УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения с повышенной надежностью напряженности электрического поля.
Известно однокоординатное устройство измерения напряженности электрического поля [Морозов Ю.А., Громов О.М. Прибор для измерения напряженности электрического поля промышленной частоты. // Научные работы институтов охраны труда ВЦСПС. - М.: Профиздат. - 1970. - Вып. 65. - С. 41-44], основанный на помещении в исследуемое пространство одной пары чувствительных элементов, входящих в общий датчик и находящихся на координатной оси, проходящей через центр датчика, ориентировании этих чувствительных элементов в электрическом поле до момента получения максимальной составляющей и определении модуля вектора напряженности путем измерения этой составляющей. Недостатками этого способа являются низкая точность измерения вектора напряженности неоднородного электрического поля и низкая чувствительность.
Известно также другое двухкоординатное устройство измерения напряженности электрического поля [Bocker H., Wilhelmy L. Messung der elektrischen Feldstarke bei hohen transienten und periodisch zeitabhangigen Spannungen. // Elektro-techniche zeitschrift. - 1970. - A91. - 8. - S. 427-430], основанный на помещении в исследуемое пространство двух пар чувствительных элементов, входящих в общий датчик и находящихся на двух координатных осях, проходящих через центр датчика, ориентировании этих чувствительных элементов в двух плоскостях электрического поля, измерении двух его составляющих и определении модуля вектора напряженности путем геометрического суммирования измеренных составляющих. Недостатками этого способа также являются низкая точность измерения вектора напряженности неоднородного электрического поля и низкая чувствительность.
Кроме того, известно устройство измерения напряженности электрического поля [Патент RU 2214611, МКИ G01R 29/12, G01R 29/08], заключающийся в том, что в исследуемое пространство одновременно помещают n-пар проводящих чувствительных элементов, входящих в общий датчик, симметрировании наружных поверхностей датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров поверхностей чувствительных элементов попарно на n осях выбранной системы координат симметрично относительно ее начала, при этом датчик ориентируют и затем поддерживают так, чтобы вектор напряженности электрического поля был равноудален от координатных осей датчика, т.е. чтобы его составляющие по координатным осям были равны, а конфигурацию и размер чувствительных элементов выбирают из условия минимума погрешности от неоднородности электрического поля при максимальном пространственном диапазоне измерения, при этом модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением одной из составляющих датчика. Недостатком этого способа является невысокая чувствительность, поскольку измеряется одна из составляющих датчика.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство измерения напряженности электрического поля [Патент RU 2388003 (13) C1, (51) МПК G01R 29/08 (2006.01), G01R 29/12 (2006.01))], он и взят за прототип. Датчик выполнен трехкоординатным, т.е. n=3, и его ориентируют в пространстве так, чтобы одна из составляющих вектора напряженности по одной из координатных осей датчика стала равной нулю, затем, фиксируя датчик в этом положении, поворачивают датчик вокруг найденной координатной оси до достижения равенства двух других составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика. Максимальное показание прибора наступит, когда вектор напряженности окажется равноудаленным от двух координатных осей датчика, а его составляющие по этим координатным осям станут равны. При ориентации датчика необходимо, чтобы вектор напряженности электрического поля попал в плоскость двух любых координатных осей. Удерживая датчик в положении, соответствующем максимальному показанию прибора, измеряют алгебраическую сумму составляющих вектора напряженности электрического поля по двум координатным осям, по которой и определяют его модуль. Т.е. вектор напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением алгебраической суммы двух не равных нулю составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика.
Общими недостатками известных аналогов и прототипа является низкая точность и сложность измерения за счет ориентирования датчика в пространстве для определения нулевой составляющей вектора напряженности по одной из координатных осей, фиксации датчика в этом положении и дальнейшего ориентирования его вокруг найденной координатной оси до достижения равенства двух других составляющих вектора напряженности электрического поля.
Устранить указанные недостатки позволяет использование в устройстве датчика в виде двух индуктивно связанных катушек. Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы датчика электрического поля.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве измерения напряженности электрического поля, основанном на помещении в исследуемое пространство трехкоординатных чувствительных элементов, входящих в общий датчик, который ориентируют в пространстве до определения нулевой составляющей вектора напряженности по одной из координатных осей датчика и равенства двух других составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям, согласно заявленному устройству предлагается использовать датчик в виде двух индуктивно связанных катушек на ферритовых кольцах разных диаметров, причем первая катушка с большим диаметром является неподвижной относительно второй с меньшим диаметром, которая установлена на оси двигателя внутри первой катушки, выход которой связан с входом аналого-цифрового преобразователя, состоящего из усилителя измеряемого аналогового сигнала, фильтра низких частот, детектора, блока фиксатора и индикатора поля.
Сущностью заявленного устройства является датчик, который выполняют в виде двух соединенных индуктивно катушек на ферритовых кольцах разных диаметров, причем первая катушка с большим диаметром является неподвижной относительно второй с меньшим диаметром, по обмоткам которой протекает ток и, которая вращается внутри первой катушки, выход которой поступает на вход аналого-цифрового преобразователя, состоящего из усилителя измеряемого аналогового сигнала, полосового фильтра, детектора, блока фиксатора и индикатора измеряемого поля.
Предлагаемое устройство для измерения напряженности электрического поля поясняется чертежом.
Схема содержит датчик поля (1) с двумя индуктивно связанными катушками; катушку с малым диаметром (2); катушку с большим диаметром (3); двигатель (4); аналого-цифровое устройство, включающее: усилитель (5); фильтр низких частот (6); детектор входного сигнала (7); блок фиксации (8); индикатор поля (9).
Датчик представляет собой две индуктивно связанные катушки на ферритовых кольцах разных диаметров. Катушка с меньшим диаметром (2) устанавливается на оси двигателя внутри катушки с большим диаметром (3), которая крепится к корпусу двигателя и является неподвижной относительно вращающейся катушки. Обмотка неподвижной катушки связана с усилителем и является согласующим каскадом между электрической частью схемы и входным сигналом.
Усилитель выполнен по схеме неинвертирующего включения аналогового операционного усилителя, что позволяет обеспечить высокое входное сопротивление. Фильтр низких частот обеспечивает избирательное действие, для исключения влияния на работу датчика поля проводов воздушной линии электропередачи. Детектор из полупроводниковых диодов и конденсаторов позволяет удвоить амплитуду выпрямленного входного сигнала. Блок фиксации определяет уровень срабатывания с учетом заданных пределов измерения. Индикатор является комплексным сигнализатором, позволяющим обеспечивать визуальное и звуковое оповещение о наличии опасного уровня напряженности.
Предлагаемое устройство измерения электрического поля основано на обнаружении сил, действующих на электрический заряд электростатического поля постоянного тока. По закону Кулона эти электростатические или кулоновские силы представляют взаимодействие точечных неподвижных заряженных частиц и пропорциональны заряду F=qE, где E - напряженность электрического поля.
Полная напряженность поля в любой точке определяется геометрической суммой напряженностей полей, создаваемых отдельными заряженными частицами. Соответственно, поток вектора напряженности электрического поля через любую замкнутую поверхность пропорционален заключенному внутри этой поверхности электрическому заряду и количеству силовых линий, пронизывающих эту поверхность.
Таким образом, действие электрического поля в значительной степени определяется расположением объекта, в данном случае датчика электрического поля, относительно силовых линий измеряемого поля. В этом отношении предлагаемый датчик существенно отличается от аналогов и прототипа. Его расположение относительно силовых линий не влияет на надежность и точность измерений, так как измерение происходит не по одной, двум или трем координатам, а по всей площади, которую образует вращающаяся катушка относительно силовых линий проводника с током.
Рассматривая провод с постоянным током неподвижным относительно датчика, неподвижными можно считать и свободные электрические заряды в нем. Воздействовать на неподвижные электрические заряды может только электрическое поле.
Устройство функционирует следующим образом.
Электрический ток, протекая по виткам неподвижной катушки, создает магнитное поле вокруг своей обмотки и взаимный магнитный поток вокруг витков вращающейся катушки, которая является модулятором переменного магнитного поля. При любом изменении магнитного поля в окружающем пространстве возникает вихревое электрическое поле, которое порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Это электрическое поле и приводит в движение свободные электрические заряды в проводе, которые, в свою очередь, создают свой магнитный поток, который взаимодействует с потоком датчика. Электромагнитное поле по классической электродинамике силой Лоренца действует на точечную заряженную частицу и свободные носители заряда проводника начинают двигаться в магнитном поле.
Эти силы изменяют концентрацию свободных носителей заряда в приповерхностном слое провода, приводят к перераспределению объемных зарядов в проводе и возникновению соответствующей разности потенциалов. Работа электромагнитного поля по перемещению единичного положительного заряда пропорциональна ЭДС. Эта ЭДС определяется силой, с которой вихревое электрическое поле, вызванное изменением магнитного поля датчика, действует на электрические заряды в проводе, и силой Лоренца, действующей со стороны электромагнитного поля на заряженную частицу. Эти силы F=qE пропорциональны заряду и напряженности электрического поля.
Полученный переменный сигнал с обмотки неподвижной катушки обрабатывается в соответствии с заданными пороговыми значениями через аналого-цифровой преобразователь, состоящий из усилителя, фильтра низкой частоты, детектора и блока фиксатора, и передается сигнализатор.