Site Loader

Датчик электрического поля на полевых транзисторах.

Полевые транзисторы можно использовать в устройствах для обнаружения электрических полей. Принципиальная электрическая схема одного из таких устройств приведена на рисунке:

Рисунок 1 — Датчик электрического поля

Транзистор КП303 можно использовать с любым буквенным индексом. Резистором R2 устанавливается рабочая точка транзистора VT2 (грубо говоря этим резистором можно настраивать чувствительность датчика). Источником питания G1 может быть например одна батарейка «крона». Транзистор КП303 реагирует на внешние электрические поля изменяя сопротивление сток-исток, при этом изменяется напряжение на затворе VT2 это напряжение изменяет сопротивление транзистора VT2 в результате чего изменяется ток проходящий через светодиод VD1 и следовательно интенсивность его свечения. Транзистор КП303 может выглядеть так:

Цифра 3 на корпусе означает транзистор КП303, буква «И» означает индекс «И» транзистора КП303, остальные два знака это изготовитель и дата изготовления. Цоколёвка транзистора КП303:

Транзистора IRF620:

Вместо IRF620 можно использовать какой либо другой подходящий транзистор (например IRF630). Данный датчик электрических полей может реагировать на излучения например от маршрутизатора с работающим WIFI, телевизора, холодильника, наэлектризованного пакета, некоторой обуви при ходьбе или прыжках и т.д. Пример работы датчика на видео:

КАРТА БЛОГА (содержание)

датчик напряженности электрического поля (варианты) — патент РФ 2122223

Изобретение относится к электрофизическим измерениям, в частности для измерений плотности тока проводимости либо напряженности электрического поля, и может быть использовано в океанологии, геофизических исследованиях, электроразведке. Технический результат состоит в минимизации искажений, вносимых датчиком в исследуемое электрическое поле. Технический результат достигается выбором формы диэлектрического корпуса, направляющие которого совпадают с силовыми линиями поля, а электроды, измеряющие разность потенциалов, установлены перпендикулярно оси корпуса, совпадают с эквипотенциальными поверхностями и соединены друг с другом через виток трансформатора тока. Корпус может быть выполнен в виде полого прямого цилиндра, электроды размещены внутри корпуса и сообщены с окружающей средой посредством гидроканалов, имеющих форму усеченных конусов. Корпус может быть выполнен в виде полого герметичного куба и снабжен плоскими диэлектрическими экранами, образующими гидроканалы в виде усеченных четырехгранных пирамид. Для вариантов выполнения производится выбор геометрических размеров. 2 с.п.ф-лы, 2 ил. Изобретение относится к электрофизическим измерениям, в частности к устройствам для измерения плотности тока проводимости или напряженности электрических полей в проводящих средах, и может быть использовано в геофизических, океанологических исследованиях, в том числе в сейсмологии. Известен датчик электрического поля, имеющий систему металлических электродов, расположенных в проводящей среде на малом расстоянии друг от друга и подключаемых через согласующий трансформатор к входу предусилителя [1], вносящий искажения в исследуемое электрическое поле каким бы ни был малым размер датчика, не обеспечивающий высокого коэффициента преобразования вследствие технических трудностей, не позволяющих обеспечить режим оптимального согласования по шумам электродной системы с предусилителем. Известен датчик электрического поля, который свободен от последнего из отмеченных недостатков [2] . Этот датчик имеет электродную систему в виде двух полых полусфероидов, разделенных диэлектрической вставкой, в полости электродов расположена измерительная катушка, первичная обмотка которой подключена к электродам и содержит несколько витков; вторичная обмотка через разделительный конденсатор соединена со сходом предусилителя. Такая конструкция позволяет обеспечить оптимальное согласование по шумам. Однако реализовать высокую предельную чувствительность этого датчика удается лишь в неподвижных проводящих средах или в потоках, у которых вектор скорости параллелен вектору напряженности исследуемого электрического поля. Кроме того, увеличение размера объемных электродов вызывает существенное искажение картины поля. Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является «Система реагирования и измерения электрического поля внутри заранее определенной окружающей среды» [3] (патент США N 3641427, 1972), содержащая три пары электродов, скомпонованных и конструктивно расположенных таким образом, что образуют противоположные полоски куба, снаружи имеющего связь с окружающей средой, а внутренние поверхности изолированы от внешней среды. Каждая пара электродов электрически связана между собой через дифференциальный усилитель, имеющий входное сопротивление, равное сопротивлению окружающей среды, к выходам дифференциальных усилителей подсоединена измерительная система. Однако, как и во всех перечисленных аналогах, обеспечение максимальной чувствительности и коэффициента преобразования достигается за счет наибольшего отбора мощности полезного сигнала из окружающей среды и, как следствие, за счет внесения в исследуемое однородное поле больших искажений путем увеличения области измерений. Последнее не всегда желательно, а в ряде случаев и недопустимо. Прежде всего, область однородности исследуемого поля может оказаться настолько малой, что в ней можно будет разместить только физически реализуемый первичный преобразователь, а его область измерения — осреднение поля будет перекрывать область однородности исходного поля. Это приведет к неправильной интерпретации результатов измерения. Кроме того, область искажений, вносимых первичным преобразователем в исследуемое поле, не позволяет близко размещать однотипные или различные датчики при комплексных измерениях, когда несколько датчиков требуется разместить в ограниченном объеме. Особенно важно это обстоятельство при калибровке и метрологических испытаниях датчиков. Как правило, эталонное калибровочное одностороннее поле имеет строго ограниченный объем, в котором следует разместить как минимум два датчика — проверяемый (калибруемый) и эталонный (контрольный). Возможны и другие ситуации, когда датчик не должен вносить искажений в исследуемое поле или искажать его в минимальном объеме, например, для скрытности измерений, когда датчик можно обнаружить по вносимым им искажениям в исходное поле. Задача, решаемая предложенным техническим решением, состоит в сведении к минимальным значениям искажений, вносимых датчиком в исследуемое электрическое поле. Поставленная задача решается тем, что в известном датчике напряженности электрического поля, содержащем диэлектрический корпус, с герметично установленными плоскими металлическими электродами, согласно изобретению корпус выполнен в виде полого прямого цилиндра, электроды размещены внутри корпуса симметрично относительно оси и центрального корпуса и сообщены с окружающей средой посредством гидроканалов, имеющих форму усеченных конусов, а электроды закорочены через виток трансформатора тока, при этом соотношение геометрических размеров выбрано их условия:
R = 2Rк,
где
R — сопротивление объема среды, вытесненной датчиком;
Rk — сопротивление объема среды, находящейся в гидроканале. Во втором варианте изобретения поставленная задача решается тем, что известный датчик напряженности электрического поля, содержащий диэлектрический корпус, выполненный в виде полого герметичного куба с плоскими металлическими электродами на гранях куба, причем каждая пара противоположно расположенных электродов электрически соединена, согласно изобретению дополнительно снабжен плоскими диэлектрическими экранами, прикрепленными к ребрам куба, образуя гидроканалы в виде усеченных четырехгранных пирамид, посредством которых электроды сообщены с внешней средой, при этом пирамиды меньшим основанием опираются на электроды, высота пирамид выбрана равной одной трети стороны большего ее основания, а сторона большего основания в два раза больше стороны меньшего основания, а электроды, расположенные на противоположных гранях куба, попарно закорочены через витки трансформаторов тока. Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 — поперечное сечение круглого цилиндрического датчика с гидроканалами, на фиг. 2 — поперечное сечение кубического датчика с гидроканалами. Датчик (фиг. 1) имеет цилиндрический диэлектрический корпус 1, герметично установленные проводящие электроды 2 расположены внутри корпуса симметрично относительно оси и центрального сечения корпуса 1 и сообщаются с окружающей средой посредством гидроканалов 3, имеющих форму усеченных конусов. Электроды 2 закорочены посредством витка 5 и трансформатора тока 6. Трехкомпонентный датчик напряжения электрического поля (фиг. 2) имеет диэлектрический корпус 1, выполненный в виде полого куба, на всех шести гранях которого размещены идентичные плоские проводящие электроды 2, взаимопротивоположные пары которых закорочены и образуют электронную систему для компоненты поля, совпадающей с осью этой пары электродов. Для исключения взаимного шунтирования электродов на всех ребрах куба крепятся плоские диэлектрические экраны 5, образующие усеченные четырехгранные пирамиды, опирающиеся по периметру меньшего основания на ребра куба. Таким образом электроды 2 контактируют с внешней средой через гидроканалы 4, образованные гранями пирамид. В полости диэлектрического куба размещаются согласующие устройства 6 трехкомпонентной измерительной системы. В рабочем положении датчик размещается в проводящей среде, при этом составляющая электрического поля, ось которого совпадает с осью диэлектрического корпуса 1, создает разность потенциалов между электродами 2, и в цепи электрод — обмотки согласующего устройства — электрод потечет ток. Как известно [1], при допустимых искажениях исходного однородного поля корпусом датчика порядка, единиц процентов, размеры области искажений (осреднения или измерения) поля достигают пяти габаритных размеров датчика. Очевидный путь уменьшения размеров области искажения за счет уменьшения габаритов ПП датчика не всегда приемлем, так как при этом резко ухудшается чувствительность и уменьшаются коэффициенты преобразования ПП. Это противоречие можно устранить при использовании таких конструкций диэлектрических корпусов датчиков, которые за их пределами теоретически вообще не создают никаких искажений исследуемого поля. Если в проводящую среду с однородным электрическим полем внести диэлектрическую цилиндрическую поверхность — прямой цилиндр с бесконечно тонкими диэлектрическими стенками и открытыми торцами, то после заполнения полости цилиндра окружающей водой и ориентации его образующих параллельно силовым линиям поля никаких искажений не возникает. Тот же результат будет получен и при внесении в поле бесконечно тонких электродов-торцев цилиндра, если их плоскость будет перпендикулярна силовым линиям, т.е. будет совпадать с эквипотенциальными поверхностями исходного поля. При совмещении торцев-электродов с заполненной окружающей средой диэлектрической цилиндрической оболочкой исходное поле сохранится как внутри, так и вне оболочки. Однако ПП в указанном виде не имеет практического значения. Реальная конструкция ПП должна только внешне совпадать по форме с прямым цилиндром либо любой прямой призмой, поскольку нас интересует отсутствие искажений поля только вне корпуса. Толщина торцевых электродов и стенок диэлектрического корпуса может быть любой, а полость герметичной, если внутри нее между электродами включить резистор с сопротивлением, равным сопротивлению вытесненного ПП объема воды. Для прямого цилиндра

где
hg — осевой размер цилиндрического корпуса,
a — радиус основания цилиндрического корпуса. При этом для падения напряжения и тока через резистор получены выражения
Uэ=2aEоx; (3)
Iэ= Eoa2, (4)
где Eо = напряженность исследуемого однородного электрического поля. Из (3, 4) следует, что на резисторе (2) рассеивается мощность Pэ= UэIэ= 2E2oa3x = E2oa2hg, тождественно равная мощности исходного поля в объеме датчика, поэтому датчик и не вносит искажений. В случае использования цилиндрического датчика с гидроканалами электрических связей, где гидроканалы выполнены в виде усеченных прямых конусов (фиг. 2), радиус электрода «в» определяется с учетом (2) из уравнения

где
— половина угла при вершине корпуса. В частности, при = 45o из (5) получим

В этом случае при изменении окружающей среды условие (2) и все связанные с ним соотношения выполняются автоматически по мере заполнения гидроканалов окружающей водой. В случае, когда направление вектора напряженности исследуемого электрического поля заранее не определено, наиболее предпочтительным является использование трехкомпонентного датчика. Кроме уже отмечавшихся выше достоинств датчика (фиг. 2), можно дополнительно отметить практически идеальную геометрическую симметрию всех трех каналов. Из-за инерционности присоединенных масс воды, заключенной между пластинами экранов, датчик не чувствителен к изменениям температуры и давления вмещающей среды. При измерениях на стационарных стендах или в дрейфе первичный преобразователь занимает стабильное положение даже при наличии слабых течений. К этому следует добавить и ряд эксплуатационных достоинств: удобство транспортировки, простота морской постановки, защищенность электродов от случайных повреждений. Метрологические параметры датчика, в частности коэффициент преобразования, могут изменяться в соответствии с конкретными требованиями на проведение измерений за счет установки дополнительных пластин на уже подготовленный к постановке датчик. Расчет сопротивления гидроканала производится по формуле

С учетом (7) для кубического первичного преобразователя можно определить основные геометрические соотношения трехкомпонентного ПП, не вносящего искажения в исследуемое поле. Так как

отсюда определим размер электрода
b = a/2
и высоту усеченной правильной четырехгранной пирамиды, образующей гидроканал

Таким образом, трехкомпонентный датчик (фиг. 2) будет вносить в исследуемое однородное электрическое поле минимальные искажения, если со стороны квадратного электрода вдвое меньше ребра пластины экрана. Вышеизложенное свидетельствует о том, что датчик, отличаясь от известных, обеспечивает минимальные искажения исследуемых электрических полей при высоких метрологических характеристиках. Источники информации
1. Зимин Е.Ф., Кочанов Э.С. Измерение параметров электрических и магнитных полей в проводящих средах. М.: Энергоатомиздат, 1985, 254 с. 2. Авторское свидетельство СССР N 615440, G 01 F 3/06, 1978. 3. Патент США N 3641427, 1972.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Датчик напряженности электрического поля, содержащий диэлектрический корпус с герметично установленными плоскими металлическими электродами, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде полого прямого цилиндра, электроды размещены внутри корпуса симметрично относительно оси и центрального сечения корпуса и сообщены с окружающей средой посредством гидроканалов, имеющих форму усеченных конусов, а электроды закорочены через виток трансформатора тока, при этом соотношение геометрических размеров выбрано из условия
R = 2Rk,
где R — сопротивление объема среды, вытесненной датчиком;
Rk — сопротивление объема среды, находящейся в гидроканале. 2. Датчик напряженности электрического поля, содержащий диэлектрический корпус, выполненный в виде полого герметичного куба с плоскими металлическими электродами на гранях куба, причем каждая пара противоположно расположенных электродов электрически соединена, отличающийся тем, что он снабжен плоскими диэлектрическими экранами, прикрепленными к ребрам куба, образуя гидроканалы в виде усеченных четырехгранных пирамид, посредством которых электроды сообщены с внешней средой, при этом пирамиды меньшим основанием опираются на электроды, высота пирамид выбрана равной одной трети стороны большего ее основания, а сторона большего основания в два раза больше стороны меньшего основания, а электроды, расположенные на противоположных гранях куба, попарно закорочены через витки трансформаторов тока.

датчик электрического поля — это… Что такое датчик электрического поля?


датчик электрического поля

 

датчик электрического поля
Преобразующее устройство для измерения амплитуды и формы волны электрического поля.
Примечание
Датчик электрического поля может использоваться, чтобы измерить форму волны напряжения, производящего поле, при условии, что измерение не искажено короной.
[МЭК 60-2]

Тематики

  • электрические испытания

Справочник технического переводчика. – Интент. 2009-2013.

  • датчик числа М
  • датчик, первичный (измерительный) преобразователь

Смотреть что такое «датчик электрического поля» в других словарях:

  • Датчик Холла — Эффект Холла 1. Электроны 2. Зонд 3. Магниты 4. Магнитное поле 5. Источник тока Эффект Холла явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также Холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное… …   Википедия

  • ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ — (ЭМП ПЧ) являются частью сверхнизкочастотного диапазона радиочастотного спектра, наиболее распространенной как в производственных условиях, так и в быту; диапазон ПЧ представлен в нашей стране частотой 50 Гц (в ряде стран Американского континента …   Российская энциклопедия по охране труда

  • ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-4-2011: Информационные технологии. Технологии автоматической идентификации и сбора данных (АИСД). Гармонизированный словарь. Часть 4. Общие термины в области радиосвязи — Терминология ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762 4 2011: Информационные технологии. Технологии автоматической идентификации и сбора данных (АИСД). Гармонизированный словарь. Часть 4. Общие термины в области радиосвязи оригинал документа: ALOHA [ALOHA slotted]:… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • прибор — прибор: Комплект изделий различного функционального назначения одного типа, например: ложка, вилка, нож столовый, объединенных общим художественно конструкторским решением, предназначенных для сервировки стола. Источник: ГОСТ Р 51687 2000:… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Диэлектрики —         вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «Д.» (от греч. diá через и англ. electric электрический) введён М. Фарадеем (См. Фарадей) для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе,… …   Большая советская энциклопедия

  • СТО Газпром 2-2.3-141-2007: Энергохозяйство ОАО «Газпром». Термины и определения — Терминология СТО Газпром 2 2.3 141 2007: Энергохозяйство ОАО «Газпром». Термины и определения: 3.1.31 абонент энергоснабжающей организации : Потребитель электрической энергии (тепла), энергоустановки которого присоединены к сетям… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • ГОСТ Р 41.13-99: Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств категорий M, N и O в отношении торможения — Терминология ГОСТ Р 41.13 99: Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств категорий M, N и O в отношении торможения оригинал документа: 2.11 автоматическое торможение: Торможение одного из нескольких… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • ГОСТ Р 41.13-H-99: Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения легковых автомобилей в отношении торможения — Терминология ГОСТ Р 41.13 H 99: Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения легковых автомобилей в отношении торможения: 2.1 антиблокировочная система: Элемент системы рабочего тормоза, который во время торможения автоматически …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Холла эффект —         появление в проводнике с током плотностью j, помещенном в магнитное поле Н, электрического поля Ex, перпендикулярного Н и I. Напряжённость электрического поля (поля Холла) равна:          Ex = Rhjsin α, (1)         где α угол между… …   Большая советская энциклопедия

  • Флеш-память — Не следует путать с картами памяти. Не следует путать с USB флеш накопителями. У этого термина существуют и другие значения, см. Флеш. Типы компьютерной памяти Энергозависимая DRAM (в том числе DDR SDRAM) SRAM Перспективные T RAM Z RAM TTRAM Из… …   Википедия

Датчик электрического поля

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель изобретения — обеспечение измерения координат и величин точечных зарядов. Датчик электрического поля содержит закрепленные на оси 3 двигателя 4 два измерительных электрода 1 и 2, выполненных в виде телескопических стержней, подключенных к входам усилителя 5 переменного напряжения. После установления начальных размеров стержней электродов 1 и 2 измеряют напряженность электростатического поля в пространстве, окружающем источник. Двигатель 4 приводит во вращение ось 3 совместно с электродами 1 и 2, в результате чего напряженность электростатического поля преобразуется в переменное напряжение. После восьми изменений длин электродов 1 и 2 результат измерений используется для решения системы уравнений и получения величин и координат зарядов. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (i9) SU(II) А1 (р 4 С 01 К 29/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И 0 ПОКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4243120/24-09 (22) 11.03,87 (46) 30.11.89. Ьюл. N 44 (71) Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина (72) А.А.Денисов и E.Ã.Êàòàåâà (53) 621.317.328 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 808991, кл. G 01 К 29/12, 1981.

Авторское свидетельство СССР

Ф 653593, кл. G 01 К 29/12, 1973. (54) ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель изобретения — обеспечение измерения координат и величин точечных зарядов.

Датчик электрического поля содержит

«, 2 закрепленные на оси 3 двигателя 4 два измерительных электрода 1 и 2, выполненных в виде телескопических стержней, подключенных к входам усилителя 5 переменного напряжения. После установления начальных размеров стержней электродов 1 и 2 измеряют напряженность электростатического поля в

Пространстве, окружающем. источник.

Двигатель 4 приводит во вращение ось

3 совместно с электродами 1 и 2, в результате чего напряженность электростатического поля преобразуется в переменное напряжение. После восьми изменений длин электродов 1 и 2, результат измерений используется для решения системы уравнений и получе,ния величин и координат зарядов, 1 ил.

1525624 друга и относительно датчика, то для двух неизвестных зарядов систему можно описать следующей системой уравнений

=Ч;» где

Составитель П.Савельев

Редактор Т.Парфенова Техред А.Кравчук Корректор Н.Король

Заказ 7220/41 Тираж 714 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для определения структуры зарядов по измеряемому электричес.— кому полю.

Цель изобретвния — обеспечение измерения координат и величин точеч, ных зарядов.

На чертеже приведена схема электри-10 ческая структурная предлагаемого датчика электрического поля.

Датчик электрического поля включает два измерительных электрода 1 и 2 выполненных в виде телескопических стержней, закрепленных на оси 3 двигателя 4. Электроды 1 и 2 расположены соосно, по разные стороны оси 3.

Электроды 1 и 2 подключены к входам усилителя 5 переменного напряжения., 20

Датчик электрического поля работает следующим образом.

Устанавливаются начальные размеры стержней электродов 1 и 2 и проводится измерение. напряженности электро- 25 статического поля в пространстве, окружающем источник, т.е. двигатель

4 приводит во вращение ось 3 совмест-. но с электродами 1 и 2, в результате чего напряженность электростатичес- 30 кого поля преобразуется в переменное напряжение.

Увеличивая размеры зонда, можно судить о топологии зарядов следующим . образом. При этом изменяется собст, венная емкость датчика С и взаимные емкости С;> между зондом и i-зарядом. ! Естественно такой датчик вносит иные искажения (большие) в измеряемое по- 40 ле, анализируя которые можно судить о расположении и величине зарядов по достаточному числу измерений с изменением . размеров датчика, число которых определяется требуемой точно» стью идентификации конфигурации и количеством заранее известной нам информации. Если например, заранее известно, что заряды можно рассматривать как точечные друг относительно

— результат измерения потенциала поля для 1-го значения длины электродов 1и 2, Ь„„1. „1. — координаты конца электрода при i-й его длине L, фиксированном угле поворота о4; неизвестные значения зарядов;

Х, Е Е координаты первого и второго точечных зарядов.

Как следует из уравнения, необходимо выполнить 8 изменений длин электродов для однозначного определения величин точечных зарядов и их координат, Результат измерений с, используется для решения системы уравнений и получения величин и координат зарядов, Таким образом, изобретение позволяет выявить структуру зарядов по измеряемому электрическому полю, (.osдаваемому ими. формула и з о б р е т ения

Датчик электрического поля, включающий два измерительных электрода, закрепленных симметрично на оси двигателя перпендикулярно ей и выходами подключенных к входам усилителя переменного напряжения, о т л и ч а юшийся тем, что, с .целью обеспечения измерения координат и величин ,точечных зарядов, каждый измерительный электрод выполнен в виде телеско пического стержня.

Датчик электрического поля Датчик электрического поля 

Датчик напряженности электрического поля (варианты)

 

Изобретение относится к электрофизическим измерениям, в частности для измерений плотности тока проводимости либо напряженности электрического поля, и может быть использовано в океанологии, геофизических исследованиях, электроразведке. Технический результат состоит в минимизации искажений, вносимых датчиком в исследуемое электрическое поле. Технический результат достигается выбором формы диэлектрического корпуса, направляющие которого совпадают с силовыми линиями поля, а электроды, измеряющие разность потенциалов, установлены перпендикулярно оси корпуса, совпадают с эквипотенциальными поверхностями и соединены друг с другом через виток трансформатора тока. Корпус может быть выполнен в виде полого прямого цилиндра, электроды размещены внутри корпуса и сообщены с окружающей средой посредством гидроканалов, имеющих форму усеченных конусов. Корпус может быть выполнен в виде полого герметичного куба и снабжен плоскими диэлектрическими экранами, образующими гидроканалы в виде усеченных четырехгранных пирамид. Для вариантов выполнения производится выбор геометрических размеров. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электрофизическим измерениям, в частности к устройствам для измерения плотности тока проводимости или напряженности электрических полей в проводящих средах, и может быть использовано в геофизических, океанологических исследованиях, в том числе в сейсмологии.

Известен датчик электрического поля, имеющий систему металлических электродов, расположенных в проводящей среде на малом расстоянии друг от друга и подключаемых через согласующий трансформатор к входу предусилителя [1], вносящий искажения в исследуемое электрическое поле каким бы ни был малым размер датчика, не обеспечивающий высокого коэффициента преобразования вследствие технических трудностей, не позволяющих обеспечить режим оптимального согласования по шумам электродной системы с предусилителем. Известен датчик электрического поля, который свободен от последнего из отмеченных недостатков [2] . Этот датчик имеет электродную систему в виде двух полых полусфероидов, разделенных диэлектрической вставкой, в полости электродов расположена измерительная катушка, первичная обмотка которой подключена к электродам и содержит несколько витков; вторичная обмотка через разделительный конденсатор соединена со сходом предусилителя. Такая конструкция позволяет обеспечить оптимальное согласование по шумам. Однако реализовать высокую предельную чувствительность этого датчика удается лишь в неподвижных проводящих средах или в потоках, у которых вектор скорости параллелен вектору напряженности исследуемого электрического поля. Кроме того, увеличение размера объемных электродов вызывает существенное искажение картины поля. Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является «Система реагирования и измерения электрического поля внутри заранее определенной окружающей среды» [3] (патент США N 3641427, 1972), содержащая три пары электродов, скомпонованных и конструктивно расположенных таким образом, что образуют противоположные полоски куба, снаружи имеющего связь с окружающей средой, а внутренние поверхности изолированы от внешней среды. Каждая пара электродов электрически связана между собой через дифференциальный усилитель, имеющий входное сопротивление, равное сопротивлению окружающей среды, к выходам дифференциальных усилителей подсоединена измерительная система. Однако, как и во всех перечисленных аналогах, обеспечение максимальной чувствительности и коэффициента преобразования достигается за счет наибольшего отбора мощности полезного сигнала из окружающей среды и, как следствие, за счет внесения в исследуемое однородное поле больших искажений путем увеличения области измерений. Последнее не всегда желательно, а в ряде случаев и недопустимо. Прежде всего, область однородности исследуемого поля может оказаться настолько малой, что в ней можно будет разместить только физически реализуемый первичный преобразователь, а его область измерения — осреднение поля будет перекрывать область однородности исходного поля. Это приведет к неправильной интерпретации результатов измерения. Кроме того, область искажений, вносимых первичным преобразователем в исследуемое поле, не позволяет близко размещать однотипные или различные датчики при комплексных измерениях, когда несколько датчиков требуется разместить в ограниченном объеме. Особенно важно это обстоятельство при калибровке и метрологических испытаниях датчиков. Как правило, эталонное калибровочное одностороннее поле имеет строго ограниченный объем, в котором следует разместить как минимум два датчика — проверяемый (калибруемый) и эталонный (контрольный). Возможны и другие ситуации, когда датчик не должен вносить искажений в исследуемое поле или искажать его в минимальном объеме, например, для скрытности измерений, когда датчик можно обнаружить по вносимым им искажениям в исходное поле. Задача, решаемая предложенным техническим решением, состоит в сведении к минимальным значениям искажений, вносимых датчиком в исследуемое электрическое поле. Поставленная задача решается тем, что в известном датчике напряженности электрического поля, содержащем диэлектрический корпус, с герметично установленными плоскими металлическими электродами, согласно изобретению корпус выполнен в виде полого прямого цилиндра, электроды размещены внутри корпуса симметрично относительно оси и центрального корпуса и сообщены с окружающей средой посредством гидроканалов, имеющих форму усеченных конусов, а электроды закорочены через виток трансформатора тока, при этом соотношение геометрических размеров выбрано их условия: R = 2Rк, где R — сопротивление объема среды, вытесненной датчиком; Rk — сопротивление объема среды, находящейся в гидроканале. Во втором варианте изобретения поставленная задача решается тем, что известный датчик напряженности электрического поля, содержащий диэлектрический корпус, выполненный в виде полого герметичного куба с плоскими металлическими электродами на гранях куба, причем каждая пара противоположно расположенных электродов электрически соединена, согласно изобретению дополнительно снабжен плоскими диэлектрическими экранами, прикрепленными к ребрам куба, образуя гидроканалы в виде усеченных четырехгранных пирамид, посредством которых электроды сообщены с внешней средой, при этом пирамиды меньшим основанием опираются на электроды, высота пирамид выбрана равной одной трети стороны большего ее основания, а сторона большего основания в два раза больше стороны меньшего основания, а электроды, расположенные на противоположных гранях куба, попарно закорочены через витки трансформаторов тока. Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 — поперечное сечение круглого цилиндрического датчика с гидроканалами, на фиг. 2 — поперечное сечение кубического датчика с гидроканалами. Датчик (фиг. 1) имеет цилиндрический диэлектрический корпус 1, герметично установленные проводящие электроды 2 расположены внутри корпуса симметрично относительно оси и центрального сечения корпуса 1 и сообщаются с окружающей средой посредством гидроканалов 3, имеющих форму усеченных конусов. Электроды 2 закорочены посредством витка 5 и трансформатора тока 6. Трехкомпонентный датчик напряжения электрического поля (фиг. 2) имеет диэлектрический корпус 1, выполненный в виде полого куба, на всех шести гранях которого размещены идентичные плоские проводящие электроды 2, взаимопротивоположные пары которых закорочены и образуют электронную систему для компоненты поля, совпадающей с осью этой пары электродов. Для исключения взаимного шунтирования электродов на всех ребрах куба крепятся плоские диэлектрические экраны 5, образующие усеченные четырехгранные пирамиды, опирающиеся по периметру меньшего основания на ребра куба. Таким образом электроды 2 контактируют с внешней средой через гидроканалы 4, образованные гранями пирамид. В полости диэлектрического куба размещаются согласующие устройства 6 трехкомпонентной измерительной системы. В рабочем положении датчик размещается в проводящей среде, при этом составляющая электрического поля, ось которого совпадает с осью диэлектрического корпуса 1, создает разность потенциалов между электродами 2, и в цепи электрод — обмотки согласующего устройства — электрод потечет ток. Как известно [1], при допустимых искажениях исходного однородного поля корпусом датчика порядка, единиц процентов, размеры области искажений (осреднения или измерения) поля достигают пяти габаритных размеров датчика. Очевидный путь уменьшения размеров области искажения за счет уменьшения габаритов ПП датчика не всегда приемлем, так как при этом резко ухудшается чувствительность и уменьшаются коэффициенты преобразования ПП. Это противоречие можно устранить при использовании таких конструкций диэлектрических корпусов датчиков, которые за их пределами теоретически вообще не создают никаких искажений исследуемого поля. Если в проводящую среду с однородным электрическим полем внести диэлектрическую цилиндрическую поверхность — прямой цилиндр с бесконечно тонкими диэлектрическими стенками и открытыми торцами, то после заполнения полости цилиндра окружающей водой и ориентации его образующих параллельно силовым линиям поля никаких искажений не возникает. Тот же результат будет получен и при внесении в поле бесконечно тонких электродов-торцев цилиндра, если их плоскость будет перпендикулярна силовым линиям, т.е. будет совпадать с эквипотенциальными поверхностями исходного поля. При совмещении торцев-электродов с заполненной окружающей средой диэлектрической цилиндрической оболочкой исходное поле сохранится как внутри, так и вне оболочки. Однако ПП в указанном виде не имеет практического значения. Реальная конструкция ПП должна только внешне совпадать по форме с прямым цилиндром либо любой прямой призмой, поскольку нас интересует отсутствие искажений поля только вне корпуса. Толщина торцевых электродов и стенок диэлектрического корпуса может быть любой, а полость герметичной, если внутри нее между электродами включить резистор с сопротивлением, равным сопротивлению вытесненного ПП объема воды. Для прямого цилиндра где hg — осевой размер цилиндрического корпуса, a — радиус основания цилиндрического корпуса. При этом для падения напряжения и тока через резистор получены выражения Uэ=2aEоx; (3)
Iэ= Eoa2, (4)
где Eо = напряженность исследуемого однородного электрического поля. Из (3, 4) следует, что на резисторе (2) рассеивается мощность Pэ= UэIэ= 2E2oa3x = E2oa2hg, тождественно равная мощности исходного поля в объеме датчика, поэтому датчик и не вносит искажений. В случае использования цилиндрического датчика с гидроканалами электрических связей, где гидроканалы выполнены в виде усеченных прямых конусов (фиг. 2), радиус электрода «в» определяется с учетом (2) из уравнения

где
— половина угла при вершине корпуса. В частности, при = 45o из (5) получим

В этом случае при изменении окружающей среды условие (2) и все связанные с ним соотношения выполняются автоматически по мере заполнения гидроканалов окружающей водой. В случае, когда направление вектора напряженности исследуемого электрического поля заранее не определено, наиболее предпочтительным является использование трехкомпонентного датчика. Кроме уже отмечавшихся выше достоинств датчика (фиг. 2), можно дополнительно отметить практически идеальную геометрическую симметрию всех трех каналов. Из-за инерционности присоединенных масс воды, заключенной между пластинами экранов, датчик не чувствителен к изменениям температуры и давления вмещающей среды. При измерениях на стационарных стендах или в дрейфе первичный преобразователь занимает стабильное положение даже при наличии слабых течений. К этому следует добавить и ряд эксплуатационных достоинств: удобство транспортировки, простота морской постановки, защищенность электродов от случайных повреждений. Метрологические параметры датчика, в частности коэффициент преобразования, могут изменяться в соответствии с конкретными требованиями на проведение измерений за счет установки дополнительных пластин на уже подготовленный к постановке датчик. Расчет сопротивления гидроканала производится по формуле

С учетом (7) для кубического первичного преобразователя можно определить основные геометрические соотношения трехкомпонентного ПП, не вносящего искажения в исследуемое поле. Так как

отсюда определим размер электрода
b = a/2
и высоту усеченной правильной четырехгранной пирамиды, образующей гидроканал

Таким образом, трехкомпонентный датчик (фиг. 2) будет вносить в исследуемое однородное электрическое поле минимальные искажения, если со стороны квадратного электрода вдвое меньше ребра пластины экрана. Вышеизложенное свидетельствует о том, что датчик, отличаясь от известных, обеспечивает минимальные искажения исследуемых электрических полей при высоких метрологических характеристиках. Источники информации
1. Зимин Е.Ф., Кочанов Э.С. Измерение параметров электрических и магнитных полей в проводящих средах. М.: Энергоатомиздат, 1985, 254 с. 2. Авторское свидетельство СССР N 615440, G 01 F 3/06, 1978. 3. Патент США N 3641427, 1972.


Формула изобретения

1. Датчик напряженности электрического поля, содержащий диэлектрический корпус с герметично установленными плоскими металлическими электродами, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде полого прямого цилиндра, электроды размещены внутри корпуса симметрично относительно оси и центрального сечения корпуса и сообщены с окружающей средой посредством гидроканалов, имеющих форму усеченных конусов, а электроды закорочены через виток трансформатора тока, при этом соотношение геометрических размеров выбрано из условия
R = 2Rk,
где R — сопротивление объема среды, вытесненной датчиком;
Rk — сопротивление объема среды, находящейся в гидроканале. 2. Датчик напряженности электрического поля, содержащий диэлектрический корпус, выполненный в виде полого герметичного куба с плоскими металлическими электродами на гранях куба, причем каждая пара противоположно расположенных электродов электрически соединена, отличающийся тем, что он снабжен плоскими диэлектрическими экранами, прикрепленными к ребрам куба, образуя гидроканалы в виде усеченных четырехгранных пирамид, посредством которых электроды сообщены с внешней средой, при этом пирамиды меньшим основанием опираются на электроды, высота пирамид выбрана равной одной трети стороны большего ее основания, а сторона большего основания в два раза больше стороны меньшего основания, а электроды, расположенные на противоположных гранях куба, попарно закорочены через витки трансформаторов тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

Проектирование и расчет бесконтактного трансформаторного датчика электрического поля

Курсовая работа № 5

Тема:    Проектирование и расчет  бесконтактного  трансформаторного датчика электрического поля.

Цель:    Спроектировать и рассчитать бесконтактный трансформаторный датчик электрического поля.

Задания

Проектирование и расчет бесконтактного трансформаторного датчика электрического поля.

Вариант 1 (Сталь Е31) μ = 5500

Вторая часть данных для 1 варианта:

dн = 0.25 м;

d0 = 0.24 м;

∆ = 0.005 м;

E0 = 5×10-5 В/м;

f = 50 Гц;

σ = 12 Кл/м2;

w2 выбрать, что бы IКЗ равнялся 2 – 5 мА

Теоретические сведения

1.  Для исследования конкретной конструкции (щитовая дверь, облицованная фанерой с двух сторон без прокладки), представляющей собой плоскопараллельный деревянные слои толщиной δ = 0,08 мм, являющиеся звукоизолирующим препятствием могут рассматриваться несколько методических вариантов формирования тестовой акустической ситуации, сопровождающейся виброакустическими измерениями, обработкой и анализом измеряемых характеристик.

Бесконтактный трансформаторный датчик электрического поля предназначен для измерения электрического поля в проводящей среде, например, жидкости.

Датчик представляет собой ферромагнитный сердечник тороидальной, или кольцевой, формы с наложенной на него вторичной обмотки.

Устройство бесконтактного трансформаторного датчика:

Рис. 1 Бесконтактный трансформаторный датчик электрического поля:

1 – ферромагнитный сердечник, 2 – вторичная обмотка, 3 – слой диэлектрика.

Снаружи обмотка покрыта слоем диэлектрика, который герметизирует датчик и защищает его от воздействия внешней среды.

Датчик представляет собой трансформатор тока с объемным первичным витком, образованным проводящей средой, в которой измеряется электрическое поле.

Блок-схема применения бесконтактного трансформаторного датчика:


Допуски, на которых основан расчет датчика

1.  Вторичная обмотка w2 и защитный диэлектрический слой считаются бесконечно тонкими в сравнении с размерами датчика в целом.

Таким образом, средний радиус сечения сердечника будет определяться по формуле:

Площадь сечения сердечника:

2.  Пренебрегают искажениями поля бесконтактного трансформаторного датчика, и он заменяется замкнутой кольцевой нитью:

3.  Пренебрегают индуктивным сопротивлением первичного объемного витка в сравнении с его активным сопротивлением:

максимальное значение круговой частоты исследуемого поля

абсолютная магнитная проницаемость материала сердечника

удельная электрическая проводимость окружающей среды

Ток, который протекает через свободное окно датчика под действием осевой составляющей напряженности исследуемого поля:

коэффициент преобразования по току

 возбуждает в сердечнике магнитный поток, который индуктирует в обмотке w2 напряжение:

Коэффициенты преобразования по напряжению приведены к одному витку вторичной обмотки, или эквивалентная длина датчика:

Эквивалентная схема бесконтактного трансформаторного датчика:

На эквивалентной схеме полное сопротивление датчика  разделено на два:  и .

 – сопротивление внутренней части объемного витка, то есть то, которое имеет конечное сопротивление и проходит через окно датчика.

 – сопротивление внешней части объемного витка, которая проходит вне датчика и имеет неопределенное сечение.

Ток короткого замыкания и напряжение холостого хода:

Выходные параметры:

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *