способ измерения напряженности электрического поля

Формула изобретения

Способ измерения напряженности электрического поля, основанный на помещении в исследуемое пространство одновременно трех пар проводящих чувствительных элементов, входящих в общий датчик, симметрировании наружных поверхностей датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров поверхностей чувствительных элементов попарно на трех осях выбранной системы координат симметрично относительно ее начала, отличающийся тем, что датчик ориентируют в поле так, чтобы одна из составляющих сектора напряженности электрического поля достигла максимального значения, наступающего в момент совпадения направления вектора напряженности с одной из координатных осей датчика, затем удерживают датчик в этом положении и измеряют модуль вектора напряженности по этой координатной оси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью.

Известен однокоординатный способ измерения напряженности электрического поля [1], основанный на помещении в исследуемое пространство одной пары чувствительных элементов, входящих в общий датчик и находящейся на координатной оси, проходящей через центр датчика, ориентировании этих чувствительных элементов в электрическом поле до момента получения максимальной составляющей и определении модуля вектора напряженности путем измерения этой составляющей.

Достоинство такого способа измерения напряженности электрического поля, заключается в том, что устройство, реализующее этот способ, имеет узкий диапазон входных сигналов и простую схемную реализацию.

Недостатком этого способа является сложность отыскания максимальной составляющей, поскольку требуется поворачивать датчик в трех его плоскостях, и низкая точность измерения вектора напряженности неоднородного электрического поля.

Известен также двухкоординатный способ измерения напряженности электрического поля [2], основанный на помещении в исследуемое пространство двух пар чувствительных элементов, входящих в общий датчик и находящихся на двух координатных осях, проходящих через центр датчика, ориентировании этих чувствительных элементов в двух плоскостях датчика, измерении двух его составляющих и определении модуля вектора напряженности путем геометрического суммирования измеренных составляющих.

Недостатком этого способа также является сложность отыскания максимальной составляющей, низкая точность измерения вектора напряженности неоднородного электрического поля, узкий пространственный диапазон измерения и расширенный диапазон входных сигналов устройства, реализующего этот способ.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения напряженности электрического поля [3], заключающийся в том, что в исследуемое пространство одновременно помещают три пары чувствительных элементов, входящих в общий датчик, симметрируют наружную поверхность датчика относительно координатных плоскостей, располагают центры наружных поверхностей чувствительных элементов попарно на трех осях выбранной системы координат симметрично относительно его начала с последующим измерением трех координатных составляющих и определением напряженности измеряемого поля путем геометрического суммирования этих составляющих.

Общим недостатком известных способов и прототипа является то, что их можно использовать при измерении напряженности электрического поля в узком пространственном диапазоне, т.е. на расстоянии от источников поля и проводящих поверхностей, значительно превышающих размеры датчика. В этой области электрическое поле можно считать однородным. При приближении датчика к источнику поля или проводящим поверхностям электрическое поле становится неоднородным и появляется зависимость измеряемой напряженности от ориентации датчика, что приводит к значительным погрешностям измерения.

Кроме этого, устройства, реализующие эти способы, имеют расширенные диапазоны измерения входных сигналов и обладают повышенной сложностью реализации.

Задача изобретения - осуществление возможности измерения вектора напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью и упрощения отыскания максимальной составляющей вектора напряженности электрического поля и схемной реализации устройства по этому способу.

Задача достигается путем помещения в исследуемое пространство одновременно трех пар проводящих чувствительных элементов, входящих в общий датчик, симметрировании наружных поверхностей датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров поверхностей чувствительных элементов попарно на трех осях выбранной системы координат симметрично относительно ее начала, при этом датчик ориентируют и затем поддерживают так, чтобы вектор напряженности электрического поля совпал с одной из координатных осей датчика, т.е. чтобы его составляющая по этой координатной оси была максимальна, а конфигурацию и размер чувствительных элементов, а также пространственный диапазон измерения выбирают исходя из требуемой погрешности. При этом модуль вектора напряженности электрического поля определяют измерением составляющей этого вектора по одной из координатных осей датчика, совпадающей с направлением вектора напряженности.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема устройства для измерения напряженности электрического поля, реализующая способ; на фиг.2. - пример одной из возможных форм чувствительных элементов 1-6 датчика, выполненной, в общем случае, в виде сферического слоя с внешним ₁ и внутренним ₂ угловыми размерами.

Чувствительные элементы 1-6 представляют собой наружные сферические поверхности, симметричные относительно плоскостей декартовой системы координат, например, в трех ординатах тела 7, представляющего из себя, в частном случае, шар или сферу. Центры 8-13 этих поверхностей попарно расположены на осях той же системы координат симметрично относительно ее начала 14. Чувствительные элементы, представляющие собой сферические сегменты, слои, квадраты, соединены, в частном случае, через резисторы, а в общем случае через дифференциальные преобразователи 15-17, и устройство 18 выделения наибольшей из трех составляющей вектора напряженности по координатным осям датчика, выход которого соединен с входом измерительного прибора 19, отградуированного в единицах напряженности электрического поля.

Способ измерения реализуется следующим образом. Датчик с чувствительными элементами помещают в пространство исследуемого поля. Ориентируют датчик в поле так, чтобы одна из его составляющих достигла максимального значения, наступающего в момент совпадения направления вектора напряженности электрического поля с одной из координатных осей датчика. Удерживая датчик в этом положении, измеряют модуль вектора напряженности электрического поля в этом координатном направлении. Размер чувствительных элементов, выполненных в форме сферических сегментов, а также пространственный диапазон измерения выбирают исходя из требуемой погрешности согласно таблице 1 или таблице 2.

В таблицах параметр a_макс=R/d_мин, где R - радиус сферического корпуса датчика; d_мин - минимально возможное расстояние от центра датчика до источника поля при требуемой погрешности.

Таким образом, пространственный диапазон измерения датчика будет находиться в пределах от d_мин=R/а_мaкc до . Следовательно, чем больше а_макс, тем шире пространственный диапазон и тем ближе к источнику поля можно располагать датчик.

Используя предлагаемый способ измерения и при правильном выборе конфигурации и размеров чувствительных элементов, можно добиться погрешности измерения менее 2% на расстояниях от источника поля и проводящих поверхностей, больших или равных 2R, где R - радиус сферического корпуса датчика. Кроме этого, упрощаются процесс отыскания максимального значения и устройство обработки сигналов датчика, а также сужается диапазон входных сигналов устройства.

Источники информации

1. Морозов Ю.А., Громов О.М. Прибор для измерения напряженности электрического поля промышленной частоты // Научные работы институтов охраны труда ВЦСПС. - М.: Профиздат. - 1970. - Вып. 65.- С.41-44.

2. Bocker H., Wilhelmy L. Messung der elektrischen Feldstarke bei hohen transienten und periodisch zeitabhangigen Spannungen // Elektrotechniche zeitschrift. - 1970. - A91. - №8. - S.427-430.

3. A.c. СССР. 473128, МКИ G 01 R 29/14. Способ измерения напряженности электрического поля / B.C Аксельрод, К.Б.Щегловский, В.А.Мондрусов. Опубл. 1975, БИ №21.