Способ измерения напряженности электрического поля по одной составляющей Российский патент 2023 года по МПК G01R29/08 G01R29/12 

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

Известен способ измерения напряженности электрического поля (патент US 3586973), основанный на помещении в исследуемое пространство полой проводящей сферы, образованной двумя полусферами, разделенными диэлектрическим фланцем, так, что скрепленные фланцем полусферы изолированы друг от друга. Диэлектрический фланец образует узкий изолирующий зазор по экватору сферы. Сфера подвешивается в электрическом поле на диэлектрической нити, так, чтобы плоскость, проходящая через экваториально расположенную изоляционную прокладку, была перпендикулярна вектору распространения электрического поля. Это вызывает протекание тока через изоляционную прокладку, пропорционального напряженности электрического поля.

Достоинство способа измерения напряженности электрического поля заключается в том, устройство для его реализации имеет широкий диапазон входных сигналов, а способ прост в выполнении процесса измерения. Кроме этого, способ имеет максимально возможную чувствительность, т.к. в нем используется датчик с чувствительными элементами в форме полусфер с угловым размером θ₀=90°, имеющими максимальную площадь поверхности. Угловой размер определяется между двумя прямыми, лежащими в одной плоскости и выходящими из центра сферы и проходящими одна через центр чувствительного элемента, а другая через его край.

Недостаток способа состоит в использовании датчика с чувствительными элементами в форме полусфер с угловым размером θ₀=90°. Такой размер чувствительных элементов приводит к значительной отрицательной погрешности от неоднородности поля. В широком пространственном диапазоне измерения 0 ≤ a ≤ ∞ (a=R/d; R – радиус сферы; d – расстояние от центра сферы до источника поля) эта погрешность может достигать -34 %. При ограничении погрешности, например, до -5% ограничивается пространственный диапазон измерения приблизительно до диапазона a=0.3, не позволяющий проводить измерения вблизи источника поля с малой погрешностью. Датчик с отрицательной погрешностью занижает значение напряженности электрического поля.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения напряженности электрического поля (патент на изобретение RU 2231802), который основан на помещении в исследуемое пространство одновременно трех пар проводящих чувствительных элементов, входящих в общий датчик, симметрировании наружных поверхностей датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров поверхностей чувствительных элементов попарно на трех осях выбранной системы координат симметрично относительно её начала, при этом датчик ориентируют в поле так, чтобы одна из составляющих вектора напряженности электрического поля достигла максимального значения, наступающего в момент совпадения направления вектора напряженности с одной из координатных осей датчика, затем удерживают датчик в этом положении и измеряют модуль вектора напряженности по этой координатной оси.

Достоинством способа является использование при измерении напряженности электрического поля трехкоординатного датчика, позволяющего одновременно определять три составляющие вектора напряженности электрического поля.

Недостатком способа является определение напряженности электрического поля измерением одной максимальной из трех значений составляющих вектора напряженности электрического поля по трем координатным осям датчика. Процесс измерения заключается в ориентации датчика в пространстве и сведении двух его составляющих к нулю. Датчик при этом имеет избыточность числа координат, а сам способ - усложненный процесс измерения. Наличие датчика с тремя парами чувствительных элементов в форме сферических сегментов, ограничивает их угловые размеры до θ₀=45°, при большем угловом размере происходит наложение чувствительных элементов друг на друга. Датчик с чувствительными элементами в форме сферических сегментов и угловыми размерами θ₀≤45° в неоднородном поле имеет положительную погрешность, предельное значение которой в широком пространственном диапазоне 0 ≤ a ≤ ∞ достигает +34 % и малую чувствительность. При уменьшении погрешности, например, до +5% ограничивается пространственный диапазон измерения приблизительно до диапазона a=0.25, не позволяющий проводить измерения вблизи источника поля с малой погрешностью. Датчик с положительной погрешностью завышает значение напряженности электрического поля.

Задача изобретения – упростить процесс измерения, повысить его чувствительность и точность в 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 элементов, входящих в общий датчик, симметрировании наружных поверхностей датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров поверхностей чувствительных элементов попарно на осях выбранной системы координат симметрично относительно её начала, при этом датчик ориентируют в поле для достижения максимального значения напряженности электрического поля и удерживают в этом положении, согласно заявленному изобретению, датчик выполняют с одной парой чувствительных элементов в форме сферических сегментов с оптимальным угловым размером θ₀=56.6°, при этом чувствительные элементы являются самостоятельными датчиками, по которым одновременно определяют два значения напряженности электрического поля E₁ и E₂, и по ним находят среднее значение, а затем, при ориентации датчика в электрическом поле, добиваются максимума среднего значения, измеряя которое, находят модуль вектора напряженности электрического поля E.

Предлагаемый способ поясняется на фигурах 1-2, где на фиг. 1 представлена реализация способа, а на фиг. 2 - графики погрешностей от неоднородности электрического поля для заявляемого способа, и способов прототипа и аналога в зависимости от пространственного диапазона измерения.

В основе заявляемого способа лежит двойной сферический однокоординатный датчик, состоящий из проводящего сферического основания 1 и двух проводящих, изолированных друг от друга и сферического основания 1 чувствительных элементов 2 и 3 в форме сферического сегмента, расположенных диаметрально противоположно на одной координатной оси, проходящей через центр сферического основания. Чувствительные элементы 2 и 3 в совокупности со сферическим основанием 1 образуют два самостоятельных и встречно направленных датчика напряженности электрического поля. Чувствительные элементы 2 и 3 через измерительные преобразователи 4 и 5, представляющие собой, например, усилители заряда и сумматор среднего значения 6 соединены с измерительным прибором 7, отградуированным в единицах напряженности электрического поля.

Способ измерения реализуется следующим образом. Датчик с чувствительными элементами помещают в пространство исследуемого поля. При этом на чувствительных элементах 2 и 3 датчика индуцируются противоположные по знаку электрические заряды q₂ и q₃, пропорциональные напряженностям E₁ и E₂ электрического поля

где – чувствительность датчика по чувствительным элементам 2 и 3.

По измеренным значениям Е₁ и Е₂ определяют среднее значение напряженности

где в выражениях (1) - (3) k – коэффициент преобразования, определяемый параметрами усилителя заряда;

– чувствительность заявляемого способа; R – радиус сферического основания датчика; θ₀ – угловой размер чувствительного элемента в форме сферического сегмента; α - угол между направлением вектора напряженности электрического поля и координатной осью датчика; δ₂ и δ₃ – погрешности датчика от неоднородности поля по чувствительным элементам 2 и 3; - – 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]

a=R/d – пространственный диапазон измерения (где R – радиус сферического основания датчика, d – расстояние от центра сферического основания датчика до источника поля); θ₀ – угловой размер чувствительных элементов 2 и 3 датчика в заявляемом способе. Для погрешности δ выполняются условия и т.к. погрешности δ₂ и δ₃ имеют противоположные знаки;

Ориентируют датчик в поле до достижения, в выражении (3), равенства cosα=1, при этом условии среднее значение напряженности электрического поля будет максимальным

Удерживая датчик в этом положении, измеряют модуль вектора напряженности электрического поля. Угловой размер чувствительных элементов θ₀, выполненных в форме сферического сегмента выбирают исходя из требуемой погрешности и пространственного диапазона измерения.

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

Уменьшение погрешности измерения заявляемым способом осуществляется за счет, во-первых, нахождения среднего значения напряженности из двух измеренных, во-вторых, разнознаковых погрешностей δ₂ и δ₃, входящих в суммарную погрешность δ заявляемого способа, и, в-третьих, выбором оптимального значения углового размера чувствительных элементов датчика θ₀ с точки зрения минимума погрешности δ, определяемой выражением (5) и максимума пространственного диапазона измерения a.

Воспользовавшись выражением (5) 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 оптимальным угловым размером θ₀=56,6° погрешность измерения составляет δ=±4,3% в пространственном диапазоне 0≤а≤1. Для способов аналога и прототипа, применяемых в том же пространственном диапазоне (0≤а≤1), угловые размеры чувствительных элементов θ₀ и погрешности δ соответственно равны θ₀=90°и δ < -34% (аналог), θ₀=45° и δ < +34% (прототип). Если для аналога и прототипа ограничить погрешность значениями равными погрешности заявляемого способа, т.е. -4,3% и +4,3% соответственно, то при этом их пространственный диапазон значительно уменьшится и будет 0≤а≤0,28. Эти графики подтверждают значительное уменьшение погрешности в одном и том же пространственном диапазоне измерения для заявляемого способа по отношению к способу аналога и прототипа. В связи с этим, заявляемый способ имеет преимущества перед способами аналога и прототипа, позволяющие при простоте процесса измерений значительно уменьшить погрешность от неоднородности электрического поля и расширить пространственный диапазон измерения. Увеличение чувствительности заявляемого способа можно оценить через коэффициент ,

где G₁ – чувствительность заявляемого способа (см. выражение (4)) для θ₀=56,6°, а - чувствительность способа прототипа (см. выражение (4)) для θ₀=45°. Коэффициент увеличения чувствительности заявляемого способа по отношению к способам прототипа и аналога

– по отношению к способу прототипа

.

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

Упрощение процесса измерения, при применении заявляемого способа осуществлено использованием в процессе измерения однокоординатного датчика. Использование такого датчика позволяет путем его ориентации быстро отыскать максимальное значение модуля вектора напряженности электрического поля E=E_max. Это позволило исключить сложную методику отыскания максимальной составляющей вектора напряженности электрического поля в способе прототипа за счет исключения из процесса измерения нахождение равных нулю двух других составляющих датчика 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 одной составляющей позволяет значительно уменьшить погрешность датчика от неоднородности поля, увеличить его чувствительность и упростить процесс измерения.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения модуля вектора напряженности электрического поля с повышенной точностью в широком пространственном диапазоне измерения при простом процессе измерения. В исследуемое пространство помещают одновременно несколько пар проводящих чувствительных элементов, входящих в общий датчик, с симметричными наружными поверхностями датчика относительно координатных плоскостей с расположенными центрами поверхностей чувствительных элементов попарно на осях выбранной системы координат симметрично относительно её начала, при этом датчик ориентируют в поле для достижения максимального значения напряженности электрического поля и удерживают в этом положении, при этом датчик выполняют с одной парой чувствительных элементов в форме сферических сегментов с оптимальным угловым размером θ₀=56.6°, при этом чувствительные элементы является самостоятельными датчиками, по которым одновременно определяют два значения напряженности электрического поля E₁ и E₂, и по ним находят среднее значение, а затем, при ориентации датчика в электрическом поле, добиваются максимума среднего значения, измеряя которое, находят модуль вектора напряженности электрического поля E. Техническим результатом при реализации заявленного решения является уменьшение погрешности измерения и увеличение его чувствительности и упрощение процесса измерения. 2 ил.

Способ измерения напряженности электрического поля по одной составляющей, основанный на помещении в исследуемое пространство одновременно нескольких пар проводящих чувствительных элементов, входящих в общий датчик, симметрировании наружных поверхностей датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров поверхностей чувствительных элементов попарно на осях выбранной системы координат симметрично относительно её начала, при этом датчик ориентируют в поле для достижения максимального значения напряженности электрического поля и удерживают в этом положении, отличающийся тем, что датчик выполняют с одной парой чувствительных элементов в форме сферических сегментов с оптимальным угловым размером θ₀=56.6°, при этом чувствительные элементы являются самостоятельными датчиками, по которым одновременно определяют два значения напряженности электрического поля E₁ и E₂, и по ним находят среднее значение, а затем, при ориентации датчика в электрическом поле, добиваются максимума среднего значения, измеряя которое, находят модуль вектора напряженности электрического поля E.