RU181781U1 - ELECTRIC FIELD TENSION SENSOR - Google Patents

Abstract

Использование: для последовательного измерения составляющих вектора напряженности электрического поля. Сущность полезной модели заключается в том, что датчик напряженности электрического поля содержит основание цилиндрической формы, на поверхности которого изолировано друг от друга, расположены проводящие чувствительные электроды в форме цилиндрического прямоугольника, разделенные плоскостью, проходящей через ось цилиндра, при этом основание цилиндрической формы выполнено из проводящего материала, а чувствительные электроды изолированы от основания и выполнены с угловым размером 90°<θ<180°. Технический результат обеспечение возможности повышения точности измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне измерения. 2 ил.Usage: for sequential measurement of the components of the vector of electric field strength. The essence of the utility model is that the electric field strength sensor contains a cylindrical base, on the surface of which are isolated from each other, conductive sensitive electrodes are located in the form of a cylindrical rectangle, separated by a plane passing through the axis of the cylinder, while the base of the cylindrical shape is made of conductive material, and sensitive electrodes are isolated from the base and are made with an angular size of 90 ° <θ <180 °. EFFECT: provision of the possibility of increasing the accuracy of measuring electric field strength in a wide spatial range of measurement. 2 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.

Известен двухкоординатный датчик напряженности электрического поля [Климашевский И.П., Кондратьев Б.Л., Полетаев В.А., Юркевич В.М. Измеритель вектора напряженности электрического поля высоковольтного оборудования // Измерительная техника. - 1983. - №1. - С. 48-49], представляющий собой металлический цилиндр, разрезанный взаимно перпендикулярными плоскостями, проходящими через его ось. Образовавшиеся четыре части цилиндра, представляют собой электроды двойного датчика с угловым размером θ₀=90°, на которых индуцируются заряды, пропорциональные соответствующим составляющим вектора напряженности электрического поля.Known two-coordinate sensor of the electric field [Klimashevsky I.P., Kondratiev B.L., Poletaev V.A., Yurkevich V.M. Measuring instrument of the electric field vector of high-voltage equipment // Measuring equipment. - 1983. - No. 1. - S. 48-49], which is a metal cylinder cut by mutually perpendicular planes passing through its axis. The formed four parts of the cylinder are electrodes of a double sensor with an angular size θ ₀ = 90 °, on which charges are proportional to the corresponding components of the electric field vector.

Поскольку датчик напряженности электрического поля имеет чувствительные электроды с угловым размером θ₀=90°, обеспечивающие погрешность датчика в однородном поле. При измерении реальных, неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне датчик будет иметь значительные погрешности.Since the sensor of the electric field has sensitive electrodes with an angular size θ ₀ = 90 °, providing the error of the sensor in a uniform field. When measuring real, inhomogeneous electric fields in a wide spatial range, the sensor will have significant errors.

Наиболее близким устройством к заявляемому является трехкоординатный датчик напряженности электрического поля [Патент на полезную модель №175577 РФ, МПК G01R 29/12. Датчик напряженности электрического поля /А.А. Кузнецов, А.Ю. Кузменко, С.В. Бирюков. - №2017125826; Заявлено 18.07.2017; Опубл. 11.12.2017, Бюл №35], содержащий диэлектрический цилиндр, на поверхности которого изолировано друг от друга, расположены четыре проводящих электрода в форме цилиндрического прямоугольника, разделенные двумя взаимно-перпендикулярными диаметральными плоскостями, проходящими через ось цилиндра, третьей секущей плоскостью, проходящей через середину цилиндра и перпендикулярно его оси, четыре цилиндрических прямоугольных электрода разделены на восемь изолированных электродов, на которых индуцируются заряды, пропорциональные соответствующим составляющим вектора напряженности электрического поля.The closest device to the claimed is a three-coordinate sensor of electric field strength [Utility Model Patent No. 175577 of the Russian Federation, IPC G01R 29/12. The sensor of the electric field / A.A. Kuznetsov, A.Yu. Kuzmenko, S.V. Biryukov. - No. 2017125826; Stated July 18, 2017; Publ. 12/11/2017, Bull No. 35], containing a dielectric cylinder, on the surface of which is isolated from each other, there are four conductive electrodes in the form of a cylindrical rectangle, separated by two mutually perpendicular diametrical planes passing through the axis of the cylinder, the third secant plane passing through the middle the cylinder and perpendicular to its axis, four cylindrical rectangular electrodes are divided into eight isolated electrodes, on which charges are proportional to the corresponding component of the electric field vector.

При измерении для каждой координатной оси датчика напряженности электрического поля из восьми электродов формируются противоположные пары групп из четырех электродов, разделенных координатными плоскостями XOZ, YOZ и XOY. Сформированные таким образом составные электроды, представляют собой электроды двойного датчика с угловым размером θ₀=180°, на которых индуцируются заряды, пропорциональные соответствующим составляющим вектора напряженности электрического поля.When measuring for each coordinate axis of the electric field sensor of eight electrodes, opposite pairs of groups of four electrodes are formed, separated by the coordinate planes XOZ, YOZ and XOY. The composite electrodes thus formed are electrodes of a double sensor with an angular size θ ₀ = 180 °, on which charges are proportional to the corresponding components of the electric field vector.

Поскольку датчик напряженности электрического поля имеет чувствительные электроды с угловым размером θ₀=180°, то он будет обеспечивать свою погрешность только в однородном электрическом поле, т.е. в поле, в котором проводится его градуировка (поверка). При измерении реальных, неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне датчик будет иметь значительные погрешности. Кроме того, диэлектрическое основание цилиндрического датчика 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 electrodes with an angular size θ ₀ = 180 °, it will provide its error only in a uniform electric field, i.e. in the field in which it is calibrated (verification). When measuring real, inhomogeneous electric fields in a wide spatial range, the sensor will have significant errors. In addition, the dielectric base of the cylindrical sensor leads to the fact that the double sensor will have a floating potential of the midpoint, leading to an additional error caused by the difference in the field potential at the measurement point from the potential of the midpoint 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 основание цилиндрической формы, на поверхности которого изолировано друг от друга, расположены проводящие чувствительные электроды в форме цилиндрического прямоугольника, разделенные плоскостью, проходящей через ось цилиндра, согласно заявленному решению основание цилиндрической формы выполнено из проводящего материала, а чувствительные электроды изолированы от основания и выполнены с угловым размером 90°<θ₀<180°.This problem is achieved by the fact that in the known sensor for measuring electric field strength, containing a base of cylindrical shape, on the surface of which is isolated from each other, conductive sensitive electrodes are located in the form of a cylindrical rectangle, separated by a plane passing through the axis of the cylinder, according to the claimed solution, the base is cylindrical the molds are made of conductive material, and the sensitive electrodes are isolated from the base and are made with an angular size of 90 ° <θ ₀ <180 °.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1, а, б изображен датчик напряженности электрического поля (вид сбоку фиг. 1,а и вид сверх фиг. 1, б), а на фиг. 2 - графики погрешности от неоднородности поля в зависимости от относительного расстояния a=R/d (где R - радиус цилиндрического основания 1 датчика, d - расстояние от оси цилиндрического основания 1 до источника поля) и различных значениях углового размера чувствительного электрода θ₀. График 1 соответствует датчику аналога при θ₀=90°, а график 4 соответствует датчику прототипа при θ₀=180°.The proposed utility model is illustrated in the drawing, where in FIG. 1, a, b shows a sensor of electric field strength (side view of Fig. 1, a and a view from above of Fig. 1, b), and in FIG. 2 - graphs of the error from field inhomogeneity depending on the relative distance a = R / d (where R is the radius of the cylindrical base 1 of the sensor, d is the distance from the axis of the cylindrical base 1 to the field source) and various values of the angular size of the sensitive electrode θ ₀ . Graph 1 corresponds to the analog sensor at θ ₀ = 90 °, and graph 4 corresponds to the prototype sensor at θ ₀ = 180 °.

Датчик напряженности электрического поля содержит проводящее цилиндрическое основание 1, чувствительные электроды 2 и 3 расположенные диаметрально противоположно на боковой поверхности цилиндрического основания и изолированы от него. Каждый чувствительный электрод выполнен из проводящего материала в форме цилиндрического сегмента с угловым размером 90°<θ₀<180°.The electric field strength sensor contains a conductive cylindrical base 1, sensitive electrodes 2 and 3 located diametrically opposite on the side surface of the cylindrical base and isolated from it. Each sensitive electrode is made of a conductive material in the form of a cylindrical segment with an angular size of 90 ° <θ ₀ <180 °.

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 цилиндрическое основание выполняют проводящей, а расстояние между чувствительными электродами и цилиндрическим основанием выбирают много меньше толщины чувствительных электродов. Этим достигается равенство потенциалов цилиндрического основания, чувствительных электродов, точки пространства расположения датчика и его средней точки. В результате этого можно считать, что датчик представляет собой не что иное, как проводящий цилиндр. Кроме того, уменьшение погрешности датчика и расширение его пространственного диапазона измерения достигается за счет выбора угловых размеров чувствительных электродов из диапазона 90°<θ₀<180°.To increase the accuracy of measuring the intensity of real electric fields, the cylindrical base is made conductive, and the distance between the sensitive electrodes and the cylindrical base is chosen much less than the thickness of the sensitive electrodes. This achieves the equality of potentials of the cylindrical base, sensitive electrodes, the point of the space location of the sensor and its midpoint. As a result of this, we can assume that the sensor is nothing more than a conductive cylinder. In addition, reducing the error of the sensor and expanding its spatial measurement range is achieved by choosing the angular dimensions of the sensitive electrodes from the range of 90 ° <θ ₀ <180 °.

При этом распределение зарядов, индуцированных неоднородным полем на поверхности чувствительных электродов датчика изменяется, приближаясь к распределению в однородном поле. Это подтверждает фиг. 2, где в качестве примеров приведены графики погрешности от неоднородности электрического поля линейного заряда в зависимости от относительного расстояния до источника поля a=R/d (где R - радиус цилиндрического основания 1 датчика, d - расстояние от оси цилиндрического основания 1 до источника поля) и различных значениях углового размера чувствительного электрода θ₀. График 1 соответствует датчику аналога при θ₀=90°, а график 4 соответствует датчику прототипа при θ₀=180°.In this case, the distribution of charges induced by an inhomogeneous field on the surface of the sensor’s sensitive electrodes changes, approaching the distribution in a uniform field. This is confirmed by FIG. 2, where, as examples, the graphs of the error from the inhomogeneity of the electric field of the linear charge depending on the relative distance to the field source are a = R / d (where R is the radius of the cylindrical base 1 of the sensor, d is the distance from the axis of the cylindrical base 1 to the field source) and various values of the angular size of the sensitive electrode θ ₀ . Graph 1 corresponds to the analog sensor at θ ₀ = 90 °, and graph 4 corresponds to the prototype sensor at θ ₀ = 180 °.

Из графиков фиг. 2 видно, что использование чувствительных электродов с угловыми размерами, выбранными из диапазона 90°<θ₀<180°, приводит как к уменьшению погрешности датчика, так и расширению его пространственного диапазона измерений по сравнению с прототипом и аналогом.From the graphs of FIG. 2 it can be seen that the use of sensitive electrodes with angular sizes selected from the range 90 ° <θ ₀ <180 ° leads to both a decrease in the error of the sensor and the expansion of its spatial measurement range in comparison with the prototype and analogue.

Например, для датчика, имеющего чувствительные электроды с угловым размером θ₀=120° (меньше углового размера прототипа) при погрешности δ=-10% пространственный диапазон измерения практически будет от ∞ до R (а≈0.99), а для датчика прототипа имеющего чувствительные электроды с угловым размером θ₀=180° при погрешности δ=-10% пространственный диапазон измерения будет от ∞ до 1.6⋅R (а=0.6). Если для сравнения рассмотреть датчик-аналог, то выбор чувствительных электродов с угловым размером θ₀>90°, например θ₀=100°, то из фиг. 2 видно, что погрешность датчика уменьшается с +12% до +6% в пространственном диапазоне от ∞ до R (a≈0.99). Следовательно, датчик с чувствительными электродами, имеющими угловой размер в диапазоне 90°<θ₀<180° обладает меньшей погрешностью при заданном относительном расстоянии а до источника поля, а при заданной погрешности большим пространственным диапазоном измерения.For example, for a sensor having sensitive electrodes with an angular size θ ₀ = 120 ° (less than the angular size of the prototype) with an error of δ = -10%, the spatial range of measurement will be practically from ∞ to R ( а ≈0.99), and for a sensor of the prototype having sensitive electrodes with an angular size θ ₀ = 180 ° with an error of δ = -10%, the spatial measurement range will be from ∞ to 1.6⋅R ( a = 0.6). If for comparison we consider a sensor analog, then the choice of sensitive electrodes with an angular size θ ₀ > 90 °, for example θ ₀ = 100 °, then from FIG. Figure 2 shows that the sensor error decreases from + 12% to + 6% in the spatial range from ∞ to R ( a ≈0.99). Therefore, a sensor with sensitive electrodes having an angular size in the range 90 ° <θ ₀ <180 ° has a smaller error at a given relative distance a to the field source, and for a given error a large spatial measurement range.

Таким образом, предлагаемый датчик позволяет уменьшить погрешность и расширить пространственный диапазон измерения в электрических полях. Он легко реализуется современными методами наноинженерии.Thus, the proposed sensor can reduce the error 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 основание цилиндрической формы, на поверхности которого изолировано друг от друга, расположены проводящие чувствительные электроды в форме цилиндрического прямоугольника, разделенные плоскостью, проходящей через ось цилиндра, отличающийся тем, что основание цилиндрической формы выполнено из проводящего материала, а чувствительные электроды изолированы от основания и выполнены с угловым размером 90°<θ₀<180°.Conducting sensitive electrodes in the form of a cylindrical rectangle separated by a plane passing through the axis of the cylinder, characterized in that the base of the cylindrical shape is made of a conductive material, and the sensitive electrodes are located insulated from the base and made with an angular size of 90 ° <θ ₀ <180 °.

Images