Сферический датчик напряженности электрического поля с двуугольными чувствительными элементами

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для поочередного измерения ортогональных составляющих вектора напряженности электрического поля с повышенной точностью и чувствительностью в широком пространственном диапазоне.
X,
Y
Z
Известно устройство для измерения напряженности электрического поля (авторское свидетельство SU 1689884), содержащий проводящее сферическое основание, на поверхности которого диаметрально противоположно установлены изолированные друг от друга и от сферического основания проводящие чувствительные электроды, соединенные измерительным блоком и выполненные в виде восьми сферических треугольников, ограниченных тремя взаимно перпендикулярными плоскостями, точка пересечения которых совпадает с центром сферического основания. Чувствительные электроды объединяют по две группы чувствительных элементов, образующие две полусферы и измеряют между каждой парой сформированными чувствительными элементами электрический ток. Последовательно формируя из электродов датчика чувствительные элементы в форме полусфер, разделенных координатными плоскостями YOZ, XOZ и XOY, измеряют составляющие EE и E вектора напряженности электрического поля E.
Достоинством датчика является то, что он выполняется двойным, так как на его координатных осях расположены пары диаметрально противоположных проводящих чувствительных элементов. При использовании датчика в дифференциальном включении повышается точность измерений, за счет уменьшения влияния синфазных составляющих, вызванных  внешними электрическими помехами. Выполнение проводящих чувствительных элементов в форме полусфер, обеспечивают датчику максимальную чувствительность.
0
К недостатку датчика можно отнести выполнение его чувствительных элементов в форме полусфер  с максимально возможным угловым размером, задаваемым углом θ=90°, лежащим между осью сферического основания и границей чувствительные элемента. Такой размер чувствительных элементов датчика приводит к значительной отрицательной погрешности от неоднородности поля. В широком пространственном диапазоне измерения от 0 до ∞ эта погрешность может достигать минус 33%. Датчик с отрицательной погрешностью будет занижать значение напряженности электрического поля.
x
y
Наиболее близким к заявляемому датчику является датчик напряженности электрического поля (патент на полезную модель RU 183095), содержащий проводящий цилиндр, на поверхности которого изолировано друг от друга и от цилиндра, на двух координатных осях попарно расположены четыре проводящих чувствительных электрода в форме цилиндрического прямоугольника, разделенных двумя взаимно-перпендикулярными плоскостями, проходящими через ось цилиндра, а координатные оси датчика проходят не через центры чувствительных элементов, а располагаются во взаимно-перпендикулярных плоскостях, разделяющих боковую поверхность датчика на четыре цилиндрических прямоугольника. В регламент измерения датчика входит его ориентация в двух координатным плоскостях с получение двух составляющих E и E вектора напряженности электрического поля с последующим определением по ним модуля вектора напряженности электрического поля в виде геометрической суммы двух его составляющих.
0
К достоинству датчика напряженности электрического поля можно отнести наличие четырех чувствительных электродов, представляющих собой четверть цилиндрической поверхности. Это позволяет организовать из них две пары чувствительных элементов, расположенных на двух координатных осях X и Y. При этом каждый чувствительный элемент состоит из двух чувствительных электродов и представляет собой полуцилиндр с угловым размером θ=90°. Это обеспечивает для прототипа максимально возможную чувствительность датчика в регламентированных условиях его применения.
К недостаткам датчика напряженности электрического поля можно отнести малую чувствительность в регламентированных условиях его применения и большую погрешность измерения неоднородных электрических полей, достигающую в пространственном диапазоне измерения от 0 до ∞ минус 33%.
Задачей полезной модели является уменьшение погрешности измерения напряженности электрического поля в условиях его неоднородности и повышение чувствительности датчика при сохранении размеров его чувствительных элементов в форме полусфер.
Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащим проводящее основание, на поверхности которого изолировано друг от друга и от проводящего основания, на двух координатных осях попарно расположены четыре проводящих чувствительных электрода в форме части поверхности проводящего основания, разделенных двумя взаимно-перпендикулярными плоскостями, проходящими через ось цилиндра, а координатные оси датчика проходят не через центры чувствительных элементов, а располагаются во взаимно-перпендикулярных плоскостях, разделяющих боковую поверхность проводящего основания датчика на четыре равные части, согласно заявленному решению для уменьшения погрешности и увеличения чувствительности датчика проводящее основание выполнено сферическим, а чувствительные электроды в форме сферических двуугольников, из которых формируются по каждой координатной оси две пары чувствительных элементов, причем каждый чувствительный элемент состоит из двух чувствительных электродов, образующих полусферу, а измерительная ось датчика лежит в плоскости его координатных осей и  проходит на равных угловых расстояниях от них.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами (фигуры 1-3), где на фиг.1 представлен датчик напряженности электрического поля; на фиг.2 и фиг.3 представлены графики погрешностей от неоднородности электрического поля для датчика прототипа и заявляемого датчика в зависимости от пространственного диапазона измерения a=R/d (R - радиус сферического основания 1 датчика, d - расстояние от центра сферического основания 1 датчика до источника поля).
Датчик напряженности электрического поля содержит проводящее сферическое основание 1, четыре проводящих электрода 2-5, симметрично расположенных на сферическом основании. Каждый проводящий электрод выполнен в виде сферического проводящего двуугольника, представляющего четвертую часть сферической поверхности.
Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.
Из проводящих электродов 2-5 датчика формируются две диаметрально противоположные пары чувствительных элементов, каждый их которых состоит из двух проводящих электродов,  в сумме образующих полусферы, разделенные взаимно перпендикулярными координатными плоскостями YOZ и XOZ и лежащие на координатных осях Y и X. Так, на координатной оси X лежат электроды 2, 3, образующие чувствительный элемент (2+3) и диаметрально противоположные им электроды 4, 5, образующие чувствительный элемент (4+5); на координатной оси Y лежат электроды 2, 5, образующие чувствительный элемент (2+5) и диаметрально противоположные им электроды 3, 4, образующие чувствительный элемент (3+4).
При внесении датчика в электрическое поле его измерительную ось, лежащую между координатными осями Y и X на равных угловых расстояниях от них, ориентируют по направлению поля. В электрическом поле на проводящих чувствительных полусферических элементах датчика, расположенных по оси  X  2+3 - 4+5 и по оси Y  2+5 – 3+4 индуцируются электрические заряды, разности зарядов между парами которых пропорциональны напряженности электрического поля Е
,         (1)
,       (2)
x
y
x
y
0
0
0
0
где δ и δ – погрешности датчика от неоднородности поля. В однородном поле δ=δ=0;  - чувствительность датчика;  R – радиус сферического основания датчика; θ – угловой размер чувствительного элемента в форме сферического сегмента, для полусферы θ=90°; cosα и cosβ направляющие косинусы, удовлетворяющие условию  ; α и β - углы между вектором напряженности E и осями координат датчика X и Y соответственно. Так как для полусферических чувствительных элементов θ=90°, тоsinθ=1, тогда максимально возможная чувствительность датчика по каждой координатной оси определится выражением
.
x
y
При ориентации измерительной оси датчика по направлению поля добиваются максимального выходного сигнала датчика, который будет наблюдаться при  максимальной сумме зарядов qи q
,                          (3)
где - суммарная погрешность датчика в неоднородном поле равная     ,   (4)
0
где  a=R/d (где R – радиус сферического основания датчика, d – расстояние от центра сферического основания датчика до источника поля); θ – угловой размер составных (2+3) и (4+5) чувствительных элементов.
Максимальное значение суммы зарядов будет наблюдаться при равенстве Cosα=Cosβ, т.е. при равенстве углов α=β=45° или в радианах . С учетом этого выражение (3) примет вид
,                           (5)
где     - чувствительность заявляемого датчика.
x
y
Так как сумма зарядов qи q пропорциональна напряженности электрического поля E, то измеряя её, определяют модуль вектора напряженности электрического поля.
Уменьшение погрешности датчика достигается за счет ориентации измерительной оси датчика в электрическом поле так, чтобы вектор напряженности электрического поля  проходил в плоскости YOX между координатными осями X и Y датчика на равных угловых расстояниях от них.
Воспользовавшись уравнением (4) для погрешности от неоднородности поля построим графики погрешностей для прототипа и заявляемого датчика в зависимости от пространственного диапазона измерений a=R/d. Графики погрешности представлены на фиг. 2 и фиг. 3 соответственно. Эти графики подтверждают уменьшения погрешности для заявляемого датчика. Из фиг. 2 следует, что датчик прототипа в пространственном диапазоне 0≤a≤0.885 имеет погрешность от неоднородности поля приблизительно равную минус 29%. Заявляемый датчик (фиг. 3) в том же пространственном диапазоне будет иметь погрешность равную ±2,1%. Что подтверждает значительное уменьшение погрешности датчика от неоднородности электрического поля.
0
1
Увеличение чувствительности датчика подтверждается выражением (5), в котором G – чувствительность датчика прототипа, а G – чувствительность заявляемого датчика. Оценить увеличение чувствительности датчика можно через коэффициент
.
Коэффициент k  показывает увеличение чувствительности в 2,8 раза.
Таким образом, заявляемый датчик при ориентации его измерительной оси по направлению электрического поля позволяет  значительно уменьшить погрешность датчика от неоднородности поля и увеличить его чувствительность в 2,8 раза при сохранении размеров его чувствительных элементов в форме полусфер.