3.3.Трансформаторный датчик для измерения переменного электрического поля

Контактный метод измерения напряженности электрического поля, основанный на измерении разности потенциалов неприменим для измерения вихревого (не потенциального) электрического поля. В этом случае может быть использован бесконтактный метод измерения напряженности электрического поля, основанный на методе бесконтактного индукционного измерения переменного тока.

Первичные преобразователи данного типа широко применяются для измерения средней плотности тока в проводящих средах.

Датчик состоит из ферромагнитного тороидального сердечника (с относительной магнитной проницаемостью ) и измерительной обмотки (с числом витков w). Конструкция датчика и основные размеры показаны на рис.3.15.

Рис..3.15.

Датчик – бесконтактный. Обмотка, с которой снимается ЭДС полезного сигнала, изолирована от окружающей среды. Это его основное достоинство. К недостаткам относится невозможность измерения постоянного и медленно изменяющегося электрического поля.

Получим выражение для выходной ЭДС в предположении, что поле в пределах датчика однородно, а поперечные размеры сердечника гораздо меньше габаритных размеров датчика (он не искажает внешнего поля).

Физический принцип работы трансформаторного бесконтактного датчика следующий. Переменное электрическое поле, проходящее через свободное окно датчика (площадью), можно рассматривать как бесконечный провод с током

;

этот переменный ток, создает в окружающем пространстве (в том числе и в тороидальном сердечнике) магнитное поле, индукция которого может быть найдена по закону полного тока , где - средний радиус сердечника;

магнитное поле усиливается в сердечнике в  раз (поскольку коэффициент размагничивания в данном направлении равен нулю), а ЭДС в обмотке находится по закону Фарадея , где - площадь поперечного сечения сердечника (обмотки).

Выполняя необходимые вычисления, получим

.

Чувствительность определяется как отношение приращения амплитуды ЭДС к приращению амплитуды поля

= ,

т.е. зависит от частоты измеряемого поля, как и у индукционной катушки (при измерении переменного магнитного поля).

Замечание 1. Чувствительность такого датчика, в принципе ниже, чем у контактного. Магнитное поле В, пронизывающее сердечник, создается токами растекания, проходящими через «окно» датчика. Для того, чтобы магнитного поле было существенным, надо иметь или достаточно большие плотности тока либо большие размеры «окна». Последнее условие часто оказывается неприемлемым, так как возникает дополнительная погрешность в измеряемой величине напряженности поля за счет усреднения по площади «окна».

Замечание 2. По существу датчик представляем собой трансформатор, первичной обмоткой которого является условный виток с током, проходящий сквозь «окно» датчика.

Замечание 3. Очевидно, что хотя датчик измеряет переменное электрическое поле, он по своей физической сущности остается индукционной катушкой с замкнутым сердечником. Поэтому схема обработки выходной ЭДС и вопросы обеспечение линейности чувствительности от частоты те же, что и у индукционной катушки.

Замечание 4. Все индукционные методы, в принципе, не пригодны для измерения потенциала, а используются лишь для измерения напряженности электрического поля, да еще и переменной.