УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля с повышенной точностью напряженности электростатического поля.
Известно устройство для измерения напряженности статических и квазистатических полей (Патент №207107103.01.1991 G01R 29/00). Новым в устройстве является первичный измерительный преобразователь в виде трех параллельных металлических пластин, представляющий собой два последовательно соединенных конденсатора с общей пластиной. Недостатком устройства является погрешность, возникающая в результате изменения расположения пластин относительно источника электрического поля постоянного тока.
Аналогичным по построению и недостаткам является устройство для измерения напряженности электростатического поля (Патент №2212678, RU 2212678). В устройстве датчик поля выполнен в виде двух измерительных конденсаторов, включенных последовательно, при этом проводящий корпус датчика является общим внутренним электродом обоих конденсаторов. Корпус датчика выполнен симметричным относительно плоскости, проходящей через его центр, параллельно внешним электродам измерительного конденсатора.
Известно устройство для измерения напряженности электрического поля [Патент на полезную модель №81579 (Россия), МКИ G01R 29/08], 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.
Недостатком является погрешность, возникающая в результате алгебраического суммирования двух составляющих вектора напряженности электрического поля. Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для измерения напряженности электрического поля [А.с. 1163285 А СССР, МКИ G01R 29/12], он и взят за прототип. Устройство содержит сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувствительных элементов, попарно подключенных к входам дифференциальных усилителей, выходы которых соединены со входами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеизвлекателя, выход которого подключен ко входу измерительного прибора.
Устройство производит геометрическое суммирование составляющих вектора напряженности электрического поля, уменьшая при этом погрешность от ориентации датчика в пространстве. 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.
Датчик с чувствительными элементами помещают в пространство исследуемого поля. На чувствительных элементах возникают электрические сигналы, пропорциональные составляющим вектора напряженности измеряемого электрического поля. За счет дифференциального преобразования сигналов с каждой пары чувствительных элементов, расположенных по одной координатной оси, на выходах соответствующих дифференциальных преобразователей выделяются соответствующие напряжения, пропорциональные составляющим вектора напряженности исходного электрического поля. Эти напряжения соответственно поступают на первый, второй и третий входы логического блока выравнивания двух составляющих вектора напряженности по координатным осям датчика при третьей, равной нулю, и на квадраторы. На выходах квадраторов появляются напряжения, пропорциональные квадратам напряжений с дифференциальных преобразователей. Эти напряжения через управляемые аналоговые ключи поступают на входы сумматора, с выхода которого - на корнеизвлекатель. На выходе корнеизвлекателя формируется напряжение, пропорциональное модулю вектора напряженности электрического поля, равноудаленного от двух координатных осей датчика. При этом проекция этого же вектора на третью координатную ось равна нулю. Выделенное корнеизвлекателем напряжение измеряется измерительным прибором, отградуированным в единицах напряженности электрического поля.
Таким образом, при измерении напряженности электрического поля датчик 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 геометрическую сумму двух из неравных нулю составляющих датчика, пропорциональную модулю вектора напряженности электрического поля.
Общими недостатками известных аналогов и прототипа является низкая точность и сложность измерения напряженности электрического поля. Сложность измерения вызвана, прежде всего, необходимостью 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 предлагаемого устройства с датчиком в виде двух сферических поверхностей разных диаметров. Техническим результатом полезной модели является повышение точности контроля напряженности электрического поля.
Поставленная задача достигается тем, что в известное устройство измерения напряженности электрического поля, содержащее датчик и сумматор, согласно заявленному устройству предлагается использовать датчик, который выполнен в виде двух сферических поверхностей разных диаметров, расположенных на двух диэлектрических полых стержнях на разном расстоянии от корпуса прибора, через которые посредством проводников сферы соединены с двумя входами блока сопряжения, выход которого через блок сравнения или вычитатель подключен через фильтр низких частот к входу усилителя выходного сигнала, выход которого связан с входом сумматора, на второй вход которого подключен выход генератора, а выход сумматора через второй блок сопряжения соединен с индикатором.
Сущностью заявленного устройства является указанный датчик, выполненный в виде двух сферических поверхностей разных диаметров, сферы которых соединены с двумя входами блока сопряжения, выход которого через блок сравнения или вычитатель подключен через фильтр низких частот к входу усилителя выходного сигнала, выход которого связан с входом сумматора, на второй вход которого подключен выход генератора, а выход сумматора через второй блок сопряжения соединен с индикатором.
Предлагаемое устройство для контроля напряженности электрического поля поясняется чертежом (рис. 1).
Схема содержит датчик поля (1), состоящий из двух сферических поверхностей разных диаметров, блок сопряжения (2), блок сравнения или вычитатель (3), фильтр низких частот (4), усилитель выходного сигнала (5), сумматор (6), генератор (7), второй блок сопряжения (8) и индикатор (9).
Датчик поля представляет собой две сферические поверхности разных диаметров. Датчик предназначен для преобразования соответствующих приращений напряженности исследуемого поля в пропорциональную разность потенциалов. Датчик выполнен в виде двух сферических поверхностей разных диаметров, расположенных на двух диэлектрических полых стержнях на разном расстоянии от корпуса прибора. Использование непроводящих стержней вызвано исключением влияния корпуса и самих стержней на точность контроля напряженности электрического поля. Подключение проводящих тел к электронной схеме устройства осуществляется через внутренние отверстия в обоих стержнях. Использование сфер разных диаметров необходимо для определения более точного приращения потенциала за счет концентрации зарядов на поверхности сфер.
Блок сопряжения выполнен на схемах двух неинвертирующих буферных повторителях ОУ1, ОУ2, представляющих собой неинвертирующие усилители, в которых входное сопротивление равно бесконечности, а сопротивление обратной связи равно нулю (коэффициент усиления =1). Такой усилитель с единичным коэффициентом усиления называют буфером, так как он обладает большим входным импедансом и малым выходным.
Блок сравнения или вычитатель на ОУ3 обеспечивает сравнение входных сигналов от датчика поля. Фильтр низких частот ОУ4 обеспечивает избирательное действие, для исключения влияния на работу датчика поля проводов воздушной линии электропередачи. Усилитель выходного сигнала ОУ5 создает необходимый уровень сигнала, соизмеримый по амплитуде с сигналом от генератора на ОУ7 для подачи двух управляющих импульсов на расширительный вход сумматора, выполненного на ОУ6. Второй блок сопряжения на ОУ8 согласует по входному и выходному сопротивлениям электронную часть схемы с индикатором 9.
Предлагаемое устройство контроля напряженности электростатического поля основано на определении «динамической» напряженности за счет контроля приращения потенциала в пределах фиксируемой зоны, ограниченной центрами сферических поверхностей датчика поля. Напряженность является силовой характеристикой электрического поля, ею выражается величина поля. Эта сила действует вокруг провода, по которому протекает ток, и воздействует на любой проводник, помещенный в это поле. Чем ближе к проводнику с током, тем больше сила воздействия, тем больше напряженность поля. В точках пространства, расположенных далеко от источника заряда, образующего поле, напряженность равна нулю. Т.е. напряженность является затухающей функцией относительно источника электрического поля. Это затухание является нелинейным, так как зависимость напряженности в функции расстояния от источника поля определяется потенциалами точек электрического поля, распределение которых в поле является нелинейным.
1
2
Вектор напряженности направлен в сторону уменьшения потенциала. Потенциал понижается при переходе от точки, которая ближе к источнику с потенциалом ϕ, к точке, отдаленной от него, с потенциалом ϕ. Напряженность электрического поля определяется изменением потенциала, который изменяется по экспоненциальному закону и является затухающей функцией (см. рис. 2).
Во всех точках проводника, находящегося в электрическом поле, потенциал одинаков. Этот потенциал равен потенциалу некоторой точки внешнего электрического поля.
Работа предлагаемого устройства контроля напряженности электростатического поля основана на свойстве проводника, помещенного в электрическое поле, и, учитывающего не статическую напряженность в данной точке, а динамическую, в конкретном пространстве поля.
Если проводящее тело, в данном устройстве сферу (шар), поместить в электрическое поле, то шар приобретает потенциал точки пространства, совпадающий с его центром. Для тел, имеющих центр симметрии, например шар, центр электрических зарядов совпадает с центром симметрии. Потенциал проводящего шара в электрическом поле равен потенциалу внешнего электрического поля в центре шара.
Так как по условию электростатического равновесия напряженность и заряд электрического поля внутри проводника равны нулю, электростатического поля внутри проводника нет и весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. Потенциалы во всех точках внутри заряженного металлического шара одинаковы и равны потенциалу на поверхности шара. Т.е. потенциал сферы шара приобретает потенциал точки поля, в которой он находится. Потенциал в некоторой точке поля, созданного зарядом q источника, равен:
,
0
где e - электрическая постоянная; е - относительная диэлектрическая проницаемость среды. Диэлектрическая проницаемость среды характеризует среду, в которой существует поле. Для воздуха она равна единице.
L - расстояние между источником и измеряемой точкой поля. Если в электрическое поле поместить два проводящих сферических тела, то на поверхностях шаров сконцентрируются соответствующие электростатические заряды.
По теореме Остроградского-Гаусса заряд, равномерно распределенный по поверхности сферы с радиусом «r» и поверхностной плотностью «σ», равен:
2
q=σ4πr.
1
2
Последнее равенство показывает, что чем больше радиус шара, тем больший заряд концентрируется на его поверхности, тем больший потенциал приобретает данная поверхность. Сферы датчика приобретают потенциалы ϕ и ϕ точек поля, соответствующие их расположению. В существующем электрическом поле существует разность потенциалов между двумя любыми точками этого поля. Возникшая разность потенциалов равна разности потенциалов внешнего электрического поля между центрами электрических зарядов сферических тел.
1
2
1
2
Для увеличения приращения Δϕ=(ϕ-ϕ) между шарами диаметры шаров выбираются разными. На сфере с большим диаметром концентрируется большее число статических зарядов. Чем больше Δϕ=(ϕ-ϕ), тем больше точность измерения. Потенциал сферы определяется следующим выражением:
.
То есть напряженность для данного устройства с двумя фиксирующими элементами является производной зависимости разности потенциалов на сферических элементах датчика от расстояния между ними, иначе представляет собой дифференциальную или динамическую напряженность, которая показывает изменение приращения напряженности на фиксированном расстоянии. Так как производная равна тангенсу угла наклона касательной на графике функции, необходимо учитывать угол между вектором напряженности внешнего электрического поля и прямой, соединяющей центры сфер электрических зарядов.
1
2
С учетом этого, разность потенциалов (ϕ-ϕ)=U будет связана с модулем напряженности внешнего электрического поля Е соотношением:
U=dE cosϕ,
где d - расстояние между центрами сфер электрических зарядов,
ϕ - угол между вектором напряженности внешнего электрического поля и прямой, соединяющей центры сфер электрических зарядов.
Приведенное соотношение лежит в основе устройства контроля напряженности электрического поля. Равенство связывает разность потенциалов между двумя проводящими телами, которая может быть измерена, с модулем напряженности внешнего электрического поля.
При внесении проводников в электрическое поле они приобретают потенциалы соответствующих точек поля. При фиксированном расстоянии между центрами (сфер) шаров и найденной разностью потенциалов между точками поля напряженность исследуемого поля в контролируемой зоне определяется по формуле:
1
2
E=(ϕ-ϕ)/d, или E=Δϕ/d,
где Δϕ - разность потенциалов между центрами (сфер) шаров датчика,
d - расстояние между центрами (сфер) шаров датчика.
Полученный от датчика сигнал подается на входы блока сопряжения ОУ1, ОУ2, выходы которого через блок сравнения или вычитатель на ОУ3 подключается через фильтр низких частот ОУ4 к входу усилителя выходного сигнала ОУ5, выход которого связан с входом сумматора ОУ6, на второй вход которого подключен выход генератора ОУ7, а выход сумматора через второй блок сопряжения ОУ8 соединен с индикатором ОУ9.
Таким образом, предлагаемое устройство с фиксирующим электростатическое поле датчиком с двумя сферами разных диаметров существенно отличается от аналогов и прототипа. Точность контроля напряженности электростатического поля обеспечивается за счет использования датчика в виде двух сферических поверхностей разных диаметров, которые позволяют увеличить приращение контролируемой величины и с большей точностью определять приращение потенциала в пределах фиксируемой зоны, ограниченной центрами сферических поверхностей датчика поля, которые фиксируют электростатическое поле по всей площади сферы, независимо от расположения датчика поля относительно его силовых линий.