RU175646U1 - ELECTRIC FIELD TENSION SENSOR - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для последовательного измерения составляющих вектора напряженности электрического поля. Датчик содержит подложку, на основания которой нанесены проводящие чувствительные элементы, причем центры чувствительных элементов находятся на одной координатной оси датчика, проходящей через центр подложки. Подложка выполнена из проводящего материала, и её основания имеют форму квадрата, а чувствительные элементы изолированы от оснований подложки и выполнены в форме квадрата со сторонами, меньшими, чем стороны оснований подложки, причем стороны чувствительных элементов параллельны сторонам основания подложки. Технический результат заключается в повышении точности измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне измерения, т.е. на расстояниях от источника поля или проводящих поверхностей, соизмеримых с размерами датчика. 3 ил.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used for sequential measurement of the components of the electric field vector. The sensor contains a substrate, on the base of which conductive sensitive elements are applied, the centers of the sensitive elements being on the same coordinate axis of the sensor passing through the center of the substrate. The substrate is made of a conductive material, and its bases are in the form of a square, and the sensitive elements are isolated from the bases of the substrate and made in the form of a square with sides smaller than the sides of the bases of the substrate, and the sides of the sensitive elements are parallel to the sides of the base of the substrate. The technical result consists in increasing the accuracy of measuring the electric field in a wide spatial range of measurement, i.e. at distances from the field source or conductive surfaces commensurate with the size of the sensor. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для последовательного измерения составляющих вектора напряженности электрического поля.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used for sequential measurement of the components of the electric field vector.

Известно устройство для измерения напряженности электрического поля [А.с.90151 СССР, МКИ G 01R 29/12. Устройство для измерения напряженности электрического поля /И.М. Имянитов; Заявлено 24.10.49], содержащее датчик в виде проводящего чувствительного элемента в форме прямоугольной пластины и устройства снятия электрического заряда с чувствительного элемента. О составляющей вектора напряженности электрического поля судят по величине заряда, индуцированного на чувствительном элементе.A device for measuring electric field strength [A.s. 90151 USSR, MKI G 01R 29/12. Device for measuring electric field strength / I.M. Imyanitov; Declared 24.10.49], containing a sensor in the form of a conductive sensitive element in the form of a rectangular plate and a device for removing electric charge from the sensitive element. The component of the electric field vector is judged by the magnitude of the charge induced on the sensing element.

Поскольку датчик напряженности электрического поля имеет один чувствительный элемент, т.е. датчик одинарный, то он обладает малой чувствительностью и его погрешность при измерении реальных, неоднородных электрических полей будет иметь значительные погрешности.Since the electric field strength sensor has one sensitive element, i.e. the sensor is single, then it has low sensitivity and its error in measuring real, inhomogeneous electric fields will have significant errors.

Наиболее близким устройством к заявляемому является датчик напряженности электрического поля [Кондратьев Б.Л, Юркевич В.М. Измеритель напряженности с индукционно-параметрическим первичным преобразователем //Измерительная техника. – 1980. - №9. – С.47-49], содержащий диэлектрическую подложку в форме диска с нанесенными на ее основания чувствительными элементами, образующими конденсатор, выполняющий роль двойного датчика. Размеры и форма чувствительных элементов совпадает с размерами подложки. О напряженности электрического поля судят по величине разности зарядов между чувствительными элементами, нанесенными на диэлектрическую подложку.The closest device to the claimed is a sensor of the electric field [Kondratiev B.L., Yurkevich V.M. Tension meter with induction-parametric primary transducer // Measuring technique. - 1980. - No. 9. - S.47-49], containing a dielectric substrate in the form of a disk with sensitive elements deposited on its base, forming a capacitor, acting as a double sensor. The size and shape of the sensitive elements coincides with the dimensions of the substrate. The electric field strength is judged by the magnitude of the difference in charges between the sensitive elements deposited on the dielectric substrate.

Поскольку датчик напряженности электрического поля имеет чувствительные элементы, размеры которых не регламентируются, то он будет обеспечивать свою погрешность только в однородном электрическом поле, т.е в поле, в котором проводится его градуировка (поверка). При измерении напряженности реальных, неоднородных электрических полей такой датчик может иметь значительные погрешности. Кроме того, диэлектрическая подложка в датчике приводит к тому, что двойной датчик будет иметь плавающий потенциал средней точки, приводящий к дополнительной погрешности, вызванной отличием потенциала поля в точке измерения от потенциала средней точки датчика.Since the electric field strength sensor has sensitive elements whose sizes are not regulated, it will ensure its error only in a uniform electric field, i.e., in the field in which it is calibrated (calibration). When measuring the intensity of real, inhomogeneous electric fields, such a sensor can have significant errors. In addition, the dielectric substrate in the sensor causes the double sensor to have a floating midpoint potential, leading to an additional error caused by the difference in the field potential at the measurement point from the midpoint potential of the sensor.

Задачей полезной модели является повышение точности измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне измерения, т.е. на расстояниях от источника поля или проводящих поверхностей соизмеримых с размерами датчика. На таких расстояниях электрическое поле в присутствии датчика обладает сильной неоднородностью.The objective of the utility model is to increase the accuracy of measuring the electric field in a wide spatial range of measurement, i.e. at distances from the source of the field or conductive surfaces commensurate with the size of the sensor. At such distances, the electric field in the presence of the sensor has a strong inhomogeneity.

Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащем подложку, на основания которой нанесены проводящие чувствительные элементы, причем центры чувствительных элементов находятся на одной координатной оси датчика, проходящей через центр подложки, согласно заявленному решению подложка выполнена из проводящего материала и ее основания имеют форму квадрата, а чувствительные элементы изолированы от оснований подложки и выполнены в форме квадрата, со сторонами меньшими, чем стороны оснований подложки, причем стороны чувствительных элементов параллельны сторонам основания подложки.This problem is achieved by the fact that in the known sensor for measuring electric field strength containing a substrate, on the base of which conductive sensitive elements are applied, the centers of the sensitive elements being on the same coordinate axis of the sensor passing through the center of the substrate, according to the claimed solution, the substrate is made of conductive material and its bases have the shape of a square, and the sensitive elements are isolated from the bases of the substrate and are made in the form of a square, with sides smaller than sides of the base of the substrate, and the sides of the sensing elements parallel to the sides of the base of the substrate.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен датчик напряженности электрического поля (вид с верху и вид снизу), а на фиг.2 – то же, вид сбоку; на фиг.3 – графики погрешности от неоднородности поля в зависимости от относительного расстояния a=L/d (где L – половина стороны подложки 1 датчика, d - расстояние от центра квадратной подложки 1 до источника поля) и различных значениях относительного размера чувствительного элемента b=l/L (где l – половина стороны чувствительного элемента 2 датчика, L – половина стороны подложки 1 датчика). Случай b=1.0 соответствует датчику прототипа.The proposed utility model is illustrated by a drawing, in which Fig. 1 shows a sensor of electric field strength (view from above and view from below), and in Fig. 2 - the same side view; figure 3 - graphs of the error from the field heterogeneity depending on the relative distance a = L / d (where L is half the side of the sensor substrate 1, d is the distance from the center of the square substrate 1 to the field source) and various values of the relative size of the sensor element b = l / L (where l is half the side of the sensor element 2 of the sensor, L is half the side of the substrate 1 of the sensor). Case b = 1.0 corresponds to the prototype sensor.

Датчик напряженности электрического поля содержит проводящую подложку 1, выполненную в форме прямоугольной пластины квадратного сечения, чувствительные элементы 2 и 3 расположенные на первом и втором основаниях подложки. Каждый чувствительный элемент выполнен из проводящего материала в форме квадрата, меньшего размера подложки и расположен симметрично ее центра.The electric field strength sensor contains a conductive substrate 1 made in the form of a rectangular plate of square cross section, the sensitive elements 2 and 3 located on the first and second bases of the substrate. Each sensitive element is made of a conductive material in the form of a square, a smaller substrate and is located symmetrically to its center.

Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.The electric field intensity sensor operates as follows.

При внесении датчика в электрическое поле, его координатную ось ориентируют по направлению поля, при этом на чувствительных элементах 2 и 3 датчика индуцируются противоположные по знаку и максимальные по величине электрические заряды. Величины этих зарядов пропорциональны напряженности электрического поля Е. Измеряя разность зарядов между чувствительными элементами 2 и 3, находят модуль вектора напряженности электрического поля.When the sensor is introduced into the electric field, its coordinate axis is oriented in the direction of the field, while opposite in sign and maximum in magnitude electric charges are induced on the sensitive elements 2 and 3 of the sensor. The magnitude of these charges is proportional to the electric field E. Measuring the difference in charges between the sensitive elements 2 and 3, find the modulus of the electric field vector.

Для повышения точности измерения напряженности реальных электрических полей подложку выполняют проводящей, а чувствительные элементы и расстояние между ними и подложкой выбирают много меньше толщины подложки. Этим достигается равенство потенциалов подложки, чувствительных элементов, точки пространства расположения датчика и его средней точки. В результате этого можно считать, что датчик представляет собой плоскую проводящую пластину в форме квадрата. Кроме того, уменьшение погрешности датчика и расширение его пространственного диапазона измерения достигается за счет выполнения размеров сторон чувствительных элементов датчика меньших размеров сторон оснований подложки. При этом распределение зарядов, индуцированных неоднородным полем на поверхности чувствительных элементов датчика изменяется, приближаясь к распределению в однородном поле. Это подтверждает фиг.3, где в качестве примеров приведены графики погрешности от неоднородности электрического поля точечного заряда в зависимости от относительного расстояния до источника поля a=L/d (где L – половина стороны подложки 1 датчика, d – расстояние от центра подложки 1 датчика до источника поля) и различных значениях относительного размера чувствительного элемента b=l/L (где l – половина стороны чувствительного элемента 2 датчика, L – половина стороны подложки 1 датчика). Случай b=1.0 на фиг.3 соответствует датчику прототипа.To increase the accuracy of measuring the intensity of real electric fields, the substrate is made conductive, and the sensitive elements and the distance between them and the substrate are chosen much less than the thickness of the substrate. This ensures the equality of the potentials of the substrate, the sensitive elements, the space point of the sensor and its midpoint. As a result of this, it can be considered that the sensor is a flat conductive plate in the shape of a square. In addition, reducing the error of the sensor and expanding its spatial range of measurement is achieved by performing the dimensions of the sides of the sensitive elements of the sensor smaller sizes of the sides of the bases of the substrate. In this case, the distribution of charges induced by an inhomogeneous field on the surface of the sensor’s sensitive elements changes, approaching the distribution in a uniform field. This is confirmed by Fig. 3, where, as examples, error plots from the inhomogeneity of the electric field of a point charge are plotted versus the relative distance to the field source a = L / d (where L is half the side of the sensor substrate 1, d is the distance from the center of the sensor substrate 1 to the field source) and various values of the relative size of the sensor element b = l / L (where l is the half side of the sensor 2, L is the half of the substrate 1 of the sensor). Case b = 1.0 in figure 3 corresponds to the sensor of the prototype.

Графики фиг.3 построен в математическом редакторе MathCAD 14. Из графиков фиг.3 видно, что использование чувствительных элементов, выполненных в форме квадрата, со стороной меньшей стороны квадратного основания подложки датчика, приводит как к уменьшению погрешности датчика, так и расширению его пространственного диапазона измерений по сравнению с прототипом.The graphs of Fig. 3 are built in the mathematical editor of MathCAD 14. From the graphs of Fig. 3 it is seen that the use of sensitive elements made in the form of a square with the side of the smaller side of the square base of the sensor substrate leads to both a decrease in the error of the sensor and the expansion of its spatial range measurements compared to the prototype.

Например, для датчика, имеющего чувствительные элементы с относительным размером чувствительного элемента b=0.2 (l=0.2L) при погрешности δ=10% пространственный диапазон измерения будет от (до 0.6⋅L (a=1.7), а для датчика прототипа с относительным размером b=1.0 (l=L) чувствительных элементов при погрешности (=10% пространственный диапазон измерения будет от (до 3⋅L (a=0.32). Таким образом, датчик с чувствительными элементами, имеющими сторону меньшую, стороне квадратного основания подложки датчика обладает меньшей погрешностью при заданном относительном расстоянии a до источника поля, а при заданной погрешности большим пространственным диапазоном измерения.For example, for a sensor having sensitive elements with a relative size of the sensitive element b = 0.2 (l = 0.2L) with an error of δ = 10%, the spatial measurement range will be from (to 0.6⋅L (a = 1.7), and for the prototype sensor with a relative size b = 1.0 (l = L) of the sensitive elements with an error (= 10% of the spatial measurement range will be from (to 3⋅L (a = 0.32). Thus, a sensor with sensitive elements having a side smaller than the square base of the sensor substrate has a smaller error for a given relative standing a to the source of the field, and for a given error a large spatial range of measurement.

Таким образом, предлагаемый датчик позволяет повысить точность и расширить пространственный диапазон измерения в электрических полях. Он легко реализуется современными методами наноинженерии.Thus, the proposed sensor can improve accuracy and expand the spatial range of measurements in electric fields. It is easily implemented by modern methods of nanoengineering.

Claims (1)

Датчик напряженности электрического поля, содержащий подложку, на основания которой нанесены проводящие чувствительные элементы, причем центры чувствительных элементов находятся на одной координатной оси датчика, проходящей через центр подложки, отличающийся тем, что подложка выполнена из проводящего материала и ее основания имеют форму квадрата, а чувствительные элементы изолированы от оснований подложки и выполнены в форме квадрата со сторонами, меньшими, чем стороны оснований подложки, причем стороны чувствительных элементов параллельны сторонам основания подложки.An electric field sensor containing a substrate, on the base of which conductive sensing elements are applied, the centers of the sensitive elements being on the same coordinate axis of the sensor passing through the center of the substrate, characterized in that the substrate is made of a conductive material and its bases are square in shape and sensitive the elements are isolated from the bases of the substrate and are made in the form of a square with sides smaller than the sides of the bases of the substrate, and the sides of the sensitive elements of the pairs allelic to the sides of the base of the substrate.

Images