Устройство для определения параметров локального электрического поля

(51)з 6 01 й 29/1 ическииовкинов Б.М.электрдат, 198ство С1978.Я ОПРЬНОГО институт Измерени ических и 7, с,28-3 ССР ЕЛЕНИ ЛЕКТРИ касает жет бы 6 рете рений ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВедОмстВО сссРГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ, П РАМЕТРОВ ЛОКАЛЧ СКОГО ПОЛЯ(5 ) Использование: изоэектрофизических изме Изобретение касается измерений парамтров широкополосных переменных или импульсных электрических полей,Изобретение может быть использовано в лектрофизике для исследования возникаю их в среде электромагнитных излучений, а акже для измерения импульсных электрич ских полей, рассеиваемых электротехнич скими устройствами и создаваемых л ниями связи или электропередачи.Цель изобретения - повышение точности и достоверности измерения параметров локального электрического поля, возбуждаемого в образцах электрофизических сред.На фиг. 1 схематически изображена конструкция датчика с цилиндрическими электродами; на фиг, 2 - физическая модель еекостных связей электродов датчика и из. луйающей системы; на фиг. 3 - эквивалент.ная электрическая схема датчика; на фиг, 4 - изображена конструкция датчика с дополнительными электродами Я 21802345 А 1 использовано для исследования возникающих в среде электрических полей. а также для измерения широкополосных или импульсных полей, рассеиваемых электротехническими устройствами и создаваемых линиями связи либо электропередачи. Сущность изобретения: повышение точности и достоверности измерений достигается тем, что две противолежащие пластины, выполненные в виде цилиндрических сегментов одинакового диаметра, охватывают объем среды с источниками электрического поля пластины помещены в коаксиальный с ними цилиндрический экран и подключены к регистрирующему прибору, 1 з,п.ф-лы, 4 ил. Предлагаемое устройство,(фиг, 1) состоит из двух проводящих пластин 1, выполнен- ф ных в виде цилиндрических сегментов диаметром б, шириной д с расстоянием между пластинами Ь . Пластины охватывают объем 2, заполненный средой с источни- Оф ками электрического поля, Электроды 1 С) помещены в электромагнитный экран 3. На Я краях пластин сделаны выводы, которые (,Д подключены ко входам преобразующего ф,блока (регистрирующего прибора) 4 посред- (д ством экранированного кабеля 5,Датчик (фиг, 4) содержит два металлических электрода 1, охватывающих объем 2 среды с источниками электрического поля, фф и два дополнительных металлических электрода 6, охватывающих объем 7 среды без источников электрического поля, Дополнительные пластины (электроды) расположены на расстояний (12)б от основных и имеют одинаковую конфигурацию и размеры. Все электроды симметрично помещенывнутрь цилиндрического экрана Э, Пласти. ны соединены между собой проводниками 8. На краях пластин сделаны выводы, которые присоединены ко входам регистрирующего прибора 4 с помощью 5 экранированного кабеля 5.Устройство функционирует следующим образом. При помещении пары проводящих электродов в изменяющееся электрическое поле с напряженностью на них наводятся "0 заряды и возникает разность потенциаловО - эЕогде Ео - проекция вектора напряженности Е на электрическую ось датчика, совпадающую с.направлением перпендикуляра к цен тру пластин;э - эквивалентная измерительная база датчика, зависящая от геометрических и электрофизических параметров датчика и среды, Напряжение с пластин (электродов) 20 передается по экранированному кабелю 5 на вход регистрирующего прибора 4 с дифференциальным входом. Регистрирующий прибор, в качестве которого может использоваться цифровой вольтметр или осцилло граф, может быть градуи рован непосредственно в значениях напряженности электрического поля или эквивалентного дипольно момента источника.Количественные соотношения, описывающие работу датчика, могут быть получены на основе анализа его схемотехнической модели, приведенной на фиг.2, физической моделью источника неоднородного,электрического поля служит двухпроводная линия, содержащая два цилиндрических проводника диаметром 2 а, расположенных на расстоянии Ь и питаемых от источника ЭДС, Регистрирующий прибор и подводящий кабель представлены в модели рези стивно-емкостной нагрузкой. Взаимное влияние заряженных проводящих тел отражено при помощи соответствующих емкостей,Значения емкостей и напряжений на 45электродах при питании задающей линии напряжениям е определяются путем решения задачи теории электромагнитного поля методом конформных преобразований и прямого метода определения напряженно сти поля (метод Сочневэ), Емкости выражаются через эллиптические интегралы первого рода и интегралы, зависящие от расстояний между участками электродов.Полученные соотношения позволили чис ленными методами рассчитать зависимости емкостей от геометрических размеров и "электрофизических параметров среды.По эквивалентной схеме устройства(фиг. 3) с использованием симметрии дэтчи ка, т,е. С 1=С 2, СЗ=С 4 и Се=Ст, передаточнаяфункция датчика запишется в виде:0 Вн С 1 СЗН(р= Йн(Сн+ Со+2 остоянные време Собственно переходная функцияЬ(т) -(Т 1(2 Т 2 ет,Коэффициент передачи в полосе пропускания (или амплитуда переходной функции) соответственно можно представить в видеН( оо ) = 1(О) (С 1- СЗ)/(Сн+ Сд)2, где Сд = Со + (С 1+ Сз)/2 - эквивалентная емкость датчика, Для получения максимального значения коэффициента передачи проведены численные расчеты и получены оптимальные соотношения размеров пластин датчика и зазора между пластинами, Для емкости нагрузки, изменяющейся от 10 до 100 пф, оптимальная ширина проводящих пластин второе меньше зазора между пластинами, Использование оптимальных соотношений позволило увеличить коэффициент преобразования на 6 дБ,Для снижения влияния на датчик внешних помехонесущих электрических полей применено экранирование. Внешней замкнутый алюминиевый экран сферической формы радиусом 46 см и толщиной стенок 0,15 см позволяет ослабить внешнее электрическое поле на 200 дБ. Для применяемого цилиндрического экрана с технологическими отверстиями удается на частотах от единиц до сотен килогерц получить коэффициент экранировэния около 60 дБ,где Со "(С 5+ С 6/2).При этом величина определяется в зависимости от требуемой характеристики поля, т.е,8 эЕопри предположении однородности поля между электродами или при дипольной модели источникаЕ- Р 1/(ЬС 1),где Р 1 - эквивалентный дипольный момент. на единицу длины, С 1 - погонная емкость двухпроводной линии.Передаточная функция определяет преобразование сигналЭ во временной и частотной области. Амплитудно-частотная характеристика датчикаПри измерении слабых электрических полей недостатком рассмотренного устройства является невысокая помехоустойчивость по отношению к внешним электрическим полям. При малых значениях излучаемого электрического поля применеия экранирования для снижения влияния нешних помех недостаточно,Для компенсации внешних помехонесуфих полей в предлагаемом устройстве ввеены два дополнительных электрода, бразующих вспомогательный датчик, нутрь которого помещена среда без источиков исследуемого электромагнитного по,я. Если на устройство действует внешнее Однородное помехонесущее электрическое оле с напряженностью Еп, направленное ерпендикулярно пластинам в их центре. Ч 1 акое поле в отсутствии дополнительных электродов создаст на входе регистрируюцего прибора напряжение помехиОп=1 эЕп. Г 1 ри наличии дополнительных электродов нвпряжение на входе регистратора будет ойределяться выражением;. Оэ = эЕп - 1 эдЕ и = (1 э - 1 эд) Е п, ге 1 эд - измерительная база дополнительнй системы электродов,Разность Ь = (1 э - 1 эд) зависит от точнос и геометрической структуры основных и д полнительных электродов и электрофизич ских параметров среды в месте их устан вки и может быть сведена к весьма малой в личине.Применение дополнительных электродв позволило повысить чувствительность У 4 тройства на 40 дБ,Таким образом, предлагаемое устройт 1 в а в с о д ет озможность повысить чувстви т льность к измеряемому дипольному м менту на (4550) дБ. Техническая эффект ность предложенного да 1 чика электрического поля, которая подтверждена экспериментально, определяет достоверн сть и информативность экспериментальн х исследований. По поводу эк логической эффективности можно отмети ь, что затраты на изготовление предлагаеього устройства будут соизмеримы с затратами на изготовление прототипа, а затраты на проведение эксперимента значительно сократятся, т,к. отпадает необходимость во многих повторных экспериментахдля накопления информации и ее статисти 5 ческой обработки, Конкретная оценка экономии может быть приведена дляконкретной физической задачи,Формула изобретения1. Устройство для определения пара 10 метров локального электрического поля, содержащее две противолежащие пластины ицилиндрический экран, соединенные с преобразующим блоком, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью повышения точности и15 достоверности результатов измерения, пластины выполнены в виде цилиндрическихсегментов одинакового диаметра с 1, расположены внутри экрана коаксиально с ним иохватывают участок среды с исследуемым20 полем, преобразующий блок расположенвне экрана, а длина сегментов и экрана много больше диаметра сегментов, причем Ь ==3 д,где Л - расстояние между краями пластин,25 измеренное по дуге;д - ширина пластины. измерения подуге сегмента,2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что в него дополнительно введены30 две вспомогательные проводящие пластины, идентичные основным и расположенные на расстоянии (1 - 2)д так, что зазорыосновных и дополнительных электродовсимметричны относительно плоскости, про 35 ходящей через оси цилиндров, а основные идополнительные электроды симметричныотносительно цилиндрического электромагнитного экрана, дополнительные электродыохватывают среду без источников электри 40 ческого поля, причем один из основныхэлектродов электрически соединен с противоположным относительно зазора дополнительным электродом и подключен кнеинвертирующему входу регистрирующе 45 го прибора, а другой основной электродэлектрически соединен с другим дополнительным электродом и подключен к инвертирующему входу регистрирующегоприбора.501802345 Фиг. Фи Фиг. Составитель Е.ЗиминТехред М.Моргентал . Корректор М.Керецман едактор дательский комбинат "Патент", г. Уж ул,Гагарина, 101 роиэводствен указ 848 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5