RU29150U1 - Device for measuring electric field strength in three orthogonal directions - Google Patents

Description

УСТРОЙСТВО для ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НОЛЯ НО ТРЕМ ОРТОГОНАЛЬНЫМDEVICE FOR MEASURING ELECTRIC ZERO TENSION BUT THREE ORTHOGONAL

НАНРАВЛЕНИЯМDIRECTIONS

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована при измерении вектора 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 vector in a wide spatial range with increased accuracy.

Известно устройство для измерения напряженности электрического поля по трем ортогональным направлениям, реализующее метод I, содержаш;ее измерительный блок с дифференциальными входами и датчик, состояш;ий из сферического проводяш,его корпуса, трех пар одинаковых проводящих электродов в форме сферических сегментов, ограниченных центральным конусом с углом при вершине , размещенных симметрично на диаметрально противоположных участках сферического проводящего корпуса, изолированно от него и один от другого и расположенных в пространстве так, что прямые соединяющие их центры взаимно ортогональны и пересекаются в центре сферического проводящего корпуса, каждая пара электродов подсоединена к соответствующим дифференциальным входам измерительного блока.A device is known for measuring electric field strength in three orthogonal directions, implementing method I, containing; its measuring unit with differential inputs and a sensor, consisting of a spherical conductor, its body, three pairs of identical conductive electrodes in the form of spherical segments bounded by a central cone with an apex angle, placed symmetrically on diametrically opposite sections of the spherical conductive housing, isolated from it and one from the other and located in space It is so that the direct centers connecting them are mutually orthogonal and intersect in the center of a spherical conductive housing, each pair of electrodes connected to the corresponding differential inputs of the measuring unit.

Поскольку в этом устройстве электроды представляют собой сферические сегменты, ограниченные центральным конусом с углом при вершине 0 90°, то его можно использовать при измерении напряженности электрического поля в узком пространственном диапазоне, т.е. на расстояниях от источников поля, значительно превышающих размеры датчика. В этой области электрическое поле можно считать однородным. При приближении датчика к источнику поля электрическое поле становится неоднородным, и появляются значительные отрицательные погрешности измерения. Эти погрешности обусловлены перераспределением зарядов.Since the electrodes in this device are spherical segments bounded by a central cone with an angle at the apex of 0 90 °, it can be used to measure the electric field in a narrow spatial range, i.e. at distances from field sources significantly exceeding the size of the sensor. In this region, the electric field can be considered homogeneous. As the sensor approaches the field source, the electric field becomes inhomogeneous, and significant negative measurement errors appear. These errors are due to the redistribution of charges.

-i;-5-o-. 1 т . « г . .кл.О01К 29/12 -i; -5-o-. 1 t "G. On.O01K 29/12

индуцированных на поверхностях электродов датчика при его приближении к источнику поля или проводящим поверхностям.induced on the surfaces of the sensor electrodes as it approaches the field source or conductive surfaces.

Наиболее близким устройством к заявляемому является устройство для измерения напряженности электрического поля по трем ортогональным компонентам 2, содержащее измерительный блок и датчик, выполненный в виде проводящей сферы, на поверхности которой диаметрально противоположно установлены изолированные друг от друга и от сферы чувствительные электроды, соединенные с измерительным блоком, причем электроды выполнены в виде восьми сферических треугольников, ограниченных тремя взаимно перпендикулярными плоскостями, точка пересечения которых совпадает с центром сферы. Чувствительные электроды соединены между собой через коммутатор, который объединяет их в две группы, образующие две полусферы, подключенные к измерительному блоку, измеряющему протекающий между сформированными электродами электрический ток. Последовательно формируя из электродов полусферы, разделенные координатными плоскостями YOZ, XOZ и XOY, измеряют составляющие ЕХ, Еу и EZ вектора напряженности электрического поля Е.The closest device to the claimed one is a device for measuring the electric field by three orthogonal components 2, containing a measuring unit and a sensor made in the form of a conductive sphere, on the surface of which are sensitive electrodes isolated from each other and from the sphere, connected to the measuring unit moreover, the electrodes are made in the form of eight spherical triangles bounded by three mutually perpendicular planes, the intersection point to toryh coincides with the center of the sphere. Sensitive electrodes are interconnected through a switch, which combines them into two groups, forming two hemispheres, connected to a measuring unit that measures the electric current flowing between the formed electrodes. Sequentially forming hemispheres from the electrodes separated by the coordinate planes YOZ, XOZ and XOY, the components EX, Eu and EZ of the electric field vector E are measured.

Поскольку в этом устройстве электроды объединяются в полусферы, в общем случае представляющие собой сферические сегменты, ограниченные центральным конусом с углом при вершине 0i , то оно обладает теми же недостатками, что и аналог, но уже со значительными положительными погрешностями.Since the electrodes in this device are combined into hemispheres, which in the general case are spherical segments bounded by a central cone with an angle at the vertex 0i, it has the same drawbacks as its counterpart, but with significant positive errors.

Задачей полезной модели является повышение точности измерения вектора напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне измерения, т.е. на расстояниях от источника поля или проводящих поверхностей соизмеримых с размерами датчика. Па таких расстояниях электрическое поле в присутствии датчика обладает сильной неоднородностью. направлениям, содержащем измерительный блок, коммутатор и датчик,The objective of the utility model is to increase the accuracy of measuring the electric field vector 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. directions containing the measuring unit, switch and sensor,

выполненный в виде проводящей сферы, на поверхности которой диаметрально противоположно установлены изолированно друг от друга и от сферы восемь чувствительных электродов разграниченных тремя взаимно перпендикулярными плоскостями, точка пересечения которых совпадает с центром сферы, и соединенных с измерительным блоком через коммутатор, чувствительные электроды выполнены в форме сферического сегмента, ограниченного центральным внешним конусом с углом при вершине в 70 и, в котором вырезано окно, ограниченное центральным внутренним конусом с углом при вершине выбираемым исходя из требуемых погрешности и пространственного диапазона измерения, причем центры чувствительных электродов расположены в вершинах куба, вписанного в сферу, а коммутатор поочередно или одновременно объединяет чувствительные электроды в три пары диаметрально противоположных групп, причем каждая группа состоит из четырех электродов, лежащих на соответствующих плоскостях вписанного в сферу того же куба и на одной из трех осей пространственной ортогональной системы координат.made in the form of a conducting sphere, on the surface of which eight sensing electrodes are demarcally isolated from each other and from the sphere, separated by three mutually perpendicular planes, the intersection point of which coincides with the center of the sphere, and connected to the measuring unit via a commutator, the sensitive electrodes are made in the form of a spherical a segment bounded by a central outer cone with an apex angle of 70 and in which a window is bounded that is bounded by a central inner onus with an angle at the apex selected on the basis of the required error and spatial range of measurement, with the centers of the sensitive electrodes located at the vertices of the cube inscribed in the sphere, and the switch alternately or simultaneously combines the sensitive electrodes into three pairs of diametrically opposite groups, each group consisting of four electrodes lying on the corresponding planes inscribed in the sphere of the same cube and on one of the three axes of the spatial orthogonal coordinate system.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство для измерения напряженности электрического поля по трем ортогональным составляющим; на фиг.2. - электрод датчика, выполненный в виде сферического сегмента, ограниченного центральным внешним конусом с углом при вершине и вырезанным в нем окном, ограниченным центральным внутренним конусом с углом при вершине на фиг.З - графики погрешности от неоднородности поля в зависимости от величины обратной пространственному диапазону измерения a-R/d (где R- радиус корпуса датчика, d- расстояние от центра корпуса датчика до источника поля) для случаев, соответствующих аналогу , прототипу и заявляемому устройству при (f и различных значениях % (40 ).The proposed utility model is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a device for measuring electric field strength by three orthogonal components; figure 2. - a sensor electrode made in the form of a spherical segment bounded by a central external cone with an apex angle and a window cut out in it, bounded by a central internal cone with an apex angle in Fig. H - error plots from field inhomogeneity depending on the reciprocal of the spatial measurement range aR / d (where R is the radius of the sensor housing, d is the distance from the center of the sensor housing to the field source) for cases corresponding to the analogue, prototype, and the claimed device at (f and various% values (40).

0§( /SU 3 0§ (/ SU 3

Устройство для измерения иапряженности электрического поля по трем ортогональным направлениям содержит измерительный блок 11, коммутатор 10 и датчик, выполненный в виде проводящей сферы 1 с радиусом R, на поверхности которой расположены изолированно друг от друга и от сферы восемь чувствительных электродов 2-9 в форме сферических сегментов, ограниченных центральным внешним конусом с углом при вершине в 70°, в которых вырезаны окна центральным внутренним конусом с углом при вершине (электроды 6-9 на фиг. 1 не показаны), через коммутатор 10 подключенных к измерительному блоку 11.A device for measuring electric field strength in three orthogonal directions contains a measuring unit 11, a commutator 10 and a sensor made in the form of a conducting sphere 1 with radius R, on the surface of which eight sensitive electrodes 2-9 are located in isolation from each other and in the form of spherical segments bounded by a central outer cone with an apex angle of 70 °, in which windows are cut out with a central inner cone with an apex angle (electrodes 6-9 in Fig. 1 are not shown), through the commutator 10 chennyh to the measuring unit 11.

Устройство работает след)тощим образом.The device works as follows.

При внесении датчика 1 в электрическое поле на его проводящих электродах 2-9 индуцируются электрические заряды, величина которых пропорциональна измеряемой напряженности электрического поля Е. С помощью коммутатора 10 электроды объединяются в две диаметрально противоположные группы состоящих из четырех пар диаметрально противоположных электродов и подключенных к измерительному блоку 11, измеряющему протекающий между электродами и сферическим проводящим корпусом 1 дифференциальный ток. Последовательно или параллельно формируя из электродов 2-9 диаметрально противоположные пары групп из четырех электродов 2,3,6,7 и 4,5,8,9; 3,4,7,8 и 2,5,6,9; 2,3,4,5 и 6,7,8,9 , разделенных координатными плоскостями XOZ, YOZ и XOY, измеряют составляющие Е, Еу и Е вектора напряженности электрического поля илиWhen the sensor 1 is introduced into the electric field, conductive electrodes 2–9 induce electric charges, the magnitude of which is proportional to the measured electric field E. Using the switch 10, the electrodes are combined into two diametrically opposite groups consisting of four pairs of diametrically opposite electrodes and connected to the measuring unit 11, measuring the differential current flowing between the electrodes and the spherical conductive housing 1. Sequentially or in parallel forming from the electrodes 2-9 diametrically opposite pairs of groups of four electrodes 2,3,6,7 and 4,5,8,9; 3,4,7,8 and 2,5,6,9; 2,3,4,5 and 6,7,8,9, separated by the coordinate planes XOZ, YOZ and XOY, measure the components E, Ey and E of the electric field vector or

его модуль Е + Е. + Е .its module is E + E. + E.

Уменьшение погрешности датчика и расширение его пространственного диапазона измерения достигается за счет вырезания окон в сферических сегментах. При этом распределение зарядов, индуцированных на поверхности, полученных таким образом электродов датчика изменяется, приближаясь к распределению в однородном поле. Это подтверждает фиг.З, где в качестве примеров приведены графики погрешности от неоднородности электрического поля точечного заряда в зависимости от величины обратной 4 пространственному диапазону измерения (где R- радиус корпусаReducing the error of the sensor and expanding its spatial range of measurement is achieved by cutting windows in spherical segments. In this case, the distribution of charges induced on the surface of the sensor electrodes thus obtained changes, approaching the distribution in a uniform field. This is confirmed by FIG. 3, where, as examples, the graphs of the error from the inhomogeneity of the electric field of the point charge depending on the reciprocal of the 4 spatial range of measurement (where R is the radius of the housing

датчика, d- расстояние от центра корпуса датчика до источника поля) для случаев, соответствующих аналогу 0i-9Q, прототипу и заявляемому устройству при и различных значениях (40, 50°, 60° и ().sensor, d is the distance from the center of the sensor housing to the source of the field) for cases corresponding to analog 0i-9Q, the prototype and the claimed device at and various values (40, 50 °, 60 ° and ().

Из графиков фиг.З видно, что использование чувствительных электродов, выполненных в форме сферических сегментов с вырезанными окнами, приводит как к уменьшению погрешности датчика, так и расширению его пространственного диапазона измерений по сравнению с аналогом и прототипом. Например, для датчика, имеюидего электроды с размерами (f и 40 (график 1 на фиг.З) при погрешности 0 % пространственный диапазон измерения будет от оо до IA-R (.71), для датчика аналога с электродами при той же погрешности в 10 % пространственный диапазон измерения будет от оо до 2.4-7 (а-0.41}, а для датчика прототипа с электродами при погрешности в 10 % пространственный диапазон измерения уже будет от оо до I.S-R (.55).From the graphs of FIG. 3 it can be seen that the use of sensitive electrodes made in the form of spherical segments with cut out windows leads both to a decrease in the error of the sensor and to an expansion of its spatial measurement range in comparison with the analogue and prototype. For example, for a sensor that has electrodes with sizes (f and 40 (graph 1 in FIG. 3) with an error of 0%, the spatial range of measurement will be from oo to IA-R (.71), for a sensor of an analog with electrodes with the same error in The 10% spatial range of measurement will be from oo to 2.4-7 (a-0.41}, and for a prototype sensor with electrodes, with an error of 10%, the spatial range of measurement will already be from oo to IS-R (.55).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность и расширить пространственный диапазон измерения в электрических полях.Thus, the proposed device can improve accuracy and expand the spatial range of measurements in electric fields.

1.Horvath Т., Clement G. Measurement of the distortion less electric field intensity of high voltage installations. Third International Symposium on High voltage Engineering. Milan, 28-31 Aug. 1979, p. 44.05/1-44.05/4. Перевод ВЦП .№ Г-21913. - М., - 1981. -12 с.1. Horvath T., Clement G. Measurement of the distortion less electric field intensity of high voltage installations. Third International Symposium on High voltage Engineering. Milan, 28-31 Aug. 1979, p. 44.05 / 1-44.05 / 4. Translation of the VTsP .№ G-21913. - M., - 1981. -12 p.

2.А.с. 1689884 СССР, МКИ G 01 R 29/12 Устройство для измерения напряженности электрического поля / Пучков Г.Г, Соколов А.Г. №4724939/21; Заявл. 26.07.89; Опубл. 07.11.91, Бюл. № 41.2.A.s. 1689884 USSR, MKI G 01 R 29/12 Device for measuring electric field strength / G. Puchkov, A. Sokolov No. 4724939/21; Claim 07/26/89; Publ. 11/07/91, Bull. Number 41.

/ 5  / 5

ЛИТЕРАТУРА LITERATURE

Claims (1)

Устройство для измерения напряженности электрического поля по трем ортогональным направлениям, содержащее измерительный блок, коммутатор и датчик, выполненный в виде проводящей сферы, на поверхности которой диаметрально противоположно установлены изолированно друг от друга и от сферы восемь чувствительных электродов, разграниченных тремя взаимно перпендикулярными плоскостями, точка пересечения которых совпадает с центром сферы, и соединенных с измерительным блоком через коммутатор, отличающееся тем, что в нем чувствительные электроды выполнены в форме сферического сегмента, ограниченного центральным внешним конусом с углом при вершине θ_1≤70°, и в котором вырезано окно, ограниченное центральным внутренним конусом с углом при вершине θ₂<θ₁, выбираемым исходя из требуемых погрешности и пространственного диапазона измерения, причем центры чувствительных электродов расположены в вершинах куба, вписанного в сферу, а коммутатор поочередно или одновременно объединяет чувствительные электроды в три пары диаметрально противоположных групп, причем каждая группа состоит из четырех электродов, лежащих на соответствующих плоскостях вписанного в сферу того же куба и на одной из трех осей пространственной ортогональной системы координат.A device for measuring electric field strength in three orthogonal directions, comprising a measuring unit, a commutator and a sensor made in the form of a conducting sphere, on the surface of which eight sensitive electrodes are separated diametrically opposed from each other and from the sphere, delimited by three mutually perpendicular planes, the intersection point which coincides with the center of the sphere, and connected to the measuring unit through a switch, characterized in that it has sensitive elec odes are in the form of a spherical segment limited by a central external cone with an apex angle θ _1≤ 70 °, and wherein the cut window, a limited central inner cone with an apex angle θ ₂ <θ _1, selected on the basis of the required precision and spatial measuring range moreover, the centers of the sensitive electrodes are located at the vertices of the cube inscribed in the sphere, and the switch alternately or simultaneously combines the sensitive electrodes into three pairs of diametrically opposite groups, each group consisting of it consists of four electrodes lying on the corresponding planes inscribed in the sphere of the same cube and on one of the three axes of the spatial orthogonal coordinate system.