Электродный датчик электрического поля в море Российский патент 2024 года по МПК G01V3/15 G01R29/12 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для приема и измерения напряженности электромагнитных полей сверхнизких и крайне низких частот (СНЧ и КНЧ) в морской среде.

Электрическое поле электромагнитной волны в морской воде, являющейся проводящей средой, порождает токи проводимости. Последние создают разность потенциалов между двумя точками среды, которая может быть передана на приемное или измерительное устройство электродным датчиком электрического поля, который представляет собой два разнесенных на некоторое расстояние электрода, имеющих электрический контакт с окружающей морской водой. При этом напряженность электрического поля в морской воде определяется как отношение измеренной разности потенциалов к расстоянию между электродами. Известен датчик напряженности электрического поля в море. Он имеет два электрода, выполненные в виде проволочных спиралей, навитых на буксируемый за кораблем гибкий кабель (Бернстайн С.Л. и др. Дальняя связь на крайне низких частотах (обзор) // ТИИЭР. - 1974. - Т. 62, №3. - С. 5-30). Недостатком известного устройства являются его большие габариты, что создает проблемы при эксплуатации. Для достижения требуемой чувствительности расстояние между электродами составляет 200…300 метров, а общая длина кабельного электродного датчика достигает 500…600 метров.

Известен также датчик напряженности электрического поля в море, который имеет два цилиндрических металлических электрода, установленные на некотором расстоянии друг от друга на буксируемой за кораблем диэлектрической платформе (В.Г. Максименко, В.И. Нарышкин. «Шум движения» электродных датчиков электрического поля в море и пути его уменьшения // Радиотехника и электроника. - 2003. - Т. 48, №1. С. 70-76). Оси электродов ориентированы по направлению буксировки. Концы электродов, на которые набегает поток воды, закруглены для лучшей обтекаемости и уменьшения завихрений жидкости. Датчик имеет габариты порядка одного метра, поэтому снимаемое с электродов напряжение мало. Оно усиливается расположенным рядом с датчиком предварительным усилителем и по кабелю передается на приемно-измерительный блок, установленный на корабле. Это устройство, как наиболее близкое по технической сущности к заявленному, принято за прототип. Недостатком прототипа является невысокая чувствительность, что обусловлено большим уровнем, так называемого, шума движения, то есть шума электродного датчика, возникающего вследствие движения его в морской среде.

Технической задачей, решаемой в заявленном устройстве, является повышение чувствительности датчика путем уменьшения шума движения.

Поставленная задача решается тем, что в электродном датчике, содержащем установленные на буксируемой диэлектрической платформе на расстоянии друг от друга первый и второй электроды, электроды выполнены в виде идентичных прямоугольных металлических пластин, встроенных заподлицо в плоскую поверхность диэлектрической платформы, передний и задний край электродов параллельны передней кромке диэлектрической платформы, расстояние от передней кромки платформы до задней границы каждого электрода определяется формулой , где расстояние в метрах, V₀ - скорость буксировки в м/с. При этом расстояние от передней кромки платформы до передней границы электрода составляет , а платформа имеет форму клина с углом при вершине 5-10 градусов.

У буксируемого со скоростью V₀ плоского электрода, или неподвижного электрода, на который набегает поток воды, на поверхности формируется пограничный слой, для которого характерны значительные силы трения, замедляющие движение жидкости. За пределами пограничного слоя жидкость можно рассматривать как текущую без трения. По мере удаления от передней кромки электрода толщина пограничного слоя растет и ламинарное течение жидкости переходит в турбулентное. Как показано в работе [Максименко В.Г. Шум движения электродного датчика и его связь с пульсациями скорости жидкости // Радиотехника и электроника. - 2020. - Т. 65, №10. - С. 987-993], электродный шум движения определяется флуктуациями потока диффузии кислорода на поверхность электрода. При турбулентном движении жидкости в пограничном слое флуктуации потока диффузии возрастают, что приводит к увеличению электродного шума. Необходимо создать условия обтекания, при которых пограничный слой на всей поверхности электрода остается ламинарным. Максимальное удаление задней границы электрода от передней кромки датчика не должно превышать некоторого критического значения . Расстояние можно определить исходя из критического значения числа Рейнольдса Re_кр.

Здесь ν - кинематическая вязкость воды. Если при определении числа Рейнольдса в качестве характерного размера взята толщина пограничного слоя δ₀, а в качестве характерной скорости - скорость жидкости V₀ за пределами пограничного слоя, то Re_кр=V₀δ₀/ν=950. Разные оценки толщины пограничного слоя отличаются в несколько раз. Для указанного значения Re_кр толщина пограничного слоя принимается равной (Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя // М.: Наука, 1974. - 712 с.)

В этом случае расстояние от передней кромки электрода составляет

При использовании датчика на глубинах до единиц сотен метров в умеренных широтах океана окружающая вода имеет температуру около 15 градусов Цельсия и кинематическую вязкость ν=1,1⋅10^-6 м²/с. При скорости буксировки V₀=5 м/с получаем В Черном море на глубине 100 м и более вода имеет температуру в любое время года равную 8 градусам Цельсия и вязкость ν=1,3⋅10^-6 м²/с, что увеличивает до 8 см. В полярных широтах океана, особенно в зимнее время, температура еще ниже, а вязкость выше. Здесь значение достигает 10 см и более. По другой оценке толщина пограничного слоя равна

a Re_кр=3,2⋅10⁵, при этом за характерный размер принимается расстояние x от передней кромки (Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя // М.: Наука, 1974. - 712 с.). Полагая , при V₀=5 м/с и ν=1,1⋅10^-6 м²/с, получаем то есть практически то же значение, что и выше. Эта величина является нижней оценкой расстояния до начала образования турбулентных вихрей. После подстановки значений в (1) Re_кр=3,2⋅10⁵ и ν=1,1⋅10^-6 м²/с получаем

Пусть электрод в виде прямоугольной плоской пластины встроен в диэлектрическую плоскую поверхность так, что его передняя граница с длиной а параллельна передней кромке диэлектрической пластины и отстоит от нее на расстояние , а задняя граница - на расстояние , максимальное значение которого определяется формулой (5). Поток диффузии кислорода на электрод

Здесь - толщина диффузионного слоя, которая существенно меньше толщины пограничного слоя, D=2,6⋅10^-9 м²/с - коэффициент диффузии атомов кислорода, с₀ - концентрация кислорода в толще электролита. Определим поток диффузии кислорода на электрод в двух случаях: когда он установлен на диэлектрической пластине, как указано выше, и когда он установлен непосредственно на краю пластины, так что его передняя граница совпадает с передней кромкой пластины. В первом случае:

Во втором случае:

Чувствительность датчика к пульсациям скорости потока или скорости буксировки в первом случае уменьшилась по сравнению со вторым во столько же раз, во сколько уменьшился поток диффузии кислорода на электрод, т.е. в раз. Целесообразно при сохранении общей площади электрод делать более узким, отодвигая его переднюю границу от передней кромки диэлектрической пластины. При выигрыш в уменьшении чувствительности к пульсациям скорости составляет 2 раза, а при - уже около 10 раз. Дальнейшее увеличение отношения ведет к уменьшению площади электрода и увеличению доли тех шумов, которые не связаны с пульсациями скорости буксировки.

Площадь электрода необходимо выбирать исходя из предельной чувствительности приемного устройства, которая определяется тепловым шумом датчика и собственным шумом предварительного усилителя приемного устройства. Предельная чувствительность приемного устройства с датчиком есть минимальная величина напряженности электрического поля сигнала, при которой отношение мощности сигнала к суммарной мощности теплового шума датчика и шума усилителя, приведенного ко входу приемного устройства, равно единице при оптимальном согласовании датчика. При полосе пропускания приемника 1 Гц, ее можно определить по формуле (В.Г. Максименко. Импедансные характеристики и предельная чувствительность электродных датчиков электромагнитного поля в морской воде // Радиотехника и электроника. - 2006. - Т. 51, №7. - С. 786-795):

где d - действующая длина датчика, τ=RC - постоянная времени датчика, R и С - активное сопротивление и емкость датчика в последовательной схеме замещения, F_{ус мин} - минимальный коэффициент шума усилителя, F_тр - коэффициент шума трансформатора. Ориентируясь на чувствительность приемника с часто применяемым кабельным электродным датчиком, которая в полосе 1 Гц достигает долей нВ/м при длине активной части до 1000 м, положим Е_мин<1 нВ/м. Определим размеры датчика, удовлетворяющего такому условию. Пусть электроды, выполненные из титана, имеют длину а=20 см и ширину b=2 см и располагаются с двух сторон диэлектрической пластины друг против друга, будучи встроены в пластину заподлицо. Задняя граница электрода отстоит от передней кромки диэлектрической пластины на 8 см. Пусть расстояние между электродами датчика равно 2 м. Сопротивление датчика в этом случае в диапазоне частот 30…90 Гц составляет 4…5 Ом, а емкость - 250…280 мкФ (В.Г. Максименко. Импедансные характеристики и предельная чувствительность электродных датчиков электромагнитного поля в морской воде // Радиотехника и электроника. - 2006. - Т. 51, №7. - С. 786-795). Действующую длину датчика можно считать равной 2 м, ωτ≈0,4…0,6. Не накладывая слишком жестких требований к коэффициенту шума предварительного усилителя и входного трансформатора, согласующего датчик с предусилителем, полагаем F_тр=2 дБ, F_{ус мин}=2 дБ. Предельная чувствительность для приемного устройства с таким датчиком имеет величину порядка , что удовлетворяет поставленному условию . Выбранный размер электродов позволяет осуществить условие , следовательно, добиться уменьшения в 7,5 раз чувствительности датчика к пульсациям скорости буксировки.

Из литературы (Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя // М: Наука, 1974. - 712 с.) известно, что пограничный слой на поверхности обтекаемого жидкостью тела имеет склонность к отрыву, особенно при наличии неровностей на обтекаемой поверхности. При отрыве пограничного слоя пульсации скорости у поверхности электрода становятся значительно больше. Там же показано, что отрыва пограничного слоя не происходит, если толщина обтекаемого тела увеличивается по направлению вектора скорости потока. Поэтому диэлектрическую платформу следует выполнить в виде клина с углом при вершине 5-10 градусов. Переднюю и заднюю кромку клина целесообразно затупить в целях безопасности и для улучшения гидродинамического качества.

Электродный датчик электрического поля в море изображен на фиг. 1 и фиг. 2. Здесь 1 и 2 - электроды, 3 - диэлектрическая платформа, 4 и 5 - провода двухпроводной линии, которой датчик подключается к приемному устройству. Диэлектрическая платформа 3 имеет форму клина с затупленными концами. В верхнюю по чертежу плоскую поверхность платформы заподлицо встроены одинаковые плоские металлические электроды 1 и 2 в форме прямоугольника. Передние и задние стороны электродов (относительно направления буксировки) параллельны передней кромке диэлектрической платформы 3. Оба электрода расположены на равных расстояниях от передней кромки платформы 3. Устройство работает следующим образом. Датчик буксируется с помощью кабель-троса, включающего провода 4 и 5, за судном на некоторой глубине от поверхности моря. Электрическая компонента электромагнитной волны, распространяющейся от поверхности моря вниз, создает в морской воде токи проводимости. Разность потенциалов, создаваемая в воде токами проводимости, с помощью электродов датчика передается по кабель-тросу на расположенное на борту буксирующего судна приемное устройство, где выделяется из помех и измеряется. Пульсации скорости буксировки создают специфическую помеху - электродный шум движения. В предложенном датчике шум движения уменьшен, благодаря чему чувствительность датчика повышена.

Технический результат, достигнутый в заявленном устройстве, заключается в повышении чувствительности до 10 раз за счет уменьшения электродного шума движения датчика.

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для приема и измерения напряженности электромагнитных полей сверхнизких и крайне низких частот (СНЧ и КНЧ) в морской среде. Сущность: электродный датчик электрического поля в море содержит установленные на буксируемой диэлектрической платформе на расстоянии друг от друга первый и второй электроды, выполненные в виде прямоугольных металлических пластин, встроенных заподлицо в плоскую поверхность диэлектрической платформы. Передний и задний край электродов параллельны передней кромке диэлектрической платформы. Расстояние от передней кромки платформы до задней границы электрода определяется формулой , где расстояние в метрах, V₀ - скорость буксировки в м/с. При этом расстояние от передней кромки платформы до передней границы электрода составляет , а платформа имеет форму клина с углом при вершине 5-10 градусов. Технический результат: повышение чувствительности за счет уменьшения электродного шума движения датчика. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электродный датчик электрического поля в море, содержащий установленные на буксируемой диэлектрической платформе на расстоянии друг от друга первый и второй электроды, отличающийся тем, что электроды выполнены в виде идентичных прямоугольных металлических пластин, встроенных заподлицо в плоскую поверхность диэлектрической платформы, передний и задний край электродов параллельны передней кромке диэлектрической платформы, расстояние от передней кромки платформы до задней границы каждого электрода определяется формулой , где расстояние в метрах, V₀ - скорость буксировки в м/с.

2. Электродный датчик электрического поля в море по п. 1, отличающийся тем, что расстояние от передней кромки платформы до передней границы электрода составляет .

3. Электродный датчик электрического поля в море по п. 1, отличающийся тем, что платформа имеет форму клина с углом при вершине 5-10 градусов.