CN101900769A - 一种强电场测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强电场测量仪，能测量电场强度和方向，属于电场测量领域。该装置包括方向、强度和转动环转速测量三部分。其中方向测量部分有金属电极、强力磁铁、与外部电源接通的小铁球、双面反光镜以及金属杆组成，当处在电场中时，两端的带电金属电极自由转动，该部分指出电场方向；强度测量部分包括由绝缘材料制成的固定环和转动环、导电材料制成的转动金属电极和固定金属电极以及两个反光镜组成；转动环的转速通过引出电极引出电流后用计数器测得。本发明的电场测量装置不受外部条件影响，对均匀电场和非均匀电场均能测量，测量电场强度范围比较宽，尤其当电场强度越大时其测量精度越高，所应用的材料比较常见，成本低，易于批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种强电场测量装置，属于电场测量领域。
背景技术
电场的测量在很多地方都有着重大意义，比如静电纺丝，高压线附近居民的居住，城市环境污染的监控、超净实验室和工厂内部静电场的监视，以及高压电器周围电场的控制等。
目前对这些高压场合的电场测量一般采用电荷感应原理或电磁感应原理的传感器，这些感应式传感器由于采用感应原理，需要把整个传感器做成金属结构，因而具有对电场的分布影响比较大、电源问题难以解决和信号较难收集等缺点。除此之外，一般高压电场的环境比较恶劣，如高温、强辐射等，人不便到达的地方，需远距离采集信号，限制了这种感应式测量装置的应用。
因此，对于这些环境比较恶劣地方的强电场的测量需要一种具有可靠隔离、抗干扰能力强的电场测量仪。
发明内容
本发明提出了一种强电场的测量装置，该装置主要是利用带电体在电场中的宏观受力达到测量电场的目的。
为了实现本发明的目的，本发明提出的一种强电场测量仪的技术方案如下：测量方向部分由测向用金属电极、强力磁铁、小铁球、导线、绝缘套、双面反光镜以及金属杆组成，测向用金属电极、绝缘套、金属杆、强力磁铁、双面反光镜之间采用胶粘合的方式，金属电极与金属杆相接导通，小球与导线焊接，其整体悬浮于一透明球形壳里的透明绝缘液体中，受到电场力的作用时由于可以任意方向转动，便可指出电场方向。强力磁铁的选用需保证与之接触的小铁球在通电与不通电的情况下均不能脱离开来，选用的材料可以是烧结铁氧体型等绝缘磁铁，双面反光镜可通过胶把两单面反光镜粘合制成。球形壳外表面配合有另外一透明环，该透明环的内表面也为球形，与球形壳外表面形成球面配合，其作用是对转动环和固定环定位以及调整转动环、固定环的初始位置。转动环外表面均匀固定有六、八、十等偶数个金属电极(最小值为六个)，固定环内表面对称固定有两个金属电极，组成强度测量部分，固定金属电极的两端与环中心的连线夹角介于60°～90°之间。金属电极、金属杆可由铜、铝等导电材料制成，绝缘套、转动环、固定环的材料可以采用尼龙或聚乙烯等工程塑料，透明壳、透明环可由有机玻璃或聚酯等材料制成。强度测量部分还包括两个固定在固定环上的反光镜，其作用是验证固定环与转动环是否处于初始位置。在待测电场中，给固定环的两个金属电极通直流电后，与之接触的转动环上的处于对称位置的金属电极可以作为一圆柱形电容器的两极板，所以会带一定电量，进而因受到电场力的作用而产生一力偶，两切向力会产生一转矩，带动转动环转动。由分析可知，转动环上的带电电极在电场力的作用下，转过一角度后因为脱离固定环的金属电极而不再带电，可将其视为带电荷量为q的电极转过一弧度，形成一段弧形电流。如将单个电极看成一整体，则当IR≈ED时，转动环的转速达到恒定值，其中I为弧形电流、R为金属电极电阻值、E为电场强度、D为该电极在电场方向上的位移。进一步物理和数学分析可知，qnR/L＝ED，式中q为单一电极所带电荷量、n为转速、L为电极在带电时转过的弧度。最后可通过测量转动环的转速n求出电场。通过将转动环上带电金属电极在引出电极位置处与外部接通形成闭合回路，用计数器记录在时间t内的通(断)电次数n′，测量转动环转速的引出电极的位置与固定环上金属电极的中心位置成35°～80°夹角，在转动环转动一圈内，引出电极上的电流会通断电各六次，所以只要测出在时间t内引出电极引出电流的通(断)电次数n′，则知转速n＝n′/6t，然后计算出电场强度E。
为加工和装配方便，球形透明壳、透明环均加工成两半，然后装配起来用胶粘住，因无特殊要求所以只需一般密封即可。
本发明的电场测量装置不受外部条件影响，对均匀电场和非均匀电场均能测量，在非均匀电场中测量结果是该区域内的平均值，对于变化周期远大于测量时间的变化电场，可以作为恒定电场来测量，测量结果为该次测量时间内的平均电场强度和电场方向。因为整个过程只需考虑所选用的材料不被击穿，故所测电场强度范围比较宽，尤其当电场强度越大时转速越大，受到装置本身影响较小，所以其测量精度越高。所应用的材料比较常见，成本低，易于批量生产。
附图说明
图1是本发明的俯视装置示意图。
图2是电场强度测量部分主视放大示意图。
图3是电场方向测量部分主视放大示意图。
图4是上半部分球形透明壳的截面放大示意图。
图5是下半部分球形透明壳的截面放大示意图。
图6是上半部分透明环的截面放大示意图。
图7是下半部分透明环的截面放大示意图。
图中1-绝缘套；2-金属杆；3-强力磁铁；4-双面反光镜；5-透明球形壳；5-1-壳壳配合外曲面；5-2-壳壳配合内曲面；5-3-壳环配合外曲面；6-透明环；6-1-环环配合外曲面；6-2-环环配合内曲面；6-3-壳环配合内曲面；7-转动环；8-转动金属电极；9-固定金属电极；10-固定环；11-支架；12-线；13-线定位孔；14、15-反光镜支撑面；16-透明绝缘液体；17-小铁球；18-导线；19-穿线孔；20-导线孔；21-引出电极孔；22-测向用金属电极；23-线固定柱；24-通电孔。
其中有绝缘套1、金属杆2、强力磁铁3、双面反光镜4、测向用金属电极22以及小铁球17组成电场方向测量部分，装配起来如图3所示。有转动环7、转动金属电极8、固定金属电极9、固定环10以及反光镜支撑面14、15上的反光镜组成电场强度测量部分，装配起来如图2所示。壳壳配合外曲面5-1与壳壳配合内曲面5-2、环环配合外曲面6-1与环环配合内曲面6-2可采用螺纹连接或用胶粘住。壳环配合外曲面5-3与壳环配合内曲面6-3形成球面配合。
具体实施方式
本发明提出的是一种强电场测量仪，装置示意图如图1所示，它主要包括电场方向测量部分如图3、装有透明绝缘液体的球形壳5、与透明球形壳的外表面采取球面配合的透明环6、与透明环外表面采取柱面配合的强度测量部分如图2，以及对整个装置起定位作用的支架11。
测量步骤：首先根据测量环境将该装置放入电场中，通过穿过导线孔20的导线18接通外部电源使得吸在强力磁铁3上的小铁球17与外部电源接通。然后再通过各自所接触的金属杆2导通测向用金属电极22，两带不同电性的测向用金属电极22因受电场力的作用而带动处于悬浮状态的整体以任意角度转动，指出电场方向。指出电场方向后通过固定在线固定柱23上的线12开始调整强度测量部分的初始位置，用一普通激光笔打出激光，照在方向测量部分的双面反光镜4的一面上，先拉动两根通过支架11上线定位孔13的线，使得该光照到反光镜支撑面14的反光镜上，然后调整另外两根未通过支架11上定位孔13的线12，使得光照在反光镜支撑面15的反光镜上，至此，初始位置调整完毕。线12可以是尼龙线等，在调整完装置的初始位置后，四根线12均处于拉紧状态。其中反光镜支撑面14、15上均固定有反光镜，反光镜支撑面14与双面反光镜面、转动环的转动平面之间的夹角与X、Y、Z的值有关。当为45°时，X＝Y＝Z。调整完初始位置后断掉与测向用金属电极22接通的小铁球17的电，通过通电孔24接通两固定金属电极9的直流电，与之接触的动电极8将会在电场力作用下驱动转动环7转动。最后根据用计数器测出的通断电次数n′求出电场强度E。
本发明的外部直流电源可以是6v、9v等任意直流电源。
本发明所能测量电场强度的最大值，为所采用的透明绝缘液体16与透明绝缘材料两者之间击穿场强的较小者，所采用的透明绝缘液体16可以是液态石蜡、蓖麻油、大豆油等。
Claims (6)
1.一种强电场测量仪，其特征在于，它主要由电场方向测量、电场强度测量以及转动环转速测量三部分组成，其中电场方向测量部分悬浮于透明球形壳里的透明绝缘液体中，对球形透明壳进行密封，该部分包括两端的金属电极、强力磁铁、小铁球、绝缘套、双面反光镜、金属杆，它们之间用胶粘合，小铁球上焊接有导线，电场强度测量部分包括转动环、用胶粘在转动环上的转动金属电极、固定环、固定环上的两个用胶粘的金属电极、两个单面反光镜固定在固定环上的反光镜支撑面上，转动环转速测量部分通过引出电极引出电流后用计数器测量。
2.根据权利要求1所述的一种强电场测量仪，其特征在于，强力磁铁可以是烧结铁氧体型等绝缘磁铁。
3.根据权利要求1所述的一种强电场测量仪，其特征在于，转动环上均匀固定的转动金属电极可以是大于6的任意偶数个，固定金属电极的两端与环中心的连线夹角介于60°～90°之间。
4.根据权利要求1所述的一种强电场测量仪，其特征在于，测量转动环转速的引出电极的位置与固定环上固定金属电极的中心位置成35°～80°夹角。
5.根据权利要求1所述的一种强电场测量仪，其特征在于，反光镜的两支撑面与双面反光镜面、转动环的转动平面之间的夹角与X、Y、Z的值有关，当为45°时，X＝Y＝Z。
6.根据权利要求1所述的一种强电场测量仪，其特征在于，转动金属电极、固定金属电极、金属杆可由铜、铝等材料制成，绝缘套、转动环、固定环的材料可以采用尼龙或聚乙烯等绝缘材料，透明壳、透明环可由有机玻璃或聚丙烯等绝缘材料制成。
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