ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для одновременного измерения ортогональных составляющих вектора напряженности электрического поля.
Известен датчик для измерения напряженности электрического поля [А.с. № 1401407 СССР, МКИ G 01R 29/12, опубл. 09.06.88, Бюл. № 21], содержащий диэлектрическую подложку с нанесенными на её основания электродами, симметрично расположенными по осям координат. Диэлектрическая подложка выполнена в виде плоской квадратной пластины, электроды на одном основании которой представляют собой четыре проводника, расположенных параллельно сторонам плоской квадратной пластины симметрично по осям координат и относительно её центра, а на другом основании электрод выполнен в виде сплошного плоского проводника, перекрывающего электроды, расположенные на первом основании. Попарно соединяя электроды по координатным осям x, y и z датчик позволяет раздельно измерять ортогональные составляющие вектора напряженности электрического поля. О составляющих вектора напряженности электрического поля судят по величине разности зарядов, индуцированных между попарно соединенными электродами.
x
y
z
Поскольку датчик напряженности электрического поля по каждой координате имеет одну пару чувствительных элементов, то он представляет собой одинарный датчик составляющих вектора напряженности электрического поля и асимметричную систему электродов относительно координатных плоскостей XOZ, YOZ и XOY. Это приводит к разным чувствительностям датчика по составляющим E, E и E вектора напряженности электрического поля, и как следствие этого к дополнительной погрешности от неоднородности электрического поля. Кроме этого электроды датчика удалены от центра плоской квадратной пластины и прижаты к её краям, и из-за неравномерности распределения электрических зарядов на их поверхностях будут возникать значительным погрешностям при измерении реальных, неоднородных электрических полей.
Наиболее близким устройством к заявляемому является датчик напряженности электрического поля [патент № 174615 RU, МПК G01R29/12, опубл. 16.11.2017, Бюл № 32], содержащий диэлектрическую подложку с нанесенными на неё электродами, симметрично расположенными по осям координат, причем диэлектрическая подложка выполнена в виде плоской квадратной пластины, электроды на одном основании которой представляют собой четыре проводника, расположенные параллельно сторонам плоской квадратной пластины симметрично относительно её центра, а электрод другого основания разбивается на четыре электрода, повторяющих электроды первого основания и расположенных под ними.
Таким образом, формируется двойной датчик с противоположными парами чувствительных электродов, состоящими из четырех электродов. О составляющих вектора напряженности электрического поля судят по величине разности зарядов между противоположными парами групп чувствительных электродов состоящих из четырех электродов, расположенных на основаниях диэлектрической подложке.
Поскольку датчик напряженности электрического поля имеет электроды, 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 с нанесенными на неё электродами, симметрично расположенными по осям координат, причем подложка выполнена в виде плоской квадратной пластины, электроды на одном основания которой представляют собой четыре проводника, расположенные параллельно сторонам плоской квадратной пластины симметрично относительно её центра, а четыре электрода второго основания располагаются под электродами первого основания, согласно заявленному решению подложка выполнена из проводящего материала, а внутренние углы четырех электродов первого и второго основания смещены к центру пластины, причем электроды изолированы от пластины и друг от дуга и в совокупности образуют чувствительный электрод в форме квадрата со сторонами меньшими или равными сторонам основания подложки и центром, совпадающим с центром квадратного основания.
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 – длина стороны квадратного электрода датчика,  L – половина стороны подложки 1 датчика).
Датчик напряженности электрического поля содержит проводящую подложку 1, выполненную в форме квадратной пластины, четыре пары чувствительных электродов, из которых четыре электрода 2-5 расположены на одном основании подложки и четыре электрода 6-9 расположены на другом основании подложки. Каждый электрод изолирован от проводящей подложки и друг от друга выполнен в виде плоского проводника в форме квадрата. Таким образом, четыре электрода 2-5 одного основания и четыре электрода 6-9 другого основания в совокупности образуют чувствительные электроды в форме квадратов со сторонами меньшими или равными сторонам основания подложки и центром, совпадающим с центром квадратного основания.
Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.
x
y
z
При внесении датчика в электрическое поле на его проводящих электродах 2–9 индуцируются электрические заряды, величина которых пропорциональна измеряемой напряженности электрического поля Е. Одновременно или разновременно формируя из электродов 2–9 противоположные пары групп чувствительных электродов, состоящих из четырех электродов: по оси X – 2, 3, 6, 7 и  4, 5, 8, 9; по оси Y – 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9; по оси Z –  2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9, разделенных координатными плоскостями XOZ, YOZ и XOY, измеряют разности зарядов между электрически соединенными парами составных чувствительных электродов, пропорциональных составляющим E, E и E вектора напряженности электрического поля Е, а по ним определяют его модуль
.
Для повышения точности измерения напряженности реальных электрических полей подложку выполняют проводящей, а электроды и расстояние между ними и подложкой выбирают много меньше толщины подложки. Этим достигается равенство потенциалов подложки, электродов, 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 смещения к центру оснований подложки четырех электродов в совокупности образующих квадрат со сторонами меньшими или равными сторонам основания подложки и центром, совпадающим с центром квадратного основания подложки.
При этом распределение зарядов, индуцированных неоднородным полем на поверхности электродов 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) для прототипа и заявляемого устройства. Графики построены для различных значений относительного размера электрода для заявляемого устройства b=l/L (где l – длина стороны квадратного электрода датчика, L – половина длины стороны подложки 1 датчика) и прототипа c=h/L (где h – половина расстояния между электродами датчика прототипа, L – половина длины стороны подложки 1 датчика). Для примера на фиг.3 показаны аналогичные графики для датчика прототипа, с параметрами c=0.7 и c=0.95, где c=h/L (где h – половина расстояния между электродами датчика прототипа, L – половина длины стороны подложки 1 датчика).
Из графиков фиг. 3 видно, что смещение электродов датчика к центру оснований квадратной пластины и выполнения их размеров, меньше или равных половине размера стороны основания датчика, приводит как к уменьшению погрешности датчика, так и расширению его пространственного диапазона измерений по сравнению с прототипом.
Например, для датчика прототипа, имеющего погрешность 5 % и относительные конструктивные параметры с=0.7 или с=0.95 относительные расстояния до источника поля будут соответственно равны a=0.15 и a=0.22. Для заявляемого датчика с той же погрешностью и относительных конструктивных параметрах от b=0.95 до b=0.1 относительные расстояния до источника поля будут лежать в диапазоне 0.24<a≤ 1. Следовательно, для заявляемого датчика при одинаковой погрешности с прототипом пространственный диапазон измерения будет шире. И, наоборот, при одинаковом пространственном диапазоне измерения для заявляемого датчика и прототипа меньшая погрешность будет у заявляемого датчика. Это означает, что в рамках предложенного решения, датчик с электродами в форме квадратов, смещенных к центру оснований квадратной пластины и выполнения их размеров, меньше или равных половине размера стороны основания 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.