RU207465U1

RU207465U1 - Устройство для измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком

Info

Publication number: RU207465U1
Application number: RU2021111599U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Бирюков; Людмила Владимировна Тюкина; Валентина Владимировна Даньшина
Priority date: 2021-04-23
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2021-10-28

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью. Техническим результатом является повышение точности измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне измерения. Предложено устройство для измерения напряженности электрического поля с двойным датчиком, содержащее сферический датчик с электропроводящими чувствительными элементами в форме сферических сегментов с угловыми размерами θ0≤45°, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности датчика на координатных осях, проходящих через центр электропроводящего сферического корпуса, при этом чувствительные элементы и корпус датчика изолированы друг от друга, дифференциальные преобразователи выходных сигналов датчика, первые входы которых соединены с первыми чувствительными элементами соответствующей пары элементов, а вторые входы – со вторыми чувствительными элементами этой же пары, а выходы дифференциальных преобразователей соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого подключен к измерительному прибору, согласно заявленному техническому решению в устройстве две пары чувствительных элементов датчика расположены на одной координатной оси, а два дифференциальных преобразователя и сумматор с двумя входами, при этом первая пара чувствительных элементов выполняется с угловым размером θ0≤90°. Предлагаемое устройство для измерения напряженности электрического поля с двойным датчиком позволяет повысить точность измерения, расширить пространственный диапазон измерения и функциональные возможности датчика. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью.

Известен датчик для измерения составляющих электрического поля [Мисакян М., Коттер Ф.Р., Калер Р.Л. Миниатюрный датчик электрического поля // Приборы для научных исследований. – 1978. -№7.–С.52-55], содержащий однокоординатный дифференциальный датчик с одной парой одинаковых электропроводящих чувствительных элементов в форме полусфер, диаметрально расположенных на одной координатной оси, с началом координат, совмещенным с центром корпуса датчика, дифференциальный преобразователь выходного сигнала датчика, первый вход которого соединен с первым чувствительным элементом, а второй вход – со вторым чувствительным элементом датчика, а его выход соединен с измерительным прибором, при этом датчик ориентирован так, чтобы вектор напряженности электрического поля совпадал с направлением координатной оси датчика.

Достоинством датчика является то, что он выполняется двойным, так как по каждой координатной оси датчика расположены диаметрально противоположные пары электропроводящих чувствительных элементов. А о составляющих вектора напряженности электрического поля судят по величине разности зарядов между противоположными парами чувствительных элементов. Использование датчика в дифференциальном включении приводит к повышению точности измерений, за счет уменьшения синфазных составляющих, т.е. внешних электрических помех.

Недостатком датчика является то, что датчик с измерительными электродами в форме полусфер, угловой размер которых θ₀=90° в неоднородном поле имеет отрицательную погрешность. В результате значение напряженности электрического поля будет занижено.

Наиболее близким является устройство, реализованное в способе измерения напряженности электрического поля, [Патент RU № 2388003, МКИG01 R 29/12, G01 R 29/08], содержащее сферический датчик с тремя парами электропроводящих чувствительных элементов, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности датчика на его координатных осях, проходящих через центр электропроводящего сферического корпуса, при этом чувствительные элементы и корпус датчика изолированы друг от друга, три дифференциальных преобразователя выходных сигналов датчика, первые входы которых соединены с первыми чувствительными элементами соответствующей пары элементов, а вторые входы – со вторыми чувствительными элементами этой же пары, а выходы дифференциальных преобразователей соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого подключен к измерительному прибору.

Датчик прототипа выполнен двойным и обладает теми же достоинствами, что и датчик аналога.

Недостатком прототипа является то, что его чувствительные элементы выполнены в форме сферических сегментов с угловыми размерами θ₀≤45° и являются частью полусферы, имеющей угловой размер θ₀=90°. Ограничение угловых размеров сферических сегментов вызвано исключением их наложения друг на друга. Датчик с чувствительными элементами в форме сферических сегментов и угловыми размерами θ₀≤45° в неоднородном поле имеет положительную погрешность. В результате значение напряженности электрического поля будут завышено.

Общим недостатком известных датчиков является низкая точность при измерении неоднородных электрических полей и ограниченный пространственный диапазон измерения до источника поля – несколько линейных размеров датчика.

Задачей полезной модели является повышение точности измерения напряженности неоднородных электрических полей, расширение пространственного диапазона измерения неоднородных электрических полей и функциональных возможностей.

Указанная задача достигается тем, что в известном устройстве для измерения напряженности электрического поля, содержащем сферический датчик с электропроводящими чувствительными элементами в форме сферических сегментов с угловыми размерами θ₀≤45°, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности датчика на координатных осях, проходящих через центр электропроводящего сферического корпуса, при этом чувствительные элементы и корпус датчика изолированы друг от друга, дифференциальные преобразователи выходных сигналов датчика, первые входы, которых соединены с первыми чувствительными элементами соответствующей пары элементов, а вторые входы – со вторыми чувствительными элементами этой же пары, а выходы дифференциальных преобразователей соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого подключен к измерительному прибору, согласно заявляемому техническому решению в устройстве две пары чувствительных элементов датчика расположены на одной координатной оси, а два дифференциальных преобразователя и сумматор с двумя входами, при этом первая пара чувствительных элементов выполняется с угловым размером θ₀≤90°.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен датчик, представляющий собой сдвоенный двойной однокоординатный датчик и структурная схема устройства для измерения напряженности электрического поля; на фиг.2 показаны угловые размеры θ₀=90° для 2-3 и θ₀=45° для 4-5 чувствительных элементов соответственно (фиг. 2,а), и их форма выполнения в виде сферического сегмента (фиг.2,б), а на фиг.3 представлены графики погрешностей от неоднородности электрического поля для устройств, реализуемых аналогом и прототипом в зависимости от пространственного диапазона измерения a=R/d (R- радиус корпуса 1 датчика, d- расстояние от центра корпуса 1 датчика до источника поля) при угловых размерах θ₀=90° для чувствительных элементов 2-3 и θ₀=45° - для чувствительных элементов 4-5 и график той же погрешности у заявляемого устройства.

Устройство для измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком содержит сдвоенный датчик, состоящий из электропроводящего сферического корпуса 1с расположенными на его поверхности на одной координатной оси двумя парами чувствительных элементов 2-3, входящих в первый датчик и 4-5, входящих во второй датчик, дифференциальные преобразователи 6-7, сумматор 8 и измерительный прибор 9.Чувствительные элементы 2-3 и 4-5 соответственно подключены к входам первого и второго дифференциальных преобразователей 6-7,выходы которых соединены с первым и вторым входами сумматора 8. Выход сумматора 8 соединен с измерительным прибором 9, отградуированным в единицах напряженности электрического поля, а электропроводящий сферический корпус 1 может быть соединен с общей шиной 10 устройства.

Устройство работает следующим образом.

Датчик помещают в исследуемое электрическое поле и ориентируют его до получения максимального показания на измерительном приборе 9. В этом случае координатная ось датчика будет сориентирована по направлению поля. Под действием электрического поля на чувствительных элементах 2-3 и 4-5 первого и второго датчика, входящих в сдвоенный датчик индуцируются электрические заряды. С помощью дифференциальных преобразователей 6 и 7 заряды с каждой пары чувствительных элементов первого и второго датчика преобразуются в напряжения U₁и U₂. Эти напряжения пропорциональны разности зарядов с каждой пары чувствительных элементов 2-3 и 4-5, которые в свою очередь пропорциональны E₁ и E₂напряженности измеряемого электрического поля E. При градуировке устройства в однородном электрическом поле выполняют условие U₁=U₂. При выполнении этого условия E₁=E₂=Е. Далее напряженияU₁иU₂ с дифференциальных преобразователей 6 и 7 суммируются сумматором 8 и суммарное напряжение U=U₁+U₂измеряется измерительным прибором 9, отградуированным в единицах напряженности электрического поля. При градуировке получают значение напряженности электрического поля

.

Устройство имеет повышенную точность измерения неоднородных электрических полей. Повышение точности измерения напряженности реальных неоднородных электрических полей достигается тем, что в неоднородном поле измеренные значения напряженности электрического поляЕ₁ и Е₂содержат противоположные по знаку относительные погрешности от неоднородности поля, соответственно равные

и

.

С учетом погрешностей, можно записать

и

,

где Е–напряженность исходного электрического поля.

На выходе измерительного прибора получается значение

,

где N - показание измерительного прибора; k – коэффициент пропорциональности, при градуировке k=1,

- погрешность измерения, вызванная неоднородностью поля.

Таким образом, получаем значения напряженности электрического поля с погрешностью δ в два раза меньшей, чем разность модулей погрешностей δ₁и δ₂.

Уменьшение погрешности подтверждает фиг. 3, где в качестве примеров приведены графики погрешности от неоднородности электрического поля точечного заряда в зависимости от относительного расстояния a=R/d (где R– радиус сферического основания датчика, d– расстояние от центра датчика до источника поля) для аналога δ₁, прототипа δ₂ и заявляемого устройства δ.

В основе построения графиков погрешностей δ₁, δ₂и δ лежит известное выражение для расчета погрешности от неоднородности поля датчиков сферической формы [Бирюков С.В. Расчет и измерение напряженности электрического поля в электроустановках сверх – и ультравысокого напряжения /С.В. Бирюков, Ф.Г. Кайданов, Р.А. Кац, Е.С. Колечинский, В.Я. Ложников, Н.С. Смекалова, М.Д. Столяров //Влияние электроустановок высокого напряжения на окружающую среду: Переводы докладов Международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ-86) (Энергетика за рубежом) / Под ред. Ю.П. Шкарина. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – С. 6-13].

,

где а=R/d- пространственного диапазона измерения, R – радиус сферического корпуса датчика, d – расстояние от центра сферического корпуса датчика до источника поля, θ₀ - угловой размер чувствительного элемента датчика.

Из графиков фиг. 3 следует, что предложенное устройство позволяет не только значительно снизить погрешность измерения неоднородных электрических полей (см. график для заявляемого устройства), но и расширить пространственный диапазон измерения. График погрешности для заявляемого устройства показывает, что погрешность измерения датчика устройства не более +5 % на расстояниях от источника поля, соизмеримым с радиусом корпуса датчика, т.е. при полном пространственном диапазоне измерения 0≤a≤1 (d=R). В то время как для аналога и прототипа при той же погрешности пространственные диапазоны измерения соответственно равны 0≤a≤0.24 (d≈4R) и 0≤a≤0.3 (d≈3R).

Предлагаемый датчик напряженности состоит из двух независимых двойных датчиков, объединенных одним конструктивным решением, и представляет собой сдвоенный датчик. Эта особенность датчика позволяет расширить его функциональные возможности. Например, можно использовать каждый из датчиков раздельно или одновременно. Одновременное использование сдвоенного датчика рассмотрено на примере построения устройства для измерения напряженности электрического поля.

Таким образом, использование устройства для измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком позволяет добиться значительного повышения точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне измерений по сравнению с известными устройствами и расширить функциональные возможности самого сдвоенного датчика.

Claims

Устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее сферический датчик с электропроводящими чувствительными элементами в форме сферических сегментов с угловыми размерами θ₀<45°, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности датчика на координатных осях, проходящих через центр электропроводящего сферического корпуса, при этом чувствительные элементы и корпус датчика изолированы друг от друга, первые чувствительные элементы соответствующей пары элементов выполнены с возможностью соединения с первыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, а вторые чувствительные элементы этой же пары выполнены с возможностью соединения с вторыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого подключен к измерительному прибору, отличающееся тем, что в устройстве две пары чувствительных элементов датчика расположены на одной координатной оси, при этом первая пара чувствительных элементов выполняется с угловым размером θ₀<90°.