CC BY
10
DOI 10.36622/VSTU.2022.18.2.012 УДК 621.317.328
ДАТЧИКИ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ СДВОЕННОГО ТИПА
ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ
С.В. Бирюков1'2, А.В. Тюкин2, Л.В. Тюкина3
хОмский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, г. Омск, Россия 3Омский промышленно-экономический колледж, г. Омск, Россия
Аннотация: анализируются базовые сдвоенные сферические электроиндукционные датчики напряженности электрического поля с целью выявления их конструктивных параметров и параметров взаимодействия датчиков с ЭП, влияющих на погрешность его восприятия. Проводится оптимизация чувствительных элементов датчика с целью выявления минимума погрешности и максимума его пространственного диапазона измерений, в котором обеспечивается его минимальная погрешность. Оптимизация позволила снизить погрешность базовых датчиков приблизительно в два раза, т.е. с ± 4,6 % до ± 2 % и предложить три возможных варианта выполнения чувствительных элементов сдвоенных датчиков. В первом варианте угловой размер 6>01 второй пары чувствительных элементов увеличен с 450 до 470. Это позволило снизить погрешность датчика до ± 2,1 % при верхнем пределе пространственного диапазона измерения a=0,93. Во втором варианте угловой размер в02 первой пары чувствительных элементов увеличен с 450 до 470 при постоянном размере 6>01=90° этой же пары, а угловой размер в01 второй пары чувствительных элементов также увеличен с 450 до 470. Это позволило снизить погрешность второго варианта датчика до ± 2,1 % при верхнем пределе пространственного диапазона измерения a=0,93. В третьем варианте угловой размер в02 первой пары чувствительных элементов уменьшен с 450 до 40° при постоянном размере 6>01=90° этой же пары, а угловой размер в01 второй пары чувствительных элементов уменьшен с 450 до 350. При этом погрешность датчика во всем пространственном диапазоне не превышает ± 2 %. Используя сдвоенные датчики трех вариантов исполнения, можно добиться значительного повышения точности измерения напряженности неоднородных ЭП в широком пространственном диапазоне измерений по сравнению с базовыми датчиками, при этом третий вариант предпочтительней
Ключевые слова: датчик напряженности электрического поля, двойной датчик, сдвоенный датчик, напряженность электрического поля, погрешность от неоднородности поля
Введение
Практически во всех областях науки и техники широко используются всевозможные датчики различных физических величин. Датчики позволяют выявлять не только факт присутствия той или иной физической величины в исследуемой области пространства, но и определять с гарантированной погрешностью её численное значение, а также устанавливать взаимосвязи между различными физическими величинами [115]. Одной из физических величин, измерение которой очень актуально в энергетике, электро-и радиотехнике, приборостроении и других областях промышленности, является напряженность электрического поля (НЭП), в частности низкочастотного. Для измерения напряженности низкочастотного (до 1 МГц) электрического поля (ЭП) широкое распространение получили электроиндукционные датчики, основанные на электростатической индукции. Известные из технической литературы [18-23] датчики НЭП в однородных ЭП обладают погрешностью до ±20%. В
реальных неоднородных полях эта погрешность еще больше. В работах [24-28] предложены сдвоенные электроиндукционные датчики НЭП нового типа, снижающие погрешность измерения в неоднородном поле до ±5% практически во всем пространственном диапазоне измерения, т.е. вплоть до расстояний от источника поля, соизмеримых с размерами датчика.
Данная работа направлена на улучшение метрологических характеристик сдвоенных датчиков, в частности, на уменьшение их погрешности в неоднородных ЭП.
Постановка задачи
Для обеспечения возможности построения сдвоенных электроиндукционных сферических датчиков, обеспечивающих восприятие напряженности электрического поля с погрешность менее ±5% в широком пространственном диапазоне, необходимо решить следующие задачи:
-проанализировать сдвоенные электроиндукционные датчики НЭП [24-28] с целью выявления их конструктивных параметров и па-
© Бирюков С.В., Тюкин А.В., Тюкина Л.В., 2022
раметров взаимодействия датчиков с ЭП, влияющих на погрешность восприятия ЭП;
-составить математические модели различных конструктивных решений, сдвоенных электроиндукционных сферических датчиков НЭП, учитывающие выявленные конструктивные параметры и параметры взаимодействия датчиков с ЭП, влияющие на погрешность восприятия ЭП;
-получить целевую функцию, учитывающую конструктивные параметры и параметры взаимодействия датчиков с ЭП, влияющие на погрешность восприятия ЭП;
-провести оптимизацию целевой функций датчиков по отмеченным параметрам с целью выявления минимума погрешности датчиков и максимума его пространственного диапазона измерений, в котором обеспечивается его минимальная погрешность.
Конструктивные решения известных сдвоенных датчиков
В работах [24-28] рассмотрены два конструктивных решения сдвоенных однокоорди-натных датчиков, отличающихся только лишь формированием чувствительных элементов, не влияющих на их общие конструктивные размеры и метрологические характеристики.
Примем за базовые конструкции сдвоенные датчики, описанные в работах [24-28], и представим их находящимися в ЭП точечного источника q(t) на рис. 1.
Рис. 1. Базовые конструктивные решения сдвоенных датчиков
В основе базовых конструкций датчиков лежит проводящая сфера 1 радиуса R с двумя парами диаметрально расположенных на одной координатной оси чувствительных элементов 2-3 и 4-5. Чувствительные элементы
изолированы между собой и проводящей сферой 1. Расстояние между чувствительными элементами и проводящей сферой много меньше её радиуса, что позволяет считать поверхность датчика единой сферической поверхностью. Чувствительные элементы можно наносить на поверхность сферы напылением. Поэтому для изготовления таких датчиков хорошо подходят методы нанотехнологий.
Чувствительные элементы базовых конструкций представляют собой сферические сегменты и сферические слои (рис. 2).
Рис. 2. Формы чувствительных элементов:
а) сферический сегмент; б) сферический слой
Из рис. 2 следует, что основными конструктивными параметрами чувствительных элементов наряду с радиусом R являются их угловые размеры. В общем случае форма чувствительного элемента определяется двумя угловыми размерами в'01 и в'02. Тогда его параметры можно записать как \0'01,в'02] , где в'01 -
угловой размер при основании, а в'02 - угловой размер при вершине чувствительного элемента (см. рис. 2, б). При 0'О2=О получаем сферический сегмент в общем случае, с угловым размером в0\ (см. рис. 2, а), и его параметры можно записать как |(901,0}. При 0'01=900 и в'02=0 получаем полусферу (частный случай сферического сегмента), и её параметры можно записать как |90°, 0} .
Применительно к базовым конструктивным решениям сдвоенных датчиков, первая пара чувствительных элементов датчика, представленного на рис. 1,а, выполнена в форме полусфер (элементы 2-3) с угловым размером 0'01<90°, а вторая пара чувствительных элементов выполнена в форме сферических сегментов (элементы 4-5) с угловым размером 001<45°. В этой конструкции датчика чувствительные элементы накладываются изолированно друг от друга. Такие датчики будем называть датчики с накладными чувствительными элементами.
Для датчика, представленного на рис. 1,б, чувствительные элементы 2-3, входящие в первую пару, выполнены в форме сферического слоя с угловым размером у основания 0'01<90° и с угловым размером у вершины 0'02>45°, а чувствительные элементы второй пары выполнены в форме сферических сегментов (элементы 4-5) с угловым размером в01<45°. Следует отметить, что в датчике (рис. 1, б) первая пара чувствительных элементов является составной, и элементы формируются один из второго и четвертого элементов (как 2+4), а другой из третьего и пятого элементов (как 3+5). Поэтому общий угловой размер составных чувствительных элементов в этом случае также будет составлять в'0<90°. Такие датчики будем называть датчики с составными чувствительными элементами.
Для оценки взаимодействия датчиков с ЭП выберем поле точечного заряда (униполя). Характерной особенностью такого поля является возможность путем изменения расстояния d (см. рис. 1) от датчика до источника поля моделировать поля различной неоднородности.
Введем показатель взаимодействия датчика с ЭП. Таким показателем может служить параметр
а=Ш, (1)
где R - радиус датчика.
Этот показатель, с одной стороны, может характеризовать степень неоднородности поля (при а^0 поле стремится к однородному, при а^1 поле стремится к сильно неоднородному), а с другой, может определять пространственный диапазон измерения датчика, который может лежать в диапазоне R<d<ю (0>а>1).
На поверхностях чувствительных элементов каждого двойного датчика, входящего в состав сдвоенного датчика, находящегося в ЭП точечного заряда, будут формироваться индуцированные электрические заряды, дифференциальные значения которых определяются выражениями [24]:
А^ (Г) = 6ле0Я2 [1 - 81 (а,900,0)] • Е0 (Г) ; (2) Aq2 ^) = 6ле0 Я2 [1 + 82 (а,450,0)] • Е0 ^), (3)
где Е0(() - НЭП в исследуемой точке пространства; 8Да,900,0) и 82(а,450,0) - погрешности от неоднородности ЭП, в общем случае определяемые из выражения [16, 20]
81Л (а,в01,в02 ) =
1 - аг
3а2 зш(б01 -в0г)хsm(в01 + в0г)
1
х100
•уД-ЗасоТвТ+а2
1 , (4)
+ , - • — ,/1 + 2а cos в02 + а2
__1_
^1-~2асо7в0!+а2
__1_
^1+~2асо7в0!+а2
где погрешность с индексом "1" 81 (а, в01,в02) соответствует погрешности первого, а погрешность с индексом "2" 52 (а,в01,в02) - второго датчика, входящих в состав сдвоенного датчика.
В работе [24] показано, что при измерении сдвоенным датчиком одновременно измеряются в данной точке пространства НЭП первым и вторым датчиком
£1(0= Е0(0-[1-8(а,в0ьвн)]; (5) £2(0= Е0М1+&(а,в0ьвн)]. (6)
Искомую напряженность, измеренную сдвоенным датчиком, находят как среднее значение из (5) и (6)
Е(0 = ^) + ^) = Е0(/)-[1 + 8(а)], (7)
где
8(а) =
\81(a, в01,в02) - 82(а, в01,в02)
(8)
- погрешность измеренного значения, а 81(а,900,0) и 82(а,450,0) - погрешности от неоднородности ЭП первого и второго датчиков, входящих в состав сдвоенного датчика, соответственно.
Для наглядности представления входящих в выражение (4) погрешностей построим в математическом редакторе MathCAD-15 их графические зависимости от пространственного диапазона измерения а (неоднородности поля) для первого 81(а,900,0), второго 82(а,450,0) двойных датчиков, входящих в сдвоенный датчик, и для сдвоенного датчика 8(а) выражение (8). Графики погрешностей представлены на рис. 3. На рис. 3: 1 - 81(а,900,0) погрешность первого датчика; 2
- 82(а,450,0) погрешность второго датчика; 3 -8(а) погрешность сдвоенного датчика.
х
Рис. 3. Графики погрешности сдвоенного датчика
Из анализа графиков (см. рис. 3) следует, что погрешность измерения сдвоенных базовых датчиков (см. рис. 1) в неоднородном ЭП точечного заряда не превышает +4,6% в пространственном диапазоне измерения a практически от 0 до 1 и зависит от:
- конструктивных параметров чувствительных элементов, а именно от их угловых размеров;
- параметра взаимодействия датчика с ЭП a.
Отмеченные выше результаты анализа
позволяют составить математическую модель сдвоенного датчика по оптимизации его чувствительных элементов с целью уменьшения погрешности от неоднородности ЭП и расширения пространственного диапазона измерений.
Математическая модель сдвоенного датчика
В основу математической модели положены выражения (1), (4) и (8)
--R|d;
Sl,2(a,в°l,в°2)--
1
5(а)
3a2 бШ^! —#02) х эт^! + ^2)
( 1 ^
. + — 2a соб в02 + a2
1
+ .
+ 2a соб в02 + a2
__1_
— 2a СОБ#01 + a2 — 1
+ 2a соб в01 + a2 151(0,001,602) — ^(аД^)!
х 100;
(9)
Целевая функция
Целевой функцией для сдвоенных датчиков будет являться выражение (8), которое учитывает как конструктивные параметры (в01,в02) сдвоенного датчика, так и параметр а, характеризующий взаимодействие датчика с ЭП. Поэтому в общем случае целевая функция сдвоенных датчиков будет иметь вид
5(а) =
|51(a, 001,002) — |52(a, 001,002)| 2
а в частном случае для базовых сдвоенных датчиков она будет определяться выражением
51(а, 900,0)| — 52(а, 450,0)|
5(а)=]
2
Для целевой функции с базовыми конструктивными параметрами минимальное значение погрешности от неоднородности поля составляет +4,6% практически во всем пространственном диапазоне измерения (0<а<0,99) (см. рис. 3).
Одной из задач исследований данной работы является оптимизация конструктивных параметров сдвоенного датчика для получения их минимально возможной погрешности 5(а) при максимально возможном пространственном диапазоне измерения а.
Оптимизация целевой функции сдвоенных датчиков
Оптимизацию будем проводить методом перебора угловых размеров чувствительных элементов при различных дискретных значениях параметра а и находить минимум погрешности 5(а), определяемой выражением (8) в максимально возможном диапазоне параметра а.
Оптимизация чувствительных элементов сдвоенного датчика первого конструктивного решения (см. рис. 1,а). Зададим начальные угловые размеры первой пары чувствительных элементов в01=90 и в02=0, а у второй в01=в и 002=0, где в - переменный угловой размер. Пошагово (с шагом в 10) изменяя угловой размер в и строя в математическом редакторе MаthCAD-15 графики погрешности в диапазоне изменения параметра а, находим оптимальный угловой размер в с точки зрения минимума погрешности 5(а) целевой функции и максимума пространственного диапазона измерения а. Найденный угловой размер в составляет 470. Тогда оптимальный размер второго чувстви-
а
2
тельного элемента будет определяться как в01=470 и 002=0.
Графики минимизированной погрешности 5(а) и этой же погрешности для базового сдвоенного датчика представлены на рис. 4.
и 5
с 4
Е ч ■•>
Н
и 1
о § 2.5
о Л
п.
о и 1
Э 1) 1
о ^ 0
ж II
н — 1
о
ьй N
—
у - /
0 1 —
а -
и о.— З.Ь
^ о - 4
С " 4.^
- Ь
г
<Л
2
' 1
а— Ч/а
0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.5 а
0.6 0.7 0.8 0.9
Рис. 4. Графики погрешности сдвоенного датчика с оптимизированными чувствительными элементами и базового датчика первого конструктивного решения
На рис. 4: 1 - погрешность датчика 5(а) с оптимизированными чувствительными элементами; 2 - погрешность 5(а) базового сдвоенного датчика.
Из сравнительного анализа графиков погрешности 1 и 2 (см. рис. 4) следует, что для сдвоенного датчика с оптимизированными чувствительными элементами погрешность датчика по сравнению с базовым датчиком уменьшилась приблизительно в два раза и составляет 5(а)=±2,1%. При этом верхний предел пространственного диапазона измерения незначительно уменьшился с 0,99 до 0,93. Это изменение верхнего предела а можно считать незначительным.
Оптимизация чувствительных элементов сдвоенного датчика второго конструктивного решения (см. рис. 1,б). При исследовании были выявлены два возможных варианта сдвоенных датчиков с оптимизированными чувствительными элементами.
Первый вариант соответствует второму конструктивному решению (рис. 1,б) базового сдвоенного датчика, где первая пара чувствительных элементов является составной, состоящей из элементов 2+4 и 3+5. Поэтому оптимизированное решение чувствительных элементов в этом случае будет совпадать с решением для сдвоенного датчика первого конструктивного исполнения. С учетом этого
оптимальные размеры чувствительных элементов сдвоенного датчика второго конструктивного исполнения соответственно будут: для первого датчика в01=90 и в02<47 ; для второго датчика в01=470 и в02=0. В этом случае оптимальные графики погрешности сдвоенного датчика будут соответствовать графикам, представленным на рис. 4.
Во втором варианте второго конструктивного решения элементы 2-4 и 3-5 являются самостоятельными чувствительными элементами аналогично элементам 2-4 и 3-5 первого конструктивного решения. Оптимизировать целевую функцию будем по двум угловым размерам в1 и в2, соответствующим первой паре в01=900 и в02=в1 и второй паре в01=в2 и в02=0 чувствительных элементов. Примем исходным для второй пары чувствительных элементов угловые размеры в2=45 и в02=0, а для первой пары в01=900 и в02=в1. Изменяя в1 от 450 до 00, находим промежуточный минимум целевой функции 5(а), который наблюдается при в1=400. Далее фиксируем в1=40 и начинаем изменять в2 от 450 до 0 и находим минимум целевой функции 5(а), который наблюдается при в2=350. Таким образом, результаты оптимизации показывают, что минимальная погрешность сдвоенного датчика этого вида будет при угловых размерах первой пары чувствительных элементов, выполненной в форме сферического слоя в01=900 и в02=400, и второй пары чувствительных элементов, выполненной в форме сферического сегмента в01=35 и в02=0.
Графики оптимизированной погрешности 5(а) и этой же погрешности для базового сдвоенного датчика представлены на рис. 5.
X н О 3.5 О Я
ч
О 25 р "
2 2
О)
X н 0.5
Л о н
ац5
о
щ—1.5 О
ё-2 С-2.5
О
2/
а= Ш
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Рис. 5. Графики погрешности сдвоенного датчика с оптимизированными чувствительными элементами и базового датчика второго конструктивного решения
На рис. 5: 1 - погрешность датчика 8(а) с оптимизированными чувствительными элементами; 2 - погрешность базового сдвоенного датчика.
Из сравнительного анализа графиков погрешности 1 и 2 (см. рис. 5) следует, что для сдвоенного датчика с оптимизированными чувствительными элементами погрешность датчика по сравнению с базовым датчиком уменьшилась приблизительно в два раза и составляет 8(а)<±2% во всем пространственном диапазоне измерения а. Это наилучший результат из всех рассмотренных.
Результаты исследований
Исследования двойных датчиков базового типа, проведенные в работе, позволили выявить конструктивные параметры датчиков и параметры взаимодействия датчиков с ЭП, влияющие на их погрешность в неоднородных полях. Составлена математическая модель сдвоенного датчика и определена целевая функция, оптимизация которой выявила конкретные параметры чувствительных элементов датчиков, позволяющие приблизительно в два раза уменьшить их погрешность. Это позволило предложить три варианта построения сдвоенных датчиков.
Первый вариант позволяет повысить точность измерения датчиков с накладными чувствительными элементами, первая пара которых имеет угловые размеры в01=900 и в02=0, а вторая пара - в01=470, в02=0. Датчик воспринимает НЭП с погрешностью 8(а)=±2,1% в пространственном диапазоне 0<а<0,93.
Второй вариант позволяет повысить точность измерения датчиков с составными чувствительными элементами, первая пара которых имеет угловые размеры в01=900 и в02 >47, а вторая пара - в01=470, в02=0. Датчик воспринимает НЭП с той же погрешностью и в том же пространственном диапазоне, что и датчик первого варианта.
Третий вариант позволяет повысить точность измерения датчиков с независимыми чувствительными элементами, первая пара которых имеет угловые размеры в01=900 и в02=40, а вторая пара - в01=350, в02=0. Датчик воспринимает НЭП с погрешностью 8(а)<±2% во всем пространственном диапазоне измерения а. Все три варианта построения датчиков обеспечивают высокую точность измерения на расстояниях от источника поля, соизмеримых с радиусом основания датчика.
Выводы и заключения
Предложены три конструктивных решения сдвоенных датчиков НЭП повышенной точности. Датчики пригодны для построения измерителей напряженности реальных электрических полей различной неоднородности.
Литература
1. Аш Ж. Датчики измерительных систем: В 2 х кн. М.: Мир, 1992. Кн. 1. 480 с.
2. Аш Ж. Датчики измерительных систем: В 2 х кн. М.: Мир, 1992. Кн. 2. 48 с.
3. Пронин А.Н., Сапожникова К.В., Тайманов P.E. Контроль достоверности информации, поступающей от датчиков // Датчики и системы. 2008. №8. С. 58-63.
4. Тайманов P.E., Сапожникова К.В. Метрологический самоконтроль датчиков // Датчики и системы. 2011. №2. С. 58-66.
5. Тайманов P.E., Сапожникова К.В. Проблемы интеллектуальных датчиков // Датчики и системы. 2004. №11. С. 50-58.
6. High sensitivity waveguide type hydrogen sensor/ K. Nishizawa, E. Sudo, M. Yoshida, T. Yamasaki // 4th Int. Conf. Optical Fibre Sensors. 1986. P.13
7. A pressure transducer using a metallic triple-beam tuning fork/ D.S. Randall, M.J. Rudkin, A. Cheshmchdoost, В.Е. Jones // Sensors and Actuators A: Physical. 1997. Vol. 60. No. 1-3. P. 160-162.
8. Zhan Y., Sun Y. Closed-form impulse response model of non-line-of-sight single-scatter propagation // JOSA
A. 2016. Vol. 33. No. 4. Р. 752-757.
9. Шерстобитова А.С. Датчики физических величин. СПб.: Университет ИТМО, 2017. 57 с.
10. Датчики: Справочное пособие / под общ. ред.
B.М. Шарапова, Е.С. Полищука. М.: Техносфера, 2012. 624 с.
11. Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2006. 592 с.
12. Мисеюк О.П., Волченков В.И. Устройство предварительной обработки сигнала первичного преобразователя в датчике напряженности электрического поля // Датчики и системы. 2020. № 1 (243). С. 42-46. DOI: 1025728/datsys.2020.1.7.
13. Baicry M., Le Prado M. Device for measuring an electric field in a conducting medium and method of such a devace. US Patent 0238646 A 1 filed February 17th, 2016; published August 18th, 2016.
14. A High Sensitivity Electric Field Microsensor Based on Torsional Resonance/ Zhaozhi Chu, Chunrong Peng, Ren Ren et al. // J. Sensor. MDPI. 2018. Jan. 19. DOI: 10.3390/s180102296.
15. Бирюков С.В. Физические основы измерения параметров электрических полей: монография. Омск: Изд-во СибАДИ, 2008. 112 с.
16. Бирюков С.В. Измерения напряженности электрических полей в диэлектрических средах электроиндукционными датчиками. Методы и средства измерений: монография. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. 196 с.
17. Dongping Xiao. A Power-Frequency Electric Field Sensor for Portable Measurement / Qichao Ma, Yutong Xie, Qi Zheng and Zhanlong Zhang // Sensors (Basel). 2018. Apr. 18(4): 1053. DOI: 10.3390/s18041053
18. Прибор для измерения напряженности электри-
ческого поля /В.И. Сукманов, В.И. Сафонов, А.Н. Ильин, М.Ю. Масленников //Электрические станции. 1987. № 6. С.69 -71.
19. Берент Г.Н., Плейс И.Р. Датчик электрического поля // Приборы для научных исследований. 1971. №6. С.141-142.
20. Calculation and measurement of fields on EHV and UHV substations and near transmission lines / S.V. Biryukov, F.G. Kaidanov, R.A. Kats, V.Ya. Lozhnikov // CIGRE-86. International Conference on Large High Voltage Electric Systems, Report 36-06, Session 27th August-4th September. 1986. Paris. 5 p.
21. Бирюков С.В., Ложников В.Я. Цифровой измеритель напряженности электрического поля промышленной частоты // Приборы и техника эксперимента. 1981. №1. С.275.
22. Датчики напряженности электростатического поля EP-600. Руководства, инструкции, описание для "Narda PMM EP-600, EP-601, EP-602, EP-603, EP-604 датчики напряженности поля": URL: https: //newpribor.ru/catalog/ispytatelnoe-oborudovanie/probniki-polya/narda-pmm-ep-600-ep601-ep-602. html (дата обращения: 05.08.2019).
23. Бирюков С.В., Тюкина Л.В. Модернизированный метод измерения напряженности электрического
Поступила 03.02.2022; п
поля по среднему значению сдвоенными датчиками и устройства для его реализации // Динамика систем, механизмов и машин. 2021. Т. 8. № 4. С. 83-92.
24. Пат. № 207464 Ш Российская Федерация, МПК G01R 29/12. Устройство для измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком: № 202111582: заявл. 23.04.2021: опубл. 28.10.2021 бюл. 31 / С.В. Бирюков, Л.В. Тюкина, Н.Г. Эйсмонт; заявитель Ом. гос. техн. ун-т. С.1-9
25. Пат. № 207465 Ш Российская Федерация, МПК G01R 29/12. Устройство для измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком: № 202111599: заявл. 23.04.2021: опубл. 28.10.2021; бюл. 31 / С.В. Бирюков, Л.В. Тюкина, В.В. Даньшина; заявитель Ом. гос. техн. ун-т. С.1-8
26. Бирюков С.В., Тюкина Л.В., Тюкин А.В. Сдвоенные сферические датчики напряженности низкочастотных электрических полей нового поколения // Омский научный вестник. 2021. № 5 (179). С. 62-67. Б01: 10.25206/1813-8225-2021-179-62-67
27. Бирюков С.В., Тюкина Л.В., Тюкин А.В. Сдвоенный сферический датчик напряженности электрического поля // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2021. Т. 17. № 5. С. 85-91. Б01: 10.36622^Ш.2021.15.5.012
к публикации 18.04.2022
Информация об авторах
Бирюков Сергей Владимирович - д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры «Физика», Омский государственный технический университет (644050, Россия, г. Омск, пр-т Мира, д. 11); профессор кафедры «Физика и математика», Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (644080, Россия, г. Омск, проспект Мира, 5), тел.: (3812) 65-02-18, +79081066078, е-тай: [email protected], ORCЮ: https://orcid.org/0000-0002-1362-9911
Тюкин Александр Владимирович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Физика и математика», Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (644080, Россия, г. Омск, проспект Мира, 5), е-таД: [email protected], тел.: (3812) 6502-18, +79831101529, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7316-3797
Тюкина Людмила Владимировна - преподаватель, Омский промышленно-экономический колледж (644029, Россия, г. Омск, Нефтезаводская, 6), тел.: (3812) 67-04-92, +79095361782, е-таД: [email protected]
DUAL TYPE OF ELECTRIC FIELD SENSORS OF INCREASED ACCURACY
S.V. Biryukov1,2, A.V. Tyukin2, L. V. Tyukina3
1 Omsk State Technical University, Omsk, Russia 2 Siberian State Automobile and Highway University, Omsk, Russia 3 Omsk Industrial and Economic College, Omsk, Russia
Abstract: the article analyzes the basic dual spherical electro-induction sensors of electric field strength in order to identify their design parameters and parameters of the interaction of sensors with the EP, affecting the error of its perception. We carried out optimization of the sensor's sensitive elements in order to identify the minimum error and the maximum of its spatial measurement range, in which its minimum error is ensured. Optimization made it possible to reduce the error of the basic sensors by approximately two times, i.e. from ± 4.6% to ± 2% and to offer three possible variants of the implementation of the sensitive elements of dual sensors. In the first variant, the angular size 6>01 of the second pair of sensing elements is increased from 450 to 470. This made it possible to reduce the sensor error to ± 2.1% at the upper limit of the spatial measurement range a = 0.93. In the second variant, the angular size 602 of the first pair of sensing elements is increased from 450 to 470, with a constant size 6>01=90° of the same pair, and the angular size 901 of the second pair of sensing elements is also increased from 450 to 470. This made it possible to reduce the error of the second version of the sensor to ± 2.1% at the upper limit of the spatial measurement range a =0.93. In the third version, the angular size 6>02 of the first pair of sensing elements was reduced from 450 to 400, with a constant size 6>01=900 of the same pair, and the angular size 901 of the second pair of sensing elements was reduced from 450 up to 350. At the same time, the sensor error in the entire spatial range does not exceed ± 2%. Using dual sensors of three versions, it is possible to achieve a significant increase in the accuracy of measuring the strength of inhomogene-ous EP in a wide spatial measurement range compared to basic sensors, while the third option is preferable
Key words: electric field strength sensor, dual sensor, dual sensor, electric field strength, field inhomogeneity error
References
1. Ash J. "Sensors of measuring systems" ("Datchiki izmeritel'nykh sistem"), in 2 books, book. 1, Moscow: Mir, 1992, 480 p.
2. Ash J. "Sensors of measuring systems" ("Datchiki izmeritel'nykh sistem"), in 2 books, book. 2, Moscow: Mir, 1992, 48 p.
3. Pronin A.N., Sapozhnikova K.V., Taymanov P.E. "Control of reliability of information coming from sensors", Sensors and Systems, 2008, no. 8, pp. 58-63.
4. Taymanov P.E., Sapozhnikova K.V. "Metrological self-control of sensors", Sensors and Systems, 2011, no. 2, pp. 58-66.
5. Taymanov P.E., Sapozhnikova K.V. "Problems of intelligent sensors", Sensors and Systems, 2004, no. 11, pp. 50-58.
6. Nishizawa K., Sudo E., Yoshida M., Yamasaki T. "High sensitivity waveguide type hydrogen sensor", 4th Int. Conf. Optical Fiber Sensors, 1986, pp. 13
7. Randall D.S., Rudkin M.J., Cheshmchdoost A., Jones V.E. "A pressure transducer using a metallic triple-beam tuning fork", Sensors and Actuators A: Physical, 1997, vol. 60, no. 1-3, pp. 160-162.
8. Zhan Y., Sun Y. "Closed-form impulse response model of non-line-of-sight single-scatter propagation", JOSA A, 2016,vol. 33, no. 4, pp. 752-757.
9. Sherstobitova A.S. "Sensors of physical quantities" ("Datchiki fizicheskikh velichin"), St. Petersburg: ITMO University, 2017, 57 p.
10. Sharapova V.M., Polishchuk E.S. "Sensors" ("Datchiki"), reference manual, Moscow: Tekhnosfera, 2012, 624 p.
11. "Modern sensors" ("Sovremennye datchiki"), directory, Moscow: Tekhnosfera, 2006, 592 p.
12. Miseyuk O.P., Volchenkov V.I. "Device for preliminary signal processing of the primary transducer in the electric field strength sensor", Sensors and Systems, 2020, no. 1 (243), pp. 42-46. DOI: 1025728/datsys.2020.1.7.
13. Baicry M., Le Prado M. "Device for measuring an electric field in a conducting medium and method of such a devace", US patent 0238646 A 1 filed February 17th, 2016, published August 18th, 2016.
14. Zhaozhi Chu, Chunrong Peng, Ren Ren et al. "A high sensitivity electric field microsensor based on torsional resonance", J. Sensor. MDPI, Jan. 2018 19, DOI: 10.3390/s180102296.
15. Biryukov S.V. "Physical foundations for measuring the parameters of electric fields" ("Fizicheskie osnovy izmereniya par-ametrov elektricheskikh poley"), monograph, Omsk: SibADI, 2008, 112 p.
16. Biryukov S.V. "Measurements of the intensity of electric fields in dielectric media by electroinductive sensors. Methods and means of measurements" ("Izmereniya napryazhennosti elektricheskikh poley v dielektricheskikh sredakh elektroinduktsionnymi datchikami. Metody i sredstva izmereniy."), monograph, Omsk: OmGTU, 2011, 196 p.
17. Dongping Xiao, Qichao Ma, Yutong Xie, Qi Zheng, Zhanlong Zhang "A power-frequency electric field sensor for portable measurement", Sensors (Basel), 2018 Apr., no. 18(4), pp. 1053, DOI: 10.3390/s18041053
18. Sukmanov V.I., Safonov V.I., Il'in A.N., Maslennikov M.Yu. "Device for measuring the electric field strength", Electric Stations, 1987, no. 6, pp. 69-71.
19. Berent G.N., Place I.R. "Electric field sensor", Instruments for Scientific Research, 1971, no. 6, pp. 141-142.
20. Biryukov S.V., Kaydanov F.G., Kats R.A., Lozhnikov V.Ya. "Calculation and measurement of fields on EHV and UHV substances and near transmission lines", CIGRE-86. International Conference on Large High Voltage Electric Systems, Report 3606, Session 27th August-4th September, 1986 Paris, 5 p.
21. Biryukov S.V., Lozhnikov V.Ya. "Digital meter of electric field intensity of industrial frequency", Instruments and Experimental Technique (Pribory i tekhnika eksperimenta), 1981, no. 1, p. 275.
22. "Electrostatic field strength sensors EP-600. Manuals, instructions, description for "Narda PMM EP-600, EP-601, EP-602, EP-603, EP-604 field strength sensors", available at: https: //newpribor.ru/catalog/ispytatelnoe-oborudovanie/probniki -polya/narda-pmm-ep-600-ep601 -ep-602. html (date of access: 08.05.2019).
23. Biryukov S.V., Tyukina L.V. "Upgraded method for measuring the electric field intensity by the average value with dual sensors and devices for its implementation", Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin), 2021, vol. 8, no. 4, pp. 83-92.
24. Biryukov S.V., Tyukina L.V., Eismont N.G. "Device for measuring electric field strength with a dual sensor" ("Ustroystvo dlya izmereniya napryazhennosti elektricheskogo polya so sdvoennym datchikom"), patent 207464 U1 Russian Federation, IPC G01R 29/12., No. 202111582, Appl. 04/23/2021, publ. 28.10.2021, bull. 31, pp. 1-9
25. Biryukov S.V., Tyukina L.V., Danshina V.V. "Device for measuring electric field strength with a dual sensor" ("Ustroystvo dlya izmereniya napryazhennosti elektricheskogo polya so sdvoennym datchikom"), patent 207465 U1 Russian Federation, IPC G01R 29/12, no. 202111599, Appl. 04/23/2021, publ. 10/28/2021, bul. 31, pp.1-8
26. Biryukov S.V., Tyukina L.V., Tyukin A.V. "Dual spherical sensors for the intensity of low-frequency electric fields of a new generation", Omsk Scientific Bulletin (Omskiy nauchnyy vestnik), 2021, no. 5 (179), pp. 62-67, DOI: 10.25206/1813-8225-2021179-62-67
27. Biryukov S.V., Tyukina L.V., Tyukin A.V. "Dual spherical electric field intensity sensor", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2021, vol. 17, no. 5, pp. 85-91, DOI: 10.36622/VSTU.2021.15.5.012
Submitted 03.02.2022; revised 18.04.2022 Information about the authors
Sergey V. Biryukov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Omsk State Technical University (11 Prospekt Mira, Omsk 644050, Russia); Professor, Siberian State Automobile and Highway University (5 Prospekt Mira, Omsk 644080, Russia), tel.: +7 (3812) 65-02-18, +79081066078, e-mail: sbiryukov154 @mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1362-9911
Aleksandr V. Tyukin, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Siberian Automobile and Highway University (5 Prospekt Mira, Omsk 644080, Russia), e-mail: [email protected], tel.: +7(3812) 65-02 -18, +79831101529, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7316-3797 Lyudmila V. Tyukina, Assistant Professor, Omsk Industrial and Economic College (6 Neftezavodskaya str., Omsk 644029, Russia), tel.: +7(3812) 67-04-92, +79095361782, e-mail: [email protected]
