Измерительный преобразователь импульсных электрических полей

 

1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, содержащий пакет из проводящих параллельных пластин, разделенных воздушными промежутками и расположенных симметрично относительно центральной плоскости симметрии, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерений вблизи проводящей поверхности, внешние пластины вьтолнены из двух частей , площадь одной из которых S, а другой - где 0,,0, расстояние между этими частями а 5Ь, где h - расстояние между внешней пластиной и ближайшей к ней внутренней пластиной, причем каждая пластина меньшей площади гальванически соединена с аластнной большей площади на противоположной стороне пакета и с выходом измерительного преобразователя . 2. Преобразователь по п. 1, о т личающийся тем, что части каждой внешней пластины выполнены в (/) форме диска и расположенного коаксиально с ним кольца, охватывающего диск, причем площадь кольца меньше площади диска. :о tc ;о

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) 01) з(1) G 01 R 29/08

Б.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К А8ТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3529320/18-21 (22) 29.12.82 (46) 23.06.84. Бюл. N - 23 (72) А.И.Малистин и В.Ф.Иолочков (53) 621.317.328(088.8) (56) 1. Драбкин А.Л. и др. Антенно. фидерные устройства, N., "Советское радио", 1974, с. 153-156.

2. Берендт Плайс. Датчик электрического поля. †"Приборы для научных исследований" (США), 1971, Н б, с. 141-142. (54)(57) 1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ПОЛЕЙ, содержащий пакет из проводящих параллельных пластин, разделенных воздушными промежутками и расположенных симметрично относительно центральной плоскости симметрии, о т л и ч а ю щ и " c я тем, что, с целью повышения точности измерений вблизи проводящей поверхности, внешние пластины выполнены из двух частей, площадь одной из которых S, а другой — (S где 0,5 (1,0, расстояние между зтими частями д > 5h, где h — расстояние между внешней пластиной и ближайшей к ней внутрен- ней пластиной, причем каждая пластина меньшей площади гальванически соединена с пластиной большей площади на противоположной стороне пакета и с выходом измерительного преобразова- теля.

2. Преобразователь по п. 1, о т— л и ч а ю шийся тем, что части каждой внешней пластины выполнены в форме диска и расположенного коаксиально с ним кольца, охватывающего диск, причем площадь кольца меньше площади диска.

1099290

Изобретение относится к электромагнитным измерениям, в частности к устройствам для измерения импульсных электрических полей, и предназначено для измерения напряженности

5 электрического поля вблизи проводящих поверхностей и конструкций.

Известна биконическая антенна, используемая для измерения импульс10 ных электрических полей, представляющая собой два металлических конуса с обращенными друг к другу вершинами, расположенных на одной оси, ориентированной по направлению измеряемой компоненты поля (1) .

Недостатком ее является низкая точность измерений.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является изме20 рительный преобразователь, содержащий пакет из проводящих параллельных пластин, разделенных воздушными промежутками и расположенных симметрично относительно центральной плос25 кости симметрии (2) .

Внешние пластины являются чувствительными элементами, к их центрам подсоединены жилы симметричного кабеля линии связи. Внутренние пластины соединены с оплеткой кабеля и служат для обеспечения равномерного поля в зазоре между внешними и внутренними пластинами. Пластины выполнены в форме диска.

При измерении компоненты поля, нормальной к проводящей поверхности, пластины устройства располагают па. раллельно этой поверхности. Погрешность измерения 8 складывается в основном из трех компонент: погрешности 8„, включающей инструментальную погрешность и погрешность от снятия результатов измерений, кото. рые характеризуют измерения в свободном пространстве (в отсутствие проводящей поверхности); погрешности 8, обусловленной частичным экранированием поля пластинами в области между устройством и проводящей по50 верхностью, что приводит к тому, что на чувствительные пластины воздействуют поля различной напряженности; погрешности 3, обусловленной различной степенью паразитного взаимодействия пластин чувствительных элементов

55 с проводящей поверхностью.

Величина ц1 определяется условиями градуировки и выбранной регистрирующей аппаратурой и не превышает обычно 10-15%.

Величина Sg зависит как от геометрических размеров устройства, так и от расстояния до проводящей поверхности.

Для различных расстояний Н от проводящей поверхности, выраженных в относительных единицах Н/Д=0,5; 1,0;

2,0, где Д вЂ” линейный размер устройства, величина S составляет 10, 2 и 0% соответственно.

Величина S также зависит от геометрических размеров устройства и от расстояния до проводящей поверхности, но определяется в основном относительной величиной помехового сигнала.

В рассматриваемом диапазоне отношений Н/Д = 0,5; 1,0; 2,0 погрешность Sq составляет, соответственно

?О, 45 и 27%. Эта погрешность значительно больше других компонент погрешности и и вносит основной вклад в суммарную погрешность

S = 5 +8 + о, которая для указанных выше отношений Н/Д составляет, соответственно 73, 47 и 31%.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерений вблизи проводящей поверхности.

Целью изобретения является повышение точности измерений вблизи проводящей поверхности.

Поставленная цель достигается тем, что в измерительном преобразователе импульсных электрических полей, содержащем пакет из проводящих параллельных пластин, разделенных воздушными промежутками и расположенных симметрично относительно центральной плоскости симметрии, внешние пластины выполнены из двух частей, площадь одной из которых $, а другой $ S, где 0,5 < у 1,0, расстояние между этими. частямиа 5, где h— расстояние между внешней пластиной и ближайшей к ней внутренней пластиной, причем каждая пластина меньшей площади гальванически соединена с пластиной большей площади на противоположной стороне пакета и с выходом измерительного преобразователя.

При этом части каждой внешней пластины выполнены в форме диска и расположенного коаксиально с ним кольца, охватывающего диск, причем площадь кольца меньше площади диска.

1099290

На фиг. 1 представлена конструк- ция предлагаемого устройства; на фиг. 2 — зависимость множителя

„Яг. от у; на фиг. 3 — конструкция

1+1 5 устройства, в котором части каждой внешней пластины выполнены в форме диска и расположенного коаксиально с ним кольца.

Измерительный преобразователь выполнен в виде пакета проводящих параллельных друг другу пластин и содержит две пары внешних дисковых пластин 1.1,1.2 и 2.1 и 2.2 (эти две

15 пары удалены друг от друга на расстояние д ) и пару внутренних пластин 3 и 4, причем пластины каждой . пары и внутренние пластины расположены симметрично относительно плос20 кости симметрии, проходящей посередине между последними.

Расстояние между внешними и внутренними пластинами 1 сс Д, расстояние между внутренними пластинами опреде25 ляется размерами симметричного кабеля, расположенного между ними.

К оплетке кабеля подсоединены внутренние пластины 3 и 4, токоведущие жилы кабеля 5 подключены каждая к

30 соответствующему плечу устроиства, образованному из пластин. 1.1, 2.1 или образованному из пластин 1.2, 2.2 через технологические отверстия в пластинах 3 и 4, минимизации.

Выбор пластин в форме дисков обуслов- 35 лен требованием краевого эффекта, величина которого зависит от длины периметра пластины и его кривизны.

Форма и размер пластин 3 и 4 опре деляются размерами пластин 1.1 и 1.2 40 и превышают проекцию на себя пластин 1.1 и 1.2 (2.1 и 2.2) на величину а по любому направлению. Величина g выбрана из условия минимизации краевого эффекта и составляета =5h. 45

Измерительный преобразователь удален от проводящей поверхности на расстояние Н и плоскости пластин расположены перпендикулярно измеряемому полю Е. 50

Устройство работает следующим образом.

При воздействии измеряемого электрического поля на чувствительные 55 пластины 1. 1, 2. 1, 1.2, 2.2 на них индуцируется заряд, пропорциональный напряженности поля Г, при этом потенциалы ц, и систем пластин !.1, 2.1 и 1.2, 2.2, 4. 4 соответственно, одинаковы по величине и противоположны по знаку (1л-(4.1 (1.2- гл

Результирующее напряжение Б„ на нагрузке, включенной между симметричными плечами, запишется как

U = „— g =2 у- :1--- -, и " 2 С,,-су4, так как (g< =Я<2 Я2.<=Я2.2 где

Qg <, Q2„,Q, <,Q22 — заряды, индуцированные на пластинах 1.1, 2.1, 1.2, 2.2 соответственно.

При равенстве площадей пластин заряды на них равны и U> =0, поэтому площади должны быть различны 1, 12 S2 s S2 2

Диаметр пластины известного устройства Д, диаметр большей пластины предложенного устройства d меньшей — j d, где — множитель меньше 1, тогда площади пластин могут быть записаны следующим образом: дг (у . гдг )

4 4 — паразитные емкости, образованные пластинами 1.2 и 1.1 с проводящей поверхностью

С вЂ” емкость одного плеча устройства.

Из сравнения выражений для 8 известного и предложенного устройств видно, что последнее отличается на откуда соотношение между диаметрами пластин известного и предлагаемого устройств запишется как

Д

О .1 у* а это означает, что величины паразитных емкостей в предложенном устройстве уменьшены нв величину )+j .

Погрешность 5>, обусловленную различной степенью паразитного взаимодействия пластин чувствительных элеее ментов с проводящей поверхностью, можно определить -из формулы

Н С,",-С,", 47+ з а >

2h С 1+)

3С где С12, С 1

1099290

Г+ я зз множитель — - —, зависимость кор «е торого от в интервале возможных ее изменений (0> 1),приведена на фиг. 2. Из графика видно, что на

5 участке 0,5 («1 значение множителя с точностью до З не изменяется, принимая значение 0,71.

Отсюда имеем при Н/д =0,5; 1,0;

2,0 погрешность 6 равную 45; 31 и 19Х соответственно.

При этом суммарная погрешность измерения 8Н --- 6 8, 8

15 пРи тех же Н/Д Равна 8 =50, 34 и 24Х.

Сравнивая погрешности известного (6 „ =73, 47 и 31 ) и предлагаемого устройств, можно заключить, что предлагаемое устройство при обеспечении щ прочих равных параметров обладает меньшей ногрешностью, что позволяет измерять составляющие электрического поля вблизи проводящих поверхностей с требуемой точностью на рас- 25 стояниях, вдвое меньших, чем прототип.

Все приведенные рассуждения справедливы для пластин любой формы, однако погрешность измерений может быть еще существенно уменьшена при выполнении дополнительных пластик. в виде концентрических колец, расположенных копланарно относительно внешних чувствительных пластин в фор ме дисков. Конструкция такого уст- . ройства приведена на фиг. 3. Дисковые пластины 1.1 и 1.2 расположены на расстоянии h от внутренних дисковых пластин 3 и 4. ДополнителЬные пластины 2.1 и 2.2, имеющие форму кольца, расположены копланарно пластинам 1.1 и 1.2 соосно с ними с зазором а--5h. Дисковые пластины 1. 1 и 1.2 попарно соединены с кольцевы- 45 ми пластинами 2.1 и 2.2, расположенными на противоположной стороне устройства, - образуя два симметричных плеча из пластин 1.1, 2,1; из пластин 1.2, 2.2. Принцип работы устройства не изменяется. Увеличение точности измерения достигается за

\ счет уменьшения или даже исключения погрешности и основано на следующих предпосылках.

Известно, что пластины одинаковой площади, имеющие разные формы, образуют с удаленной от них проводящей поверхностью различные емкости.

Так емкость, образованная кольцевой пластиной, больше емкости, образованной дисковой пластиной, при равных площадях и, уменьшая площадь кольцевой пластины, можно сделать эти емкости одинаковыми, при этом площади пластин будут различны и условие работоспособности устройства соблюдено. При исключении погрешности Зз8 .=.Гбз зез и Иия Н/д=0,5;

1,0; 2,0 3 =18, 15 и 15Х соответственно, т.е. S> существенно снижается и определяется, в основном, инструментальной погрешностью 8, =15 .

Вследствие зависимости паразитной емкости от Н (7,8) погрешность 8 обращается в нуль только при одном фиксированном расстоянии H от проводящей поверхности. Поэтому для обеспечения минимальной погрешности измерений 3 либо параметры устройства должны расчитываться на конкретное расстояние Н, либо в его конструкции должна быть предусмотрена возможность изменения площади кольцевых или дисковых пластин. Второй вариант практически осуществим. Изменение площади может быть реализовано набором узких концентрических колец или другим известным способом, однако при выполнении внешних пластин в форме диска и кольца суммарная погрешность измерения незначительно отличается от минимальной суммарной погрешности, при которой о =О.

1099290

10 о.z

0.6

0.8

Составитель Е. Плужникова редактор Анд.Шандор Техред Т.Маточка Корректор И.Эрдейи

Заказ 4367/38 Тираж 711 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

1+3 1.

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4