Способ измерения напряженности электрического поля по равенству трех составляющих Российский патент 2023 года по МПК G01R29/08 G01R29/12 

Изобретение относится к области измерительной технике и может быть использовано для измерения модуля вектора напряженности электрического поля с повышенной чувствительностью и простой реализацией процесса измерения.

Известен 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.

Достоинство способа аналога состоит в определение модуля вектора напряженности электрического поля измерением алгебраической суммы двух равных составляющих вектора напряженности электрического поля и выбора размеров чувствительных элементов датчика из условия минимума погрешности от неоднородности электрического поля при максимальном пространственном диапазоне. В связи с этим способ имеет повышенную чувствительность и минимально возможную погрешность в относительно широком пространственном диапазоне.

Недостаток способа заключается в сложности его реализации, как в физическом исполнении, так и в процессе применения. Это связано с тем, что для применения способа требуется трехкоординатный датчик. А процесс измерения заключается в ориентации датчика в пространстве для сведения одной из его составляющих к нулю, и последующей ориентации датчика между двух составляющих. Это приводит к избыточности числа координат датчика и усложнению процесса измерения.

Наиболее близким к заявляемому способу является 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 погрешность в относительно широком пространственном диапазоне. При этом также исключается избыточность числа координат датчика.

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 его реализации как в физическом исполнении, так в процессе применения. 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.

Общими достоинствами способов аналога и прототипа является минимально возможная погрешность и относительно широкий пространственный диапазон измерения. Общими недостатками способов аналога и прототипа является сложность их реализации как в физическом исполнении, так в процессе применения и малая чувствительность.

Задача изобретения – при сохранении минимально возможной погрешности и относительно широкого пространственного диапазона измерений повысить чувствительность способа и упростить его процесс измерения.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе измерения напряженности электрического поля, основанном на помещении 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, согласно заявленному изобретению датчик выполняют сферическим, а число пар чувствительных элементов выбирают равным n=3, при этом чувствительные элементы выполняют в форме сферических сегментов или их частей и гальванически связывают их между собой по три чувствительных элемента, входящих в каждую пару одной диаметрально противоположной стороны датчика, и проводят ориентацию датчика в пространстве до получения максимального значения напряженности электрического поля, по которому определяют модуль вектора напряженности электрического поля.

Предлагаемый способ поясняется чертежом (фиг. 1). В основе способа лежит сферический трехкоординатный датчик, состоящий из проводящего сферического основания 1 и трех пар проводящих чувствительных элементов 2-7, находящихся в парах 2-3, 4-5 и 6-7. Чувствительные элементы это наружные проводящие сферические поверхности симметричные относительно плоскостей декартовой системы координат, например в трех ординатах сферического основания 1. Центры этих поверхностей попарно расположены на осях той же системы координат симметрично относительно её начала 0. Чувствительные элементы выполнены в форме сферических сегментов или их частей и гальванически связаны между собой по три чувствительных элемента 2, 4, 6 и 3, 5, 7, входящих в каждую пару одной диаметрально противоположной стороны датчика, Образующие таким образом две пары чувствительных элементов через дифференциальный измерительный преобразователь (ДИП) 8 соединены с регистрирующим устройством 9, отображающим максимальное значение напряженности электрического поля, по которому определяют его модулю.

Способ измерения реализуется следующим образом. Датчик с тремя парами чувствительных элементов 2-3, 4-5 и 6-7 помещают в исследуемое поле и ориентируют его в пространстве так, чтобы модуль алгебраической суммы трех составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика, регистрируемый устройством 9 был максимальным, т.е. E=E_max(E_x+E_y+E_z). При этом условии вектор напряженности электрического поля будет равноудален от координатных осей x, y и z датчика, а его составляющие E_x, E_y и E_z по координатным осям будут равны, т.е. E_x=E_y=E_z. Удерживая датчик в этом положении, измеряют алгебраическую сумму составляющих вектора напряженности электрического поля по трем координатным осям, пропорциональную его модулю.

При использовании заявляемого способа упрощается процесс измерения, увеличивается его чувствительность при сохранении минимально возможной погрешности измерения неоднородных электрических полей и относительно широкого пространственном диапазоне измерения.

Упрощение процесса измерения, при применении заявляемого способа осуществлено использованием в процессе измерения трехкоординатного 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 максимально, т.е. E=E_max(E_x+E_y+E_z). Это позволяет исключить сложную методику отыскания равенства трех составляющих датчика по звуковым, световым или иным сигналам, свидетельствующим об отклонении вектора напряженности электрического поля от координатных осей датчика.

Поскольку в способе прототипа и в заявляемом способе могут использоваться чувствительные элементы с одинаковыми угловыми размерами θ₀, определяющими погрешность от неоднородности электрического поля и пространственный диапазон измерения, то заявляемый способ будет обладать той же погрешностью и тем же пространственным диапазоном измерения, что и способ прототипа. Однако получение равного результата проще достигается заявляемым способом, поскольку в нем упрощена процедура процесса измерений.

Увеличение чувствительности заявляемого способа достигается за счет изменения подхода к определению модуля вектора напряженности электрического поля. В способе прототипа модуль вектора напряженности электрического поля определяется по одной из трех равных составляющих датчика

В заявляемом способе модуль вектора напряженности электрического поля определяется по максимальному значению суммы трех равных составляющих датчика

Из сравнений выражений (1) и (2) видно, что чувствительность заявляемого способа увеличилась в три раза по отношению к способу прототипа.

Таким образом, заявляемый способ измерения напряженности электрического поля по равенству трех составляющих позволяет при сохранении минимально возможной погрешности и относительно широкого пространственном диапазоне измерения прототипа в три раза повысить чувствительность способа и упростить его процесс измерения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения модуля вектора напряженности электрического поля. Технический результат: повышение чувствительности и упрощение процесса измерения. Сущность: в исследуемое пространство помещают сферический датчик с тремя парами проводящих чувствительных элементов в форме сферических сегментов или их частей. Гальванически связывают между собой по три чувствительных элемента, входящих в каждую пару одной диаметрально противоположной стороны датчика. Симметрируют наружные поверхности датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров поверхностей чувствительных элементов попарно на осях выбранной системы координат симметрично относительно её начала. Проводят ориентацию датчика в пространстве до получения максимального значения напряженности электрического поля, по которому определяют модуль вектора напряженности электрического поля. 1 ил.

Способ измерения напряженности электрического поля по равенству трех составляющих, основанный на помещении 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, отличающийся тем, что датчик выполняют сферическим, а число пар чувствительных элементов выбирают равным n=3, при этом чувствительные элементы выполняют в форме сферических сегментов или их частей и гальванически связывают их между собой по три чувствительных элемента, входящих в каждую пару одной диаметрально противоположной стороны датчика, и проводят ориентацию датчика в пространстве до получения максимального значения напряженности электрического поля, по которому определяют модуль вектора напряженности электрического поля.