Однокоординатный сферический датчик напряженности электрического поля Российский патент 2024 года по МПК G01R29/12 

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

Известен сферический датчик напряженности электрического поля с двуугольными чувствительными элементами [Патент RU № 217326, МКИ G01 R 29/12], содержащий проводящее сферическое основание, на поверхности которого изолированно друг от друга и от проводящего основания, на двух координатных осях попарно расположены четыре проводящих электрода в форме сферических двуугольников, из которых формируются две пары чувствительных элементов, расположенных по двум координатным осям, причем каждый чувствительный элемент состоит из двух электродов, образующих полусферу, а измерительная ось датчика лежит в плоскости его координатных осей и проходит на равных угловых расстояниях от них.

Достоинством датчика является то, что он выполнен двойным. Двойной датчик позволяет использовать дифференциальное включение его в измерительную цепь. При дифференциальном включении повышается точность измерений за счет уменьшения влияния синфазных составляющих, вызванных внешними электрическими помехами.

К недостаткам датчика можно отнести высокую погрешность измерения напряженности неоднородных электрических полей. Так, в пространственном диапазоне 0≤a≤0,9 датчик имеет знакопеременную погрешность от неоднородности поля, не превышающую ±2,1%.

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 стремится к однородному, поэтому дополнительную погрешность от неоднородности поля можно считать 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 бесконечности. Таким образом, полный диапазон измерения параметра a лежит в интервале 0≤a<1.

Наиболее близким датчиком к заявляемому является однокоординатный сферический датчик напряженности электрического поля [Патент RU № 2807952, МКИ G01 R 29/12], содержащий проводящее сферическое основание, на поверхности которого изолированно друг от друга и от проводящего основания, на одной координатной оси попарно расположены три пары электродов, выполненных в форме сферических двуугольников, три дифференциальных преобразователя и два сумматора, первый сумматор имеет два неинвертирующих и один инвертирующий входы, а второй сумматор имеет два входа, первые электроды соответствующей пары выполнены с возможностью соединения с первыми входами дифференциальных преобразователей, а вторые чувствительные электроды этой же пары выполнены с возможностью соединения с вторыми входами дифференциальных преобразователей, 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°.

Достоинством датчика является то, что он выполнен сдвоенным, состоящим из двух двойных датчиков. Использование сдвоенного датчика позволило уменьшить его погрешность в полном пространственном диапазоне 0≤а≤1 до ±1%.

Недостатком датчика является то, что его измерительная часть содержит лишние элементы, такие как выходной сумматор, поэтому сдвоенный датчик требует упрощения конструктивного решения.

Задача изобретения - упростить конструктивное решение сдвоенного датчика при сохранении погрешности измерения напряженности неоднородных электрических полей в полном пространственном диапазоне измерения.

Задача достигается тем, что в известный датчик для измерения напряженности электрического поля, содержащий проводящее сферическое основание, на поверхности которого изолированно друг от друга и от проводящего основания, на одной координатной оси расположены три пары чувствительных элементов, выполненных в форме сферических двуугольников, каждый из которых имеет угловые размеры α₀=90° и β₀=30°, три дифференциальных преобразователя и сумматор на три входа, два входа неинвертирующие и один вход инвертирующий, согласно заявляемому техническому решению, в датчике у сумматора первый неинвертирующий вход имеет коэффициент суммирования 1,5, а второй неинвертирующий и третий инвертирующий входы имеют коэффициент суммирования 0,5, при этом выход сумматора является выходом датчика.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1а, б изображена механическая часть датчика напряженности электрического поля (общий вид фиг.1а и вид в разрезе фиг.1б, указаны угловые размеры датчика), на фиг.2 изображён датчик с механической и электрической частью, а на фиг.3 представлены графики погрешности от неоднородности поля для предлагаемого датчика в зависимости от пространственного диапазона измерения a (график совпадает с графиком прототипа).

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 неинвертирующих и один инвертирующий входы, первый неинвертирующий вход имеет коэффициент суммирования 1,5, а второй неинвертирующий и третий инвертирующий входы имеют коэффициент суммирования 0,5). Шесть электродов 2-7 выполнены в форме сферических двуугольников, симметрично расположены на сферической поверхности основания датчика. Из шести электродов 2-7 формируются чувствительные элементы двух двойных датчиков с одной координатной осью y, входящих в состав двойного заявляемого датчика. Первый двойной 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 электроды выполнены в форме сферических двуугольников с угловыми размерами α₀=90° и β₀=30°. Второй двойной 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 в сумме имеют форму двуугольника с угловыми размерами α₀=90° и β₀=90° (полусфера). Во втором двойном датчике электроды 2 и 5 являются центральными, а электроды 3, 7 и 4 и 6 являются боковыми электродами. Сформированный из центрального и двух боковых электродов чувствительный элемент имеет угловые размеры α₀=90° и β₀=90° (полусфера). Электроды 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 неинвертирующим входам, а выход третьего дифференциального измерительного преобразователя соединен с инвертирующим входом сумматора 11, выход которого является выходом заявляемого датчика.

Поскольку проводящие части сдвоенного 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. Заявляемый датчик является сдвоенным, имеющим на одной координатной оси два двойных датчика. Это позволяет датчику в электрическом поле одновременно измерять в одной точке поля два значения напряженности E₁ и E₂ . Результатом измерения будет являться среднее значение из них . В однородном поле E₁=E₂, а в неоднородном поле из-за погрешности от неоднородности поля E₁≠E₂.

При внесении сдвоенного датчика в электрическое поле на его чувствительных электродах 2-7 будут индуцироваться электрические заряды. С помощью дифференциальных преобразователей 8-10 заряды с пар 2-5, 3-6 и 4-7 электродов преобразуются в напряжения U₁, U₂ и U₃. С помощью сумматора 11 эти напряжения суммируются и преобразуются в напряжение U_вых. Напряжения U₁, U₂ и U₃ пропорциональны разности зарядов с пар чувствительных элементов 2-5, 3-6, 4-7 и напряженности поля.

Выходное напряжение первого двойного датчика, пропорциональное напряженности поля E₁, будет соответствовать напряжению U₁, поскольку оно определяется разностью зарядов с чувствительных элементов 2-5 первого двойного датчика.

Выходное напряжение второго двойного датчика, пропорциональное напряженности поля E₂, будет соответствовать сумме напряжений

,

поскольку эта сумма напряжений определяется разностью зарядов с чувствительных элементов 2+3+7 – 4+5+6 второго двойного датчика.

Очевидно, что напряжение U₁=k₁E₁ и сумма напряжений (U₁+U₂-U₃)=k₂E₂ не равны. Однако в однородном поле должно выполняться условие E₁=E₂. Теоретические расчеты показывают, что для обеспечения равенства E₁=E₂ выходное напряжение первого двойного датчика должно быть в 2 раза больше суммы напряжений . Если обозначить выходное напряжение первого двойного датчика U_д1=2U₁, а второго двойного датчика U_д2=(U₁+U₂-U₃), то суммарное напряжение сумматора 11, пропорциональное средней напряженности двух двойных датчиков будет равно

.

Коэффициенты 1,5 и 0,5 в этом выражении определяют коэффициенты суммирования сумматора 11. Полученное выходное напряжение сдвоенного датчика пропорционально среднему значению измеряемой напряженности E электрического поля, согласно выражению .

Описанные изменения в измерительной части сдвоенного датчика приводят к упрощению конструктивного решения самого датчика.

Поскольку изменение конструктивного решения сдвоенного датчика не затронуло его механическую часть, то полностью сохраняется погрешность датчика от неоднородности поля и его пространственный диапазон. Согласно графику (см. фиг.3), погрешность сдвоенного датчика не превышает ±1,1% в полном пространственном диапазоне 0<a≤1 (d≥R). Из графика следует, что при ограничении пространственного диапазона до a≤0,5 (d≥2R) (безопасный диапазон), то погрешность датчика не будет превышать ±0,22%.

Таким образом, упрощается конструктивное решение измерительной части сдвоенного датчика, сохраняется погрешность измерения напряженности неоднородных электрических полей в полном пространственном диапазоне измерения.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения модуля вектора напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с малой погрешностью от неоднородности электрического поля. 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 расположены три пары чувствительных элементов. Измерительная часть датчика содержит три дифференциальных преобразователя и сумматор на три входа. Чувствительные элементы выполнены в форме сферических двуугольников, каждый из которых имеет угловые размеры α₀=90° и β₀=30°, и попарно подключены к дифференциальным преобразователям. Первый неинвертирующий вход сумматора имеет коэффициент суммирования 1,5. Второй неинвертирующий и третий инвертирующий входы сумматора имеют коэффициент суммирования 0,5. Выход сумматора является выходом датчика. Технический результат: упрощение конструктивного решения измерительной части датчика при сохранении погрешности измерения напряженности неоднородных электрических полей в полном пространственном диапазоне 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 расположены три пары чувствительных элементов, выполненных в форме сферических двуугольников, каждый из которых имеет угловые размеры α₀=90° и β₀=30°, три дифференциальных преобразователя, подключенных к чувствительным элементам, и сумматор на три входа, два входа неинвертирующие и один вход инвертирующий, отличающийся тем, что в датчике у сумматора первый неинвертирующий вход имеет коэффициент суммирования 1,5, а второй неинвертирующий и третий инвертирующий входы имеют коэффициент суммирования 0,5, при этом выход сумматора является выходом датчика.