CC BY
30
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
приборы и системы
УДК 621.317
йО!: 10.25206/1813-8225-2019-165-46-53
С. В. БИРЮКОВ1 А. В. ТЮКИН2
Юмский государственный технический университет, г. Омск
2Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет,
г. Омск
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОЭЛЕКТРОДНОГО ДАТЧИКА СОСТАВЛЯЮЩИХ ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ФОРМЕ КВАДРАТНОЙ ПЛАСТИНЫ ИЗ ПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА
В статье исследуется многоэлементный плоский датчик составляющих вектора напряженности низкочастотного электрического поля, изготавливаемый по новым технологиям и способный встраиваться в современные гаджеты. Датчик пригоден для измерения напряженности электрических полей, неблагоприятно воздействующей на человека. В связи с этим решаемая в статье задача является актуальной. Результаты исследования позволили создать такой датчик, оценить его метрологические характеристики и установить их зависимость от степени однородности электрического поля. Установленная взаимосвязь погрешности датчика от степени неоднородности электрического поля позволяет по заданной погрешности определять пространственный диапазон измерения или по заданному пространственному диапазону измерения установить погрешность датчика. Например, погрешности датчика 2 % соответствует пространственный диапазон измерения а, определяемый расстоянием до источника поля от 0 М до 7 М (а=0,15), где М — линейный размер датчика.
Ключевые слова: многоэлементный плоский датчик составляющих вектора напряженности электрического поля, однородное поле, точечный
электрическим заряд, напряженность электрического поля, чувствительный элемент, погрешность от неоднородности поля, пространственный диапазон измерения, электрометрические измерения.
Введение. Научно-технический прогресс приводит к все большему и большему потреблению и выработке электроэнергии. Доставка электроэнергии к потребителю осуществляется по электрическим проводам, которые опутали всю Землю и проникли в жилища людей. По электрическим проводам передаются высокие напряжения и большие электрические токи. В связи с этим электрические провода стали источниками электрических полей, неблагоприятно воздействующих на технические и биологические объекты, и в частности на людей. Для контроля за уровнями электрических полей (ЭП) существует целый ряд средств измерений [1—3], непосредственно предназначенных для этих целей. Однако отдельные средства измерений имеют значительные масса-габаритные характеристики и в нужный момент не оказываются под рукой. В связи с этим необходимы малогабаритные датчики напряженности ЭП, изготавливаемые по новым технологиям и способные встраиваться в современные гаджеты, всегда имеющиеся под рукой, например, смартфоны, калькуляторы и прочие.
Разработка средств измерений для исследования электрических полей проводится как в России [4 — 8], так и за рубежом [9, 10]. Данная работа посвящена исследованию многоэлектродного датчика составляющих вектора напряженности ЭП, выполненного в форме квадратной пластины из проводящего материала, конструктивно и технологически пригодного для изготовления методами нанотехнологий и обладающего гарантированными метрологическими характеристиками.
Постановка задачи. Провести исследования и рассмотреть возможность создания плоского многоэлементного датчика составляющих напряженности ЭП. Для этого необходимо решить следующие задачи:
1) создать метод конструктивного построения многоэлементных датчиков составляющих напряженности ЭП;
2) обосновать выбор формы основания датчика, обеспечивающий его встраиваемость в из-
вестные гаджеты;
3) оценить погрешность датчика в неоднородных ЭП.
Теория. В основе построения исследуемого датчика лежит явление электростатической индукции и, сформулированный авторами, метод трех секущих взаимно перпендикулярных плоскостей. Суть метода сводится к условному разделению поверхности тела правильной геометрической формы тремя взаимно перпендикулярными секущими плоскостями на восемь конгруэнтных поверхностных участков. Если каждый такой поверхностный участок тела выполнить из проводящего материала (напылить, наклеить, вытравить и т.п.), то эти участки могут служить чувствительными элементами датчика составляющих вектора напряженности ЭП. Для обеспечения симметрии датчика и равенства чувствительностей по каждой составляющей вектора напряженности ЭП целесообразней использовать в качестве основы датчика тела правильных геометрических форм (сфера [10, 11], куб [12, 13], цилиндр [14], диск [15], квадратная пластина [16]). Впервые этот метод без заявки на его формулировку был использован в работе [17] и далее в работе [18].
Согласно поставленным задачам, дальнейшие исследования будут направлены на построение и разработку датчика составляющих вектора напряженности ЭП, удобного для встраивания в переносные гаджеты. В связи с этим в основу построения датчика целесообразней положить проводящую пластину в форме квадрата.
Согласно методу трех взаимно перпендикулярных секущих плоскостей, разделим квадратную пластину на восемь частей, как показано на рис. 1а.
Пластина, лежащая в основании датчика, может быть как проводящей, так и диэлектрической. Формирование чувствительных элементов датчика на выделенных восьми участках оснований пластины (четыре участка на верхнем основании и четыре — на нижнем) может быть выполнено напылением, наклеиванием, вытрав-
а)
б)
Рис. 1. Разделение тела квадратной пластины тремя секущими плоскостями на восемь равных частей
Рис. 2. Расчетная модель многоэлементного датчика в однородном ЭП
ливанием или другими способами. Если пластина диэлектрическая, то на неё можно напылить или наклеить чувствительные элементы из проводящего материала. Если пластина диэлектрическая с уже нанесенными проводящими основаниями (стеклотекстолит фольгированный), то чувствительные элементы можно вытравить. И наконец, если пластина проводящая, то на её поверхность методом напыления сначала наносится тонкий слой диэлектрика толщиной порядка 10 — 20 мкм, а затем тонкий слой проводящего материала. Сформированные таким образом восемь проводящих чувствительных элементов датчика показаны на рис. 1б. В результате проделанных действий сформирован многоэлементный датчик составляющих вектора напряженности ЭП. Расчетная конструктивная модель многоэлектродного датчика, находящегося в однородном ЭП с указанием его геометрических параметров, представлена на рис. 2.
Датчик состоит из проводящей пластины 1, имеющей в сечении форму квадрата, четырех пар проводящих чувствительных элементов, из которых четыре элемента 2 — 5 расположены на одном основании и четыре элемента 6 — 9 расположены на другом основании пластины. Чувствительные элементы отдалены друг от друга на расстояние 2Л и не имеют электрической связи между собой и пластиной основания, имеющего толщину 2й. Они изготавливаются из проводящего материала малой толщиной 5 и имеют форму квадрата с размерами ЬхЬ, стороны которого расположены параллельно сторонам квадратной пластины основания с размерами 2МХ2М, где М = (Ь+Л).
Таким образом, формируется двойной датчик напряженности ЭП, средней точкой которого будет проводящая пластина основания. В ЭП эта пластина будет принимать потенциал референц-точки [14], т.е. той точки пространства, в которую помещается датчик.
Для дальнейших расчетов примем следующие допущения. Чувствительные элементы 2 — 9 датчика (рис. 2) выполнены в виде тонкого проводящего слоя толщиной 5 << й (5 выполняют от нанометров до микрон), имеющего одинаковую форму и размеры 2МХ2М (М >> й), и изолированы от проводящей поверхности пластины диэлектрическим слоем толщиной е << й (е составляет нанометры).
При внесении проводящей пластины в ЭП на её поверхности индуцируются электрические заряды, пропорциональные напряженности электрического поля [9]. Для снятия этих зарядов с нужных частей проводящей поверхности пластины используются чувствительные элементы, которые должны являться ничем иным, как самой поверхностью пластины. Для этого необходимо обеспечить, во-первых, изоляцию чувствительных элементов от проводящей пластины и, во-вторых, равенство потенциалов чувствительных элементов и проводящей пластины. Это возможно осуществить, если принять допущения 5 << Л и е << й. При этих условиях (и дополнительно принятых мерах) потенциалы чувствительных элементов 2 — 9 можно считать равными потенциалу проводящей пластины 1, а чувствительные элементы — поверхностью пластины. Таким образом датчик в общем случае представляет ничто иное, как плоскую проводящую пластину с квадратными основаниями.
Рассмотрим работу описанного многоэлементного датчика напряженности ЭП в граничных полях и оценим его погрешность. Граничными полями будем считать однородное и неоднородное ЭП. Условно, однородное поле — это поле, созданное между бесконечно длинными проводящими полезадающими пластинами, в котором датчик находится от пластин на расстояниях много больше его размеров. Это поле будем рассматривать как опорное, и погрешность датчика в этом поле будем считать нормированной. В качестве неоднородного поля будем рассматривать поле, создающееся точечным источником и обладающее высокой степенью неоднородности. В этом поле будем оценивать погрешность датчика, вызванную неоднородностью ЭП.
Многоэлектродный датчик в однородном поле. Работы датчика, основанная на рассмотрении проводящей пластины квадратной формы толщиной й и с размерами сторон МхМ (й << М), помещенной в однородное квазистатическое ЭП с напряженностью Е = Етэт(&Ь, рассмотрена в [16]. Воспользовавшись результатами этой работы, проведем исследования многоэлементного датчика.
При внесении датчика в ЭП на его проводящих чувствительных элементах 2 — 9 индуцируются электрические заряды, величина которых пропорциональна измеряемой напряженности Е ЭП.
Электрические заряды на чувствительных элементах 2 — 9 датчика будут определяться выражением
Q = jja-dS.
(1)
где а = -2вв0 Еп = -2вв0 — п оверхностная плотность заряда; ЕО — напряженность однородного ЭП; Б — площадь чувствитель н ого элемента.
Поочередно напдавляя вектор оапр»я^:яоенно-сти ЭП на координатные оси датчика х, у и г, найдемэлектрические зррядл индуоироранные ЭП на частях поверхности пластины, огранич ен -ных размерами чувствительных элементов 2 — 9.
Если направить вектор напряженности ЭП вдопь оеи гдатчика, то эпектричепкие заряды, индуцированные еы на диаметрально расположенной паре чувст вительных э лементов 2 и 6, с учетом -я) буд—т оо^еон.рят^1^ся в-оражением
ы ы л л
пд мв=яен ен 2-яо0]Пе пы=яр--о01 ы, ык пепо=
от Я 2яя0 (ты —2 НПТ2 Вт— = яЯ 2-8- Ы[Г Гл-ОО] •о - (2)
где Qn — заряд, индуцированный однородным ЭП.
h
M
Qoо а±2ss0MQ1 нОЙ-Д.
(3)
по оси z Qo w а -нНssXOIhO )2 • E z. (6)
второй датчио по оси х Qo4 5;н;9 а + Нрр^7й2(l -bf •Ех; (7)
по оси у 0О3Л7,Н а pHseMl ч-о)2 • Еу ; (8)
по оси z Qof),^ H 9 =+Hhp°^M22(-hO)2 -ДД. (9)
Если использовать двойной дотчик в диффе-ренциальн^]у[ вклюре нии2 ооч-а оля дифференциальных зарядовдатчика поосям x, y и z можно записать
Обозоачим hmoшение Q а O , тогда выражение (2) примет в ид
Q0 0х - Q0О4,8,Н QO(0,60 ~
аЧЧ66бм2(ЧрО)2-дх;
Q0 Xу = Qo3,4,7,8 - QP2,82,9 а
а-6РЧбМН О-О)2 -Д)
Qo ^z =[0o6,7,Н,9н0Qo,3,4,8 0
= 16=sйО/"((Ч о)))20' Доz.
(10)
(11)
(12)
Меняя гртниы.ы иноегрированияввыражении (2), найдем электpичeокио 8арндо( о о друг их парах чувстоитеяьыыв элемонтов, таких как 3 и 7, 4 и 8, 5 и 9.Они тапже будн оп—пделяться выражениями (2) и (3). Посколдку под действием ЭП положитвоьныя е.1 донж.-ся 210 направле-
нию, а отрицательны о -рот ыв направ оен ия поля, то знак минус в выражении (—) будет соответ-ствпвать заряды на ^^}^]бсое5ит^е./бь^1х элементах 2, 3, 4 и 5, а знак плюс — за рядам на оувствитель-нып элемонтая Ы 7, - и 9.
Прн направлении ьекпон (в311^ ртженности ЭП вдоль осей х и у датчика влектрические заряды на .диамеорапяно рч-положенв-ох пбрахчувстви-тельных элементов, д/ел ос н х, 2 и 5, 3 и 4, 6 и 9, 7 и 18, и =ня оси у: 5 и 4, 3 и 3, 8 и 8,6 и 7 будут также определяться пыражениeми (2) и (3).
Если я>ыъединить бувствивеляные элементы 2 — 9 многоэлемонтяогы д—оика (рис. 2) в про-тивопь»лопные опры групп, каждпс из косорые состоит из чмеыpex плементос пя оси X — 2, 3, 6, 7 о В я, 8, 9; по оои ы — 22 В, 6, 2 и ы, 4. 7, Н; по оси Z — 2, 3, 4, 00 и 6, 7, 8, с, раоделенных копрдинатным- плоскостями XOZ, YOZ и ХОУ, то формиыуется допйной датчик составляющих вектора напряженвосыи ЭП. С учетом сказанного суммарныы з2рядь0 на группах чувствительных элементов будат в-ответственно равны:
пер 0 ый датчик по оси х п4^ о о8зЗоH2 (1 - оД2. Е х ; (4)
по оси у пд2 5 69 о -8яя0ы2(1 -оД2.оу; (5)
Из выражений (Ш—12- следуот, что чувствительности сфорnироыaннмоo дотчика напряженности ЭП пч тром -оординагн1]о осям х, у и г в однородном поле одинакосы 22 зависят только от размера ж пронддящeн плаотины основания датчика и параметр а Ь
GdnuX а -6ss0M2(ЧрО)2.
(13)
Поскольку еазмеры дaтзшка и е го параметры неизменны, чувствительность датчика, при его работе в однородном по се е стае тся постоянной. Следовательно, заряды, енду^р ованные на чувствительных элементах, пропорциональные напряженности ЭП, могут выступать мерой напряженности этого поля.
Рис. 3. Многоэлектродный датчик в однородном электрическом поле
АС
Многоэлементный датчик в неоднородном поле точечного источника. Работа датчика в ЭП точечного источника основана на рассмотрении проводящей пластины, находящейся в поле точечного положительного электрического заряда д (рис. 3).
Сохраним все геометрические соотношения датчика, приведенные на рис. 2 и используемые при рассмотрении его взаимодействия с однородным полем.
Воспользовавшись вышеприведенной методикой, найдём электрические заряды, индуцированные на чувствительных элементах датчика полем точечного заряда д. Электрические заряды на чувствительных элементах 2 — 9 датчика будут определяться выражением (1), в котором поверхностная плотность заряда с определится выражением [16]
а( х,у) =--
__Е
3 тн
(14)
1+-
Д Д2
где ЕН — напряженность неоднородного поля.
Поочередно направляя вектор напряженности ЭП на координатные оси датчика х, у и г, найдем электрические заряды, индуцированные ЭП на частях поверхности пластины, ограниченных размерами чувствительных элементов 2-9.
При направлении точечного источника вдоль оси г электрические заряды, индуцированные ЭП на диаметрально расположенной паре чувствительных элементов 2 и 6 определятся выражением
Он
±2ввпМ2
М2 Л2
= ±1Нх, У) • ^ = ± | М
2е80 dxdy
- 2 аг^ап
1 +
arctan
Л М Ж_Д
М 2 Л2
)5С- + ^У-
Д 2 Б 2
Л
1-2
М2
I?2
1-
Б 2
М2 С2
- arctan
Б2
1 + 2
Г)2
(15)
где 0Н — заряд, индуцированный неоднородным п олем.
Введем следующие нормировки: Ь:2 = а , — = Ь — = а-Ь . Тогда выражение (15) примет вид
Д ЖЭ Д
2 1
,н 2,6 =±28£оМ2 • —
(
агс1ап
д
•п + 2а2
(
— 2 агс1ап
+ агс1ап
а2Ь
--1 + а 2)
' а 2Ь2 > л/1 + 2аЬЬ2
(16)
Меняя границы интегрирования в выражении (15), найдем электрические заряды на другихпа-рах чувствительных элементов , такиа ьак 3 и 7, 4 и 8, 5 и 9. Они также будут определятьсявы-ражениями (15)и (16).
В выражениях (15) и (16) знак минуссоответ -ствует зарядам на чувствительных элемаптах 2, 3, 4 и 5, а знак плюс — зарядам на чувствительных элементах 6,7, 8 к ±.
При направлении точечного заряда вдоль осей х и у датчика электрические зарэды на диаметрально расположенных парах чув ствительных
элементов — для оси х: 2 и 5, 3 и 4, 6 и 9, 7 и 8, идля оси у:5и4,3 и 3, 8 и 8, 6 и 7 будут также определяться выражениями (15) и (16).
Объединяя чувствительные элементы 2-9 многоэлементного датчика попарно в группы по координатным осям х, у иг и формируя двойной д—Г2ик, аае это быно сделаео при рассмотрении датчика в одьеродьом поле, суммарные заряды на каждой паре групп чувствитнльных элементов будут соатнетственно равны: Пооси х
Первый датчик
2 1
д72,3,6,7 к—8880м '"Г
агЛап
( а2 ^ л/1 + 2а2
(
— 2 агЛап
-агсНап
а 2Ь
о
Нн + а2 (1 + Ь2)
' а2Ь2 > л/1 + 2а2Ь2
2
1
5
Н
2
2
50
Второй датчик
к
н4,5,8,9 ь +8880ж ' — •
а
атаап
( 2 ^ а
1
л/1
-.2
2агс1ап
+ 2а + агс1ап
а 2Ь
+ а2 (1 + Ь2)
2 2,2 А а Ь
л/1 + 2а 2Ь2
Е7х •
(18)
По оси у
Первый датчик
2 1
Дн 2,5,6, к—888оЖ '-т- •
агс1ап
' а2
л/1 + 2а'
+ агс1ап
А ^
— 2 аг^ап
а Ь
+ а2 (1 + Ь2)
' а 2Ь2 ^ л/1 + 2а 2Ь2
Ену •
(19)
Второй датчик
б.
2 1
7 3,4,7,8 = +82222оЖ • —
аг^ап
' а2 ^
(
\
л/1 + 2а
+ ал^ап
- 2 аг^ап
а Ь
д/1 + а2(1 + Ь2)
2 + а/1 + 22а?2Ь2
Т7у •
(20)
По оси г
Пеавый -2тчск
б,
н2,3,4,5 _ 822оЖ • 2 •
а
агсйп
( а2
л/1 -а 2<аг
+ ьг^ЬП
й 2 - 2 ьПЬЬП
а Ь
Я 1 + а 2(1 + Ь2)
' с12Ь2 й л/1 + 2а 2Ь2
Енг •
(21)
вт2аой датчик
2 1
Дн6,7,8,9 = +8ееоЖ • -2
аг^ап
' а?2 й л/1 + 2а2
Г
- 22 агсаап
л/1 + а2 (1 + Ь2)
+ ^с^ап
f аЬ Ь
\
лBl + 2a2Ь2
Енг •
(22)
Если использовать двойной датчик в диффс- альны! а^азяс^ов датаика +о о 1яь х, у и г можно ренциальном включенди, тогда1 для Д1ффжренци- мписы
иии=и«к.9 - и-, = 1<5^лвоМЭ .-Н
а
ап^ап
( 1 \ а
л/1 Я 2а2
1
- 2 агйап
а 2Ь
Я1 -1 а2 (1-1Ь2)
Яьгс^ЬП
( 2/2 А а Ь
//1Я 2а2Ь2
(23)
КДЛ у Д3,4,7,8 Д^2.
=3 16)8^о1Э62 •-Ч а
(
a/чCan
г
ьЯЯBь
- 2ь/ctan
а2/
Т+яа^^
г
- ь/ctan
2г,2 А а Ь
я+я^а^
-ну
(24)
+
+
а
+
2
+
пН* Ж = ЖВ:7:8:9 " Ж9Д4:5 = ^0 ы'
агс1ап
л/1 + 2а2
- 2 агс1ап
а 2о
л/1 + а2 (1 + о2)
+ агс1ап
С 21 2 а о
л/1 + 2а 2о2
о,
(25)
Из выражений (23 — 25) следует, что дифференциальная чувствительность двойного датчика напряженности ЭП по трем координатным осям х, у и г одинакова и определяется выражением
ОдН"Ф = 1б££0 ы2 — •
агс1ап
л/1 + 2а2
/
- 2 агс1ап
а 2о
+ агс1ап
1 + а2 (1 + о2)
а2о 4
л/1 + 2а 2о2
. (26)
Согласно (26), дифферфн^и1Л0ная чувствительность датчика, находящегося в неоднородном поле, не остается постоянной, а зависит как от конструктивных параметров М и Ь самого датчика, так и от параметре» в взаимодействую щей среды, а имен1 о от расстояния до источника поля а.
Результаты исследования. Оценим погреш-нонть датчика, вызванную неоднор однастью поля. Для этого сопоотавим чувствительности датчика, находящегоСя в одооаодном (13) 5 Фендаородном (22) полох. Примем в^стви-тельность датчика в однородннм 1 нле как меру, соответствующею однородному полю. Тогда по отношению к ней искомая погрешность датчика определится выражен и ем
5 диф _ 5 диф
8(а, о) н ,5 п100 н
5Ниф
а2 (1 - о)2
агс1ап
.л/1 н 2а2 Г
- 2 агс1ап
а2о
н агс1ап
1 н а2 (1 н о2)
ао ^
л/1 н 2а 2о2
-1
!>• 100. (27)
Проанализируем и оценим погрешность (27) датчика от неоднородности ЭП. Для этого учтем ранее введенные нормировками а = М/Б, Ь = ЫМ, где М — половина стороны квадратной пластины основания датчика; Б — расстояние от центра датчика до источника поля. Нормирующий параметр а определяет степень неоднородности поля и характеризует близость датчика к источнику поля. Таким образом, с удалением датчика от источника ЭП (а ^ 0) поле вблизи окрестностей датчика приближается к однородному. Наиболее приемлемый диапазон изменения относительного параметра а от 0 до 1. При этом
чг «
и к
к
§
о о и
а
V
её-
и —
2 5=0
4 6=0,1 Ъ=0,2
6 Ь=0,3
8
0.05 0.1
0.15
0.2 0.25
0.3
0.35
Относительное расстояние
Рис. 4. Погрешность датчика от неоднородности поля в зависимости от относительного расстояния а и различных значений параметра b=h/M
поле изменяется от однородного а = 0 до поля со 100 % неоднородностью, а = 1. Нормирующий параметр Ь отвечает за конструктивные размеры чувствительных элементов, оптимизация размеров которых позволит свести погрешность датчика от неоднородности поля к желаемому минимуму.
Рассчитаем и построим графики погрешности (27) от неоднородности поля в зависимости от параметров а и Ь. Для этого воспользуемся математическим редактором МаШСАЭ 14. График погрешности от неоднородности ЭП для датчика с чувствительными элементами в виде квадратов, отстоящих друг от друга на расстояние 2Л, в зависимости от относительного расстояния а и различных значений параметра Ь = Л/М представлены на рис. 4.
Анализ графиков рис. 4 показывает, что погрешность многоэлектродного датчика во всем пространственном диапазоне измерения отрицательная и при а > 0,15 выходит за пределы 2 %. И это уже на расстояниях от источника поля Б, равных приблизительно семи линейным размерам М половины стороны проводящей квадратной пластины основания датчика (Б = 7М). В сравнении с датчиком, используемым в работе [19], рассмотренный в статье датчик обладает лучшими метрологическими характеристиками.
Выводы и заключение. Результаты исследования позволяют сделать следующие выводы:
1) сформулирован метод трех секущих взаимно перпендикулярных плоскостей, позволяющий получать датчики составляющих вектора напряженности ЭП;
2) подтверждена возможность создания плоского многоэлементного датчика составляющих вектора напряженности ЭП с использованием метода трех секущих взаимно перпендикулярных плоскостей;
а
+
1
2
а
а
н
2
а
1
н
3) установлено, что многоэлементный датчик напряженности ЭП обладает средними метрологическими характеристиками (погрешность до 2 % при пространственном диапазоне a ~ 0,15);
4) установлено ограничение пространственного диапазон a измерения датчика предельным расстоянием D до источника поля заданной погрешностью датчика 5 от неоднородности поля. Например, при 5 = 2 % пространственный диапазон a ~ 0,15, тогда D ~ 7M, где M — линейный размер половины стороны проводящей квадратной пластины — основы датчика, а уже при 5 = 10 % a = 0,33, а D = 3M;
5) датчик выдает сигнал, пропорциональный заниженному значению заряда, индуцированного неоднородным полем, что приведет к необъективной оценке влияния напряженности ЭП на технические и биологические объекты;
6) датчик имеет слоистую структуру, представляющую чередование диэлектрических и проводящих слоев, толщина которых может составлять десятки нанометров. Это позволяет изготавливать датчик методами нанотехнологий.
В заключение можно отметить, что метрологические характеристики датчика можно улучшить, решив задачу оптимизации размеров чувствительных элементов датчика. Дальнейшие исследования будут проводиться в этом направлении.
Библиографический список
1. Измеритель напряженности электростатического поля СТ-01. Руководство по эксплуатации МГФК 410000.001 РЭ. URL: https://ntm.ru/UserFiles/FiIe/product/ EMF/ST01/manual_ST01.pdf (дата обращения: 18.04.2019).
2. Измеритель параметров электростатического поля ИПЭП-1. Руководство по эксплуатации УШЯИ.411153.002 РЭ. URL: http://www.priborelektro.ru/price/IPEP-1. php4?deviceid = 854 (дата обращения: 12.04.2019).
3. Измеритель параметров электрического и магнитного полей ВЕ-метр-АТ-003 — 3D. Руководство по эксплуатации БВЕК43 1440.07 РЭ. URL: http://ciklon-pribor.ru (дата обращения: 12.04.2019).
4. Юркевич В. М., Кондратьев Б. Л. О методике измерения напряженности и других характеристик электрического поля // Измерительная техника. 1980. № 5. С. 57-59.
5. Чугунов С. А., Юркевич В. М. Расширение зоны измерения параметров электрического поля при применении зондового метода // Измерительная техника. 1981. № 1. С. 33-35.
6. Климашевский И. П., Кондратьев Б. Л., Полетаев В. А., Юркевич В. М. Измеритель вектора напряженности электрического поля высоковольтного оборудования // Измерительная техника. 1983. № 1. С. 48-49.
7. Biryukov S. V., Kaidanov F. G., Kats R. A., Lozhni-kov V. Ya. Calculation and measurement of fields on EHV and UHV substations and near transmission lines // CIGRE-86. International Conference on Large High Voltage Electric Systems, Report 36-06, Session 27th August — 4th September, Paris. 1986. 5 p.
8. Бирюков С. В. Теория и практика построения электроиндукционных датчиков потенциала и напряженности электрического поля // Омский научный вестник. 2000. Вып. 11. С. 89-93.
9. Берент Г. Н., Плейс И. Р. Датчик электрического поля // Приборы для научных исследований. 1971. № 6. С. 141-142.
10. Мисакян М., Коттер Ф. Р., Калер Р. Л. Миниатюрный датчик электрического поля // Приборы для научных исследований. 1978. № 7. С. 52-55.
11. Kamra A. K. Spherical field meter for measurement of the electric field vector // Review of Scientific Instruments. 1983. Vol. 54 (10). P. 1401-1406. DOI: 10.1063/1.1137255.
12. E. P. Pittman, Stanford R. A. Electric field sensor. US patent no. 3,641,427; filed September 24th, 1969; published February 08th, 1972.
13. Гатман С. Двойной измеритель электрического поля с защитой // Приборы для научных исследований. 1968. № 1. С. 45-49.
14. Щигловский К. Б., Аксельрод В. С. Приборы для измерения параметров электростатического поля и их калибровка // Измерительная техника. 1978. № 5. С. 63-65.
15. Biryukov S. V., Korolyova M. A. Electroinduction disk sensor of electric field strength // IOP Conf.Series: Journal of Physics: Conf. Series. 2017. Vol. 944 P. 012017-1-012017-8. DOI: 10.1088/1742-6596/944/1/012017.
16. Бирюков С. В., Щапова Л. В. Датчик напряженности электрического поля в виде плоской проводящей пластины в форме квадрата // Омский научный вестник. 2017. № 5 (155). С. 126-130.
17. А. с. 920569 СССР, МКИ G 01R 29/08. Устройство для измерения составляющих электрического поля / Хаха-мов И. В. № 2954934/18-21; заявл. 10.07.80; опубл. 15.04.82. Бюл. № 14.
18. А. с. 1401407 СССР, МКИ G 01 R 29/12 Датчик напряженности электрического поля / Юркевич В. М, Климашевский И. Л, Полетаев В. А., Сидоров И. А. № 4114543/24-09; заявл. 09.09.86; опубл. 09.06.88, Бюл. № 21.
19. 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.
БИРЮКОВ Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Физика» Омского государственного технического университета. SPIN-код: 9384-0078 ORCID: 0000-0002-1362-9911 AuthorID (SCOPUS): 7006438919 ТЮКИН Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Физика» Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета, г. Омск. Адрес для переписки: [email protected]
Для цитирования
Бирюков С. В., Тюкин А. В. 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. DOI: 10.25206/18138225-2019-165-46-53.
Статья поступила в редакцию 23.04.2019 г. © С. В. Бирюков, А. В. Тюкин
