Датчик напряженности электрического поля с чувствительными элементами в форме сферического двуугольника

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для последовательного измерения составляющих вектора напряженности электрического поля.
Известен однокоординатный датчик напряженности электрического поля [Патент на полезную модель № 17225 РФ, МКИ G 01 R 29/08], содержащий проводящее сферическое основание, на поверхности которого изолированно от него и друг от друга расположены два одинаковых электропроводящих чувствительных элемента в форме полусфер, центры которых лежат на одной координатной оси, проходящей через центр сферического основания и измерительную цепь, находящуюся внутри проводящего сферического основания датчика.
Достоинством датчика является то, что он выполняется двойным, так как на координатной оси датчика расположены диаметрально противоположные пары проводящих чувствительных элементов. А, о 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 влияния синфазных составляющих, вызванных внешними электрическими помехами.
0
К недостатку датчика можно отнести выполнение его чувствительных элементов в форме полусфер, которые имеют угловой размер θ=90°. Такой размер чувствительных элементов датчика приводит к значительной отрицательной погрешности от неоднородности поля. В широком пространственном диапазоне измерения от 0 до ∞ эта погрешность может достигать -34 %. Датчик с отрицательной погрешностью будет занижать значение напряженности электрического поля. При ограничении погрешности, например, до -5 % ограничивается пространственный диапазон измерения до диапазона, не позволяющего проводить измерения вблизи источника поля с малой погрешностью.
0
Известен так же трехкоординатный датчик, реализованный в способе измерения напряженности электрического поля, [Патент RU № 2388003, МКИ G01 R 29/12, G01 R 29/08], содержащий проводящее сферическое основание с тремя парами проводящих чувствительных элементов в форме сферических сегментов с угловыми размерами θ≤45°, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности сферического основания датчика на его координатных осях, проходящих через центр сферического корпуса, при этом чувствительные элементы и корпус датчика изолированы друг от друга.
Датчик второго аналога также выполнен двойным, и обладает теми же достоинствами, что и датчик первого аналога.
0
0
0
Недостатком датчика 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 до 45° 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, предельное значение которой достигает в широком пространственном диапазоне +35%. В результате значение напряженности электрического поля будут завышено. При ограничении погрешности, например, до +5% ограничивается пространственный диапазон измерения до диапазона, не позволяющего проводить измерения вблизи источника поля с малой погрешностью.
0
Наиболее близким к заявляемому датчику является датчик для измерения напряженности электрического поля, [Авторское свидетельство SU № 1149189, МКИ G01 R 29/08], содержащей сферическое проводящее основание, три пары проводящих чувствительных элемента в форме частей сферических сегментов с угловыми размерами  (где θ определяется в градусах; δ - погрешность от неоднородности поля в относительных единицах), размещенных симметрично на диаметрально противоположных участках сферического проводящего корпуса, изолировано от него и один от другого и расположенных на координатных осях, проходящих через центр сферического корпуса.
Достоинством датчика является, то, что чувствительные элементы являются частью сферических сегментов, выполненных с угловым размером
0
45°<θ<63,4°. Использование частей сферических сегментов вызвано исключением их наложения друг на друга. Такие угловые размеры чувствительных элементов датчика позволили расширить пространственный диапазон измерения с d=2R до d=1,3R, где d - расстояние до источника поля, R - радиус сферического корпуса датчика. Кроме этого, датчик прототипа также выполнен двойным, и обладает теми же достоинствами, что и датчик аналога.
Недостатком датчика можно считать узкий пространственный диапазон измерения при погрешности от неоднородности поля, лежащей в диапазоне от ±1% до ±3%.
Таким образом, общим недостатком аналогов и прототипа является, то что, при равных допустимых погрешностях от неоднородности поля они имеют узкий пространственный диапазон измерения, не позволяющий проводить измерения вблизи источника поля.
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.
0
0
0
0
0
Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащим проводящее сферическое основание с проводящими чувствительными элементами, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности корпуса датчика на его координатных осях, проходящих через центр сферического основания, при этом чувствительные элементы и сферическое основание датчика изолированы друг от друга, согласно заявленному решению датчик имеет расположенные на одной координатной оси два чувствительных элемента, выполненных в форме сферического двуугольника с угловыми размеры α=90° и β, при этом β устанавливается из диапазона значений 43,4°≤β≤48,7° исходя из требуемой погрешности от неоднородности поля, выбираемой из диапазона 0,25 %<δ<3,5 % и соответствующему ей пространственному диапазону измерений в соответствии с установленной функциональной зависимости β=f(δ).
0
0
0
0
0
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид датчика напряженности электрического поля с чувствительными элементами 2-3 выполненные в форме сферического двуугольника. На фиг. 2 показаны разрезы датчика: фиг.2,а вид сверху и фиг.2,б вид сверху, повернутый на 90°, на которых указаны угловые размеры α и β его чувствительных элементов. На фиг.3 графики 1 и 2 - графики зависимости пространственного диапазона измерения a=R/d от погрешности δ, вызванной неоднородностью поля (где R - радиус сферического основания 1 датчика, d - расстояние от центра сферического корпуса 1 до источника поля). График 1 соответствует заявляемому датчику, а график 2 соответствует датчику прототипа. На фиг.4 показан график зависимости β=f(δ) углового размера β чувствительного элемента в форме двуугольника при α=90° от погрешности δ, вызванной неоднородностью поля.
0
0
0
Датчик напряженности электрического поля содержит проводящее сферическое основание 1, чувствительные элементы 2 и 3 расположенные симметрично и диаметрально противоположно на поверхности сферического основания и изолированы от него. Чувствительные элементы находятся на одной координатной оси и выполнены из проводящего материала в форме сферического двуугольника с угловыми размерами α=90° и β, определяемой требуемой погрешностью от неоднородности поля по функциональной зависимости β=f(δ).
Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.
2
3
0
При внесении датчика в электрическое поле, его координатную ось ориентируют по направлению поля, при этом на чувствительных элементах 2 и 3 датчика индуцируются противоположные по знаку и максимальные по величине электрические заряды q и q. Величины этих зарядов пропорциональны напряженности электрического поля Е
и ,
0
2
3
2
3
где E - напряженность однородного поля, поля калибровки; δ и δ погрешности от неоднородности поля для чувствительных элементов 2 и 3. Если поле однородно, то δ=0 и δ=0.
Воспринимая и усиливая электрические заряды с помощью дифференциального усилителя зарядов, измеряют их разность между чувствительными элементами 2 и 3.
,
где  - результирующая погрешность разности зарядов Δq.
Для датчиков аналогов эта погрешность определяется выражением, приведенном в работе [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 корпуса датчика, d - расстояние от центра сферического корпуса датчика до источника поля, θ- угловой размер чувствительного элемента датчика.
0
0
0
0
Для заявляемого датчика результирующая погрешность δ определяется более сложным выражением, приведенным в работе [Бирюков С.В. Датчик напряженности электрического поля с электродами в форме сферических многоугольников /С.В. Бирюков, А.С. Шиликов. // Омский научный вестник, вып. 18. - 2002. - С.123-127]. Выражение для погрешности представляет собой функциональную зависимость вида δ=f(α, β, a), где α=90° и β - угловые размеры чувствительных элементов в форме двуугольника, a - пространственный диапазон измерения, характеризующий степень неоднородности поля.
Далее по измеренной разности определяют модуль вектора напряженности электрического поля.
0
0
0
0
0
Уменьшение погрешности датчика и расширение его пространственного диапазона измерения достигается за счет выполнения чувствительных элементов датчика в форме сферического двуугольника с угловыми размерами α=90° и β, при этом β устанавливается из диапазона значений 43,4°≤β≤48,7° исходя из требуемой погрешности от неоднородности поля, выбираемой из диапазона 0,25%<δ<3,5% и соответствующему ей пространственному диапазону измерений в соответствии с установленной функциональной зависимости β=f(δ).
1
2
При таких угловых размерах распределение зарядов, индуцированных неоднородным полем на поверхности чувствительных элементов датчика в форме сферического двуугольника будет приближаться к распределению в однородном поле, что позволяет проводить измерения на расстояниях более близких к источнику поля. Это подтверждает графики, представленные на фиг. 3, из которых видно, что графики заявляемого датчика идут выше графиков датчика прототипа. Это говорит о том, что заявляемый датчик при той же погрешности от неоднородности поля имеет больший пространственный диапазон измерения, чем датчик прототипа. В цифрах в качестве примеров выберем погрешность от неоднородности поля δ=3%. Для этой погрешности датчик прототипа будет иметь пространственный диапазон измерения a=0,89, а заявляемый датчик - a≈0,975. В переводе на расстояние до источника поля получаем для датчика прототипа d=1,12R, а для заявляемого датчика d=1,025R. Отсюда следует, что заявляемый датчик может работать ближе к источнику поля. Это подтверждает достижение цели полезной модели, т.е. расширение пространственного диапазона измерений.
0
0
Если воспользоваться тем же примером, то по фиг. 4 можно установить, что датчик с погрешностью от неоднородности поля δ=3 % должен иметь угловые размеры чувствительных элементов в форме сферического двуугольника равными α=90° и β≈43,9°.
Таким образом, заявляемый датчик позволяет при той же погрешности от неоднородности поля расширить пространственный диапазон измерения в электрических полях.