Three-component spherical dual-type electric field strength sensor

Authors

DOI:

https://doi.org/10.25206/1813-8225-2025-195-103-110

Keywords:

electric field, field strength, three-component spherical sensor, sensitive electrode, sensitive element, spherical digon, spherical segment, error from field inhomogeneity.

Abstract

The article proposes a new design solution for a three-component electroinductive spherical electric field strength sensor with sensitive electrodes in the form of spherical digons and their parts. The sensor is based on a two-component dual-type sensor and a single-component dual-type sensor, the sensitive elements of which are parts of spherical digons organized into spherical segments with an angular size of q0. The sensitive electrodes of the sensor are thirty-six conductive spherical surfaces isolated from each other and from the conductive spherical base of the sensor. The sensitive electrodes are used to form sensitive elements in the form of spherical digons for four dual sensors, two on the x and y coordinate axes, and in the form of spherical segments for one dual sensor along the z coordinate axis.

The studies conducted in the work showed that the design dimensions of the sensitive elements of the sensor and the spatial measurement range affect its error caused by the field inhomogeneity. Optimized design dimensions of the sensor's sensitive elements and limited spatial measurement range made it possible to create a sensor with an error from field inhomogeneity in modulus not exceeding an error of ± 0,55 % in the permissible spatial measurement range of 0 £a £ 0,5, which corresponds to a minimum distance to the field source of d=2R. To ensure such an error and such spatial measurements, the sensor's sensitive elements in the form of spherical digons must have angular dimensions of a0 = 90º and b01 = 30º, and in the form of a spherical segment, the angular size must be q0 = 61,5º.

The proposed three-component spherical sensor can form the basis of an industrial frequency electric field strength meter.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biography

Biryukov Sergey Vladimirovich, Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Physics Department, Omsk State Technical University, Omsk.

References

(1). Коробкова В. П., Морозов Ю. А., Столяров М. Д. [и др.]. Воздействие электрического поля распределительных устройств 500 и 750 кВ на обслуживающий персонал и средства для его защиты // Подстанции переменного тока: Междунар. конф. по большим электрическим системам (СИГРЭ-72). Москва: Энергоатомиздат, 1974. С. 33–43.

Korobkova V. P., Morozov Yu. A., Stolyarov M. D. [et al.]. Vozdeystviye elektricheskogo polya raspredelitel’nykh ustroystv 500 i 750 kV na obsluzhivayushchiy personal i sredstva dlya ego zashchity [Impact of the electric field of 500 and 750 kV on personnel and means for their protection]. Podstantsii peremennogo toka. Alternating Current Substations. Moscow, 1974. P. 33–43. (In Russ.).

(2). Нормы и правила по охране труда при работах на подстанциях и воздушных линиях электропередачи напряжением 400, 500 и 750 кВ переменного тока промышленной частоты № 868-70. Москва: СЦНТИ ОРГЭС, 1972. 11 с.

Normy i pravila po okhrane truda pri rabotakh na podstantsiyakh i vozdushnykh liniyakh elektroperedachi napryazheniyem 400, 500 i 750 kV peremennogo toka promyshlennoy chastoty № 868-70 [Rules and regulations on labor, protection at 400, 500, and 750 kV A. C. substations and overhead lines of industrial frequency]. Moscow, 1972. 11 p. (In Russ.).

(3). ГОСТ 12.1.002–84. Система безопасности труда. Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на рабочих местах. Москва: Из-во стандартов, 1984. 8 с.

GOST 12.1.002–84. Sistema bezopasnosti truda. Elektricheskiye polya promyshlennoy chastoty. Dopustimyye urovni napryazhennosti i trebovaniya k provedeniyu kontrolya na rabochikh mestakh [Occupational safety standards system. Power frequency electric fields. Permissible levels of field strength and requirements for control at work-places]. Moscow, 1984. 8 p. (In Russ.).

(4). Hyberg B. R., Herstad K., Larsen K. B. Measuring electric field using pressure sensitive elements. IEEE Conference Record of International Symposium on Electrical Insulation. 1978. Р. 90–93.

(5). А. с. 1478159 А1 СССР, МКИ G01R 29/12. Индикатор электростатического поля / М. Ю. Бродский, О. В. Харламов, А. С. Малевский-Малевич, А. К. Евменко. № 4236759/24-09; заявл. 28.04.87; опубл. 07.05.89, Бюл. № 17.

A. s. 1478159 A1 USSR, IPC G01R 29/12. Indikator elektrostaticheskogo polya [Electrostatic field indicator] / M. Yu. Brodskiy, O. V. Kharlamov, A. S. Malevskiy-Malevich, A. K. Evmenko. No. 4236759/24-09. (In Russ.).

(6). Колмогорова С. С., Бирюков С. В. Проектирование электроиндукционных датчиков и средств измерений электрических полей: моногр. Санкт-Петербург: Реноме, 2022. 180 с. ISBN 978-5-00125-731-8. DOI: 10.25990/7bky-3e46.

Kolmogorova S. S., Biryukov S. V. Proyektirovaniye elektroinduktsionnykh datchikov i sredstv izmereniy elektricheskikh poley [Design of electroinductive sensors and electric field measuring instruments]. Saint Petersburg, 2022. 180 р. ISBN 978-5-00125-731-8. DOI: 10.25990/7bky-3e46. (In Russ.).

(7). Бирюков С. В., Тюкина Л. В., Тюкин А. В. Сдвоенные сферические датчики напряженности низкочастотных электрических полей нового поколения // Омский научный вестник. 2021. № 5 (179). С. 62–67. DOI: 10.25206/1813-8225-2021-179-62-67. EDN: AVJDSB.

Biryukov S. V., Tyukina L. V., Tyukin A. V. Sdvoyennyye sfericheskiye datchiki napryazhennosti nizkochastotnykh elektricheskikh poley novogo pokoleniya [Dual spherical intensity sensors for new generation low-frequency electric fields]. Omskiy nauchnyy vestnik. Omsk Scientific Bulletin. 2021. No. 5 (179). P. 62–67. DOI: 10.25206/1813-8225-2021-179-62-67. EDN: AVJDSB. (In Russ.).

(8). Бирюков С. В., Тюкина Л. В., Тюкин А. В. Сдвоенный сферический датчик напряженности электрического поля // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2021. Т. 17, № 5. С. 85–91. DOI: 10.36622/VSTU.2021.15.5.012. EDN: DZPPSE.

Biryukov S. V., Tyukina L. V., Tyukin A. V. Sdvoyennyy sfericheskiy dat•shik napryazhennosti elektricheskogo polya [Dual spherical electric field voltage sensor]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Bulletin of Voronezh State Technical University. 2021. Vol. 17, no. 5. P. 85–91. DOI: 10.36622/VSTU.2021.15.5.012. EDN: DZPPSE. (In Russ.).

(9). Бирюков С. В., Тюкина Л. В., Тюкин А. В. Датчики напряженности электрического поля сдвоенного типа повышенной точности // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2022. Т. 18, № 2. С. 86–93. DOI: 10.36622/VSTU.2022.18.2.012. EDN: TZSZFN.

Biryukov S. V., Tyukina L. V., Tyukin A. V. Datchiki napryazhennosti elektricheskogo polya sdvoyennogo tipa povyshennoy tochnosti [Dual type of electric field sensors of increased accuracy]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Bulletin of Voronezh State Technical University. 2022. Vol. 18, no. 2. P. 86–93. DOI: 10.36622/VSTU.2022.18.2.012. EDN: TZSZFN. (In Russ.).

(10). Бирюков С. В., Тюкина Л. В., Тюкин А. В. Исследование сдвоенного сферического датчика напряженности электрического поля с составными чувствительными элементами // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2022. hbcТ. 18, № 5. С. 113–123. DOI: 10.36622/VSTU.2022.18.5.015. EDN: IHMMCU.

Biryukov S. V., Tyukina L. V., Tyukin A. V. Issledovaniye sdvoyennogo sfericheskogo datchika napryazhennosti elektricheskogo polya s sostavnymi chuvstvitel′nymi elementami [Investigation of a dual spherical electric field strength sensor with composite sensitive elements]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Bulletin of Voronezh State Technical University. 2022. Vol. 18, no. 5. P. 113–123. DOI: 10.36622/VSTU.2022.18.5.015. EDN: IHMMCU. (In Russ.).

(11). Бирюков С. В. Двухкомпонентный сферический датчик напряженности электрического поля сдвоенного типа // Омский научный вестник. 2025. № 1 (193). С. 98–106. DOI: 10.25206/1813-8225-2025-193-98-106. EDN: JXPOUZ.

Biryukov S. V. Dvukhkomponentnyy sfericheskiy datchik napryazhennosti elektricheskogo polya sdvoyennogo tipa [Two-component spherical dual-type electric field strength sensor]. Omskiy nauchnyy vestnik. Omsk Scientific Bulletin. 2025. No. 1 (193). P. 98–106. DOI: 10.25206/1813-8225-2025-193-98-106. EDN: JXPOUZ. (In Russ.).

(12). Бирюков С. В. Сравнительное исследование двойного и сдвоенного электроиндукционных сферических датчиков напряженности электрического поля // Омский научный вестник. 2024. № 3. (191). С. 125–132. DOI: 10.25206/1813-8225-2024-191-125-132. EDN: IXQSUI.

Biryukov S. V. Sravnitel’noye issledovaniye dvoynogo i sdvoyennogo elektroinduktsionnykh sfericheskikh datchikov napryazhennosti elektricheskogo polya [Comparative study of double and dual electroinduction spherical electric field strength sensors]. Omskiy nauchnyy vestnik. Omsk Scientific Bulletin. 2024. No. 3. (191). P. 125–132. DOI: 10.25206/1813-8225-2024-191-125-132. EDN: IXQSUI. (In Russ.).

(13). Бирюков С. В., Тюкина Л. В. Модернизированный метод измерения напряженности электрического поля по среднему значению сдвоенными датчиками и устройства для его реализации // Динамика систем, механизмов и машин. 2021. Т. 9, № 3 (179). С. 64–72. DOI: 10.25206/2310-9793-9-3-64-72. EDN: QDVMDJ.

Biryukov S. V., Tyukina L. V. Modernizirovannyy metod izmereniya napryazhennosti elektricheskogo polya po srednemu znacheniyu sdvoyennymi datchikami i ustroystva dlya ego realizatsii [An upgraded method for measuring the electric field strength by the average value of dual sensorsand devices for its implementation]. Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin. Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. 2021. Vol. 9, no. 3 (179). P. 64–72. DOI: 10.25206/2310-9793-9-3-64-72. EDN: QDVMDJ. (In Russ.).

(14). Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Ленинград: Энергоатомиздат, 1988. 301 с. ISBN 5-283-04375-4.

Gutnikov V. S. Integral’naya elektronika v izmeritel’nykh ustroystvakh [Integrated electronics in measuring devices]. Leningrad, 1988. 301 p. ISBN 5-283-04375-4. (In Russ.).

Published

2025-09-22

How to Cite

[1]
Biryukov С.В. 2025. Three-component spherical dual-type electric field strength sensor. Omsk Scientific Bulletin. 3(195) (Sep. 2025), 103–110. DOI:https://doi.org/10.25206/1813-8225-2025-195-103-110.

Issue

Section

Electronics, Photonics, Instrument Engineering and Connection