Устройство для определения параметров локального электрического поля

 

Использование: изобретение касается электрофизических измерений, может быть 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э G 01 R 29/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4948947/21 (22) 25.06.91 (46) 15.03.93, Бюл. М 10 (71) Московский энергетический институт (7 2) Е,Ф,Зимин и B,А.Кузовкин (66) Панин В.В,. Степанов Б.М. Измерение импульсных магнитных и электрических пол й. — M, Энергоатомиздат, 1987, с, 28-31.

Авторское свидетельство СССР

Q 819751, G 01 R 29/02, 1978. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, П PAMETPOB ЛОКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧ СКОГО ПОЛЯ (5 ) Использование: изобретение касается э ектрофизических измерений, может быть

Изобретение касается измерений парам тров 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 е костных связей электродов датчика и излуйающей системы; на фиг. 3 — эквивалент.ня я электрическая схема датчика; на фиг, 4 — изображена конструкция датчика с дополнительными электродами, „„Я3 ÄÄ 1802345А1 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 d, шириной д с расстоянием между пластинами Ь . Пластины охватывают обьем 2, заполненный средой с источни- CO ками электрического поля, Электроды 1 О помещены в электромагнитный экран 3. На Я краях пластин сделаны выводы, которые (,ц) подключены ко входам преобразующего ф, блока (регистрирующего прибора) 4 посред- ц ством экранированного кабеля 5, Датчик (фиг. 4) содержит два металлических электрода 1, охватывающих объем 2 среды с источниками электрического поля, и два дополнительных металлических электрода 6, охватывающих объем 7 среды без источников электрического поля, Дополнительные пластины (электроды) расположены на расстоянии (1...2)б от основных и имеют одинаковую конфигурацию и размеры. Все электроды симметрично помещены

1802345 внутрь цилиндрического экрана Э, Пласти. ны соединены между собой проводниками

8. На краях пластин сделаны выводы, которые присоединены ко входам регистрирующего прибора 4 с помощью экранированного кабеля 5.

Устройство функционирует следующим образом. При помещении пары проводящих электродов в изменяющееся электрическое поле с напряженностью Е на них наводятся заряды и возникает разность потенциалов

U - 1эЕо где Ео — проекция вектора напряженности Е на электрическую ось датчика, совпадающую с направлением перпендикуляра к центру пластин; ! э — эквивалентная измерительная база датчика, зависящая от геометрических и электрофизических параметров датчика и среды, Напряжение с пластин (электродов) передается по экранированному кабелю 5 на вход регистрирующего прибора 4 с дифференциальным входом. Регистрирующий прибор, в качестве которого может использоваться цифровой вольтметр или осциллограф, может быть градуирован 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 2а, расположенных на расстоянии b и питаемых от источника

ЭДС, Регистриру ощий прибор и подводящий кабель представлены в модели резистивно-емкостной нагрузкой. Взаимное влияние заряженных проводящих тел отражено при помощи соответствующих емкостей, Значения емкостей и напряжений на электродах при питании задающей линии напряжениям е определяются путем решения задачи теории электромагнитного поля методом конформных преобразований и прямого метода определения напряженности поля (метод Сочнева), Емкости выражаются через эллиптические интегралы первого рода и интегралы, зависящие от расстояний между участками электродов.

Полученные соотношения позволили численными методами рассчитать зависимости емкостей от геометрических размеров и

"электрофизических параметров среды.

По эквивалентной схеме устройства (фиг. 3) с использованием симметрии дэтчика, т,е. С1=С2, Сз=С4 и С6=Ст, передаточная функция датчика запишется в виде: (0 н С1 — Сз

Е

2 (1 + p йн (Сн + Со + — + — ))

С1 Сз

2 2 где Со - (C5+ С6/2).

При этом величина определяется в зависимости от требуемой характеристики по"0 „„,, о= 4ЕО при предположении однородности поля между электродами или при дипольной модели источника

15 Е- Р1/(ЬС1), где Pl — эквивалентный дипольный момент на единицу длины, С1 — погонная емкость двухпроводной линии.

Передаточная функция определяет пре20 образование сигналЭ во временной и частотной области. Амплитудно-частотная характеристика датчика

Н(В) =ИÒ1/(2

1+аР Т3)

ГдЕ Т1 = йн(С1 - СЗ), Т2 =

= н(Сн+ Со+

С1+ Сз

) постоянные времени.

Собственно переходная функция п(т) (Т1/(2Т2))е

Коэффициент передачи в полосе пропускания (или амплитуда переходной функции) соответственно можно представить в виде

Н(<© ) = h(O) (C1 - СЗ)/(Сн + Сд)2, где Сд = Со + (C1+ 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.

1802345

:1 льность к измеряемому дипольному менту на (45...50) дБ. Техническая эффекность предложенного да1чика электриского поля, которая подтверждена периментально, определяет достоверсть и информативность экспериментальх исследований. По поводу логической эффективности можно отмеь, что затраты на изготовление предлагаго устройства будут соизмеримы с ратами на изготовление прототипа, а зач э н н э ти е о

При 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 помехонесущих 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.

Ч1акое поле в отсутствии дополнительных электродов создаст на входе регистрируюц его прибора напряжение помехи ! Оп =1эЕп

При наличии дополнительных электродов нвпряжение на входе регистратора будет ойределяться выражением:

Оэ = 1эЕп - 1эдЕп = (1э - 1эд) Еп, г е 1эд — измерительная база дополнительн и системы электродов.

Разность Л1 = (4 - 1зд) 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 электродов позволило повысить чувствительность устройства на 40 дБ.

Таким образом, предлагаемое устройтво дает возможность повысить чувстви30 две вспомогательные проводящие пласти35 охватывают среду без источников электри40 ческого поля, причем один из основных

5

25 траты на проведение эксперимента значительно сократятся, т,к. отпадает необходимость во многих повторных экспериментах для накопления информации и ее статистической обработки, Конкретная оценка экономии может быть приведена для конкретной физической задачи.

Формула изобретения

1. Устройство для определения параметров локального электрического поля, содержащее две противолежащие пластины и цилиндрический экран, соединенные с преобразующим блоком, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и достоверности результатов измерения, пластины выполнены в виде цилиндрических сегментов одинакового диаметра d, расположены внутри экрана коаксиально с ним и охватывают участок среды с исследуемым полем, преобразующий блок расположен вне экрана, а длина сегментов и экрана много больше диаметра сегментов, причем Л =

=3д, где Л вЂ” расстояние между краями пластин, измеренное по дуге; д — ширина пластины. измерения по дуге сегмента, 2. Устройство по и. 1, отл и ч а ю ще ес я тем, что в него дополнительно введены ны, идентичные основным и расположенные на расстоянии (1 — 2)d так, что зазоры основных и дополнительных электродов симметричны относительно плоскости, проходящей через оси цилиндров, а основные и дополнительные электроды симметричны относительно цилиндрического электромагнитного экрана, дополнительные электроды электродов электрически соединен с противоположным относительно зазора дополнительным электродом и подключен к неинверти рующему входу регистрирующего прибора, а другой основной электрод электрически соединен с другим дополнительным электродом и подключен к инвертирующему входу регистрирующего прибора.

1802345

1802345

Фиг.2

Фиг. 3

-Фиг.4

Составитель Е.Зимин

Техред M.Ìîðãåíòàë

Корректор М.Керецман

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101

Заказ 848 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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