ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СОСТАВЛЯЮЩИХ ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ Российский патент 2023 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения составляющих вектора напряженности радиальных электрических полей в широком пространственном диапазоне с малой погрешностью.

Известен датчик электромагнитного поля [Авторское свидетельство СССР № 574683, МКИ G 01 R 29/08. Датчик электромагнитного поля /Е.Г. Горбунова, В.А. Сикарев, В.И. Соловаров. - №2097768/09; Заявлено 14.01.75; Опубл. 30.09.77, Бюл. № 36], содержащий два полуцилиндрических чувствительных элемента, охватывающий корпус из проводящего материала, при этом чувствительные элементы и корпус датчика изолированы друг от друга.

Достоинством датчика является то, что он выполняется двойным, так как на координатной оси датчика расположена диаметрально противоположная пара чувствительных элементов в форме полуцилиндров - цилиндрических прямоугольников. О модуле вектора напряженности электрического поля судят по разности зарядов между диаметрально противоположной парой чувствительных элементов. Использование датчика в дифференциальном включении приводит к повышению точности измерений, за счет уменьшения синфазных составляющих, т.е. внешних электрических помех. Другим достоинством датчика является то, что чувствительные элементы датчика представляют собой полуцилиндры с максимально возможным угловым размером θ₀ = 90°, где угол θ₀  лежит в плоскости основания цилиндра и заключен между двумя прямыми, проходящими через центр и край чувствительного элемента (электрода). Выполнение чувствительного элемента с угловым размером равным θ₀ = 90° обеспечивает максимально возможную чувствительность датчика.

К недостаткам датчика можно отнести то, что он одновременно может измерять только одну составляющую вектора напряженности электромагнитного поля и, следовательно, относится к однокоординатным датчикам. Вследствие этого датчик требует ориентации в электромагнитном поле до получения максимальной составляющей вектора напряженности поля, т.е. его модуля. Кроме того, чувствительные элементы датчика имеют форму полуцилиндров с угловым размером равным θ₀ = 90°. Датчик с такими угловыми размерами чувствительных элементов в неоднородном поле имеет отрицательную погрешность, достигающую ≈-22 % в пространственном диапазоне измерений 0≤а≤1, где a=R/d (R – радиус цилиндрического основания датчика; d – расстояние от оси цилиндрического основания до источника поля). В результате значение напряженности электрического поля будет занижено. В связи с этим датчик не позволяет обеспечить высокую точность измерения напряженности электромагнитного поля в широком пространственном диапазоне измерений.

Наиболее близким устройством к заявляемому является двухкоординатный цилиндрический датчик напряженности электрического поля [ Климашевский И.П., Кондратьев Б.Л., Полетаев В.А., Юркевич В.М. Измеритель вектора напряженности электрического поля высоковольтного оборудования //Измерительная техника. – 1983. - №1. – С.48-49], содержащий металлический цилиндр, разрезанный взаимно перпендикулярными плоскостями YOZ и XOZ , проходящими через ось симметрии цилиндра. Образовавшиеся четыре части цилиндра, представляют собой чувствительные элементы датчика, расположенные на двух координатных осях, каждая из которых проходит через центры противоположных пар чувствительных элементов. На каждой паре диаметрально противоположных чувствительных элементов индуцируются электрические заряды, разности которых пропорциональны соответствующим составляющим вектора напряженности электрического поля E_x и E_y.

Достоинством датчика напряженности электрического поля является, то, что он выполнен двойным и двухкоординатным, состоящим из двух пар диаметрально противоположных чувствительных элементов. Это позволяет получать две составляющие вектора напряженности электрического поля и определять по ним его модуль.

К недостаткам датчика напряженности электрического поля можно отнести низкую чувствительность из-за выполнения чувствительных элементов датчика с угловыми размерами θ₀ = 45°. Датчик с такими угловыми размерами чувствительных элементов в неоднородном поле имеет положительную погрешность, достигающую ≈+12 % в том же пространственном диапазоне измерений 0≤а≤1, что и для датчика аналога. В результате значение напряженности электрического поля будет завышено. Такой угловой размер чувствительных элементов также как и в аналоге, не позволяет датчику обеспечить высокую точность измерения напряженности электромагнитного поля в широком пространственном диапазоне измерений.

Общим недостатком известных датчиков является низкая точность при измерении неоднородных электрических полей и ограниченный пространственный диапазон измерения до источника поля – несколько линейных размеров датчика.

Задача изобретения – уменьшение погрешности измерения напряженности неоднородных радиальных электрических полей, расширение пространственного диапазона измерения.

Задача достигается тем, что в известный датчик для измерения напряженности электрического поля, содержащий проводящее цилиндрическое основание, на поверхности которого изолировано друг от друга и от цилиндрического основания расположены проводящие чувствительные элементы попарно на двух координатных осях, каждая из которых проходит через центры противоположных пар чувствительных элементов, согласно заявляемому техническому решению, для повышения точности измерения на поверхности цилиндра размещаются восемь чувствительных электродов, из которых формируются две пары чувствительных элементов, причем каждый чувствительный элемент состоит из трех чувствительных электродов, один из которых центральный с угловым размером θ₀=30°, и два боковых с угловыми размерами θ₀=15°, являющихся общими для чувствительных элементов, расположенных на другой координатной оси, при этом каждый сформированный чувствительный элемент имеет угловой размер θ₀=60°.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1, а, б изображен датчик напряженности электрического поля (общий вид фиг.1,а и вид с торца фиг.1,б), а на фиг.2 представлены графики погрешности от неоднородности поля для датчиков, реализуемых аналогом, прототипом и предлагаемым датчиком в зависимости от пространственного диапазона измерения a=R/d (где R – радиус цилиндрического основания 1 датчика, d - расстояние от оси цилиндрического основания 1 до источника поля) и различных значений угловых размеров чувствительных элементов θ₀. График, соответствующий аналогу построен для датчика с угловым размером чувствительного элемента θ₀=90°, график, соответствующий прототипу построен для датчика с угловым размером чувствительного элемента θ₀=45°, а график 3 соответствует заявляемому датчику при θ₀=60°.

Основу датчика составляет цилиндрическое проводящее основание 1 длинной l покрытое методом напыления тонким слоем диэлектрика (фиг. 1). На поверхность слоя диэлектрика нанесены восемь проводящих чувствительных электродов 2-9, выполненных в виде цилиндрических прямоугольников симметрично расположенных на цилиндрической поверхности основания датчика. Из восьми чувствительных электродов 2-9 сформированы две диаметрально противоположные пары чувствительных элементов. Каждый чувствительный элемент состоит из трех изолированных друг от друга чувствительных электродов, один из которых центральный и два боковых. Диаметрально противоположные пары чувствительных элементов расположены на координатных осях x и y. По оси x расположены два диаметрально противоположных чувствительных элемента, первый состоит из электродов 3, 2, 9, а второй из электродов 5, 6, 7. По оси y расположены два диаметрально противоположных чувствительных элемента, первый состоит из электродов 7, 8, 9, а второй из электродов 3, 4, 5. Центральные чувствительные электроды 2, 4, 6 и 8 каждого чувствительного элемента являются основными, а боковые чувствительные электроды 3, 5, 7 и 9 являются общими для соседних чувствительных элементов. Центральные чувствительные электроды выполнены с угловым размером θ₁=30°, а боковые чувствительные электроды выполнены с угловым размером θ₂=15°. Сформированный из центрального чувствительного электрода и двух боковых чувствительный элемент имеет угловой размер θ₀=60°.

Поскольку проводящие части датчика, такие как цилиндрическое проводящее основание 1, чувствительные электроды 2-9 изолированы между собой тонким слоем диэлектрика 10 и имеют малую толщину в виду напыления, то всю конструкцию датчика можно считать сплошной проводящей цилиндрической поверхностью, а каждая проводящая часть датчика в электрическом поле будет иметь практически одинаковый электрический потенциал. Кроме этого для обеспечения равного потенциала всех частей датчика, его чувствительные электроды и элементы должны быть подключены к измерительным устройствам с низкоомным входом. В качестве устройств с низкоомным входом могут быть использованы измерители тока, интеграторы тока (усилители заряда). Предпочтение следует отдавать интегратору тока, т.к. его выходное напряжение не зависит от частоты поля и пропорционально зарядам, индуцированным на чувствительных элементах датчика. Проводящее цилиндрическое основание 1 может являться средней точкой датчика для измерительной цепи.

Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.

При внесении сдвоенного датчика в электрическое поле на проводящих электродах 2-9 датчика индуцируются электрические заряды, величина которых пропорциональна составляющим измеряемой напряженности электрического поля Е. Формируя из электродов 2-9 противоположные пары групп чувствительных элементов, состоящих из трех чувствительных электродов: по оси x – 3, 2, 9 и 5, 6, 7; по оси y – 7, 8, 9 и 3, 4, 5, разделенных координатными плоскостями YOZ и XOZ, измеряют разности зарядов ΔQ_x и ΔQ_x между электрически соединенными (через измерительные цепи) парами составных чувствительных элементов, пропорциональные составляющим E_x и E_y вектора напряженности электрического поля. По измеренным составляющим электрического поля определяют модуль напряженности электрического поля E, как

, (1)

где и ;

в однородном поле ; (2)

в неоднородном поле

(3)

Отличие электрических зарядов (см. выражения (2) и (3)), индуцированных однородным и неоднородным полями приводит к погрешности датчика, вызванной неоднородностью поля. С учетом погрешности от неоднородности поля модуль вектора напряженности поля (см. выражение (1)) можно записать

,

где (4)

– погрешность от неоднородности поля [Бирюков, С. В. Исследование электроиндукционного датчика напряженности электромагнитного поля цилиндрической формы направленного приема // Вестник Воронежского государственного технического университета. Т. 19. № 2. - 2023. – С. 111–118].

В выражении (4) а=R/d – пространственного диапазона измерения, R – радиус цилиндрического основания датчика, d – расстояние от оси цилиндрического основания датчика до источника поля, θ₀ - угловой размер чувствительного элемента датчика.

Уменьшение погрешности подтверждает фиг. 2, где в качестве примеров приведены графики погрешности от неоднородности электрического поля в зависимости от пространственного диапазона измерения a=R/d для аналога δ₁, прототипа δ₂ и заявляемого устройства δ.

График δ₁ соответствует датчику аналога при θ₀=90°, а график δ₂ соответствует датчику прототипа при θ₀=45°, а график δ соответствует заявляемому датчику при θ₀=60°.

Из графиков фиг. 2 следует, что заявляемый датчик позволяет не только снизить погрешность измерения неоднородных электрических полей до 1 % (см. график δ для заявляемого датчика), но и расширить пространственный диапазон измерения до a≤0,5 (d≥2R). В то время для аналога и прототипа при той же погрешности пространственные диапазоны измерения одинаковы и не превышают a≤0.18 (d≥5R).

Таким образом, использование заявляемого датчика позволяет уменьшить погрешность до 1 % при измерении составляющих вектора напряженности неоднородных электрических полей и расширить пространственный диапазон измерения до a≤0,5 (d≥2R) по сравнению с известными датчиками, у которых при той же погрешности пространственный диапазон измерения составляет a≤0,18 (d≥5R).

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения составляющих вектора напряженности радиальных электрических полей в широком пространственном диапазоне с малой погрешностью. Двухкоординатный цилиндрический датчик составляющих вектора напряженности электрического поля содержит проводящее цилиндрическое основание, на поверхности которого изолированно друг от друга и от цилиндрического основания расположены проводящие чувствительные элементы попарно на двух координатных осях, каждая из которых проходит через центры противоположных пар чувствительных элементов. На поверхности цилиндра размещаются восемь чувствительных электродов, из которых формируются две пары чувствительных элементов, причем каждый чувствительный элемент состоит из трех чувствительных электродов, один из которых центральный с угловым размером θ₁=30° и два боковых с угловыми размерами θ₂=15°, являющихся общими для чувствительных элементов, расположенных на другой координатной оси, при этом каждый сформированный чувствительный элемент имеет угловой размер θ₀=60°. Технический результат - уменьшение погрешности измерения и расширение пространственного диапазона измерения до a≤0,5 (d≥2R) по сравнению с известными датчиками. 2 ил.

Датчик напряженности электрического поля, содержащий проводящее цилиндрическое основание, на поверхности которого изолированно друг от друга и от цилиндрического основания расположены проводящие чувствительные элементы попарно на двух координатных осях, каждая из которых проходит через центры противоположных пар чувствительных элементов, отличающийся тем, что для уменьшения погрешности на поверхности цилиндра размещены восемь чувствительных электродов, из которых формируются две пары чувствительных элементов, причем каждый чувствительный элемент состоит из трех чувствительных электродов, один из которых центральный с угловым размером θ₁=30° и два боковых с угловыми размерами θ₂=15°, являющихся общими для чувствительных элементов, расположенных на другой координатной оси, при этом каждый сформированный чувствительный элемент имеет угловой размер θ₀=60°.