Датчик напряженности электрического поля с чувствительными элементами в форме сферического квадрата

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 его высокая чувствительность, т.к. его чувствительные элементы выполнены в форме полусфер, обеспечивающих максимальное использование площади их поверхности. При внесении датчика в электрическое поле на проводящих поверхностях его чувствительных элементов индуцируются электрические заряды. Чем больше поверхности чувствительных элементов, тем больше будут значения индуцированных зарядов, а, следовательно, больше будет его чувствительность.
0
Недостатком датчика является его значительная отрицательная погрешность от неоднородности поля, достигающая в пространственном диапазоне измерения от 0 до ( минус 34%. Причина большой погрешности датчика заключается в угловых размерах его чувствительных элементов. Размер чувствительных элементов, выполненных в форме сферических сегментов определяется углом между осью его сферического основания и границей чувствительного элемента. Для полусфер, являющихся крайним случаем сферического сегмента, угловой размер составляет θ=90°. Такой угловой размер не является оптимальным с точки зрения минимума погрешности измерения.
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; (- погрешность от неоднородности поля в относительных единицах), размещенных симметрично на диаметрально противоположных участках сферического проводящего основания, изолировано от него и один от другого и расположенных на координатных осях, проходящих через центр проводящего основания.
Достоинством датчика является малая погрешность измерения в неоднородных электрических полях, обеспечивающая оптимальными угловыми размерами чувствительных элементов в форме сферических сегментов или их частей, определяемыми по выражению
0
Для погрешностей от 0<δ<10% оптимальные угловые размеры сферических сегментов лежат в диапазоне 53°<θ<63,4°.
Недостатком датчика является малая чувствительность, ограниченная площадью поверхности чувствительных элементов.
Задачей полезной модели является повышение чувствительности датчика при сохранении малой погрешности измерения напряженности электрического поля в условиях его неоднородности.
0
Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащем проводящее сферическое основание с проводящими чувствительными элементами в форме сферических оболочек, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности сферического основания 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, сферические оболочки которых выполнены в форме сферических квадратов, стороны которых задаются угловым размером α.
0
З
П
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид датчика (в двух позициях - в анфас и профиль) напряженности электрического поля с чувствительными элементами 2-3 выполненные в форме сферического квадрата. В позиции анфас (фиг.1,а) представлен полный вид чувствительных элементов 2-3 выполненные в форме сферического квадрата, а во второй позиции (фиг.1,б) эти же чувствительные элементы представлены в профиль. 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 его чувствительных элементов. На фиг.3 графики зависимости площади чувствительных элементов заявляемого датчика и датчика прототипа от погрешности δ, вызванной неоднородностью поля. На фиг.4 показан график зависимости коэффициента k=f(δ) от погрешности δ, вызванной неоднородностью поля, где  - отношение площади S чувствительного элемента заявляемого датчика к площади S чувствительного элемента датчика прототипа.
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 квадрата с угловыми размерами α, определяемой требуемой погрешностью от неоднородности поля по функциональной зависимости α=f(δ).
Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.
2
3
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 измеряемого электрического поля Е и площади поверхности чувствительных элементов S
и ,
2
3
2
3
2
3
где k и k - коэффициенты пропорциональности (в однородном поле k=k, в неоднородном поле k≠k). Измеряя разности электрических зарядов между парами чувствительных элементов 2 и 3
определяют модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля E. В выражении (2)
- чувствительность датчика.
Из выражения (3) видно, что чувствительность датчика зависит от площади поверхности чувствительного элемента. Таким образом, чем больше площадь поверхности чувствительных элементов, тем выше чувствительность датчика.
Для датчика прототипа с чувствительными элементами в форме сферического сегмента и заявляемого датчика с чувствительными элементами в форме сферического квадрата площади поверхности S чувствительных элементов определяются соответствующими выражениями
0
0
где R - радиус сферического основания датчика; θ и α - угловые размеры чувствительных элементов датчика прототипа и заявляемого датчика.
П
З
0
Сравним площади (4) и (5) поверхности чувствительных элементов датчиков по графикам S(δ) и S(δ), представленным на фиг.3 и построенным с учетом зависимостей  и , где последняя зависимость α=f(δ) получена по материалам статьи [Бирюков С. В. Датчик напряженности электрического поля с электродами в форме сферических многоугольников / С. В. Бирюков, А.С.Шиликов // Омский научный вестник, вып.18 (март). - Омск: ОмГТУ, 2002. - С.123-127].
Из фиг.3 видно, что площадь поверхности чувствительных элементов заявляемого датчика больше площади чувствительных элементов датчика прототипа. Следовательно, чувствительность заявляемого датчика выше чувствительности датчика прототипа.
Взяв отношение площадей (5) и (4) и построив график k(δ) (фиг.4) устанавливаем, что чувствительность заявляемого датчика увеличивается в среднем на 30%.
Таким образом, заявляемый датчик позволяет при той же погрешности от неоднородности поля иметь более высокую чувствительность.