстояние от центра корпуса 1 датчика  до источника поля) при угловых размерах θ=45° для чувствительных элементов 2-3 и θ=90° - для составных чувствительных элементов 2, 4 - 3, 5  и график той же погрешности заявляемого устройства.
Устройство для измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком содержит сдвоенный датчик, состоящий из электропроводящего сферического корпуса 1 с расположенными на его поверхности на одной координатной оси двумя парами чувствительных элементов 2-3, входящих в первый датчик и 2,4-3,5, входящих во второй датчик, дифференциальные преобразователи 6-7, сумматоры 8 и 9, измерительный прибор 10. Чувствительные элементы 2-3 и 4-5 соответственно подключены к входам первого и второго дифференциальных преобразователей 6-7, выходы первого дифференциального преобразователя 6 соединены с первыми входами первого 8 и второго 9 сумматора, а выход второго дифференциального преобразователя 7 соединен со вторым входом первого сумматора 8, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора 9. Выход сумматора 9 соединен с измерительным прибором 10, отградуированным в единицах напряженности электрического поля, а электропроводящий сферический корпус 1может быть соединен с общей шиной устройства 11.
Устройство работает следующим образом.
1
2
3
1
3
1
2
3
1
3
1
2
1
3
1
3
Датчик помещают в исследуемое электрическое поле и ориентируют  его до получения максимального показания на измерительном приборе 10. В этом случае координатная ось датчика будет сориентирована 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 6 и 7 электрические заряды с каждой пары чувствительных элементов первого и второго датчика преобразуются в напряжения и (где kи k – коэффициенты преобразования первого и второго дифференциального преобразователя;  и - разность зарядов с чувствительных элементов 2, 3 и 4, 5 соответственно) и суммируются сумматором 8, на выходе которого формируется напряжение (где k – коэффициент суммирования сумматора 8;  - разность зарядов между составными чувствительными элементами 2, 4 и 3, 5).  Напряжения U и U пропорциональны разности зарядов с каждой пары чувствительных элементов 2-3 и 2,4-3,5, которые в свою очередь пропорциональны E и Eнапряженности измеряемого электрического поля E. Предварительно при градуировке устройства в однородном электрическом поле регулировкой коэффициента суммирования kпри одной и той же напряженности E добиваются выполнения условия U=U. При выполнении этого условия E=E=Е. Далее напряжения Uи Uсуммируются сумматором 9 и суммарное напряжение U=U+Uизмеряется измерительным прибором 10, отградуированным в единицах напряженности электрического поля. При градуировке получают значение напряженности электрического поля .
1
2
Устройство имеет повышенную точность измерения неоднородных электрических полей. Повышение точности измерения напряженности реальных неоднородных электрических полей достигается тем, что в неоднородном поле измеренные значения напряженности электрического поля Е и Есодержат противоположные по знаку относительные погрешности от неоднородности поля, соответственно равные  и .
С учетом погрешностей, можно записать
и ,
где Е – напряженность исходного электрического поля.
На выходе измерительного прибора получается значение
,
где N - показание измерительного прибора; k – коэффициент пропорциональности, при градуировке k=1,  - погрешность измерения, вызванная неоднородностью поля.
1
2
Таким образом, получаем значения напряженности электрического поля с погрешностью δ в два раза меньшей, чем разность модулей погрешностей δ и δ.
1
2
Уменьшение погрешности подтверждает фиг. 3, где в качестве примеров приведены графики погрешности от неоднородности электрического поля точечного заряда в зависимости от относительного расстояния a=R/d (где R – радиус сферического основания датчика, d – расстояние от центра датчика  до источника поля)  для аналога δ, прототипа δ и заявляемого устройства δ.
1
2
В основе построения графиков погрешностей δ, δи δ лежит  известное выражение для расчета 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].
,
0
где а=R/d - пространственного диапазона измерения, R – радиус сферического основания датчика, d – расстояние от центра сферического основания датчика до источника поля, θ - угловой размер чувствительного элемента датчика.
Из графиков фиг. 3 следует, что предложенное устройство позволяет не только значительно снизить погрешность измерения неоднородных электрических полей (см. график для заявляемого устройства), но и расширить пространственный диапазон измерения.  График погрешности для заявляемого устройства показывает, что погрешность измерения датчика устройства не более +5% на расстояниях от источника поля, соизмеримым с радиусом корпуса датчика, т.е. при полном пространственном диапазоне измерения 0≤a≤1 (d=R). В то время как для аналога  и прототипа при той же погрешности пространственные диапазоны измерения соответственно равны 0≤a≤0.24 (d≈4R) и 0≤a≤0.3 (d≈3R).
Предлагаемый датчик напряженности состоит из двух независимых двойных датчиков, объединенных одним конструктивным решением, и представляет собой сдвоенный датчик. Эта особенность датчика позволяет расширить его функциональные возможности. Например, можно использовать каждый из датчиков раздельно или одновременно. Одновременное использование сдвоенного датчика рассмотрено на примере построения устройства для измерения напряженности электрического поля.
Таким образом, использование устройства измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком позволяет добиться значительного повышения точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне измерений  по сравнению с известными устройствами и расширить функциональные возможности самого сдвоенного датчика.