RU215001U1 - Electric field strength sensor with sensitive elements in the form of a spherical bicagon - Google Patents

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 датчик напряженности электрического поля с чувствительными элементами в форме сферического двуугольника, содержащий проводящее сферическое основание с проводящими чувствительными элементами, попарно и симметрично расположенными относительно поверхности сферического основания датчика на его координатных осях, проходящих через центр сферического основания, при этом чувствительные элементы и сферическое основание датчика изолированы друг от друга, причем датчик имеет расположенные на одной координатной оси два чувствительных элемента, выполненных в форме сферического двуугольника с угловыми размеры α₀=90° и β₀, при этом β₀ устанавливается из диапазона значений 43,4°≤β₀≤48,7°, исходя из требуемой погрешности от неоднородности поля, выбираемой из диапазона 0,25%<δ<3,5%, и соответствующему ей пространственному диапазону измерений в соответствии с установленной функциональной зависимости β₀=f(δ).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. An electric field strength sensor with sensitive elements in the form of a spherical diagon is proposed, containing a conductive spherical base with conductive sensitive elements located in pairs and symmetrically relative to the surface of the spherical base of the sensor on its coordinate axes passing through the center of the spherical base, while the sensitive elements and the spherical base of the sensor isolated from each other, and the sensor has two sensitive elements located on the same coordinate axis, made in the form of a spherical diagon with angular dimensions α ₀ =90° and β ₀ , while β ₀ is set from the range of values 43.4°≤β ₀ ≤ 48.7°, based on the required error from the inhomogeneity of the field, selected from the range of 0.25%<δ<3.5%, and the corresponding spatial measurement range in accordance with the established functional dependence β ₀ =f(δ).

Техническим результатом при реализации заявленного решения 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. 4 ил.

The technical result in the implementation of the claimed solution is to increase the accuracy of measuring the electric field strength in a wide spatial measurement range, i.e. at distances from the field source or conductive surfaces commensurate with the dimensions of the sensor. 4 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 measuring technology and can be used for sequential measurement of the components of the electric field strength vector.

Известен однокоординатный датчик напряженности электрического поля [Патент на полезную модель № 17225 РФ, МКИ G 01 R 29/08], содержащий проводящее сферическое основание, на поверхности которого изолированно от него и друг от друга расположены два одинаковых электропроводящих чувствительных элемента в форме полусфер, центры которых лежат на одной координатной оси, проходящей через центр сферического основания и измерительную цепь, находящуюся внутри проводящего сферического основания датчика.A single-coordinate electric field strength sensor is known [Utility model patent No. 17225 RF, MKI G 01 R 29/08], containing a conductive spherical base, on the surface of which, isolated from it and from each other, there are two identical electrically conductive sensitive elements in the form of hemispheres, centers which lie on the same coordinate axis passing through the center of the spherical base and the measuring circuit located inside the conductive spherical base of the sensor.

Достоинством датчика является то, что он выполняется двойным, так как на координатной оси датчика расположены диаметрально противоположные пары проводящих чувствительных элементов. А, о 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 влияния синфазных составляющих, вызванных внешними электрическими помехами.The advantage of the sensor is that it is made double, since diametrically opposite pairs of conductive sensitive elements are located on the coordinate axis of the sensor. And, the strength of the electric field is 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 measurement accuracy, by reducing the influence of common-mode components caused by external electrical noise.

К недостатку датчика можно отнести выполнение его чувствительных элементов в форме полусфер, которые имеют угловой размер θ₀=90°. Такой размер чувствительных элементов датчика приводит к значительной отрицательной погрешности от неоднородности поля. В широком пространственном диапазоне измерения от 0 до ∞ эта погрешность может достигать -34 %. Датчик с отрицательной погрешностью будет занижать значение напряженности электрического поля. При ограничении погрешности, например, до -5 % ограничивается пространственный диапазон измерения до диапазона, не позволяющего проводить измерения вблизи источника поля с малой погрешностью. The disadvantage of the sensor can be attributed to the implementation of its sensitive elements in the form of hemispheres, which have an angular size θ ₀ =90°. Such a size of the sensitive elements of the sensor leads to a significant negative error from the field inhomogeneity. In a wide spatial measurement range from 0 to ∞, this error can reach -34%. A sensor with a negative error will underestimate the value of the electric field strength. When the error is limited, for example, to -5%, the spatial measurement range is limited to a range that does not allow measurements near the field source with a small error.

Известен так же трехкоординатный датчик, реализованный в способе измерения напряженности электрического поля, [Патент RU № 2388003, МКИ G01 R 29/12, G01 R 29/08], содержащий проводящее сферическое основание с тремя парами проводящих чувствительных элементов в форме сферических сегментов с угловыми размерами θ₀≤45°, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности сферического основания датчика на его координатных осях, проходящих через центр сферического корпуса, при этом чувствительные элементы и корпус датчика изолированы друг от друга.A three-coordinate sensor is also known, implemented in a method for measuring the electric field strength, [Patent RU No. 2388003, MKI G01 R 29/12, G01 R 29/08], containing a conductive spherical base with three pairs of conductive sensing elements in the form of spherical segments with angular dimensions θ ₀ ≤45°, located in pairs and symmetrically relative to the surface of the spherical base of the sensor on its coordinate axes passing through the center of the spherical housing, while the sensitive elements and the sensor housing are isolated from each other.

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

Недостатком датчика 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 до 45° 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 в широком пространственном диапазоне +35%. В результате значение напряженности электрического поля будут завышено. При ограничении погрешности, например, до +5% ограничивается пространственный диапазон измерения до диапазона, не позволяющего проводить измерения вблизи источника поля с малой погрешностью. The disadvantage of the sensor 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 with an angular dimension θ ₀ =90°. The limitation of the angular dimensions of the spherical segments to 45° 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 limiting value of which reaches +35% in a wide spatial range. As a result, the value of the electric field strength will be overestimated. When the error is limited, for example, to +5%, the spatial measurement range is limited to a range that does not allow measurements near the field source with a small error.

Наиболее близким к заявляемому датчику является датчик для измерения напряженности электрического поля, [Авторское свидетельство SU № 1149189, МКИ G01 R 29/08], содержащей сферическое проводящее основание, три пары проводящих чувствительных элемента в форме частей сферических сегментов с угловыми размерами

(где θ₀ определяется в градусах; δ - погрешность от неоднородности поля в относительных единицах), размещенных симметрично на диаметрально противоположных участках сферического проводящего корпуса, изолировано от него и один от другого и расположенных на координатных осях, проходящих через центр сферического корпуса. Closest to the claimed sensor is a sensor for measuring the electric field, [Author's certificate SU No. 1149189, MKI G01 R 29/08], containing a spherical conductive base, three pairs of conductive sensing elements in the form of parts of spherical segments with angular dimensions

(where θ ₀ is determined in degrees; δ is the error from the field inhomogeneity in relative units) placed symmetrically on diametrically opposite sections of the spherical conductive body, isolated from it and one from the other and located on the coordinate axes passing through the center of the spherical body.

Достоинством датчика является, то, что чувствительные элементы являются частью сферических сегментов, выполненных с угловым размеромThe advantage of the sensor is that the sensitive elements are part of spherical segments made with an angular size

45°<θ₀<63,4°. Использование частей сферических сегментов вызвано исключением их наложения друг на друга. Такие угловые размеры чувствительных элементов датчика позволили расширить пространственный диапазон измерения с d=2R до d=1,3R, где d - расстояние до источника поля, R - радиус сферического корпуса датчика. Кроме этого, датчик прототипа также выполнен двойным, и обладает теми же достоинствами, что и датчик аналога.45°<θ ₀ <63.4°. The use of parts of spherical segments is caused by the exclusion of their overlapping with each other. Such angular dimensions of the sensitive elements of the sensor made it possible to expand the spatial measurement range from d=2R to d=1.3R, where d is the distance to the field source, R is the radius of the spherical sensor housing. In addition, the prototype sensor is also made double, and has the same advantages as the analogue sensor.

Недостатком датчика можно считать узкий пространственный диапазон измерения при погрешности от неоднородности поля, лежащей в диапазоне от ±1% до ±3%.A shortcoming of the sensor can be considered a narrow spatial measurement range with an error due to field inhomogeneity ranging from ±1% to ±3%.

Таким образом, общим недостатком аналогов и прототипа является, то что, при равных допустимых погрешностях от неоднородности поля они имеют узкий пространственный диапазон измерения, не позволяющий проводить измерения вблизи источника поля.Thus, a common disadvantage of analogues and the prototype is that, with equal allowable errors from field inhomogeneity, they have a narrow spatial measurement range that does not allow measurements to be made near the source of the field.

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 improve the accuracy of measuring the electric field strength in a wide spatial measurement range, i.e. at distances from the source of the field or conductive surfaces commensurate with the dimensions 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, содержащим проводящее сферическое основание с проводящими чувствительными элементами, попарно и симметрично расположенных относительно поверхности корпуса датчика на его координатных осях, проходящих через центр сферического основания, при этом чувствительные элементы и сферическое основание датчика изолированы друг от друга, согласно заявленному решению датчик имеет расположенные на одной координатной оси два чувствительных элемента, выполненных в форме сферического двуугольника с угловыми размеры α₀=90° и β₀, при этом β₀ устанавливается из диапазона значений 43,4°≤β₀≤48,7° исходя из требуемой погрешности от неоднородности поля, выбираемой из диапазона 0,25 %<δ<3,5 % и соответствующему ей пространственному диапазону измерений в соответствии с установленной функциональной зависимости β₀=f(δ).This task is achieved by the fact that in a known sensor for measuring the electric field strength, containing a conductive spherical base with conductive sensitive elements, located in pairs and symmetrically relative to the surface of the sensor housing on its coordinate axes passing through the center of the spherical base, while the sensitive elements and the spherical base sensors are isolated from each other, according to the claimed solution, the sensor has two sensitive elements located on the same coordinate axis, made in the form of a spherical bicagon with angular dimensions α ₀ =90° and β ₀ , while β ₀ is set from the range of values 43.4°≤ β ₀ ≤48.7° based on the required error from the field inhomogeneity, selected from the range of 0.25%<δ<3.5% and the corresponding spatial measurement range in accordance with the established functional dependence β ₀ =f(δ).

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид датчика напряженности электрического поля с чувствительными элементами 2-3 выполненные в форме сферического двуугольника. На фиг. 2 показаны разрезы датчика: фиг.2,а вид сверху и фиг.2,б вид сверху, повернутый на 90°, на которых указаны угловые размеры α₀ и β₀ его чувствительных элементов. На фиг.3 графики 1 и 2 - графики зависимости пространственного диапазона измерения a=R/d от погрешности δ, вызванной неоднородностью поля (где R - радиус сферического основания 1 датчика, d - расстояние от центра сферического корпуса 1 до источника поля). График 1 соответствует заявляемому датчику, а график 2 соответствует датчику прототипа. На фиг.4 показан график зависимости β₀=f(δ) углового размера β₀ чувствительного элемента в форме двуугольника при α₀=90° от погрешности δ, вызванной неоднородностью поля.The proposed utility model is illustrated by drawings, where figure 1 shows a General view of the electric field strength sensor with sensing elements 2-3 made in the form of a spherical digon. In FIG. 2 shows sections of the sensor: Fig.2a top view and Fig.2b top view, rotated by 90°, which indicate the angular dimensions α ₀ and β ₀ of its sensitive elements. In Fig.3, graphs 1 and 2 - graphs of the spatial measurement range a=R/d from the error δ caused by field inhomogeneity (where R is the radius of the spherical base 1 of the sensor, d is the distance from the center of the spherical body 1 to the field source). Graph 1 corresponds to the claimed sensor, and graph 2 corresponds to the prototype sensor. Figure 4 shows a graph of β ₀ =f(δ) angular size β ₀ of the sensing element in the form of a digon at α ₀ =90° on the error δ caused by field inhomogeneity.

Датчик напряженности электрического поля содержит проводящее сферическое основание 1, чувствительные элементы 2 и 3 расположенные симметрично и диаметрально противоположно на поверхности сферического основания и изолированы от него. Чувствительные элементы находятся на одной координатной оси и выполнены из проводящего материала в форме сферического двуугольника с угловыми размерами α₀=90° и β₀, определяемой требуемой погрешностью от неоднородности поля по функциональной зависимости β₀=f(δ).The electric field strength sensor contains a conductive spherical base 1, sensitive elements 2 and 3 located symmetrically and diametrically opposite on the surface of the spherical base and isolated from it. The sensitive elements are located on the same coordinate axis and are made of a conductive material in the form of a spherical bicagon with angular dimensions α ₀ =90° and β ₀ determined by the required error from the field inhomogeneity according to the functional dependence β ₀ =f(δ).

Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом. The electric field strength sensor works 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 q₂ и q₃. Величины этих зарядов пропорциональны напряженности электрического поля Е₀ When the sensor is introduced into the electric field, its coordinate axis is oriented in the direction of the field, while the opposite in sign and maximum electric charges q ₂ and q ₃ are induced on the sensitive elements 2 and 3 of the sensor. The magnitudes of these charges are proportional to the electric field strength E ₀

и

,

and

,

где E₀ - напряженность однородного поля, поля калибровки; δ₂ и δ₃ погрешности от неоднородности поля для чувствительных элементов 2 и 3. Если поле однородно, то δ₂=0 и δ₃=0.where E ₀ - uniform field strength, calibration field; δ ₂ and δ ₃ errors from the inhomogeneity of the field for sensitive elements 2 and 3. If the field is uniform, then δ ₂ =0 and δ ₃ =0.

Воспринимая и усиливая электрические заряды с помощью дифференциального усилителя зарядов, измеряют их разность между чувствительными элементами 2 и 3.Perceiving and amplifying electric charges with the help of a differential charge amplifier, their difference between the sensitive elements 2 and 3 is measured.

,

,

где

- результирующая погрешность разности зарядов Δq.where

- resulting error of charge difference Δq.

Для датчиков аналогов эта погрешность определяется выражением, приведенном в работе [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].For analogue sensors, this error is determined by the expression given in [Biryukov S.V. Calculation and measurement of electric field strength in electrical installations of super- and ultra-high voltage / S.V. Biryukov, F.G. Kaidanov, R.A. Kats, 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 housing, d is the distance from the center of the spherical sensor housing to the field source, θ ₀ is the angular size of the sensor sensing element.

Для заявляемого датчика результирующая погрешность δ определяется более сложным выражением, приведенным в работе [Бирюков С.В. Датчик напряженности электрического поля с электродами в форме сферических многоугольников /С.В. Бирюков, А.С. Шиликов. // Омский научный вестник, вып. 18. - 2002. - С.123-127]. Выражение для погрешности представляет собой функциональную зависимость вида δ=f(α₀, β₀, a), где α₀=90° и β₀ - угловые размеры чувствительных элементов в форме двуугольника, a - пространственный диапазон измерения, характеризующий степень неоднородности поля.For the claimed sensor, the resulting error δ is determined by a more complex expression given in [Biryukov S.V. Electric field strength sensor with electrodes in the form of spherical polygons /S.V. Biryukov, A.S. Shilikov. // Omsk Scientific Bulletin, vol. 18. - 2002. - S.123-127]. The expression for the error is a functional dependence of the form δ=f(α ₀ , β ₀ , a), where α ₀ =90° and β ₀ are the angular dimensions of the sensitive elements in the form of a digon, a is the spatial measurement range characterizing the degree of field inhomogeneity.

Далее по измеренной разности определяют модуль вектора напряженности электрического поля. Next, according to the measured difference, the modulus of the electric field strength vector is determined.

Уменьшение погрешности датчика и расширение его пространственного диапазона измерения достигается за счет выполнения чувствительных элементов датчика в форме сферического двуугольника с угловыми размерами α₀=90° и β₀, при этом β₀ устанавливается из диапазона значений 43,4°≤β₀≤48,7° исходя из требуемой погрешности от неоднородности поля, выбираемой из диапазона 0,25%<δ<3,5% и соответствующему ей пространственному диапазону измерений в соответствии с установленной функциональной зависимости β₀=f(δ).Reducing the error of the sensor and expanding its spatial measurement range is achieved by making the sensitive elements of the sensor in the form of a spherical diagon with angular dimensions α ₀ =90° and β ₀ , while β ₀ is set from the range of values 43.4°≤β ₀ ≤48, 7° based on the required error from the inhomogeneity of the field, selected from the range of 0.25%<δ<3.5% and the corresponding spatial measurement range in accordance with the established functional dependence β ₀ =f(δ).

При таких угловых размерах распределение зарядов, индуцированных неоднородным полем на поверхности чувствительных элементов датчика в форме сферического двуугольника будет приближаться к распределению в однородном поле, что позволяет проводить измерения на расстояниях более близких к источнику поля. Это подтверждает графики, представленные на фиг. 3, из которых видно, что графики заявляемого датчика идут выше графиков датчика прототипа. Это говорит о том, что заявляемый датчик при той же погрешности от неоднородности поля имеет больший пространственный диапазон измерения, чем датчик прототипа. В цифрах в качестве примеров выберем погрешность от неоднородности поля δ=3%. Для этой погрешности датчик прототипа будет иметь пространственный диапазон измерения a=0,89, а заявляемый датчик - a≈0,975. В переводе на расстояние до источника поля получаем для датчика прототипа d₁=1,12R, а для заявляемого датчика d₂=1,025R. Отсюда следует, что заявляемый датчик может работать ближе к источнику поля. Это подтверждает достижение цели полезной модели, т.е. расширение пространственного диапазона измерений.With such angular dimensions, the distribution of charges induced by an inhomogeneous field on the surface of the sensitive elements of the sensor in the form of a spherical digon will approach the distribution in a uniform field, which makes it possible to carry out measurements at distances closer to the field source. This confirms the graphs shown in Fig. 3, from which it can be seen that the graphs of the proposed sensor are higher than the graphs of the prototype sensor. This suggests that the inventive sensor with the same error from the inhomogeneity of the field has a larger spatial measurement range than the prototype sensor. In figures, as examples, we choose the error from the inhomogeneity of the field δ=3%. For this error, the prototype sensor will have a spatial measurement range a=0.89, and the inventive sensor - a≈0.975. In terms of the distance to the field source, we obtain for the prototype sensor d ₁ =1.12R, and for the inventive sensor d ₂ =1.025R. It follows that the inventive sensor can work closer to the source of the field. This confirms the achievement of the goal of the utility model, i.e. expansion of the spatial range of measurements.

Если воспользоваться тем же примером, то по фиг. 4 можно установить, что датчик с погрешностью от неоднородности поля δ=3 % должен иметь угловые размеры чувствительных элементов в форме сферического двуугольника равными α₀=90° и β₀≈43,9°.Using the same example, in FIG. 4, it can be established that the sensor with an error from the field inhomogeneity δ=3% should have the angular dimensions of the sensitive elements in the form of a spherical digon equal to α ₀ =90° and β ₀ ≈43.9°.

Таким образом, заявляемый датчик позволяет при той же погрешности от неоднородности поля расширить пространственный диапазон измерения в электрических полях.Thus, the inventive sensor allows, with the same error from field inhomogeneity, to expand the spatial measurement range in electric fields.

Claims (1)

Датчик напряженности электрического поля, содержащий проводящее сферическое основание с проводящими чувствительными элементами, попарно и симметрично расположенными относительно поверхности сферического основания датчика на его координатных осях, проходящих через центр сферического основания, при этом чувствительные элементы и сферическое основание датчика изолированы друг от друга, отличающийся тем, что датчик имеет расположенные на одной координатной оси два чувствительных элемента, выполненных в форме сферического двуугольника с угловыми размеры α₀=90° и β₀, при этом β₀ устанавливается из диапазона значений 43,4°≤β₀≤48,7°, исходя из требуемой погрешности от неоднородности поля, выбираемой из диапазона 0,25%<δ<3,5%, и соответствующему ей пространственному диапазону измерений в соответствии с установленной функциональной зависимости β₀=f(δ).An electric field strength sensor containing a conductive spherical base with conductive sensing elements arranged in pairs and symmetrically relative to the surface of the spherical base of the sensor on its coordinate axes passing through the center of the spherical base, while the sensing elements and the spherical base of the sensor are isolated from each other, characterized in that that the sensor has two sensitive elements located on the same coordinate axis, made in the form of a spherical diagon with angular dimensions α ₀ =90° and β ₀ , while β ₀ is set from the range of values 43.4°≤β ₀ ≤48.7°, based on the required error from the inhomogeneity of the field, selected from the range of 0.25%<δ<3.5%, and the corresponding spatial measurement range in accordance with the established functional dependence β ₀ =f(δ).

Images