RU194713U1

RU194713U1 - ELECTRIC FIELD TENSION SENSOR

Info

Publication number: RU194713U1
Application number: RU2019133609U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Бирюков; Александр Иосифович Блесман
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2019-12-19

Abstract

Использование: для одновременного измерения ортогональных составляющих вектора напряженности электрического поля. Сущность полезной модели заключается в том, что датчик напряженности электрического поля содержит подложку с нанесенными на неё электродами, симметрично расположенными по осям координат, причем подложка выполнена в виде плоской круглой пластины, электроды на одном основании которой представляют собой четыре проводника, симметрично расположенные относительно краев плоской круглой пластины и её центра, а четыре электрода второго основания располагаются под электродами первого основания, подложка выполнена из проводящего материала, а электроды датчика имеют форму квадрантов с дугами одинаковых радиусов с началом в центре круглой пластины, изолированы от неё и друг дуга и в совокупности образуют чувствительный электрод в форме круга с радиусом, меньшим или равным радиусу круглого основания подложки. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне измерения. 3 ил.Usage: for simultaneous measurement of the orthogonal components of the electric field vector. The essence of the utility model is that the electric field strength sensor contains a substrate with electrodes deposited on it, symmetrically located along the coordinate axes, the substrate being made in the form of a flat round plate, the electrodes on one base of which are four conductors symmetrically located relative to the edges of a flat a round plate and its center, and four electrodes of the second base are located under the electrodes of the first base, the substrate is made of conductive material, and the sensor electrodes are in the form of quadrants with arcs of equal radii with a beginning in the center of a round plate, each arc is isolated from it, and together they form a sensitive electrode in the form of a circle with a radius less than or equal to the radius of the round base of the substrate. Effect: providing the possibility of increasing the accuracy of measuring the electric field in a wide spatial range of measurement. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для одновременного измерения ортогональных составляющих вектора напряженности электрического поля. The utility model relates to the field of measurement technology and can be used for simultaneous measurement of the orthogonal components of the electric field vector.

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. A known sensor for measuring electric field strength [A.S. No. 1401407 USSR, MKI G 01R 29/12, publ. 06/09/88, Bull. No. 21], containing a dielectric substrate with electrodes deposited on its base, symmetrically located along the coordinate axes. The dielectric substrate is made in the form of a flat square plate, the electrodes on one base of which are four conductors located parallel to the sides of the flat square plate symmetrically along the coordinate axes and relative to its center, and on the other base the electrode is made in the form of a solid flat conductor overlapping the electrodes located on a first basis. By pairing the electrodes along the x, y, and z coordinate axes, the sensor allows separate measurements of the orthogonal components of the electric field strength vector. The components of the electric field vector are judged by the magnitude of the difference in charges induced between the pairwise connected electrodes.

Поскольку датчик напряженности электрического поля по каждой координате имеет одну пару чувствительных электродов, 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_x, E_y и E_z 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. Since the sensor of electric field strength at each coordinate has one pair of sensitive electrodes, it is a single sensor of the components of the vector of electric field strength and an asymmetric system of electrodes relative to the coordinate planes XOZ, YOZ and XOY. This leads to different sensor sensitivities with respect to the components E _x , E _y and E _z of the electric field vector, and as a result of this, an additional error from the inhomogeneity of the electric field. In addition, the sensor electrodes are removed from the center of the flat square plate and pressed to its edges, and due to the uneven distribution of electric charges on their surfaces, significant errors will arise when measuring real, inhomogeneous electric fields.

Наиболее близким устройством к заявляемому является датчик напряженности электрического поля [Патент № 175038 RU, МПК G01R29/12, опубл. 16.11.2017, Бюл № 32], содержащий диэлектрическую подложку с нанесенными на неё электродами, симметрично расположенными по осям координат, причем, электроды на одном основании подложки представляют собой четыре проводника, симметрично расположенные относительно краев плоской пластины и ее центра, диэлектрическая подложка выполнена в виде плоской круглой пластины, а электрод другого основания разбивается на четыре электрода, повторяющих электроды первого основания и расположенных под ними. При этом электроды датчика представляет собой одинаковые по форме и равные по площади усеченные с двух сторон квадранты, дуги которых совпадает с контуром круглого основания датчика. В результате этого из восьми образовавшихся электродов одинаковых по форме и размерам для каждой составляющей электрического поля формируются пары чувствительных электродов, причем каждая пара чувствительного электрода состоит из четырех электродов в форме усеченного квадранта. The closest device to the claimed is a sensor of electric field strength [Patent No. 175038 RU, IPC G01R29 / 12, publ. 11/16/2017, Bull No. 32], containing a dielectric substrate with electrodes deposited on it, symmetrically located along the coordinate axes, moreover, the electrodes on one substrate base are four conductors symmetrically located relative to the edges of the flat plate and its center, the dielectric substrate is made in in the form of a flat round plate, and the electrode of the other base is divided into four electrodes, repeating the electrodes of the first base and located under them. In this case, the sensor electrodes are quadrants of the same shape and equal in area, quadrants truncated on both sides, whose arcs coincide with the contour of the sensor’s round base. As a result of this, of the eight formed electrodes of the same shape and size for each component of the electric field, pairs of sensitive electrodes are formed, each pair of the sensitive electrode consisting of four electrodes in the shape of a truncated quadrant.

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.Thus, a double sensor is formed with opposite pairs of sensitive electrodes consisting of four electrodes. The components of the electric field vector are judged by the magnitude of the difference in charges between opposite pairs of groups of sensitive electrodes consisting of four electrodes located on the bases of the dielectric substrate.

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.Since the electric field strength sensor has electrodes whose sizes are not regulated, it will provide its error only in a uniform electric field, i.e. in the field in which it is calibrated (verification). When measuring the intensity of real, inhomogeneous electric fields, such a sensor can have significant errors. In addition, the dielectric substrate in the sensor causes the double sensor to have a floating midpoint potential, leading to an additional error caused by the difference in the field potential at the measurement point from the midpoint potential of the sensor.

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. The objective of the utility model is to increase the accuracy of measuring the electric field in a wide spatial range of measurement, i.e. at distances from the source of the field or conductive surfaces commensurate with the size of the sensor. At such distances, the electric field in the presence of the sensor has a strong inhomogeneity.

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 круглой пластины, электроды на одном основания которой представляют собой четыре проводника, симметрично расположенные относительно краев плоской круглой пластины и её центра, а четыре электрода второго основания располагаются под электродами первого основания, согласно заявленному решению подложка выполнена из проводящего материала, а электроды датчика имеют в форму квадрантов с дугами одинаковых радиусов с началом в центре круглой пластины, изолированы от неё и друг дуга и в совокупности образуют чувствительный электрод в форме круга с радиусом меньшим или равным радиусу круглого основания подложки. This problem is achieved by the fact that in the known sensor for measuring electric field strength, containing a substrate with electrodes deposited on it, symmetrically located along the coordinate axes, the substrate is made in the form of a flat round plate, the electrodes on one base of which are four conductors symmetrically located relative to the edges of a flat round plate and its center, and four electrodes of the second base are located under the electrodes of the first base, according to the stated The substrate is made of conductive material, and the sensor electrodes are in the form of quadrants with arcs of equal radii with a beginning in the center of a round plate, each arc is isolated from it, and together they form a sensitive electrode in the form of a circle with a radius less than or equal to the radius of the round base of the substrate.

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=R/d (где R – радиус круглой подложки 1 основания датчика, d - расстояние от центра круглой подложки 1 до источника поля) и различных значениях относительного размера чувствительного электрода b=r/R (где r – радиус электрода 2 датчика, R – радиус круглой подложки 1 основания датчика). Датчик напряженности электрического поля содержит проводящую подложку 1, выполненную в форме круглой пластины, четыре пары чувствительных электродов, из которых четыре электродов 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 и выполнен в виде плоского проводника в форме квадранта, центр которого совпадает с центром подложки, а его радиус меньшего радиуса подложки 1. Таким образом, четыре электрода 2-5 одного основания и четыре электрода 6-9 другого основания в совокупности образуют чувствительные электроды в форме кругов с радиусом меньшим или равным радиусу круглого основания подложки. The proposed utility model is illustrated by a drawing, in which Fig. 1 shows a sensor of electric field strength (view from above and view from below), and in Fig. 2 - the same side view; figure 3 - graphs of errors from field inhomogeneity depending on the relative distance a = R / d (where R is the radius of the round substrate 1 of the sensor base, d is the distance from the center of the round substrate 1 to the field source) and various values of the relative size of the sensitive electrode b = r / R (where r is the radius of the electrode 2 of the sensor, R is the radius of the circular substrate 1 of the base of the sensor). The electric field strength sensor comprises a conductive substrate 1 made in the form of a round plate, four pairs of sensitive electrodes, of which four electrodes 2-5 are located on one base of the substrate and four electrodes 6-9 are located on the other base of the substrate. Each electrode is isolated from the conductive substrate and from each other and is made in the form of a flat conductor in the form of a quadrant, the center of which coincides with the center of the substrate, and its radius is smaller than the radius of the substrate 1. Thus, four electrodes 2-5 of one base and four electrodes 6- 9 of the other base together form sensitive electrodes in the form of circles with a radius less than or equal to the radius of the round base of the substrate.

Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом. The electric field intensity sensor operates as follows.

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_x, E_y и E_z вектора напряженности электрического поля Е, а по ним определяют его модуль When a sensor is introduced into an electric field, its conductive electrodes 2–9 induce electric charges, the magnitude of which is proportional to the measured electric field E. At the same time or at the same time, form opposite electrodes 2–9 opposite pairs of groups of sensitive electrodes consisting of four electrodes: along the X axis, 2, 3, 6, 7 and 4, 5, 8, 9; along the Y axis - 3, 4, 7, 8 and 2, 5, 6, 9; on the Z axis - 2, 3, 4, 5 and 6, 7, 8, 9, separated by the coordinate planes XOZ, YOZ and XOY, measure the difference in charges between the electrically connected pairs of composite sensitive electrodes proportional to the components E _x , E _y and E _z vectors of electric field strength E, and their module is determined by them

$E = \sqrt{E_{x}^{2} + E_{y}^{2} + E_{z}^{2}}$

.

E = \sqrt{E_{x}^{2} + E_{y}^{2} + E_{z}^{2}}

.

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 диска. Кроме того, уменьшение погрешности датчика и расширение его пространственного диапазона измерения достигается за счет выполнения электродов датчика в форме квадрантов, дуги которых имеют одинаковые радиусы с началом в центре подложки и радиусом дуги квадранта меньше радиуса подложки. To increase the accuracy of measuring the intensity of real electric fields, the substrate is made conductive, and the electrodes and the distance between them and the substrate are chosen much less than the thickness of the substrate. This ensures the equality of the potentials of the substrate, the electrodes, the space point of the sensor and its midpoint. As a result of this, it can be considered that the sensor is a flat conductive plate in the form of a disk. In addition, reducing the error of the sensor and expanding its spatial measurement range is achieved by performing the sensor electrodes in the form of quadrants, the arcs of which have the same radii with the beginning in the center of the substrate and the radius of the arc of the quadrant less than the radius of the substrate.

При этом распределение зарядов, индуцированных неоднородным полем на поверхности чувствительных 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=R/d (где R – радиус круглой 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 датчика b=r/R (где r – радиус сектора электрода датчика, R – радиус круглой подложки 1 датчика) и прототипа c=h/R (h – половина расстояния между электродами датчика прототипа, R – радиус круглой подложки 1 датчика). Для примера на фиг. 3 показаны аналогичные графики для датчика прототипа, с параметрами с=0.7 и с=0.95, где с=h/R (h – половина расстояния между электродами датчика прототипа, R – радиус круглой подложки 1 основания датчика). In this case, the distribution of charges induced by an inhomogeneous field on the surface of the sensor’s sensitive electrodes changes, approaching the distribution in a uniform field. This is confirmed by Fig. 3, where, as examples, the graphs of the error from the inhomogeneity of the electric field of the point charge depending on the relative distance to the field source are a = R / d (where R is the radius of the circular substrate 1 of the sensor, d is the distance from the center of the substrate 1 of the sensor to the source of the field) for the prototype and the claimed device. Graphs are plotted for different values of the relative electrode size for the inventive sensor b = r / R (where r is the radius of the sector of the sensor electrode, R is the radius of the round substrate 1 of the sensor) and prototype c = h / R (h is half the distance between the electrodes of the prototype sensor, R is the radius of the circular substrate 1 of the sensor). For the example of FIG. Figure 3 shows similar graphs for the prototype sensor, with parameters c = 0.7 and c = 0.95, where c = h / R (h is half the distance between the electrodes of the prototype sensor, R is the radius of the round substrate 1 of the sensor base).

Из графиков фиг. 3 видно, что выполнения электродов датчика в форме квадрантов, дуги которых имеют одинаковые радиусы с началом в центре подложки и радиусом дуги квадранта меньше радиуса подложки, приводит как к уменьшению погрешности датчика, так и расширению его пространственного диапазона измерений по сравнению с прототипом.From the graphs of FIG. 3 it is seen that the implementation of the sensor electrodes in the form of quadrants, the arcs of which have the same radii with the beginning in the center of the substrate and the radius of the arc of the quadrant is less than the radius of the substrate, leads to both a decrease in the error of the sensor and the expansion of its spatial measurement range compared to the prototype.

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=0.18 и a=0.26. Для заявляемого датчик 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 0.28<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 квадрантов начала радиусов дуг, которых совпадают с центром круглого основания подложки, а радиус дуги квадранта меньше радиуса подложки, обладает меньшей погрешностью при заданном относительном расстоянии a до источника поля, а при заданной погрешности большим пространственным диапазоном измерения. For example, for a prototype sensor having an error of 5% and relative design parameters c = 0.7 or c = 0.95, the relative distances to the field source will be respectively a = 0.18 and a = 0.26. For the inventive sensor with the same error and relative design parameters from b = 0.95 to b = 0.1, the relative distances to the field source will lie in the range 0.28 <a≤1. Therefore, for the inventive sensor with the same error with the prototype, the spatial range of measurement will be wider. And, conversely, with the same spatial measurement range for the inventive sensor and prototype, the lesser error will be in the inventive sensor. This means that within the framework of the proposed solution, a sensor with electrodes in the form of quadrants of the beginning of the radii of the arcs, which coincide with the center of the round base of the substrate, and the radius of the arc of the quadrant is smaller than the radius of the substrate, has a smaller error for a given relative distance a to the field source, and for a given errors with a large spatial range of measurement.

Таким образом, предлагаемый датчик позволяет повысить точность и расширить пространственный диапазон измерения в электрических полях. Thus, the proposed sensor can improve accuracy and expand the spatial range of measurements in electric fields.

Claims

A sensor for measuring electric field strength containing a substrate with electrodes deposited on it symmetrically located along the coordinate axes, the substrate being made in the form of a flat round plate, the electrodes on one base of which are four conductors symmetrically located relative to the edges of a flat round plate and its center and four electrodes of the second base are located under the electrodes of the first base, characterized in that the substrate is made of conductive material, and the electrode sensor are in the form of quadrants with arcs with identical radii origin at the center of the circular plate, and insulated from it and one arc together form a sensing electrode in the shape of a circle with a radius smaller than or equal to the radius of the circular base of the substrate.