RU217326U1

RU217326U1 - Сферический датчик напряженности электрического поля с двуугольными чувствительными элементами

Info

Publication number: RU217326U1
Application number: RU2023103063U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Бирюков; Илья Константинович Потеряев
Filing date: 2023-02-13
Publication date: 2023-03-28

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для поочередного измерения ортогональных составляющих вектора напряженности электрического поля с повышенной точностью и чувствительностью в широком пространственном диапазоне. Предложен сферический датчик напряженности электрического поля, содержащий проводящее основание, на поверхности которого изолированно друг от друга и от проводящего основания, на двух координатных осях попарно расположены четыре проводящих чувствительных электрода в форме части поверхности проводящего основания, разделенных двумя взаимно-перпендикулярными плоскостями, проходящими через ось цилиндра, а координатные оси датчика проходят не через центры чувствительных элементов, а располагаются во взаимно-перпендикулярных плоскостях, разделяющих боковую поверхность проводящего основания датчика на четыре равные части, причем для уменьшения погрешности и увеличения чувствительности датчика проводящее основание выполнено сферическим, а чувствительные электроды в форме сферических двуугольников, из которых формируются по каждой координатной оси две пары чувствительных элементов, причем каждый чувствительный элемент состоит из двух чувствительных электродов, образующих полусферу, а измерительная ось датчика лежит в плоскости его координатных осей и проходит на равных угловых расстояниях от них.

Техническим результатом при реализации заявленного решения является уменьшение погрешности измерения напряженности электрического поля в условиях его неоднородности и повышение чувствительности датчика при сохранении размеров его чувствительных элементов в форме полусфер. При ориентации измерительной оси датчика по направлению электрического поля позволяет значительно уменьшить погрешность от неоднородности поля и увеличить его чувствительность в 2,8 раза при сохранении размеров его чувствительных элементов в форме полусфер. 3 ил.

Description

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

Известно устройство для измерения напряженности электрического поля (авторское свидетельство SU 1689884), содержащий проводящее сферическое основание, на поверхности которого диаметрально противоположно установлены изолированные друг от друга и от сферического основания проводящие чувствительные электроды, соединенные измерительным блоком и выполненные в виде восьми сферических треугольников, ограниченных тремя взаимно перпендикулярными плоскостями, точка пересечения которых совпадает с центром сферического основания. Чувствительные электроды объединяют по две группы чувствительных элементов, образующие две полусферы и измеряют между каждой парой сформированными чувствительными элементами электрический ток. Последовательно формируя из электродов датчика чувствительные элементы в форме полусфер, разделенных координатными плоскостями YOZ, XOZ и XOY, измеряют составляющие E_X,E_Y и E_Z вектора напряженности электрического поля E.

Достоинством датчика является то, что он выполняется двойным, так как на его координатных осях расположены пары диаметрально противоположных проводящих чувствительных элементов. При использовании датчика в дифференциальном включении повышается точность измерений, за счет уменьшения влияния синфазных составляющих, вызванных внешними электрическими помехами. Выполнение проводящих чувствительных элементов в форме полусфер, обеспечивают датчику максимальную чувствительность.

К недостатку датчика можно отнести выполнение его чувствительных элементов в форме полусфер с максимально возможным угловым размером, задаваемым углом θ₀=90°, лежащим между осью сферического основания и границей чувствительные элемента. Такой размер чувствительных элементов датчика приводит к значительной отрицательной погрешности от неоднородности поля. В широком пространственном диапазоне измерения от 0 до ∞ эта погрешность может достигать минус 33%. Датчик с отрицательной погрешностью будет занижать значение напряженности электрического поля.

Наиболее близким к заявляемому датчику является датчик напряженности электрического поля (патент на полезную модель RU 183095), содержащий проводящий цилиндр, на поверхности которого изолировано друг от друга и от цилиндра, на двух координатных осях попарно расположены четыре проводящих чувствительных электрода в форме цилиндрического прямоугольника, разделенных двумя взаимно-перпендикулярными плоскостями, проходящими через ось цилиндра, а координатные оси датчика проходят не через центры чувствительных элементов, а располагаются во взаимно-перпендикулярных плоскостях, разделяющих боковую поверхность датчика на четыре цилиндрических прямоугольника. В регламент измерения датчика входит его ориентация в двух координатным плоскостях с получение двух составляющих E_x и E_y вектора напряженности электрического поля с последующим определением по ним модуля вектора напряженности электрического поля в виде геометрической суммы двух его составляющих.

К достоинству датчика напряженности электрического поля можно отнести наличие четырех чувствительных электродов, представляющих собой четверть цилиндрической поверхности. Это позволяет организовать из них две пары чувствительных элементов, расположенных на двух координатных осях X и Y. При этом каждый чувствительный элемент состоит из двух чувствительных электродов и представляет собой полуцилиндр с угловым размером θ₀=90°. Это обеспечивает для прототипа максимально возможную чувствительность датчика в регламентированных условиях его применения.

К недостаткам датчика напряженности электрического поля можно отнести малую чувствительность в регламентированных условиях его применения и большую погрешность измерения неоднородных электрических полей, достигающую в пространственном диапазоне измерения от 0 до ∞ минус 33%.

Задачей полезной модели является уменьшение погрешности измерения напряженности электрического поля в условиях его неоднородности и повышение чувствительности датчика при сохранении размеров его чувствительных элементов в форме полусфер.

Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащим проводящее основание, на поверхности которого изолировано друг от друга и от проводящего основания, на двух координатных осях попарно расположены четыре проводящих чувствительных электрода в форме части поверхности проводящего основания, разделенных двумя взаимно-перпендикулярными плоскостями, проходящими через ось цилиндра, а координатные оси датчика проходят не через центры чувствительных элементов, а располагаются во взаимно-перпендикулярных плоскостях, разделяющих боковую поверхность проводящего основания датчика на четыре равные части, согласно заявленному решению для уменьшения погрешности и увеличения чувствительности датчика проводящее основание выполнено сферическим, а чувствительные электроды в форме сферических двуугольников, из которых формируются по каждой координатной оси две пары чувствительных элементов, причем каждый чувствительный элемент состоит из двух чувствительных электродов, образующих полусферу, а измерительная ось датчика лежит в плоскости его координатных осей и проходит на равных угловых расстояниях от них.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами (фигуры 1-3), где на фиг.1 представлен датчик напряженности электрического поля; на фиг.2 и фиг.3 представлены графики погрешностей от неоднородности электрического поля для датчика прототипа и заявляемого датчика в зависимости от пространственного диапазона измерения a=R/d (R - радиус сферического основания 1 датчика, d - расстояние от центра сферического основания 1 датчика до источника поля).

Датчик напряженности электрического поля содержит проводящее сферическое основание 1, четыре проводящих электрода 2-5, симметрично расположенных на сферическом основании. Каждый проводящий электрод выполнен в виде сферического проводящего двуугольника, представляющего четвертую часть сферической поверхности.

Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.

Из проводящих электродов 2-5 датчика формируются две диаметрально противоположные пары чувствительных элементов, каждый их которых состоит из двух проводящих электродов, в сумме образующих полусферы, разделенные взаимно перпендикулярными координатными плоскостями YOZ и XOZ и лежащие на координатных осях Y и X. Так, на координатной оси X лежат электроды 2, 3, образующие чувствительный элемент (2+3) и диаметрально противоположные им электроды 4, 5, образующие чувствительный элемент (4+5); на координатной оси Y лежат электроды 2, 5, образующие чувствительный элемент (2+5) и диаметрально противоположные им электроды 3, 4, образующие чувствительный элемент (3+4).

При внесении датчика в электрическое поле его измерительную ось, лежащую между координатными осями Y и X на равных угловых расстояниях от них, ориентируют по направлению поля. В электрическом поле на проводящих чувствительных полусферических элементах датчика, расположенных по оси X 2+3 - 4+5 и по оси Y 2+5 – 3+4 индуцируются электрические заряды, разности зарядов между парами которых пропорциональны напряженности электрического поля Е

, (1)

, (2)

где δ_x и δ_y – погрешности датчика от неоднородности поля. В однородном поле δ_x=δ_y=0;

- чувствительность датчика; R – радиус сферического основания датчика; θ₀ – угловой размер чувствительного элемента в форме сферического сегмента, для полусферы θ₀=90°; cosα и cosβ направляющие косинусы, удовлетворяющие условию

; α и β - углы между вектором напряженности E и осями координат датчика X и Y соответственно. Так как для полусферических чувствительных элементов θ₀=90°, тоsinθ₀=1, тогда максимально возможная чувствительность датчика по каждой координатной оси определится выражением

.

При ориентации измерительной оси датчика по направлению поля добиваются максимального выходного сигнала датчика, который будет наблюдаться при максимальной сумме зарядов q_xи q_y

, (3)

где

- суммарная погрешность датчика в неоднородном поле равная

, (4)

где a=R/d (где R – радиус сферического основания датчика, d – расстояние от центра сферического основания датчика до источника поля); θ₀ – угловой размер составных (2+3) и (4+5) чувствительных элементов.

Максимальное значение суммы зарядов будет наблюдаться при равенстве Cosα=Cosβ, т.е. при равенстве углов α=β=45° или в радианах

. С учетом этого выражение (3) примет вид

, (5)

где

- чувствительность заявляемого датчика.

Так как сумма зарядов q_xи q_y пропорциональна напряженности электрического поля E, то измеряя её, определяют модуль вектора напряженности электрического поля.

Уменьшение погрешности датчика достигается за счет ориентации измерительной оси датчика в электрическом поле так, чтобы вектор напряженности электрического поля

проходил в плоскости YOX между координатными осями X и Y датчика на равных угловых расстояниях от них.

Воспользовавшись уравнением (4) для погрешности от неоднородности поля построим графики погрешностей для прототипа и заявляемого датчика в зависимости от пространственного диапазона измерений a=R/d. Графики погрешности представлены на фиг. 2 и фиг. 3 соответственно. Эти графики подтверждают уменьшения погрешности для заявляемого датчика. Из фиг. 2 следует, что датчик прототипа в пространственном диапазоне 0≤a≤0.885 имеет погрешность от неоднородности поля приблизительно равную минус 29%. Заявляемый датчик (фиг. 3) в том же пространственном диапазоне будет иметь погрешность равную ±2,1%. Что подтверждает значительное уменьшение погрешности датчика от неоднородности электрического поля.

Увеличение чувствительности датчика подтверждается выражением (5), в котором G₀ – чувствительность датчика прототипа, а G₁ – чувствительность заявляемого датчика. Оценить увеличение чувствительности датчика можно через коэффициент

.

Коэффициент k показывает увеличение чувствительности в 2,8 раза.

Таким образом, заявляемый датчик при ориентации его измерительной оси по направлению электрического поля позволяет значительно уменьшить погрешность датчика от неоднородности поля и увеличить его чувствительность в 2,8 раза при сохранении размеров его чувствительных элементов в форме полусфер.

Claims

Датчик напряженности электрического поля, содержащий проводящее основание, на поверхности которого изолированно друг от друга и от проводящего основания, на двух координатных осях попарно расположены четыре проводящих чувствительных электрода в форме части поверхности проводящего основания, разделенных двумя взаимно-перпендикулярными плоскостями, проходящими через ось цилиндра, а координатные оси датчика проходят не через центры чувствительных элементов, а располагаются во взаимно-перпендикулярных плоскостях, разделяющих боковую поверхность проводящего основания датчика на четыре равные части, отличающийся тем, что для уменьшения погрешности и увеличения чувствительности датчика проводящее основание выполнено сферическим, а чувствительные электроды в форме сферических двуугольников, из которых формируются по каждой координатной оси две пары чувствительных элементов, причем каждый чувствительный элемент состоит из двух чувствительных электродов, образующих полусферу, а измерительная ось датчика лежит в плоскости его координатных осей и проходит на равных угловых расстояниях от них.