CC BY
5
DOI 10.36622/^ТО.2022.18.5.015 УДК 621.317.328
ИССЛЕДОВАНИЕ СДВОЕННОГО СФЕРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ С СОСТАВНЫМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
С.В. Бирюков1'2, А.В. Тюкин2, Л.В. Тюкина3
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, г. Омск, Россия 3 Омский промышленно-экономический колледж, г. Омск, Россия
Аннотация: исследуется новый тип электроиндукционных сферических датчиков напряженности электрического поля, относящийся к сдвоенным датчикам. Сдвоенные датчики по конструктивному исполнению чувствительных элементов делятся на три группы. К ним относятся датчики с накладными, составными и раздельными чувствительными элементами. Ранее автором были исследованы датчики с накладными чувствительными элементами. Данная работа посвящена исследованию сдвоенных датчиков с составными чувствительными элементами. Исследование проводилось с целью улучшения метрологических характеристик известных электроиндукционных сферических датчиков при их использовании в сильно неоднородных электрических полях. Результаты исследования показали, что сдвоенные датчики обладают лучшими метрологическими характеристиками, чем известные. При проведении исследований установлена взаимосвязь погрешности сдвоенного датчика от неоднородности поля и его угловых размеров чувствительных элементов. С учетом этой взаимосвязи составлена математическая модель, с использованием которой проведена оптимизация угловых размеров чувствительных элементов датчика с точки зрения минимума погрешности и максимума пространственного диапазона измерения. В результате моделирования установлены оптимальные угловые размеры чувствительных элементов сдвоенного датчика с составными чувствительными элементами, равные 01=46,38°, 02=49,02° и 03=90°. Этим угловым размерам составных чувствительных элементов соответствует минимально возможная погрешность 8 = ±2,25 %
Ключевые слова: напряженность электрического поля, измерение, двойные датчики, сдвоенные датчики, составные чувствительные элементы, погрешность от неоднородности поля
Введение
Данная работа относится к циклу статей, посвященных сдвоенным электроиндукционным сферическим датчикам напряженности электрического поля (ЭП). Электроиндукционные датчики широко используются в приборах для измерения напряженности ЭП промышленной частоты, позволяющих осуществлять контроль уровней напряженности ЭП на территориях линий электропередачи (ЛЭП) и подстанций (ПС) сверхвысокого напряжения. Такие датчики просты в изготовлении и хорошо зарекомендовали себя на практике. Их можно классифицировать по следующим классификационным признакам [1]: чувствительность к направлению, числу координат, форме чувствительных элементов, конструктивному исполнению.
Согласно представленной классификации анализ научно-технической литературы позволил выявить следующие датчики: по чувствительности к направлению [2] - датчики направленного [3-24,] и не направленного [1, 10, 11,
25-40] приема; по числу координат - датчики одно- [3-19], двух- [20-24] и трехкоординатные [27-40]; по форме чувствительных элементов -датчики планарные [3-8, 27-36], кубические [911], цилиндрические [12-14, 20, 21, 37] и сферические [11, 15-19, 22-24, 38-40]; по конструктивному исполнению - датчики одинарные [4, 5, 9, 10], двойные [3, 6-8, 11-16, 20-39] и сдвоенные [17-19, 40].
Особое внимание в статье будет уделено сдвоенным датчикам напряженности ЭП. Понятие «сдвоенные датчики» было введено автором совсем недавно [40] и оно позволило дополнить конструкционный классификационный признак еще одним видом датчиков - сдвоенные датчики.
Появлению понятия «сдвоенный датчик» предшествовало создание нового метода измерения напряженности ЭП по среднему значению [41, 42].
Сдвоенные датчики можно классифицировать по способу формирования чувствительных элементов. По этому признаку сдвоенные датчики делятся на датчики с накладными, составными и раздельными
© Бирюков С.В., Тюкин А.В., Тюкина Л.В., 2022
чувствительными элементами.
Как отмечалось выше, сдвоенным датчикам посвящается серия статей. Первая статья была посвящена сдвоенным датчикам с накладными чувствительными элементам [43]. Данная статья будет направлена на изучение особенностей сдвоенных датчиков с составными чувствительными элементами с целью выявления их возможностей.
Постановка задачи
Изучение особенностей сдвоенных датчиков с составными чувствительными элементами требует решения следующих задач:
1) исследовать различные конструктивные особенности сдвоенных электроиндукционных сферических датчиков напряженности электрического поля и их составных чувствительных элементов;
2) выявить взаимосвязь между погрешностью сдвоенного датчика от неоднородности поля, пространственным диапазоном измерения и его угловых размеров составных чувствительных элементов;
3) оптимизировать конструктивные размеры чувствительных элементов сдвоенного датчика с точки зрения минимума погрешности от неоднородности поля и максимума пространственного диапазона измерения.
Теория
В основе теории построения сдвоенных сферических датчиков напряженности ЭП с составными чувствительными элементами лежит теория одинарных и двойных датчиков [1].
Пример сдвоенного датчика с составными чувствительными элементами, состоящего из двух двойных датчиков, представлен на рис. 1.
Сдвоенный датчик с составными чувствительными элементами состоит из проводящего сферического основания 1 и элементов 2-5' (рис. 1). Элементы 2, 3 выполнены в форме сферических сегментов с угловым размером в\, а элементы 4', 5' выполнены в форме сферического слоя с угловыми размерами у вершины в2>в\ и у основания $1<90°. Формы и угловые размеры элементов 2-5' представлены на рис. 2.
Рис. 1. Сдвоенный сферический датчик с чувствительными элементами в форме сферических сегментов 2, 3 и сферических слоёв 4', 5'
Рис. 2. Различные формы чувствительных элементов: а) сферический сегмент; б) сферический слой; в) полусфера
Элементы 2, 3 являются чувствительными элементами, входящими в состав первого двойного датчика, и частями чувствительных элементов второго двойного датчика. Элементы 2+4' и 3+5' являются чувствительными элементами второго двойного датчика.
Двойные сферические датчики имеют два диаметрально противоположных чувствительных элемента. Для первого датчика это элементы 2 и 3 (см. рис. 1), а для второго датчика -составные элементы 2+4'^4 и 3+5'^5 (см. рис. 1). При внесении датчиков в ЭП на их чувствительных элементах индуцируются электрические заряды. Тогда для первого двойного датчика, состоящего из двух чувствительных элементов в форме сферических сегментов, индуцированные заряды с учетом погрешностей можно записать [40]
q2(t) = -3ne0eR2 sin2 в1 • [l + 5н2]• E(t); (1)
q3(t) = 3ns0sR2sin2в •[l + Sh3]• E(t), (2)
где знак «-» минус показывает, что ЭП направлено на чувствительный элемент 2; £о=8,85-10"12 Ф/м - диэлектрическая постоянная; s- диэлектрическая проницаемость среды; R - радиус сферического сегмента; в! - угловой размер чувствительного элемента; Зн2 и 5н3 -погрешности от неоднородности ЭП в определении электрических зарядов вторым и третьим чувствительными элементами; R - радиус сферического основания датчика; E(t) - измеряемая напряженность ЭП.
Алгоритм снятия сигналов с двойных дат-
чиков сводится к формированию дифференциального сигнала с помощью дифференциальных усилителей заряда [40].
Для первого двойного датчика дифференциальный электрический заряд определится через выражения (1) и (2)
где
<5» 2 =
5„3 =
<23 =
ЛЧ23 (') = Ч2С) - Ч3С) = = -6л££Я2sin2 в1 • Ег(г)
Ех(г) = Е(г) + 5»2 + 5»3 = Е (г) • (1 + <23)
1 + а
- 2 ■ 2 2а 8т —
1 -
1 - а
4
1 - 2а со8 01 + а
, 2 #1 3 С08 -
1 - а
о 2 ■ 2
2а sin —
1-
1 + а
I
1 + 2а созб^ + а
3cos
21
1
3а2 sin2 в1
2 -
1 - а2
4-
1 - 2а соБ01 + а
1 - а2
"У
1 + 2а соБЙ + а
(3)
(4)
-1
• 100 ;(5)
-1
• 100 ;(б)
-1
• 100, (7)
источника поля.
Для второго двойного датчика дифференциальный электрический заряд нужно сформировать, т. к. его чувствительные элементы являются составными, состоящими из элементов 2+4' и 3+5'. Поскольку индуцированные электрические заряды на чувствительных элементах 2 и 3 определены (см. выражения (1) и (2)), то определим электрические заряды на элементах 4' и 5'.
При внесении сдвоенного датчика в электрическое поле на элементах 4' и 5' будут индуцироваться заряды
(8) (9)
Ч4(г) = -3лsosR2 • эт(03 - в2) •
• sin(вз + в2) -(1 + 5»4)• Е(г) ;
Ч5' (г) = 3лsosR2 • sin(в3 - в2) •
• sin(вз + в2) + б»^ Е(г) Тогда для составных чувствительных элементов, состоящих из пар 2+4'=4 и 3+5'=5, электрические заряды будут определяться суммой зарядов с элементов, входящих в каждую пару. С учетом этого
Ч4(г) = Чг(г) + Ч4' (г) =
= -3ле0еК2 • sin2 в3 • (1 + 5»4 )• Е(г)
; (10)
где
5 = sin2в1-sin2в2 + sin в! 5 5»4 = sin2в3 + -- ^ '5»2 +
sin в
sin2(в3 - в2)• sin2(в3 + в2)
+---5»4'
Sin в3
Ч5 (г) = Ч3 (г) + Ч5' (г) =
= 3п£0£Я2 • sin2 в3 • (1 + 5»5) • Е(г)
; (11)
; (12)
где
5 = Sin2в-Sin2в2 + Sin в1 < 5„5 = sin2вз + sin2 в3 •5 +
sin2(в3 - в2)• sin2(в3 + в2)
+---5 »5'
Sin в
(13)
В формулах (11) и (13) погрешности от неоднородности поля 5н2 и 5н3 определяются выражениями (5) и (6), соответственно. А погрешности 5н4' и 5н5' определяются по выражениям
где в формулах (5) - (7) а = R/d - пространственный диапазон измерения; R -радиус сферического основания 1 датчика; d - расстояние от центра сферического основания датчика до
2
2
2
1
+
а
2
8н4'
2
(1" а
2 . 03 - 02 ■ 03 + 02 2а sin--sm-
1
1 - 2 cos 02 + а 1
2
\
1 - 2 cos 03 + а
2
/
03 - 02 03 + 02
3 соб--cos-
22
-1
100;(14)
8н5'
2
(1 - а 2)
2 . 03 - 02 ■ 03 + 02 2а sin--sin-
1
1 + 2 cos 02 + а 1
2
\
Л + 2cos0з + а
2
/
03 - 02 03 + 02
3 соб--cos-
22
100.(15)
При дифференциальном включении датчиков с чувствительными элементами 2, 3 и 2+4', 3+5' для первого двойного датчика разностный электрический заряд Дд23 будет определяться выражением (3), а для второго двойного датчика с составными чувствительными элементами разностный электрический заряд Дд45 будет Дд 45^) = д 4^) + д 5(г) =
где
= -6ле^2 • бШ 2 03 • Е(г)
Е2(г) = Е(г) •! 1 + 84' + 85'
(16)
(17)
= Е(г) • (1 + 845)
8 = 8 н 4' + 8н5' О лъ —
(18)
2
Анализируя выражения (3), (4) и (16), (17), можно заключить, что двойные датчики при дифференциальном включении позволяют удвоить измерительный сигнал и уменьшить погрешность, вызванную неоднородностью поля, т. к. погрешности 8н2 и 8н3, а также погрешности 8н4 и 8н5 противоположны по знаку.
Однако двойные датчики достигли метрологических пределов по дополнительным погрешностям, нижний предел которых в неоднородных полях составляет не менее ±5 %. В связи с этим возникла необходимость в новом подходе к процессу измерения напряженности
электрического поля в условиях сильной его неоднородности. И такой подход был реализован в новом методе измерения напряженности ЭП по среднему значению [41, 42]. Для этого понадобились новые типы датчиков - сдвоенные датчики [17-19, 40] (см. рис. 1). Среди сдвоенных датчиков можно выделить датчики с накладными, составными и раздельными чувствительными элементами. Исследование сдвоенных датчиков с накладными чувствительными элементами приведено в работе автора [43]. В данной работе будут исследованы сдвоенные датчики с составными чувствительными элементами.
Сдвоенный датчик с составными чувствительными элементами
Недостатком сдвоенного датчика с накладными чувствительными элементами является трехслойная структура построения датчика с наложением одних чувствительных элементов на другие. Первый слой - проводящее сферическое основание, второй слой - проводящие чувствительные элементы второго сдвоенного датчика и третий слой - проводящие чувствительные элементы первого сдвоенного датчика. Все проводящие элементы датчика изолированы между собой диэлектрической подложкой.
Сдвоенный датчик с составными чувствительными элементами имеет двухслойную структуру. Это достигается отсечением чувствительных элементов 2, 3 от чувствительных элементов 4, 5. Оставшиеся части 4' и 5' от чувствительных элементов 4, 5 в совокупности с чувствительными элементами 2, 3 будут составлять чувствительные элементы 4, 5 второго двойного датчика, входящего в состав сдвоенного датчика с составными чувствительными элементами. Таким образом, во втором слое находятся чувствительные элементы 2, 3 в форме сферических сегментов (см. рис. 2,а) с угловым размером 01 первого двойного датчика и составляющие чувствительных элементов 2, 4' и 3, 5', в указанной совокупности образующие в общем случае две полусферы (см. рис. 2, в). Чувствительные элементы 2, 4' и 3, 5' за счет схемотехнических решений объединяются в единые чувствительные элементы. Части чувствительных элементов 4' и 5' выполнены в форме сферических слоев (см. рис. 2,б) с угловыми размерами 02>01 и 03<90°. Датчик с составными чувствительными элементами пред-
2
2
2
2
1
1
+
а
ставлен на рис. 1.
Работа датчика с составными чувствительными элементами состоит в формировании выходного электрического заряда сдвоенного датчика как среднего значения из приведенных зарядов k2Дg23 (выражение (3)) и k4Дд45 (выражение (16))
k2Дg2з(t) + k4Дg45(t)
д = -
2
= -6ее*2 • М)±М) = (19)
= -6ле0еЯ2 • + 823 + 845 ^ • Е(г)
где k2 и k4 - коэффициенты, устанавливающиеся при настройке сдвоенного датчика в однородном поле, соответственно равные
1 (20)
k2 = .2
0х
4 " • 2 ^ Б1П 0
(21)
Учтем, что погрешности 823 (выражение (7)) и 845 (выражение (18)) противоположны по знаку, тогда выражение (19) можно привести к виду
д = -6яе0еК2 • Г1 + 823 + 8451 • Е(г) =
0 I 2 ) ; (22)
= -6ле0еЯ2 -(1 + 8)-Е(г)
где
8 = 823 - 845
(23)
- погрешность от неоднородности поля сдвоенного датчика с составными чувствительными элементами.
Исследования
Исследование погрешностей 823 и 845 от неоднородности поля позволило составить математическую модель для погрешности 8 (формула (23)) сдвоенного датчика с составными чувствительными элементами и оптимизировать угловые размеры его чувствительных элементов в пространственном диапазоне измерения 0<а<1. Несмотря на то, что математическая модель сдвоенного датчика с составными чувствительными элементами напоминает аналогичную модель сдвоенного датчика с накладными чувствительными элементами, она имеет ряд существенных отличий. Так, математиче-
ская модель сдвоенного датчика с накладными чувствительными элементами позволяет проводить оптимизацию размеров его чувствительных элементов только по двум угловым размерам 01 и 03. А, математическая модель сдвоенного датчика с составными чувствительными элементами - по трем угловым размерам 01, 02 и 03. Это расширяет возможности выявления большего круга оптимизированных угловых размеров составных чувствительных элементов.
По составленной математической модели было проведено математическое моделирование. В результате были:
- получены оптимальные угловые размеры 01, 02 и 03 составных чувствительных элементов сдвоенного датчика с точки зрения минимума погрешности от неоднородности поля в максимально возможном пространственном диапазоне измерения 0<а<1;
- установлена взаимосвязь угловых размеров 01, 02 и 03 составных чувствительных элементов с погрешностью 8 сдвоенного датчика от неоднородности поля.
Результаты исследований представлены в виде графиков на рис. 3, а, б. з, %
Г
/
/ МП пая ве- Н1.
Л- V
Р)Т< тая ЩЬ.
1 4*1
/ ;
49 46.° 50.3
б)
92, град
Рис. 3. Графики зависимости угловых размеров чувствительных элементов сдвоенного датчика от погрешности, вызванной неоднородностью поля: а) зависимость 8(0!); б) зависимость 8(02)
Графики рис. 3, а, б представляют собой «У-образные кривые», позволяющие по заданной погрешности 8 от неоднородности поля
определить угловые размеры составных чувствительных элементов сдвоенного датчика. «У-образные кривые» (рис. 3, а, б) для одной заданной погрешности 3 дают два возможных угловых размера чувствительных элементов в1 и в2 при 03=const.
Так, например, для погрешности от неоднородности ЭП 3=±3,45% по графикам рис. 3, а находим два значения в1, соответственно равные 01=45,6° и 01'=46,95° при 03=90°, а по графикам рис. 3,б два значения 02, соответственно равные 02=49,46° и 02'=5О,33° при 03=90°. Тогда погрешности 3=±3,45% будут соответствовать двум техническим решениям построения сдвоенных датчиков. Первое - с угловыми размерами чувствительных элементов, равными 01=45,6°, 02=49,46°, а второе - с угловыми размерами чувствительных элементов, равными 01'=46,95°, 02'=5О,33° при 03=90°.
Таким образом, для сдвоенных датчиков с составными чувствительными элементами возникает три возможных технических решения построения сдвоенного датчика с различными оптимальными угловыми размерами составных чувствительных элементов. Первому техническому решению соответствует конструктивное исполнение сдвоенного датчика с накладными чувствительными элементами, для случая выполнения угловых размеров составных чувствительных элементов датчика соответственно равны 01, 02=01 и 03 [43]. Второму техническому решению соответствует конструктивное исполнение датчика, определяемое по заданной погрешности из первых ветвей «У-образных» кривых, представленных на рис. 3, а, б. И, наконец, третьему техническому решению соответствует конструктивное исполнение датчика, определяемое по заданной погрешности из вторых ветвей «У-образных» кривых, представленных на рис. 3, а, б.
Однако из рис. 3 следует, что минимально возможная погрешность 3=±2,25% сдвоенного датчика соответствует угловым размерам его составных чувствительных элементов, соответственно равным 01=46,38°, 02=49,02° и 03=90°. Это наиболее оптимальное техническое решение для сдвоенного датчика с составными чувствительными элементами. Данное техническое решение приведено в работе [43].
Для снятия сигналов со сдвоенного датчика с составными чувствительными элементами необходимо использовать измерительные цепи, рассмотренные в работе [44]. Одна из возможных вариантов измерительных цепей сдвоенных
датчиков составными чувствительными элементам представлена на рис. 4.
Сдвоенный датчик Измерительная цепь и,
7 У- ■С ДУЗ 2 V, £ Чг. МП 2
А, ,Лг г Г ш и
-- я> ДУ3 1 и, МП 1 и,
41
Рис. 4. Измерительная цепь сдвоенного датчика с составными чувствительными элементами
Измерительная цепь (рис. 4) содержит сдвоенный датчик, два дифференциальных усилителя заряда ДУЗ 1 и ДУЗ 2, двухвходовый сумматор Е, два масштабных преобразователя МП 1 и МП 2 и полусумматор /Е. Дифференциальные усилители заряда преобразуют разностные заряды и (#4-#5) в напряжения и1 и и2' соответственно. Двухвходовый сумматор Е объединяет сигналы с элементов 2+4' и 3+5', соответственно, и формирует полный дифференциальный сигнал с составных чувствительных элементов 4, 5. Поскольку чувствительности двойных датчиков 2, 3 и 4, 5 не равны, то с помощью масштабных преобразователей МП 1 и МП 2 в однородном поле добиваются равенства напряжений и1=и2, а следовательно, и равенства чувствительностей по каждому двойному датчику. При этом масштабные преобразователи отвечают: МП 1 за коэффициент ^ выражения (20), а МП 2 - за коэффициент k4 выражения (21). Полусумматор /Е отвечает за формирование выходного сигнала и сдвоенного датчика как среднее значение из сигналов и1 и и2 двух одинарных датчиков, согласно выражению (19).
Результаты исследований
Исследованные в данной работе сдвоенные датчики с составными чувствительными элементами позволили выявить оптимальные угловые размеры составных чувствительных элементов, выполненных в форме сферических сегментов и слоёв. Полученные результаты могут быть использованы при создании серии сдвоенных датчиков, имеющих разные погрешности от неоднородности поля и пространственный диапазон измерения. В результате исследований были установлены три возможных варианта построения сдвоенных датчиков с составными чувствительными элементами. В первом варианте сдво-
енного датчика с составными чувствительными элементами угловые размеры чувствительных элементов соответствуют угловым размерам сдвоенного датчика с накладными чувствительными элементами, для случая их выполнения соответственно равны 01, 02=01 и 03. Во втором варианте конструктивного исполнения сдвоенный датчик может иметь погрешности в указанных пределах 2,25 %<8<4,49 %. Для этого угловые размеры его чувствительных элементов должны быть выбраны из диапазона угловых значений 45°<01<46,38°
49,02°<02<50,17° для 03=90°. При этом меньшей погрешности соответствуют угловые размеры 01=46,38° и 02=49,02° а большей - 01=45 и 02<50,17° в полном пространственном диапазоне измерения 0<а<1. В третьем варианте конструктивного исполнения сдвоенный датчик может иметь погрешность в указанных пределах 2,25 %<8<4,24 %. Для этого угловые размеры его чувствительных элементов должны быть выбраны из диапазона угловых значений 46,38°<01<47,5° и 49,02°<02<52,4° для 03=90°. При этом меньшей погрешности соответствуют угловые размеры 01=46,38° и 02=49,02°, а большей - 01=47,5° и 02=52,4° в полном пространственном диапазоне измерения 0<а<1.
Однако из табл. 1 и рис. 3, а, б следует, что минимально возможная погрешность 8=±2,25 % соответствует угловым размерам чувствительных элементов сдвоенного датчика с составными чувствительными элементами, соответственно равными 01=46,38°, 02=49,02° и 03=90°. Это наиболее оптимальное техническое решение.
Следует отметить, что в любом варианте конструктивного исполнения сдвоенных датчиков его погрешность значительно меньше погрешности двойного датчика с оптимальными размерами чувствительных элементов.
Выводы и заключения
Результаты проведенных исследований показывают перспективность использования сдвоенных датчиков с составными чувствительными элементами. Использование датчиков сдвоенного типа позволяет значительно снизить погрешность от неоднородности ЭП в широком пространственном диапазоне измерения.
Здесь и ранее были исследованы сдвоенные датчики с накладными и составными чув-
ствительными элементами. Поэтому в заключение отметим целесообразность проведения исследований сдвоенных датчиков с раздельными чувствительными элементами.
Литература
1. Бирюков С.В. Измерение напряженности электрических полей в диэлектрических средах электроиндукционными датчиками. Методы и средства измерений: монография. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. 196 с.
2. ГОСТ Р 51070-97. Государственный стандарт Российской Федерации. Измерители напряженности электрического и магнитного полей. Общие технические требования и методы испытаний. М.: Издательство стандартов, 1997. 16 с.
3. Biryukov S.V., Korolyova M.A. Electroinduction disk sensor of electric field strength // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. 2017. №944. P. 012017-1- P. 012017-8.
4. Бирюков С.В., Королёва М.А. Электроиндукционный дисковый датчик напряженности электрического поля // Омский научный вестник. 2017. Т. 5. № 4. С. 177182.
5. Бирюков С.В., Щапова Л.В. Датчик напряженности электрического поля в виде плоской проводящей пластины в форме квадрата // Динамика систем механизмов и машин. 2017. № 5(155). С. 126-130
6. Пат. 177779. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Датчик напряженности электрического поля / С.В. Бирюков, В.В. Даньшина, Н.Г. Эйсмонт; № 2017131988; заявл. 12.09.2017; опубл. 12.03.2018, бюл. № 8.
7. Пат. 175646. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Датчик напряженности электрического поля /С.В. Бирюков, А.И. Блесман, С.С. Колмогорова; № 2017131994; заявл. 12.09.2017; опубл. 13.12.2017, бюл. № 35.
8. Берент Г.Н., Плейс И.Р. Датчик электрического поля // Приборы для научных исследований. 1971. № 6. С. 141-142.
9. Гатман С. Двойной измеритель электрического поля с защитой // Приборы для научных исследований. 1968. №1. С. 45-49.
10. Research on the Three-Dimensional Power Fre-guency Electric Field Measurement System / Suo Chunguang, Wei Ran, Zhang Wenbin, Li Yincheng //Journal of Sensor. 2021. Article ID 8859022. 15 p.
11. Design of high voltage electric field measurement based on parallel plate sensor / R. Qin, Z. Yang, L. An, J. Lei, Y. Yang // Electrical Application. 2016. Vol. 19. P. 72-78.
12. Датчик напряженности электрического поля цилиндрической формы / С.В. Бирюков, Д.С. Баранов, С.С. Колмогорова, А.В. Тюкин // Динамика систем механизмов и машин. 2018. Т. 6. № 4. С. 17-25.
13. Пат. 181781. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Датчик напряженности электрического поля / С.В. Бирюков, А.С. Колмогоров, С.С. Колмогорова; № 2018115125; заявл. 23.04.2018; опубл. 26.07.2018, бюл. № 21.
14. Бирюков С.В., Тюкин А.В. Устройство выявления зон уверенного приема служебных радиостанций вблизи высоковольтных линий электропередач // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2020. Т. 16. №1. С. 108-116.
15. Misakian M., Kotter F.R., Kahler R.L. Miniature ELF Electric Field Probe //Instruments for scientific research. 1978. Vol. 7. P. 933-935.
16. Application of spherical electric field measurement system in the field of high voltage measurement / T. Zhang, Z. Fang, T. Chen and L. Zhao //Electrical Measurement and Instrumentation. 2007. Vol. 44. № 11. P. 11-16.
17. Пат. 207464. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Устройство для измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком / С.В. Бирюков, Л.В. Тюкина, Н.Г. Эйсмонт; № 2021111582; заявл. 23.04.2021; опубл. 28.10.2021, бюл. № 31.
18. Пат. № 207465. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Устройство для измерения напряженности электрического поля со сдвоенным датчиком / С.В. Бирюков, Л.В. Тюкина, В.В. Даньшина; № 2021111599; заявл. 23.04.2021; опубл. 28.10.2021, бюл. № 31.
19. Пат. 211166 U1 Российская Федерация, МПК G01R 29/12. Сдвоенный датчик для измерения напряженности электрического поля / С.В. Бирюков, Л.В. Тюкина; № 2022101440; заявл. 24.01.2022, опубл. 24.05.2022; бюл. № 15; заявитель Ом. гос. техн. ун-т.
20. Пат. 188242. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Датчик напряженности электрического поля / С.В. Бирюков, А.И. Блесман; № 2018144845; заявл. 18.12.2018; опубл. 04.04.2019, бюл. № 10.
21. Пат. 183095. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Датчик напряженности электрического поля / С.В. Бирюков, А.И. Блесман. № 2018120984; заявл. 06.06.2018; опубл. 11.09.2018, бюл. № 26.
22. Feser K.A., Pfaff W. Potential free spherical sensor for the measurement of transient electric fields // IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems. 1984. Vol. Pas-103. №10. Р. 2904-2911.
23. Gockenbach E. A new measuring device for transient over voltages // CIGRE Symposium New and Improved Materials for Electrotechnology. 1987. P.1010-1015.
24. Ramirez J. A device for the X-Y measurement of electric fields // Measurement Science Technique. 1994. Vol. 5. № 5. P. 1436-1442.
25. Газоразрядный измеритель электрического поля / Д.Е. Фридман, Ф.Л. Курзон, М. Фили, Янг, Ошинлек // Приборы для научных исследований. 1982. № 8. С. 167172.
26. A Pawer-Frequency Electric Field Sensor for Portable Measurement / Dongping Xioa, Qichao Ma, Yutong Xie, Qi Zheng, Zhanlong Zhang // Sensor (Basel). 2018. № 18(4). P. 1053.
27. Тюкин А.В., Бирюков С.В., Тюкин В.А. Теоретические исследования многоэлектродного датчика составляющих вектора напряженности электрического поля в форме квадратной пластины из проводящего материала // Омский научный вестник. 2019. № 3 (165). С. 46-53.
28. Пат. 174615. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Датчик напряженности электрического поля / С.В. Бирюков; № 2017118612; заявл. 29.05.2017; опубл. 16.11.2017, бюл. № 32.
29. Пат. 175038. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Датчик напряженности электрического поля /С.В. Бирюков; № 2017118612; заявл. 29.05.2017; опубл. 16.11.2017, бюл. № 32.
30. Пат. 190509. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Датчик напряженности электрического поля / С.В. Бирюков, А.И. Блесман; № 2019112607; заявл. 25.04.2019; опубл. 03.07.2019, бюл. № 19.
31. Пат. 190511. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Датчик напряженности электрического поля / C.B. Бирюков, A.R Блесман. № 2019112747; заявл. 25.04.2019; опубл. 03.07.2019, бюл. № 19.
32. Многоэлектродный датчик составляющих напряженности электрического поля в форме диска из проводящего материала / C.B. Бирюков, C.C. Колмогорова, A.C. Колмогоров, Д.С Баранов // Динамика систем механизмов и машин. 2019. Т. 7. № 2. C. 180-190.
33. Пат. 190511. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Датчик напряженности электрического поля /C.B. Бирюков, A.R Блесман. № 2019112747; заявл. 25.04.2019; опубл. 03.07.2019, бюл. № 19.
34. Бирюков C.B., Глуховеря Е.Г., Тюкин A.B. Cравнительный анализ плоских многоэлементных датчиков напряженности электрического поля с круглым основанием и различными конструктивными особенностями // Омский научный вестник. 2020. № 3(171). C. 57-б4.
35. Бирюков C.B. Трехкоординатный электроиндукционный датчик напряженности электрического поля в виде трех взаимно перпендикулярных дисков // Омский научный вестник. 2020. № 5 (17з). C. б7-73.
36. Бирюков C.B., Колмогорова C.C., Колмогоров A.C. Датчик составляющих вектора напряженности электрического поля в виде трех взаимно перпендикулярных квадратных пластин // Динамика систем механизмов и машин. 2020. Т. 8. № 4. C. 83-92.
37. Пат. 175577. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Датчик напряженности электрического поля /A.A. Кузнецов, A^. Кузменко, C.B. Бирюков, A.K Блесман; № 201712582б; заявл. 17.07.2017; опубл. 11.12.2017, бюл. № 35.
38. Praft W.R. Accuracy of spherical sensor for the measurement of three-dimensional electric fields // Fifth International Symposium on High Voltage Engenering. 1987. Vol. 32. № 5. P. 83-92.
39. Пат. 27б8200. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Cдвоенный датчик составляющих вектора напряженности электрического поля / C.B. Бирюков, Л.Б. Тюкина, Н.Г. Эйсмонт; № 2021111582; заявл. 23.04.2021; опубл. 28.10.2021, бюл. № 31.
40. Бирюков C.B., Тюкина Л.Б., Тюкин A.B. Cдво-енные сферические датчики напряженности низкочастотных электрических полей нового поколения // Омский научный вестник. 2021. № 5(179). C. б2-б7.
41. Пат. 27738б8. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Cпособ измерения напряженности электрического поля сдвоенным датчиком / C.B. Бирюков, Л.Б. Тюкина, A.B. Тюкин; № 2021120230; заявл. 09.07.2021; опубл. 1б.0б.2022, бюл. № 17.
42. Бирюков C.B., Тюкина Л.Б. Модернизированный метод измерения напряженности электрического поля по среднему значению сдвоенными датчиками и устройства его реализации // Динамика систем, механизмов и машин.
2021. Т. 9. № 3. C. б4-72.
43. Пат. 21080б. Российская Федерация. МПК G 01 R 29/12. Cдвоенный датчик для измерения напряженности электрического поля с составными чувствительными элементами / C.B. Бирюков, Л.Б. Тюкина; № 202210437; заявл. 24.01.2022; опубл. 05.05.2022, бюл. № 13.
44. Бирюков C.B., Тюкина Л.Б., Тюкин A.B. Измерительные цепи сдвоенных электроиндукционных сферических датчиков напряженности электрического поля замкнутой конфигурации // Омский научный вестник.
2022. №2(182). C. 102-109.
Поступила 28.07.2022; принята к публикации 17.10.2022 120
Информация об авторах
Бирюков Сергей Владимирович - д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры «Физика», Омский государственный технический университет (644050, Россия, г. Омск, проспект Мира, д. 11), профессор кафедры «Физика и математика», Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (644080, Россия, г. Омск, проспект Мира, 5), тел.: +7(3812) 65-02-18, +7(908)1066078, е-mail: sbiryukov154@mail.ru, ORCID: 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), тел.: +7(983)1101529, +7(3812) 6502-18, е-mail: tyukin_av@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7316-3797
Тюкина Людмила Владимировна - преподаватель, Омский промышленно-экономический колледж (644029, Россия, г. Омск, ул. Нефтезаводская, 6), тел. +7(3812) 67-04-92, +7(909)5361782, е-mail: lyudmila.omsk@mail.ru
INVESTIGATION OF A DUAL SPHERICAL ELECTRIC FIELD STRENGTH SENSOR WITH COMPOSITE SENSITIVE ELEMENTS
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 paper investigates a new type of electroinduction spherical electric field strength sensors, related to dual sensors. Sensors dual in design are divided into three groups. These include sensors with overhead, composite and separate sensitive elements. Previously, the author studied sensors with attached sensitive elements. This work is devoted to the study of dual sensors with composite sensitive elements. The study was carried out in order to improve the metrological characteristics of known electroinduction spherical sensors, when used in highly inhomogeneous electric fields. The results of the study showed that dual sensors have better metrological characteristics than the known ones. When conducting research, the relationship between the error of a dual sensor from the inhomogeneity of the field and its angular dimensions of the sensitive elements was established. Taking into account this relationship, a mathematical model was compiled, using which the angular dimensions of the sensor's sensitive elements were optimized from the point of view of the minimum error and the maximum spatial measurement range. As a result of modeling, the optimal angular dimensions of the sensing elements of a dual sensor with composite sensing elements were established equal to 6>!=46,38°, 6>2=49,02° and 6>3=90°. These angular dimensions of composite sensitive elements correspond to the minimum possible error ¿=±2,25 %
Key words: electric field strength, measurement, double sensors, double sensors, composite sensing elements, error due to field inhomogeneity
References
1. Biryukov S.V. "Measuring the intensity of electric fields in dielectric media by electroinduction sensors. Methods and means of measurements" ("Izmerenie napryazhennosti elektricheskikh poley v dielektricheskikh sredakh elektroinduktsionnymi datchikami. Metody i sredstva izmereniy"), monograf, Omsk: OmGTU, 2011, 196 p.
2. GOST R 51070-97 "Electric and magnetic field strength meters. General technical requirements and test methods", Moscow: Izdatel'stvo standartov, 1997, 16 p.
3. Korolyeva M.A., Biryukov S.V. "Electroinduction disk sensor of electric field strength", IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf Series., 2017, no. 944, pp. 012017-1-012017-8.
4. Korolyeva M.A., Biryukov S.V. "Electric induction disk sensor of electric field strength", Omsk Scientific Bulletin (Omskiy nauchnyy vestnik), 2017, vol. 5, no. 4, pp. 177-182.
5. Shchapova L.V., Biryukov S.V. "An electric field intensity sensor in the form of a flat conducting plate in the form of a square", Dynamics of Systems of Mechanisms and Machines (Dinamika sistem mekhanizmov i mashin), 2017, no. 5(155), pp. 126130.
6. Biryukov S.V., Dan'shina V.V., Eysmont N.G. "Electric field intensity sensor" ("Datchik napryazhennosti elektricheskogo polya"), patent 177779 Of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 2017131988, 12.09.2017; publ. 12.03.2018, bull 8.
7. Biryukov S.V., Blesman A.I., Kolmogorova S.S. "Electric field intensity sensor" ("Datchik napryazhennosti elektricheskogo polya"), patent 175646 of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 2017131994, 12.09.2017, publ. 13.12.2017, bull 35.
8. Berent G.N., Pleys I.R. "Electric field sensor", Instruments for Scientific Research (Pribory dlya nauchnyh issledovaniy), 1971, no. 6 pp. 141-142.
9. Gatman S. "Double electric field meter with protection", Instruments for Scientific Research (Pribory dlya nauchnyh issle-dovaniy), 1968, no. 1, pp. 45-49.
10. Chunguang Suo, Wei Ran, Zhang Wenbin, Li Yincheng "Research on the three-dimensional power frequency electric field measurement system", Journal of Sensor, vol. 2021, article ID 8859022, 15 pp.
11. Qin R., Yang Z., An L., Lei J., Yang Y. "Design of high voltage electric field measurement based on parallel plate sensor", Electrical Application, 2016, vol. 19, pp. 72-78.
12. Biryukov S.V., Baranov D.S., Tyukin A.V., Kolmogorova S.S. "Cylindrical electric field intensity sensor", Dynamics of Systems of Mechanisms and Machines (Dinamika sistem mekhanizmov i mashin), 2018, vol. 6, no. 4, pp. 17-25.
13. Biryukov S.V., Kolmogorov A.S., Kolmogorova S.S. "Electric field intensity sensor" ("Datchik napryazhennosti elektrich-eskogo polya"), patent 181781 of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 2018115125, 23.04.2018, publ. 26.07.2018, bull. 21.
14. Tyukin A.V., Biryukov S.V. "Device for detecting zones of reliable reception of service radio stations near high-voltage power lines", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universi-teta), 2020, vol. 16, no. 1, pp. 108-116.
15. Misakian M., Kotter F.R., Kahler R.L. "Miniature ELF electric field probe", Instruments for Scientific Research, 1978, vol. 7, pp. 933-935.
16. Zhang T., Fang Z., Chen T., Zhao L. "Application of spherical electric field measurement system in the field of high voltage measurement", Electrical Measurement and Instrumentation, 2007, vol. 44, no. 11, pp. 11-16.
17. Biryukov S.V., Tyukina L.V., Eysmont N.G. "Device for measuring the strength of the electric field with a dual sensor" ("Ustroystvo dlya izmereniya napryazhennosti elektricheskogo polya so sdvoennym datchikom"), patent 207464 of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 2021111582, 23.04.2021, publ. 28.10.2021, bull 31.
18. Biryukov S.V., Tyukina L.V., Dan'shina V.V. "Device for measuring the electric field strength with a dual sensor" ("Ustroystvo dlya izmereniya napryazhennosti elektricheskogo polya so sdvoennym datchikom"), patent 207465 of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 2021111599, 23.04.2021, publ. 28.10.2021, bull. 31.
19. Biryukov S.V., Tyukina L.V. "Dual sensor for measuring the electric field strength" ("Sdvoenniy datchik dlya izmereniya napryazhennosti elektricheskogo polya"), patent 211166 U1 of Russia, MPK G01R 29/12, no. 2022101440, 24.01.2022, publ. 24.05.2022, bull. 15
20. Biryukov S.V., Blesman A.I. "Electric field intensity sensor" ("Datchik napryazhennosti elektricheskogo polya"), patent 188242 of Russia. MPK G 01 R 29/12, no. 2018144845, 18.12.2018, publ. 04.04.2019, bull. 10.
21. Biryukov S.V., Blesman A.I. "Electric field intensity sensor" ("Datchik napryazhennosti elektricheskogo polya"), patent 183095 of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 2018120984, 06.06.2018, publ. 11.09.2018, bull. 26.
22. Feser K., Pfaff W. "A potential free spherical sensor for the measurement of transient electric fields", IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, 1984. vol. 103, no. 10, pp. 2904-2911.
23. Gockenbach E. "A new measuring device for transient over voltages", CIGRE Symposium New and Improved Materials for Electrotechnology, 1987, pp. 1010-1015.
24. Ramirez J. "A device for the X-Y measurement of electric fields", Measurement Science Technique, 1994, vol. 5, no. 5, pp. 1436-1442.
25. Fridman D.E., Kurzon F.L., Fili M., Ang Y. "Gas-discharge electric field meter", Instruments for Scientific Research (Pribory dlya nauchnyh issledovaniy), 1982, no. 8, pp. 167-172.
26. Dongping Xioa, Qichao Ma, Yutong Xie, Qi Zheng, Zhanlong Zhang "A pawer-frequency electric field sensor for portable measurement", Sensor (Basel), 2018, no. 18(4), pp. 1053.
27. Tyukin A.V., Biryukov S.V. "Theoretical studies of a multi-electrode sensor of the components of the electric field strength vector in the form of a square plate of conductive material", Omsk Scientific Bulletin (Omskij nauchnyj vestnik), 2019, no. 3 (165), pp. 46-53.
28. Biryukov S.V. "Electric field intensity sensor" ("Datchik napryazhennosti elektricheskogo polya"), patent 174615 of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 2017118612, 29.05.2017, bupl. 16.11.2017, bull. 32.
29. Biryukov S.V. "Electric field intensity sensor" ("Datchik napryazhennosti elektricheskogo polya"), patent 175038 of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 2017118612, 29.05.2017, publ. 16.11.2017, bull. 32.
30. Biryukov S.V., Blesman A.I. "Electric field intensity sensor" ("Datchik napryazhennosti elektricheskogo polya"), patent 190509 of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 2019112607, 25.04.2019, publ. 03.07.2019, bull. 19.
31. Biryukov S.V., Blesman A.I. "Electric field intensity sensor" ("Datchik napryazhennosti elektricheskogo polya"), patent 190511 of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 2019112747, 25.04.2019, publ. 03.07.2019, bull. 19.
32. Kolmogorova S.S., Biryukov S.V., Kolmogorov A.S., Baranov D.S. "Multi-electrode sensor of the components of the electric field in the form of a disk of conductive material", Dynamics of Systems of Mechanisms and Machines (Dinamika sistem mekhanizmov i mashin), 2019, vol. 7, no. 2, pp. 180-190.
33. Biryukov S.V., Blesman A.I. "Electric field intensity sensor" ("Datchik napryazhennosti elektricheskogo polya"), patent 190511 of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 2019112747, 25.04.2019 publ. 03.07.2019, bull. 19.
34. Biryukov S.V., Gluhoverya E.G., Tyukin A.V. "Comparative analysis of flat multi-element electric field strength sensors with a round base and various design features", Omsk Scientific Bulletin (Omskij nauchnyj vestnik), 2020, no. 3(171), pp. 57-64.
35. Biryukov S.V. "Three-coordinate electric induction sensor of electric field strength in the form of three mutually perpendicular disks", Omsk Scientific Bulletin (Omskij nauchnyj vestnik), 2020, no. 5 (173), pp. 67-73.
36. Kolmogorova S.S., Biryukov S.V., Kolmogorov A.S. "The sensor of the components of the electric field strength vector in the form of three mutually perpendicular square plates", Dynamics of Systems of Mechanisms and Machines (Dinamika sistem mekhanizmov i mashin), 2020, vol. 8, no. 4, pp. 83-92.
37. Kuznetsov A.A., Kuz'menko A.Yu., Biryukov S.V., Blesman A.I. "Electric field strength sensor" ("Datchik napryazhennosti elektricheskogo polya"), patent 175577 of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 2017125826,17.07.2017, publ. 11.12.2017, bull. 35
38. Praft W.R. "Accuracy of spherical sensor for the measurement of three-dimensional electric fields", Fifth International Symposium on High Voltage Engenering, 1987, vol. 32, no. 5, pp. 83-92.
39. Biryukov S.V., Tyukina L.V., Eysmont N.G. "Dual sensor of the components of the electric field strength vector" ("Sdvoenniy datchik sostavlyayushchih vektora napryazhennosti elektricheskogo polya"), patent 2768200 of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 2021111582, 23.04.2021, publ. 28.10.2021, bull. 31.
40. Biryukov S.V., Tyukina L.V., Tyukin A.V. "Dual spherical intensity sensors for low-frequency electric fields of a new generation", Omsk Scientific Bulletin (Omskij nauchnyj vestnik), 2021, no. 5(179), pp. 62-67.
41. Biryukov S.V., Tyukina L.V., Tyukin A.V. "A method for measuring the electric field strength with a dual sensor"
("Sposob izmereniya napryazhennosti elektricheskogo polya sdvoennym datchikom"), patent 2773868 of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 2021120230, 09.07.202, publ. 16.06.2022, bull. 17.
42. Tyukina L.V., Biryukov S.V. "A modernized method for measuring the electric field strength by the average value with dual sensors and devices for its implementation", Dynamics of Systems of Mechanisms and Machines (Dinamika sistem mekhanizmov i mashin), 2021, vol. 9, no. 3, pp. 64-72.
43. Biryukov S.V., Tyukina L.V. "" ("Sdvoennyy datchik dlya izmereniya napryazhennosti elektricheskogo polya s sostavny-mi chuvstvitel'nymi elementami"), patent 210806 of Russia, MPK G 01 R 29/12, no. 202210437, 24.01.2022, publ. 05.05.2022, bull. 13.
44. Biryukov S.V., Tyukina L.V., Tyukin A.V. "Measuring circuits of dual electroinduction spherical sensors of the electric field strength of a closed configuration", Omsk Scientific Bulletin (Omskij nauchnyj vestnik), 2022, no. 2(182), pp. 102-109.
Submitted 28.07.2022; revised 17.10.2022
Information about the authors
Sergey V. Biryukov, Dr. Sci. (Technical), Professor, Omsk State Technical University (11 Prospect Mira, Omsk 644050, Russia); Professor, Siberian State Automobile and Highway University (5 Prospect 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. Sci. (Technical), Associate Professor, Siberian Automobile and Highway University (5 Prospect Mira, Omsk 644080, Russia), tel.: +79831101529, +7(3812) 65-02-18, e-mail: tyukin_av @ mail. ru, 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: lyudmila.omsk@mail.ru
