Устройство для измерения характеристик электрических полей Советский патент 1984 года по МПК G01V3/06 

2. Устройство по П.1, отличающееся тем, что электроды, образующие .систему первичного преобразователя, выполнены в виде единого симметричного тела, разделенного по двум взаимно перпендикулярным плоскостям симметрии на четыре равные час- дов,

ти вставкой и экраном из неполярного диэлектрика, причем размеры экрана выбраны так, что длины эквивалентных измерительных, баз В удовлетворяют соотношению 914 )) где 1,2,3 и 4 - номера электро-.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, содержащее два основных и два дополнительных электрода, разнесенные между собой на заданное расстояние и соединенных между собой попарно при помощи первичных обмоток согласующих трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены-с предусилителями, отличающееся тем, что,. --m.,,,.. с целью увеличения точности измерений за счет учета нестабильности и флуктуации двойных электрических слоев электродов, электроды разнесены между собой по одной линии или по вершинам прямоугольника, образуя по две попарно одинаковые основные и вспомогательные измерительные базы с соотношением длин между ними ЕО-Ц , между электродами основных баз включены первичные обмотки двух идентичных согласующих трансформаторов, вторичные обмотки ко торых соединены последовательно и согласно, аналогичная пара трансфорi маторов с последовательно и встречно соединенными вторичными обмотками под (Л ключена выводами первичных обмоток к электродам вспомогательных баз че.рез ра-вные по величине дополнительные ;резисторы,выравнивающие активные соетавляющие выходных сопротивлений основных и вспомогательных измерительо со to баз . ее

Изобретение бтноситсЙ1 к техническо физике и измерительной технике, более конкретно . к исследованиям электричес ких полей в проводящих средах, в част ности к измерениям естественных элект рических полей в море.и грунте. Изобретение может быть использован при проектировании и разработке первичных преобразователей и датчиков для проведения натурных измерений по исследованию свойств, характеристик и параметров электрических полей в проводящих средах. Известно устройство для измерения характеристик электрических полей, ис пользуемое в геозлектроразведке, геофизике, океанологии и т.п., в большин стве случаев основанное на регистрации разности потенциалов, возникающей между электродами различной конструкции при их нагрузке наизвестное входное сопротивление измерительного канала. Устройство содержит электродную систему перйичного преобразовател согласующий трансформатор и измерительный прибор l. Недостатком известного устройства является отсутствие информации об уровнях собственных шумбв и помех от других физических полей на всю измерительную аппаратуру (от датчика до регистратора). Это снижает точность и эффективность оценок харак теристик слабых электрических полей. Так, при исследовании естественных электрических полей океана на больших глубинах или в области частот 4-5 рез нанса Шуманаiизменения уровня Собстве ных шумов за счет изменений температуры, химического состава морской вод или условий обтекания электродной сис темы маскируют изменения напряженности исследуемого поля. Влияние этого недостатка может быть уменьшено при одновременной регистрации Сигнала С основной электродной системы (как во всех анологах) и с вспомогательного канала сравнения, к входу которого подключается какой-либо эквивалент датчика при исследовании спектральных, пространственных и др. характеристик естественных электрических полей. Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения характеристик электрических полей, содержащее два основных и два дополнительных электрода, разнесенных меж- ду собой на заданное расстояние и соединенных между собой попарно при помощи первичных обмоток согласующих тран сЙорматоров, вторичные обмотки которых соединены с предусилителями. В устройстве использован основной канал,. состоящий из контактного датчика с графитовыми электродами, который бифилярной парой соединен с предусилителем через согласующий трансформатор. Канал сравнения имеет узлы, идентичные основному - предусилитель, согласующей трансформатор и бифилярную линию связи, на входе которой включен резистор с сопротивлением, равным сопротивлению растекания угольных электродов основного канала. Таким образом, при использовании прототипа удается практически полностью учесть все виды наводок на линию снязи и последующие элементы измерительного тракта. Кроме того можно, хотя и с меньшей достоверностью, судить об уровне собственных шумов линии связи согласующего трансформатора и предусилителя. Для датчика учитывались лишь тепловые шумы его сопро-, тивления растекания 2 . Недостатком указанного прототипа является то, что при его реализации не учитывают влияния двойного электрического слоя (ДС) электродов на уровень шумов. Причем не учитьшаются ни импедансные свойства ДС, ни его собственная ЭДС и ее флюктуации, ни изменения параметров ДС при изменениях параметров окружакицей среды (температура, химический состав, условия обтекания и т.п.).Такие пренебрежения в ряде случаев приводят к бол шим погрешностям измерений (погрешность классификации), так как предпо ложения о стационарности, эрготичности и нормальности исследуемого электрического поля могут оказаться неверными для смеси полезного сигнала и флуктуации ДС. Во всех остальны случаях отсутствие информации о характере флуктуации ДС увеличивает смещение и уменьшает эффективность л бых оценок измеряемых характеристик поля. В результате увеличивается погрешность измерений, так как именн несмещенные и эффективные оценки характеризуются минимальной среднеквад тической ошибкой. Целью изобретения является увеличение точности измерений за счет уче та нестабильньсти и флуктуации двойного электрического слоя электродов. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения характеристик электрических полей, с держащее два основных и два дополнительные электрода, разнесенных между собой на заданное расстояние и соеди ненных между собой попарно при помощ первичных обмоток .согласующих трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены с предусилителями, электроды разнесены между собой по одной линии или по вершинам прямоугольника, образуя по две попарно одинаковые основные и вспомогательные измерительные базы с соотношением длин между ними ЕОСЦ Ьсн Между электродами основных баз включены первичные обмотки двух идентичных согласующих трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены последовательно и согласно, аналогичная пара трансформаторов с последовательно и встречно соединенными вторичными обмотками подключена выводами первичных обмоток к электродам вспомогательных баз через равные по величине дополни1

характеристики шумовых составляющих с учетом шумов ДС. С учетом этой информации и первого результата (суммы) 014 , тельные резисторы, выравнивакмцие активные составляющие выходных сопротивлений основных и вспомогательных измерительных баз. Электроды, образующие систему первичного преобразователя, вь1полнены в виде единого симметричного тела, разделенного по двум взаимно перпендикулярным плоскостям симметрии на четыре равные части вставкой и экраном из неполярного диэлектрика, причем размеры экрана выбраны так, что длины эквивалентных измерительных баз ЕЭ удовлетворяют соотношению е,, (е,2з-8 14) где 1,2,3 и 4 - номера электродов. На фиг.1 изображена функциональная схема устройства с расположением -измерительных электродов в одну линию; . на фиг.2 -лринципиальная схема устройства с расположением электродов в вершинах прямоугольника;на фиг.З - электродная система первичного преобразователя, вариант. В отличии от известных устройств для измерения электрического поля в предлагаемом используют не два, а четыре идентичных электрода - 1, 2, 3,4, для измерения каждой компоненты поля (фиг.1). С помощью этих электродов образуют по две одинаковых основных 5 и вспомогательных 6 измерительных баз. Под одинаковостью измерительных баз понимается равенство их геометрических размеров и их параллельность или коллинеарность,т.е. одинаковое расположение по отношению к вектору напряженности исследуемого электрического поля. Причем, если основные базы должны быть параллельны регистрируемой компоненте поля, то вспомогательные могут иметь любое направление по отношению к полю, но между собой они должны быть параллельны. Разности потенциалов с двух основных измерительных баз суммируют, например, с помощью сумматора 7, а сигналы с вспомогательных баз вычитают на вычитающем устройстве 8. Первый результат (сумма) будет представлять собой смесь полезного сигнала. и шумов, а второй (разность) содержит только шумовые составляющие, так как полезный сигнал при вычитании компенсируется. Поэтому по последнему результату легко определить вероятностно-статистические можно судить о характеристиках исследуемого поля. На принципиальной схеме (фиг.2) электроды расположены в вершинах прям угольника . Кроме уже упоминавшихся элементов схема содержит четыре идентичных согласующих трансформатора, дв из которых 9 выполняют роль сумматора так как подключены первичными обмотками к основным базам, а вторичные , их обмотки, соединенные последователь но и согласно, подключены к входу первого предусилителя 10. Два других трансформатора 11 формируют разностный сигнал. Их вторичные обмотки подключены к входу второго предусилителя 12 последовательно и встречно. Выводы первичных обмоток этих трансформаторов соединены с электродами вспомогательных измерительных баз через резисторы 13, которые необходимы для выравнивания резистивных составляющих сопротивлений растекания и их тепловых шумов у основных и вспомогательных измерительных баз, Аналогичное по назначению устройство можно реализовать с помощью первичного преобразователя, вариант которого изображен на фиг.З. Здесь четыре измерительных 3fleKtpona получены делением единого проводящего тела по двум взаимно перпендикулярным плоскостям симметрии вставкой 14 и эк райом is,выполненными из непрлярного диэлектрика. Таким образом, основой предлагаемого устройства для Измерения характеристик электрических полей является использование четырех йд нтичных измерительных электродов (1-4) для образования четырех попарно одинаковых измерительных баз 5 и 6. При этом каждый из электродов 1-4 одно.временно входит в одну из основных и мерительных баз 5 и одну вспомогательную 6. При вьиитании сигналов с вспомогательных баз 6 в устройстве Н детерминированные составляющие сигнала взаимно компенсируются, а средние квадраты шумов складываются. То же самое происходит с составляющим;шумов при суммировании в сумматоре 7. Причем суммируются те же (от тех же электродов) шумовые составляющие. Полезный сигнал с измеритель ных баз 5 при суммировании удваивает ся. В результате на выходе вычитающе го устройства 8 получают только шумо вую составляющую, а на выходе сумма- . тора те же шумы и удвоенный полезный сигнал. Это позволяет провести их анализ раздельно, причем при анализе смеси полезного сигнала от исследуемого поля И шумов будет получена информация о статистических (вероятностных) характеристиках шумов с учетом флуктуации и нестабильностей параметров двойных слоев электродов первичного преобразователя. Предлагаемое устройство можно реализовать с помощью схемы представленной на фиг.2, которая функционирует следующим образом. Измерительные электроды 1-4 здесь расположены так, что основные 5 и вспомогательные 6 базы оказываются взаимно перпендикулярньши, причем размер вспомогательных баз 6 много меньше основных 5. Это позволяет более точно компенсировать все синфазные составляющие за счет действия внешнего поля на вспомогательных.базах. Операция суммирования здесь осуществляется за счет последовательного и согласного подключения вторичных обмоток согласующих трансформаторов 9 к входу предусилителя 10, входящих в основной канал. Аналогичные трансформаторы 11 и предусилитель 12 образуют вспомогательный канал, который отличается от основного тем, что вторичные обмотки трансформаторов 11 подключены к входу предусилителя 12 последовательно и встречно для обеспечения вычитания синфазных составляющих. Кроме того, первичные обмотки трансформаторов 11 подключены к электродам через резисторы 13, сопротивление которых равно ., И g - частичные собственная и взаимная проводимости электродов.. Такая величина резисторов 13 позволяет выравнять активные части выходных сопротивлений вспомогательных и основных каналов, что, в свою очередь обеспечивает равенство эффективных значений тепловых шумов первичных преобразователей. Резисторы 13 располагаются вблизи электродов и имеют равную с ними температуру и тепловую инерционность. Первичный преобразователь для реализации измерений (фиг.З) может быть подключен аналогично схеме.представленной на фиг.2. Достоинством электродной системы первичного преобразователя является то,, что все четьфе элект рода расположены очень близко друг к другу, т.е. имеют практически одина- 5 ковые электрохимические, электрофизические и гидродинамические условия на поверхностях контакта с окружающей средой. В итоге статистические параметры их двойных слоев окажутся весьма. Ю близкими. Электрически электроды раэдел лены диэлектрической вставкой 14, обеспечивающей образование вспомогательных баз 6, а диэлектрический эк: ран 15 обеспечивает требуемую вели- 15 чину основных измерительных баз 5. Вставка 14 и экран 15 вьтолняются из неполярного диэлектрика, что исключает влияние его двойного слоя на результаты измерений, а их размеры вы- 20 бираются так, что эквивалентная измерительная база основного канала на порядок и более превышает размер базы вспомогательного канала. Такое соотношение обеспечивает более точ- 25 ную компенсации сигнала от внешнего поля на выходе вспомогательного канала .

Использование изобретения позволит одновременно получать реализации зо

смеси полезного сигнала с шумом к отдельно шумовую составляющую. .Располагая такой информацией, можно используя методы статистической обработки сигналов, увеличить точность и достоверность оценки характеристик исследуемого поля. Так, например известно, что несмещенная эффективная оценка неизвестной амплитуды сигнала получается при интегрировании реализации процесса с основного канала с весом, определяемым корреляционной функцией шума, которая может быть получена со вспомогательного канала. Аналогичные результаты можно получить и для других параметров (фаза, параметры огибающей) и характеристик (спектральной, корреляционной и т.д.) исследуемого сигнала. Таким образом, использование изобретения позволит повысить точность измерения естественного электрического поля в море, в частности определить статистические характеристики составляющих этого поля на частотах шумановских резонансов. Последнее необходимо для решения ряда прикладных задач освоения Мирового океана, таких как поиск полезных ископаемых, подводная связь, навигация и т.п..

Фмг.З