СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ Российский патент 2020 года по МПК G01R29/12 

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

Известен способ измерения напряженности электрического поля [Патент № 2200330 РФ, МПК G 01 R 29/08, МПК G 01 R 29/12. Способ измерения напряженности электрического поля / С.В. Бирюков. - №2001104744; Заявлено 07.10.2002; Опубл. 27.04.2003, Бюл № 12] путем помещения в исследуемое пространство датчика с чувствительными элементами, а для повышения точности измерений датчик ориентируют в электрическом поле так, чтобы сумма потоков вектора напряженности электрического поля через чувствительные элементы была минимальна или равна нулю, а затем поддерживают датчик в этом положении и определяют модуль вектора напряженности электрического поля. Конфигурация и размеры чувствительных элементов должны быть одинаковыми.

Недостатком способа является то, что для достижения повышенной точности измерения необходима ориентация датчика в электрическом поле. Кроме того, чувствительные элементы датчика, используемые в способе, выполнены в форме шаровых (сферических) сегментов с угловыми размерами θ₀≤45°, являются частью половины шара (полусферы) имеющего угловой размер θ₀=90°. Датчик с чувствительными элементами в форме сферических сегментов и угловыми размерами θ₀≤45° в неоднородном поле имеет положительную погрешность. В результате значение определенного модуля вектора напряженности электрического поля будет завышено по отношению к напряженности исходного поля.

Известен также способ измерения напряженности электрического поля, реализованный в устройстве для измерения составляющих электрического поля [Авторское свидетельство № 920569 СССР, МКИ G01R 29/08, Устройство для измерения составляющих электрического поля / И.В. Хахамов. - №2954934/18-21; Заявлено 10.07.1980; Опубл. 15.04.1982, Бюл № 14], заключающийся в том, что в исследуемое пространство вносится датчик, содержащий для повышения точности измерений сферический корпус и восемь измерительных электродов. Измерительные электроды выполнены в форме конгруэнтных сферических треугольников, из которых формируются две группы из четырех измерительных электродов, образующих две противоположные полусферы, одной из трех пространственной системы координат.

Недостатком способа является то, что для достижения повышенной точности измерения из восьми конгруэнтных сферических треугольников, формируются две группы из четырех измерительных электродов, образующих две противоположные полусферы. Датчик с измерительными электродами в форме полусфер имеющих угловой размер θ₀=90° в неоднородном поле имеет отрицательную погрешность. В результате значение определенного модуля вектора напряженности электрического поля будет занижено по отношению к напряженности исходного поля.

Общим недостатком известных способов является ограниченный пространственный диапазон измерения, определяемый размерами датчика и не возможность определения погрешности измеряемой напряженности электрического поля.

Задача изобретения - повышение точности измерения модуля вектора напряженности электрического поля, определения погрешностей, пространственного диапазона измерения и расстояния до источника поля.

Задача достигается путем помещения датчика в исследуемую точку исходного поля и измерении модуля вектора напряженности поля по его выходному сигналу, отличающийся тем, что, в туже точку поля помещают второй датчик, имеющий противоположную по знаку и отличающуюся по модулю погрешность и определяют по нему модуль вектора напряженности электрического поля, а затем по определенным модулям вектора напряженности электрического поля Е₁ и Е₂ вычисляют их отношение k₀=E₁/E₂ и пространственный диапазон измерения (R - линейный размер датчика; d - расстояние до источника поля), по которым определяют погрешности

и ,

через которые вычисляют напряженности E₀'=E₁/(1+δ₁) и E₀''=E₂/(1+δ₂), а затем определяют среднее значение модуля вектора напряженности электрического исходного поля по формуле Е₀=(Е₀'+Е₀'')/2.

Предлагаемый способ поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг. 1. представлена реализация способа с первым датчиком 1 и вторым датчиком 2, а на фиг.2 представлены графики погрешностей от неоднородности электрического поля для способов, реализуемых первым и вторым аналогами в зависимости от пространственного диапазона измерения и график той же погрешности заявляемого способа в большом масштабе по погрешности рис. 2, а и в малом масштабе по погрешности рис.2, б.

Способ измерения реализуется следующим образом. В исследуемую исходного точку электрического поля поочередно помещают первый и второй датчики сферической формы, имеющие противоположные по знаку погрешности, вызванные неоднородностью поля. Графики этих погрешностей в зависимости от пространственного диапазона измерения a для аналога 1 и аналога 2 представлены на фиг. 2, из которых следует, что датчик с угловым размером чувствительного элемента θ₀=45°, во всем пространственном диапазоне, имеет значительную положительную, а датчик с угловым размером чувствительного элемента θ₀=90° - значительную отрицательную погрешность.

В основе построения графиков этих погрешностей лежит известное выражение для 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 основания датчика, d - расстояние от центра сферического основания датчика до источника поля, θ₀ - угловой размер чувствительного элемента датчика.

Далее каждым датчиком измеряют модули вектора напряженности электрического поля в данной точке поля, соответственно равные E₁ и E_2. Затем, по измеренным напряженностям Е₁ и Е₂ вычисляют их отношение k₀=E₁/E₂.

Затем по установленной эмпирической формуле

(R - линейный размер датчика; d - расстояние до источника поля) - находят пространственный диапазон измерения датчиков. Эмпирическая формула (2) была получена с использование формулы (1) и установлением взаимосвязи между a и k₀ с последующей аппроксимацией.

По полученным значениям a и k₀ определяют погрешности измерения Е₁ и Е₂

и ,

Далее вычисляют напряженности исходного поля E₀, полученные первым E₀'=E₁/(1+δ₁) и вторым датчиком E₀''=E₂/(1+δ₂).

Затем по ним находят среднее значение модуля вектора напряженности электрического поля Е=(Е₀'+Е₀'')/2.

Повышение точности измерения напряженности реальных неоднородных электрических полей достигается путем полученной новой возможностью определения погрешностей измерения значений напряженности электрического поля Е₁ и Е₂ (формул 3) и по известной связи E₀=E/(1+δ) определении исходного значения напряженности поля E₀.

Зависимость погрешности заявляемого способа измерения напряженности электрического поля от пространственного диапазона измерения представлена в графическом виде на фиг. 2 и в табличном вида в табл. 1.

Таблица 1

a 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 δ, % -20⋅10^-3 73⋅10^-3 52⋅10^-3 -48⋅10^-3 -41⋅10^-3 0,242 0,698 1,246 0,483

По формуле (2) и зная радиус датчик R можно определить расстояние до источника поля, как

Из фиг. 2 и таблицы 1 следует, что предложенный способ позволяет свести практически к нулю погрешность измерения неоднородных электрических полей (δ<1) и значительно расширить пространственный диапазон измерения (a≈1). Незначительное увеличение погрешности вблизи a≈0.8 объясняется неточностью совпадения эмпирической зависимости (2) с реальной зависимостью.

Таким образом, используя заявляемый способ измерения можно добиться значительного повышения точности измерения напряженности неоднородных электрических полей, определить погрешности измерения, расширить пространственный диапазон измерений по сравнению с известными способами и определить расстояние до источника поля.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью. Сущность: способ заключается в помещении датчика в исследуемую точку поля и определении модуля вектора напряженности измеряемого поля по его выходному сигналу. В ту же точку поля помещают второй датчик, имеющий противоположную по знаку и отличающуюся по модулю погрешность и определяют по нему модуль вектора напряженности электрического поля. Затем по определенным модулям вектора напряженности электрического поля Е₁ и Е₂ вычисляют их отношение k₀=E₁/E₂ и пространственный диапазон измерения (R – линейный размер датчика; d - расстояние до источника поля). По вычисленным величинам определяют погрешности

и ,

через которые вычисляют напряженности E₀'=E₁/(1+δ₁) и E₀''=E₂/(1+δ₂). Затем определяют среднее значение модуля вектора напряженности электрического исходного поля по формуле Е₀=(Е₀'+Е₀'')/2. Технический результат: повышение точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне измерений. 2 ил., 1 табл.

Способ измерения напряженности электрического поля, основанный на помещении датчика в исследуемую точку исходного поля и измерении модуля вектора напряженности измеряемого поля по его выходному сигналу, отличающийся тем, что в ту же точку поля поочередно помещают второй датчик, имеющий противоположную по знаку и отличающуюся по модулю погрешность, и определяют по нему модуль вектора напряженности электрического поля, а затем по определенным модулям вектора напряженности электрического поля Е₁ и Е₂ вычисляют их отношение k₀=E₁/E₂ и пространственный диапазон измерения (R – линейный размер датчика; d – расстояние до источника поля), по которым определяют погрешности

и ,

через которые вычисляют напряженности E₀'=E₁/(1+δ₁) и E₀''=E₂/(1+δ₂), а затем определяют среднее значение модуля вектора напряженности электрического исходного поля по формуле Е=(Е₀'+Е₀'')/2.