ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК G01R15/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к емкостному датчику для измерения электрического поля, генерируемого проводником, находящимся под напряжением, например, для определения напряжения на исследуемом проводнике, в соответствии с измеренным электрическим полем. В частности, настоящее изобретение относится к емкостному датчику, который позволяет измерить электрическое поле, генерируемое одиночным проводником под напряжением, без помех со стороны окружающих электрических полей, например электрических полей, генерируемых другими расположенными вблизи проводниками, который может быть использован в измерительных приборах и оборудовании для линий передачи низкого, среднего и высокого уровня напряжений и/или подстанций.

Уровень техники

В известных емкостных датчиках для измерения электрических полей, генерируемых проводниками под напряжением, не удается избежать влияния окружающих электрических полей и/или получить достаточно точные измерения электрического поля или производных от него величин.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в преодолении указанных недостатков решений предшествующего уровня техники.

Настоящее изобретение в первом варианте осуществления описывает емкостный датчик для измерения электрического поля, генерируемого проводником, находящимся под напряжением, включающий экранирующий элемент, содержащий первую экранированную камеру, имеющую первый открытый конец, обращенный к проводнику, датчик электрического поля, расположенный внутри первой экранированной камеры, и электрод питания, имеющий дистальную область, расположенную внутри первой экранированной камеры, и проксимальную область, связанную с проводником, установленные с возможностью погружения в диэлектрическую среду, причем датчик электрического поля установлен в сторону дистальной области электрода питания и на расстоянии от дистальной области с возможностью измерения электрического поля, создаваемого ею, электрод питания проходит через первый открытый конец, а датчик электрического поля отнесен по оси от дистальной области электрода питания, при этом область электрода питания имеет форму сплошной воронки, ножка которой направлена в сторону дистального конца.

Стороны указанной воронки могут быть выполнены скругленными.

Радиус кривизны сторон указанной воронки может соответствовать минимальному расстоянию между круговым периметром проксимальной области экранирующего элемента и электродом питания с возможностью исключения превышения электрической прочности диэлектрического корпуса и обеспечения необходимой степени изоляции.

Дополнительно проксимальная область указанного электрода питания может иметь форму диска.

Экранирующий элемент также может иметь цилиндрическую форму.

Кроме того, экранирующий элемент может иметь цилиндрическую форму.

Еще один вариант осуществления настоящего изобретения описывает емкостный датчик для измерения электрического поля, генерируемого проводником, находящимся под напряжением, включающий экранирующий элемент, содержащий первую экранированную камеру, имеющую первый открытый конец, обращенный к проводнику, датчик электрического поля, расположенный внутри первой экранированной камеры, и электрод питания, имеющий дистальную область, расположенную внутри первой экранированной камеры, и проксимальную область, связанную с проводником, установленные с возможностью погружения в диэлектрическую среду, причем датчик электрического поля установлен в сторону дистальной области электрода питания и на расстоянии от дистальной области с возможностью измерения электрического поля, создаваемого ею, электрод питания проходит через первый открытый конец, а датчик электрического поля отнесен по оси от дистальной области электрода питания, при этом проксимальная область соединена с проводником указанного электрода питания и имеет форму диска.

Дистальная область указанного электрода питания может иметь цилиндрическую форму со скругленным дистальным концом.

Датчик может дополнительно включать второй экранирующий элемент, образующий внутреннюю третью камеру, в которой может быть расположен электрод питания.

Второй экранирующий элемент может быть выполнен из проводящего материала и может быть связан с проводником и электродом питания.

Также второй экранирующий элемент может быть выполнен в форме сферического купола.

Проксимальная область экранирующего элемента может быть расположена внутри третьей камеры.

Также дистальный конец указанного электрода питания может быть выполнен в форме сферического сегмента.

Датчик электрического поля может быть выполнен в форме сферического купола, открытое основание которого может быть обращено вверх к электроду питания.

Дистальная область электрода питания может быть выполнена в форме сферического сегмента, а датчик электрического поля может быть выполнен в форме сферического купола, открытое основание которого обращено вверх к электроду питания.

У сферического купола датчика электрического поля внутренняя поверхность может быть равноудалена от наружной поверхности дистального конца сферического сегмента, обращенного к ней электрода питания.

Экранирующий элемент дополнительно может содержать вторую экранированную камеру, расположенную в дистальной области указанного экранирующего элемента, а схема обработки сигнала, измеренного датчиком электрического поля, расположена внутри экранированной камеры.

Датчик дополнительно может содержать вторую экранированную камеру, а экранирующий элемент дополнительно может содержать экранированный канал, посредством которого первая камера может быть связана со второй камерой, причем электрический проводник, соединяющий датчик электрического поля со схемой обработки сигнала, расположен внутри указанного экранированного канала.

Дистальная область электрода питания может быть выполнена в форме сферического сегмента.

Краткое описание чертежей

Ниже приводится описание емкостного датчика, предложенного в настоящем изобретении, проиллюстрированное различными вариантами осуществления в качестве примеров, не ограничивающих изобретение, со ссылками на приложенные чертежи, на которых:

на Фиг.1 схематически представлен первый вариант осуществления емкостного датчика, предложенного в настоящем изобретении;

на Фиг.2 схематически представлен второй вариант осуществления емкостного датчика, предложенного в настоящем изобретении;

на Фиг.3 схематически представлен третий вариант осуществления емкостного датчика, предложенного в настоящем изобретении;

на Фиг.4 схематически представлен четвертый вариант осуществления емкостного датчика, предложенного в настоящем изобретении;

на Фиг.5 схематически представлен пятый вариант осуществления в форме версии варианта осуществления, показанного на Фиг.1;

на Фиг.6 схематически представлен шестой вариант осуществления в форме версии варианта осуществления, показанного на Фиг.2;

на Фиг.7 схематически представлен седьмой вариант осуществления в форме версии варианта осуществления, показанного на Фиг.3;

на Фиг.8 схематически представлен восьмой вариант осуществления в форме версии варианта осуществления, показанного на Фиг.4;

на Фиг.9 схематически представлен девятый вариант осуществления в форме версии любого предшествующего варианта осуществления.

Осуществление изобретения

Как показано на Фиг.1, предложенный в настоящем изобретении емкостный датчик проходит вдоль продольной оси Y и включает проксимальный конец, который, например, связан с проводником или шиной А низкого, среднего или высокого уровня напряжения.

Данный емкостный датчик включает, в основном, электрод 10 питания, экранирующий элемент 20, датчик 30 электрического поля, электрический проводник 40 и схему 50 для обработки сигнала, измеряемого датчиком 30, причем эти элементы заключены и расположены внутри корпуса 60 из диэлектрического материала, образующего наружную оболочку, в которой, в частности, электрод 10 питания имеет проксимальную область 11, соединенную с проводником А, и дистальную область 12, расположенную внутри экранирующего элемента 20, и в которой датчик 30 электрического поля расположен внутри экранирующего элемента 20 таким образом, что он обращен в сторону дистальной области 12 электрода 10 питания и пространственно отделен от нее с тем, чтобы измерять электрическое поле, создаваемое электродом 10 питания и/или дистальной областью 12 или дистальным концом 14 электрода 10 питания.

В частности, дистальная область 12 электрода 10 питания расположена внутри экранирующего элемента 20 с таким минимальным расстоянием D1 между этими двумя элементами, чтобы не превышать пределы электрической прочности диэлектрического корпуса 60, для обеспечения необходимой степени изоляции для гарантирования изолирующих свойств диэлектрической среды и сохранения их в течение времени.

Электрод 10 питания имеет удлиненную цилиндрическую форму и вытянут вдоль оси Y10, проходящей коаксиально с указанной осью Y емкостного датчика, и включает, в основном, проксимальную область 11, желательно в форме диска 13, и дистальную область 12, имеющую цилиндрическую форму со скругленным дистальным концом 14, с тем, чтобы создать однородное распределение силовых линий электрического поля, порождаемого и/или генерируемого этой дистальной областью 12 или дистальным концом 14.

Экранирующий элемент 20 имеет цилиндрическую форму и вытянут вдоль продольной оси Y20, проходящей коаксиально с указанными ранее осями Y и Y10, и связан с заземлением или опорным потенциалом для обеспечения экранирующего эффекта.

Проксимальная область 11 электрода 10 питания также включает крепежные элементы 15 для электрического соединения с проводником А, например, в виде одного или более резьбовых отверстий 15, предназначенных для соединения с винтом 70, расположенным в отверстии в проводнике А.

Данный экранирующий элемент 20 включает первую экранированную камеру 21, имеющую первый открытый конец 22, обращенный к проводнику А, внутри которой помещена дистальная область 12 электрода 10 питания, проходящая сквозь первый конец 22, в то время как датчик 30 электрического поля, также находящийся внутри первой экранированной камеры 21, расположен так, чтобы отстоять вдоль оси от дистальной области 12 или конца 14 электрода 10 питания.

В частности, датчик 30 электрического поля расположен на минимальном расстоянии D2 от электрода 10 питания с тем, чтобы не превышались пределы электрической прочности диэлектрического корпуса 60, для обеспечения необходимой степени изоляции при одновременном гарантировании изолирующих свойств диэлектрической среды и сохранении их в течение времени.

Экранирующий элемент 20 также включает вторую экранированную камеру 24, расположенную в дистальной области экранирующего элемента 20, которая может содержать и вмещать схему 50 обработки сигнала.

Экранирующий элемент 20 может также включать экранированный канал 23, посредством которого первая камера может соединяться со второй камерой 24 и в котором помещен электрический проводник 40, соединяющий датчик 30 электрического поля со схемой 50 обработки сигнала.

Датчик 30 электрического поля в предпочтительном варианте осуществления имеет форму диска и является датчиком анизотропного типа для детектирования, с использованием реактивной емкостный связи, генерируемых электродом 10 питания компонент поля, которые ортогональны к поверхности датчика 30 электрического поля при приближении к ней.

Датчик 30 электрического поля может иметь различные конструкции в пределах замысла настоящего изобретения.

Схема 50 обработки сигнала может принимать, посредством электрического проводника 40, сигналы, измеряемые датчиком 30 электрического поля, и выдавать на своем выходе сигнал, зависящий от величины, измеренной датчиком 30 электрического поля.

Схема 50 обработки сигнала может иметь различные конструкции в пределах замысла настоящего изобретения.

Корпус 60 из диэлектрического материала может быть выполнен из эпоксидной смолы или аналогичного материала.

В данной конструкции, датчик 30 электрического поля детектирует только силовые линии поля, генерируемые электродом 10 питания и, в частности, только силовые линии поля, исходящие из его дистальной области 12 или дистального конца 14, которые ортогональны поверхности датчика 30 электрического поля у его поверхности, в то время как силовые линии поля любых окружающих электрических полей, например силовые линии поля, создаваемые расположенными вблизи проводниками, будут сходиться на экранирующем элементе 20, не оказывая влияния на датчик 30 электрического поля и/или электрический проводник 40 и/или схему 50, благодаря чему обеспечивается точное измерение электрического поля, генерируемого проводником А.

Экранирующий элемент 20 может быть выполнен в виде единой детали, либо в виде двух или более соединенных друг с другом деталей, что также находится в пределах изобретательского замысла, охраняемого настоящим изобретением.

Кроме того, экранирующий элемент 20 и, в частности, соответствующие две цилиндрические части, могут быть выполнены из металлической сетки, намотанной в форме цилиндра, или из полых цилиндров, имеющих определенную толщину, либо иным другим путем, что также находится в пределах изобретательского замысла, охраняемого настоящим изобретением.

На Фиг.2 представлен вариант осуществления, в котором дистальная область электрода питания, имеющего цифровое обозначение 110, имеет форму сферического сегмента 112.

На Фиг.3 представлен вариант осуществления, в котором проксимальная область 211 электрода питания, имеющего цифровое обозначение 210, имеет форму сплошной воронки, ножка 213 которой направлена в сторону дистального конца.

Кроме того, в предпочтительном варианте, стороны 212 воронки скруглены, причем радиус R1 кривизны определяется минимальным расстоянием, которое должно поддерживаться между круговым периметром 224 проксимального конца экранирующего элемента 220 и электродом 210 питания с тем, чтобы не превышать электрической прочности диэлектрического корпуса 60, для обеспечения необходимой степени изоляции.

На Фиг.4 представлен вариант осуществления, в котором дистальный конец электрода питания, имеющего здесь цифровое обозначение 310, имеет форму сферического сегмента 312.

На Фиг.5 представлена версия варианта осуществления, показанного на Фиг.1.

В этом пятом варианте датчик, обозначенный на этом чертеже цифрой 130, имеет форму сферического купола, открытое основание которого обращено вверх, в сторону электрода 10 питания.

В данном случае сферический купол 130 может быть выполнен из плоского материала или из металлической сетки.

На Фиг.6 представлена версия варианта осуществления, показанного на Фиг.2.

В этом шестом варианте датчик, обозначенный на этом чертеже цифрой 230, имеет форму сферического купола (по аналогии с куполом 130 на Фиг.5), открытое основание которого обращено вверх, в сторону электрода 110 питания, и в варианте осуществления внутренняя поверхность этого сферического купола 230 расположена так, чтобы быть равноудаленной от наружной поверхности обращенного к ней сферического сегмента 112.

На Фиг.7 представлена версия варианта осуществления, показанного на Фиг.3.

В этом седьмом варианте датчик, обозначенный на этом чертеже цифрой 330, имеет форму сферического купола (по аналогии с куполом 130 на Фиг.5), открытое основание которого обращено вверх, в сторону электрода 210 питания.

На Фиг.8 представлена версия варианта осуществления, показанного на Фиг.4.

В этом восьмом варианте датчик, обозначенный на этом чертеже цифрой 430, имеет форму сферического купола (по аналогии с куполом 130 на Фиг.5), открытое основание которого обращено вверх, в сторону электрода 310 питания, и в варианте осуществления внутренняя поверхность этого сферического купола 430 расположена так, чтобы быть равноудаленной от наружной поверхности обращенного к ней сферического сегмента 312.

На Фиг.9 представлена версия варианта осуществления, в которой используется дополнительный, по сравнению с предыдущими вариантами осуществления, экранирующий элемент 810, образующий третью внутреннюю камеру 811, внутри которой помещен электрод 10 питания или электрод другого типа и/или формы.

Этот дополнительный экранирующий элемент 810 выполнен из проводящего материала и соединен с проводником А и с электродом 10 питания.

В частности, в предпочтительном варианте второй экранирующий элемент 810 выполнен в форме сферического купола 812, открытое основание которого обращено вниз, а проксимальная область 26 указанного выше экранирующего элемента 20 размещена внутри третьего экранирующего элемента 811.

Приведенное выше описание емкостного датчика для измерения электрического поля используется только в качестве примера, не ограничивающего изобретение, и поэтому очевидно, что этот датчик может быть модифицирован или изменен любым образом на основании опыта и/или согласно его применению, в пределах области притязаний, определяемой следующей далее формулой.

Вследствие сказанного следующая далее формула также представляет собой неотъемлемую часть приведенного выше описания.

Заявленная группа изобретений относится к измерительной технике и, в частности, к емкостным датчикам электрического поля. Первый объект изобретения представляет собой емкостный датчик для измерения электрического поля, генерируемого проводником, находящимся под напряжением. Датчик содержит экранирующий элемент, имеющий первую экранированную камеру с первым открытым концом, обращенным к проводнику. При этом датчик электрического поля расположен внутри первой экранированной камеры, а электрод питания имеет дистальную область, расположенную внутри первой экранированной камеры, и проксимальную область, связанную с проводником, установленные с возможностью погружения в диэлектрическую среду. Датчик электрического поля установлен в сторону дистальной области электрода питания и на расстоянии от дистальной области с возможностью измерения электрического поля, создаваемого упомянутой дистальной областью, электрод питания проходит через первый открытый конец, а датчик электрического поля отнесен по оси от дистальной области электрода питания. При этом область электрода питания имеет форму сплошной воронки, ножка которой направлена в сторону дистального конца. Второй объект изобретения характеризуется наличием электрода, имеющего проксимальную область, соединенную с проводником и выполненную в форме диска. Технический результат - повышение надежности. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Емкостный датчик для измерения электрического поля, генерируемого проводником (А), находящимся под напряжением, включающий экранирующий элемент, содержащий первую экранированную камеру, имеющую первый открытый конец, обращенный к проводнику, датчик электрического поля, расположенный внутри первой экранированной камеры, и электрод питания, имеющий дистальную область, расположенную внутри первой экранированной камеры, и проксимальную область, связанную с проводником (А), установленные с возможностью погружения в диэлектрическую среду, причем датчик электрического поля установлен в сторону дистальной области электрода питания и на расстоянии от дистальной области с возможностью измерения электрического поля, создаваемого упомянутой дистальной областью, электрод питания проходит через первый открытый конец, а датчик электрического поля отнесен по оси от дистальной области электрода питания, при этом область (214) электрода (210) питания имеет форму сплошной воронки (214), ножка (213) которой направлена в сторону дистального конца.

2. Датчик по п.1, в котором стороны (212) указанной воронки (214) выполнены скругленными.

3. Датчик по п.2, в котором радиус (R1) кривизны сторон указанной воронки соответствует минимальному расстоянию между круговым периметром (224) проксимальной области экранирующего элемента (20) и электродом (210) питания с возможностью исключения превышения электрической прочности диэлектрического корпуса (60) и обеспечения необходимой степени изоляции.

4. Датчик по п.1, в котором проксимальная область указанного электрода (210) питания имеет форму диска (211).

5. Датчик по п.2, в котором проксимальная область указанного электрода (210) питания имеет форму диска (211).

6. Датчик по п.3, в котором проксимальная область указанного электрода (210) питания имеет форму диска (211).

7. Датчик по п.1, в котором указанный экранирующий элемент (20) имеет цилиндрическую форму.

8. Датчик по п.2, в котором указанный экранирующий элемент (20) имеет цилиндрическую форму.

9. Датчик по п.3, в котором указанный экранирующий элемент (20) имеет цилиндрическую форму.

10. Датчик по п.4, в котором указанный экранирующий элемент (20) имеет цилиндрическую форму.

11. Емкостный датчик для измерения электрического поля, генерируемого проводником (А), находящимся под напряжением, включающий экранирующий элемент, содержащий первую экранированную камеру, имеющую первый открытый конец, обращенный к проводнику, датчик электрического поля, расположенный внутри первой экранированной камеры, и электрод питания, имеющий дистальную область, расположенную внутри первой экранированной камеры, и проксимальную область, связанную с проводником (А), установленные с возможностью погружения в диэлектрическую среду, причем датчик электрического поля установлен в сторону дистальной области электрода питания и на расстоянии от дистальной области с возможностью измерения электрического поля, создаваемого ею, электрод питания проходит через первый открытый конец, а датчик электрического поля отнесен по оси от дистальной области электрода питания, при этом проксимальная область соединена с проводником (А) указанного электрода питания и имеет форму диска.

12. Датчик по п.11, в котором дистальная область (12) указанного электрода (10) питания имеет цилиндрическую форму (12) со скругленным дистальным концом (14).

13. Датчик по п.11, который дополнительно включает второй экранирующий элемент (810), образующий внутреннюю третью камеру (811), в которой расположен электрод (10) питания.

14. Датчик по п.13, в котором второй экранирующий элемент (810) выполнен из проводящего материала и связан с проводником (А) и электродом (10) питания.

15. Датчик по п.13, в котором второй экранирующий элемент (810) выполнен в форме сферического купола (812).

16. Датчик по п.14, в котором второй экранирующий элемент (810) выполнен в форме сферического купола (812).

17. Датчик по п.15, в котором проксимальная область (26) экранирующего элемента (20) расположена внутри третьей камеры (811).

18. Датчик по п.16, в котором проксимальная область (26) экранирующего элемента (20) расположена внутри третьей камеры (811).

19. Датчик по п.11, в котором дистальный конец указанного электрода (310) питания выполнен в форме сферического сегмента (312).

20. Датчик по п.11, в котором датчик (130, 230, 330, 430) электрического поля выполнен в форме сферического купола, открытое основание которого обращено вверх к электроду питания (10, 110, 210, 310).

21. Датчик по п.11, в котором дистальная область электрода (110; 310) питания выполнена в форме сферического сегмента (112; 312), а датчик (230, 430) электрического поля выполнен в форме сферического купола, открытое основание которого обращено вверх к электроду (110; 310) питания.

22. Датчик по п.21, в котором у сферического купола датчика (230, 430) электрического поля внутренняя поверхность равноудалена от наружной поверхности дистального конца сферического сегмента (112; 312) обращенного к ней электрода (110; 310) питания.

23. Датчик по п.11, который дополнительно содержит схему (50) обработки сигнала, измеренного датчиком (30) электрического поля, установленную внутри экранированной камеры, а экранирующий элемент (20) содержит вторую экранированную камеру (24), расположенную в дистальной области указанного экранирующего элемента (20).

24. Датчик по п.11, который дополнительно содержит вторую экранированную камеру (24), схему (50) обработки сигнала и электрический проводник (40), соединяющий датчик (30) электрического поля со схемой (50) обработки сигнала, а экранирующий элемент (20) дополнительно содержит экранированный канал (23), посредством которого первая камера (21) связана со второй камерой (24), причем электрический проводник (40) установлен внутри указанного экранированного канала (23).

25. Датчик по п.11, в котором дистальная область электрода (110) питания выполнена в форме сферического сегмента (112).