Устройство для определения параметров локального электрического поля Советский патент 1993 года по МПК G01R29/12 

Изобретение касается измерений пара- мфтров широкополосных переменных или импульсных электрических полей.

Изобретение может быть использовано в электрофизике для исследования врзника- ю дих в среде электромагнитных излучений, а -акже для измерения импульсных электрических полей, рассеиваемых электротехни- че скими устройствами и создаваемых лч ниями связи или электропередачи.

Цель изобретения - повышение точно- ст|и и достоверности измерения параметров лекального электрического поля, возбужда- в образцах электрофизических сред.

На фиг. 1 схематически изображена конструкция датчика с цилиндрическими электродами; на фиг, 2 - физическая модель емкостных связей электродов датчика и из- лумающей системы; на фиг. 3 - эквивалент- .на|я электрическая схема датчика; на фиг. 4

- изображена конструкция датчика с дополнительными электродами,

Предлагаемое устройство,(фиг. 1) состоит из двух проводящих пластин 1, выполненных в виде цилиндрических сегментов диаметром d, шириной д с расстоянием между пластинами А . Пластины охватывают объем 2, заполненный средой с источниками электрического поля. Электроды 1 помещены в электромагнитный экран 3. На краях пластин сделаны выводы, которые подключены ко входам преобразующего блока (регистрирующего прибора) 4 посредством экранированного кабеля 5-.

Датчик (фиг. 4) содержит два металлических электрода 1, охватывающих объем 2 среды с источниками электрического поля, и два дополнительных металлических электрода б, охватывающих объем 7 среды без источников электрического поля. Дополнительные пластины (электроды) расположены на расстоянии (1...2)d от основных и имеют одинаковую конфигурацию и размеры. Все электроды симметрично помещены

W

Ј

00

о ю со

&

внутрь цилиндрического экрана 3, Пластины соединены между собой проводниками 8. На краях пластин сделаны выводы, которые присоединены ко входам регистрирующего прибора 4 с помощью экранированного кабеля 5.

Устройство функционирует следующим образом. При помещении пары проводящих электродов в изменяющееся электрическое поле с напряженностью Ёна них наводятся заряды и возникает разность потенциалов

и 1эЕ0).

где Ео - проекция вектора напряженности Е на электрическую ось датчика, совпадающую с направлением перпендикуляра к центру пластин;

э - эквивалентная измерительная база датчика, зависящая от геометрических и электрофизических параметров датчика и среды, Напряжение с пластин (электродов) передается по экранированному кабелю 5 на вход регистрирующего прибора 4 с дифференциальным входом. Регистрирующий прибор, в качестве которого может использоваться цифровой вольтметр или осциллограф, может быть градуирован непосредственно в значениях напряженности электрического поля или эквивалентного дипольно момента источника.

Количественные соотношения, описывающие работу датчика, могут быть получены на основе анализа его схемотехнической модели, приведенной на фиг. 2, Физической моделью источника неоднородного .электрического поля сложит двухпроводная линия, содержащая два цилиндрических проводника диаметром 2а, расположенных на расстоянии b и питаемых от источника ЭДС. Регистрирующий прибор и подводящий кабель представлены в модели рези- стивно-емкостной нагрузкой. Взаимное влияние заряженных проводящих тел отражено при помощи соответствующих емкостей, . .

Значения емкостей и напряжений на электродах при питании задающей линии напряжениям е определяются путем решения задачи теории электромагнитного поля методом конформных преобразований и прямого метода определения напряженности поля (метод Сочнева). Емкости выражаются через эллиптические интегралы первого рода и интегралы, зависящие от расстояний между участками электродов. Полученные соотношения позволили численными методами рассчитать зависимости ёмкостей от геометрических размеров и электрофизических параметров среды,

По эквивалентной схеме устройства (фиг. 3) с использованием симметрии датчика, т.е. , и , передаточная функция датчика запишется в виде:

н(ра.-ргмс1-сз)-

+рНн(Сн+С0+ 1

+ Ј)

где Со - (Сз + Се/2).

При этом величина определяется в зависимости оттребуемой характеристики по- ля, т.е.

е 13Ео

при предположении однородности поля между электродами или при дипольной модели источника

(bCi), . где PI - эквивалентный дипольный момент на единицу длины, С| - погонная емкость двухпроводной линии.

Передаточная функция определяет пре- образование сигнала во временной и частотной области, Амплитудно-частотная характеристика датчика

H(oj)coTi/(2V1 +йЯт§) -. где Ti RH(Ci - Сз), Т2

л L f

- RH(CH + Со + --я--) - постоянные вре

мени.

Собственно переходная функция h(t) Ti/(2T2)e-t/T2. Коэффициент передачи в полосе пропускания (или амплитуда переходной функции) соответственно можно представить в виде Н(оо) п(о)-(С1-Сз)/(Сн + Сд)2,

где Сд Со + (Gi + Сз)/2 - эквивалентная емкость датчика. Для получения максимального значения коэффициента передачи про

ведены численные расчеты и получены оптимальные соотношения размеров пластин датчика и зазора между пластинами. Для емкости нагрузки, изменяющейся от 10 до 100 пФ, оптимальная ширина проводящих пластин второе меньше зазора между пластинами, Использование оптимальных соотношений позволило увеличить коэффициент преобразования на 6 дБ.

Для снижения влияния на датчик внешних помехонесущих электрических полей применено экранирование. Внешней замкнутый алюминиевый экран сферической формы радиусом 46 см и толщиной стенок 0,15 см позволяет ослабить внешнее электрическое поле на 200 дБ. Для применяемого цилиндрического экрана с технологическими отверстиями удается на частотах от еди- ниц до сотен килогерц получить коэффициент экранирования около 60 дБ.

При измерении слабых электрических щелей недостатком рассмотренного устрой- 0тва является невысокая помехоустойчи- ость по отношению к внешним электрическим полям. При малых значениях злучаемого электрического поля примене- ия экранирования для снижения влияния нешних помех недостаточно. : Для компенсации внешних помехонесу- цих полей в предлагаемом устройстве вве- ;ены два дополнительных электрода, с бразующих вспомогательный датчик, внутрь которого помещена среда без источников исследуемого электромагнитного поля. Если на устройство действует внешнее однородное помехонесущее электрическое поле с напряженностью Еп, направленное перпендикулярно пластинам в их центре.

поле в отсутствии дополнительных

эректродов создаст на входе регистрирую- ujiero прибора напряжение помехи

.

Ири наличии дополнительных электродов напряжение на входе регистратора будет оЬределяться выражением:

I . иэ - 1эЕп - 1эдЕп (1э - 1эд)Еп, где 1эд измерительная база дополнитель- нрй системы электродов.

Разность ДI (1Э - 1эд) зависит от точности геометрической структуры основных и д|толнительных электродов и электрофизических параметров среды в месте их установки и может быть сведена к весьма малой величине.

I Применение дополнительных электро- дбв позволило повысить чувствительность устройства на 40 дБ.

: Таким образом, предлагаемое устройство дает возможность повысить чувствительность к измеряемому дипольному моменту на (45...50) дБ. Техническая эффек- ти|вность предложенного датчика электрического поля, которая подтверждена экспериментально, определяет достоверность и информативность экспериментальных исследований. По поводу эк элегической эффективности можно отметить, что затраты на изготовление предлага- eNoro устройства будут соизмеримы с за ратами на изготовление прототипа, а затраты на проведение эксперимента значительно сократятся, т.к. отпадает необходимость во многих повторных экспериментах для накопления информации и ее статисти- 5 ческой обработки. Конкретная оценка экономии может быть приведена для конкретной физической задачи. Формула изобретения

1. Устройство для определения пара0 метров локального электрического поля, содержащее две противолежащие пластины и цилиндрический экран, соединенные с преобразующим блоком, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и

5 достоверности результатов измерения, пластины выполнены в виде цилиндрических сегментов одинакового диаметра d, расположены внутри экрана коаксиально с ним и охватывают участок среды с исследуемым

0 полем, преобразующий блок расположен вне экрана, а длина сегментов и экрана много больше диаметра сегментов, причем Д 3d, где А - расстояние между краями пластин,

5 измеренное по дуге;

д - ширина пластины, измерения по дуге сегмента,

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что в него дополнительно введены

0-две вспомогательные проводящие пластины, идентичные основным и расположенные на расстоянии (1-2)d так, что зазоры основных и дополнительных электродов симметричны относительно плоскости, про5 ходящей через оси цилиндров, а основные и дополнительные электроды симметричны относительно цилиндрического электромагнитного экрана, дополнительные электроды охватывают среду без источников электри0.ческого поля, причем один из основных электродов электрически соединен с противоположным относительно зазора дополни- тельным электродом и подключен к неинвертирующему входу регистрирующе5 го прибора, а другой основной электрод электрически соединен с другим дополнительным электродом и подключен к инвертирующему входу регистрирующего прибора.

0

ЗШ081

L-tM H |f Јгг±Јг

Использование: изобретение касается электрофизических измерений, может быть использовано для исследования возникающих в среде электрических полей, а также для измерения широкополосных или импульсных полей, рассеиваемых электротехническими устройствами и создаваемых линиями связи либо электропередачи. Сущность изобретения: повышение точности и достоверности измерений достигается тем, что две противолежащие пластины, выполненные в виде цилиндрических сегментов одинакового диаметра, охватывают объем среды с источниками электрического поля., пластины помещены в коаксиальный с ними цилиндрический экран и подключены к регистрирующему прибору. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.