ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для последовательного измерения составляющих вектора напряженности электрического поля.
Известно устройство для измерения напряженности электрического поля [А.с.90151 СССР, МКИ G 01R 29/12. Устройство для измерения напряженности электрического поля /И.М. Имянитов; Заявлено 24.10.49], содержащее датчик в виде проводящего чувствительного элемента в форме прямоугольной пластины и устройства снятия электрического заряда с чувствительного элемента. О составляющей вектора напряженности электрического поля судят по величине заряда, индуцированного на чувствительном элементе.
Поскольку датчик напряженности электрического поля имеет один чувствительный элемент, т.е. датчик одинарный, то он обладает малой чувствительностью и его погрешность при измерении реальных, неоднородных электрических полей будет иметь значительные погрешности.
Наиболее близким устройством к заявляемому является датчик напряженности электрического поля [Кондратьев Б.Л, Юркевич В.М. Измеритель напряженности с индукционно-параметрическим первичным преобразователем //Измерительная техника. – 1980. - №9. – С.47-49], содержащий диэлектрическую подложку в форме диска с нанесенными на ее основания чувствительными элементами, образующими конденсатор, выполняющий роль двойного датчика. Размеры и форма чувствительных элементов совпадает с размерами подложки. О напряженности электрического поля судят по величине разности зарядов между чувствительными элементами, нанесенными на диэлектрическую подложку.
Поскольку датчик напряженности электрического поля имеет чувствительные элементы, размеры которых не регламентируются, то он будет обеспечивать свою погрешность только в однородном электрическом поле, т.е в поле, в котором проводится его градуировка (поверка). При измерении напряженности реальных, неоднородных электрических полей такой датчик может иметь значительные погрешности. Кроме того, диэлектрическая подложка в датчике приводит к тому, что двойной датчик будет иметь плавающий потенциал средней точки, приводящий к дополнительной погрешности, вызванной отличием потенциала поля в точке измерения от потенциала средней точки датчика.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне измерения, т.е. на расстояниях от источника поля или проводящих поверхностей соизмеримых с размерами датчика. На таких расстояниях электрическое поле в присутствии датчика обладает сильной неоднородностью.
Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащем подложку, на основания которой нанесены проводящие чувствительные элементы, причем центры чувствительных элементов находятся на одной координатной оси датчика, проходящей через центр подложки, согласно заявленному решению подложка выполнена из проводящего материала и ее основания имеют форму квадрата, а чувствительные элементы изолированы от оснований подложки и выполнены в форме квадрата, со сторонами меньшими, чем стороны оснований подложки, причем стороны чувствительных элементов параллельны сторонам основания подложки.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен датчик напряженности электрического поля (вид с верху и вид снизу), а на фиг.2 – то же, вид сбоку; на фиг.3 – графики погрешности от неоднородности поля в зависимости от относительного расстояния a=L/d (где L – половина стороны подложки 1 датчика, d - расстояние от центра квадратной подложки 1 до источника поля) и различных значениях относительного размера чувствительного элемента b=l/L (где l – половина стороны чувствительного элемента 2 датчика, L – половина стороны подложки 1 датчика). Случай b=1.0 соответствует датчику прототипа.
Датчик напряженности электрического поля содержит проводящую подложку 1, выполненную в форме прямоугольной пластины квадратного сечения, чувствительные элементы 2 и 3 расположенные на первом и втором основаниях подложки. Каждый чувствительный элемент выполнен из проводящего материала в форме квадрата, меньшего размера подложки и расположен симметрично ее центра.
Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.
При внесении датчика в электрическое поле, его координатную ось ориентируют по направлению поля, при этом на чувствительных элементах 2 и 3 датчика индуцируются противоположные по знаку и максимальные по величине электрические заряды. Величины этих зарядов пропорциональны напряженности электрического поля Е. Измеряя разность зарядов между чувствительными элементами 2 и 3, находят модуль вектора напряженности электрического поля.
Для повышения точности измерения напряженности реальных электрических полей подложку выполняют проводящей, а чувствительные элементы и расстояние между ними и подложкой выбирают много меньше толщины подложки. Этим достигается равенство потенциалов подложки, чувствительных элементов, точки пространства расположения датчика и его средней точки. В результате этого можно считать, что датчик представляет собой плоскую проводящую пластину в форме квадрата. Кроме того, уменьшение погрешности датчика и расширение его пространственного диапазона измерения достигается за счет выполнения размеров сторон чувствительных элементов датчика меньших размеров сторон оснований подложки. При этом распределение зарядов, индуцированных неоднородным полем на поверхности чувствительных элементов датчика изменяется, приближаясь к распределению в однородном поле. Это подтверждает фиг.3, где в качестве примеров приведены графики погрешности от неоднородности электрического поля точечного заряда в зависимости от относительного расстояния до источника поля a=L/d (где L – половина стороны подложки 1 датчика, d – расстояние от центра подложки 1 датчика до источника поля) и различных значениях относительного размера чувствительного элемента b=l/L (где l – половина стороны чувствительного элемента 2 датчика, L – половина стороны подложки 1 датчика). Случай b=1.0 на фиг.3 соответствует датчику прототипа.
Графики фиг.3 построен в математическом редакторе MathCAD 14. Из графиков фиг.3 видно, что использование чувствительных элементов, выполненных в форме квадрата, со стороной меньшей стороны квадратного основания подложки датчика, приводит как к уменьшению погрешности датчика, так и расширению его пространственного диапазона измерений по сравнению с прототипом.
Например, для датчика, имеющего чувствительные элементы с относительным размером чувствительного элемента b=0.2 (l=0.2L) при погрешности δ=10% пространственный диапазон измерения будет от (до 0.6⋅L (a=1.7), а для датчика прототипа с относительным размером b=1.0 (l=L) чувствительных элементов при погрешности (=10% пространственный диапазон измерения будет от (до 3⋅L (a=0.32). Таким образом, датчик с чувствительными элементами, имеющими сторону меньшую, стороне квадратного основания подложки датчика обладает меньшей погрешностью при заданном относительном расстоянии a до источника поля, а при заданной погрешности большим пространственным диапазоном измерения.
Таким образом, предлагаемый датчик позволяет повысить точность и расширить пространственный диапазон измерения в электрических полях. Он легко реализуется современными методами наноинженерии.