RU214867U1

RU214867U1 - Датчик напряженности электрического поля с чувствительными элементами в форме сферического квадрата

Info

Publication number: RU214867U1
Application number: RU2022127069U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Бирюков
Filing date: 2022-10-19
Publication date: 2022-11-17

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью. Предложен датчик напряженности электрического поля с чувствительными элементами в форме сферического квадрата. Датчик напряженности электрического поля, содержащий проводящее сферическое основание с проводящими чувствительными элементами в форме сферических оболочек, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности сферического основания на его координатных осях, проходящих через центр сферического основания, при этом чувствительные элементы и сферическое основание датчика изолированы друг от друга, причем датчик имеет расположенные на одной координатной оси два чувствительных элемента, сферические оболочки которых выполнены в форме сферического квадрата, стороны которых задаются угловым размером α₀.

Таким образом, заявляемый датчик позволяет при той же погрешности от неоднородности поля иметь более высокую чувствительность.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для последовательного измерения составляющих вектора напряженности электрического поля.

Известен однокоординатный датчик напряженности электрического поля [Патент на полезную модель №17225 РФ, МКИ G 01 R 29/08], содержащий проводящее сферическое основание, на поверхности которого изолированно от него и друг от друга расположены два одинаковых электропроводящих чувствительных элемента в форме полусфер, центры которых лежат на одной координатной оси, проходящей через центр сферического основания и измерительную цепь, находящуюся внутри проводящего сферического основания датчика.

Достоинством датчика является его высокая чувствительность, т.к. его чувствительные элементы выполнены в форме полусфер, обеспечивающих максимальное использование площади их поверхности. При внесении датчика в электрическое поле на проводящих поверхностях его чувствительных элементов индуцируются электрические заряды. Чем больше поверхности чувствительных элементов, тем больше будут значения индуцированных зарядов, а, следовательно, больше будет его чувствительность.

Недостатком датчика является его значительная отрицательная погрешность от неоднородности поля, достигающая в пространственном диапазоне измерения от 0 до ( минус 34%. Причина большой погрешности датчика заключается в угловых размерах его чувствительных элементов. Размер чувствительных элементов, выполненных в форме сферических сегментов определяется углом между осью его сферического основания и границей чувствительного элемента. Для полусфер, являющихся крайним случаем сферического сегмента, угловой размер составляет θ₀=90°. Такой угловой размер не является оптимальным с точки зрения минимума погрешности измерения.

Наиболее близким к заявляемому датчику является датчик для измерения напряженности электрического поля, [Авторское свидетельство SU №1149189, МКИ G01 R 29/08], содержащей сферическое проводящее основание, три пары проводящих чувствительных элемента в форме частей сферических сегментов с угловыми размерами

(где θ₀ определяется в градусах; (- погрешность от неоднородности поля в относительных единицах), размещенных симметрично на диаметрально противоположных участках сферического проводящего основания, изолировано от него и один от другого и расположенных на координатных осях, проходящих через центр проводящего основания.

Достоинством датчика является малая погрешность измерения в неоднородных электрических полях, обеспечивающая оптимальными угловыми размерами чувствительных элементов в форме сферических сегментов или их частей, определяемыми по выражению

Для погрешностей от 0<δ<10% оптимальные угловые размеры сферических сегментов лежат в диапазоне 53°<θ₀<63,4°.

Недостатком датчика является малая чувствительность, ограниченная площадью поверхности чувствительных элементов.

Задачей полезной модели является повышение чувствительности датчика при сохранении малой погрешности измерения напряженности электрического поля в условиях его неоднородности.

Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащем проводящее сферическое основание с проводящими чувствительными элементами в форме сферических оболочек, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности сферического основания на его координатных осях, проходящих через центр сферического основания, при этом чувствительные элементы и сферическое основание датчика изолированы друг от друга, согласно заявленному решению датчик имеет расположенные на одной координатной оси два чувствительных элемента, сферические оболочки которых выполнены в форме сферических квадратов, стороны которых задаются угловым размером α₀.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид датчика (в двух позициях - в анфас и профиль) напряженности электрического поля с чувствительными элементами 2-3 выполненные в форме сферического квадрата. В позиции анфас (фиг.1,а) представлен полный вид чувствительных элементов 2-3 выполненные в форме сферического квадрата, а во второй позиции (фиг.1,б) эти же чувствительные элементы представлены в профиль. На фиг.2 показаны разрезы датчика: фиг.2,а вид сверху и фиг.2,б вид сверху, повернутый на 90°, на которых указаны угловые размеры α₀ его чувствительных элементов. На фиг.3 графики зависимости площади чувствительных элементов заявляемого датчика и датчика прототипа от погрешности δ, вызванной неоднородностью поля. На фиг.4 показан график зависимости коэффициента k=f(δ) от погрешности δ, вызванной неоднородностью поля, где

- отношение площади S_З чувствительного элемента заявляемого датчика к площади S_П чувствительного элемента датчика прототипа.

Датчик напряженности электрического поля содержит проводящее сферическое основание 1, чувствительные элементы 2 и 3 расположенные симметрично и диаметрально противоположно на поверхности сферического основания и изолированы от него. Чувствительные элементы находятся на одной координатной оси и выполнены из проводящего материала в форме сферического квадрата с угловыми размерами α₀, определяемой требуемой погрешностью от неоднородности поля по функциональной зависимости α₀=f(δ).

Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.

При внесении датчика в электрическое поле, его координатную ось ориентируют по направлению поля, при этом на чувствительных элементах 2 и 3 датчика индуцируются противоположные по знаку и максимальные по величине электрические заряды q₂ и q₃. Величины этих зарядов пропорциональны напряженности измеряемого электрического поля Е и площади поверхности чувствительных элементов S

и

,

где k₂ и k₃ - коэффициенты пропорциональности (в однородном поле k₂=k₃, в неоднородном поле k₂≠k₃). Измеряя разности электрических зарядов между парами чувствительных элементов 2 и 3

определяют модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля E. В выражении (2)

- чувствительность датчика.

Из выражения (3) видно, что чувствительность датчика зависит от площади поверхности чувствительного элемента. Таким образом, чем больше площадь поверхности чувствительных элементов, тем выше чувствительность датчика.

Для датчика прототипа с чувствительными элементами в форме сферического сегмента и заявляемого датчика с чувствительными элементами в форме сферического квадрата площади поверхности S чувствительных элементов определяются соответствующими выражениями

где R - радиус сферического основания датчика; θ₀ и α₀ - угловые размеры чувствительных элементов датчика прототипа и заявляемого датчика.

Сравним площади (4) и (5) поверхности чувствительных элементов датчиков по графикам S_П(δ) и S_З(δ), представленным на фиг.3 и построенным с учетом зависимостей

и

, где последняя зависимость α₀=f(δ) получена по материалам статьи [Бирюков С. В. Датчик напряженности электрического поля с электродами в форме сферических многоугольников / С. В. Бирюков, А.С.Шиликов // Омский научный вестник, вып.18 (март). - Омск: ОмГТУ, 2002. - С.123-127].

Из фиг.3 видно, что площадь поверхности чувствительных элементов заявляемого датчика больше площади чувствительных элементов датчика прототипа. Следовательно, чувствительность заявляемого датчика выше чувствительности датчика прототипа.

Взяв отношение площадей (5) и (4)

и построив график k(δ) (фиг.4) устанавливаем, что чувствительность заявляемого датчика увеличивается в среднем на 30%.

Claims

Датчик напряженности электрического поля, содержащий проводящее сферическое основание с проводящими чувствительными элементами в форме сферических оболочек, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности сферического основания на его координатных осях, проходящих через центр сферического основания, при этом чувствительные элементы и сферическое основание датчика изолированы друг от друга, отличающийся тем, что датчик имеет расположенные на одной координатной оси два чувствительных элемента, сферические оболочки которых выполнены в форме сферического квадрата, стороны которых задаются угловым размером α₀.