RU210806U1

RU210806U1 - Dual sensor for measuring electric field strength with multiple sensing elements

Info

Publication number: RU210806U1
Application number: RU2022101437U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Бирюков; Людмила Владимировна Тюкина
Priority date: 2022-01-24
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2022-05-05

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью.Предложен сдвоенный датчик для измерения напряженности электрического поля с составными чувствительными элементами, содержащий сферический корпус с двумя парами электропроводящих чувствительных элементов, первая пара которых выполнена в форме сферического сегмента с угловым размером θ0, а вторая пара выполнена в форме сферического слоя с внутренним и внешним угловыми размерами, соответственно выбираемыми из условий θ01≥θ0 и θ02≤90°, причем чувствительные элементы попарно и симметрично расположены относительно поверхности датчика на одной координатной оси, проходящей через центр электропроводящего сферического корпуса, при этом чувствительные элементы и корпус датчика изолированы друг от друга, 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, а выходы первого и второго дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика соответственно соединены с первым и вторым входами первого сумматора, первый вход и выход которого соединены соответственно с первым и вторым входом второго сумматора, причем в датчике первая пара чувствительных элементов в форме сферического сегмента выполнена с угловыми размерами θ0=47°, а вторая пара чувствительных элементов в форме сферического слоя выполнена с угловыми размерами у вершины θ01≥47° и с угловыми размерами у основания θ02≤90°, а входы второго сумматора соответственно являются выходами первого и второго двойных датчиков, а его выход является выходом сдвоенного датчика. Используя предлагаемый датчик с оптимальными угловыми размерами чувствительных элементов, можно добиться значительного повышения точности измерения напряженности неоднородных электрических полей. Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью. 3 ил.The utility model relates to the field of measuring technology and can be used to measure the electric field strength in a wide spatial range with increased accuracy. is made in the form of a spherical segment with an angular size θ0, and the second pair is made in the form of a spherical layer with internal and external angular sizes, respectively, selected from the conditions θ01≥θ0 and θ02≤90°, and the sensing elements are in pairs and symmetrically located relative to the sensor surface on one coordinate axis passing through the center of the electrically conductive spherical body, while the sensitive elements and the sensor body are isolated from each other, the first sensitive elements of the corresponding pair of elements are made with the possibility of connection from the first inputs of the differential converters of the sensor output signals, and the second sensitive elements of the same pair are configured to be connected to the second inputs of the differential converters of the sensor output signals, and the outputs of the first and second differential converters of the sensor output signals, respectively, are connected to the first and second inputs of the first adder, the first input and the output of which is connected respectively to the first and second inputs of the second adder, and in the sensor the first pair of sensitive elements in the form of a spherical segment is made with angular dimensions θ0=47°, and the second pair of sensitive elements in the form of a spherical layer is made with angular dimensions at the top θ01≥ 47° and with angular dimensions at the base θ02≤90°, and the inputs of the second adder are respectively the outputs of the first and second double sensors, and its output is the output of the dual sensor. Using the proposed sensor with the optimal angular dimensions of the sensitive elements, it is possible to achieve a significant increase in the accuracy of measuring the intensity of inhomogeneous electric fields. The utility model relates to the field of measurement technology and can be used to measure the electric field strength in a wide spatial range with increased accuracy. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью. The utility model relates to the field of measurement technology and can be used to measure the electric field strength in a wide spatial range with increased accuracy.

Известен датчик для измерения составляющих 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 дифференциальный датчик с одной парой одинаковых электропроводящих чувствительных элементов в форме полусфер, диаметрально расположенных на одной координатной оси, с началом координат, совмещенным с центром корпуса датчика, дифференциальный преобразователь выходного сигнала датчика, первый вход которого соединен с первым чувствительным элементом, а второй вход – со вторым чувствительным элементом датчика, а его выход соединен с измерительным прибором, при этом датчик ориентирован так, чтобы вектор напряженности электрического поля совпадал с направлением координатной оси датчика.Known sensor for measuring the components of the electric field [Misakyan M., Kotter F.R., Kaler R.L. Miniature electric field sensor // Instruments for scientific research. – 1978. -№7.–S.52-55], containing a single-coordinate differential sensor with one pair of identical electrically conductive sensing elements in the form of hemispheres, diametrically located on the same coordinate axis, with the origin aligned with the center of the sensor housing, a differential converter of the output sensor signal, the first input of which is connected to the first sensitive element, and the second input - to the second sensitive element of the sensor, and its output is connected to the measuring device, while the sensor is oriented so that the electric field strength vector coincides with the direction of the coordinate axis of the sensor.

Достоинством датчика является то, что он выполняется двойным, так как по каждой координатной оси датчика расположены диаметрально противоположные пары электропроводящих чувствительных элементов. А, 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.The advantage of the sensor is that it is double, since diametrically opposite pairs of electrically conductive sensitive elements are located along each coordinate axis of the sensor. And, the components of the electric field strength vector are judged by the magnitude of the charge difference between opposite pairs of sensitive elements. The use of a sensor in a differential connection leads to an increase in the accuracy of measurements, due to a decrease in common-mode components, i.e. external electrical interference.

Недостатком датчика является то, что датчик с измерительными электродами в форме полусфер, угловой размер которых θ₀=90° в неоднородном поле имеет отрицательную погрешность, предельное значение которой достигает -35%. В результате значение напряженности электрического поля будет занижено. The disadvantage of the sensor is that the sensor with measuring electrodes in the form of hemispheres, the angular size of which θ ₀ =90° in a non-uniform field has a negative error, the limit value of which reaches -35%. As a result, the value of the electric field strength will be underestimated.

Известно также датчик, реализованный в способе измерения напряженности электрического поля [Патент RU№ 2388003, МКИ G01 R 29/12, G01 R 29/08], содержащий электропроводящий сферический корпус с тремя парами электропроводящих чувствительных элементов, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности корпуса датчика на его координатных осях, проходящих через центр сферического корпуса, при этом чувствительные элементы и корпус датчика изолированы друг от друга. It is also known a sensor implemented in a method for measuring the electric field strength [Patent RU No. 2388003, MKI G01 R 29/12, G01 R 29/08], containing an electrically conductive spherical housing with three pairs of electrically conductive sensitive elements, in pairs and symmetrically located relative to the surface of the sensor housing on its coordinate axes passing through the center of the spherical body, while the sensitive elements and the sensor body are isolated from each other.

Датчик второго аналога также выполнен двойным и обладает теми же достоинствами двойного датчика, что и датчик первого аналога.The sensor of the second analogue is also made double and has the same advantages of a double sensor as the sensor of the first analogue.

Недостатком второго аналога является то, что его чувствительные элементы выполнены в форме сферических сегментов с угловыми размерами θ₀≤45° и являются частью полусферы, имеющей угловой размер θ₀=90°. Ограничение угловых размеров сферических сегментов вызвано исключением их наложения друг на друга. Датчик с чувствительными элементами в форме сферических сегментов и угловыми размерами θ₀≤45° в неоднородном поле имеет положительную погрешность, предельное значение которой достигает +35%. В результате значение напряженности электрического поля будут завышено.The disadvantage of the second analogue is that its sensitive elements are made in the form of spherical segments with angular dimensions θ ₀ ≤45° and are part of a hemisphere having an angular dimension θ ₀ =90°. The limitation of the angular dimensions of spherical segments is caused by the exclusion of their overlapping. A sensor with sensitive elements in the form of spherical segments and angular dimensions θ ₀ ≤45° in an inhomogeneous field has a positive error, the limit value of which reaches +35%. As a result, the value of the electric field strength will be overestimated.

Наиболее близким является датчик, реализованный в устройстве для измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком [Патент RU № 207464 U1, МКИ G01 R 29/12], содержащий сферический датчик с двумя парами электропроводящими чувствительными элементами, первая пара которых выполнена в форме сферических сегментов с угловыми размерами θ₀≤45°, а вторая пара выполнена в форме сферических сегментов с угловыми размерами у вершины θ₀₁≥45° и у основания θ₀₂≤90°. Обе пары чувствительных элементов попарно и симметрично расположены относительно поверхности датчика на одной координатной осях, проходящих через центр электропроводящего сферического корпуса, при этом чувствительные элементы и корпус датчика изолированы друг от друга, 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, причем первый вход второго сумматора соединен с первым входом первого сумматора и выходом первого дифференциального преобразователя, а второй вход второго сумматора соединен с выходом первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго дифференциального преобразователя, при этом выход второго сумматора подключен к измерительному прибору. The closest is a sensor implemented in a device for measuring electric field strength with a dual sensor [Patent RU No. 207464 U1, MKI G01 R 29/12], containing a spherical sensor with two pairs of electrically conductive sensitive elements, the first pair of which is made in the form of spherical segments with angular dimensions θ ₀ ≤45°, and the second pair is made in the form of spherical segments with angular dimensions at the top θ ₀₁ ≥45° and at the base θ ₀₂ ≤90°. Both pairs of sensitive elements are located in pairs and symmetrically relative to the sensor surface on the same coordinate axes passing through the center of the electrically conductive spherical body, while the sensitive elements and the sensor body are isolated from each other, the first sensitive elements of the corresponding pair of elements are configured to be connected to the first inputs of differential transducers output signals of the sensor, and the second sensitive elements of the same pair are configured to be connected to the second inputs of the differential converters of the output signals of the sensor, the first input of the second adder is connected to the first input of the first adder and the output of the first differential converter, and the second input of the second adder is connected to the output of the first adder, the second input of which is connected to the output of the second differential converter, while the output of the second adder is connected to the measuring device.

В неоднородном поле такой датчик имеет положительную погрешность, предельное, значение которой достигает +5 %.In an inhomogeneous field, such a sensor has a positive error, the limiting value of which reaches +5%.

Общим недостатком известных датчиков является низкая точность при измерении неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне измерений. A common disadvantage of the known sensors is the low accuracy when measuring inhomogeneous electric fields in a wide spatial measurement range.

Задачей полезной модели является повышение точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне измерений, т. е. обеспечение возможности измерения вблизи источников поля и проводящих поверхностей. The objective of the utility model is to improve the accuracy of measuring the intensity of inhomogeneous electric fields in a wide spatial measurement range, i.e., to provide the possibility of measuring near field sources and conductive surfaces.

Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащем сферический корпус с двумя парами электропроводящих чувствительных элементов, первая пара которых выполнена в форме сферического сегмента с угловым размером θ₀, а вторая пара выполнена в форме сферического слоя с внутренним и внешним угловыми размерами, соответственно выбираемыми из условий θ₀₁≥θ₀ и θ₀₂≤90°, причем чувствительные элементы попарно и симметрично расположены относительно поверхности датчика на одной координатной оси, проходящей через центр электропроводящего сферического корпуса, при этом чувствительные элементы и корпус датчика изолированы друг от друга, 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, а выходы первого и второго дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика соответственно соединены с первым и вторым входами первого сумматора, первый вход и выход которого соединены соответственно с первым и вторым входом второго сумматора, согласно заявляемому техническому решению в датчике первая пара чувствительных элементов в форме сферического сегмента выполнена с угловыми размерами θ₀=47°, а вторая пара чувствительных элементов в форме сферического слоя выполнена с угловыми размерами у вершины θ₀₁≥47° и с угловыми размерами у основания θ₀₂≤90°, а входы второго сумматора соответственно являются выходами первого и второго двойных датчиков, а его выход является выходом сдвоенного датчика.This task is achieved by the fact that in a known sensor for measuring the electric field strength, containing a spherical housing with two pairs of electrically conductive sensitive elements, the first pair of which is made in the form of a spherical segment with an angular size θ ₀ , and the second pair is made in the form of a spherical layer with an internal and external angular dimensions, respectively, selected from the conditions θ ₀₁ ≥θ ₀ and θ ₀₂ ≤90°, and the sensing elements are in pairs and symmetrically located relative to the sensor surface on the same coordinate axis passing through the center of the electrically conductive spherical housing, while the sensing elements and the sensor housing are isolated from each other, the first sensitive elements of the corresponding pair of elements are configured to be connected to the first inputs of the differential transducers of the output signals of the sensor, and the second sensitive elements of the same pair are configured to be connected to the second inputs of the differential transducers converters of the output signals of the sensor, and the outputs of the first and second differential converters of the output signals of the sensor, respectively, are connected to the first and second inputs of the first adder, the first input and output of which are connected, respectively, to the first and second inputs of the second adder, according to the claimed technical solution in the sensor, the first pair of sensitive elements in the form of a spherical segment is made with angular dimensions θ ₀ =47°, and the second pair of sensitive elements in the form of a spherical layer is made with angular dimensions at the top θ ₀₁ ≥47° and with angular dimensions at the base θ ₀₂ ≤90°, and the inputs of the second adder respectively are the outputs of the first and second dual sensors, and its output is the output of the dual sensor.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен датчика, представляющий собой сдвоенный двойной однокоординатный датчик для измерения напряженности электрического поля, в состав которого входит измерительная цепь; на фиг.2 показаны чувствительные элементы 2-3, выполненные в форме сферического сегмента (фиг.2,а), и чувствительные элементы 4-5, выполненные в форме сферического слоя (фиг.2,б), и их угловые размеры, а на фиг.3 представлены графики погрешностей от неоднородности электрического поля для датчика, прототипа δ₃, заявляемого датчика: для первого δ₁, второго δ₂ двойных датчиков в составе сдвоенного датчика и сдвоенного датчика δ в зависимости от пространственного диапазона измерения a=R/d (R- радиус корпуса 1 датчика, d- расстояние от центра корпуса 1 датчика до источника поля) для чувствительных элементов 2-3, выполненных в форме сферического сегмента с угловым размером θ₀=47° и для составных чувствительных элементов 2,4-3,5, образующих сферический сегмент (полусферу) с угловым размером θ₀=90°. The proposed utility model is illustrated by drawings, where figure 1 shows a sensor, which is a dual dual single-coordinate sensor for measuring the electric field strength, which includes a measuring circuit; figure 2 shows the sensitive elements 2-3, made in the form of a spherical segment (fig.2, a), and the sensitive elements 4-5, made in the form of a spherical layer (fig. 2, b), and their angular dimensions, and figure 3 shows graphs of errors from the inhomogeneity of the electric field for the sensor, prototype δ ₃ , the proposed sensor: for the first δ ₁ , the second δ ₂ dual sensors in the dual sensor and dual sensor δ depending on the spatial measurement range a=R/d (R is the radius of the sensor housing 1, d is the distance from the center of the sensor housing 1 to the field source) for sensing elements 2-3, made in the form of a spherical segment with an angular size θ ₀ =47° and for composite sensing elements 2.4-3 ,5, forming a spherical segment (hemisphere) with an angular size θ ₀ =90°.

Сдвоенный датчик напряженности электрического поля состоит из электропроводящего сферического корпуса 1 с расположенными на его поверхности на одной координатной оси двумя парами чувствительных элементов 2-3, входящих в первый датчик и двумя парами составных чувствительных элементов, состоящих из элементов 2,4 и 3,5, входящих во второй датчик, двух двухвходовых дифференциальных преобразователей 7 и 8 низкоомными входами и двух двухвходовых сумматоров 9 и 10. Чувствительные элементы 2 и 5 подключены к первым входам, а чувствительные элементы 3 и 4 подключены к вторым входам дифференциальных преобразователей 7 и 8 соответственно. Выходы первого и второго дифференциальных преобразователей соответственно соединены с первым и вторым входами первого сумматора, выход которого и выход первого дифференциального преобразователя соответственно соединены с вторым и первым входами второго сумматора. Выходы первого дифференциального преобразователя 7 и выход первого сумматора 9 соответственно являются выходами первого и второго двойных датчиков, а выход второго сумматора 10 является выходом сдвоенного датчика. Дифференциальные преобразователи 7 и 8, сумматоры 9 и 10 представляют собой измерительную цепь. Измерительная цепь может быть иной, построенной, например, с использованием цифровых и микропроцессорных технологий. В качестве дифференциальных преобразователей измерительной цепи могут, например, использоваться дифференциальные интеграторы тока или усилители заряда. Электропроводящий сферический корпус 1 может являться средней точкой датчика или общей шиной 6 для измерительной цепи датчика. The dual electric field strength sensor consists of an electrically conductive spherical body 1 with two pairs of sensitive elements 2-3 located on its surface on the same coordinate axis, which are included in the first sensor and two pairs of composite sensitive elements consisting of elements 2.4 and 3.5, included in the second sensor, two two-input differential transducers 7 and 8 with low-resistance inputs and two two-input adders 9 and 10. Sensitive elements 2 and 5 are connected to the first inputs, and sensitive elements 3 and 4 are connected to the second inputs of differential transducers 7 and 8, respectively. The outputs of the first and second differential converters are respectively connected to the first and second inputs of the first adder, the output of which and the output of the first differential converter are respectively connected to the second and first inputs of the second adder. The outputs of the first differential converter 7 and the output of the first adder 9 are respectively the outputs of the first and second dual sensors, and the output of the second adder 10 is the output of the dual sensor. Differential converters 7 and 8, adders 9 and 10 represent the measuring circuit. The measuring circuit may be different, built, for example, using digital and microprocessor technologies. As differential converters of the measuring circuit, for example, differential current integrators or charge amplifiers can be used. The electrically conductive spherical body 1 can be the middle point of the sensor or a common bus 6 for the measuring circuit of the sensor.

Датчик работает следующим образом.The sensor works as follows.

Датчик помещают в исследуемое электрическое поле так, чтобы его координатная ось была сориентирована по направлению электрического поля. Под действием электрического поля на чувствительных элементах 2-3 первого датчика и на чувствительных элементах 4-5 второго датчика, входящих в сдвоенный датчик индуцируются электрические заряды. С помощью дифференциальных преобразователей (интеграторов тока) 7 и 8 разность зарядов с каждой пары чувствительных элементов первого и второго датчика преобразуются в напряжения

и

(где k₁ и k₂ – коэффициенты преобразования первого и второго дифференциального преобразователя;

и

- разность зарядов с первой 2, 3 и второй 4, 5 пары чувствительных элементов соответственно). Напряжения U₁ и U₂ суммируются сумматором 9, на выходе которого формируется напряжение

(где k₃ – коэффициент суммирования сумматора 9;

- разность зарядов между парой составных чувствительных элементов, первый из которых состоит из элементов 2, 4, а второй из элементов 3, 5). Напряжения U₁ и U₃ пропорциональны разности зарядов с каждой пары чувствительных элементов 2-3 и составных чувствительных элементов 2,4-3,5, которые в свою очередь пропорциональны E₁ и E₂ напряженности измеряемого электрического поля E. Предварительно при градуировке датчика в однородном электрическом поле регулировкой коэффициентов преобразования k₃ при одной и той же напряженности E добиваются на выходах первого и второго датчиков выполнения равенства U₁=U₃. В этом случае будет выполняться условие E₁=E₂=Е. Напряжения U₁ и U₃ являются выходными напряжениями первого и второго двойных датчиков. Далее напряжения U₁ и U₃ суммируются сумматором 10, и суммарное напряжение U=U₁+U₃=k(E₁+E₂)=k_E (k -коэффициент суммирования сумматора 10) будет выходным напряжением датчика. При выполнении коэффициента суммирования

выходное напряжение U=k₀(E₁+E₂)/2=k₀E (где k₀=1) будет пропорционально среднему значению напряженности электрического поля

, между значениями E₁ и E₂, полученными первым и вторым двойными датчиками, входящими в состав сдвоенного датчика.The sensor is placed in the investigated electric field so that its coordinate axis is oriented in the direction of the electric field. Under the action of an electric field, electric charges are induced on the sensitive elements 2-3 of the first sensor and on the sensitive elements 4-5 of the second sensor included in the dual sensor. With the help of differential converters (current integrators) 7 and 8, the charge difference from each pair of sensitive elements of the first and second sensors is converted into voltages

and

(where k ₁ and k ₂ are the conversion coefficients of the first and second differential converter;

and

- charge difference from the first 2, 3 and second 4, 5 pairs of sensitive elements, respectively). The voltages U ₁ and U ₂ are summed up by the adder 9, at the output of which a voltage is formed

(where k ₃ is the summation factor of adder 9;

- charge difference between a pair of composite sensitive elements, the first of which consists of elements 2, 4, and the second of elements 3, 5). The voltages U ₁ and U ₃ are proportional to the difference in charges from each pair of sensing elements 2-3 and composite sensing elements 2.4-3.5, which in turn are proportional to E ₁ and E _{2 of} the strength of the measured electric field E. Before calibrating the sensor in uniform electric field by adjusting the conversion coefficients k ₃ at the same intensity E achieve at the outputs of the first and second sensors of the equality U ₁ =U ₃ . In this case, the condition E ₁ =E ₂ =E will be fulfilled. The voltages U ₁ and U ₃ are the output voltages of the first and second dual sensors. Next, the voltages U ₁ and U ₃ are summed by the adder 10, and the total voltage U=U ₁ +U ₃ =k(E ₁ +E ₂ )=k _E (k is the summation factor of the adder 10) will be the output voltage of the sensor. When performing the summation factor

output voltage U=k ₀ (E ₁ +E ₂ )/2=k ₀ E (where k ₀ =1) will be proportional to the average value of the electric field strength

, between the values of E ₁ and E ₂ obtained by the first and second dual sensors included in the dual sensor.

Использование сдвоенного датчика повышает точность измерения неоднородных электрических полей. Повышение точности достигается тем, что в неоднородном поле измеренные значения напряженности Е₁ и Е₂ содержат противоположные по знаку относительные погрешности от неоднородности поля, соответственно равные

и

. The use of a dual sensor improves the accuracy of measuring inhomogeneous electric fields. The increase in accuracy is achieved by the fact that in an inhomogeneous field the measured values of the intensity E ₁ and E ₂ contain opposite in sign relative errors from the inhomogeneity of the field, respectively equal to

and

.

С учетом погрешностей, можно записатьTaking into account the errors, we can write

и

,

and

,

где Е–напряженность исходного электрического поля. where E is the intensity of the initial electric field.

Напряженность измеряемого поля определится по формуле The strength of the measured field is determined by the formula

,

где

- погрешность измерения, вызванная неоднородностью поля. В результате получаем значения напряженности электрического поля с погрешностью δ в два раза меньшей, чем разность модулей погрешностей первого δ₁ и второго δ₂ датчиков, входящих в состав сдвоенного датчика.where

- measurement error caused by field inhomogeneity. As a result, we obtain the values of the electric field strength with an error δ two times smaller than the difference in error modules of the first δ ₁ and second δ ₂ sensors included in the dual sensor.

Построим графики (фиг. 3) погрешностей для первого датчик δ₁, второго датчика δ₂, прототипа δ₃ и заявляемого датчика δ в зависимости от относительного расстояния a=R/d, (где R – радиус сферического корпуса датчика, d – расстояние от центра датчика до источника поля). Let's plot graphs (Fig. 3) of errors for the first sensor δ ₁ , the second sensor δ ₂ , the prototype δ ₃ and the claimed sensor δ depending on the relative distance a=R/d, (where R is the radius of the spherical sensor body, d is the distance from center of the sensor to the source of the field).

В основе построения графиков погрешностей δ₁, δ₂ и δ лежит известное выражение для расчета погрешности от неоднородности поля датчиков сферической формы [Бирюков С.В. Расчет и измерение напряженности электрического поля в электроустановках сверх – и ультравысокого напряжения /С.В. Бирюков, Ф.Г. Кайданов, Р.А. Кац, Е.С. Колечинский, В.Я. Ложников, Н.С. Смекалова, М.Д. Столяров //Влияние электроустановок высокого напряжения на окружающую среду: Переводы докладов Международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ-86) (Энергетика за рубежом) / Под ред. Ю.П. Шкарина. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – С. 6-13].The plotting of error graphs δ ₁ , δ ₂ and δ is based on the well-known expression for calculating the error from the inhomogeneity of the field of sensors of a spherical shape [Biryukov S.V. Calculation and measurement of the electric field strength in electrical installations of over - and ultra-high voltage / S.V. Biryukov, F.G. Kaidanov, R.A. Katz, E.S. Kolechinsky, V.Ya. Lozhnikov, N.S. Smekalova, M.D. Stolyarov // The impact of high voltage electrical installations on the environment: Translations of the reports of the International Conference on Large Electrical Systems (SIGRE-86) (Energy abroad) / Ed. Yu.P. Shkarina. - M.: Energoatomizdat, 1988. - S. 6-13].

,

где а=R/d - пространственного диапазона измерения, R – радиус сферического корпуса датчика, d – расстояние от центра сферического корпуса датчика до источника поля, θ₀ - угловой размер чувствительного элемента датчика.where a=R/d is the spatial measurement range, R is the radius of the spherical sensor body, d is the distance from the center of the spherical sensor body to the field source, θ ₀ is the angular size of the sensor's sensing element.

Подставив в эту формулу угловые размеры чувствительных элементов первого θ₀=47° и второго θ₀=90° датчиков, получим для них графики погрешностей δ₁ и δ₂. Вычислив по ним погрешность

, получим график погрешности заявляемого датчика, которая в два раза меньшей, чем разность модулей погрешностей δ₁ и δ₂.Substituting in this formula the angular dimensions of the sensitive elements of the first θ ₀ =47° and the second θ ₀ =90° sensors, we obtain for them the graphs of errors δ ₁ and δ ₂ . Calculating the error

, we get a graph of the error of the proposed sensor, which is two times less than the difference between error modules δ ₁ and δ ₂ .

Из графиков фиг.3 следует, что сдвоенный датчик прототипа с угловыми размерами чувствительных элементов первого датчика θ₀₁=45° и второго датчика θ₀₁=45° θ₀₂=90° позволяет уменьшить погрешность измерения неоднородных электрических полей до +4,6 % при практически полном пространственном диапазоне измерения 0≤a<0,98 (d=1,02R). From the graphs of Fig.3 it follows that the dual sensor of the prototype with the angular dimensions of the sensing elements of the first sensor θ ₀₁ =45° and the second sensor θ ₀₁ =45° θ ₀₂ =90° allows you to reduce the measurement error of non-uniform electric fields to +4.6% at almost full spatial measurement range 0≤a<0.98 (d=1.02R).

Заявляемый двойной датчик позволяет в два раза уменьшить погрешность датчика прототипа практически в том же пространственном диапазоне измерения. При этом первая пара чувствительных элементов в форме сферического сегмента должна быть выполнена с угловыми размерами θ₀=47°, а вторая пара чувствительных элементов в форме сферического слоя должна быть выполнена с угловыми размерами у вершины θ₀₁≥47° и с угловыми размерами у основания θ₀₂≤90°.The inventive double sensor makes it possible to halve the error of the prototype sensor in almost the same spatial measurement range. In this case, the first pair of sensitive elements in the form of a spherical segment must be made with angular dimensions θ ₀ =47°, and the second pair of sensitive elements in the form of a spherical layer must be made with angular dimensions at the top θ ₀₁ ≥47° and with angular dimensions at the base _θ02 ≤90°.

Угловой размер чувствительных элементов θ₀=47° был получен путем нахождения минимума погрешности

заявляемого двойного датчика при изменении углового размера θ0 чувствительных элементов первого датчика. В результате минимизации погрешности установлено, что при угловом размере θ₀=47° чувствительных элементов первого датчика погрешность сдвоенного датчика составляет δ=+2,1% и не превышает её в пространственном диапазоне 0≤a≤0,93 (d≈1,08R).The angular size of the sensitive elements θ ₀ =47° was obtained by finding the minimum error

of the inventive double sensor when changing the angular size θ0 of the sensitive elements of the first sensor. As a result of minimizing the error, it was found that with the angular size θ ₀ =47° of the sensitive elements of the first sensor, the error of the dual sensor is δ=+2.1% and does not exceed it in the spatial range 0≤a≤0.93 (d≈1.08R ).

Таким образом, сдвоенный датчик с чувствительными элементами в форме сферического сегмента с оптимальными угловыми размерами θ₀=47° чувствительных элементов первого датчика и с чувствительными элементами в форме сферического слоя с угловыми размерами, у вершины θ₀₁≥47° и у основания θ₀₂≤90° второго датчика позволяет добиться значительного повышения точности измерения напряженности неоднородных электрических полей. Thus, a dual sensor with sensing elements in the form of a spherical segment with optimal angular dimensions θ ₀ =47° of the sensing elements of the first sensor and with sensing elements in the form of a spherical layer with angular dimensions, at the top θ ₀₁ ≥47° and at the base θ ₀₂ ≤ 90° of the second sensor allows to achieve a significant increase in the accuracy of measuring the intensity of inhomogeneous electric fields.

Claims

Сдвоенный датчик для измерения напряженности электрического поля с составными чувствительными элементами, содержащий сферический корпус с двумя парами электропроводящих чувствительных элементов, первая пара которых выполнена в форме сферического сегмента с угловым размером θ₀, а вторая пара выполнена в форме сферического слоя с внутренним и внешним угловыми размерами, соответственно выбираемыми из условий θ₀₁≥θ₀ и θ₀₂≤90°, причем чувствительные элементы попарно и симметрично расположены относительно поверхности датчика на одной координатной оси, проходящей через центр электропроводящего сферического корпуса, при этом чувствительные элементы и корпус датчика изолированы друг от друга, 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, а выходы первого и второго дифференциальных преобразователей выходных сигналов датчика соответственно соединены с первым и вторым входами первого сумматора, первый вход и выход которого соединены соответственно с первым и вторым входом второго сумматора, отличающийся тем, что в датчике первая пара чувствительных элементов в форме сферического сегмента выполнена с угловыми размерами θ₀=47°, а вторая пара чувствительных элементов в форме сферического слоя выполнена с угловыми размерами у вершины θ₀₁≥47° и с угловыми размерами у основания θ₀₂≤90°, а входы второго сумматора соответственно являются выходами первого и второго двойных датчиков, а его выход является выходом сдвоенного датчика. A dual sensor for measuring the electric field strength with composite sensitive elements, containing a spherical housing with two pairs of electrically conductive sensitive elements, the first pair of which is made in the form of a spherical segment with an angular size θ₀, and the second pair is made in the form of a spherical layer with internal and external angular dimensions, respectively, selected from the conditions θ₀₁≥θ₀ and θ₀₂≤90°, andthe sensing elements are arranged in pairs and symmetrically relative to the sensor surface on the same coordinate axis passing through the center of the electrically conductive spherical body, while the sensing elements and the sensor body are isolated from each other, the first sensing elements of the corresponding pair of elements are configured to be connected to the first inputs of differential output signal converters sensor, and the second sensitive elements of the same pair are configured to be connected to the second inputs of the differential converters of the sensor output signals, and the outputs of the first and second differential converters of the sensor output signals, respectively, are connected to the first and second inputs of the first adder, the first input and output of which are connected, respectively, to the first and second inputs of the second adder, characterized in that in the sensor the first pair of sensitive elements in the form of a spherical segment is made with angular dimensions θ₀=47°, and the second pair of sensitive elements in the form of a spherical layer is made with angular dimensions at the top θ₀₁≥47° and with angular dimensions at the base θ₀₂≤90°, and the inputs of the second adder are respectively the outputs of the first and second dual sensors, and its output is the output of the dual sensor.