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 [Feser К. A potential free spherical sensor for the measurement of transient electric fields / K.Feser, W.Pfaff // IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, vol. Pas-103. - 1984. - №10. - P. 2904-2911], содержащее сферический датчик с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувствительных элементов, попарно расположенных на координатных осях, проходящих, через центр корпуса датчика, причем чувствительные элементы подключены к входам дифференциальных усилителей, выходы которых соединены с входами квадраторов, а выходы квадраторов через сумматор соединены с входом корнеизвлекателя, выход которого подключен к выходной клемме устройства.
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. Кроме этого, такое устройство имеет расширенный диапазон преобразования входных сигналов и обладает повышенной сложностью реализации.
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 и усложненная конструкция датчика.
Задачей полезной модели является расширение пространственного диапазона измерения напряженности электрического поля в сторону расстояний меньших значений 1,5·R от источника поля и упрощение конструкции датчика.
1
2
1
Указанная задача достигается тем, что в известном устройстве для измерения напряженности электрического поля, содержащем сферический датчик с чувствительными электропроводящими электродами, попарно расположенными 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 электроды соответственно соединены с первым и со вторым входами 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 электрода 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 гальванически связанных электропроводящих чувствительных элементов, а координатная ось датчика, выходящая из его центра, проходит между осями двух электропроводящих чувствительных элементов, образующих чувствительный электрод, на равных угловых α расстояниях от этих осей и лежит в их плоскости.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами фиг.1 - фиг.5, где
на фиг.1 изображен датчик и структурная схема устройства для измерения напряженности электрического поля;
1
2
на фиг.2 - пример одной из возможных форм чувствительных элементов 4-7 электродов датчика 2-3, выполненной, в общем случае, в виде сферического слоя с внешним θ и внутренним θ угловыми размерами;
на фиг.3 - фиг.5 - представлены графики погрешности датчика в зависимости от пространственного диапазона измерения и угловых размеров его чувствительных элементов при угловых расстояниях между осями чувствительных элементов и координатной осью датчика α=45°.
1
2
1
Устройство для измерения напряженности электрического поля содержит датчик 1 с расположенной на его поверхности парой электропроводящих чувствительных электродов 2 и 3 центры 12 и 13 которых размещены на оси декартовой системы координат симметрично относительно ее начала 14, дифференциальный преобразователь 15, преобразователь переменного напряжения в постоянное 16 и измерительный прибор 17. Чувствительные электроды 2, 3, соответственно состоят из одинаковых электропроводящих чувствительных элементов 4, 6 и 5, 1 в форме сферических сегментов, ограниченных центральным внешним конусом с углом при вершине θ<90°, в которых вырезаны окна центральным внутренним конусом с углом θ<θ. Чувствительные элементы 4, 5 и 6, 7 расположены попарно симметрично на диаметрально противоположных участках сферического проводящего корпуса 1, изолированно от него и один от другого. Оси пар чувствительных элементов 4, 5 и 6, 7 проходят через центр датчика 14 и центры 8, 9 и 10, 11 пар чувствительных элементов. Координатная ось датчика выходит из его центра 14, проходит через центры 12 и 13 чувствительных электродов 2, 3, расположенные между осями пар чувствительных элементов 4, 5 и 6, 7 на равном угловом а расстоянии от них и лежит в одной плоскости с осями чувствительных элементов 4, 5 и 6, 7. Чувствительные элементы 4 и 6 гальванически связаны и подключены к первому входу дифференциального преобразователей 15, а чувствительные элементы 5 и 7 гальванически связаны и подключены ко второму входу того же дифференциального преобразователя 15, выход которого через преобразователь переменного напряжения в постоянное 16 подключен к входу измерительного прибора 17, 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 3 возникают переменные во времени электрические заряды, пропорциональные составляющей модуля 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 3 датчика 1 на выходе дифференциального преобразователя 15 выделяется переменное напряжение U, пропорциональное модулю вектора напряженности только исходного электрического поля Е. Это напряжение преобразователем 16 переменного напряжения в постоянное, преобразуется в постоянное напряжение U, которое измеряется измерительным прибором 17, отградуированным в единицах напряженности электрического поля.
Для получения результата измерений датчик 1 ориентируют в электрическом поле до достижения максимального показания измерительного прибора 17, которое будет соответствовать напряженности исходного электрического поля. Максимальное показание измерительного прибора 17 будет достигаться, когда координатная ось х датчика совпадет с направлением вектора напряженности электрического поля .
В этом случае показания N измерительного прибора будут равны
1
1
1
2
1
2
1
2
, где k - безразмерный постоянный коэффициент; k - коэффициент, учитывающий коэффициенты преобразования интегратора тока, преобразователя переменного напряжения в постоянное и измерительного прибора; ε - диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится датчик; R - радиус корпуса датчика; φ, θ и θ угловые размеры чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя (φ=π) или его части (φ<π); σ(θ, θ, α) - погрешность датчика в неоднородном ЭП, зависящая от углов θ θ и параметра α; α=R|d - параметр, определяющий пространственный диапазон измерения (d - расстояние от центра датчика до источника поля); Е - напряженность исходного электрического поля.
Уменьшение погрешности устройства и расширение пространственного диапазона измерения достигается:
1) за счет организации чувствительного электрода датчика из двух гальванически связанных чувствительных элементов, выполненных в форме сферических сегментов (сферических слоев), центры которых отклонены от координатной оси датчика в общем случае на угол α;
1
2
2) за счет оптимального выбора угловых размеров θ и θ сферических слоев.
Упрощение конструкции датчика достигается за счет использования одной пары чувствительных электродов вместо трех в прототипе.
При этом распределение зарядов, индуцированных на поверхности, полученных таким образом электродов датчика приближается к распределению в однородном поле.
1
2
1
Из графиков фиг.3-фиг.5 видно, что, изменение внешнего углового размера θ сферического сегмента и внутреннего углового размера θ окна сферического слоя 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 17. Удерживают датчик 1 в этом положении и измерительным прибором 17 измеряют модуль вектора напряженности исходного электрического поля.
Размер чувствительных элементов, выполненных в форме сферического сегмента или сферического слоя выбирают исходя из максимально возможного пространственного диапазона измерения и минимально возможной погрешности измерения, согласно, графикам, представленным на фиг.3-5 и таблицам 1-3.
2
1
2
1
2
Согласно фиг.3 и фиг.4, оптимальные размеры чувствительных элементов 4-7, выполненных в форме сферического сегмента или его части лежат в двух диапазонах изменения их угловых размеров: 47°<θ1<60° при θ=0 и 72°<θ<90° при θ=0. Оптимальные размеры чувствительных элементов 4-7, выполненных в форме сферического слоя (фиг.5) при θ=45° лежат в диапазоне 8°<θ<22°.
1
2
макс.
Таблица 1 - Зависимости внешнего углового размера θ чувствительного элемента, выполненного в форме сферического сегмента при его внутреннем размере θ=0° и максимально возможного параметра α, определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ±σ (для первого диапазона) при угловых расстояниях между осями чувствительных элементов и координатной осью датчика α=45°.
σ,%
0.125
0.25
0.5
1
1.5
2
θ<sub>1</sub>
60
58
56.5
53.4
51.5
50.1
αмакс.
0.4
0.45
0.53
0.62
0.69
0.73
Продолжение табл.1
σ,%
2.5
3
3.5
4
θ<sub>1</sub>°
49.1
48.3
47.65
47.1
α<sub>макс</sub>.
0.78
0.81
0.84
0.88
1
2
макс
Таблица 2 - Зависимости внешнего углового размера θ чувствительного элемента, выполненного в форме сферического сегмента при его внутреннем размере θ=0 и максимально возможного параметра α, определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ±σ (для второго диапазона) при угловых расстояниях между осями чувствительных элементов и координатной осью датчика α=45°.
σ,%
2.1
2.25
2.5
3
3.25
3.5
θ<sub>1</sub>°
90
83
80
77
76.2
75.4
α<sub>макс</sub>.
0.88
0.93
0.99
0.99
0.99
0.99
Продолжение табл.2
σ,%
3.75
4
4.25
4.5
4.75
5
θ<sub>1</sub>°
74.8
74.2
73.7
73.3
72.9
72.55
α<sub>макс</sub>.
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
1
2
1
2
Из анализа таблиц 1 и 2 следует, что лучшими угловыми размерами чувствительного элемента, выполненного в форме сферического сегмента является угловые размеры θ=90° и θ=0, соответствующие погрешности σ=2,1%. Сферическим сегментом с таким угловым размером будет полусфера. Таким образом, чувствительные элементы 4-7 выполняются ввиде полусфер, образованных четырьмя конгруэнтными (равными)сферическими треугольниками, полученными путем рассечения сферы тремя взаимно перпендикулярными плоскостями, проходящими через центр сферы. Чувствительные элементы с угловыми размерами 47°<θ<90° и θ=0 следует выполнять в виде части сферического сегмента.
2
1
макс
Таблица 3 - Зависимости внутреннего углового размера θ чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя при его внешнем размере θ=45° и максимально возможного параметра α., определяющего пространственный диапазон измерения, от требуемой погрешности датчика ±σ при угловых расстояниях между осями чувствительных элементов и координатной осью датчика α=45°.
σ,%
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
θ<sub>2</sub>°
22
18.5
16.1
14.5
13.1
12
11.1
10.3
9.5
8.8
α<sub>макс</sub>.
0.46
0.6
0.74
0.86
0.97
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
1
2
Из анализа таблицы 3 следует, что оптимальными угловыми размерами чувствительного элемента, выполненного в форме сферического слоя является угловые размеры θ=45° и θ=12°, соответствующие погрешности σ=3%
макс
мин
мин
В таблицах параметр α=R|d, где 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|α до ∞. Следовательно, чем больше α., 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 погрешностиизмерения менее±3% на расстояниях от источника поля и проводящих поверхностей, больших или равных 1.01R, где R - радиус сферического корпуса датчика, а также упростить конструкцию датчика, за счет использования одной, вместо трех пар чувствительных элементов.