Способ измерения напряженности электрического поля повышенной точности
Владельцы патента RU 2733100:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" (ОмГТУ) (RU)
Изобретение относится к области измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью. Предложен способ измерения напряженности электрического поля повышенной точности, которая достигается путем помещения датчика в исследуемую точку поля и определения модуля вектора напряженности измеряемого поля по его выходному сигналу, согласно заявленному решению в ту же точку поля поочередно помещают второй датчик, имеющий противоположную по знаку и отличающуюся по модулю не более чем в три раза погрешность и определяют по нему модуль вектора напряженности электрического поля, а затем по определенным модулям вектора напряженности электрического поля Е1 и Е2 вычисляют среднее значение Е=(Е1+Е2)/2. Используя предлагаемый способ измерения, можно добиться значительного повышения точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне измерений по сравнению с известными способами. 1 табл., 2 ил.
Изобретение относится к области измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью.
Известен способ измерения напряженности электрического поля [Патент № 2200330 РФ, МПК G 01 R 29/08, МПК G 01 R 29/12. Способ измерения напряженности электрического поля / С.В. Бирюков. - №2001104744; Заявлено 07.10.2002; Опубл. 27.04.2003, Бюл № 12] путем помещения в исследуемое пространство датчика с чувствительными элементами, а для повышения точности измерений датчик ориентируют в электрическом поле так, чтобы сумма потоков вектора напряженности электрического поля через чувствительные элементы была минимальна или равна нулю, а затем поддерживают датчик в этом положении и определяют модуль вектора напряженности электрического поля. Конфигурация и размеры чувствительных элементов должны быть одинаковыми.
Недостатком способа является то, что для достижения повышенной точности измерения необходима ориентация датчика в электрическом поле. Кроме того, чувствительные элементы датчика, используемые в способе, выполнены в форме шаровых (сферических) сегментов с угловыми размерами θ0≤45°, являются частью половины шара (полусферы) имеющего угловой размер θ0=90°. Датчик с чувствительными элементами в форме сферических сегментов и угловыми размерами θ0≤45° в неоднородном поле имеет положительную погрешность. В результате значение определенного модуля вектора напряженности электрического поля будет завышено по отношению к напряженности исходного поля.
Известен также способ измерения напряженности электрического поля, реализованый в устройстве для измерения составляющих электрического поля [Авторское свидетельство № 920569 СССР, МКИ G 01 R 29/08, Устройство для измерения составляющих электрического поля / И.В. Хахамов. - №2954934/18-21; Заявлено 10.07.1980; Опубл. 15.04.1982, Бюл № 14], заключающийся в том, что в исследуемое пространство вносится датчик, содержащий для повышения точности измерений сферический корпус и восемь измерительных электродов. Измерительные электроды выполнены в форме конгруэнтных сферических треугольников, из которых формируются две группы из четырех измерительных электродов, образующих две противоположные полусферы, одной из трех пространственной системы координат.
Недостатком способа является то, что для достижения повышенной точности измерения из восьми конгруэнтных сферических треугольников, формируются две группы из четырех измерительных электродов, образующих две противоположные полусферы. Датчик с измерительными электродами в форме полусфер имеющих угловой размер θ0=90° в неоднородном поле имеет отрицательную погрешность. В результате значение определенного модуля вектора напряженности электрического поля будет занижено по отношению к напряженности исходного поля.
Общим недостатком известных способов является ограниченный пространственный диапазон измерения, определяемый размерами датчика.
Задача изобретения - повышение точности измерения модуля вектора напряженности электрического поля и расширение пространственного диапазона измерения неоднородных электрических полей.
Задача достигается путем помещения датчика в исследуемую точку поля и определении модуля вектора напряженности измеряемого поля по его выходному сигналу, согласно заявленному решению в ту же точку поля поочередно помещают второй датчик, имеющий противоположную по знаку и отличающуюся по модулю не более, чем в три раза погрешность и определяют по нему модуль вектора напряженности электрического поля, а затем по определенным модулям вектора напряженности электрического поля Е1 и Е2 вычисляют среднее значение Е=(Е1+Е2)/2.
Предлагаемый способ поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг. 1. представлена реализация способа с первым датчиком 1 и вторым датчиком 2, а на фиг. 2 представлены графики погрешностей от неоднородности электрического поля для способов, реализуемых первым и вторым аналогами в зависимости от пространственного диапазона измерения, и график той же погрешности заявляемого способа.
Способ измерения реализуется следующим образом. В исследуемую точку электрического поля поочередно помещают первый и второй датчики, имеющие противоположные по знаку погрешности, вызванные неоднородностью поля. Каждым датчиком измеряют модули вектора напряженности электрического поля в данной точке пространства, соответственно равные E1 и E2. Затем, по измеренным значениям модулей вектора напряженности электрического поля Е1 и Е2 вычисляют среднее арифметическое значение Е=(Е1+Е2)/2, которое принимают за результат измерения.
Повышение точности измерения напряженности реальных неоднородных электрических полей достигается тем, что измеренные значения модуля вектора напряженности электрического поля Е1 и Е2 содержат противоположные по знаку относительные погрешности, соответственно и 
.
Таким образом можно записать, что
и 
,
где Е0 - напряженность исходного электрического поля.
Тогда среднее значение модуля вектора напряженности электрического поля будет
,
где 
- погрешность устройства, реализующего предлагаемый способ измерения.
Из анализа погрешности δ следует два возможных варианта
1) если 
, то погрешность δ отрицательная и должна удовлетворять условию
,
откуда 
,
где δ2 может принимать значения kδ1, а коэффициент k удовлетворять условию 1≤k≤3
2) если 
, то погрешность δ положительная и должна удовлетворять условию
,
откуда 
,
где δ1 может принимать значения kδ2, а коэффициент k удовлетворять условию 1≤k≤3
Результаты оценки погрешности δ двух вариантов представлены в таблице.
Таблица
| Вариант 1 |
Вариант 2 |
||
| k | δ | k | δ |
| 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1.5 | -0.25δ1 | 1.5 | 0.25δ2 |
| 2 | -0.5δ1 | 2 | 0.5δ2 |
| 2.5 | -0.75δ1 | 2.5 | 0.75δ2 |
| 3 | -δ1 | 3 | δ2 |
Из таблицы следует, что в двух представленных вариантах погрешность δ способа измерения меньше наименьшей погрешности одного из измеренных значений напряженности электрического поля.
Следовательно, определение среднего значения напряженности электрического поля приводит либо к полной, либо частичной компенсации погрешности измерения, что повышает точность заявляемого способа измерения.
Расширение пространственного диапазона измерения покажем на примере сравнения способов - аналогов. В первом аналоге использовался сферический датчик с чувствительными элементами в форме сферических сегментов с угловыми размерами θ0≤45°, имеющий положительную погрешность от неоднородности электрического поля. Во втором аналоге использовался сферический датчик с чувствительными элементами в форме полусфер с угловыми размерами θ0=90°, имеющий отрицательную погрешность от неоднородности электрического поля.
Графики этих погрешностей и заявляемого способа представлены на фиг. 2. В основе построения графиков погрешности лежит известное выражение для погрешности от неоднородности поля датчиков сферической формы [Бирюков С.В. Расчет и измерение напряженности электрического поля в электроустановках сверх - и ультравысокого напряжения /С.В. Бирюков, Ф.Г. Кайданов, Р.А. Кац, Е.С.Колечинский, В.Я. Ложников, Н.С. Смекалова, М.Д. Столяров //Влияние электроустановок высокого напряжения на окружающую среду: Переводы докладов Международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ-86) (Энергетика за рубежом) / Под ред. Ю.П. Шкарина. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - С. 6-13].
,
где а=R/d - пространственного диапазона измерения, R - радиус сферического основания датчика, d - расстояние от центра сферического основания датчика до источника поля, θ0 - угловой размер чувствительного элемента датчика.
Из графиков фиг.2 следует, что предложенный способ позволяет не только значительно снизить погрешность измерения неоднородных электрических полей (см. график для заявляемого способа), но и расширить пространственный диапазон измерения. График погрешности для заявляемого способа показывает, что погрешность способа измерения снизилась до +5 % при полном пространственном диапазоне измерения 0≤a≤1 (d=R), в то время как для аналогов 1 и 2 при той же погрешности пространственные диапазоны измерения соответственно равны 0≤a≤0.24 (d≈4R) и 0≤a≤0.3 (d≈3R).
Таким образом, используя заявляемый способ измерения можно добиться значительного повышения точности измерения напряженности неоднородных электрических полей в широком пространственном диапазоне измерений по сравнению с известными способами.
Способ измерения напряженности электрического поля, основанный на помещении датчика в исследуемую точку поля и определении модуля вектора напряженности измеряемого поля по его выходному сигналу, отличающийся тем, что в ту же точку поля поочередно помещают второй датчик, имеющий противоположную по знаку и отличающуюся по модулю не более чем в три раза погрешность, и определяют по нему модуль вектора напряженности электрического поля, а затем по определенным модулям вектора напряженности электрического поля Е1 и Е2 вычисляют среднее значение по формуле Е=(Е1+Е2)/2.
