УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с требуемой погрешностью.
Известно устройство для измерения напряженности электрического поля [А.с. 1163285А СССР, МКИ G01R 29/12], содержащее сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувствительных элементов, попарно подключенных к входам дифференциальных усилителей, выходы которых соединены с входами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеизвлекателя, выход которого подключен ко входу измерительного прибора.
Достоинством этого устройства является простота процесса измерения, т.к. не требуется ориентировать датчик в электрическом поле.
Однако это устройство можно использовать при измерении напряженности электрического поля в узком пространственном диапазоне, т.е. на расстояниях от источников поля, значительно превышающих размеры датчика. В этой области электрическое поле можно считать однородным. При приближении датчика к источнику поля электрическое поле становится неоднородным, и появляется зависимость измеряемой напряженности от ориентации датчика, что также приводит к значительным погрешностям измерения. Кроме этого, такое устройство имеет расширенный диапазон преобразования входных сигналов и обладает повышенной сложностью реализации.
Наиболее близким устройством к заявляемому является устройство для измерения напряженности электрического поля [Свидетельство на полезную модель, RU №29149, МКИ G01R 29/08], содержащее сферический датчик с
размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувствительных элементов, попарно подключенных к входам дифференциальных преобразователей, измерительный прибор, блок выделения наибольшей из трех составляющей вектора напряженности по координатным осям датчика (логический блок), первый, второй и третий входы которого соответственно соединены с выходами первого, второго и третьего дифференциальных преобразователей, а его выход - со входом измерительного прибора, отградуированного в единицах напряженности электрического поля, причем блок выделения наибольшей из трех составляющей вектора напряженности по координатным осям датчика включает три блока сравнения, три логических инвертора, три логических двухвходовых схемы совпадения «И», три управляемых аналоговых ключа и сумматор, при этом его первый вход соединен с сигнальным входом первого управляемого аналогового ключа, первым входом первого блока сравнения и со вторым входом второго блока сравнения, его второй вход соединен с сигнальным входом второго управляемого аналогового ключа, первым входом второго блока сравнения и со вторым входом третьего блока сравнения, а его третий вход соединен с сигнальным входом третьего управляемого аналогового ключа, первым входом третьего блока сравнения и со вторым входом первого блока сравнения, при этом выход первого блока сравнения соединен со вторым входом первой логической двухвходовой схемы совпадений «И» и через третий логический инвертор - с первым входом третьей логической двухвходовой схемы совпадений «И», выход второго блока сравнения соединен со вторым входом второй логической двухвходовой схемы совпадений «И» и через первый логический инвертор - с первым входом первой логической двухвходовой схемы совпадений «И», а выход третьего блока сравнения соединен со вторым входом третьей логической двухвходовой схемы совпадений «И» и через второй логический инвертор - с первым входом второй логической двухвходовой схемы совпадений «И», причем выходы логических двухвходовых схем совпадений
«И» соединены с соответствующими управляющими входами управляемых аналоговых ключей, выходы которых через сумматор соединены с выходом блока выделения наибольшей из трех составляющей вектора напряженности по координатным осям датчика.
Достоинством этого устройства является простота схемной реализации, а недостатком - ограниченный пространственный диапазон измерения в области неоднородных полей.
Задачей полезной модели является расширение пространственного диапазона измерения модуля вектора напряженности электрического поля при сохранении простоты схемной реализации и минимально возможной погрешности.
Указанная задача достигается тем, что в известное устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее сферический датчик с тремя парами электропроводящих чувствительных элементов попарно подключенных к входам дифференциальных преобразователей, измерительный прибор, логический блок, первый, второй и третий входы которого соответственно соединены с выходами первого, второго и третьего дифференциальных преобразователей, а его выход - со входом измерительного прибора, отградуированного в единицах напряженности электрического поля, причем логический блок включает три блока сравнения, три логических схемы совпадения «И», три управляемых аналоговых ключа и сумматор, при этом первый вход логического блока соединен с сигнальным входом первого управляемого аналогового ключа, первым входом первого блока сравнения и со вторым входом второго блока сравнения, второй вход логического блока соединен с сигнальным входом второго управляемого аналогового ключа, первым входом второго блока сравнения и со вторым входом третьего блока сравнения, а третий вход логического блока соединен с сигнальным входом третьего управляемого аналогового ключа, первым входом третьего блока сравнения и со вторым входом первого блока сравнения, при этом выход первого блока сравнения
соединен со вторым входом первой логической схемы совпадений «И», выход второго блока сравнения соединен со вторым входом второй логической схемы совпадений «И», а выход третьего блока сравнения соединен со вторым входом третьей логической схемы совпадений «И», причем выходы логических схем совпадений «И» соединены с соответствующими управляющими входами управляемых аналоговых ключей, выходы которых через сумматор соединены с выходом логического блока, и три инвертора, выходы которых соответственно соединены с первыми входами логических схем совпадений «И», согласно заявляемому техническому решению, дополнительно введены три блока сравнения, а логические схемы совпадений «И» выполнены трехвходовыми, причем первый вход первого дополнительно введенного блока сравнения соединен со вторым входом логического блока, а второй вход - с нулевым проводом, при этом его выход соединен с третьим входом первой логической схемы совпадений «И» и через инвертор с первым входом третьей логической схемы совпадений «И», первый вход второго дополнительно введенного блока сравнения соединен с третьим входом логического блока, а второй вход - с нулевым проводом, при этом его выход соединен с третьим входом второй логической схемы совпадений «И» и через инвертор с первым входом первой логической схемы совпадений «И», первый вход третьего дополнительно введенного блока сравнения соединен с первым входом логического блока, а второй вход - с нулевым проводом, при этом его выход соединен с третьим входом третьей логической схемы совпадений «И» и через инвертор с первым входом второй логической схемы совпадений «И».
1
2
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами фиг.1 - фиг.5, где на фиг.1 изображен датчик и структурная схема устройства для измерения напряженности электрического поля; на фиг.2 - пример одной из возможных форм чувствительных элементов 2-7 датчика, выполненной, в общем случае, в виде сферического слоя с внешним θ и внутренним θ. угловыми размерами; на фиг.3 - фиг.5 - представлены графики погрешности датчика в
зависимости от пространственного диапазона измерения и угловых размеров его чувствительных элементов.
Устройство для измерения напряженности электрического поля содержит датчик 1 с расположенными на его поверхности тремя парами чувствительных элементов 2-7, центры 8-13 которых попарно размещены на осях декартовой системы координат симметрично относительно ее начала 14, дифференциальные преобразователи 15-17, логический блок 18 выравнивания двух составляющих вектора напряженности по координатным осям датчика при третьей, равной нулю, и измерительный прибор 19, отградуированный в единицах напряженности электрического поля. Логический блок 18 выравнивания двух составляющих вектора напряженности по координатным осям датчика при третьей, равной нулю, включает шесть блоков сравнения 20-25, три логических инвертора 26-28, три логических трехвходовых схемы совпадения «И» 29-31, три управляемых аналоговых ключа 32-34 и сумматор 35. Чувствительные элементы 2-7 датчика 1 попарно подключены к входам дифференциальных преобразователей 15-17, выходы которых соответственно через первый, второй и третий входы логического блока 18 выравнивания двух составляющих вектора напряженности по координатным осям датчика при третьей, равной нулю, соединены со входом измерительного прибора 19, отградуированного в единицах напряженности электрического поля. Первый вход логического блока 18 выравнивания двух составляющих вектора напряженности по координатным осям датчика при третьей, равной нулю, соединен с сигнальным входом первого управляемого аналогового ключа 32, первым входом первого блока сравнения 21, со вторым входом второго блока сравнения 23 и с первым входом дополнительно введенного третьего блока сравнения 24, второй вход которого соединен с нулевым проводом, его второй вход соединен с сигнальным входом второго управляемого аналогового ключа 33, первым входом второго блока сравнения 23, со вторым входом третьего блока сравнения 25 и первым входом вновь
введенного первого блока сравнения 20, второй вход которого соединен с нулевым проводом, а его третий вход соединен с сигнальным входом третьего управляемого аналогового ключа 34, первым входом третьего блока сравнения 25, со вторым входом первого блока сравнения 21 и первым входом дополнительно введенного второго блока сравнения 22, второй вход которого соединен с нулевым проводом, при этом выход первого блока сравнения 21 соединен со вторым входом первой логической трехвходовой схемы совпадений «И» 29, выход второго блока сравнения 23 соединен со вторым входом второй логической трехвходовой схемы совпадений «И» 30, а выход третьего блока сравнения 25 соединен со вторым входом третьей логической трехвходовой схемы совпадений «И» 31, выход первого дополнительно введенного блока сравнения 20 соединен с третьим входом первой логической трехвходовой схемы совпадений «И» 29 и через третий логический инвертор 28 - с первым входом третьей логической трехвходовой схемы совпадений «И» 31, выход второго дополнительно введенного блока сравнения 22 соединен с третьим входом второй логической трехвходовой схемы совпадений «И» 30 и через первый логический инвертор 26 - с первым входом первой логической трехвходовой схемы совпадений «И» 29, а выход третьего дополнительно введенного блока сравнения 24 соединен с третьим входом третьей логической трехвходовой схемы совпадений «И» 31 и через второй логический инвертор 27 - с первым входом второй логической трехвходовой схемы совпадений «И» 30, причем выходы логических трехвходовых схем совпадений «И» 29-31 соединены с соответствующими управляющими входами управляемых аналоговых ключей 32-34, выходы которых через сумматор 35 соединены с выходом логического блока 18 выравнивания двух составляющих вектора напряженности по координатным осям датчика при третьей, равной нулю.
Устройство работает следующим образом.
Датчик 1 с чувствительными элементами 2-7 помещают в пространство исследуемого поля, при этом на чувствительных элементах 2-7 возникают
x
y
z
х
у
z
электрические сигналы, пропорциональные составляющим вектора напряженности измеряемого электрического поля, т.е. суммы исходного поля и собственного поля датчика. За счет дифференциального преобразования сигналов с каждой пары чувствительных элементов, расположенных по одной координатной оси, на выходах соответствующих дифференциальных преобразователей 15-17 выделяются напряжения U, U и U, пропорциональные составляющим Е, Е и E вектора напряженности исходного электрического поля. Эти напряжения соответственно поступают на первый, второй и третий входы логического блока 18 выравнивания двух составляющих вектора напряженности по координатным осям датчика при третьей, равной нулю. Логический блок 18 построен так, что на его выход проходит только одно из двух равных напряжений, присутствующих на его входах. Напряжение, выделенное на выходе логического блока 18, соответствует проекции составляющей вектора напряженности ЭП равноудаленного от двух координатных осей датчика, при этом проекция этого же вектора на третью координатную ось равна нулю. Выделенное логическим блоком 18, напряжение, измеряется измерительным прибором 19, отградуированным в единицах напряженности электрического поля.
Таким образом, при измерении напряженности электрического поля датчик 1 ориентируют в поле до равенства двух его составляющих при третьей составляющей равной нулю. Это наступает в момент попадания вектора напряженности электрического поля в плоскость двух координатных осей датчика на равных расстояниях от них. Удерживая датчик в этом положении, измеряют одну из неравных нулю составляющих датчика, пропорциональных модулю вектора напряженности электрического поля. Поскольку в процессе отыскания пространственного положения датчика, при котором вектор напряженности попадает в плоскость двух координатных осей датчика, задействованы три его координаты, то отыскать это положение становится легче и быстрее, чем двухкоординатным датчиком.
Логический блок 18 выравнивания двух составляющих вектора напряженности по координатным осям датчика при третьей, равной нулю, (далее блок 18) имеет следующую логику работы. При появлении на первом и третьим входах двух равных напряжений, а на втором входе напряжения равного нулю блока 18 на выходе логической трехвходовой схемы совпадений 29 формируется сигнал логическая «1», которым замыкается первый управляемый аналоговый ключ 32 и напряжение с первого входа блока 18 проходит на его выход. При появлении на первом и втором входах двух равных напряжений, а на третьим входе напряжения равного нулю блока 18 на выходе логической трехвходовой схемы совпадений 30 формируется сигнал логическая «1», которым замыкается второй управляемый аналоговый ключ 33 и напряжение со второго входа блока 18 проходит на его выход. При появлении на втором и третьим входах двух равных напряжений, а на первом входе напряжения равного нулю блока 18 на выходе логической трехвходовой схемы совпадений 31 формируется сигнал логическая «1», которым замыкается третий управляемый аналоговый ключ 34 и напряжение со второго входа блока 18 проходит на его выход. Таким образом, на выход блока 18, а, следовательно, на вход измерительного прибора 19, может пройти только одно из трех напряжений с его входов. При формировании сигналов в виде логического «0» на выходах логических трехвходовых схем совпадений «И» 29-31, что наблюдается при невыполнении условий равенства двух напряжений при третьем равном нулю на входах блока 18, все ключи размыкаются и не одно из напряжений не проходит на выход блока 18. Всю работу блока 18 можно проследить по таблице 1.
Таблица 1
Соотношения напряжений, логические сигналы и состояния управляемых аналоговых ключей блока 18
№п/п
Соотношение напряжений на входе блока 18
Логические сигналы на выходе блока сравнения 20
Логические сигналы на выходе блока сравнения 21
Логические сигналы на выходе блока сравнения 22
Логические сигналы на выходе блока сравнения 23
Логические сигналы на выходе блока сравнения 24
Логические сигналы на выходе блока сравнения 25
1.
U1=U2=U3=0
1
1
1
1
1
1
2.
U1=U2=U3≠0
0
1
0
1
0
1
3.
U1=U3, U2=0
1
1
0
0
0
0
4.
U2=U1, U3=0
0
0
1
1
0
0
5.
U3=U2, Ul=0
0
0
0
0
1
1
6.
U1≠U2≠U3
1(0)
0
1(0)
0
1(0)
0
7.
U1≠U3, U2=0
1
0
0
0
0
0
8.
U2≠U1, U3=0
1
0
1
0
0
0
9.
U3≠U2, U1=0
0
0
0
0
1
0
10.
U1=U3, U2≠0
0
1
0
0
0
0
11.
U2=U1, U3≠0
0
0
0
1
0
0
12.
U3=U2, U1≠0
0
0
0
0
0
1
Продолжение табл.1
№п/п
Соотношение напряжений на входе блока 18
Логические сигналы на выходе инвертора 26
Логические сигналы на выходе инвертора 27
Логические сигналы на выходе инвертора 28
Логические сигналы на выходе схемы совпадений «И» 29
Логические сигналы на выходе схемы совпадений «И» 30
Логические сигналы на выходе схемы совпадений «И» 31
Состояние управляемых аналоговых ключей 32-34
1.
U1=U2=U3=0
0
0
0
0
0
0
Все ключи разомкнуты
2.
U1=U2=U3≠0
1
1
1
0
0
0
Все ключи разомкнуты
3.
U1=U3, U2=0
1
1
0
1
0
0
Замкнут только ключ 32
4.
U2=U1, U3=0
1
1
1
0
1
0
Замкнут только ключ 33
5.
U3≠U2, U1≠0
1
0
1
0
0
1
Замкнут только ключ 34
6.
U1≠U2≠U3
0(1)
0(1)
0(1)
0
0
0
Все ключи разомкнуты
7.
U1≠U3, U2=0
1
1
0
0
0
0
Все ключи разомкнуты
8.
U2≠U1, U3=0
0
1
0
0
0
0
Все ключи разомкнуты
9.
U3≠U2, U1=0
1
0
1
0
0
0
Все ключи разомкнуты
10.
U1=U3, U2≠0
1
1
1
0
0
0
Все ключи разомкнуты
11.
U2=U1, U3≠0
1
1
1
0
0
0
Все ключи разомкнуты
12.
U3=U2, U1≠0
1
1
1
0
0
0
Все ключи разомкнуты
Размер чувствительных элементов, выполненных в форме сферического сегмента или сферического слоя выбирают исходя из максимально возможного пространственного диапазона измерения и минимально возможной погрешности измерения, согласно, графикам, представленным на фиг.3-5. и таблицам 2-4.
1
2
1
2
1
2
Согласно фиг.3 и фиг.4 оптимальные размеры чувствительных элементов 2-7, выполненных в форме сферического сегмента или его части лежат в двух диапазонах изменения их угловых размеров: 47°<θ<60° при θ=0 и 72°<θ<90° при θ=0. Оптимальные размеры чувствительных элементов 2-7, выполненных в форме сферического слоя (фиг.5) при θ=45 лежат в диапазоне 8°<θ<22°.
1
макс.
Таблица 2 - Зависимости внешнего углового размера θ чувствительного элемента, выполненного в форме сферического сегмента при его внутреннем размере θ=0° и максимально возможного параметра a, определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ±σ (для первого диапазона)
σ,%
0.125
0.25
0.5
1
1.5
2
θ<sub>1</sub>
60
58
56.5
53.4
51.5
50.1
a<sub>макс.</sub>
0.4
0.45
0.53
0.62
0.69
0.73
Продолжение табл.2
σ,%
2.5
3
3.5
4
θ<sub>1</sub>°
49.1
48.3
47.65
47.1
a<sub>макс.</sub>
0.78
0.81
0.84
0.88
1
2
макс.
Таблица 3 - Зависимости внешнего углового размера θ чувствительного элемента, выполненного в форме сферического сегмента при его внутреннем размере θ=0° и максимально возможного параметра a, определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ±σ (для второго диапазона)
σ,%
2.1
2.25
2.5
3
3.25
3.5
θ<sub>1</sub>°
90
83
80
77
76.2
75.4
a<sub>макс.</sub>
0.88
0.93
0.99
0.99
0.99
0.99
Продолжение табл.2
σ,%
3.75
4
4.25
4.5
4.75
5
θ<sub>1</sub>°
74.8
74.2
73.7
73.3
72.9
72.55
a<sub>макс.</sub>
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
1
2
1
2
Из анализа таблиц 2 и 3 следует, что лучшими угловыми размерами чувствительного элемента, выполненного в форме сферического сегмента является угловые размеры θ=90° и θ=0. Сферическим сегментом с таким угловым размером будет полусфера. Таким образом, чувствительные электроды 2-7 выполняются в виде полусфер, образованных четырьмя конгруэнтными (равными) сферическими треугольниками, полученными путем рассечения сферы тремя взаимно перпендикулярными плоскостями, проходящими через цент сферы. Чувствительные элементы с угловыми размерами 47°<θ<90° и θ=0 следует выполнять в виде части сферического сегмента.
2
1
макс.
Таблица 4 - Зависимости внутреннего углового размера θ чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя при его внешнем размере θ=45° и максимально возможного параметра a, определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ±σ
σ,%
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
θ<sub>2</sub>°
22
18.5
16.1
14.5
13.1
12
11.1
10.3
9.5
8.8
a<sub>макс. </sub>
0.46
0.6
0.74
0.86
0.97
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
1
2
Из анализа таблицы 4 следует, что оптимальными угловыми размерами чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя является угловые размеры θ=45° и θ=12°.
макс.
мин.
мин.
В таблицах параметр а=R/d, где R - радиус сферического корпуса датчика; d - минимально возможное расстояние от центра датчика до  источника поля при требуемой погрешности.
мин
макс
макс.
Таким образом, пространственный диапазон измерения датчика будет находиться в пределах от d=R/a до ∞. Следовательно, чем больше а, тем шире пространственный диапазон и тем ближе к источнику поля можно располагать датчик.
Заявляемое техническое решение позволяет при правильном выборе конфигурации и размеров чувствительных элементов добиться погрешности измерения менее ±3% на расстояниях от источника поля и проводящих поверхностей, больших или равных 1.1R, где R - радиус сферического корпуса датчика. Кроме этого упрощаются процесс отыскания вектора напряженности электрического поля и устройство обработки сигналов датчика, а также сужается диапазон входных сигналов устройства.