Одно-, двух- и трехкоординатные датчики напряженности электрического поля

Несмотря на простоту конструкции, однокоординатные датчики требуют относительно сложной ориентации в пространстве, что обусловливает дополнительную погрешность в измерении напряженности ЭП из-за возможной неточности ориентации.

Двухкоординатные ЭД вырабатывают сигналы, пропорциональные двум составляющим вектора напряженности, они конструктивно более сложны и также требуют необходимости в двукратной ориентации датчиков в процессе одного измерения.

Трехкоординатные датчики (ТЭД) свободны от недостатков, связанных с необходимостью ориентации в пространстве, что делает их удобными в обращении, хотя это достигается использованием более сложных их конструктивных решений[1].

По второму признаку классификации чувствительные электроды в форме плоских поверхностей присущи только однокоординатным датчикам для определения направления вектора напряженности ЭП по его максимальному сигналу, т. е. для измерения его модуля. Кроме того, элементам конструкции таких датчиков свойственно наличие острых углов, что приводит к ограничению измерения уровней напряженности ЭП (-20 кВ/м).

На рис. 14.1 приведен схемотехнический рисунок однокоординатного датчика с плоской формой чувствительных электродов, представляющего собой проводящую круглую пластину 1 радиусом К и толщиной /? (/1«сЮ, на двух противоположных поверхностях которой располагаются проводящие чувствительные электроды 2 и 3, которые, в свою очередь, представляют собой тонкий проводящий слой толщиной 5, имеют одинаковые размеры и форму и расположены на расстоянии I от поверхности проводящей пластины 1.

Датчик напряженности электрического поля с проводящей подложкой в форме круглой пластины

Рис. 14.1. Датчик напряженности электрического поля с проводящей подложкой в форме круглой пластины

Принятые допущения 5 И и I К дают основание считать, что потенциал чувствительных элементов 2 и 3 равен потенциалу проводящей пластины 1, а чувствительные элементы могут считаться ничем иным, как самой поверхностью пластины. Кроме того, принятые дополнительные меры1 позволяют проводящие чувствительные элементы обоснованно и безупречно считать поверхностью проводящей пластины. Таким образом, такой датчик в общем случае представляется эквивалентной плоской проводящей пластиной в форме диска.

Уравнение преобразования двойного (см. далее ниже) однокоординатного плоского датчика при его дифференциальном (в формулах индекс «диф») включении и выходных сигналах в виде электрических зарядов имеет следующий вид:

— в однородном поле[2] Ео:

где сс — угол отклонения координатной оси датчика от направления вектора напряженности ЭП;

— в неоднородном поле Ен:

где (1 — расстояние до источника поля.

Рассмотренный датчик обладает погрешностью от неоднородности поля до -3 % в пространственном диапазоне измерения от О до 5К от источника поля, где Я — радиус дисковой пластины датчика. В неоднородном поле такой датчик дает заниженные значения выходных сигналов, что приводит к необъективной оценке влияния напряженности электрического поля на технические и биологические объекты. Тем не менее достоинства датчика — это простота его конструкции и малые габариты, позволяющие его размещение внутри любого измерительного прибора.

Цилиндрические поверхности чувствительных электродов обеспечивают возможность построения одно- и двухкоординатных цилиндрических датчиков, пригодных для измерения радиальных ЭП. Им также свойственны зависимость выходных сигналов от ориентации в ЭП (из-за неравенства чувствительностей датчика по различным направлениям) и ограниченный уровень измерения напряженности ЭП (-20 кВ/м). На рис. 14.2 показан двухкоординатный двойной датчик такого типа, в основе которого лежит проводящий цилиндр 1 радиусом Я и высотой 11, На его внешней поверхности диаметрально про-тивоположно и изолированно друг от друга и от цилиндра расположены соответственно два проводящих электрода 2-4 и 3-5 полуцилиндрической формы с радиусом и длиной, совпадающими с размерами проводящего цилиндра, а также с угловым размером 0О и вогнутой частью к оси цилиндра.

Двухкоординатный двойной цилиндрический датчик напряженности электрического поля

Рис 14.2. Двухкоординатный двойной цилиндрический датчик напряженности электрического поля: а — общий вид; б — вид с торца

Если радиус Я цилиндра 1 много больше толщины чувствительных элементов 2 и 3, то можно считать, что радиус кривизны чувствительных электродов также равен Я. Выполняя зазоры между чувствительными электродами 2Ъ<^Я, можно считать, что потенциалы электродов 2 и 3 равны (для этого приняты специальные меры), а датчик представляет собой единую проводящую цилиндрическую поверхность.

Согласно Бирюкову[3], этот датчик, как и ранее рассмотренный, имеет отрицательную погрешность от неоднородности поля до -3 % в пространственном диапазоне измерения от 0 до ЗЯ от источника поля, где Я — радиус цилиндрического корпуса датчика. Однако выбором определенного углового размера 0О можно минимизировать погрешность от неоднородности ЭП. Так, датчик с оптимизированным угловым размером чувствительных электродов (0О ~ 60°) уже может иметь погрешность от неоднородности поля до ±3 % в широком пространственном диапазоне измерения от 0 до от источника поля, где К — радиус цилиндрического корпуса датчика.

Кроме того, такой датчик, как и ранее рассмотренный датчик с плоской формой чувствительных элементов, также дает занижение выходных сигналов в неоднородном поле, что приводит к необъективной оценке влияния напряженности электрического ПОЛЯ на технические и биологические объекты. Поэтому эти датчики желательно применять для измерения в однородном электрическом поле1.

Сферические поверхности электродов позволяют строить одно-, двух- и трехкоординатные сферические датчики, не требующие ориентации в ЭП и позволяющие измерять значительные уровни напряженности ЭП (до 100 кВ/м).

На рис. 14.3 приведен трехкоординатный двойной сферический датчик, в основе которого лежит проводящая сфера 1 радиусом К с попарно и диаметрально расположенными чувствительными элементами 2-4, 3-5 и 4-6, представляющими собой тонкий проводящий сферический слой с угловым размером 0О и радиусом, совпадающим с радиусом сферы.

Трехкоординатный двойной сферический датчик напряженности электрического ПОЛЯ

Рис. 14.3. Трехкоординатный двойной сферический датчик напряженности электрического ПОЛЯ

Уравнение преобразования этого датчика при его дифференциальном включении по одной координатной оси выходных сигналов в виде электрических зарядов имеет следующий вид[4] :

— в однородном поле Ео

— в неоднородном поле Ен

где 0О — угловой размер чувствительного электрода в форме сферического сегмента; а = И / (1 — относительное расстояние до источника поля; (1 — расстояние до источника поля.

На рис. 14.4 приведен схемотехнический вид еще одного датчика — однокоор-динатного сферического1, в основе которого также лежит проводящая сфера 1 радиусом К с чувствительными электродами 2 и 3, представляющими собой тонкий проводящий сферический слой с угловым размером 0О и радиусом, совпадающим с радиусом сферы.

Однокоординатный сферический датчик напряженности ЭП

Рис. 14.4. Однокоординатный сферический датчик напряженности ЭП

По виду выходного сигнала предпочтительны датчики с выходными сигналами в виде электрического заряда, так как они свободны от недостатков, свойственных датчикам с потенциальными и токовыми выходными сигналами.

Дело в том, что датчики с выходными сигналами в виде напряжения обладают зависимостью выходного напряжения от емкости, образованной между электродами датчика и его проводящим осно

Бирюков С. В. и др. Расчет и измерение напряженности электрического поля в электроустановках сверх- и ультравысокого напряжения // 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.

ванием, нестабильность которой обусловливает дополнительную погрешность преобразования

А датчикам с токовыми выходными сигналами свойственна зависимость выходного тока от частоты поля, также приводящая к дополнительной погрешности измерения как от изменения частоты, так и от гармонического состава ЭП.

И наконец, согласно четвертому признаку классификации выбор датчика зависит от структуры его построения: одинарный имеет асимметричное построение и состоит из проводящего основания и изолированного от него одного чувствительного электрода; у двойного датчика — симметричное структурное построение, состоящее из проводящего основания, по обе стороны которого изолированно расположены два чувствительных электрода.

На рис. 14.5 приведены фотографии реальных образцов сферических датчиков для измерения напряженности электрического поля ЛЭП и подстанций свыше 330 кВ: однокоординатного одинарного и трехкоординатного двойного.

Сферические датчики

Рис. 14.5. Сферические датчики: однокоординатный (слева) и трехкоординатный двойной (справа)1

Вопросы и задания для самоконтроля

  • 1. Для каких целей применяется измерение напряженности электрического поля промышленной частоты?
  • 2. На каком принципе функционируют электроиндукционные датчики?
  • 3. В чем преимущества и недостатки одно-, двух- и трехкоординатных датчиков напряженности электрического поля промышленной частоты?
  • 4. По каким классификационным признакам обычно классифицируют датчики напряженности электрического поля промышленной частоты?

  • [1] Бирюков С. В. и др. Датчик напряженности электрического поля цилиндрической формы // Динамика систем механизмов и машин. 2018. Т. 6. № 4. С. 17—25.
  • [2] Бирюков С. В., Королева М. А. Электроиндукционный дисковый датчик напряженности электрического поля // Динамика систем механизмов и машин. 2017. Т. 5. № 4. С. 177—182. 2 Там же. 3 Тихонов А. И., Павлов В. Ю. Электронный учебник по дисциплине «Измерительная техника, датчики» // Навигатор в мире науки и образования. 2012. № 4-7. 4 Бирюков С. В., Королева М. А. Указ. соч.
  • [3] Бирюков С. В., Королева М. А. Электроиндукционный дисковый датчик напряженности электрического поля // Динамика систем механизмов и машин. 2017. Т. 5. № 4. С. 177—182.
  • [4] Бирюков С. В., Королева М. А. Электроиндукционный дисковый датчик напряженности электрического поля // Динамика систем механизмов и машин. 2017. Т. 5. № 4. С. 177—182. 2 Бирюков С. В. Измерение напряженности электрических полей в диэлектрических средах электроиндукционными датчиками. Методы и средства измерений : монография. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >