RU144576U1

RU144576U1 - DC ELECTRIC VOLTAGE MEASURING DEVICE

Info

Publication number: RU144576U1
Application number: RU2014107519/28U
Authority: RU
Inventors: Григорий Джемалович Чавчанидзе; Иван Александрович Косарев; Юрий Петрович Ложкин
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2014-08-27

Abstract

Устройство измерения напряженности электрического поля, состоящее из датчика, аналого-цифрового устройства, включающее: усилитель, фильтр низких частот, детектор входного сигнала, блок фиксации и индикатор поля, отличающееся тем, что датчик выполнен из двух идуктивно связанных катушек на ферритовых кольцах разных диаметров, при этом вращающаяся катушка с меньшим диаметром установлена на оси двигателя внутри катушки с большим диаметром, которая прикреплена к корпусу двигателя и неподвижна относительно вращающейся катушки.A device for measuring electric field strength, consisting of a sensor, an analog-to-digital device, including: an amplifier, a low-pass filter, an input signal detector, a fixation unit and a field indicator, characterized in that the sensor is made of two inductively coupled coils on ferrite rings of different diameters, however, a rotating coil with a smaller diameter is mounted on the axis of the engine inside a coil with a large diameter, which is attached to the motor housing and is stationary relative to the rotating coil.

Description

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения с повышенной надежностью напряженности электрического поля.The device relates to measuring technique and can be used to measure with increased reliability of the electric field strength.

Известно однокоординатное устройство 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. Недостатками этого способа являются низкая точность измерения вектора напряженности неоднородного электрического поля и низкая чувствительность.Known single-coordinate device for measuring the electric field [Morozov Yu.A., Gromov OM A device for measuring the electric field of industrial frequency. // Scientific works of labor protection institutes of the All-Union Central Council of Trade Unions. - M.: Profizdat. - 1970. - Vol. 65. - S. 41-44], based on the placement in the investigated space of one pair of sensitive elements included in the common sensor and located on the coordinate axis passing through the center of the sensor, orienting these sensitive elements in an electric field until the maximum component is obtained and determination modulus of the tension vector by measuring this component. The disadvantages of this method are the low accuracy of measuring the intensity vector of an inhomogeneous electric field and low sensitivity.

Известно также другое двухкоординатное устройство измерения напряженности электрического поля [Bocker H., 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 и низкая чувствительность.Another two-coordinate device for measuring electric field strength is also known [Bocker H., Wilhelmy L. Messung der elektrischen Feldstarke bei hohen transienten und periodisch zeitabhangigen Spannungen. // Elektro-techniche zeitschrift. - 1970. - A91. - 8. - S. 427-430], based on the placement in the investigated space of two pairs of sensing elements included in the common sensor and located on two coordinate axes passing through the center of the sensor, orienting these sensitive elements in two planes of the electric field, measuring two its components and determining the modulus of the vector of tension by geometric summation of the measured components. The disadvantages of this method are the low accuracy of measuring the vector of the intensity of the inhomogeneous electric field and low sensitivity.

Кроме того, известно устройство 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.In addition, it is known a device for measuring electric field strength [Patent RU 2214611, MKI G01R 29/12, G01R 29/08], which consists in the fact that n-pairs of conductive sensitive elements included in a common sensor are simultaneously placed in the test space, balancing the external the sensor surfaces relative to the coordinate planes with the location of the centers of the surfaces of the sensitive elements in pairs on the n axes of the selected coordinate system symmetrically with respect to its origin, the sensor being oriented and then supported so that the electric field vector was equidistant from the coordinate axes of the sensor, i.e. so that its components along the coordinate axes are equal, and the configuration and size of the sensitive elements are selected from the condition of a minimum error from the inhomogeneity of the electric field at the maximum spatial range of measurement, while the modulus of the vector of the intensity of the measured electric field is determined by measuring one of the sensor components. The disadvantage of this method is its low sensitivity, since one of the components of the sensor is measured.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство измерения напряженности электрического поля [Патент RU 2388003 (13) C1, (51) МПК G01R 29/08 (2006.01), G01R 29/12 (2006.01))], он и взят за прототип. Датчик выполнен трехкоординатным, т.е. n=3, и его ориентируют в пространстве так, чтобы одна из составляющих вектора напряженности по одной из координатных осей датчика стала равной 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. Максимальное показание прибора наступит, когда вектор напряженности окажется равноудаленным от двух координатных осей датчика, а его составляющие по этим координатным осям станут равны. 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. Т.е. вектор напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением алгебраической суммы двух не равных нулю составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика.Closest to the proposed utility model is a device for measuring electric field strength [Patent RU 2388003 (13) C1, (51) IPC G01R 29/08 (2006.01), G01R 29/12 (2006.01))], and it is taken as a prototype. The sensor is made three-coordinate, i.e. n = 3, and it is oriented in space so that one of the components of the tension vector along one of the coordinate axes of the sensor becomes equal to zero, then, fixing the sensor in this position, turn the sensor around the found coordinate axis until two other components of the electric vector of tension are equal fields along the coordinate axes of the sensor. The maximum reading of the device will come when the tension vector is equidistant from the two coordinate axes of the sensor, and its components along these coordinate axes become equal. When orienting the sensor, it is necessary that the vector of the electric field strength fall into the plane of any two coordinate axes. Holding the sensor in the position corresponding to the maximum reading of the device, the algebraic sum of the components of the electric field vector is measured along two coordinate axes, by which its module is determined. Those. the vector of the measured electric field strength is determined by measuring the algebraic sum of two non-zero components of the electric field vector of the electric field along the coordinate axes of the sensor.

Общими недостатками известных аналогов и прототипа является низкая точность и сложность измерения за счет ориентирования датчика в пространстве для определения нулевой составляющей вектора напряженности по одной из координатных осей, фиксации датчика в этом положении и дальнейшего ориентирования его вокруг найденной координатной оси до достижения равенства двух других составляющих вектора напряженности электрического поля.Common disadvantages of the known analogues and prototype are low accuracy and measurement complexity due to the orientation of the sensor in space to determine the zero component of the tension vector along one of the coordinate axes, fix the sensor in this position and further orient it around the found coordinate axis until two other components of the vector are equal electric field strength.

Устранить указанные недостатки позволяет использование в устройстве датчика в виде двух индуктивно связанных катушек. Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы датчика электрического поля.To eliminate these disadvantages allows the use of a sensor in the form of two inductively coupled coils. The technical result of the utility model is to increase the reliability of the electric field sensor.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве измерения напряженности электрического поля, основанном на помещении в исследуемое пространство трехкоординатных чувствительных элементов, входящих в общий датчик, который ориентируют в пространстве до определения нулевой составляющей вектора напряженности по одной из координатных осей датчика и равенства двух других составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям, согласно заявленному устройству предлагается использовать датчик в виде двух индуктивно связанных катушек на ферритовых кольцах разных диаметров, причем первая катушка с большим диаметром является неподвижной относительно второй с меньшим диаметром, которая установлена на оси двигателя внутри первой катушки, выход которой связан с входом аналого-цифрового преобразователя, состоящего из усилителя измеряемого аналогового сигнала, фильтра низких частот, детектора, блока фиксатора и индикатора поля.The problem is achieved in that in the known device for measuring the electric field strength, based on placing three-coordinate sensitive elements included in the common sensor in the space under study, which are oriented in space until the zero component of the tension vector is determined by one of the coordinate axes of the sensor and the equality of the other two components of the electric field intensity vector along the coordinate axes, according to the claimed device, it is proposed to use a sensor in the form of a coil of inductively coupled coils on ferrite rings of different diameters, the first coil with a larger diameter being stationary relative to the second with a smaller diameter, which is mounted on the axis of the motor inside the first coil, the output of which is connected to the input of an analog-to-digital converter, consisting of an amplifier of the measured analog signal, low pass filter, detector, locking unit and field indicator.

Сущностью заявленного устройства является датчик, который выполняют в виде двух соединенных индуктивно катушек на ферритовых кольцах разных диаметров, причем первая катушка с большим диаметром является неподвижной относительно второй с меньшим диаметром, по обмоткам которой протекает ток и, которая вращается внутри первой катушки, выход которой поступает на вход аналого-цифрового преобразователя, состоящего из усилителя измеряемого аналогового сигнала, полосового фильтра, детектора, блока фиксатора и индикатора измеряемого поля.The essence of the claimed device is a sensor, which is made in the form of two inductively connected coils on ferrite rings of different diameters, the first coil with a larger diameter being stationary relative to the second with a smaller diameter, the currents flowing through its windings, and which rotates inside the first coil, the output of which is supplied to the input of an analog-to-digital converter, consisting of an amplifier of the measured analog signal, a band-pass filter, a detector, a clamp unit and an indicator of the measured field.

Предлагаемое устройство для измерения напряженности электрического поля поясняется чертежом.The proposed device for measuring electric field strength is illustrated in the drawing.

Схема содержит датчик поля (1) с двумя индуктивно связанными катушками; катушку с малым диаметром (2); катушку с большим диаметром (3); двигатель (4); аналого-цифровое устройство, включающее: усилитель (5); фильтр низких частот (6); детектор входного сигнала (7); блок фиксации (8); индикатор поля (9).The circuit contains a field sensor (1) with two inductively coupled coils; small diameter coil (2); a coil with a large diameter (3); engine (4); analog-to-digital device, including: amplifier (5); low pass filter (6); input signal detector (7); fixing block (8); field indicator (9).

Датчик представляет собой две индуктивно связанные катушки на ферритовых кольцах разных диаметров. Катушка с меньшим диаметром (2) устанавливается на оси двигателя внутри катушки с большим диаметром (3), которая крепится к корпусу двигателя и является неподвижной относительно вращающейся катушки. Обмотка неподвижной катушки связана с усилителем и является согласующим каскадом между электрической частью схемы и входным сигналом.The sensor consists of two inductively coupled coils on ferrite rings of different diameters. A coil with a smaller diameter (2) is mounted on the axis of the engine inside a coil with a large diameter (3), which is attached to the motor housing and is stationary relative to the rotating coil. The winding of the fixed coil is connected to the amplifier and is a matching stage between the electrical part of the circuit and the input signal.

Усилитель выполнен по схеме неинвертирующего включения аналогового операционного усилителя, что позволяет обеспечить высокое входное сопротивление. Фильтр низких частот обеспечивает избирательное действие, для исключения влияния на работу датчика поля проводов воздушной линии электропередачи. Детектор из полупроводниковых диодов и конденсаторов позволяет удвоить амплитуду выпрямленного входного сигнала. Блок фиксации определяет уровень срабатывания с учетом заданных пределов измерения. Индикатор является комплексным сигнализатором, позволяющим обеспечивать визуальное и звуковое оповещение о наличии опасного уровня напряженности.The amplifier is designed according to the non-inverting switching circuit of an analog operational amplifier, which allows for a high input impedance. The low-pass filter provides a selective action to exclude the influence on the operation of the sensor field wires of the overhead power line. A detector of semiconductor diodes and capacitors doubles the amplitude of the rectified input signal. The latching unit determines the level of response taking into account the set measurement limits. The indicator is a comprehensive signaling device that allows visual and audible warning of the presence of a dangerous level of tension.

Предлагаемое устройство измерения электрического поля основано на обнаружении сил, действующих на электрический заряд электростатического поля постоянного тока. По закону Кулона эти электростатические или кулоновские силы представляют взаимодействие точечных неподвижных заряженных частиц и пропорциональны заряду F=qE, где E - напряженность электрического поля.The proposed device for measuring the electric field is based on the detection of forces acting on the electric charge of the electrostatic field of direct current. According to Coulomb's law, these electrostatic or Coulomb forces represent the interaction of point motionless charged particles and are proportional to the charge F = qE, where E is the electric field strength.

Полная напряженность поля в любой точке определяется геометрической суммой напряженностей полей, создаваемых отдельными заряженными частицами. Соответственно, поток вектора напряженности электрического поля через любую замкнутую поверхность пропорционален заключенному внутри этой поверхности электрическому заряду и количеству силовых линий, пронизывающих эту поверхность.The total field strength at any point is determined by the geometric sum of the field intensities created by individual charged particles. Accordingly, the flow of the electric field vector through any closed surface is proportional to the electric charge enclosed within this surface and the number of lines of force penetrating this surface.

Таким образом, действие электрического поля в значительной степени определяется расположением объекта, в данном случае датчика электрического поля, относительно силовых линий измеряемого поля. В этом отношении предлагаемый датчик существенно отличается от аналогов и прототипа. Его расположение относительно силовых линий не влияет на надежность и точность измерений, так как измерение происходит не по одной, двум или трем координатам, а по всей площади, которую образует вращающаяся катушка относительно силовых линий проводника с током.Thus, the effect of the electric field is largely determined by the location of the object, in this case the electric field sensor, relative to the lines of force of the measured field. In this regard, the proposed sensor is significantly different from analogues and prototype. Its location relative to the lines of force does not affect the reliability and accuracy of the measurements, since the measurement takes place not in one, two or three coordinates, but in the entire area that the rotating coil forms relative to the field lines of the current conductor.

Рассматривая провод с постоянным током неподвижным относительно датчика, неподвижными можно считать и свободные электрические заряды в нем. Воздействовать на неподвижные электрические заряды может только электрическое поле.Considering a wire with constant current stationary relative to the sensor, free electric charges in it can also be considered stationary. Only electric field can act on motionless electric charges.

Устройство функционирует следующим образом.The device operates as follows.

Электрический ток, протекая по виткам неподвижной катушки, создает магнитное поле вокруг своей обмотки и взаимный магнитный поток вокруг витков вращающейся катушки, которая является модулятором переменного магнитного поля. При любом изменении магнитного поля в окружающем пространстве возникает вихревое электрическое поле, которое порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Это электрическое поле и приводит в движение свободные электрические заряды в проводе, которые, в свою очередь, создают свой магнитный поток, который взаимодействует с потоком датчика. Электромагнитное поле по классической электродинамике силой Лоренца действует на точечную заряженную частицу и свободные носители заряда проводника начинают двигаться в магнитном поле.An electric current flowing through the turns of a fixed coil creates a magnetic field around its winding and a mutual magnetic flux around the turns of a rotating coil, which is a modulator of an alternating magnetic field. With any change in the magnetic field in the surrounding space, a vortex electric field arises, which is generated by a time-varying magnetic field. This electric field drives free electric charges in the wire, which, in turn, create their own magnetic flux, which interacts with the sensor flux. According to classical electrodynamics, an electromagnetic field acts by a Lorentz force on a point charged particle, and free charge carriers of a conductor begin to move in a magnetic field.

Эти силы изменяют концентрацию свободных носителей заряда в приповерхностном слое провода, приводят к перераспределению объемных зарядов в проводе и возникновению соответствующей разности потенциалов. Работа электромагнитного поля по перемещению единичного положительного заряда пропорциональна ЭДС. Эта ЭДС определяется силой, с которой вихревое электрическое поле, вызванное изменением магнитного поля датчика, действует на электрические заряды в проводе, и силой Лоренца, действующей со стороны электромагнитного поля на заряженную частицу. Эти силы F=qE пропорциональны заряду и напряженности электрического поля.These forces change the concentration of free charge carriers in the surface layer of the wire, lead to the redistribution of space charges in the wire and the appearance of the corresponding potential difference. The work of the electromagnetic field to move a single positive charge is proportional to the EMF. This EMF is determined by the force with which the vortex electric field caused by the change in the magnetic field of the sensor acts on electric charges in the wire, and the Lorentz force acting from the electromagnetic field on the charged particle. These forces F = qE are proportional to the charge and electric field strength.

Полученный переменный сигнал с обмотки неподвижной катушки обрабатывается в соответствии с заданными пороговыми значениями через аналого-цифровой преобразователь, состоящий из усилителя, фильтра низкой частоты, детектора и блока фиксатора, и передается сигнализатор.The obtained alternating signal from the fixed-coil winding is processed in accordance with predetermined threshold values through an analog-to-digital converter consisting of an amplifier, a low-pass filter, a detector, and a clamp unit, and a signaling device is transmitted.

Claims

A device for measuring electric field strength, consisting of a sensor, an analog-to-digital device, including: an amplifier, a low-pass filter, an input signal detector, a fixation unit and a field indicator, characterized in that the sensor is made of two inductively coupled coils on ferrite rings of different diameters, while a rotating coil with a smaller diameter is mounted on the axis of the engine inside a coil with a large diameter, which is attached to the motor housing and is stationary relative to the rotating coil.