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 повышенной точностью.
Известно устройство для измерения напряженности электрического поля [Патент 3873919 США, МКИ G01 r 31/02, НКИ 324/72. AC ELECTRIC FIELDMETER], содержащее дифференциальный датчик с двумя плоскими прямоугольными чувствительными элементами, лежащими на одной координатной оси и изолированными от корпуса датчика, причем один чувствительный элемент подключен к первому, а другой к второму входам дифференциального измерительного преобразователя, выход которого соединен с измерительным прибором отградуированным в единицах напряженности электрического поля.
Достоинством этого устройства является простота конструктивного исполнения устройства, заключающаяся в простоте геометрических форм датчика, а его недостатком - большая погрешность при измерении неоднородных электрических полей, обусловленная прямоугольной формой чувствительных элементов датчика.
1
2
1
Наиболее близким устройством к заявляемому является устройство для измерения напряженности электрического поля [Свидетельство на полезную модель №26136 РФ МКИ G01R 29/08. Устройство для измерения напряженности электрического поля / С.В.Бирюков - Опубл. 10.11.2002, Бюл №31] содержащее сферический датчик с тремя парами чувствительных электропроводящих элементов, попарно расположенных на координатных осях, проходящих через центр корпуса датчика и симметрично относительно его корпуса, дифференциальный преобразователь сигналов датчика, преобразователь переменного напряжения в постоянное и измерительный прибор, при этом первые чувствительные электропроводящие элементы каждой пары соединены вместе в первой узловой точке, а вторые - во второй узловой точке, в свою очередь первая узловая точка соединена с первым входом, а вторая со вторым входом дифференциального преобразователя, выход которого через преобразователь переменного напряжения в постоянное соединен с входом измерительного прибора, отградуированного в единицах напряженности электрического поля, причем чувствительные электропроводящие элементы выполнены в форме сферического слоя, внешний размер которого ограничен центральным конусом с углом при вершине θ≤90°, а внутренний - центральным конусом с углом θ<θ при вершине, выбираемым исходя из требуемых погрешности и пространственного диапазона измерения.
Достоинством этого устройства является простота схемной реализации, а недостатком - значительные погрешности измерения напряженности на расстояниях от источника электрического поля больших или равных 1,5·R, где R - условный радиус корпуса датчика.
Задачей полезной модели является расширение пространственного диапазона измерения напряженности электрического поля в сторону расстояний меньших значений 1,5·R от источника поля.
1
2
1
Указанная задача достигается тем, что в известном устройстве для измерения напряженности электрического поля, содержащем сферический датчик с тремя парами чувствительных электропроводящих электродов, попарно расположенных на координатных осях, проходящих через центр корпуса датчика и симметрично относительно его корпуса, дифференциальный преобразователь сигналов датчика и измерительный прибор, при этом чувствительные электропроводящие электроды соответственно соединены с первым и со вторым входами дифференциального преобразователя, выход которого соединен с входом измерительного прибора, отградуированного в единицах напряженности электрического поля, причем чувствительные электропроводящие электроды выполнены в форме сферического слоя, внешний размер которого ограничен центральным конусом с углом при вершине θ≤90°, а внутренний - центральным конусом с углом θ<θ при вершине, выбираемым исходя из требуемых погрешности и пространственного диапазона измерения, согласно заявленной полезной модели датчик выполняют с одной парой чувствительных электропроводящих электродов, при этом каждый чувствительный электропроводящий электрод датчика состоит из двух соприкасающихся и гальванически связанных электропроводящих элементов, выполненных, в общем случае, в форме сферического слоя, а координатная ось датчика проходит через точку соприкосновения двух электропроводящих сферических слоев.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами фиг.1 - фиг.4, где
на фиг.1 изображен датчик и структурная схема устройства для измерения напряженности электрического поля;
1
2
1
на фиг.2. - электропроводящий элемент чувствительного электроде датчика, выполненный, в общем случае, в форме сферического слоя, внешне и внутренне ограниченный центральными конусами с углами при вершине соответственно θ≤90° и θ<θ;
1
2
на фиг.3 - график, позволяющий по заданной погрешности определять оптимальные внешние угловые размеры θ сферических слоев, из которых состоят чувствительные электроды 2 и 5 при фиксированном внутреннем угловом размере θ=0 и максимально возможном пространственном диапазоне измерения a=R/d (R - радиус корпуса датчика 1, d - расстояние от центра 10 корпуса датчика 1 до источника поля);
1
на фиг.4 - график, позволяющий по заданной погрешности определять оптимальные внутренние угловые размеры 62 сферических слоев, из которых состоят чувствительные электроды 2 и 5 при фиксированном внешнем угловом размере θ≤90°  и максимально возможном пространственном диапазоне измерения a=R/d (R - радиус корпуса датчика 1, d - расстояние от центра 10 корпуса датчика 1 до источника поля).
Устройство для измерения напряженности электрического поля содержит датчик 1 с расположенной на его поверхности парой чувствительных электродов 2 и 5 центры 8 и 9 которых размещены на оси декартовой системы координат симметрично относительно ее начала 10, дифференциальный преобразователь 11 и измерительный прибор 12. Чувствительный электрод 2, состоящий из двух соприкасающихся и гальванически связанных электропроводящих элементов в виде сферических слоев 3 и 4, подключен к первому входу дифференциального преобразователя 11, а чувствительный электрод 5 состоящий из двух соприкасающихся и гальванически связанных электропроводящих элементов в виде сферических слоев 6 и 7 подключен ко второму входу того же преобразователя 11, выход которого подключен к входу измерительного прибора 12, отградуированного в единицах напряженности электрического поля.
Устройство работает следующим образом.
Датчик 1 с чувствительными электродами 2 и 3 помещают в пространство исследуемого переменного электрического поля, при этом на чувствительных электродах 2 и 5 возникают переменные во времени электрические заряды, пропорциональные составляющей вектора напряженности измеряемого поля, т.е. суммы исходного поля и собственного поля датчика. Изменение зарядов во времени приводит к возникновению электрических токов, пропорциональных этим зарядам. В составе этих токов присутствует составляющая, обусловленная собственным полем датчика 1. За счет дифференциального преобразования сигналов с чувствительных электродов 2 и 50 датчика 1 на выходе дифференциального преобразователя 11 выделяется электрический сигнал U, пропорциональный вектору напряженности только исходного электрического поля Е. Этот сигнал измеряется измерительным прибором 12, отградуированным в единицах напряженности электрического поля. Для получения результата измерений датчик 1 ориентируют в электрическом поле до достижения максимального показания измерительного прибора 12, которое будет соответствовать напряженности исходного электрического поля. При этом условии показания W измерительного прибора будут равны
,
a
где k - безразмерный постоянный коэффициент измерительной цепи; ε - диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится датчик; R - радиус корпуса датчика;  углы при вершине внешнего и внутреннего центральных конусов, ограничивающих размер сферического слоя чувствительного электрода;  - погрешность датчика в неоднородном электрическом поле, зависящая от углов ; =R/d- параметр, определяющий пространственный диапазон измерения (R - радиус сферического корпуса датчика 1, d - расстояние от центра датчика до источника поля); E - напряженность исходного электрического поля. Уменьшение погрешности устройства и расширение пространственного диапазона измерения достигается:
1
1) за счет организации чувствительного электрода датчика из двух гальванически связанных и пристыкованных сферических слоев, центры которых отклонены от координатной оси датчика на внешний θугловой размер сферического слоя;
2) за счет оптимального выбора угловых размеров  сферических слоев.
При этом распределение зарядов, индуцированных на поверхности, полученных таким образом электродов датчика приближается к распределению в однородном поле.
2
1
Из графиков фиг.3 и фиг.4 видно, что, изменение внутреннего углового размера окна сферического слоя от 0 до θ, при фиксированном внешнем угловом размере θ приводит как к уменьшению погрешности датчика, так и расширению его пространственного диапазона измерений по сравнению с прототипом.
Таким образом, при измерении напряженности электрического поля датчик 1 ориентируют в поле до получения максимального показания измерительного прибора 12. Удерживают датчик 1 в этом положении и измерительным прибором 12 измеряют модуль вектора напряженности исходного электрического поля.
Размер элементов 3, 4 и 6, 7, выполненных в форме сферического слоя, образующих чувствительные электроды 2 и 5, выбирают исходя из минимально возможной погрешности измерения и максимально возможного пространственного диапазона измерения согласно, графикам, представленным на фиг.3 и фиг.4 и таблицам 1-2.
2
1
1
2
Согласно фиг.3 оптимальные размеры элементов 3, 4 и 6, 7, выполненных в форме сферического слоя при внутренним угловом размере θ=0 лежат в диапазоне изменения их внешних угловых размеров 87°<θ<80°. Согласно фиг.4 оптимальные размеры элементов 3, 4 и 6, 7, выполненных в форме сферического слоя при внешнем угловом размере θ=90° лежат в диапазоне изменения их внутренних угловых размеров 22°<θ<44°.
Таблица 1
Зависимости внешнего углового размера θ<sub>1</sub> чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя при его внутреннем размере θ<sub>2</sub>=0° и максимально возможного параметра <i>а</i><sub>макс, </sub>определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ±σ
σ, %
0,5
1,0
1,5
2,0
θ<sub>1</sub>°
87,1
83,4
81,9
81,2
<i>а</i><sub>макс.</sub>
0,62
0,78
0,88
0,98
d
1,61R
1,28R
1,14R
1,02R
2
2
Из анализа таблиц 1 следует, что лучшим угловыми размерами чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя с внутренним угловым размером θ=0, является внешний угловой размер θ=81,2°, соответствующий погрешности σ=2%.
Таблица 2
Зависимости внутреннего углового размера θ<sub>2 </sub>чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя при его внешнем размере θ<sub>1</sub>=90° и максимально возможного параметра <i>a</i><sub>макc.</sub>, 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> <sup>0</sup>
44,3
37
32,2
29
26,2
24
22,2
20,6
19
17,6
<i>а</i><sub>макс.</sub>
0,46
0,6
0,74
0,86
0,97
0,99
0,99
0,99
0,99
0,99
d
2,17R
1,67R
1,35R
1,16R
1,03R
1,01R
1,01R
1,01R
1,01R
1,01R
1
2
Из анализа таблицы 2 следует, что оптимальными угловыми размерами чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя с внешнем угловым размером θ=90°, является внешний угловой размер θ=26,2°, соответствующий погрешности σ=2,5%.
а
макс.
мин.
мин.
В таблицах параметр =R/d, 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/а 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 ±2,5% на расстояниях от источника поля и проводящих поверхностей, больших или равных 1,03·R, где R - радиус сферического корпуса датчика.