ГРАДУИРОВКА СДВОЕННОГО ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННОГО СФЕРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ОДНОРОДНОМ ПОЛЕ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.317.328

DOI: 10.25206/1813-8225-2022-182-102-109

С. В. БИРЮКОВ1 Л. В. ТЮКИНА1 А. В. ТЮКИН2

1Омский государственный технический университет, г. Омск

2Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет,

г. Омск

ГРАДУИРОВКА СДВОЕННОГО ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННОГО СФЕРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ОДНОРОДНОМ ПОЛЕ

Для измерения напряженности электрических полей вблизи высоковольтного оборудования перспективными являются сдвоенные электроиндукционные сферические датчики, представляющие собой конструктивное объединение двух двойных датчиков в одно целое. Перед эксплуатацией датчиков они должны быть отградуированы в однородном ЭП. Этот процесс трудоемкий, дорогостоящий и небезопасный. В работе авторами предлагается идея градуировать датчики токами, эквивалентными выходным токам датчика, находящегося в реальном однородном поле. Для этого разработан имитатор токовых сигналов, в основу которого положены математические соотношения, полученные при теоретическом взаимодействии датчика с однородным ЭП. Для проверки выдвинутой идеи сдвоенный датчик сначала настраивался и градуировался по изложенной в статье методике с получением статических характеристик. Затем для подтверждения правильности градуировки датчик помещался в реальное однородное ЭП. В однородном ЭП с датчика снимались статические характеристики и сопоставлялись с его статическими характеристиками, полученными после имитатора токовых сигналов. Результаты сопоставления показали хорошее совпадение статических характеристик. Расхождение составляло не более ±3 %. Поскольку эксперименты были проведены оценочные, то такое согласование статических характеристик можно признать приемлемым. Более тщательная настройка измерительных цепей сдвоенного датчика позволит снизить погрешность расхождения статических характеристик до (0,5—1) %. Полученные результаты исследований позволяют подтвердить адекватность теории, положенной в основу расчетов сдвоенных электроиндукционных датчиков напряженности ЭП.

Ключевые слова: напряженность электрического поля, сдвоенный датчик напряженности электрического поля, имитатор токовых сигналов датчика, генератор однородного поля.

Введение. Экспериментальные исследования средств измерений являются неотъемлемой частью разработки и связанных с ней исследований новых средств измерений в нормальных условиях и в условиях эксплуатации. Таким новым средством измерений, исследуемым в работе, является предложенный авторами сдвоенный электроиндукционный сферический датчик напряженности электрического поля (ЭП) [1]. Сдвоенный датчик входит в состав нового метода измерений напряженности ЭП по среднему значению [2]. Для проверки работоспособности сдвоенного датчика и метода измерений авторами были разработаны низковольтная и высоковольтная измерительные установки. Низ-

ковольтная измерительная установка необходима для регулировки и градуировки сдвоенных датчиков в отсутствии ЭП. Высоковольтная измерительная установка создана для проведения экспериментальных исследований датчиков и методов измерений в условиях реальных однородных ЭП. Отметим, что высоковольтные измерительные установки — это сложные высоковольтные системы, включающие в себя как основные, так и вспомогательные высоковольтные технические средства, такие как устройства блокировки, устройство позиционирования датчика и др. В связи с этим для организации и проведения высоковольтных измерений требуются значительные усилия, место и время проведения.

Постановка задачи. В связи с вышесказанным необходимо решить следующие задачи:

1) осуществить настройку и градуировку измерительных цепей сдвоенного датчика с использованием низковольтной измерительной установки — имитатора токовых сигналов электроиндукционных датчиков;

2) экспериментальным путем в высоковольтной измерительной установке, генерирующей однородное ЭП, получить статические характеристики выходных сигналов сдвоенного датчика;

3) сопоставить статические характеристики сдвоенного датчика, полученные при его градуировке в низковольтной и высоковольтной измерительных установках;

4) на основании полученных результатов подтвердить теоретические положения, полученные в работе [2].

Экспериментальные исследования сдвоенных датчиков проводились методом подпитки током с использованием имитатора токовых сигналов датчика и методом с использованием генератора однородного ЭП [3, 4].

Организация и подготовка эксперимента. Организация и подготовка эксперимента состоит из несколько этапов:

1) подготовка объекта исследования;

2) проверка работоспособности и градуировка датчиков;

3) подготовка высоковольтной установки по созданию однородного ЭП к проведению эксперимента;

4) разработка программ и методик эксперимента.

Организация и подготовка эксперимента осуществлялась в соответствии с основными положениями и рекомендациями теории планирования эксперимента, математической статистики [5 — 7] с использованием ПЭВМ.

Объекты исследования. Объектами исследования являются сдвоенный сферический датчик напряженности ЭП электроиндукционного типа и метод измерения напряженности ЭП по среднему значению с использованием сдвоенного датчика.

Сдвоенный датчик состоит из механической и электрической частей, конструктивно объединенных в единое устройство (рис. 1).

В основе механической части сдвоенного датчика лежит тонкостенное проводящее сферическое основание 1, на поверхности которого на одной координатной оси изолированно от основания и друг от друга располагаются две пары 2, 3 и 4, 5 проводящих чувствительных элементов, образовывающих два двойных датчика, объединенных в одно целое [1]. Сферическое основание датчика выполнено с радиусом R = 30 мм. Чувствительные элементы 2, 3 первого двойного датчика имеют форму сферических сегментов и угловой размер 60 = 45 а чувствительные элементы 4, 5 второго двойного датчика выполнены в форме сферического сегмента с угловыми размерами 61 = 90 ° (полусфера) (рис. 2). Сферическое основание датчика представляет собой две гальванически соединенные вместе проводящие полусферы, внутри которых расположена электрическая часть датчика.

Электрическая часть сдвоенного датчика состоит из первичных измерительных цепей двойных датчиков [1], представляющих собой дифференциальные интеграторы тока ДИТ 1 и ДИТ 2, масштабные преобразователи МП 1 и МП 2 по каждому каналу преобразования и полусумматор Диф-

Рис. 1. Сдвоенный датчик с накладными чувствительными элементами. Механическая и электрическая части

а)

б)

Рис. 2. Формы чувствительных элементов: а) сферический сегмент; б) полусфера

ференциальные интеграторы тока ДИТ 1 и ДИТ 2 формируют выходные сигналы двойных датчиков U1 и и2. Масштабные преобразователи МП 1 и МП 2 обеспечивают регулировку уровней выходных сигналов двойных датчиков. Полусумматор формирует на своем выходе полусумму выходных сигналов двойных датчиков U=(U1 + и2)/2 в соответствии с методом измерений по среднему значению. Сдвоенный датчик может воспринимать напряженность ЭП от 1 до 100 кВ/м частотой 50 Гц.

Метод измерения по среднему значению заключается в помещении сдвоенного датчика, состоящего из двух двойных датчиков, имеющих противоположные по знаку погрешности в неоднородном ЭП [2]. Одновременно двумя двойными датчиками, входящими в состав сдвоенного датчика, воспринимают напряженность ЭП и преобразуют её в выходные напряжения Ц и и2 двух двойных датчиков. Выходные напряжения двойных датчиков, соответственно равные U1 = kE1 и U2 = kE2 и пропорциональные напряженности ЭП Е, определяются с некоторой погрешностью, с учетом которой £^£(1 + ^1 ) и Е2 = Е(1 —152| ) . Далее с помощью измерительной цепи, встроенной в датчик, определяют полусумму напряжений Ц и и2 как и=(и1+и2)/2. Полученное напряжение и=к(Е1 + Е2)/2 = кЕ(1 + 5) на выходе сдвоенного датчика будет пропорционально измеряемой напряженности ЭП Е с погрешностью 8=(|81| —182| )/2. Т.е. погрешность выходного напряжения сдвоенного датчика от неоднородности поля будет равна полуразности модулей погрешностей двойных датчиков.

Теория 1. Для настройки и градуировки электроиндукционных датчиков напряженности ЭП требуется реальное однородное ЭП с известной напряженностью и возможность пошагового её изменения. Практический опыт показывает, что настройка и градуировка датчиков напряженности

Рис. 3. Имитатор токовых сигналов датчиков

Рис. 4. Структурная схема имитатора токовых сигналов электроиндукционных датчиков напряженности ЭП

Если имитировать входные токовые сигналы сдвоенного датчика в соответствии с выражениями (2) и (3) и подавать их в первичные измерительные цепи датчика, то можно осуществлять его настройку и градуировку в отсутствии поля. Эти теоретические положения легли в основу построения низковольтной измерительной установки для настройки и градуировки сдвоенных датчиков.

Низковольтная измерительная установка. Для имитации входных токовых сигналов создан имитатор токовых сигналов электроиндукционных датчиков (рис. 3).

Структурная схема имитатора токовых сигналов электроиндукционных датчиков напряженности ЭП представлена на рис. 4.

Имитатор токовых сигналов состоит из измерительного генератора 1 синусоидальных напряжений с плавной регулировкой амплитуды; фазорегуляторов 2 и 3 с грубой и плавной регулировкой фазы; регуляторов амплитуд сигналов 4 — 6; парафазных каскадов 7—9 для преобразования входного сигнала в два одинаковых сигнала, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 180°; шунтов R для преобразования токов в напряжение; измерительных приборов: фазометров ф для установки заданных фазовых сдвигов и вольтметров V для установки заданных токов.

Имитатор сигналов электроиндукционных датчиков вырабатывает три пары парафазных синусоидальных токовых сигналов сдвинутых, в общем случае, да различные фазовые углы

ЭП в реальном однородном электрическом поле является трудоёмкой, дорогостоящей и небезопасной задачей. В связи с этим возникла идея воссоздания эквивалентных воздействий на входные измерительные цепи электроиндукционных датчиков электрических сигналов, соответствующих реальным выходным сигналам датчиков, находящихся в однородном ЭП. Ранее проведенные исследования показали, что наиболее приемлемыми выходными сигналами электроиндукционных сферических датчиков, находящихся в ЭП, являются электрические заряды индуцированные на их чувствительных элементах [8]. Однако снять электрические заряды с чувствительных элементов затруднительно. Поэтому снимают электрический ток 1^) = и через его интегрирование находят электрический заряд

q(t) д J i(t)3t

(1)

z23(t) = ± Згадш R2san2e0E(f),

(2)

z (t) = ±3яе0ш 3sin291E(i),

(3)

'xi (t) д aImxSi™t 'x2 (t) д ImxSSa0t

iyi(t) д а1шу sia(ot + Oi) 'y 2(t) д I my sSa(ot + V i) (4) U (t) д aImzSia(o t + °V2 ) 'z2 (t) д ImzSSa(o t + O2 ) ,

Электрические токи определяются выражениями: — для чувствительных элементов 2 и 3 первой пары с угловым размером 60 = 45 °[9]

— для чувствительных шлементов второй пары 4 и 5 с угловым размером 6j = ы)0 ° [9]

где знак «+ » соответствует выходным токам чувствительных элементов 2 и 4, а знак « — » соответствует выходным токам чувствительных элементов 3 и 5; Я — радиус сферического основания датчика £'(f)=£m•sinfflf — напряженность измеряемого поля.

где х^, — регулируемые углы сдвига фаз между первым п дторым и первым и третьим сигналами имитатопа и I , I , I — регулируемые амплиту-

1 тх ту mz 1 J 1 J J

ды токовых сигналов. Для исследования сдвоенного датчика на имитаторе достаточно воспроизвести два парафазных выходных сигнала со сдвигом фаз ¥ = 0.

Сопоставляя выражения (2) и (3) с выражениями (4), устанавливаем их взаимосвязи

1х1щ = -г;(0 = -зтс0шд^т2е0Е(о = = —3ле„шЯ2зт2е — I sinшí; (5)

0 0 т тх

1х2Щ = г2^) = 3лe0шR2sin2е0•£(í) = = 3ж,тЯЫп2е,Е •sinшí = I sinшí, (6)

0 0 т тх

где I =3ж1тЯ^т2е-Б .

тх 0 2 т

1п(Ц =- г3(0=-3тс0шЯ2^2е2-Щ) = = —3л^шR2cos2е,•£ «тшг =— I sinшí; (7)

0 2 т ту ' ^ '

1у1Щ = 14(1)=3ж0(йЯ2^2в2Б(1) = = 3ж,mЯ2cos2е■E •sinшí = I sinшí, (8)

0 2 т ту

где I =3л;enfflЯ2cos2еo•£'.

тх 0 2

Выражения для токовых сигналов легли в основу проведения эксперимента по получению статических характеристик сдвоенных датчиков в отсутствии ЭП.

Таблица 1

Расчетные значения токов имитатора сигналов датчика и выходные напряжения двойных датчиков, получаемые при этих токах

Е(А, кВ/м 1 2 4 6 8 10 12 13 14

±'3зО. нА 11,79 23,58 47,17 70,75 94,33 117,92 141,50 153,29 165,08

нА 10,97 21,94 43,88 65,82 87.75 109.69 131,63 142,59 153,57

и1('2,з) 11,15 22,30 44,60 66,24 87,43 110,4 133,79 144,95 154,55

Ц>(У 21,86 44,16 89,20 133,79 176,63 218,58 262,3 287,9 312,20

ЩЦ 16,68 33,23 66,9 100 132,03 164,49 198,05 217,43 233,38

Эксперимент 1. Первый эксперимент со сдвоенным датчиком проведем с помощью имитатора токовых сигналов в отсутствии внешнего ЭП. Заменителем электрического поля будут эквиваленты напряженности — токовые сигналы, получаемые с имитатора токовых сигналов. Поэтому рассчитаем попарно в соответствии с выражениями (5), (6) и (7), (8) выходные токи имитатора сигналов датчиков для напряженности ЭП, пошагово изменяющейся от 1 кВ/м до 14 кВ/м, и занесем их в табл. 1. С помощью имитатора токовых сигналов рассчитанные значения токов попарно подаются на входы первичных измерительных цепей первого и второго двойных датчиков, входящих в состав сдвоенного датчика.

Первичные измерительные цепи датчиков представляют собой дифференциальные интеграторы тока, с выходов которых снимаются напряжения и^) и и2(^ и заносятся в табл. 1. Напряжения и и2(^ являются выходными напряжениями первого и второго двойных датчиков. Теоретически значения напряжений и и^) могут быть рассчитаны по выражениям

^(^[(бл^т^/С^Е^)

и и2Щ = [(6жоК2ъшЪ1)/Сиит]Е(1), (9)

где С = 6,8 нФ — интегрирующая емкость в интеграторах токов.

Рассчитанные по выражениям (9) значения напряжений и и2(^ отличаются от измеренных не более чем на ±1 %.

По данным табл. 1. построены графики статических характеристик выходных напряжений первого и1(Е), второго и1(Е) двойных и сдвоенного и(Е) датчиков и представлены на рис. 5. На рис. 5 значком «'» обозначены экспериментальные точки статических характеристик и1(Е), и2(Е) и и(Е), а сплошными линиями — аппроксимация этих точек линейными зависимостями.

Из анализа рис. 5 и табл. 1 следует, что выходные напряжения двойных датчиков при одинаковых значениях напряженности ЭП не равны, т.е. и^и2. Из условия выполнения метода измерений по среднему значению следует обязательное равенство выходных сигналов двойных датчиков, входящих в состав двойного датчика при одинаковой напряженности ЭП. В связи с этим необходимо произвести подстройку коэффициента преобразования измерительной цепи первого двойного датчика, т.к. его выходное напряжение и1<и2.

Для этого в измерительной цепи датчика предусмотрены масштабные преобразователи, регули-

320 280 240 200 160 120 80 40 0

С/1, и2, и, мВ

Г'

Е, кВ/м

Рис. 5. Графики выходных напряжений

сдвоенного датчика при настройке с помощью имитатора токовых сигналов

ровкой которых добиваемся равенства выходных напряжений Ц = и2. Выравниванием выходных напряжений двойных датчиков добиваются равенства их статических характеристик и1(Е) и и2(Е). Поскольку выходное напряжение сдвоенного датчика представляет собой среднее значение между напряжениями и1 и и2, то при их равенстве сдвоенный датчик будет иметь в однородном поле такую же статическую характеристику, как и у двух одинарных датчиков, входящих в его состав. После доведения и1 до и2 и получения равенства Ц = и2 статические характеристики первого двойного датчика и сдвоенного датчика принимаются равными статической характеристике второго двойного датчика, т.е. и2(Е). Таким образом, в результате подстройки коэффициента преобразования измерительной цепи первого двойного датчика с помощью МП 1 добиваемся равенства статических характеристик и 1(Е)~и2(Е)~и(Е). Усредненная статическая характеристика и(Е) сдвоенного датчика представлена в табл. 1. Таким образом, после регулировки и выполнения равенства и1(Е)~и2(Е)~и(Е) сдвоенный датчик готов к измерениям в реальных электрических полях.

Теория 2. После настройки и градуировки сдвоенных датчиков напряженности в отсутствии ЭП необходимо произвести снятие их статических характеристик в реальном однородном ЭП. Однородное ЭП создается между плоскопараллельными пластинами, если размеры пластин много больше расстояния между ними [10]. При подключении к плоскопараллельным пластинам высокого напряжения в их средней части генерируется однородное ЭП с напряженностью

Рис. 6. Высоковольт ная измерительная установка

ЕР = ^

(10)

где Ер — расчетная напряженность однородного ЭП; V — напряжение на плоскопараллельных пластинах; й — расстояние между пластинами. Если плавно или пошагово изменять напряжение V между плоскопараллельными пластинами, можно изменять значение напряженности однородного ЭП. Эти теоретические положения легли в основу построения высоковольтной измерительной установки для настройки и градуировки сдвоенных датчиков в реальных однородных ЭП.

Высоковольтная измерительная установка. Для экспериментальных исследований создана высоковольтная измерительная установка, генерирующая однородное ЭП заданной напряженности (генератор поля). Высоковольтная измерительная установка схематично представлена на рис. 6.

Высоковольтная измерительная установка состоит из двух проводящих плоскопараллельных пластин 1 и 2, высоковольтного трансформатора 3-го типа УТО-53, лабораторного автотрансформатора 4-го типа ЛАТР-1 и электростатического киловоль-тметра 5-го типа С-197, кл. 1,0.

Крепление плоскопараллельных пластин между собой осуществляется с помощью направляющих втулок и диэлектрических трубок. Такое соединение позволяет изменять расстояние между полеформирующими электродами от 0 до 0,7 м. Плоскопараллельные пластины 1 и 2 выполнены из дюралюминия толщеной 5 мм и размерами 1,2x1,2 м (рис. 6).

Высоковольтная измерительная установка работает от сети переменного тока 220 В частоты 50 Гц. Высоковольтный трансформатор, посредством включенного в его первичную цепь ЛАТРа, позволяет получить на полеформирующих электродах плавно регулируемое переменное синусоидальное напряжение от 0 до 12 кВ.

В установке предусмотрено устройство позиционирования (на рис. 6 не показано), осуществляю-

щее фиксацию датчика в любой точке эталонного поля.

Эксперимент 2. Экспериментальные исследования сдвоенного датчика в реальном однородном ЭП направлены на

1) определение статических характеристик датчика вида и=/(Ер), Ц = /(Ер), ^/(Е), где и, Ц и и2 — выходные напряжения сдвоенного датчика, первого и второго двойных датчиков в зависимости от значения расчетной напряженности Ер (см. выражение (10) соответственно;

2) сопоставление статических характеристик и=/(Ер), и1 = /(Ер), и2 = /(Ер) со статическими характеристиками, полученными с помощью имитатора токовых сигналов для подтверждения возможности проведения градуировки датчиков в отсутствии внешнего ЭП.

При определении статических характеристик сдвоенный датчик на изолирующей штанге закреплялся в устройстве позиционирования, с помощью которого вводился в зону измерения на равных расстояниях от пластин 1 и 2 и ориентировался по направлению поля. Расстояние между датчиком и пластинами, для исключения их влияния на сдвоенный датчик, было выбрано из условия й>5В (В — диаметр сферического основания сдвоенного датчика) выбиралось равным не менее й = 0,3 м [11, 12]. Для обеспечения симметрии и равнозначности плоскопараллельных пластин ни одна из них не была заземлена.

При снятии статических характеристик ЛАТРом 4 на пластинах 1 и 2 высоковольтной измерительной установки пошагово изменялось напряжение от 0 до 10 кВ с шагом в 1 кВ и для каждого шага по выражению (10) рассчитывалась напряженность однородного ЭП Ер и записывалась в табл. 2 — табл. 4. При этом на выходах сдвоенного датчика измерялись напряжения и(Ер), и1(Ер) и и2(Ер), а их значения записывались в соответствующие графы табл. 2 — табл. 4.

Значения расчетной напряженности пересчиты-вались в значения выходных напряжений сдвоенного датчика и далее сравнивались со значениями выходных напряжений сдвоенного датчика, полученными после его настройки с помощью имитатора токовых сигналов. По результатам сравнения делалась предварительная оценка погрешности сдвоенного датчика.

Определение статических характеристик и=/(Ер), и1=/(Ер), и2 = /(Ер) для сдвоенного датчика проводилось как при прямом, так и при обратном ходе. Поэтому на каждом шаге измерений определялось среднее из двух измеренных значений напряжения, и оно записывалось в табл. 2 — табл. 4. Всего на каждом направлении делалось 10 отсчетов.

Статическая характеристика первого двойного датчика в однородном поле

Таблица 2

V, кВ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Е , кВ/м р 1,43 2,86 4,29 5,71 7,14 8,57 10 11,43 12,86 14,29

и1, мВ 29,8 62,77 92,64 131,37 162,25 192,12 219,97 252,86 287,78 323,72

и1, мВ ±1% 29,5 62,15 97,72 130,07 160,64 190,22 219,79 250,36 284,93 320,51

Е, кВ/м 1,34 2,82 4,43 5,89 7,28 8,62 9,96 11,34 12,91 14,52

у, % -6 -1 -2,6 3,8 2,5 1,1 -0,77 -0,2 0,95 2,2

Статическая характеристика второго двойного датчика в однородном поле

Таблица 3

V кВ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Е , кВ/м р 1,43 2,86 4,29 5,71 7,14 8,57 10 11,43 12,86 14,29

и, мВ 29,96 61,90 89,89 126,54 157,49 187,45 216,22 243,40 276,33 307,28

и2, мВ±1% 30,26 60,52 90,78 127,82 159,08 189,34 218,4 245,86 279,12 310,38

Е, кВ/м 1,37 2,74 4,11 5,79 7,21 8,58 9,89 11,14 12,64 14,05

у,% -2,7 0,4 -2,8 2,8 2,3 1,5 0,3 -1,2 -0,3 -0,2

Таблица 4

Статическая характеристика сдвоенного датчика в однородном поле

V кВ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Е , кВ/м р 1,43 2,86 4,29 5,71 7,14 8,57 10,0 11,43 12,86 14,29

и, мВ 29,88 62,34 91,26 128,96 159,87 189,79 218,10 248,13 282.06 315,50

и, мВ±1% 29,88 61,34 94,25 128,95 159,86 189,79 219,78 248,11 282.03 315,45

Е, кВ/м 1,35 2,78 4,27 5,84 7,24 8,6 9,95 11,24 12,77 14.29

у,% -4,4 -0,3 -2,7 3,3 2,4 1,3 -0,2 -0,7 0,3 1

Рис. 7. Статические характеристики выходных сигналов сдвоенного датчика: а) при настройке датчика с помощью имитатора сигналов иим(Ер); б) при снятии характеристик в однородном поле для первого двойного датчика Ц(Ер); в) для второго двойного датчика и (Е); г) для сдвоенного датчика и(Е)

Далее с помощью ПЭВМ осуществлялась статистическая обработка результатов измерений, и для каждого шага измерений производился оценочный расчет основной погрешности выходных напряжений сдвоенного датчика.

Обработанные с таким подходом экспериментально снятые данные для статических характеристик, а также коэффициенты преобразования сдвоенного датчика сведены в табл. 2 — табл. 4.

На рис. 7 представлены построенные по данным табл. 2 — табл. 4 статические характеристики выходных сигналов первого двойного датчика и1(Ер) (рис. 7б), второго двойного датчика и2(Ер) (рис. 7в) и сдвоенного датчика ЩБр) (рис. 7г) в зависимости от расчетной напряженности Ер (см. выражение (10)) однородного ЭП. На этом же рисунке представлена статическая характеристика им(Ер) (см. рис. 7а) сдвоенного датчика, после его настройки,

с использованием имитатора сигналов с учетом равенства и2=ит. Графики рис. 7 представлены в виде экспериментальных точек и их аппроксимированных линейных зависимостей. На графиках указаны тангенсы углов наклона аппроксимированных линейных зависимостей, которые позволяют оценить их расхождение. Расхождение графиков статических характеристик составляют не более 3 %, а расхождение между статической характеристикой им(Ер), полученной при градуировке сдвоенного датчика с помощью имитатора токовых сигналов, и статической характеристикой и(Ер) сдвоенного датчика, полученной в однородном поле не превышает 1 %.

Поскольку эксперимент проводился оценочный, то более тщательная регулировка и настройка измерительных цепей сдвоенного датчика позволили бы значительно снизить процент расхождения статических характеристик.

Следует заметить, что отрегулированный и настроенный с помощью имитатора сигналов сдвоенный датчик не потребовал дополнительной корректировки коэффициентов преобразования в однородном ЭП. При этом хорошее совпадение (до ±3 %) статических характеристик сдвоенного датчика подтверждает правильность математических соотношений, положенных в основу расчетов его конструктивных параметров.

Таким образом, подтверждена возможность аналитического расчета сдвоенных датчиков и настройки их измерительных цепей в отсутствии ЭП. Очевидно, что это обстоятельство позволит сократить время настройки и поверки сдвоенных электроиндукционных сферических датчиков напряженности ЭП при их серийном выпуске.

Результаты исследований. В результате проведенных исследований была осуществлена настройка и градуировка измерительных цепей сдвоенного датчика в отсутствии внешнего ЭП и получены его статические характеристики и = /(Е ), и , =/(Е ),

^ ^ им у р' им1 у р'

и„м2 = /(Ер). Для этого использовался имитатор токовых сигналов, генерирующий токи, соответствующие токам, таким же, как и при нахождении сдвоенного датчика в однородном ЭП. Для экспериментальных исследований сдвоенного датчика в однородном ЭП была создана высоковольтная измерительная установка, генерирующая регулированное однородное ЭП. С её использованием получены статические характеристики сдвоенного датчика и=/(Ер), и1=/(Ер), и2 = /(Ер) и сопоставлены со статическими характеристиками им = /(Ер), и , = /(Е ), и = /(Е ), полученными в отсутствии

им1 у р' им2 у р'

поля. Результаты сопоставления показали хорошее совпадение статических характеристик. Расхождение составляло не более ±3 %.

Поскольку эксперименты были проведены оценочные, то такое согласование статических характеристик можно признать приемлемым. Более тщательная настройка измерительных цепей сдвоенного датчика позволит снизить погрешность расхождения статических характеристик до (0,5-1) %.

Полученные результаты исследований позволяют подтвердить адекватность теории, положенной в основу расчетов сдвоенных электроиндукционных датчиков напряженности ЭП.

Выводы и заключения. Из результатов экспериментальных исследований можно заключить:

1) электроиндукционные датчики напряженности ЭП можно градуировать через градуировку

их измерительных цепей с помощью имитатора токовых сигналов, генерирующих токи, соответствующие токам, вырабатываемыми датчиком, находящимся в однородном ЭП;

2) подтверждена возможность теоретического расчета конструктивных параметров сдвоенных датчиков напряженности ЭП и их градуировка в отсутствии поля.

В связи с представленным заключением можно сделать вывод, что сдвоенные датчики являются перспективными и открывают новое направление в области измерений электрических полей с использованием новых методов их измерений.

Библиографический список

1. Пат. № 207465 U1 Российская Федерация, МПК G 01 R 29/12. Устройство для измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком / Бирюков С. В., Тюки-на Л. В., Даньшина В. В. № 202111599; заявл. 23.04.21; опубл. 28.10.21, Бюл. 31.

2. Бирюков С. В., Тюкина Л. В., Тюкин А. В. Метод измерения напряженности неоднородных электрических полей по среднему значению // Омский научный вестник. 2021. № 4 (178). С. 67-74. DOI: 10.25206/1813-8225-2021-178-67-74.

3. ГОСТ Р 51070-97. Измерители напряженности электрического и магнитного полей. Общие технические требования и методы испытаний. Введ. 1998-01-01. Москва: Изд-во стандартов, 1997. 16 с.

4. Бузинов В. С. Образцовая установка для поверки и калибровки малых дипольных антенн // Измерительная техника. 1967. № 6. С. 50-53.

5. Кунце Х. -И. Методы физических измерений: пер. с нем. Москва: Мир, 1989. 216 с.

6. ГОСТ Р 8.736-2011. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Общие положения. Введ. 2013-01-01. Москва: Изд-во стандартов, 2013. 19 с.

7. Сквайрс Дж. Практическая физика. Москва: Книга по требованию, 2012. 248 с.

8. Misakian M., Kotter F. R., Kahler R. L. Miniature ELF Electric Field Probe // Instruments for Scientific Research. 1978. Vol. 49 (7). P. 933-935. DOI: 10.1063/1.1135497.

9. Бирюков С. В. Измерение напряженности электрических полей в диэлектрических средах электроиндукционными датчиками. Методы и средства измерений: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. 196 с.

10. Бузинов В. С. Эталонные измерения параметров радиочастотного электромагнитного поля: сб. науч. тр. / под общ. ред. С. И. Донченко. Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2019. 260 с.

11. Патент № 23687 РФ, МКИ G 01 R 35/00. Устройство градуировки измерителей напряженности электрического поля промышленной частоты / Бирюков С. В. № 2001132813/20; заявл. 06.12.01; опубл. 27.06.02, Бюл. № 18.

12. Патент № 1366971 А1 SU, МПК G01R 29/12, G01R 35/00. Устройство градуировки измерителей напряженности электрического поля промышленной частоты / Иерусалимский А. П., Мейлах Д. И., Портнов Ф. Г. [и др.]. № 4063737; заявл. 02.01.86; опубл. 15.01.88. Бюл.

БИРЮКОВ Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры физики Омского государственного технического университета (ОмГТУ), г. Омск. БРНЧ-код: 9384-0078 ОЯСГО: 0000-0002-1362-9911 ЛиШотГО (БСОРШ): 7006438919

Адрес для переписки: [email protected] ТЮКИНА Людмила Владимировна, соискатель кафедры физики ОмГТУ, г. Омск.

ТЮКИН Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Физика и математика» Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета, г. Омск. SPIN-код: 4516-7742 AuthorlD (РИНЦ): 775886 ORCID: 0000-0002-7316-3797 AuthorlD (SCOPUS): 57203100232

Для цитирования

Бирюков С. В., Тюкина Л. В, Тюкин А. В. Градуировка сдвоенного электроиндукционного сферического датчика напряженности электрического поля в однородном поле // Омский научный вестник. 2022. № 2 (182). С. 102-109. Б01: 10.25206/1813-8225-2022-182-102-109.

Статья поступила в редакцию 27.01.2022 г. © С. В. Бирюков, Л. В. Тюкина, А. В. Тюкин