CC BY
3
DOI 10.36622/VSTU.2023.19.2.016 УДК 621.317.328
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННОГО ДАТЧИКА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ НАПРАВЛЕННОГО ПРИЕМА
С.В. Бирюков
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
Аннотация: проводятся исследования, связанные с взаимодействием электроиндукционного цилиндрического датчика напряженности электрической составляющей электромагнитного поля (ЭП) направленного приема с однородным полем свободного пространства и неоднородным полем линейного заряда. Устанавливается взаимосвязь между измеряемой напряженностью электрического поля, индуцированными на чувствительных элементах датчика зарядах и конструктивными параметрами датчика. Полученные результаты легли в основу разработки датчика напряженности ЭП направленного действия с требуемыми метрологическими характеристиками. Датчик состоит из проводящего цилиндра радиуса Я и высотой к и двух цилиндрических чувствительных элементов, конструктивные параметры которых задаются угловыми в0 и линейными Я и к размерами. Приводятся выражения чувствительности датчика и его погрешности от неоднородности поля и проводится их оценка. Оценка показывает возможность использования датчика как в свободном пространстве, так и вблизи источника поля. В свободном пространстве, ограниченном пространственным диапазоном измерения 0<а<0.5 (<<=2Я) при вв =58°, погрешность от неоднородности поля датчика будет не более ±0,2 %. Вблизи источника поля, ограниченного пространственным диапазоном а<1 (<<<2Я) при 6д =53°, погрешность датчика составит не более ±2.5 %. Чувствительного датчика составляет (25^100) мВ/м
Ключевые слова: напряженность, поле, электромагнитное, электрическое, датчик электрического поля, цилиндрический датчик, датчик направленного приема, чувствительность, погрешность
Введение
В настоящее время широко распространены высоковольтные линии электропередач (ЛЭП) и подстанции (ПС) 110, 330, 750 и 1150 кВ в зону, воздействий которых попадает большое количество различных радиокомплексов, радиосистем и радиостанций. Это приводит к завышенному уровню помех, тресков и шумов при обеспечении радиосвязи вблизи ЛЭП и ПС [1]. Источником этих помех является напряженность электрической составляющей электромагнитного поля (ЭП). В области низких частот электромагнитное поле распадается на магнитное поле и электрическое поле (ЭП). Нас будет интересовать воздействия электрической составляющей электромагнитного поля на радиокомплексы, радиосистемы и радиостанции. В связи со сказанным, измерение напряженности низкочастотного (ЭП) в зонах повышенного влияния ЛЭП и ПС, является одним из способов решения проблемы. Поэтому вопросы, связанные разработкой датчиков напряженности низкочастотного электрического поля актуально в радиотехники, а также в приборостроении энергетике и других областях промышленности. В [1] было выявлено, что
© Бирюков С.В., 2023
помехи ЛЭП в большинстве случаев имеют вертикальную поляризацию. Это позволяет использовать для измерения приборы с одноко-ординатными электроиндукционными датчиками. Однокоординатные датчики напряженности ЭП относятся к датчикам направленного приема [2].
Датчики напряженности ЭП [3-13] электроиндукционного типа являются основой для построения измерителей напряженности ЭП в низкочастотном диапазоне. Принцип действия датчиков основывается на явлении электростатической индукции. Сущность этого явления заключается в наведении электрических зарядов q(t) на проводящих поверхностях, внесенных в ЭП
q(t) = JJCT(t) • dS, (1)
S
где a(t) = s0sEr (t) - поверхностная плотность заряда; ER(t) - радиальная составляющая вектора напряженности ЭП на поверхности цилиндра; dS - элемент проводящей поверхности; S - площадь проводящей поверхности.
Проводящая поверхность, являющаяся основой электроиндукционных датчиков, может иметь различную форму:
1) цилиндрическую в виде сплошного и пустотелого цилиндра [3 - 5];
2) сферическую в виде шара или сферы [6, 7];
3) планарную в виде прямоугольника, квадрата, круга и др. [8 - 10];
4) кубическую в виде сплошного или пустотелого куба [11 - 13].
Многообразие проводящих поверхностей электроиндукционных датчиков напряженности ЭП, вызвано различными
областями их применения. Так, например, датчики с цилиндрической поверхностью могут использоваться для измерения радиальных полей, датчики со сферической и кубической поверхностью для измерения пространственных полей, датчики с планарной поверхностью используются для измерения одно направленных полей.
Электроиндукционным датчикам ЭП цилиндрической формы в научно-технической литературе уделяется мало внимания, хотя перспективность их использования очевидна. В связи с этим, данная и последующая работы автора будут посвящены разработке датчиков цилиндрической формы. В первой статье будет рассмотрен электроиндукционный датчик цилиндрической формы направленного приема.
Постановка задачи
Из вышесказанного вытекает необходимость решения следующих задач:
1) исследовать взаимодействие проводящего цилиндра с однородным полем и полем линейного заряда для получения выражения поверхностной плотности заряда на поверхности проводящего цилиндра;
2) предложить конструкцию электроиндукционного цилиндрического датчика напряженности ЭП направленного приема;
3) установить взаимосвязь между электрическим зарядом проводящей поверхности цилиндра и геометрическими параметрами датчика.
4) оценить метрологические характеристики датчика.
Теория
Теоретические исследования взаимодействия проводящего цилиндра с однородным полем свободного пространства и неоднородным поле линейного заряда. Целью исследования является получение выражений плотности заряда на поверхности проводящего цилиндра.
Рассмотрим проводящий цилиндр в однородном ЭП (рис. 1).
X
у\
| 0 У
и
Рис. 1. Поперечное сечение проводящего цилиндра в однородном поле
Выберем вне цилиндра произвольную точку М. Положение точки М в пространстве зададим цилиндрическими координатами р и в. Тогда для точки М (р>Я) вне проводящего цилиндра ЭП можно описать с помощью потенциала р=рр,в). Этот потенциал в полярных координатах будет удовлетворять двумерному уравнению Лапласа и на поверхности проводящего цилиндра р=Я обращается в нуль. С учетом принятых обозначений получим для произвольной точки М выражение потенциала в зависимости от пространственных переменных р и в при нахождении проводящего цилиндра в однородном поле [14]:
рм = -е0еЕ ■ р
( яг\ 1 -р р у
'COSв.
(2)
По выражению (2) найдем градиент потенциала произвольной точки М вне цилиндра. По нему определим вектор напряжённости результирующего поля:
Е
=-8ар=-1е><еврё+еЩ(3)
Производные потенциала р, входящие в выражение (3) найдем из выражения (2) и определим составляющие напряженности ЭП, входящие в выражение (3). Проанализируем эти составляющие.
Первая составляющая
Ея 5оВЕ ■
, я2
1+7
•сое в - радиальная.
В однородном ЭП при р=Я это плотность электрического заряда на поверхности цилиндра:
а = а(в) = 2в0вЕ ■ соя <9. (4) Вторая составляющая
Ев=-Е -р- ^ ■ ¡яд в - касательная.
В однородном ЭП при р=Я она обращаются в нуль.
мет вид
Рис. 2. Проводящий цилиндр в поле линейного заряда
Третья составляющая Ег = 0, входящая в
выражение (3) тоже равна нулю.
Рассмотрим проводящий цилиндр в неоднородном ЭП линейного заряда.
Ось проводящего цилиндра разместим параллельно оси линейного заряда (рис. 2).
Воспользуемся обозначениями, принятыми на рис. 2. С учетом этих обозначений получим выражение для потенциала произвольной точки М вне цилиндра в зависимости от пространственных переменных ри в [14]:
Рм =
1 1 р2 -2<'рсояа-<'2 (5)
4п£0 р р - 2<рсояа + <
С учетом (5) и (3), радиальная составляющая напряжённости ЭП при р=Я будет иметь вид:
Ея =-1 а
1 -
(1 - аа)
(1 - 2а
сояв + а
Е.
(6)
При этом, касательная составляющая вектора напряжённости неоднородного ЭП
Е = е — — при р=Я, обращаются в нуль.
9 9 рдв
Тогда поверхностная плотность электрического заряда на проводящем цилиндре при-
<г = <г(в) = -£0£--
а
1-
(1 - а2)
(1 -2 асояв + а2)
(7)
где в выражениях (4) и (7): £0 - электрическая постоянная, численно равная £0=8,85-10~12 Ф/м; £ - относительная диэлектрическая проницаемость среды; а=Я/< - параметр, характеризующий степень неоднородности поля и определяющий пространственный диапазон измерения; Я - радиус цилиндра; < - расстояние между осью цилиндра и линейным зарядом; в - угол между координатной осью х и положением точки на боковой поверхности цилиндра; Е = т/2п£0< - напряжённость поля линейного заряда с поверхностной плотностью т в точке с координатами р=0, 9=0, z=0.
Таким образом, получены выражения (4) и (7) для плотностей электрического заряда на цилиндрической поверхности датчика в однородном и неоднородном поле. Их можно использовать для дальнейших исследований цилиндрических датчиков напряженности ЭП.
Датчик напряженности электрического поля
Цилиндрический датчик напряженности ЭП (в дальнейшем - датчик) представлен на рис. 3.
Рис. 3. Датчик напряженности электрического поля цилиндрической формы
Основой датчика является проводящий цилиндр 1. Геометрические размеры цилиндра задаются радиусом Я и высотой к. В однородном поле поверхность цилиндра плоскостью электрической нейтрали условно разделяется на две равные части, представляющие собой полуцилиндры. В поле на одном полуцилиндре индуцируются положительные заряды, а на другом - отрицательные. Эти заряды пропорциональны напряженности ЭП. Снять элек-
трические заряды с поверхности условно выделенных полуцилиндров не представляется возможным. Одним из решений, позволяющим снять эли заряды, является наложение на цилиндрическое основание датчика двух реальных проводящих полуцилиндров, радиус я и высота к которых совпадают с размерами основания цилиндра, а их толщина много меньше радиуса я. Изолированно наложенные на основание проводящего цилиндра полуцилиндрические поверхности будут являться чувствительными элементами 2 и 3 датчика. Чувствительные элементы должны стать частью цилиндрической поверхности. Для этого необходимо выполнить условия:
1) чувствительные элементы должны быть нанесены на поверхность основания проводящего цилиндра тонким слоем из проводящего материала толщиной порядка 10^100 мкм;
2) толщина изоляционного слоя, отделяющего чувствительные элементы от основания цилиндрической поверхности должна быть того же порядка, что и толщина чувствительных элементов, а сам изоляционный слой нанесен на поверхность цилиндрического основания методами нано технологий.
При выполнении этих условий чувствительные элементы и основание проводящего цилиндра будут иметь одинаковый потенциал. В связи с этим и условиями, приведенными выше датчик можно считать единой проводящей цилиндрической поверхностью.
Размеры чувствительных элементов, ограничены радиусом Я, высотой к цилиндра и угловым размером в0 (см. рис.3). Угловой размер в0 может варьироваться, и для полуцилиндра будет составлять в0=90°.
Таким образом, сформирован цилиндрический датчик направленного приема. Датчик состоит из проводящего цилиндрического основания 1 и двух, диаметрально противоположных полуцилиндрических чувствительных элементов 2 и 3. Каждый чувствительный элемент относительно проводящего цилиндрического основания образует одинарный датчик. Одновременное использование в процессе одного измерения двух одинарных датчиков в дифференциальном включении, позволяет сформировать двойной датчик.
Взаимосвязь электрического заряда с геометрическими параметрами датчика
Рассмотрим взаимодействие датчика с однородным полем свободного пространства и неоднородным полем линейного заряда и установим взаимосвязи между индуцированными электрическими зарядами, параметрами поля и датчика.
В однородном поле электрические заряды на чувствительных элементах 2 и 3 датчика будим определять, воспользовавшись выражением (1). При этом элемент цилиндрической поверхности, выраженный в полярной системе координат, примем равным
dS = R ■ dd-dz, (8)
где R - радиус чувствительного элемента; в -угол полярной системы координат; dz - элемент оси z совпадающей с осью симметрии цилиндра и изменяющийся от 0 до к; к - высота цилиндра, а поверхностную плотность заряда представим выражением (4).
Тогда, электрические заряды на поверхностях чувствительных элементах 2 и 3 (см. рис. 3), будут равны
92одн (t) = +4ss0R■к■ sinв0 • E(t); (9)
q™1 (t) = -4ss0R■к■ sinв0 • E(t); (10)
где E(t) = Em cos cot; co=2nf - угловая частота; f - частота изменения ЭП.
Установлена взаимосвязь между электрическими зарядами чувствительных элементов 2, 3 датчика, конструктивными параметрами (R, к и в0) его составных частей, параметрами поля (s, s0) и напряженностью однородного
ЭП E(t).
Суммарный выходной электрический заряд двойного датчика определится как
С(И+<Г)-НГ) = 8ssR■к^тв0■ Ex(t). (П)
Таким образом, величина выходного заряда двойного датчика удвоится.
Электрический заряд с датчика снимают путем интегрирования выходного тока
i = ^ = 8ss0cR ■ к ■sine, ■Ex(t). (12) dt
Из выражения (12) следует причина нецелесообразности использование электрического тока в качестве выходного сигнала датчика. Эта причина заключается в том, что выходной ток датчика пропорционален частоте поля со, которая изменение которой в реальных полях будет приводить к дополнительной погрешности.
Таким образом, интегрируя выходной электрический ток (12) с помощью интегратора тока, можно определять напряжение, пропорциональное электрическому заряду, а, следовательно, и напряженности ЭП.
Рассмотрим неоднородное поле линейного электрического заряда с плотностью заряда, на единицу длины равной т. В несем в это поле цилиндрический датчик и определим электрические заряды, индуцированные на чувствительных элементах 2 и 3 датчика.
к +90 .
92»™(0 =[[££- ■
-> -> П
(1 - а2)
(1 -2асояв + а )
= 4££„Я ■ к Л--
0 ] 2а
„ „ (1 + а в0
в - 2атйап|-tan—
0 И-а 2
Е^) ■ R ■ ¿в ■¿г = (13)
Е(0;
СТ = (+92неод ) - (-?3неод') = 8££сЯ ■к ■ сояв0 х
1
2а■соя в
,1 + а в0
агс1ап I-1ап —0
1 - а 2
- агс1ап I 1—а 1ап —
1 + а 2
(15)
Е (/).
Таким образом, дифференциальный заряд позволяет определить напряженность неоднородного ЭП Е(0 в пределах погрешности от неоднородности поля.
Метрологические характеристики датчика
В качестве метрологических характеристик датчика рассмотрим чувствительность О и дополнительную погрешность 3, вызванную неоднородностью поля.
Воспользовавшись выражением (12) определим чувствительность двойного датчика в однородном поле
= 8££ Я-к- 8Швп.
диф.
<<Е
(16)
к 1
0 ,+в
(1 - а2)
(1 -2асояв+а )
Е(() К 1в■ ¿2--
(14)
= -4££ Я ■ к ■ <
2а
п „ , 1- а в0
в - 2 аг^ап |-1ап—
1+ а 2
Е(Ъ
Установлена взаимосвязь между электрическими зарядами чувствительных элементов 2, 3 датчика, конструктивными параметрами (Я, к и в0) его составных частей, параметрами поля (£, £0) и напряженностью неоднородного ЭП Е^). Параметр поля а=Я/< (Я - радиус цилиндрического датчика, < - расстояние от оси цилиндрического основания датчика до линейного заряда), характеризует степень неоднородности поля. Параметр а также позволяет определить пространственный диапазон измерения датчика. Заряды, определяемые выражениями (13) и (14) пропорциональны вектору напряженности неоднородного ЭП Е(1). Зависимость электрических зарядов (13) и (14) от степени неоднородности поля а приводит к дополнительной погрешности датчика.
Суммарный выходной электрический заряд двойного датчика определится как
Выражение (16) показывает, что при постоянстве параметров датчика Я, к и в0 чувствительность датчика в однородном поле будет постоянной.
Аналогично, из выражения (15) найдем чувствительность двойного датчика в неоднородном поле линейного заряда
<9неод.
у^неодн. _ ^ диф.
диф. = <!Е
= 8££0Я ■ к • БШ в0 х
1
2а ■ ят в
1 + а в0
ат^ап I -1ап —
1-а 2
- ат^ап I 1—а 1ап
1 + а 2
(17)
Выражения (17) показывает не постоянство чувствительности датчика в неоднородном поле, поскольку в выражение для чувствительности входит относительное расстояние до источника поля а=Я/<, характеризующее степень его неоднородности. Отсюда возникает дополнительная погрешность датчика, вызванная неоднородностью поля.
Проведем оценку минимально возможной напряженности ЭП, которую может еще воспринимать датчик. Она будет определяться входным пороговым током интегратора тока. Воспользовавшись выражением (12), находим
'порог. (О
"""() 8еепаКк зтв„
(18)
^неод. _^ °дн.
8(а) = диф. о н диф. х 100 =
(19)
где / (/) = (0,5 ^ 2,0) пА - пороговое значение
интегратора тока [15].
Из выражения (18) следует, что Ет1П (О зависит от конструктивных параметров датчика и его частей Чем больше эти параметры, тем меньше будет Етш (0. Если принять Я=2 ■ 10-2 м, к=5 ■Ю-2 м, в0 =58° и 7=50 Гц, то ЕтШ(0~(25-100) мВ/м.
Сравнения выражения (16) и (17) оценим относительную погрешность датчика от неоднородности поля по известной формуле
(1+в0
аг^а^ -tan — _ шСт! -tan
I 1 - а 2 ) 11 + а 2
(1 - а. в
2а ■ sin в
_ 1
х 100.
Определим оптимальные угловые размеры чувствительных элементов датчика, для которых минимуму погрешности 8 соответствует максимально возможный пространственный диапазон измерения а. Для этого найдем экстремумы выражения (19).
В математическом редакторе MathCAD по выражению (19) рассчитаем и построим два графика. Графики, представляющие зависимости а=Д8) и в0 =7(88 приведены на рис. 4,а, б соответственно.
Рис. 4. Графики зависимости: а) пространственного диапазона измерения а и б) углового размера чувствительного элемента в0 от погрешности 8, вызванной неоднородностью поля
Из графиков рис. 4. следует, что в максимально возможном пространственном диапазоне измерения (0<а<1) погрешность 8 не выходит за пределы ±2,5 %. В этом диапазоне погрешностей угловые размеры в0 чувствительных элементов датчика могут выбираться из диапазона 50°<в0<53°. При этом каждому выбранному угловому значению в0 будет соответствовать своя предельная погрешностью. Эта погрешность по модулю не будет превышать ±2,5 %. В реальных условиях превысить предел пространственного диапазона измерений а=0,5 не безопасно. Значение а=0,5 ограничивает приближение датчика к источнику поля на расстояние, не превышающее радиус Я цилиндрического основания датчика. Поэтому, приемлемым пространственным диапазоном измерения следует считать диапазон 0<а<0,5. В этом пространственном диапазоне измерения погрешность датчика не превысит ±0,2 %.
При этом угловые размеры в0 чувствительных элементов могут выбираться из диапазона 58°<в0 <90°. Максимальной погрешности ±0,2 % и максимальному пространственному диапазону измерения а<0,5 будет соответствовать минимальный угловой размер чувствительных элементов, равный в0=58°.
При необходимости использования датчика на расстояниях до источника поля меньших его радиуса, т.е. в диапазоне 0.5<а<1 минимально возможная погрешность может достигать ±2.5 %.
Результаты исследований
Проведены теоретические исследования цилиндрического датчика напряженности ЭП направленного действия в однородном поле свободного пространства и неоднородном поле линейного заряда. Рассмотрено взаимодей-
ствие датчика с указанными полями, в результате которого установлена взаимосвязь между измеряемой напряженностью ЭП и конструктивными параметрами датчика. Сделана оценка чувствительности датчика и его погрешности. Установлены их зависимости от пространственного диапазона измерений а. Полученные результаты легли в основу разработки исследуемого датчика с требуемыми метрологическими характеристиками [16].
Заключение
Результаты исследования позволяют сделать следующие выводы:
1) предложена в упрощённом виде конструкция электроиндукционного цилиндрического датчика напряженности ЭП направленного действия. Датчик состоит из проводящего цилиндра радиуса Я и высотой к и двух цилиндрических чувствительных элементов, конструктивные параметры которых задаются угловыми в0 и линейными Я и к размерами;
2) определены плотности электрических зарядов на проводящей поверхности цилиндра, созданные однородным полем свободного пространства и неоднородным поле линейного заряда;
3) установлена взаимосвязь электрических зарядов, индуцированных на чувствительных элементах датчика, с напряженностью ЭП;
4) получены выражения для чувствительности датчика и проведена её оценка. По оценке чувствительность датчика составляет ~ (25^100) мВ/м;
5) проведена оценка погрешности датчика, показывающая возможность его использования:
а) в свободном пространстве, ограниченным пространственным диапазоном 0<а<0.5 (ё=2Я) с погрешностью ±0,2 %. Для этого необходимо выполнить чувствительные элементы датчика с размером, равным в0 =58°;
6) вблизи источника поля, ограниченным пространственным диапазоном а<1 (а?<2Я) с погрешностью ±2.5 %. Для этого необходимо выполнить чувствительные элементы датчика с размером, равным в0 =53°.
В заключении можно отметить, что предложенный датчик позволит создавать приборы для измерения напряженности ЭП с высокими метрологическими характеристиками.
Литература
1. Влияние ВЛ на линии радиовещания, связи. URL: https://leg.co.ua/info/vl/vliyanie-vl-na-linii-radioveschaniya-svyazi.html
2. ГОСТ Р 51070-97. Измерители напряженности электрического и магнитного полей. Общие технические требования и методы испытаний: утвержден и введен в действие постановлением Госстандарта России от 3 июля 1997 г. № 239. М.: Госстандарт,1998. 17 с.
3. Щигловский, К.Б., Аксельрод, В.С. Приборы для измерения параметров электростатического поля и их калибровка // Измерительная техника. 1978. № 5. С. 63-65.
4. Kolmogorova S.S., Baranov D.S., Tyukin A.V. Electric field strength sensor of cylindrical form // IOP Conf.Series: Journal jf Physics: Conf. Series 944, conf. 1. (2017) 012017. P. 8. DOI: 10.1088/1742-6596/944/1/012017.
5. Патент на полезную модель № 183095 РФ, МПК G 01 R 29/12 / С.В. Бирюков, А.И. Блесман. -№ 2018120984; Заявл. 06.06.2018; Опубл. 11.09.2018, Бюл. № 26.
6. 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.
7. A Power-Frequency Electric Field Sensor for Portable Measurement / D. Xiao, Q. Ma, Y. Yutong Xie [et al.] // Sensors (Basel). 2018. Vol. 18 (4). 1053. DOI: 10.3390/s18041053.
8. Щапова Л.В. Датчик напряженности электрического поля в виде плоской проводящей пластины в форме квадрата // Омский научный вестник. 2017. № 5 (155). С. 126-130.
9. Biryukov S.V., Korolyova M.A. Electroinduction disk sensor of electric field strength // IOP Conf.Series: Journal jf Physics: Conf. Series 944, conf. 1. (2017) 012017/ P. 8. DOI: 10.1088/1742-6596/944/1/012017.
10. Берент Г.Н., Плейс И.Р. Датчик электрического поля // Приборы для научных исследований. 1971. № 6. С. 141-142.
11. Гатман С. Двойной измеритель электрического поля с защитой // Приборы для научных исследований. 1968. № 1. С. 45-49.
12. Baicry M., Le Prado M. Device for measuring an electric field in a conducting medium and method of calibrating such a device. US рatent 0238646A1; filed February 17th, 2016; published August 18th, 2016.
13. Pittman E.P., Stanford R.A. Electric field sensor. US patent no. 3,641,427; filed September 24th, 1969; published February 08th, 1972.
14. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники: Электромагнитное поле. 7-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1978. 273 с.
15. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Сов. радио, 1980. 224 с.
16. Патент № 181781. РФ. МПК G 01 R 29/12. Датчик напряженности электрического поля / С. В. Бирюков, А. С. Колмогоров, С. С. Колмогорова. - заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. - № 2018115125; заявл. 23.04.2018; опубл. 26.07.2018, Бюл № 21.
Поступила 13.02.2023; принята к публикации 18.04.2023
Информация об авторах
Бирюков Сергей Владимирович - д-р техн. наук, профессор кафедры физики, Омский государственный технический университет (644050, Россия, г. Омск, пр-т Мира, д. 11), e-mail: sbiryukov154@mail.ru, тел. +79081066078, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1362-9911
INVESTIGATION OF ELECTRIC INDUCTION SENSOR OF ELECTROMAGNETIC FIELD STRENGTH CYLINDRICAL DIRECTIONAL RECEPTION
S.V. Biryukov Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Abstract: the paper considers the interaction of an electro-inductive cylindrical sensor of the intensity of the electric component of the electromagnetic field of directional reception with a homogeneous field of free space and an inhomogeneous field of linear charge. The relationship between the measured electric field strength, the charges induced on the sensor's sensitive elements and the structural parameters of the sensor are established. The results obtained formed the basis for the development of a directional EF voltage sensor with the required metrological characteristics. The sensor consists of a conductive cylinder of radius R and height h and two cylindrical sensing elements, the design parameters of which are set by angular 60 and linear R and h dimensions. Expressions of sensitivity of the sensor and its error due to the non-uniformity of the field are given, and their evaluation is carried out. The evaluation shows the possibility of using the sensor, both in free space and near the field source. In free space, limited by the spatial range of measurement 0<a<0.5 (d=2R) at в0 =58°, the error from the in-homogeneity of the sensor field will be no more than ± 0.2%. Near the source of the field, limited by the spatial range a<1 (d<2R) at в0 =53° the sensor error will be no more than ±2.5%. The sensor sensitivity is (25^100) mV/m
Key words: strength, field, electromagnetic, electric, electric field sensor, cylindrical sensor, directional reception sensor, sensitivity, error
References
1. "Influence of overhead lines on broadcasting and communication lines" ("Vliyaniye VL na linii radioveshchaniya i svyazi"), available at: https://leg.co.ua/info/vl/vliyanie-vl-na-linii-radioveschaniya-svyazi.html.
2. GOST R 51070-97, "Electric and magnetic field strength meters. General technical requirements and test methods" ("Iz-meriteli napryazhennosti elektricheskogo i magnitnogo poley. Obshchiye tekhnicheskiye trebovaniya i metody ispytaniy").
3. Shchiglovsky K.B., Akselrod V.S. "Devices for measuring the parameters of the electrostatic field and their calibration", Measuring technology (Izmeritelnaya tekhnika),1978, no 5, pp. 63-65.
4. Kolmogorova S.S., Baranov D.S., Tyukin A.V. "Electric field strength sensor of cylindrical form", IOP Conf., Journal of Physics, Conf Series 944, conf. 1, 2017, 012017, p. 8. DOI: 10.1088/1742-6596/944/1/012017.
5. Biryukov S.V., Blesman A.I. "Electric field strength sensor", Utility model patent №183095 RF, MPK G 01 R 29/12, № 2018120984, publ.11.09.2018.
6. Misakian M., Kotter F.R., Kahler R.L. "Miniature ELF Electric Field Probe", Instruments for scientific research, 1978, vol. 49 (7), pp. 933-935. DOI: 10.1063/1.1135497.
7. Xiao, D., Ma Q., Yutong Xie Y. [et al.]. "A Power-Frequency Electric Field Sensor for Portable Measurement", Sensors (Basel), 2018, vol. 18 (4), p. 1053. DOI: 10.3390/s18041053.
8. Shchapova L.V. "Sensor of electric field strength in the form of a flat conductive plate in the form of a square", Omsk Scientific Bulletin (Omskiy nauchnyy vestnik), 2017, no. 5 (155), pp. 126-130.
9. Biryukov S.V., Korolyova M.A. "Electroinduction disk sensor of electric field strength", IOP Conf., Journal of Physics, Conf. Series 944, conf 1, 2017, 012017, p. 8. DOI: 10.1088/1742-6596/944/1/012017.
10. Berent G.N., Place I.R. "Electric field sensor", Instruments for scientific research (Pribory dlya nauchnykh issledovaniy), 1971, no. 6, pp. 141-142.
11. Gatman S. "Double electric field meter with protection", Instruments for scientific research (Pribory dlya nauchnykh issle-dovaniy), 1968, no 1, pp. 45-49.
12. Baicry, M., Le Prado M. "Device for measuring an electric field in a conducting medium and method of calibrating such a device", US рatent 0238646A1, filed February 17, 2016, publ. August 18, 2016.
13. Pittman E.P., Stanford R.A. "Electric field sensor", US patent no. 3,641,427, filed September 24, 1969, publ. February 08, 1972.
14. Bessonov L.A. "Theoretical foundations of electrical engineering: Electromagnetic field" ("Teoreticheskie osnovy el-ektrotekhniki: Elektromagnitnoe pole"), Moscow: Vysshaya shkola, 1978, 273 p.
15. Aleksenko A.G. "Application of precision analog ICs" ("Primeneniye pretsizionnykh analogovykh IS"), Moscow: Sov. radio, 1980, 224 p.
16. Biryukov S.V., Kolmogorova S.S., Kolmogorov A.S. "Electric field strength sensor" ("Datchik napryazhennosti el-ektricheskogo polya"), Utility model patent №181781 RF, MPK G 01 R 29/12, №2018115125, publ. 26.07.2018.
Submitted 13.02.203; revised 18.04.2023 Information about the authors
Sergey V. Biryukov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Omsk State Technical University (11 Mira prospect, Omsk 644050, Russia), e-mail: sbiryukov154@mail.ru, tel.: +79081066078, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1362-9911
