Двухкоординатный датчик напряженность электрического поля с двуугольными чувствительными электродами Российский патент 2025 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к области измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения двух составляющих вектора напряженности электрического поля в полном пространственном диапазоне измерения с малой погрешностью.

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 изолировано 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.

Достоинствами датчика является, то, что он выполнен двухкоординатным и двойным. Двухкоординатный датчик позволяет одновременно измерять две составляющие вектора напряженности электрического поля. 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 приближается к однородному, поэтому дополнительная погрешность от неоднородности поля стремится к 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 изолировано 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 третьи 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, содержащим два двойных датчика. Использование сдвоенного датчика позволило уменьшить погрешность датчика в пространственном диапазоне 0≤а≤1 до ±1 %.

Недостатком датчика является то, что он выполнен однокоординатным, позволяющим только поочередно измерять составляющие модуля вектора напряженности электрического поля.

Задача изобретения – расширение функциональных возможностей датчика, позволяющих одновременно измерять две составляющие вектора напряженности электрического поля за счет доведения числа координат сдвоенного датчика до двух при сохранении погрешности измерения в полном пространственном диапазоне 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 расположены три пары проводящих электродов, выполненные в форме сферических двуугольников, три дифференциальных преобразователя и два сумматора, 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, согласно заявляемому техническому решению, в датчик дополнительно введены три пары проводящих электродов, выполненных в форме сферических двуугольников, три дифференциальных преобразователя, четыре сумматора и два масштабных преобразователя, первый, третий, пятый и шестой сумматор имеет два входа, при этом у первого сумматора один вход инвертирующий, а второй и четвертый сумматор имеет шесть входов, причем второй сумматор имеет три неинвертирующих и три инвертирующих входа, а четвёртый сумматор имеет шесть неинвертирующих входов, при этом выход первого дифференциального преобразователя соединен с первым инвертирующим входом первого сумматора, со вторым инвертирующим входом второго сумматора и с шестым входом четвертого сумматора, выход второго дифференциального преобразователя соединен со вторым входом первого сумматора, с первым неинвертирующим входом второго сумматора и с пятым входом четвертого сумматора, выход третьего дифференциального преобразователя соединен с пятым инвертирующим входом второго сумматора, со вторым входом третьего сумматора и со вторым входом четвертого сумматора, выход четвертого дифференциального преобразователя соединен с шестым неинвертирующим входом второго сумматора, с первым входом третьего сумматора и с первым входом четвертого сумматора, выход пятого дифференциального преобразователя соединен с четвертым неинвертирующим входом второго сумматора и с третьим входом четвертого сумматора, выход шестого дифференциального преобразователя соединен с третьим инвертирующим входом второго сумматора и с четвертым входом четвертого сумматора, выходы первого и третьего сумматоров через масштабные преобразователи соединены с первыми входами пятого и шестого сумматора, выходы второго и четвертого сумматоров соединены с вторыми входами пятого и шестого сумматоров, выходы которых соответственно являются выходами первой и второй составляющей вектора напряженности электрического поля, а электроды каждой пары датчика выполнены с угловыми размерами α₀=90° и β₀= 15°.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена механическая часть датчика напряженности электрического поля, на фиг.2 изображена измерительная цепь датчика (на входах измерительной цепи указаны номера электродов механической части датчика, с которыми соединяется измерительная цепь), а на фиг.3 представлен график погрешности от неоднородности поля для заявляемого датчика в зависимости от пространственного диапазона измерения a при угловых размерах чувствительных элементов первых и вторых двойных датчиков соответственно равных α₀=90°, β₀₁= 2β₀=30° и α₀=90°, β₀₂=6⋅β₀= 90°.

Заявляемый датчик напряженности электрического поля содержит проводящее сферическое основание 1, двенадцать проводящих электродов 2 -13, шесть дифференциальный измерительных преобразователя (ДИП) 14-19, шесть сумматоров 20-23 и 26, 27 и масштабный преобразователь (МП) 24 и 25; сумматоры 20, 22, 26 и 27 имеют два входа (у сумматора 20 один вход инвертирующий, обозначен минусом «-», а у сумматоров 22, 26 и 27 все входы неинвертирующие, обозначены плюсом «+»), сумматоры 21, 23 имеют шесть входов (у сумматора 21 три инвертирующих, обозначены минусом «-» и три неинвертирующих входа, обозначены плюсом «+»), а у сумматора 23 шесть входов неинвертирующих обозначены плюсом «+»), масштабные преобразователи 24 и 25 служат для выравнивания Z в однородном поле выходных сигналов первого и второго двойного датчика, находящихся на координатных осях X и Z соответственно.

Двенадцать проводящих электродов 2-13, выполненных в форме сферических двуугольников равных размеров, симметрично расположены на сферической поверхности основания 1 датчика. Из двенадцати проводящих электродов 2-13 формируются четыре двойных датчика, два по координатной оси X и два по координатной оси Z.

Первый двойной датчик, расположенный на координатной оси X, состоит из диаметрально противоположных пар проводящих электродов 7-13 и 8-2 (см. фиг. 1, а). Второй двойной датчик, расположенный на координатной оси X, состоит и диаметрально противоположных пар проводящих электродов 5-11, 6-12, 7-13, 8-2, 9-3 и 10-4. Чувствительные элементы первого и второго двойных датчиков являются составными. Первый и второй чувствительные элементы первого двойного датчика соответственно состоят из электродов 7+8 и 2+13 с угловым размером α₀=90° и β₀₁= 2β₀=30°, а чувствительные элементы второго двойного датчика состоят из электродов 5+6+7+8+9+10 и 2+3+4+11+12+13 с угловым размером α₀=90° и β₀₂=6⋅β₀= 90° (полусфера).

Первый двойной датчик расположенных на координатной оси Z состоит из диаметрально противоположных пар проводящих электродов 4-10 и 5-11 (см. фиг. 1, а). Второй двойной датчик, расположенный на координатной оси Z, состоит и диаметрально противоположных пар проводящих электродов 2-8, 3-9, 4-10, 5-11, 6-12 и 7-13. Чувствительные элементы первого и второго двойных датчиков также являются составными. Первый и второй чувствительные элементы первого двойного датчика соответственно состоят из электродов 4+5 и 10+11 с угловым размером α₀=90° и β₀₁=2β₀=30°, а чувствительные элементы второго датчика состоят из электродов 2+3+4+5+6+7 и 8+9+10+11+12+13 с суммарным угловым размером α₀=90° и β₀₂=6⋅β₀= 90° (полусфера).

Чувствительные элементы 2-8, 3-9, 4-10, 5-11, 6-12 и 7-13 попарно подключены к первым и вторым входам дифференциальных измерительных преобразователей 14-19, выход первого дифференциального преобразователя 14 соединен с инвертирующим первым входом первого сумматора 20, с вторым инвертирующим входом второго сумматора 21 и с шестым входом четвертого

сумматора 23, выход второго дифференциального преобразователя 15 соединен с вторым входом первого сумматора 20, с неинвертирующим первым входом

второго сумматора 21 и с пятым входом четвертого сумматора 23, выход третьего дифференциального преобразователя 16 соединен с пятым инвертирующим входом второго сумматора 21, с вторым входом третьего сумматора 22 и с вторым входом четвертого сумматора 23, выход четвертого дифференциального преобразователя 17 соединен с шестым неинвертирующим входом второго сумматора 21, с первым входом третьего сумматора 22 и с первым входом четвертого сумматора 23, выход пятого дифференциального преобразователя 18 соединен с четвертым неинвертирующим входом второго сумматора 21 и с третьим входом четвертого сумматора 23, выход шестого дифференциального преобразователя соединен с третьим инвертирующим входом второго сумматора 21 и с четвертым входом четвертого сумматора 23, выходы первого 20 и третьего 22 сумматоров через масштабные преобразователи 24 и 25 соответственно соединены с первыми входами пятого 26 и шестого 27 сумматоров и выходами первых двойных датчиков по координатным осям X и Z, выходы второго 21 и четвертого 23 сумматоров соединены с вторыми входами пятого 26 и шестого 27 сумматоров, выходы которых соответственно являются выходами первой и второй составляющей вектора напряженности электрического поля, а выходы масштабных преобразователей 24 и 25 соединены с выходами первых двойных датчиков по координатным осям X и Z.

Поскольку проводящие части датчика, такие как проводящее сферическое основание 1, проводящие электроды 2-13 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 проводящие электроды 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. Под действием электрического поля на проводящих электродах 1-12 индуцируются электрические заряды. С помощью дифференциальных измерительных преобразователей 14 - 19 заряды с пар 2-8, 3-9, 4-10, 5-11, 6-12 и 7-13 проводящих электродов преобразуются в напряжения U₁, U₂, U₃, U₄, U₅ и U₆. Эти напряжения пропорциональны разности зарядов с пар проводящих электродов 2-8, 3-9, 4-10, 5-11, 6-12 и 7-13

;

;

;

;

;

.

Из этих напряжений формируются напряжения выходных сигналов четырех двойных датчиков, сформированных из проводящих электродов 2-13.

По координатной оси X из проводящих электродов формируются два двойных датчика. Им соответствуют напряжения первого U₇ и второго U₈ двойных датчиков, сформированные на выходах сумматоров 20 и 21, определяемые выражениями

; (1)

.(2)

Из выражений (1) видно, что сумматор 20 объединяет сигналы с электродов 7, 8 и 2, 13 и формирует диаметрально противоположные чувствительные элементы первого датчика, состоящие из электродов 7+8 и 2+13. Таким образом, чувствительные элементы первого двойного датчика, расположенные по оси X представляют собой двуугольники с угловыми размерами α₀=90° и β₀₁=30°. Выражение (2) показывает, что сумматор 21 объединяет сигналы с электродов 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 2, 3, 4, 11, 12, 13 и формирует диаметрально противоположные чувствительные элементы второго двойного датчика, состоящие из электродов 4+6+7+8+9+10 и 2+3+4+11+12+13. Таким образом, чувствительные элементы второго двойного датчика по оси X представляют собой полусферы с угловыми размерами α₀=90° и β₀₂=90°.

По координатной оси Z из проводящих электродов также формируются два двойных датчика. Им соответствуют напряжения первого U₉ и второго U₁₀ двойных датчиков, сформированные на выходах сумматоров 22 и 23, определяемые выражениями

; (3)

.(4)

Из выражения (3) видно, что сумматор 22 объединяет сигналы с электродов 4, 5 и 10, 11 и формирует диаметрально противоположные чувствительные элементы первого датчика, состоящие из электродов 4+5 и 10+11. Таким образом, чувствительные элементы первого двойного датчика, расположенные по оси Z представляют собой двуугольники с угловыми размерами α₀=90° и β₀₁=30°. Выражение (4) показывает, что сумматор 23 объединяет сигналы с электродов 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8, 9, 10, 11, 12, 13 и формирует диаметрально противоположные чувствительные элементы второго двойного датчика, состоящие из электродов 2+3+4+5+7+7 и 8+9+10+11+12+13. Таким образом, чувствительные элементы второго двойного датчика по оси Z представляют собой полусферы с угловыми размерами α₀=90° и β₀₂=90°.

В свою очередь, выходные напряжения U₇ и U₈ датчиков, расположенных на оси X соответственно пропорциональны напряженностям измеряемого электрического поля E_1x и E_2x, а выходные напряжения U₉ и U₁₀ датчиков, расположенных на оси Z соответственно пропорциональны напряженностям измеряемого электрического поля E_1z и E_2z. В однородном электрическом поле должны выполняться условия равенства напряженностей E_1x=E_2x и E_1z=E_2z, а, следовательно и напряжений U₇=U₈ и U₉=U₁₀. Из-за разного числа проводящих электродов, участвующих в формировании выходных напряжений первых и вторых двойных датчиков в однородном поле напряжения U₇≠U₈ и напряжения U₉≠U₁₀. Следовательно, E_1x≠E_2x и E_1z≠E_2z. Для нормального функционирования сдвоенного датчика необходимо обеспечить в однородном поле выполнение условий U₇=U₈ (E_1x=E_2x) и U₉=U₁₀ (E_1z =E_2z). Выполнение этих условий обеспечивается один раз в процессе эксплуатации датчика. Для этого датчик вносится в однородное электрическое поле и поочередно ориентируется по координатным осям X и Z. С помощью масштабных преобразователей 24, 25 добиваются равенства напряжений U₇=U₈ (E_1x=E_2x) и U₉=U₁₀ ( E_1z =E_2z). При выполнении этих условий датчик готов к работе.

Далее сформированные напряжения U₇ и U₈ первых и вторых датчиков по оси X, а также напряжения U₉ и U₁₀ первых и вторых датчиков по оси Z усредняются сумматорами 26 и 27 (коэффициент суммирования сумматоров равен 1/2). Тогда выходное напряжение по координатной оси X будет равно , а выходное напряжение по координатной оси Z будет равно . Напряжения U_X и U_Z пропорциональны измеряемым составляющим вектора напряженности электрического поля и .

Таким образом, датчик измеряет средние из двух значений, определяемых первым и вторым двойными датчиками, расположенными на координатных осях X и Z. Эти средние значения соответствуют двум составляющим вектора напряженности электрического поля.

Возможность измерения двух составляющих вектора напряженности электрического поля позволило расширить функциональные возможностей датчика при сохранении погрешности измерения напряженности неоднородного электрического поля и полный пространственный диапазон измерения. Таким образом задача изобретения решена.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для одновременного измерения двух составляющих вектора напряженности электрического поля в полном пространственном диапазоне измерения с малой погрешностью. Предложен двухкоординатный датчик напряженности электрического поля с двуугольными чувствительными электродами, дополнительно введены три пары проводящих электродов, выполненных в форме сферических двуугольников, три дифференциальных преобразователя, четыре сумматора и два масштабных преобразователя, первый, третий, пятый и шестой сумматор имеет два входа, при этом у первого сумматора один вход инвертирующий, а второй и четвертый сумматор имеет шесть входов, причем второй сумматор имеет три не инвертирующих и три инвертирующих входа, а четвёртый сумматор имеет шесть не инвертирующих входов, при этом выход первого дифференциального преобразователя соединен с первым инвертирующим входом первого сумматора, со вторым инвертирующим входом второго сумматора и с шестым входом четвертого сумматора, выход второго дифференциального преобразователя соединен со вторым входом первого сумматора, с первым не инвертирующим входом второго сумматора и с пятым входом четвертого сумматора, выход третьего дифференциального преобразователя соединен с пятым инвертирующим входом второго сумматора, со вторым входом третьего сумматора и со вторым входом четвертого сумматора, выход четвертого дифференциального преобразователя соединен с шестым неинвертирующим входом второго сумматора, с первым входом третьего сумматора и с первым входом четвертого сумматора, выход пятого дифференциального преобразователя соединен с четвертым неинвертирующим входом второго сумматора и с третьим входом четвертого сумматора, выход шестого дифференциального преобразователя соединен с третьим инвертирующим входом второго сумматора и с четвертым входом четвертого сумматора, выходы первого и третьего сумматоров через масштабные преобразователи соединены с первыми входами пятого и шестого сумматора, выходы второго и четвертого сумматоров соединены с вторыми входами пятого и шестого сумматоров, выходы которых соответственно являются выходами первой и второй составляющей вектора напряженности электрического поля, а электроды каждой пары датчика выполнены с угловыми размерами α₀=90° и β₀= 15°. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей датчика при сохранении погрешности измерения напряженности неоднородного электрического поля и полный пространственный диапазон измерения (±1,1%). 3 ил.

Двухкоординатный датчик напряженности электрического поля с двуугольными чувствительными электродами, содержащий проводящее сферическое основание, на поверхности которого изолировано друг от друга и от проводящего основания расположены три пары проводящих электродов, выполненных в форме сферических двуугольников, три дифференциальных преобразователя и два сумматора, 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, отличающееся тем, что в датчик дополнительно введены три пары проводящих электродов, выполненных в форме сферических двуугольников, три дифференциальных преобразователя, четыре сумматора и два масштабных преобразователя, первый, третий, пятый и шестой сумматор имеет два входа, при этом у первого сумматора один вход инвертирующий, а второй и четвертый сумматор имеет шесть входов, причем второй сумматор имеет три неинвертирующий и три инвертирующих входа, а четвёртый сумматор имеет шесть неинвертирующих входов, при этом выход первого дифференциального преобразователя соединен с первым инвертирующим входом первого сумматора, со вторым инвертирующим входом второго сумматора и с шестым входом четвертого сумматора, выход второго дифференциального преобразователя соединен со вторым входом первого сумматора, с первым неинвертирующим входом второго сумматора и с пятым входом четвертого сумматора, выход третьего дифференциального преобразователя соединен с пятым инвертирующим входом второго сумматора, со вторым входом третьего сумматора и со вторым входом четвертого сумматора, выход четвертого дифференциального преобразователя соединен с шестым неинвертирующим входом второго сумматора, с первым входом третьего сумматора и с первым входом четвертого сумматора, выход пятого дифференциального преобразователя соединен с четвертым неинвертирующим входом второго сумматора и с третьим входом четвертого сумматора, выход шестого дифференциального преобразователя соединен с третьим инвертирующим входом второго сумматора и с четвертым входом четвертого сумматора, выходы первого и третьего сумматоров через масштабные преобразователи соединены с первыми входами пятого и шестого сумматора, выходы второго и четвертого сумматоров соединены с вторыми входами пятого и шестого сумматоров, выходы которых соответственно являются выходами первой и второй составляющей вектора напряженности электрического поля, а электроды каждой пары датчика выполнены с угловыми размерами α₀=90° и β₀= 15°.