Двойной сферический датчик напряженности электрического поля Российский патент 2025 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к области измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля 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 сферический датчик и измерительное устройство, представляющее собой дифференциальный усилитель заряда (ДУЗ). 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 ДУЗ, первый вход которого соединен с первым чувствительным элементом, а второй вход - со вторым чувствительным элементом датчика, а его выход является выходом датчика. 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 имеет чувствительные элементы в форме полусферы (в общем случае сферического сегмента), угловой размер которой составляет θ₀=90° (угловой размер чувствительных элементов это угол, лежащий между лучами, выходящими из центра сферического датчика и походящими один через вершину чувствительного элемента (полусферы), а другой через его край).

В неоднородном поле датчик с такими угловыми размерами чувствительных элементов во всем пространственном диапазоне измерения имеет отрицательную погрешность, предельное значение которой достигает минус 33%. В результате значение измеряемой 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 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, 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 минус 12%.

Известен датчик, используемый в способе измерения напряженности электростатического поля [авторское свидетельство SU473128, опубликовано 05.06.1975], содержащий электропроводящую сферу с размещенными на его поверхности тремя парами электропроводящих чувствительных элементов в форме чувствительных сегментов с угловым размером θ₀≤45° (при таком угловом размере чувствительные элементы не накладываются друг на друга). Чувствительные элементы попарно расположенные на координатных осях, проходящих, через центр корпуса датчика, подключены к входам дифференциальных усилителей заряда (ДУЗ), выходы которых являются выходами трех координатных составляющих вектора напряженности электрического поля.

Недостатком датчика является то, что датчик имеет чувствительные элементы в форме сферического сегмента с угловым размером, не превышающим θ₀≤45°. В неоднородном поле датчик с такими угловыми размерами чувствительных элементов во всем пространственном диапазоне измерения имеет положительную погрешность, предельное значение которой достигает плюс 34%. В результате значение измеряемой напряженности электрического поля будет завышено. Поэтому, как и у предыдущего датчика, этому датчику также требуется ограничение пространственного диапазона измерений до 0≤a≤0,5. В таком пространственном диапазоне погрешность от неоднородности поля составит плюс 19%.

Наиболее близким является датчик, реализованный в устройстве для измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком [патент RU211166, опубликовано 24.05.2022] 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 с 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 усилителей заряда (ДУЗ) выходных сигналов датчика, а вторые чувствительные элементы этих же пар выполнены с возможностью соединения со вторыми входами дифференциальных усилителей заряда выходных сигналов датчика, а выходы первого и второго дифференциального усилителя заряда выходных сигналов датчика соответственно соединены с первым и вторым входами сумматора, а выход сумматора являются выходом сдвоенного датчиков.

В неоднородном поле такой датчик имеет знакопеременную погрешность, предельное, значение которой во всем пространственном диапазоне измерений (0≤a<1) не превышает ±2%, а в ограниченном (0≤a≤0,5) минус 2 %

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, содержащий сферическое основание с четырьмя электропроводящими электродами, два из которых выполнены в форме сферических сегментов с угловым размером θ₁, а два других выполнены в форме сферических слоёв с угловым размером при вершине θ₂ и угловым размером у основания θ₃, причем электроды попарно и симметрично расположены относительно поверхности сферического основания датчика на одной координатной оси, проходящей через центр электропроводящего сферического основания, при этом электроды и сферическое основание датчика изолированы друг от друга, электроды в форме сферических сегментов выполнены с возможностью соединения с первыми входами дифференциальных усилителей заряда выходных сигналов датчика, а электроды в форме сферического слоя выполнены с возможностью соединения со вторыми входами дифференциальных усилителей заряда выходных сигналов датчика, а выходы первого и второго дифференциальных усилителей заряда выходных сигналов датчика соответственно соединены с первым и вторым входами сумматора, выход которого является выходном датчика, согласно заявляемому техническому решению в датчике формируются два чувствительных элемента, каждый из которых состоит из двух ближайших электродов, один из которых сферический сегмент, а другой сферический слой, при этом электроды, выполненные в форме сферических сегментов имеют угловые размеры θ₁=30°, а электроды, выполненные в форме сферических слоёв, имеют угловые размеры при вершине θ₂=42° и при основании θ₃=62°, а объединение двух электродов в один чувствительный элемент происходит за счет суммирования сумматором с двумя входами выходных сигналов с дифференциальных усилителей зарядов.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен датчик, представляющий собой двойной сферический датчик для измерения напряженности электрического поля, и показаны электроды 2 и 5, выполненные в форме сферического сегмента, и электроды 3 и 4, выполненные в форме сферического слоя, а также их угловые размеры; на фиг. 2 представлен двойной датчик с измерительной цепью, включающей два дифференциальных усилителей заряда 6, 7 и сумматор 8; на фиг.3 представлены графики изменений погрешностей от неоднородности электрического поля для сдвоенного датчика-прототипа δ_п(a) и заявляемого двойного датчика δ(θ₁,θ₂,θ₃) в пространственном диапазоне измерений 0≤a≤0,5, где a=R/d; R - радиус сферического основания 1 датчика; d - расстояние от центра сферического основания 1 датчика до источника поля. При этом у заявляемого датчика электроды 2, 5 в форме сферического сегмента выполнены с угловым размером θ₁=30°, а электроды 3, 4 в форме сферического слоя выполнены с угловыми размерами при вершине θ₂=42° и у основания θ₃=62°.

Двойной сферический датчик напряженности электрического поля состоит из электропроводящего сферического основания 1, четырех электропроводящих электродов 2-5 расположенных по одной координатной оси z на поверхности основания 1 и измерительной цепи. Измерительная цепь состоит из двух дифференциальных усилителей заряда 6 и 7 низкоомными входами и сумматора 8 с двумя входами. Из четырех электропроводящих электродов 2-5 формируются диаметрально противоположные чувствительные элементы 23 и 45. Проводящие электроды 2, 5 и 3, 4 соответственно подключены к входам первого и второго дифференциальных усилителей заряда 6 и 7. Выход первого дифференциального усилителя заряда 6 соединен с первым входом сумматора 8, а выход второго дифференциального усилителя заряда 7 соединен со вторым входом сумматора 8. Сумматор 8 объединяет отдельные электроды 2, 3 и 4, 5 в чувствительные элементы 23 и 45. Выход сумматора 8 является выходом двойного датчика. 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 однородного электрического поля на электродах 2-5 индуцируются электрические заряды. С помощью дифференциальных усилителей заряда 6 и 7 разность электрических зарядов с электродов 2,5 и 3,4 преобразуются в напряжения

; (1)

, (2)

где k - коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами дифференциальных усилителей заряда; ε - диэлектрическая проницаемость среды; ε₀ = 8.85⋅10^-12 Ф/м - электрическая постоянная; R - радиус сферического корпуса датчика; E₀(t) - напряженность исходного электрического поля.

Для двойного датчика с составными чувствительными элементами 23 и 45 разность электрических зарядов будет определяться суммированием разностей электрических зарядов Δq₂₅ и Δq₃₄, определяемых выражениями (1) и (2) через напряжения U₁(t) и U₂(t)

(3)

Выражение (3) показывает, что суммирование дифференциальных зарядов Δq₂₅ и Δq₃₄ объединяет заряды с электродов 2, 3 и 4, 5. Тогда с учетом выражений (1) и (2) выходного напряжения U_вых.(t) датчика определится как

. (4)

В неоднородном поле точечного источника разности электрических зарядов между электродами 2, 5 и 3, 4 в виде напряжений U₁(t) и U₂(t) (см. рис.2), будут соответственно равны

; (5)

, (6)

где , - (7)

- напряженности электрического поля, измеренные соответственно электродами 2,5 и 3,4 с промежуточными погрешностями δ₁(θ₁), δ₂(θ₂,θ₃). Тогда разность электрических зарядов с составных чувствительных элементах 23 и 45 с учетом выражений (5) и (6) в виде выходного напряжения U_вых.(t) датчика определится как

. (8)

Погрешности δ₁(θ₁), δ₂(θ₂,θ₃) и δ(θ₁,θ₂,θ₃) в выражениях (7) и (8) определяются соответствующими выражениями:

- для электрода в форме сферического сегмента:

; (9)

- для электрода в форме сферического слоя:

; (10)

- для составных чувствительных элементов 25 и 45 результирующая погрешность определится как

(11)

Выражения для погрешностей (9) и (10) приведены в монографии:

[Колмогорова С. С. Проектирование электроиндукционных датчиков и средств измерений электрических полей / С. С. Колмогорова, С. В. Бирюков. - Санкт-Петербург : Общество с ограниченной ответственностью «Реноме», 2022. - 180 с.]

Из рассмотрения графиков фиг. 3 следует, что сдвоенный датчик прототипа имеет погрешность измерения напряженности неоднородных электрических полей на участке пространственного диапазона измерений 0≤а≤0,5 - δ_п(a)=-2%, а на участке пространственного диапазона измерений 0,5≤а≤1 - δ_п(a)=+2% (участок пространственного диапазона 0,5≤а≤1 на фиг. 3 не показан). Заявляемый двойной датчик с составными чувствительными элементами, имеющими угловые размеры θ₁=30°, θ₂=42° и θ₃=62, позволяет снизить погрешность до ±0,23% в меньшем, но безопасном пространственном диапазоне измерений 0≤а≤0,5.

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

Изобретение относится к области измерительной техник и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля вблизи линий электропередач и подстанций высокого напряжения в безопасном пространственном диапазоне с повышенной точностью. Согласно заявляемому техническому решению в датчике формируются два чувствительных элемента, каждый из которых состоит из двух ближайших электродов, один из которых сферический сегмент, а другой сферический слой, при этом электроды, выполненные в форме сферических сегментов имеют угловые размеры θ₁=30°, а электроды, выполненные в форме сферических слоёв, имеют угловые размеры при вершине θ₂=42° и при основании θ₃=62°, а объединение двух электродов в один чувствительный элемент происходит за счет суммирования сумматором с двумя входами выходных сигналов с дифференциальных усилителей зарядов. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в безопасном пространственном диапазоне измерения 0≤a≤0,5. 3 ил.

Двойной сферический датчик напряженности электрического поля, содержащий сферическое основание с четырьмя электропроводящими электродами, два из которых выполнены в форме сферических сегментов с угловым размером θ₁, а два других выполнены в форме сферических слоёв с угловым размером при вершине θ₂ и угловым размером у основания θ₃, причем электроды попарно и симметрично расположены относительно поверхности сферического основания датчика на одной координатной оси, проходящей через центр электропроводящего сферического основания, при этом электроды и сферическое основание датчика изолированы друг от друга, электроды в форме сферических сегментов выполнены с возможностью соединения с первыми входами дифференциальных усилителей заряда выходных сигналов датчика, а электроды в форме сферического слоя выполнены с возможностью соединения со вторыми входами дифференциальных усилителей заряда выходных сигналов датчика, а выходы первого и второго дифференциальных усилителей заряда выходных сигналов датчика соответственно соединены с первым и вторым входами сумматора, выход которого является выходном датчика, отличающийся тем, что в датчике формируются два чувствительных элемента, каждый из которых состоит из двух ближайших электродов, один из которых сферический сегмент, а другой сферический слой, при этом электроды, выполненные в форме сферических сегментов имеют угловые размеры θ₁=30°, а электроды, выполненные в форме сферических слоёв, имеют угловые размеры при вершине θ₂=42° и при основании θ₃=62°, а объединение двух электродов в один чувствительный элемент происходит за счет суммирования сумматором с двумя входами выходных сигналов с дифференциальных усилителей зарядов.