ДАТЧИК ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью.
Известен датчик, близкий к заявляемому способу [Renno N.O., Kok J.F., H.Kirkham A miniature sensor for electrical field measurements. - Electrostatics 2007 Journal of Physics: Conference series 142 (2008) article: 012075], в котором используется принцип электрической индукции; датчик состоит из двух вращающихся относительно оси чувствительных элементов, образуя цилиндрическую форму; измеряются две составляющие электрического поля, при двух уровнях скорости вращения. Недостатки данного устройства заключаются в том, что датчик является двухкоординатным, отсутствие какого-либо защитного кожуха для чувствительных элементов.
Известен также датчик для измерения напряженности электростатического поля описанный в «Способе измерения напряженности электростатического поля» [А.с. 473128 СССР, МКИ G01R 29/14], содержит чувствительные элементы (ЧЭ), представляющие собой наружные поверхности шаровых сегментов, симметричных относительно плоскостей декартовой системы координат в трех ординатах тела, представляющего из себя в частном порядке шар, центры наружных поверхностей шаровых сегментов попарно расположены на осях той же системы координат симметрично относительно ее начала, а ЧЭ соединены между собой через резисторы и подключены через измерительные приборы к сумматору. Датчик с ЧЭ помещают в исследуемое пространство и ориентируют его в этом пространстве, периодически экспонируя и экранируя ЧЭ, проводя измерение электростатического поля.
Недостатками известного устройства являются продолжительный период времени получения данных, в связи с тем, что экранирование и экспонирование усложняют процесс измерения параметров поля, причем измерение данных возможно только для однородных электростатических полей.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения вектора напряженности электростатического поля, в широком пространственном диапазоне как в однородных полях, так и в полях с различной неоднородностью, обеспечивая при этом независимость результатов измерения от ориентации датчика в пространстве, сокращая период обработки полученных результатов.
Поставленная задача достигается тем, что в известный датчик измерения напряженности электростатического поля, содержащего три пары ЧЭ, представляющих собой наружные поверхности шаровых сегментов, симметричных относительно плоскостей декартовой системы координат в трех ординатах тела, представляющего из себя в частном случае шар, центры наружных поверхностей шаровых сегментов попарно расположены на осях той же системы координат симметрично относительно ее начала в точке «О», а ЧЭ попарно соединены между собой, добавлено то, что, датчик с. тремя парами ЧЭ, для измерения напряженности электростатического поля (НЭП), снабжен кожухом, выполненным с отверстиями, которые по размерам и по форме соответствуют размерам и форме ЧЭ, а центры отверстий на поверхности кожуха попарно расположены на осях декартовой системы координат в трех ординатах кожуха симметрично относительно ее начала в точке «О» аналогично ЧЭ, а сами ЧЭ закреплены на вращающемся валу, расположенном внутри шара таким образом, что каждый из ЧЭ, находящихся на валу, выполнен с возможностью одновременного перекрытия отверстий на поверхности кожуха и соединены между собой токопроводящими элементами и подключены ко входам аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в микроконтроллер (МК) через фильтр низких частот (ФНЧ) и преобразователь ток-напряжение (ПТН), подключенного к компьютеру (ПК) для обработки поступающих данных.
Согласно предложенному техническому решению трехкоординатный сферический датчик с тремя парами чувствительных элементов снабжен кожухом, выполненным из токопроводящего материала с отверстиями, которые по размерам и по форме соответствуют размерам и форме ЧЭ, а центры отверстий на поверхности кожуха попарно расположены на осях декартовой системы координат в трех ординатах кожуха симметрично относительно ее начала в точке «О» аналогично ЧЭ, а сами ЧЭ закреплены на вращающемся валу, расположенном внутри шара таким образом, что каждый из ЧЭ, находящихся на валу при вращении способен одновременно перекрыть отверстия кожуха.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен датчик и структурная схема устройства для измерения напряженности электростатического поля;
на фиг.2 изображена структура датчика с внутренними элементами;
на фиг.3 изображен внешний вид датчика измерения напряженности электростатического поля.
Трехкоординатный датчик (далее датчик) для измерения напряженности электростатического поля (НЭП), содержащий три пары ЧЭ 1 (S1-S2), 2 (S3-S4) и 3 (S5-S6). Пары ЧЭ 1, 2 и 3 представляют собой наружные поверхности шаровых сегментов симметричных относительно плоскостей декартовой системы координат в трех ординатах тела 4, представляющего из себя в частном случае шар. Центры наружных поверхностей шаровых сегментов 5, 6, 7, 8, 9 и 10 попарно расположены на осях той же системы координат симметрично относительно ее начала 11 в точке «О», а ЧЭ S1-S6 расположены на вращающемся валу 12. Датчик снабжен кожухом 13 с одинаковыми отверстиями 5-10, выполненным из токопроводящего материала. Отверстия 5-10 кожуха 13 выполнены аналогичными размерами, что и пары ЧЭ 1, 2 и 3. Центры отверстий 5-10 на поверхности кожуха 13 расположены попарно на осях декартовой системы координат в трех ординатах кожуха симметрично относительно ее начала в точке «О» аналогично ЧЭ 1, 2 и 3, а сами ЧЭ 1, 2 и 3 закреплены на вращающемся валу 12 относительно оси 14 и находящемся внутри шара таким образом, что каждый из ЧЭ 1, 2 и 3, находящихся на валу 12 способен перекрыть отверстия кожуха 12. Выходы датчика соединены с фильтром нижних частот (ФНЧ) 15, выходы которого соединены с преобразователем ток-напряжение (ПТН) 16, соединенного с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 17, встроенного в микроконтроллер (МК) 18, который в свою очередь соединен с преобразовательным устройством (в данном случае с персональным компьютером ПК) посредством бесконтактного приемника / передатчика (БПП) 19. К выходам МК 18 подключены входы системы управления (СУ) 21. СУ 21 управляет скоростью вращения двигателя датчика (Дд) 22. К выходам МК подключены также и входы датчика скорости (Дс) 20. Двигатель датчика работает с определенной скоростью, а СУ 21 регулирует эту скорость. Датчик работает следующим образом.
Трехкоординатный сферический датчик (далее датчик) для измерения напряженности электростатического поля (НЭП), содержащий три пары ЧЭ 1 (S1-S2), 2 (S3-S4) и 3 (S5-S6) вносят в электростатическое поле. На ЧЭ 1, 2 и 3 под воздействием электростатического поля и модулирования в каждый момент времени индуцируется заряд (dq), который является мгновенным значением тока (dq/dt). Сигналы с каждой пары ЧЭ 1, 2 и 3 поступают на вход ФНЧ 15, который отфильтровывает (убирает) высокочастотные помехи, далее полученный токовый сигнал преобразуют с помощью ПТН 16 в напряжение, пропорциональное напряженности измеряемого электростатического поля.
Сигнал оцифровывается в блоке АЦП 17 МК 18. Данные с МК 18 передаются через бесконтактный приемник/передатчик БПП 19 на ПК, а именно, МК 18 отправляет полученные значения сигнала в каждый момент времени на ПК с программным обеспечением к оператору, который получает команды от оператора, производит анализ, обработку и вывод данных. Вращение вала 12 осуществляют с помощью двигателя Дд 22, управляемого МК 18, отправляющим команды оператора на систему управления СУ 20, которая устанавливает угловую скорость вращения двигателя Дд 22 и, соответственно, вращающегося вала 12 датчика, которую измеряют датчиком скорости Дс 20, передающим микроконтроллеру МК 18 сигнал, пропорциональный скорости вращения вала 12. Эти сигналы так же являются сигналами обратной связи для корректировки угловой скорости вращения вала 12.
Полные заряды, индуцированные на чувствительных элементах, расположенных на координатных осях X, У и Z датчика:
i
S - площадь соответствующего чувствительного элемента;
dS - элемент его поверхности;
i - параметр изменяющейся от 1 до 6 это число чувствительных элементов датчика;
1
σ - поверхностная плотность зарядов, индуцированная вешним электростатическим полем: σ=ε·Е [Бирюков С.В. Теория и практика построения электроиндукционных датчиков потенциала и напряженности электрического поля // Омский научный вестник, вып. 11. - Омск: ОмГТУ, 2000. - С.89-93.];
2
dS=R·Sinθ·dθ·dφ - элемент поверхности, выраженный в сферической системе координат [Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. -М.: Наука, 1972. - 870с.];
R - радиус сферы;
θ и φ - широтный и долготный углы сферической системы координат [Методы расчета электростаических полей / Миролюбов Н.Н., Костенко М.В., Ливинштейн М.Л., Тиходеев Н.Н. - М.: Высшая школа, 1963. - 414 с.; Бирюков С.В. Теория и практика построения электроиндукционных датчиков потенциала и напряженности электрического поля // Омский научный вестник, вып. 11. - Омск: ОмГТУ, 2000. - С.89-93].
(x,y,z)i
Заряды Q на чувствительных элементах датчика преобразовываем в среднюю поверхностную напряженность на этих же чувствительных элементах так
r
E - нормальная составляющая напряженности ЭП на поверхности сферы [Бирюков С.В. Теория и практика построения электроиндукционных датчиков потенциала и напряженности электрического поля // Омский научный вестник, вып.11. - Омск: ОмГТУ, 2000. - С.89-93].
1
i
Средняя поверхностная напряженность является нормированной по отношению к радиусу сферы R, параметру среды ε, в которой он находится и площади чувствительного элемента S, определяемой выражением
cp(x,y,z)
(x,y,z)
Связь между средней напряженностью E и зарядом Q, индуцированным на чувствительном элементе установим, сопоставляя выражения (1), (2), (3):
1
Так как при вращении ЧЭ 1-6 с некоторой скоростью во времени t изменяется площадь пересечения ЧЭ S1-S6 и отверстий в кожухе, а также используя выражения (1) и поверхностную плотность зарядов σ=ε·E [Бирюков С.В. Теория и практика построения электроиндукционных датчиков потенциала и напряженности электрического поля// Омский научный вестник, вып. 11. - Омск: ОмГТУ, 2000. - С.89-93.] получим значение Q (учитывающее вращение вала 12, при котором ЧЭ в течение некоторого времени поворачивается на угол β=ω·t, где ω - угловая скорость вращения вала 12, величина постоянная), получим:
1
ε - диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится проводящая сфера;
S(β) - изменение площади ЧЭ при вращении вала;
ср
Е - средняя поверхностная напряженность электростатического поля на ЧЭ;
Так как при вращении ЧЭ наблюдается изменение заряда зависимости от угла поворота и скорости вращения Q(β), тогда ток между ЧЭ:
dQ(β) - заряд, индуцированный на шаровом сегменте при вращении в течение времени t [Strigel R., Ausmessung von electrischen Feldegn, Verlag G. Braun Karlsruhe 1999, S.2].
Так как угловая скорость вращения вала 12 ω принимаются постоянной величиной, то ток с каждой пары ЧЭ будет определяться выражением:
1
ε - диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится проводящая сфера;
ср
Е - средняя поверхностная напряженность электростатического поля;
ω - угловая скорость вращения вала 12, величина постоянная;
dS(t)/dt - изменение площади ЧЭ в зависимости от вращения.
При восприятии ортогональных составляющих вектора НЭП с последующим их геометрическим суммированием обеспечивается независимость восстановленного модуля вектора НЭП от ориентации датчика.
В МК 18 происходит определение результирующего среднего тока, полученного с диаметрально противоположных ЧЭ, а именно:
X
Y
Z
i(t), i(t), i(t) - дифференциальные значения тока диаметрально противоположных ЧЭ, распложенных на координатных осях Х, Y и Z датчика соответственно.
Определение НЭП в МК 18 происходит следующим образом. НЭП пропорциональна результирующему среднему значению тока, получим:
k - коэффициент пропорциональности между током и измеряемой напряженностью электростатического поля;
f(t) - функция, учитывающая неоднородность поля и закон изменения площади ЧЭ.
Благодаря сферической форме корпуса (защитного кожуха) 13 и возможности перекрытия всех отверстий 5-10 одинаковыми чувствительными элементами S1-S6, укрепленными на одном валу 12, повышается точность измерения вектора НЭП.
0
Заявляемое техническое решение позволяет производить одновременное измерение напряженности электростатического поля (НЭП) E по трем координатным составляющим, повышая точность измерения вектора напряженности в широком пространственном диапазоне измерения без учета ориентации датчика в пространстве, используя цифровую обработку получаемых данных, а также позволяет использовать датчик в полях с различной неоднородностью.