УСТРОЙСТВО ВЫЯВЛЕНИЯ ЗОН УВЕРЕННОГО ПРИЕМА СЛУЖЕБНЫХ РАДИОСТАНЦИЙ ВБЛИЗИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI 10.25987^Ти.2020.16.1.013 УДК 621.317.328

УСТРОЙСТВО ВЫЯВЛЕНИЯ ЗОН УВЕРЕННОГО ПРИЕМА

СЛУЖЕБНЫХ РАДИОСТАНЦИЙ ВБЛИЗИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЙ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

С.В. Бирюков1'2, А.В. Тюкин2

хОмский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Сибирский автомобильно-дорожный университет, г. Омск, Россия

Аннотация: рассматриваются вопросы построения устройства для выявления зон уверенного приема портативных радиостанций. Для этого исследуется двухкоординатный цилиндрический электроиндукционный датчик составляющих вектора напряженности низкочастотного электрического поля. В результате исследований выявлено два возможных варианта построения датчика напряженности электрического поля. Первый вариант датчика, состоящий из двух пар чувствительных элементов в форме цилиндрических сегментов, имеет положительную погрешность и малую чувствительность. У второго датчика, состоящего из двух пар составных чувствительных электродов, каждый из которых объединяет два чувствительных элемента, погрешность отрицательная, а чувствительность в 1,41 раза выше, чем у первого. Оба датчика при погрешности +4% могут работать в пространственном диапазоне а<0.5, не превышая этой погрешности. Пространственный диапазон измерения а определяется расстоянием до источника поля d=2R, где R -радиус цилиндрического основания датчика. Для обнаружения зон уверенного приема переносных радиостанций с большей степенью вероятности целесообразней использовать датчики второго варианта исполнения, обладающие большей чувствительностью и отрицательной погрешностью. Таким образом, исследованные в работе датчики позволяют создать устройства выявления зон уверенного приема портативных радиостанций

Ключевые слова: зоны уверенного приема, цилиндрический датчик составляющих вектора напряженности электрического поля, однородное поле, линейный электрический заряд, напряженность электрического поля, чувствительный элемент, погрешность от неоднородности поля, пространственный диапазон измерения, электрометрические измерения

Введение

Высоковольтные линии электропередач (ЛЭП) создают в окружающем пространстве сильные низкочастотные электромагнитные поля, негативно влияющие на каналы радиосвязи. Этим вопросам уделяется мало внимания как в научно-технической, так и учебной литературе.

Чаще всего в научно-технической литературе можно встретить вопросы негативного влияния низкочастотных электромагнитных полей ЛЭП на технические и биологические объекты, экологию и др. Этим вопросам посвящено большое количество нормативных документов по регламентации расположения ЛЭП вблизи жилых зон, крупных производств и др.

В то же время в зонах воздействия ЛЭП 330, 750 и 1150 кВ оказываются большое количество радиосистем и радиокомплексов. К ним можно отнести портативные и служебные радиостанции, которые поддерживают радиосвязь центральных диспетчеров важных объектов инфраструктуры таких, как скорая помощь, полиция, пожарные, обслуживающий персонал газопроводов и других. Наличие электромаг-

© Бирюков С.В., Тюкин А.В., 2020

нитных помех проявляется в виде тресков и шумов от ЛЭП, что приводит к невозможности обеспечения радиосвязи.

Одним из решений описанных проблем может быть метод отыскания зон с пониженной напряженностью электромагнитного поля ЛЭП, из которых можно осуществлять радиосвязь. Согласно рис. 1 [1-3] такие зоны под ЛЭП существуют. К ним можно отнести зону непосредственно под ЛЭП, зону вблизи 10 м от ЛЭП и зону на расстоянии более 40 м от ЛЭП. Автор [1] утверждает, что под ЛЭП на высоте 2 м существует преимущественно вертикальная составляющая электромагнитного поля. Другой особенностью электромагнитного поля ЛЭП является то, что поле низкочастотное и это позволяет раздельно рассматривать электрическую и магнитную составляющие. Кроме этого ЛЭП передают в большей степени электрические напряжения, чем электрические токи, поэтому вокруг них присутствует только электрическая составляющая электромагнитного поля, т.е. электрическое поле, относящееся к квазистатическому. Эти особенности электромагнитного поля ЛЭП необходимо учитывать при разработке датчика электромагнитного поля и устройства на его основе.

Рис. 1. Профиль электрического поля ЛЭП-750 кВ на высоте 2 м над землей

В связи с тем, что электрическое поле ЛЭП радиальное, т.е. имеет две составляющие, то целесообразней всего для построения устройства выявления зон уверенного приема использовать одно- или двухкоординатные электроиндукционные датчики цилиндрической формы. Выбор одно- или двухкоординатного датчика определяется областью пространства измерения напряженности электрического поля под ЛЭП [3]. В любом случае, какой бы датчик не был бы выбран, он должен обладать определенными метрологическими характеристиками, основными из которых являются его погрешность и чувствительность. В связи с этим необходимо решить задачу взаимодействия проводящей поверхности электроиндукционного цилиндрического датчика с электрическими полями различной неоднородности и установить взаимосвязь конструктивных элементов датчика с его погрешностью и чувствительностью.

Для этого рассмотрим два вида электрических полей, которые можно отнести к граничным случаям: однородное электрическое поле и поле линейного заряда, обладающего сильной неоднородностью в радиальной плоскости. Однородное поле является эталонным, позволяющим оценить основную погрешность датчика и устройства на его основе. Поле линейного заряда позволит оценить дополнительную предельную погрешность датчика от неоднородности электрического поля, так как предположительно в других неоднородных полях эта погрешность будет меньше, чем в поле линейного заряда.

Далее в данной работе будем рассматривать устройство выявления зон уверенного приема служебных радиостанций вблизи высоковольтных ЛЭП, в основе которого для общности лежит двухкоординатный электроиндукционный цилиндрический датчик напряженности электрического поля.

Датчик напряженности электрического поля

Датчик рис. 2 представляет собой проводящий цилиндр 1 радиусом R и высотой h, на боковой поверхности которого на двух координатных осях х и у попарно располагаются проводящие чувствительные элементы в форме цилиндрических сегментов с угловым размером в0. Предельный угловой размер чувствительных элементов составляет в0<л/4. Таким образом, на координатной оси х диаметрально противоположно расположена пара чувствительных элементов 2 и 4, а по оси у - 3 и 5. Чувствительные элементы изолированы от проводящего цилиндра слоем диэлектрика, а между собой воздушным промежутком 2Ь рис. 2,б.

Рис. 2. Цилиндрический двухкоординатный датчик напряженности электрического поля: а) общий вид; б) вид с боку

Чувствительные элементы 2, 4 и 3, 5 представляют собой тонкий проводящий слой толщиной порядка 10^100 мкм, нанесенный методами нанотехнологий на боковую поверхность проводящего цилиндра, а его радиус и длина совпадают с размерами проводящего цилиндра.

Пологая, что толщина чувствительных элементов и их расстояние от проводящего цилиндра много меньше его радиуса R, можно считать, что чувствительные элементы и проводящий цилиндр, лежащий в основе датчика, имеют равные потенциалы (для этого будут приняты специальные меры), а датчик представляет собой единую проводящую цилиндрическую поверхность.

При внесении такого датчика в электрическое поле на его чувствительных элементах индуцируются электрические заряды, пропорциональные напряженности электрического поля. Для определения величин этих зарядов, необходимо знать распределение плотности зарядов, индуцированных на боковой поверхности проводящего цилиндра однородным и неоднородным электрическим полем линейного заряда.

Проводящий цилиндр в полях различной неоднородности

Для нахождения поверхностной плотности заряда представим на рис. 3 сечение проводящего цилиндра, находящегося в поперечном однородном или неоднородном электрическом поле и произвольную точку наблюдения А вне цилиндра, задаваемую цилиндрическими координатами г и в.

Рис. 3. Проводящий цилиндр в однородном электрическом поле Е

Опишем электрическое поле, вне проводящего цилиндра для произвольной точки наблюдения А (г>Я), с помощью потенциала^ = р(г,в), удовлетворяющего двумерному уравнению Лапласа в полярных координатах, который обращается в нуль на поверхности проводящего цилиндра r=R.

Тогда для однородного поля несложно получить зависимость потенциала результирующего поля от пространственных переменных, которая примет вид [4]:

Р = -Е0 ■г ■

Я

2 |

■ cos в .

(1)

Градиент потенциала, определяемого выражением (1), позволяет найти вектор напряжённости результирующего поля:

Е = - gradр ■-

др

ир _ 1 др _ др |

+ еа~ + I . (2)

дг

г дв

дг

Если взять производные согласно выражению (2) по соответствующим координатным осям от потенциала, определяемого выражением (1), то можно найти составляющие вектора напряженности результирующего электрического поля:

( 21 , а

1 + "2" Г

\

/

2 | 1 - ^ Г

sin а,Ег = 0 .(3)

Из выражений (3) следует, что на поверхности проводящего цилиндра г=Я касательные составляющие вектора напряжённости одно-

родного электрического поля обращаются в нуль, а радиальная компонента Ег определяет величину поверхностной плотности индуцированного электрического заряда:

а = ст(в) = 2ее0Е0 ■ соъв . (4)

Проводя аналогичные исследования в неоднородном поле, получим выражение для поверхностной плотности электрического заряда на боковой поверхности проводящего цилиндра, находящегося в поле линейного заряда, параллельного оси цилиндра [4]

а(в) = -ее0 ~

1 --

(1 - а2)

(1 - 2а соз в + а )

Е 0,(5)

где в формулах (4) и (5): е - диэлектрическая проницаемость окружающей среды; е0 - диэлектрическая постоянная; а=Я/й - параметр, характеризующий степень неоднородности поля и определяющий пространственный диапазон измерения (относительное расстояние от центра цилиндра до источника ЭП); Я - радиус цилиндра; с1 - расстояние между осью симметрии цилиндра и осью линейного заряда; в -угол между координатной осью х и положением точки на боковой поверхности цилиндра; Е0 = т/2%&0й - напряжённость исходного ЭП,

создаваемого равномерно заряженной прямолинейной нити, имеющей поверхностную плотность заряда т в точке с координатами р = 0, в = 0, г = 0 в отсутствии проводящего цилиндра.

Двухкоординатный цилиндрический датчик в однородном электрическом поле

Воспользовавшись соотношениями (4) и (5) определим электрические заряды, индуцированные на чувствительных элементах датчика. Для этого рассмотрим чувствительные элементы 2 и 4, находящиеся, например, на координатной оси х датчика, и определим на них индуцированные электрические заряды (см. рис. 2).

Электрический заряд, который приобретет изолированный проводящий цилиндр в однородном электрическом поле, определится выражением [5]

Q = , (6)

где с - поверхностная плотность заряда, определяемая выражениями (4);

dS = Я ■ dв■ dz (7)

- элемент цилиндрической поверхности, выраженный в полярной системе координат; Я

а

а

1

2

г

г

Ег = Е0 ■

■ соза, Еа = -Е0

- радиус цилиндрического электрода; а - угол полярной системы координат; dz - элемент оси z совпадающей с осью симметрии цилиндра и изменяющийся от 0 до И; h - высота цилиндра.

Воспользовавшись выражениями (4), (6) и (7), найдем заряды, индуцированные однородным электрическим полем на поверхностях цилиндрических чувствительных элементах 2 и 4 по оси х, и 3 и 5 по оси у (см. рис. 2), воспринимающих составляющие Ех (г) и Еу (г) вектора Е0 (V) напряженности электрического

Л + 0

2 2 cos а + cos р = 1.

(13)

Q°(t) = -J J 2ss0E0(t)Cos0- R • de- dz =

о-eo

- 4ss0 R • h • sin e0 • Ex (t);

° hne Q° (t) = +J J2ss0E0(t)Cose- R • de • dz = 0i+e0

+ 4бб0R • h • sin e0 • Ey (t);

(8)

h+e0

Q3° (t) = - J J 2ss0 E0 (t)Cos e • R • de • dz =

0-00

- 4ss0R • h • sin e0 • Ex (t); h»-e0

g5° (t) = + J J 2ss0 E0 (t)Cos e • R • de • dz =

0ж+0„

(9)

+ 4ss0R • h • sin e0 • Ey (t).

Из выражений (8) и (9) следует, что заряды, индуцированные на проводящих поверхностях чувствительных элементов датчика, зависят от его конструктивных размеров (R, h и 0о). Заряды также пропорциональны составляющим Ex(t) и Ey(t) напряженности однородного электрического поля E0 (t) . В связи с этим при постоянстве R, h и 0о индуцированные заряды можно рассматривать как меру напряженности поля.

Чувствительные элементы, противоположно расположенные на одной координатной оси, образуют двойной датчик. При дифференциальном включении чувствительных элементов датчика его суммарный заряд (t) и чувствительность увеличиваются вдвое

бд°иф.х (t) = (Q4° )- (-62°) =

= 8ее0R • h • sin &0 • Ex (t)

бд°иф.у (t) =(Q5° )-(-Q°) =

= 8ee0R • h • sin &0 • Ey (t)

(10) (11)

В формулах (8) - (11):

Ех(г) = Е0(г)со8а; Еу(г) = Е0(/)со8Р, (12)

где а и Р - направляющие косинусы между

вектором Е0(г) и координатными осями х и у

датчика соответственно, для которых выполняется условие

С учетом выражений (10) - (13) заряд, пропорциональный модулю вектора напряженности электрического поля, будет определяться как

e°(t) ^[оОиф^+ЬОиф.^ =

= • h • ¡Ш0 ^[Ex(í)]2 +\иу (Г)]2 =,

= 8ee0R • h • sine0 • E0 (t)

гдеGo - dQ

где Gдиф.

dE

8EE0R • h • sin e

0

(14)

- чувствительность датчика.

Выражение (14) устанавливает зависимость чувствительности датчика от его линейных (радиус R и высота И) и угловых (0О) размеров как цилиндрического корпуса, так и чувствительных элементов. Это же выражение показывает независимость чувствительности датчика от расстояния до источника поля, поскольку считается, что в однородном поле источник удален в бесконечность.

Таким образом, при постоянстве геометрических размеров цилиндрического корпуса и чувствительных элементов датчика в процессе измерения его чувствительность остаётся неизменной. В однородном электрическом поле это условие выполняется.

Двухкоординатный цилиндрический датчик в неоднородном поле линейного заряда

Пусть датчик находится в электрическом поле линейного заряда трис. 4.

Рис. 4. Цилиндрический двухкоординатный датчик напряженности электрического поля в поле линейного заряда т

О

Под линейным зарядом будем понимать равномерно заряженную прямолинейную нить, имеющую плотность электрического заряда т на единицу длины.

Найдем заряды, индуцированные на поверхностях цилиндрических чувствительных элементах 2 и 4 по оси х, и 3 и 5 по оси у (см.

рис. 2), воспринимающих составляющие Ех (V)

и Еу (V) вектора Ен (V) напряженности неоднородного электрического поля. Для этого подставим в выражение (6) выражение (5) для плотности электрического заряда на проводящей цилиндрической поверхности, находящейся вблизи линейного заряда [6]

Q2Н(t ) =

- 4ее0Я ■ к ■\--

2а

/ /ст(в) ■ Я ■ dв ■ dz =

( 1 + а в0 - 2агс«ап|-tan —

1 1 - а 2

„ к ж-—

QН(t) = +! /ст(в) ■ Я ■ dв ■ dz--

0 ж+в

+ 4ее0Я ■ к — ■ 0 2а

в0 - 2агс«ап| 1—аtan —

1 + а 2

Ех (V);

Ех (V);

(15)

QзН(t ) =

/ст(в) ■ Я ■ dв ■ йг =

0-в0

- 4ее0Я ■ к ■ •!--в0

I 2а

I 1 + а в0 - 2 агс«ап |-tan —

1 1 - а 2

«ап вМЕ (V); (16)

QН(t) = +| ¡а(в) ■ Я ■ dв■ dz =

0 ж+в

+ 4ее0Я ■ к ■1 - -1 ■ в0 - 2 агс«ап | 1

а_ «ап \ \Е у (V);

ч 1 + а 2

Из выражений (15) и (16) следует, что заряды, индуцированные на проводящих поверхностях чувствительных элементов датчика неоднородным полем, зависят уже не только от его конструктивных размеров (Я, к и в0), но и от пространственного диапазона a=Я/d (Я - радиус цилиндрического датчика, d - расстояние от оси симметрии датчика до источника поля). И в этом случае заряды пропорциональны составляющим Ех(0 и Еу(0 вектора напряженности неоднородного электрического поля Ен (V) .

Дифференциальное включение датчика позволяет снять с его чувствительных элементов суммарный заряд

2дНиф.х = ©4Н) - (-22Н) = 8ее0Я ■ к ■

I _1

1 2а

1 + а в0

[ 1 - а 2

' 1 - а

аг^аП-«ап— \ - аг^-«ап— \ \Ех(V)

11 + а 2

; (17)

еНиф.у=(25н) - (-23Н)=

8ее0Я ■ к ■

11 + а в0 агс«ап-«ап—

^ 1 - а 2

(1 - а в0 - агс«ап-«ап—

1 1 + а 2

(18)

Еу (V)

С учетом выражений (10), (11), (17) и (18) заряд, пропорциональный модулю вектора напряженности электрического поля, будет определяться как

ю+Ьн*4 =

8ее,Я ■ к ■

2а

(1 + а в0 I

агс«ап-«ап— |-

[1 - а 2

- агйа!

(1 - а в0

4-«ап—

[1 + а 2

(19)

Ес(0

где

— Н -диф.

' сЕ0(г) '

8ее0Я ■ к ■

(1 + а в0 агс«ап1-«ап—

[ 1 - а 2

(1 - а в0 п|-«ап —

[ 1 + а

(20)

- чувствительность датчика.

Из выражения (20) следует, что чувствительность датчика, помещенного в неоднородное поле линейного заряда, определяется не только геометрическими размерами цилиндрического корпуса и чувствительных элементов датчика, но и относительным расстоянием a=Я/d до источника поля (Я - радиус цилиндрического корпуса датчика, d - расстояние от оси симметрии датчика до линейного заряда). Следовательно, чувствительность датчика, находящегося в неоднородном поле не остаётся постоянной, а зависит от расстояния до источника поля. Наличие этой зависимости приводит к дополнительной погрешности датчика от неоднородности электрического поля. Оценим эту погрешность. Для этого воспользуемся выражениями (14) и (20), в которых предельный угловой размер в0 чувствительного элемента будем выбирать из диапазона 0<в0< Ж4.

5(а)--

—Н _

диф. диф.

О

х 100 =

G

диф.

(1 + а в0 I (1 - а в0

агйап-«ап— I- агйап-«ап—

\ 1 - а 2 I \ 1 + а 2

2а ■ йт в

0

(21)

х100

Воспользовавшись выражением (21), проведем оптимизацию углового размера чувствительных элементов двухкоординатного датчика с точки зрения минимума погрешности датчика и максимума пространственного диапазона измерения. Для этого с помощью математического редактора MathCAD 14, построим графики погрешности 3(а,в0) от неоднородности поля в зависимости от пространственного диапазона а при различных значениях углового размера в0 чувствительного элемента. Графики погрешно-

2

к +

к +

кж-

1

сти 8(а, 60) представлены на рис. 5.

12 10

«

I 8 =

£ 6

О

2

с

я 0

с о

= -2

=

8-4

5-8 С -10

-12

3(а, во), 9 6 1 > ( 2 V

■ Мэ — А =40°

- йр

4 Ь=50

/; Ь=ои Ь_70 О

МО О

У 6 Ь=90 О

а=К •7

0 0Л 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Пространственный диапазон измерения, а

Рис. 5. Графики погрешности от неоднородности поля в зависимости от параметра а для заданных угловых размеров чувствительных электродов 660

Согласно графикам 1-3, соответствующим условию 0<в0<л/4, погрешность двухкоорди-натного датчика от неоднородности электрического поля положительна в пространственном диапазоне измерения 0<а<1. Отсюда следует, что выходной сигнал датчика будет пропорционален завышенным значениям напряженности электрического поля, что может приводить к не обнаружению зоны уверенного приёма радиостанции. Графики 1-3 показывают, что только при угловом размере чувствительных элементов 60=45° (график 3) погрешность датчика имеет меньшее значение при более широком пространственном диапазоне измерения. График погрешности 3, соответствующий этому угловому размеру чувствительного элемента, практически во всем пространственном диапазоне измерения 0<а<1 не выходит за пределы +12%. Этим же графиком следует руководствоваться при выборе меньшей погрешности датчика, и установления ограниченного пространственного диапазона измерений для неё. Так, например, для погрешности 8=3% пространственный диапазон а<0.3. Из рис. 5 видно (графики 4-8), что при угловых размерах чувствительных элементов 60>45° погрешность датчика уменьшается и переходит из области положительных значений в область с отрицательными значениями погрешности. Однако при 60>45° чувствительные элементы будут накла-

дываться друг на друга. Следует также отметить, что при 60>45° не только уменьшается погрешность, но и увеличивается чувствительность датчика (14). Согласно (14) максимум чувствительности наблюдается при 60=90° [7]. В случае выявления зон уверенного приема служебных радиостанций вблизи высоковольтных ЛЭП и других источников низкочастотного электрического поля чувствительность датчика имеет критичное значение. Следовательно, нужно найти такое техническое решение для построения датчика, при котором датчик обладал бы максимальной чувствительностью при исключении наложения его чувствительных элементов. И такое техническое решение автором было найдено [8]. Оно заключается в том, что в датчике, представленном на рис. 2, его координатные оси разворачивают на 45°. Датчик с разворотом координатных осей представлен на рис. 6.

На рис. 6 оси х' и у'- старые координатные оси датчика. Такой разворот координатных осей позволяет сформировать двухкоординат-ный датчик, у которого каждый чувствительный электрод состоит из двух чувствительных элементов.

Рис. 6. Двухкоординатный датчик с поворотом координатных осей на 45°

Так по координатной оси х диаметрально противоположно расположены две пары чувствительных электродов, состоящих из чувствительных элементов 2, 5 и 3, 4, а по оси у -две пары чувствительных электродов, состоящих из чувствительных элементов 2, 3 и 4, 5. Такое объединение чувствительных элементов

в чувствительные электроды позволяет обеспечить им угловой размер равным в0 « 90°. Неравенство в0 Ф 90° объясняется наличием воздушного промежутка 2Ь рис. 2,б между чувствительными элементами. Таким образом, в этом исполнении датчик будет иметь увеличенную чувствительность (14) —д0иф(90°)

к--

= л/2 «1,41раза . (22)

—диф(45°) 42/2

Все приведенные выше расчеты применимы к датчику в новом исполнении, включая его погрешность, определяемую выражением (21). На рис. 5 этой погрешности соответствует график 8. Согласно графику 8 рис. 5 для в0=90° погрешность датчика от неоднородности электрического поля отрицательна в пространственном диапазоне измерения 0<а<0,67 не выходит за пределы минус 12% [9, 10]. Отсюда следует, что выходной сигнал датчика будет пропорционален заниженным значениям напряженности электрического поля, что позволит не пропустить зону уверенного приёма радиостанции.

Графиком 8 рис. 5 следует руководствоваться при выборе меньшей погрешности датчика, и установления для него ограниченного пространственного диапазона измерений. Так, например, для погрешности 5=-3% пространственный диапазон составит а<0.32. При этом он будет шире, чем для датчика в первом исполнении.

Двухкоординатный датчик подключается к измерительной цепи устройства согласно функциональной схеме. На функциональной схеме съём электрических зарядов с чувствительных элементов датчика осуществляется через интеграторы тока (усилители заряда). Интеграторы тока обеспечивают выполнение ранее оговоренного дополнительного условия эквипотенциальности поверхностей чувствительных элементов и проводящего цилиндрического основания датчика в связи с равенством нулю его входного сопротивления.

За объединение чувствительных элементов 2-5 датчика в чувствительные электроды на функциональной схеме отвечают сумматоры 1 и 2. На выходах сумматоров формируются напряжения их(0 и иу(0, пропорциональные соответствующим составляющим вектора напряженности электрического поля Ех(0 и Еу(0. Микроконтроллер на функциональной схеме отвечает за геометрическое суммирование напряжений их(0 и иу(0. На выходе микроконтроллера формируется цифровой выход-

ной сигнал, поступающий на цифровое отсчет-ное устройство (ЦОУ), количественно отображающее информацию о наличии (отсутствии) уверенных зон приема портативных радиостанций.

Датчик устройства отображающего зоны уверенного приема для радиостанций закрепляется на телескопической штанге, выдвигающейся из измерительного устройства. Конструктивное исполнение датчика с телескопической штангой представлено на рис. 7.

Рис. 7. Двухкоординатный цилиндрический датчик на штанге. Конструктивное исполнение

Результаты исследования

В работе проведены исследования двух вариантов построения двухкоординатных датчиков напряженности электрического поля для устройства выявления зон уверенного приема портативных радиостанций. Приведены их теоретические расчеты, оценена их погрешность и пространственный диапазон измерения.

Исследуемые датчики отличаются угловыми размерами чувствительных элементов, которые составляют: а) для первого варианта -в0=45°; б) для второго варианта -в0=90°. Для второго варианта чувствительные электроды выполнены составными. Они формируются из чувствительных элементов датчика первого варианта. Это является новым техническим решением. Для исследуемых датчиков указанных угловых размеров чувствительных электродов погрешность датчика в первом варианте положительная, а во втором варианте отрицательная. При этом для первого варианта погрешность датчика не выходит за пределы +12% во всем пространственном диапазоне измерения 0<а<1. Для второго варианта датчика погрешность не выходит за пределы -12% в меньшем пространственном диапазоне измерения 0<а<0,68. Если погрешность задать ±4%, то для обоих вариантов датчика пространственный диапазон измерения будет одинаков и составит 0<а<0,5. Датчик первого варианта оказывается менее предпочтительным. Это связано с тем,

что он имеет положительную погрешность и малую чувствительность. Эти факторы могут приводить к выявлению недостоверных зон уверенного приема радиостанций. В отличие от первого, второй вариант имеет более высокую чувствительность и отрицательную погрешность, которая позволяет с большей степенью вероятности определять зоны уверенного приема радиостанций. В связи с этим следует выбирать второй вариант построения датчика. Поскольку такой датчик пригоден для измерения с погрешностью - 4% в пространственном диапазоне 0<а<0,5, т.е. на расстояниях от источника поля d, равных двум радиусам цилиндрического корпуса датчика ^=2Я).

Выводы и заключение

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

1. Для построения устройства выявления зон уверенного приема целесообразней использовать двухкоординатные электроиндукционные цилиндрические датчики напряженности электрического поля;

2. Возможны два конструктивных варианта исполнения датчика напряженности электрического поля. Первый вариант - датчик с четырьмя одинарными чувствительными элементами в форме цилиндрических сегментов попарно расположенными на диаметрально противоположных сторонах цилиндрического корпуса датчика. Каждая пара чувствительных элементов находится на соответствующих координатных осях датчика х и у. Во втором варианте датчик имеет четыре составных чувствительных электрода. Каждый чувствительный электрод состоит из двух чувствительных элементов датчика первого варианта. Чувствительные элементы участвуют в формировании чувствительных электродов, расположенных как по оси х, так и по оси у датчика.

3. Датчик в первом варианте исполнения имеет положительную погрешность, вызванную неоднородностью поля. При ограничении этой погрешности 8 = +4 % пространственный диапазон составит 0<а < 0,5 ^=2Я).

4. Датчик во втором варианте исполнения имеет отрицательную погрешность. При огра-

ничении этой погрешности 5=-4% пространственный диапазон составит 0<а<0.5 (d=2R).

5. Чувствительность датчика второго варианта исполнения в 1,41 раза выше чувствительности датчика в первом исполнении.

6. Для обнаружения зон уверенного приема переносных радиостанций с большей степенью вероятности целесообразней использовать датчики второго варианта исполнения, обладающие большей чувствительностью и отрицательной погрешностью.

Таким образом, исследованные в работе датчики позволяют создать устройства выявления зон уверенного приема портативных радиостанций.

Литература

1. Перельман Л.С. Расчет электрического поля трехфазной линии электропередачи // Электричество. 1978. № 1. С. 16-19.

2. Deno D.W. Transmissien Line Fields // IEEE Transactions Pas, 1976. V. 95. № 5. Р. 1600-1611.

3. Calculation and measurement of fields on EHV and UHV substations and near transmission lines / S.V. Biryukov, F.G. Kaidanov, R.A. Kats, V.Ya. Lozhnikov // CIGRE-86. International Conference on Large High Voltage Electric Systems, Report 36-06, Session 27th August-4th September 1986. Paris. 5 p.

4. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электромагнитное поле. 7-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1978. 273 с.

5. Методы расчёта электростатических полей / Н.Н. Миролюбов [и др.]. М.: Высшая школа, 1963. 415 с.

6. Бирюков С.В., Колмогоров А.С., Колмогорова С.С. Взаимодействие проводящей поверхности цилиндрического датчика с электрическим полем равномерно заряженной прямолинейной нити, параллельной оси цилиндра // Омский научный вестник. 2018. № 3 (159). С. 18-21.

7. Nilton O. Renno, Ann Arbor, MI (US); Steven A. Rogacki, Chelsea, VI (US). Rotating electric-field sensor. US patent 20110062968A1; filed June 02th 2009; published March 17th, 2011.

8. Патент на полезную модель № 183095 РФ, МПК G 01 R 29/12 / Бирюков С.В., Блесман А.И. - 2018120984; заявл. 06.06.2018; опубл. 11.09.2018, Бюл. № 26.

9. 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. 25.

10. Electroinduction disk sensor of electric field strength / S.V. Biryukov, D.S. Baranov, S.S. Kolmogorova, A.V. Tyukin // IOP Conf.Series: Journal of Physics: Conf. Series 1210 (2019) 012016/ - P. 9. DOI: 10.1088/17426596/1210/1/012016.

Поступила 26.12.2019; принята к публикации 14.02.2020 Информация об авторах

Бирюков Сергей Владимирович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Физика», Омский государственный технический университет (644050, Россия, г. Омск, проспект Мира, 11); профессор кафедры «Физика и математика», Сибирский госу-

115

дарственный автомобильно-дорожный университет (644080, Россия, г. Омск, проспект Мира, 5), e-mail: sbiryu-kov154@mail.ru, тел. +79081066078, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1362-9911

Тюкин Александр Владимирович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Физика и математика», Сибирский автомобильно-дорожный университет (644080, Россия, г. Омск, проспект Мира, 5), e-mail: tyukin_av@mail.ru, тел. +79236811546, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7316-3797

DEVICE FOR DETECTING ZONES OF CONFIDENT RECEPTION OF SERVICE RADIO STATIONS NEAR HIGH VOLTAGE POWER LINES

S.V. Biryukov1,2, A.V. Tyukin2

1 Omsk State Technical University, Omsk, Russia 2 Siberian State Automobile and Highway University, Omsk, Russia

Abstract: the article deals with the construction of a device for identifying zones of confident reception of portable radio stations. For this purpose, a two-coordinate cylindrical electro-induction sensor of the components of the low-frequency electric field intensity vector is investigated. As a result of researches, two possible variants of construction of the sensor of intensity of an electric field are revealed. The first version of the sensor, consisting of two pairs of sensing elements in the form of cylindrical segments, has a positive error and low sensitivity. The second sensor, consisting of two pairs of composite sensitive electrodes, each of which combines two sensitive elements, has a negative error, and the sensitivity is 1.41 times higher than that of the first. Both sensors with an error of +4% can operate in the spatial range of a<0.5, without exceeding this error. The spatial range of measurement is determined by the distance to the field source d=2R, where R is the radius of the cylindrical base of the sensor. To detect the zones of confident reception of portable radios with a greater degree of probability, it is advisable to use the sensors of the second version of the device, which have a greater sensitivity and negative error. Thus, the sensors studied in the work allow one to create devices for detecting zones of confident reception of portable radio stations

Key words: confident reception zones, cylindrical sensor of components of electric field intensity vector, homogeneous field, linear electric charge, electric field intensity, sensing element, error from field inhomogeneity, spatial measurement range, electrometric measurements

1. Perel'man L.S. "Calculation of the electric field of a three-phase power line", Electricity (Elektrichestvo), 1978, no. 1, pp. 16-19.

2. Deno D.W. "Transmissien line fields", IEEE Transactions Pas, 1976, vol.95, no. 5, pp. 1600-1611.

3. Biryukov S.V., Kaidanov F.G., Kats R.A., Lozhnikov 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 1986, Paris, 5 p.

4. Bessonov L.A. "Theoretical foundations of electrical engineering: electromagnetic field" ("Teoreticheskie osnovy el-ektrotekhniki: Elektromagnitnoe pole"), Moscow, Vysshaya shkola, 1978, 273 p.

5. Mirolyubov N.N. et al. "Methods for calculating electrostatic fields" ("Metody raschyeta elektrostaticheskikh poley"), Moscow, Vysshaya shkola, 1963, 415 p.

6. Biryukov S. V., Kolmogorov A.S., Kolmogorova S.S. "Interaction of the conducting surface of a cylindrical sensor with an electric field of a uniformly charged rectilinear filament parallel to the axis of the cylinder", Omsk Scientific Bulletin (Omskiy nauch-nyy vestnik), 2018, no. 3(159), pp. 18-21.

7. Nilton O. Renno, Ann Arbor, MI (US); Steven A. Rogacki, Chelsea, VI (US). "Rotating electric-field sensor", US patent 20110062968A1, filed June 02th 2009, published March 17th, 2011

8. Biryukov S.V., Blesman A.I. Utility Model Patent #183095 RF, MPK G 01 R 29/12, #2018120984; filed 06.06.2018; publ. 11.09.2018, Byul. no. 26.

9. Biryukov S.V., Biryukov S.V., Baranov D.S., Kolmogorova S.S., Tyukin A.V. "The sensor of electric field intensity of a cylindrical shape", Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin), 2018, vol. 6, no. 4, pp. 25.

10. Biryukov S.V., Baranov D.S., Kolmogorova S.S, Tyukin A.V. "Electroinduction disk sensor of electric field strength", IOP Conf.Series: Journal of Physics: Conf. Series 1210 (2019) 012016, pp. 9.

Submitted 26.12.2019; revised 14.02.2020

Information about the authors

Sergey V. Biryukov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Omsk State Technical University (11 Mira prospekt, Omsk, 644050, Russia); Professor, Siberian State Automobile and Highway University (5 Mira prospekt, Omsk, 644080, Russia), e-mail: sbiryu-kov154@mail.ru, tel. +79081066078, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1362-9911

Aleksandr V. Tyukin, Cand. Sc. (Technical), Assistant Professor, Siberian State Automobile and Highway University (5 Mira prospekt, Omsk, 644080, Russia), e-mail: tyukin_av@mail.ru, tel. +79236811546, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7316-3797