Сдвоенный датчик 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.
Известен датчик для измерения составляющих электрического поля [Мисакян М., Коттер Ф.Р., Калер Р.Л. Миниатюрный датчик электрического поля // Приборы для научных исследований. - 1978. -№7. - С.52-55], содержащий однокоординатный дифференциальный датчик с одной парой одинаковых электропроводящих чувствительных элементов в форме полусфер, диаметрально расположенных на одной координатной оси, с началом координат, совмещенным с центром корпуса датчика, дифференциальный преобразователь выходного сигнала датчика, первый вход которого соединен с первым чувствительным элементом, а второй вход - со вторым чувствительным элементом датчика, а его выход соединен с измерительным прибором, при этом датчик ориентирован так, чтобы вектор напряженности электрического поля совпадал с направлением координатной оси датчика.
Достоинством датчика является то, что он выполняется двойным, так как по каждой координатной оси датчика расположены диаметрально противоположные пары электропроводящих чувствительных элементов. А, о составляющих вектора напряженности электрического поля судят по величине разности зарядов между противоположными парами чувствительных элементов. Использование датчика в дифференциальном включении приводит к повышению точности измерений, за счет уменьшения синфазных составляющих, т.е. внешних электрических помех.
0
Недостатком датчика является то, что датчик с измерительными элементами в форме полусфер, угловой размер которых θ=90° в неоднородном поле имеет отрицательную погрешность, предельное значение которой достигает -35%. В результате значение напряженности электрического поля будет занижено.
Известен также датчик, реализованный в способе измерения напряженности электрического поля [Патент RU№ 2388003, МКИ G01 R 29/12, G01 R 29/08], содержащий электропроводящий сферическое  основание с тремя парами электропроводящих чувствительных элементов, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности сферического основания датчика на его координатных осях, проходящих через центр сферического  основания, при этом чувствительные элементы и сферического  основания изолированы друг от друга.
Датчик второго аналога также выполнен двойным и обладает теми же достоинствами двойного датчика, что и датчик первого аналога.
0
0
0
Недостатком второго аналога является то, что его чувствительные элементы выполнены в форме сферических сегментов угловыми размерами θ≤45° и являются частью полусферы, имеющей угловой размер θ=90°. Ограничение угловых размеров сферических сегментов вызвано исключением их перекрытия друг другом. Датчик с чувствительными элементами в форме сферических сегментов и угловыми размерами θ≤45° в неоднородном поле имеет положительную погрешность, предельное значение которой достигает +35%. В результате значение напряженности электрического поля будут завышено.
0
0
Наиболее близким является датчик, реализованный в устройстве для измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком [Патент RU № 207465 U1, МКИ G01 R 29/12], содержащий сферическое основание датчика с двумя парами электропроводящих чувствительных элементов в форме сферических сегментов, первая пара которых выполнена угловыми размерами θ≤45°, а вторая пара выполнена угловыми размерами θ≤90. Обе пары чувствительных элементов попарно и симметрично расположены относительно поверхности сферического основания на одной координатной оси, проходящих через центр электропроводящего сферического основания, при этом чувствительные элементы и сферическое  основание датчика изолированы друг от друга, первые чувствительные элементы соответствующей пары элементов выполнены с возможностью соединения с первыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, а вторые чувствительные элементы этой же пары выполнены с возможностью соединения со вторыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого подключен к измерительному прибору.
В неоднородном поле такой датчик имеет положительную погрешность, предельное, значение которой достигает +5%.
Общим недостатком известных датчиков является низкая точность при измерении неоднородных электрических полей и ограниченный пространственный диапазон измерений.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне измерений, т.е. обеспечение возможности измерения вблизи источников поля и проводящих поверхностей.
0
0
01
02
Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащем сферическое основание с двумя парами электропроводящих чувствительных элементов, первая пара из которых выполнена в форме сферического сегмента угловым размером θ, причем чувствительные элементы попарно и симметрично расположены относительно поверхности сферического основания датчика на одной координатной оси, проходящей через центр электропроводящего сферического  основания, при этом чувствительные элементы и сферическое  основание датчика изолированы друг от друга, первые чувствительные элементы соответствующей пары элементов выполнены с возможностью соединения с первыми входами дифференциальных преобразователей  выходных сигналов датчика, а вторые чувствительные элементы этой же пары выполнены с возможностью соединения со вторыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, а выходы первого и второго дифференциального преобразователя выходных сигналов датчика соответственно соединены с первым и вторым входами сумматора,согласно заявляемому техническому решениюв датчике первая пара чувствительных элементов выполняется в форме сферического сегмента угловым размером θ=35°, а вторая пара чувствительных элементов выполняется в форме сферического слоя угловыми размерами при вершине θ=40° и угловыми размерами у основания θ≤90°, а выходы первого, второго дифференциальных преобразователей и выход сумматора являются выходами первого, второго двойных и сдвоенного датчиков соответственно.
δ
δ
δ
δ
a=R/d
R
-
d
3
1
2
0
01
02
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен датчик, представляющий собой сдвоенный двойной однокоординатный датчик для измерения напряженности электрического поля, в состав которого входит измерительная цепь; на фиг.2 показаны чувствительные элементы 2-3, выполненные в форме сферического сегмента (фиг.2,а), и чувствительные элементы 4-5, выполненные в форме сферического слоя (фиг.2,б), и их угловые размеры, а на фиг.3 представлены графики погрешностей от неоднородности электрического поля для датчика, прототипа , заявляемого датчика: для первого ,второго двойных датчиков в составе сдвоенного датчика и сдвоенного датчика  в зависимости от пространственного диапазона измерения  ( радиус сферического  основания 1 датчика,  - расстояние от центра сферического  основания 1 датчика до источника поля) для чувствительных элементов 2-3, выполненных в форме сферического сегмента с угловым размером θ=35° и для чувствительных элементов 4-5, выполненных в форме сферического слоя с угловыми размерами при вершине θ=40° и угловыми размерами у основания θ≤90°.
Сдвоенный датчик напряженности электрического поля состоит из электропроводящего сферического  основания 1 с расположенными на его поверхности на одной координатной оси двумя парами чувствительных элементов 2-3, входящих в первый датчик и 4-5, входящих во второй датчик, двух двухвходовых дифференциальных преобразователей 7 и 8 низкоомными входами и двухвходового сумматора 9. Чувствительные элементы 2-3 и 4-5 соответственно подключены к входам первого и второго дифференциальных преобразователей 7 и 8, а их выходы к сумматору 9. Выходы дифференциальных преобразователей 7 и 8 и сумматора 9 являются выходами датчика. Дифференциальные преобразователи 7 и 8, сумматор 9 представляют собой измерительную цепь. Измерительная цепь  может быть иной, построенной, например, с использованием цифровых и микропроцессорных технологий. В качестве дифференциальных преобразователей измерительной цепи могут, например, использоваться дифференциальные интеграторы тока или усилители заряда. Электропроводящее сферическое  основание 1 может являться средней точкой датчика или общей шиной 6 для измерительной цепи датчика.
Датчик работает следующим образом.
k
k
U
U
E
E
E
U
U
U
1
2
1
2
1
2
1
2
Датчик помещают в исследуемое электрическое поле и ориентируют  его координатную ось по направлению электрического поля. Под действием электрического поля на чувствительных элементах 2-3 и 4-5 первого и второго датчика, входящих в сдвоенный датчик индуцируются электрические заряды. С помощью дифференциальных преобразователей (интеграторов тока) 7 и 8 разность зарядов с каждой пары чувствительных элементов первого и второго датчика преобразуются в напряжения  и  (где  и - коэффициенты преобразования первого и второго дифференциального преобразователя;  и  - разность зарядов с чувствительных элементов 2, 3 и 4, 5 соответственно). Напряжения  и  в свою очередь пропорциональны  и напряженности измеряемого электрического поля , определяемым первым и вторым датчиком, входящих в состав сдвоенного датчика. Далее напряжения  и  суммируются сумматором 9, на выходе которого формируется напряжение .
k
E
U
U
E
E
Е
U
U
U
U
U
U
U
=k
E
E
=kE
k
U=k
E
E
=k
E
k
E
E
1
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
0
1
2
0
0
1
2
Предварительно при градуировке датчика в однородном электрическом поле регулировкой коэффициентов преобразования при одной и той же напряженности добиваютсяна выходах первого и второго датчика выполнения равенства =. В этом случае будет выполняться условие ==. Напряжения и  являются выходными напряжениями первого и второго двойных датчиков.Далее напряжения и суммируются сумматором 9 и суммарное напряжение =+(+)( - коэффициент суммирования сумматора 9) будет выходным напряжением сдвоенного датчика. При выполнении коэффициента суммирования  выходное напряжение (+)/2 (где =1) будет пропорционально среднему значению напряженности электрического поля , между значениями и , полученными первым и вторым двойными датчиками, входящими в состав сдвоенного датчика.
Е
Е
1
2
Использование сдвоенного датчика повышает точность измерения неоднородных электрических полей. Повышение точности достигается тем, что в неоднородном поле измеренные значения напряженности  и содержат противоположные по знаку относительные погрешности от неоднородности поля, соответственно равные и .
С учетом погрешностей, можно записать
и ,
Е
где - напряженность исходного электрического поля.
Напряженность измеряемого поля определится по формуле
,
где погрешность сдвоенного датчика, вызванная неоднородностью поля
(1)
δ
δ
δ
1
2
В результате получаем значения напряженности электрического поля с погрешностью в два раза меньшей, чем разность модулей погрешностей первого и второго датчиков, входящих в состав сдвоенного датчика.
δ
δ
δ
δ
a
R/d
R
d
1
2
3
Построим графики (фиг. 3) погрешностей для первого датчик , второго датчика , прототипа и заявляемого датчика в зависимости от относительного расстояния = (где - радиус сферического корпуса датчика, - расстояние от центра датчика  до источника поля).
δ
, δ
δ
δ
1
2
,
2
В основе построения графиков погрешностей и лежит  известное выражение для расчета погрешности от неоднородности поля датчиков сферической формы [Бирюков С.В. Измерение напряженности электрических полей в диэлектрических средах электроиндукционными датчиками. Методы и средства измерений: монография /С.В. Бирюков. - Омск. Изд-во ОмГТУ, 2011, 196 с. см. С.104.
,
θ
θ
a
R/d
θ
01
02
02
где  - угловой размер основания сферического слоя, являющегося чувствительным элементом датчика,  - угловой размер вершины сферического слоя, являющегося чувствительным элементом датчика; = - пространственный диапазон измерения (относительного расстояния). При подстановке в это выражение =0 получим выражение для погрешности датчика с чувствительным элементом в форме сферического сегмента.
δ
δ
*
С учетом этого выражения для погрешностей заявляемого датчика  и датчика прототипа  можно записать
для заявляемого датчика
,
для прототипа .
01
02
a
d=
R
Из графиков фиг. 3 следует, что сдвоенный датчик прототипа, с угловыми размерами чувствительных элементов первого датчика θ=45° и второго датчика θ=90° позволяет уменьшить погрешность измерения неоднородных электрических полей до +4,6% при практически полном пространственном диапазоне измерения 0≤<0,98 (1,02).
0
01
02
δ
a
Заявляемый двойной датчик, в котором первая пара чувствительных элементов выполнена в форме сферического сегмента с угловым размером θ=35°, а вторая пара чувствительных элементов выполнена в форме сферического слоя с угловыми размерами при вершине θ=40° и угловыми размерами у основания θ≤90°, позволяет снизить погрешность () датчика прототипа до ±2% при том же пространственном диапазоне измерения.
Таким образом, предлагаемый сдвоенный датчик позволяет добиться значительного повышения точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне.