ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ СДВОЕННОГО ТИПА Российский патент 2024 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к области измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля вблизи линий электропередач и подстанций высокого напряжения в безопасном пространственном диапазоне с повышенной точностью.

Известен датчик для измерения электрического поля [Мисакян М., Коттер Ф.Р., Калер Р.Л. Миниатюрный датчик электрического поля // Приборы для научных исследований. - 1978. -№7. - С.52-55], содержащий однокоординатный двойной датчик в дифференциальном включении. Датчик выполнен с одной парой электропроводящих чувствительных элементов в форме полусфер и имеет одну координатную ось, проходящую через вершины полусфер и центр сферического основания датчика, с которым совмещено начало координат датчика. Сигналы датчика снимаются дифференциальным преобразователем, первый вход которого соединен с первым чувствительным элементом, а второй вход - со вторым чувствительным элементом датчика, а его выход соединен с измерительным прибором. При измерении датчик ориентируется так, чтобы вектор напряженности электрического поля совпадал с направлением координатной оси датчика.

Достоинством датчика является то, что он выполняется двойным, так как по каждой координатной оси датчика расположены диаметрально противоположные пары электропроводящих чувствительных элементов. О составляющих вектора напряженности электрического поля судят по величине разности зарядов между противоположными парами чувствительных элементов. Использование датчика в дифференциальном включении приводит к повышению точности измерений, за счет уменьшения синфазных составляющих, т.е. внешних электрических помех.

Недостатком датчика является то, что датчик с измерительными элементами в форме полусфер, угловой размер которых θ₀=90° в неоднородном поле во всем пространственном диапазоне имеет отрицательную погрешность, предельное значение которой достигает -35%. В результате значение напряженности электрического поля будет занижено. Для снижения погрешности требуется ограничение пространственного диапазона измерений. Под пространственным диапазоном измерения понимается область пространства от источника поля до бесконечности. Вблизи источника поле обладает большой неоднородностью, приводящей к большой дополнительной погрешности при измерении. В бесконечности поле можно считать однородным, дополнительную погрешность от неоднородности поля равной нулю. Пространственный диапазон измерения задается параметром a=R/d , где R - радиус сферического основания датчика, а d - расстояние от центра датчика до источника поля. При a=1 датчик находится в контакте с источником поля, а при a=0 датчик находится в бесконечность. Таким образом, диапазон измерения параметра a лежит в интервале 0≤a<1. Согласно сказанному приближать датчик к источнику поля на расстояние ближе, чем 2R не безопасно. Поэтому, целесообразно ограничить пространственный диапазон a интервалом 0≤a≤0,5. В этом пространственном диапазоне дополнительная погрешность датчика составляет -12%.

Известен также датчик, реализованный в способе измерения напряженности электрического поля [Патент RU№ 2388003, МКИ G01 R 29/12, G01 R 29/08], содержащий электропроводящий сферическое основание с тремя парами электропроводящих чувствительных элементов, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности сферического основания датчика на его координатных осях, проходящих через центр сферического основания, при этом чувствительные элементы и сферическое основание изолированы друг от друга.

Датчик второго аналога также выполнен двойным и обладает теми же достоинствами двойного датчика, что и датчик первого аналога.

Недостатком второго аналога является то, что его чувствительные элементы выполнены в форме сферических сегментов угловыми размерами θ₀<45° и являются частью полусферы, имеющей угловой размер θ₀=90°. Ограничение угловых размеров сферических сегментов вызвано исключением их перекрытия друг другом. Датчик с чувствительными элементами в форме сферических сегментов и угловыми размерами θ₀≤45° в неоднородном поле имеет положительную погрешность, предельное значение которой достигает +35% в пространственном диапазоне 0≤a<1. В результате значение напряженности электрического поля будут завышено. Для снижения погрешности в данном аналоге также требуется ограничение пространственного диапазона измерений до 0≤a≤0,5. В этом пространственном диапазоне дополнительная погрешность датчика составляет 19%.

Наиболее близким является датчик, реализованный в устройстве для измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком [Патент RU № 211166 U1, МКИ G01 R 29/12 содержащий сферическое основание с двумя парами электропроводящих чувствительных элементов, первая пара из которых выполнена в форме сферического сегмента угловым размером θ₀=35°, а вторая пара чувствительных элементов выполняется в форме сферического слоя угловым размером при вершине θ₀₁=40° и угловым размером у основания θ₀₂<90°, причем чувствительные элементы попарно и симметрично расположены относительно поверхности сферического основания датчика на одной координатной оси, проходящей через центр электропроводящего сферического основания, при этом чувствительные элементы и сферическое основание датчика изолированы друг от друга. Первые чувствительные элементы соответствующей пары элементов выполнены с возможностью соединения с первыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, а вторые чувствительные элементы этих же пар выполнены с возможностью соединения со вторыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, а выходы первого и второго дифференциального преобразователя выходных сигналов датчика соответственно соединены с первым и вторым входами сумматора, а выходы первого, второго дифференциальных преобразователей и выход сумматора являются выходами первого, второго двойных и сдвоенного датчиков соответственно.

В неоднородном поле такой датчик имеет положительную погрешность, предельное, значение которой во всем пространственном диапазоне измерений (0≤a<1) достигает +5, а в ограниченном (0≤a≤0,5) - +3,5 %

Общим недостатком известных датчиков является низкая точность при измерении неоднородных электрических полей в полном и ограниченном пространственном диапазоне измерений.

Задачей изобретения является повышение точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в безопасном пространственном диапазоне измерения.

Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащем сферическое основание с двумя парами электропроводящих чувствительных элементов, первая пара из которых выполнена в форме сферического сегмента с угловым размером θ₀, а вторая пара чувствительных элементов выполняется в форме сферического слоя с угловым размером при вершине θ₀₁° и угловым размером у основания θ₀₂<90°, причем чувствительные элементы попарно и симметрично расположены относительно поверхности сферического основания датчика на одной координатной оси, проходящей через центр электропроводящего сферического основания, при этом чувствительные элементы и сферическое основание датчика изолированы друг от друга. Первые чувствительные элементы соответствующей пары элементов выполнены с возможностью соединения с первыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, а вторые чувствительные элементы этих же пар выполнены с возможностью соединения со вторыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, а выходы первого и второго дифференциального преобразователя выходных сигналов датчика соединены с входами сумматора, согласно заявляемому техническому решению в датчике первая пара чувствительных элементов выполнена в форме сферического сегмента с угловым размером θ₀=47°, а вторая пара чувствительных элементов выполнена в форме сферического слоя с угловыми размерами при вершине θ₀₁=48° и у основания θ₀₂=90°, а сумматор выполнен с тремя входами, первый и второй входы которого соединены с выходом первого дифференциального преобразователя, а третий вход соединен с выходом второго дифференциального преобразователя, причем первый вход сумматора выполнен с коэффициентом преобразования равным единицы, а второй и третий входы выполнены с коэффициентом преобразования равным 1/2, при этом выход сумматора является выходом сдвоенного датчика.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен датчик, представляющий собой сдвоенный двойной однокоординатный датчик для измерения напряженности электрического поля, в состав которого входит измерительная цепь; на фиг.2 показаны чувствительные элементы 2-3, выполненные в форме сферического сегмента (фиг.2,а), и чувствительные элементы 4-5, выполненные в форме сферического слоя (фиг.2,б), и их угловые размеры, а на фиг.3 представлены графики погрешностей от неоднородности электрического поля для датчиков-аналогов первого δ₁, второго δ₂, прототипа δ^* и заявляемого датчика δ в зависимости от пространственного диапазона измерения a=R/d (R- радиус сферического основания 1 датчика, d - расстояние от центра сферического основания 1 датчика до источника поля). При этом чувствительные элементы 2-3 в форме сферического сегмента выполнены с угловым размером θ₀=47°, а чувствительных элементов 4-5 в форме сферического слоя выполнены с угловыми размерами при вершине θ₀₁=48° и и у основания θ₀₂<90°.

Сдвоенный датчик напряженности электрического поля состоит из электропроводящего сферического основания 1 с расположенными на его поверхности на одной координатной оси двумя парами чувствительных элементов 2-3, входящих в первый датчик и 4-5, входящих во второй датчик, двух двухвходовых дифференциальных преобразователей 6 и 7 низкоомными входами и сумматора 8 с тремя входами и с коэффициентом суммирования равным ½. Чувствительные элементы 2-3 и 4-5 соответственно подключены к входам первого и второго дифференциальных преобразователей 6 и 7. Выход первого дифференциального преобразователя соединен с первым и вторым входами сумматора 8, а выход второго дифференциального преобразователя соединен с третьим входом сумматора 8. Выход сумматора 8 является выходом сдвоенного датчика. Сумматор 8 по разным входам имеет различные коэффициенты суммирования. Так по первому входу коэффициент передачи равен единице, т.е. k1=1, а по второму и третьему входам коэффициенты передачи равны ½, т.е. k2=k3=0.5. Дифференциальные преобразователи 6 и 7, сумматор 8 представляют собой измерительную цепь. Измерительная цепь может быть иной, построенной, например, с использованием цифровых и микропроцессорных технологий. В качестве дифференциальных преобразователей измерительной цепи могут, например, использоваться дифференциальные интеграторы тока или усилители заряда. Электропроводящее сферическое основание 1 может являться средней точкой датчика или общей шиной для измерительной цепи датчика.

Датчик работает следующим образом.

Датчик помещают в исследуемое электрическое поле и ориентируют его координатную ось по направлению поля. Под действием электрического поля на чувствительных элементах 2-3 и 4-5 первого и второго датчика, входящих в сдвоенный датчик индуцируются электрические заряды. С помощью дифференциальных преобразователей (интеграторов тока) 6 и 7 разность зарядов с каждой пары чувствительных элементов первого и второго датчика преобразуются в напряжения U₁= k₁Δq₁ и U₂ = k₂Δq₂ (где k₁ и k₂ - коэффициенты преобразования первого и второго дифференциального преобразователя; Δq₁ и Δq₂ - разность зарядов с чувствительных элементов 2, 3 и 4, 5 соответственно). Напряжение U₁=k₀₁E₁ пропорционально напряженности E₁ первого датчика_, а напряжение U₂=k₀₂E₂ пропорционально напряженности E₂ второго датчика, входящих в состав сдвоенного датчика. При помещении датчика в однородное поле, регулировкой коэффициентов передачи дифференциальных преобразователей 6 и 7 добиваются равенства их коэффициентов преобразования k₀₁=k₀₂=k₀.

Далее напряжение U₁ подается на первый и второй входы, а напряжение U₂ подается на 3 вход сумматора 8, где они суммируются с соответствующими коэффициентами суммирования (по первому входу k1=1, а по второму и третьему входам и k2=k3=1/2). Тогда суммарное напряжение на выходе сумматора 8 определится как

будет выходным напряжением сдвоенного датчика.

В однородном поле E₁=E₂=E. Тогда

U=2k₀E

будет пропорциональным измеряемой напряженности электрического поля E.

В неоднородном поле E₁≠E₂. Тогда

Неравенство E₁≠E₂ в неоднородном поле приводит к погрешности измерения напряженности поля, вызванной его неоднородностью.

Таким образом, общий вид выражения для измеряемой напряженности электрического поля будет определяться как

. (1)

Использование сдвоенного датчика в предлагаемой конфигурации повышает точность измерения неоднородных электрических полей. Повышение точности достигается тем, что в неоднородном поле измеренные значения напряженности E₁ и Е₂ содержат противоположные по знаку относительные погрешности от неоднородности поля, соответственно равные δ₁ и -δ₂.

С учетом этих погрешностей, можно записать

Е₁=Е₀(1 + δ₁) и Е₂=Е₀(1 + δ₂),

где Е₀ - напряженность исходного электрического поля. Тогда в соответствие с выражением (1) можно записать

,

где (2)

- погрешность сдвоенного датчика, вызванная неоднородностью поля.

В результате получаем значения напряженности электрического поля с погрешностью δ меньшей, чем погрешности первого и второго датчиков (с учетом знака), входящих в состав сдвоенного датчика.

На фиг. 3 представлены графики погрешностей для первого δ₁ и второго δ₂ датчиков-аналогов, датчика-прототипа δ^* и заявляемого датчика δ в зависимости от параметра a=R/d.

В основе построения графиков погрешностей δ₁, δ₂ δ^* и δ лежат известные выражение для расчета погрешности от неоднородности поля датчиков сферической формы [Бирюков С.В. Измерение напряженности электрических полей в диэлектрических средах электроиндукционными датчиками. Методы и средства измерений: монография /С.В. Бирюков. - Омск. Изд-во ОмГТУ, 2011, 196 с. см. С.104.

; (3)

, (4)

где θ₀ – угловой размер чувствительного элемента первого датчика, выполненного в форме сферического сегмента; θ₀₁ и θ₀₂ – угловые размеры чувствительного элемента второго датчика, выполненного в форме сферического слоя у вершины и его основания соответственно; a=R/d - пространственный диапазон измерения (относительного расстояния).

С учетом этих выражений (2) - (4) для погрешностей заявляемого датчика δ и датчика прототипа δ^* можно записать

для заявляемого датчика ,

для прототипа .

Из графиков фиг. 3 следует, что сдвоенный датчик прототипа, с угловыми размерами первого датчика θ₀=35° и второго датчика с угловыми размерамиθ₀₁=40° и θ₀₁=90° позволяет уменьшить погрешность измерения неоднородных электрических полей до ±2% в полном пространственном диапазоне измерений 0≤а≤1 (d=R).

Заявляемый сдвоенный датчик, в котором первая пара чувствительных элементов выполнена в форме сферического сегмента с угловым размером θ₀₁=47°, а вторая пара чувствительных элементов выполнена в форме сферического слоя с угловыми размерами при вершине θ₀₁=48° и у основания θ₀₂≤ 90°, позволяет снизить погрешность δ(а) датчика прототипа до ±0,7% в меньшем, но безопасном пространственном диапазоне измерений 0≤а≤0,75 (d=1,3R).

Таким образом, предлагаемый сдвоенный датчик позволяет добиться значительного повышения точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в безопасном пространственном диапазоне.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля вблизи линий электропередач и подстанций высокого напряжения в безопасном пространственном диапазоне с повышенной точностью. Сущность заявленного датчика напряженности электрического поля сдвоенного типа заключается в том, что первая пара чувствительных элементов выполнена в форме сферического сегмента с угловым размером θ₀=47°, а вторая пара чувствительных элементов выполнена в форме сферического слоя с угловыми размерами при вершине θ₀₁=48° и у основания θ₀₂=90°, а сумматор выполнен с тремя входами, первый и второй входы которого соединены с выходом первого дифференциального преобразователя, а третий вход соединены с выходом второго дифференциального преобразователя, причем первый вход сумматора выполнен с коэффициентом преобразования, равным единице, а второй и третий входы выполнены с коэффициентом преобразования, равным 1/2, при этом выход сумматора является выходом сдвоенного датчика. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в безопасном пространственном диапазоне измерения до a≤0,8 (d≥1,25R). 3 ил.

Датчик напряженности электрического поля сдвоенного типа, содержащий сферическое основание с двумя парами электропроводящих чувствительных элементов, первая пара из которых выполнена в форме сферического сегмента с угловым размером θ₀, а вторая пара чувствительных элементов выполняется в форме сферического слоя с угловым размером при вершине θ₀₁° и угловым размером у основания θ₀₂<90°, причем чувствительные элементы попарно и симметрично расположены относительно поверхности сферического основания датчика на одной координатной оси, проходящей через центр электропроводящего сферического основания, чувствительные элементы и сферическое основание датчика изолированы друг от друга, кроме того первые чувствительные элементы соответствующей пары элементов выполнены с возможностью соединения с первыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, а вторые чувствительные элементы этих же пар выполнены с возможностью соединения со вторыми входами дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика, а выходы первого и второго дифференциального преобразователя выходных сигналов датчика соединены с входами сумматора, отличающийся тем, что в датчике первая пара чувствительных элементов выполнена в форме сферического сегмента с угловым размером θ₀=47°, а вторая пара чувствительных элементов выполнена в форме сферического слоя с угловыми размерами при вершине θ₀₁=48° и у основания θ₀₂=90°, а сумматор выполнен с тремя входами, первый и второй входы которого соединены с выходом первого дифференциального преобразователя, а третий вход соединены с выходом второго дифференциального преобразователя, причем первый вход сумматора выполнен с коэффициентом преобразования, равным единице, а второй и третий входы выполнены с коэффициентом преобразования, равным 1/2, при этом выход сумматора является выходом сдвоенного датчика.