RU2799972C1

RU2799972C1 - Способ измерения напряженности электрического поля по равенству двух составляющих

Info

Publication number: RU2799972C1
Application number: RU2023103478A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Бирюков; Илья Константинович Потеряев
Filing date: 2023-02-16
Publication date: 2023-07-14

Abstract

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью, чувствительностью и упрощенной его технической реализации и процесса измерения. В исследуемое пространство одновременно помещают несколько пар проводящих чувствительных электродов, входящих в общий датчик, симметрировании наружных поверхностей датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров поверхностей чувствительных элементов попарно на координатных осях выбранной системы координат симметрично относительно её 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, при этом модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением алгебраической суммы двух не равных нулю составляющих вектора напряженности электрического поля, причем датчик выполняют сферическим и двухкоординатным с двумя парами чувствительных элементов, при этом каждый чувствительный элемент состоит из двух чувствительных электродов в форме сферических двуугольников, так, что составной чувствительный элемент представляет собой полусферу с угловым размером θ₀=90°, а достижение равенства двух составляющих датчика получают ориентацией его в пространстве до получения максимального значения, по которому определяют модуль вектора напряженности электрического поля. Техническим результатом при реализации заявленного способа измерения напряженности электрического поля по равенству двух является упрощение процесса измерения, повышение его точности и чувствительности при сохраненном относительно широком пространственном диапазоне. 2 ил.

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения модуля вектора напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью, чувствительностью и простой реализацией процесса измерения.

Известен способ измерения напряженности электрического поля (патент на изобретение RU 2214611), основанный на помещения в исследуемое пространство одновременно 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 её 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.

Достоинством заявляемого способа является использование трехкоординатного датчика при измерении напряженности электрического поля, ориентируя его в пространстве так, чтобы вектор напряженности электрического поля был равноудален от трех координатных осей датчика. Способ имеет минимально возможную, но относительно не высокую погрешность в небольшом пространственном диапазоне измерения.

Недостатком способа является определение напряженности электрического поля измерением одной из трех измеренных составляющих вектора напряженности электрического поля по трем координатным осям датчика. В связи с этим способ имеет низкую чувствительность. Кроме этого недостатком способа является сложность процесса измерения. Поскольку в процессе измерения требуется достижения равенства трех составляющих датчика по звуковым, световым или иным сигналам, свидетельствующим об отклонении вектора напряженности электрического поля от координатных осей датчика.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения напряженности электрического поля (патент на изобретение RU 2388003), 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 её 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, при этом модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением составляющих датчика, при этом датчик выполняют трехкоординатным, т.е. n=3, и его ориентируют в пространстве так, чтобы одна из составляющих вектора напряженности по одной из координатных осей датчика стала равна 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, при этом модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением алгебраической суммы двух, не равных нулю составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика.

Достоинством способа-прототипа является повышенная чувствительность, по отношению к способу аналога, Это достигается измерением суммы двух составляющих вектора напряженности электрического поля, принимаемой за результат измерения.

Недостаток способа заключается в сложность процесса измерения, относительно небольшой точности и узком пространственном диапазоне измерения. Это связано с тем, что для применения способа требуется трехкоординатный датчик. Процесс измерения сводится к двойной ориентации датчика в пространстве. При первой ориентации одну из составляющих датчика сводят к нулю. При второй ориентации датчика добиваются равенства двух оставшихся составляющих, измеряя сумму которых находят модуль вектора напряженности электрического поля. Это приводит к избыточности числа координат датчика и усложнению процесса измерения. Кроме этого способу присущи все недостатки способа аналога.

Таким образом, общими недостатками аналога и прототипа является сложность процесса измерения, относительно не высокие погрешность, пространственный диапазон измерения и чувствительность.

Задача изобретения – упростить процесс измерения, повысить его точность и чувствительность при сохраненном относительно широком пространственном диапазоне измерения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе измерения напряженности электрического поля, основанном на помещении в исследуемое пространство одновременно несколько пар проводящих чувствительных электродов, входящих в общий датчик, симметрировании наружных поверхностей датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров поверхностей чувствительных элементов попарно на координатных осях выбранной системы координат симметрично относительно её 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, при этом модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением алгебраической суммы двух, не равных нулю составляющих вектора напряженности электрического поля, согласно заявленному изобретению датчик выполняют сферическим и двухкоординатным с двумя парами чувствительных элементов, при этом каждый чувствительный элемент состоит из двух чувствительных электродов в форме сферических двуугольников, так, что составной чувствительный элемент представляет собой полусферу с угловым размером θ₀=90°, а достижение равенства двух составляющих датчика получают ориентацией его в пространстве до получения максимального значения, по которому определяют модуль вектора напряженности электрического поля.

Предлагаемый способ поясняется фигурах 1 - 2, где на фиг. 1 представлена реализация способа, а на фиг. 2 - графики погрешностей от неоднородности электрического поля для способов, реализующих аналог и прототип в зависимости от пространственного диапазона измерения и график той же погрешности заявляемого способа.

В основе способа лежит сферический двухкоординатный датчик, состоящий из проводящего сферического основания 1 и четырех проводящих чувствительных электродов 2-5 в форме двуугольников (четверть сферы). Из чувствительных электродов 2-5 формируются две пары чувствительных элементов в форме полусфер (на фиг. 1 они отмечены полудугами 2+3 и 4+5; 2+5 и 3+4), расположенных на координатных осях x и y, так, что на оси x, проходящей через центры чувствительных элементов диаметрально противоположно расположены электроды (2+3) – (4+5), а на оси y, проходящей через центры чувствительных элементов диаметрально противоположно расположены электроды (2+5) – (3+4). Чувствительные электроды 2-5 через дифференциальные интеграторы тока 6-7 и блок 8 соединены с сумматором 11 и с измерительным прибором 12. Блок 8 состоит из сумматора 9 и вычитателя 10. Блок 8 объединяет составные чувствительные элементы, суммируя сигналы с двух электродов: по оси x (2+3) и (4+5), и по оси y (2+5) и (3+4), суммы сигналов которых, пропорциональны составляющим E_x и E_y вектора напряженности электрического поля.

Способ измерения реализуется следующим образом. Датчик с составными чувствительными элементами (2+3) - (4+5) и (2+5) – (3+4) помещают в исследуемое поле и ориентируют его в пространстве так, чтобы модуль алгебраической суммы двух составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика, регистрируемый измерительным прибором 12 был максимален, т.е. E_max=E_x+E_y. При этом условии вектор напряженности электрического поля будет равноудален от координатных осей x и y датчика, а его составляющие E_x и E_y по координатным осям будут равны, т.е. E_x = E_y. Удерживая датчик в этом положении, измеряют алгебраическую сумму (E_x+E_y)=E_max составляющих вектора напряженности электрического поля по двум координатным осям, пропорциональную его модулю.

Согласно заявляемому способу датчик помещают в электрическом поле. При этом на каждой паре его чувствительных элементах (2+3) - (4+5) и (2+5) – (3+4) индуцируются электрические заряды q_x и q_y, функционально связанные с составляющими вектора напряженности электрического поля E_x и E_y

, (1)

, (2)

где (3) – чувствительность датчика; R – радиус сферического основания датчика; θ₀ – угловой размер чувствительного элемента в форме сферического сегмента, для полусферы θ₀=90⁰; cosα и cosβ направляющие косинусы, удовлетворяющие условию ; α и β - углы между вектором напряженности E и осями координат датчика x и y соответственно; δ_x и δ_y – погрешности датчика от неоднородности поля.

Выходной сигнал датчика q, формируется как сумма зарядов, определяемых выражениями (1) и (2)

. (4)

При ориентации датчика в электрическом поле добиваются максимального выходного сигнала датчика, который будет наблюдаться при максимальном значении суммы зарядов q по выражению (4).Максимальное значение суммы зарядов будет наблюдаться при равенстве , т.е. при равенстве углов . С учетом этого выражение (4) для максимальной суммы зарядов примет вид

, (5)

где – чувствительность заявляемого способа;

– суммарная погрешность датчика в неоднородном поле.

Суммарная погрешность датчика определяется по известному выражению 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].

, (6)

где a=R/d (где R – радиус сферического основания датчика, d – расстояние от центра сферического основания датчика до источника поля); θ₀=90⁰ – угловой размер составных (2+3) и (4+5) чувствительных элементов датчика в заявляемом способе, в способе прототипа и аналога θ₀<90°.

Так, как максимальная сумма зарядов, согласно выражению (5), пропорциональна напряженности электрического поля E, то измеряя её, определяют модуль вектора напряженности электрического поля.

При использовании заявляемого способа уменьшается погрешность измерения неоднородных электрических полей, увеличивается чувствительность измерения и упрощается процесс измерения.

Воспользовавшись выражением (6) построим и сравним графики погрешностей для способа аналога, способа прототипа и заявляемого способа в зависимости от пространственного диапазона измерений a=R/d. Графики погрешности представлены на фиг. 2, из которой следует, что для заявляемого способа, датчик которого имеет чувствительные элементы с угловым размером θ₀=90°, погрешность измерения составляет δ=±2,1 % в пространственном диапазоне 0≤а≤0,88. Для способов аналога и прототипа, применяемых в том же пространственном диапазоне (0≤а≤0,88) угловые размеры чувствительных элементов θ₀и погрешности δ соответственно равны θ₀=57° и -2,1 %< δ < +5,4% (аналог), θ₀=46,5° и -2,1 %< δ < +4,7% (прототип). Эти графики подтверждают значительное уменьшение погрешности в одном и том же пространственном диапазоне измерения для заявляемого способа по отношению к способу аналога и прототипа. Если принять для заявляемого способа погрешности, равные по модулю погрешностям аналога и прототипа, то заявляемый способ будет работать в более широком пространственном диапазоне a→1.

В связи с этим заявляемый способ имеет преимущества перед способами аналога и прототипа, позволяющий при простоте процесса измерений значительно уменьшить погрешность измерения от неоднородности электрического поля и расширить пространственный диапазон измерения.

Увеличение чувствительности датчика заявляемого способа можно оценить через коэффициент

,

где G₀ – чувствительность датчика способов аналога, прототипа и заявляемого способа, определяемая выражением (3).

Коэффициент увеличения чувствительности заявляемого способа по отношению к способам прототипа и аналога:

– по отношению к способу прототипа

;

– по отношению к способу аналога:

.

Коэффициент k показывает значительное увеличение чувствительности заявляемого способа по отношению способов прототипа и аналога.

Упрощение процесса измерения, при применении заявляемого способа осуществлено использованием в процессе измерения двухкоординатного датчика, работающего в однокоординатном режиме. Такой режим работы позволяет путем ориентации датчика быстро отыскать такое его положение в пространстве электрического поля, в котором значение модуля вектора напряженности электрического поля E=E_max(E_x+E_y). Это позволяет исключить сложную методику отыскания равенства двух составляющих по координатным осям датчика за счет исключения из процесса измерения нахождение равной нулю третьей составляющей по звуковым, световым или иным сигналам, свидетельствующим об отклонении вектора напряженности электрического поля от координатных осей датчика.

Таким образом, заявляемый способ измерения напряженности электрического поля по равенству двух составляющих позволяет значительно уменьшить погрешность датчика от неоднородности поля, увеличить его чувствительность и упростить процесс измерения.

Claims

Способ измерения напряженности электрического поля по равенству двух составляющих, основанный на помещении в исследуемое пространство одновременно несколько пар проводящих чувствительных электродов, входящих в общий датчик, симметрировании наружных поверхностей датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров поверхностей чувствительных элементов попарно на координатных осях выбранной системы координат симметрично относительно её 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, при этом модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением алгебраической суммы двух не равных нулю составляющих вектора напряженности электрического поля, отличающийся тем, что датчик выполняют сферическим и двухкоординатным с двумя парами чувствительных элементов, при этом каждый чувствительный элемент состоит из двух чувствительных электродов в форме сферических двуугольников, так, что составной чувствительный элемент представляет собой полусферу с угловым размером θ₀=90°, а достижение равенства двух составляющих датчика получают ориентацией его в пространстве до получения максимального значения, по которому определяют модуль вектора напряженности электрического поля.