СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
METHOD FOR ELECTRIC FIELD INTENSITY MEASUREMENT

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью и чувствительностью.
Известен однокоординатный способ измерения напряженности электрического поля [Морозов Ю.А., Громов О.М. Прибор для измерения напряженности электрического поля промышленной частоты. // Научные работы институтов охраны труда ВЦСПС. - М.: Профиздат. - 1970. - Вып.65. - С.41-44], основанный на помещении в исследуемое пространство одной пары чувствительных элементов, входящих в общий датчик и находящихся на координатной оси, проходящей через центр датчика, ориентировании этих чувствительных элементов в электрическом поле до момента получения максимальной составляющей и определении модуля вектора напряженности путем измерения этой составляющей.
Достоинство такого способа измерения напряженности электрического поля заключается в том, что устройство, реализующее этот способ, имеет узкий диапазон входных сигналов и простую схемную реализацию.
Недостатками этого способа являются низкая точность измерения вектора напряженности неоднородного электрического поля, низкая чувствительность и узкий пространственный диапазон измерения.
Известен также двухкоординатный способ измерения напряженности электрического поля [Bocker Н., Wilhelmy L. Messung der elektrischen Feldstarke bei hohen transienten und periodisch zeitabhangigen Spannungen. // Elektro-techniche zeitschrift. - 1970. - A91. - №8. - S.427-430], основанный на помещении в исследуемое пространство двух пар чувствительных элементов, входящих в общий датчик и находящихся на двух координатных осях, проходящих через центр датчика, ориентировании этих чувствительных элементов в двух плоскостях электрического поля, измерении двух его составляющих и определении модуля вектора напряженности путем геометрического суммирования измеренных составляющих.
Недостатками этого способа также являются низкая точность измерения вектора напряженности неоднородного электрического поля, низкая чувствительность, узкий пространственный диапазон измерения и расширенный диапазон входных сигналов устройства, реализующего этот способ.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения напряженности электрического поля [Патент RU №2214611, МКИ G01R 29/12, G01R 29/08], заключающийся в том, что в исследуемое пространство одновременно помещают n-пар проводящих чувствительных элементов, входящих в общий датчик, симметрировании наружных поверхностей датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров поверхностей чувствительных элементов попарно на n осях выбранной системы координат симметрично относительно ее начала, при этом датчик ориентируют и затем поддерживают так, чтобы вектор напряженности электрического поля был равноудален от координатных осей датчика, т.е. чтобы его составляющие по координатным осям были равны, а конфигурацию и размер чувствительных элементов выбирают из условия минимума погрешности от неоднородности электрического поля при максимальном пространственном диапазоне измерения, при этом модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением одной из составляющих датчика.
Недостатком этого способа является невысокая чувствительность, поскольку измеряется одна из составляющих датчика, и недостаточно широкий пространственный диапазон измерения.
Таким образом, общими недостатками известных аналогов и прототипа является низкая точность и чувствительность, а также то, что их можно использовать при измерении напряженности электрического поля в узком пространственном диапазоне, т.е. на расстоянии от источников поля и проводящих поверхностей, значительно превышающем размеры датчика. В этой области электрическое поле можно считать однородным. При приближении датчика к источнику поля или проводящим поверхностям электрическое поле становится неоднородным, что приводит к значительным погрешностям измерения.
Задача изобретения - осуществление возможности измерения вектора напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной чувствительностью и точностью.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе измерения напряженности электрического поля, основанном на помещении в исследуемое пространство одновременно n пар проводящих чувствительных элементов, входящих в общий датчик, симметрировании наружных поверхностей датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров поверхностей чувствительных элементов попарно на n осях выбранной системы координат симметрично относительно ее начала, при этом датчик ориентируют и затем поддерживают так, чтобы вектор напряженности электрического поля был равноудален от координатных осей датчика, т.е. чтобы его составляющие по координатным осям были равны, а конфигурацию и размер чувствительных элементов выбирают из условия минимума погрешности от неоднородности электрического поля при максимальном пространственном диапазоне, при этом модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением составляющих датчика, согласно заявленному изобретению датчик выполняют трехкоординатным, т.е. n=3, и его ориентируют в пространстве так, чтобы одна из составляющих вектора напряженности по одной из координатных осей датчика стала равна нулю, затем, фиксируя датчик в этом положении, поворачивают датчик вокруг найденной координатной оси до достижения равенства двух других составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика, при этом модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением алгебраической суммы двух не равных нулю составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика.
Предлагаемый способ поясняется чертежом. Чувствительные элементы 1-6 представляют собой наружные поверхности шаровых сегментов, симметричных относительно плоскостей декартовой системы координат, например, в трех ординатах тела 7, представляющего собой в частном случае шар, сферу. Центры 8-13 этих поверхностей попарно расположены на осях той же системы координат симметрично относительно ее начала 14. Чувствительные элементы, в частном случае представляющие собой шаровые (сферические) сегменты, слои, треугольники, квадраты и их сочетания, соединены в частном случае через резисторы, а в общем случае через дифференциальные преобразователи 15-17 и сумматор 18 с измерительным прибором 19, а выходы дифференциальных преобразователей 15-17 соединены через сигнальное устройства 20 со звуковыми, световыми или иным сигнализаторами 21-23, выявляющими равенство нулю составляющих вектора напряженности по координатным осям датчика - по оси X - 21, по оси Y - 22, оси Z - 23.
Способ измерения реализуется следующим образом. Датчик с чувствительными элементами помещают в пространство исследуемого поля и ориентируют его в нем до появления звукового, светового или иного сигнала, вырабатываемого одним из сигнализаторов. В этот момент одна из составляющих датчика становится равной нулю, а вектор напряженности электрического поля попадает в плоскость двух других координатных осей датчика. Фиксируя датчик в этом положении, начинают поворачивать его вокруг координатной оси датчика с нулевой составляющей до момента получения максимального показания прибора. Максимальное показание прибора наступит, когда вектор напряженности окажется равноудаленным от двух координатных осей датчика, а его составляющие по этим координатным осям станут равны. Таким образом, при ориентации датчика необходимо, чтобы вектор напряженности электрического поля попал в плоскость двух любых координатных осей. Удерживая датчик в положении, соответствующем максимальному показанию прибора, измеряют алгебраическую сумму составляющих вектора напряженности электрического поля по двум координатным осям, по которой и определяют его модуль.
Конфигурацию и размер чувствительных элементов выбирают из условия минимума погрешности от неоднородности электрического поля при максимальном пространственном диапазоне измерения
i
0
где n=3; E - составляющие вектора напряженности электрического поля по координатным осям, зависящие от конфигурации и размеров чувствительных элементов, а также от пространственного диапазона измерений; Е - модуль вектора напряженности однородного электрического поля.
Используя предлагаемый способ измерения и при правильном выборе конфигурации и размеров чувствительных элементов можно добиться погрешности измерения менее 3% на расстояниях от источника поля и проводящих поверхностей, больших или равных 1,1·R, где R - условный радиус тела датчика. Кроме этого упрощается устройство обработки сигналов датчика и повышается его чувствительность.