ОДНОКООРДИНАТНЫЙ СФЕРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ Российский патент 2023 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения модуля вектора напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с малой погрешностью.

Известен датчик напряженности электрического поля [Патент США №3586973 «Standard field strength meter», МКИ G01 r 31/02], 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.

Достоинством датчика является то, что он выполняется двойным, так как на его координатных осях расположены пары диаметрально противоположных проводящих чувствительных элементов. При использовании датчика в дифференциальном включении повышается точность измерений, за счет уменьшения влияния синфазных составляющих, вызванных внешними электрическими помехами.

К недостатку датчика можно отнести выполнение его чувствительных элементов в форме полусфер (двуугольник с угловыми размерами α₀=90° и β₀=90°) с максимально возможным угловым размером, задаваемым углом θ₀=90°, лежащим между осью сферического основания и границей чувствительные элемента. Такие угловые размеры чувствительных элементов датчика приводит к значительной отрицательной погрешности от неоднородности поля. В широком пространственном диапазоне измерения от а=0 до a=R/d=1 (d=R) погрешность может достигать минус 33%, где R - радиус сферического основания датчика, d - расстояние от центра сферического основания до источника поля. При а=0 - поле однородное, а при a=1 - сильно неоднородное. Уменьшение пространственного диапазона измерений до a=0,5 (d=2R, чаще всего используемое условие) приводит к уменьшению погрешности датчика до ~13%. Датчик с отрицательной погрешностью будет занижать значение напряженности электрического поля.

Наиболее близким датчиком к заявляемому, является датчик напряженности электрического поля с чувствительными элементами в форме сферического двуугольника [Патент RU № 215001, МКИ G01 R 29/12], содержащий проводящее сферическое основание, на поверхности которого изолировано друг от друга и от проводящего основания, на одной координатной оси попарно расположены два чувствительных элемента, выполненных в форме сферических двуугольников с угловыми размеры α₀=90° и β₀, где β₀ может принимать значения 43,4°≤β₀≤48,7°.

Датчик обладает теми же достоинствами, что и датчик-аналог. Кроме этого при изготовлении датчика за счет выполнения углового размера β₀ чувствительного элемента из диапазона 43,4°≤β₀≤48,7° можно получать датчики с погрешностями 0,3 %<δ<3,5 %. Угловому размеру β₀=48,7° соответствует погрешность от неоднородности поля δ≈0,3 % и пространственный диапазон измерения a=0,65. А угловому размеру β₀=43,4° соответствует погрешность от неоднородности поля δ≈3,5 % и пространственный диапазон измерения a=0,95.

К недостатку датчика можно отнести выполнение его чувствительных элементов, выполненных в форме сферических двуугольников, с угловыми размерами α₀=90° и 43,4°≤β₀≤48,7°. При таких угловых размерах β₀, в широком пространственном диапазоне измерения от 0≤а≤1 погрешности датчика будут принимать значения от +3,5 % до -11%, т.е. будут изменяться от положительной до отрицательной.

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 электрических полей и расширение пространственного диапазона измерения.

Задача достигается тем, что в известный датчик для измерения напряженности электрического поля, содержащий проводящее сферическое основание, на поверхности которого изолировано друг от друга и от проводящего основания, на одной координатной оси попарно расположены чувствительные элементы, выполненных в форме сферических двуугольников, согласно заявляемому техническому решению, в датчик дополнительно введены две пары чувствительных элементов, три дифференциальных преобразователя и два сумматора, первый сумматор имеет два не инвертирующих и один инвертирующий входы, а второй сумматор имеет два входа, первые чувствительные элементы соответствующей пары элементов выполнены с возможностью соединения с первыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, а вторые чувствительные элементы этой же пары выполнены с возможностью соединения с вторыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, причем первый вход второго сумматора соединен с первым не инвертирующим входом первого сумматора и выходом первого дифференциального преобразователя, а второй вход второго сумматора соединен с выходом первого сумматора, второй не инвертирующий вход которого соединен с выходом второго дифференциального преобразователя, а третий инвертирующий вход соединен с выходом третьего дифференциального преобразователя, при этом выход второго сумматора является выходом датчика, а чувствительные элементы каждой пары выполнены с угловыми размерами α₀=90° и β₀= 30°.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1, а, б изображена механическая часть датчика напряженности электрического поля (общий вид фиг. 1,а и вид в разрезе фиг. 1,б), на фиг. 2 изображен датчик с механической и электрической частью, а на фиг. 3 представлены графики погрешности от неоднородности поля для датчиков, реализуемых аналогом, прототипом и предлагаемым датчиком в зависимости от пространственного диапазона измерения a. График 1 соответствует датчику аналога при θ₀=90° (α₀=90° и β₀= 90°), график 2 соответствует датчику прототипа при α₀=90° и β₀=30 (β₀ лежит вне пределов оптимальных значений 43,4°≤β₀≤48,7°), графики 3 и 4 соответствуют датчику прототипа при крайним оптимальным значениям β₀, график 5 соответствуют датчику прототипа середины диапазона измерения оптимальным значениям β₀=46,6°, а график 6 соответствует заявляемому датчику.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1, а, б изображена конструктивная часть датчика напряженности электрического поля (общий вид фиг. 1,а и вид в разрезе фиг. 1,б), на фиг. 2 изображен датчик с конструктивной и электрической частью, а на фиг. 3 представлены графики погрешности от неоднородности поля для датчиков, реализуемых аналогом с угловыми размерами чувствительных элементов α₀=90° и β₀= 90°, прототипом при двух крайних узловых размерах α₀=90°, β₀=43,4° и α₀=90°, β₀=48,7°, промежуточном угловом размере α₀=90°, β₀=46,6° и вне диапазона изменения 43,4°≤β₀≤48,7° угловом размере α₀=90°, β₀=30,7° чувствительных элементов, а также предлагаемым датчиком в зависимости от пространственного диапазона измерения a. График 1 соответствует датчику аналога при θ₀=90° (α₀=90° и β₀= 90°), а график 2 соответствует датчику прототипа при α₀=90° и β₀=30°, а график 3 соответствует заявляемому датчику.

Заявляемый датчик напряженности электрического поля содержит сферическое проводящее основание 1, шесть проводящих чувствительных электродов 2-7, три дифференциальных измерительных преобразователя 8-10, сумматор 11 на три входа (два не инвертирующих и один инвертирующий входы), сумматор 12 на два входа. Шесть чувствительных электродов 2-7, выполнены в форме сферических двуугольников симметрично расположены на сферической поверхности основания датчика. Из шести чувствительных электродов 2-7 формируются два условных датчика с одной координатной осью y. Первый датчик состоит из диаметрально противоположной пары чувствительных элементов 2 и 5, расположенной на координатной оси y, проходящей через центры противоположных пар чувствительных элементов (см. фиг. 1). Все чувствительные элементы выполнены в форме сферических двуугольников с угловыми размерами α₀=90° и β₀=30°. Второй датчик имеет две пары составных чувствительных элементов, состоящих из электродов 2, 3, 7 и 4, 5, 6, расположенных на координатной оси у. Составные чувствительные элементы имеют форму двуугольника с угловыми размерами α₀=90° и β₀= 90° (полусфера). Во втором датчике чувствительные электроды 2 и 5 являются центральными, а чувствительные электроды 3, 7 и 4 и 6 являются боковыми чувствительными электродами. Сформированный из центрального чувствительного электрода и двух боковых чувствительный элемент имеет угловые размеры α₀=90° и β₀= 90° (полусфера). Чувствительные элементы 2-5, 3-6 и 4-7 попарно подключены к первым и вторым входам первого 8, второго 9 и третьего 10 дифференциальных измерительных преобразователей, выходы которых соединены с первым, вторым и третьим входами сумматора 11, причем выходы первого и второго дифференциальных измерительных преобразователей соединены к не инвертирующим входам, а выход третьего дифференциального измерительного преобразователя соединен с инвертирующим входом сумматора 11. Выходы первого дифференциального измерительного преобразователя 8 и сумматора 11 соответственно являются выходами первого и второго условно сформированных датчиков. Выходы дифференциального измерительного преобразователя 8 и сумматора 11 соединены с входами сумматора 12, выход которого является выходом заявляемого датчика.

Поскольку проводящие части датчика, такие как сферическое проводящее основание 1, чувствительные электроды 2-7 изолированы между собой тонким слоем диэлектрика (слой диэлектрика на фиг. 1 не показан) и имеют малую толщину в виде напыления, то всю конструкцию датчика можно считать сплошной проводящей сферической 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 преобразователям с низкоомным входом. В качестве измерительных преобразователей с низкоомным входом могут быть использованы измерители тока, интеграторы тока (усилители заряда). Предпочтение следует отдавать интеграторам тока, т.к. его выходное напряжение не зависит от частоты поля и пропорционально зарядам, индуцированным на чувствительных элементах датчика. Проводящее сферическое основание 1 может являться средней точкой датчика для измерительной цепи.

Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.

В исследуемую точку электрического поля помещают датчик и ориентируют его по направлению поля. Под действием электрического поля на чувствительных электродах 2-7 индуцируются электрические заряды. С помощью дифференциальных преобразователей 8 - 10 заряды с пар 2-5, 3-6 и 4-7 чувствительных элементов преобразуются в напряжения U₁, U₂ и U₃. С помощью сумматора 11 эти напряжения суммируются и преобразуются в напряжение U₄ Напряжения U₁, U₂ и U₃ пропорциональны разности зарядов с пар чувствительных элементов 2-5, 3-6, 4-7

; ; .

Тогда напряжение U₄, после сумматора 11, будет определяться выражением

.

Отсюда следует, что напряжения U₁ и U₄ пропорциональны разности зарядов с первого условного датчика (чувствительные элементы 2-5) и второго условного датчика (чувствительные элементы 2, 3, 7 - 4, 5, 6), которые в свою очередь пропорциональны E₁ и E₂ напряженности измеряемого электрического поля, воспринимаемые первым и вторым условными датчиками. Далее напряжения U₁ и U₄ с дифференциального преобразователя 8 и сумматора 11 суммируются сумматором 12 (коэффициент суммирования равен 1/2). Суммарное напряжение с сумматора 12 является выходным напряжением датчика, пропорциональным измеряемой напряженности электрического поля .

Датчик имеет повышенную точность измерения неоднородных электрических полей и широкий пространственный диапазон измерения. Повышение точности измерения напряженности реальных неоднородных электрических полей достигается тем, что в неоднородном поле измеренные значения напряженности электрического поля Е₁ и Е₂ содержат противоположные по знаку относительные погрешности от неоднородности поля, соответственно изменяющиеся 0≤δ₁≤31 % и 0≤δ₂≤-33 % в пространственном диапазоне 0≤а≤1. С учетом погрешностей, можно записать

и ,

где Е₀ - модуль вектора напряженности электрического поля до внесения датчика в поле. Согласно изобретению результат измерения модуля вектора напряженности электрического поля вычисляется по формуле

где - результирующая погрешность.

Для датчика аналогов эта погрешность определяется выражением, приведенном в работе [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 корпуса датчика, d - расстояние от центра сферического корпуса датчика до источника поля, θ₀=90° - угловой размер чувствительного элемента датчика в форме полусферы или сферического двуугольника с угловыми размерами α₀=90° и β₀= 90°. С такими угловыми размерами сферический двуугольник представляет собой полусферу.

Для прототипа и заявляемого датчика результирующая погрешность δ определяется более сложным выражением, приведенным в работе [Бирюков С.В. Датчик напряженности электрического поля с электродами в форме сферических многоугольников / С.В. Бирюков, А.С. Шиликов. // Омский научный вестник, вып. 18. - 2002. - С. 123-127]. Выражение для погрешности представляет собой функциональную зависимость вида δ=f(α₀,β₀,a), где α₀=90° и β₀ - угловые размеры чувствительных элементов в форме двуугольника, a - пространственный диапазон измерения, характеризующий степень неоднородности поля.

Уменьшение погрешности датчика и расширение его пространственного диапазона измерения достигается за счет условного разделения датчика на два с взаимно противоположными по знаку погрешностями и выполнения шести чувствительных электродов датчика в форме сферических двуугольников с угловыми размерами α₀=90° и β₀=30°.

Сравнительный анализ графиков 3-5 для прототипа и графика 6 для заявляемого датчика показывает значительное преимущество заявляемого датчика по погрешности и пространственному диапазону измерений перед прототипом. Для сравнения взяты крайние угловые размеры чувствительных элементов датчика прототипа β₀=43,4° и β₀=48,7° и в середине диапазона β₀=46,6°.

Так, например, сравнение графика 3 (прототип β₀=48,7°) с графиком 6 (заявляемый) показывает, что в пространственном диапазоне 0≤а≤0,5 погрешности датчиков приблизительно равны δ≈0,3 %, но противоположны по знаку, однако в пространственном диапазоне 0,5≤а≤1, пространственный диапазон датчика прототипа сужается до а≈0,73. При этом пространственный диапазон заявляемого датчика достигает а≈1. Т.е. при равных по модулю погрешностях заявляемый датчик имеет больший пространственный диапазон измерения. При сравнении графика 4 (прототип β₀=43,4°) и графика 6 (заявляемый датчик) устанавливается, что во всем пространственном диапазоне измерений 0≤а≤1 погрешность заявляемого датчика значительно ниже и составляет δ≈1,08 %, когда у датчика прототипа δ≈3,5 %. Сравнение графика 5, соответствующего датчику прототипу с угловым размерам β₀=46,6° чувствительных элементов, входящими в середину диапазона 43,4°≤β₀≤48,7° и графика 6 (заявляемый датчик) показывает, что при равных погрешностях δ≈1,08 % заявляемый датчик имеет больший пространственный диапазон измерения (а≈1) в сравнении с датчиком прототипа (а≈0,73).

Таким образом, использование заявляемого датчика позволяет уменьшить погрешность до ~1 % при измерении напряженности неоднородных электрических полей и расширить пространственный диапазон измерения до a≤1 (d≥R) по сравнению с известными датчиками, у которых при той же погрешности пространственный диапазон измерения составляет a≤0,73 (d≥1,4R).

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения модуля вектора напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с малой погрешностью. Сущность: однокоординатный сферический датчик напряженности электрического поля содержит проводящее сферическое основание, на поверхности которого изолированно друг от друга и от проводящего основания на одной координатной оси попарно расположены чувствительные элементы, выполненные в форме сферических двуугольников. Датчик дополнительно содержит две пары чувствительных элементов, три дифференциальных измерительных преобразователя и два сумматора. Первый сумматор имеет два неинвертирующих и один инвертирующий входы. Первые чувствительные элементы соответствующей пары выполнены с возможностью соединения с первыми входами дифференциальных измерительных преобразователей выходных сигналов датчика. Вторые чувствительные элементы этой же пары выполнены с возможностью соединения со вторыми входами дифференциальных измерительных преобразователей выходных сигналов датчика. Первый вход второго сумматора соединен с первым неинвертирующим входом первого сумматора и выходом первого дифференциального измерительного преобразователя. Второй вход второго сумматора соединен с выходом первого сумматора, второй неинвертирующий вход которого соединен с выходом второго дифференциального измерительного преобразователя, а третий инвертирующий вход соединен с выходом третьего дифференциального измерительного преобразователя. Выход второго сумматора является выходом датчика. Чувствительные элементы каждой пары выполнены с угловыми размерами α₀=90° и β₀=30°. Технический результат: уменьшение погрешности измерения напряженности неоднородных электрических полей и расширение пространственного диапазона измерения. 3 ил.

Однокоординатный сферический датчик напряженности электрического поля, содержащий проводящее сферическое основание, на поверхности которого изолированно друг от друга и от проводящего основания, на одной координатной оси попарно расположены чувствительные элементы, выполненные в форме сферических двуугольников, отличающийся тем, что в датчик дополнительно введены две пары чувствительных элементов, три дифференциальных преобразователя и два сумматора, первый сумматор имеет два неинвертирующих и один инвертирующий входы, а второй сумматор имеет два входа, первые чувствительные элементы соответствующей пары элементов выполнены с возможностью соединения с первыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, а вторые чувствительные элементы этой же пары выполнены с возможностью соединения со вторыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, причем первый вход второго сумматора соединен с первым неинвертирующим входом первого сумматора и выходом первого дифференциального преобразователя, а второй вход второго сумматора соединен с выходом первого сумматора, второй неинвертирующий вход которого соединен с выходом второго дифференциального преобразователя, а третий инвертирующий вход соединен с выходом третьего дифференциального преобразователя, при этом выход второго сумматора является выходом датчика, а чувствительные элементы каждой пары выполнены с угловыми размерами α₀=90° и β₀=30°.