Устройство для измерения составляющих электрического поля Советский патент 1984 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначен для использования при исследовании естественных электромагнитных полей, например при электроразведке полезных ископаемых в бассейнах. По основному авт.св. № 920569 известно устройство для измерения составляющих электрического поля, содержащее сферический корпус с восемью конгруентными измерительными электродами в виде сферических треугольников три трансформатора тока, в каждом из которых четыре первичные обмотки сое динены с двумя соответствующими груп пами из четырех измерительных электродов, образующими две противоположные полусферы одной из трех осей пространственной ортогональной систем координат, три усилителя, входы кото рых подключены к вторичным обмоткам соответствующих трансформаторов тока три измерителя тока, включенных на выходах соответствующих усилителей. При размещении известного устройства в проводящую среду с исследуемым электрическим полем при частотах .для которых сопротивление растекания электродов превышает модуль импеданса двойного слоя, устройство концентрируе- ток, распределяющийся по первичным обмоткам трансформаторов тока таким образом, что на выходе усилителей формируются сигналы, пропорциональные трем составляющим плотности электрического тока CI. Однако известное устройство оказывается подверженным влиянию изменения коэффициентов трансформации трансформаторов тока, коэффициентов усиления усилителей и коэффициента концентрации концентратора во времени, а также изменению неинформативных факторов (температуры и частоты). Особенно сильным является влияние изменения частоты при низких частотах. Таким образом, недостатками известного устройства являются сравнительно низкая точность и ограниченный снизу частотный диапазон. Цель изобретения - повышение точности измерительного устройства и расширение его частотного диапазона. Поставленная цель Достигается тем, что в устройстве для измерения составляющих электрического поля, содержащем сферический корпус с восемью конгруентными измерительными электродами в виде сферических треугольников, три трансформатора трка,. в каждом из которых четыре первичные обмотки соединены с двумя соответструющими группами из четырех измерительных электродов, образующими две противоположные полусферы одной из трех осей пространственной ортогональной системы координат, три усилителя, входы которых подключены к вторичным обмоткам соответствук|щих трансформаторов тока, три измерителя тока, вкл аченных на выходах соответствующих усилителей, в цепь каждого измерителя тока введены пара токовых электродов и расположенный мезкду ними участок среды с исследуемым полем, причем пары токовых электродов установлены по осям пространственно ортогональной системы координат корпуса с измерительными электродами. На фиг.1 представлено устройство для измерения составляющих электрического поля, общий вид; на фиг.2 принципиальная электрическая схема устройства. Основу устройства составляет сферический корпус 1 (фиг,1) из изоляционного материала, на поверхности которого размещены восемь проводящих измерительных электродов 2-9, выполненных в виде конгруентных равносторонних сферических треугольников (электроды 6 и 8 на фиг.1 не показаны) , В состав устройства входят также трансформатор 10 тока (фиг,2) с первичными 11-14 и вторичной 15 обмотками, трансформатор 16 тока с первичными 17-20 и вторичной 21 обмотками, трансформатор 22 тока с первичными 23-26 и вторичной 27 обмотками, а также усилители 28-30, на выходах которых включены измерители 31-33 тока, В цепи последних введены пары токовых электродов 34 и 35, 36 и 37, 38 и 39 и расположенные между ними участки среды с исследуемым полем. Токовые электроды 34-39 укреплены на диэлектрических штангах 40-45 (фиг.1), установленных перпендикулярно к поверхности сферы по осям простанственной ортогональной системы оординат корпуса 1 с измерительными лектродами 2-9. Токовый электрод 34 установлен на танге 40, закрепленной в точке схоимости вершин сферических треугольиков электродов 2, 3, 6 и 7, Токовый лектрод 35 установлен на штанге 41, акрепленной в точке сходимости вер31шин сферических треугольников электро дов 4, 5, 8 и 9. Токовый электрод 36 установлен на штанге 42, закрепленной в точке сходимости вершин сферических треугольников электродов 2, 4, 6 и 8 Токовый электрод 37 установлен на штанге 43, закрепленной в точке сходимости вершин сферических треугольников электродов 3, 5, 7 и 9. Токовьп электрод 38 установлен на штанге 44, закрепленной в точке сходимости вершин сферических треугольников электродов 6, 8, 7 и 9. Токовый электрод 39 установлен на штанге 45,закрепленной в точке сходимости вершин сферических треугольников 2, 3, 4 и 5. Каждая первичная обмотка каждого трансформатора тока подключена к определенной паре смежных измерительньк электродов. Первичные обмотки 1114 трансформатора 10 тока соединяют четыре верхних электрода 2, 3, 6 и 7, образующих верхнюю полусферу, с четырьмя нижними электродами 4, 5, 8 и 9, образующими нижними полусферу Первичные обмотки 17-20 трансформатора 16 тока соединяют четыре электро да 2, 4, 6и8, образующих левую полусферу, с четырьмя электродами 3, 5, 7 и 9, образующими правую полусферу. Первичные обмотки 23-26 трансформатора 22 тока соединяют четыре электрода 2, 3, 4 и 5, образующих переднюю полусферу, с четырьмя электродами 6, 7, 8 и 9, образующими заднюю полусферу. Таким образом, устройство в целом представляет собой пространственную ортогональную систему координат. Все смежные электроды соединены между собой низкоомными первичными обмотками трансформаторов тока. В связи с этим электродная система устройства эквивалентна сфере со сплошной проводящей поверхностью. Удельная электрическая проводимость материалов, применяемых для изготовления электродов значительно (на семь, десять порядков) превосходит удельную электрическую проводимость исследуемых сред (грунт,вода, плазма), поэтому при любык реальных габаритах устройства в толщинах измерительных электродов 2-9 распределение тока в них будет таким же, как и для сплошного метал.лического шара. Устройство работает следующим образом. 17 При размещении устройства в среде с исследуемым полем, вектор плотности тока которого имеет составляющие Л d при условии, что координатные оси X,Y «t направлены параллельно осям ортогональной системы координат корпуса 1 с измерительными электродами 2-9, токи на выходах усилителей 28-30, протекающие в среду через токовые электроды 34 и 35, 36. и 37, 38 и 39, возбуждают электрическое поле, вектор плотности которого cf характеризуется составляющими d, cJu . При установившемся режиме соответствующие составляющие приближенно равны одни другим и противоположны по фазе. Для конкретности направим оси координат таким образом, чтобы ось Z была параллельна линии, соединяющей центры токовых электродов 34 и 35, ось X - параллельна линии, соединяющей центры токовых элект1эодов 38 и 39,а ось У - параллельна линии, соединяющей центры токовых электродов 36 и 37. В этом случае через первичные обмотки 11-14 трансформатора 10 тока протекает ток Jj, равный г- .), где Ъ - диаметры сферы, м; - коэффициент концентрации сферы, равный 1-3. Через первичные обмотки 23-26 трансформатора 22 тока протекает ток , равный .(d;-cf;) Через первичные обмотки трансформатора 16 тока протекает ток равный ч это ., tjf- J у -2Г- Токи Jj, Лх 3i4 после трансформации оответствующими трансформаторами 10, 22, 16 тока и усиления соответствуюими усилителями 28, 30, 29 поступают ерез соотйетствующие пары токовых электродов 34 и 35, 38 и 39, 36 и 37 в среду, где возбуждают электриеское поле, плотность тока которого меет составляющие 2Йг ffe-S 2jri-Z UT где f - расстояние от токового элект рода до центра сферы, м; Кус - коэффициент усиления по току усилителей; Kf - коэффициент/трансформации трансформаторов тока. Из выражений (1-6) следует, что токи Зг , JY череэ измерители соответственно 31, 33, 32 тока равны a2 2:№r 4 2jrfY-JV4(7) a 2Jfficf,{°2jrrV -(rVcfx : (g) Oi - 2 JT dy 2 л i( - -у) cl у., 5D.K.%. Параметры измерительной цепи KY, выбирают таким образом, чтобы пр минимальной частоте рабочего частотного диапазона, выполнялось условие -3 4 1 . (10) В этом случае с ростом частоты KT уменьшается, а Ку и Кус увеличиваютс поэтому условие (10) выполняется автоматически. Следовательно, токи Jj , J, ,Ли чер измерители 31, 33 и 32 пропорциональ ны измеряемым составляющим d , d, , cL во всем рабочем диапазоне частот, включая низкие частоты. В известном устройстве при изменении коэффициента трансформации Kf трансформаторов тока, коэффициента усиления Кир усилителей и коэффициента концентрации Kvt концентратора со временем или при изменении частоты, или температуры во столько же раз изменяется общий коэффициент преобразования, т.е. погрешность устройства равняется сумме погрешностей трансформатора тока, усилителя и концентратора. Выражения (7)-(9) подтверждают, что предлагаемое устройство обеспечивает снижение суммарной погрешности измерения в I раз. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет выполнить компенсацию измеряемых составляющих плотности тока составляющими плотности тока поля, возбуждаемого в среде токами, вытекающими с выходов усилителей 28, 30, 29 через пары токовых электродов 34 и 35, 38 и 39, 36 и 37, дает возможность снизить на несколько порядков влияние изменений коэффициентов трансформации трансформаторов тока, коэффициентов усиления усилителей и коэффициента концентрации концентратора по времени, а также при изменении температуры и частоты и тем самым обеспечить повышение точности измерения и расширение частотного диапазона в область низких частот.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ по 8€ЕСОШ1дй .i ::пп& .sg stf бМБЛМОТЕКА авт.св. № 920569,- отличающееся тем, что, с целью повышения точ ности и расширения частотного диапазона, в цепь каждого измерителя тока введены пара токовых электродов и расположенный между ними участок среды с исследуемым полем, причем пары токовых электродов установлены по осям пространственно ортогональной системы координат корпуса с измерительными электродами.

Фиг.1