Основы взаимодействия однокомпонентного сферического датчика напряженности электрического поля, имеющего разомкнутую систему электродов с неоднородным полем точечного заряда

В работе уделено внимание построению однокомпонентного сферического датчика напряженности электрического поля с незамкнутой системой чувствительных электродов, способного работать в полях различной неоднородности с требуемой погрешностью. В качестве чувствительных электродов датчика рассматриваются сферические оболочки в форме пустотелых сферических сегментов и их взаимодействие с электрическим полем точечного источника. Сформированы основные теоретические положения, способствующие определению выходного сигнала датчика в виде напряжения холостого хода  U_xx. Устанавливается взаимосвязь выходного сигнала датчика и его погрешности от пространственного диапазона измерения и от конструктивных размеров чувствительных электродов датчика. По установленным взаимосвязям составляется математическая модель датчика и проводится математическое моделирование. Результатом математического моделирования стали численные значения U_xx и погрешности δ от неоднородности электрического поля в зависимости от пространственного диапазона a и угловых размеров чувствительных электродов Θ₀ датчика. Построенные по численным значениям графики этих зависимостей выявили, что допустимые угловые размеры чувствительных электродов датчика должны лежать в диапазоне 40° ≤ Θ₀ ≤ 50°. Указанный диапазон обеспечивает датчику погрешность по модулю, не превышающую δ ≤ 5 %. Однако оптимальным угловым размером чувствительных электродов датчика следует считать Θ₀ ≤ 45°.

Датчик с таким угловым размером чувствительных электродов будет иметь минимум погрешности в широком пространственном диапазоне измерений и обеспечит возможность создания двух- и трехкомпонентных датчиков без наложения электродов друг на друга. Результаты работы могут лечь в основу оценочных расчетов датчиков с разомкнутой системой электродов.

1. Xiao D., Ma Q., Xieet Y. [et al.]. A power-frequency electric field sensor for portable measurement. Sensors. 2018. Vol. 18 (4). 1053. DOI: 10.3390/s18041053.

2. Suo C., Wei R., Zhanget W. [et al.]. Research on the three-dimensional power frequency electric field measurement system. Journal of Sensors. 2021. Vol. 2021, no. 6. P. 6–15. DOI: 10.1155/2021/8859022.

3. Прибор для измерения электрического поля ИНЭП-50. Руководство по эксплуатации. Минск, 2023. 7 с. URL: http://www.tecnoshans2006.ru/Documents/ACS/pass_INAP.DOC (дата обращения: 05.07.2025).

4. Измеритель напряженности электрического поля промышленной частоты «ГРАДАН» от компании «Электроэнергетика». URL: https://www.korabel.ru/news/comments/izmeritel_napryazhennosti_elektricheskogo_polya_promishlennoy_chastoti_gradan_ot_kompanii_elektroenergetika.html (дата обращения: 05.07.2025).

5. Изотропный измеритель электромагнитного поля П3-60. Руководство по эксплуатации. Формуляр. URL: https://ciklonpribor.ru/pdf/p3-60%20pasp.pdf (дата обращения: 05.07.2025).

6. Тюкин А. В., Бирюков С. В. Сдвоенный электроиндукционный датчик // Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте: материалы VI Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием, 11 апреля 2025. Омск: Изд-во ОмГУПС, 2025. С. 72–77.

7. Chunguang Suo, Ran Wei, Wenbin Zhang [et al.]. Research on the three-dimensional power frequency electric field measurement system. Journal of Sensors. 2022. Vol. 2021 (6). 8859022. 15 p. DOI: 10.1155/2021/8859022.

8. Dongping Xiao, Yutong Xie, Qi Zheng [et al.]. A Power-Frequency Electric Field Sensor for Portable Measurement. Sensors. 2018. Vol. 18 (4). 1053. DOI: 10.3390/s18041053.

9. Миролюбов Н. Н., Костенко М. В., Левинштейн М. Л., Тиходеев Н. Н. Методы расчета электростатических полей. Москва: Высшая школа, 1963. 415 с.

10. Уфлянд Я. С. Метод парных уравнений в задачах математической физики. Ленинград: Наука, Ленингр. отд-ние, 1977. 217 с.

11. Кечиев Л. Н. Справочник по расчету электрической емкости, индуктивности и волнового сопротивления в электронной аппаратуре. Москва: Грифон, 2021. 280 с. ISBN 9785-98862-610-7.

12. Виноградова Е. М., Егоров Н. В., Кримская К. А. Расчет электростатического поля системы сферических сегментов // Журнал технической физики. 2008. T. 78, вып. 8. С. 128–131. EDN: RCTGKZ.

13. Разуненко В. А. Потенциал сферического сегмента внутри сферического слоя с круговым отверстием // Вестник ХНУ — Радиофизика и Электроника. 2008. № 834. С. 120–126.

14. Исаев Ю. Н., Кулешова Е. О., Васильева О. В., Русол Д. А. Метод расчета распределения зарядов сплошных пластин и пластин с отверстием в форме круга и форме сферических сегментов при наличии внешнего электростатического поля // Известия Томского политехнического университета. 2008. Т. 312, № 4. С. 70–74. EDN: JRGNNL.