Способ измерения параметров электрического поля в проводящей среде и устройство для его реализации Советский патент 1984 года по МПК G01V3/06 

2. Устройство для осушествления способа по П.1, содержащее сгустители электрического тока, разделенные диэлектрической прокладкой и соединенные электропроводящим стержнем, на котором расположена измерительная катушка, подключенная к входу предварительного усилителя, отличающееся тем, что оно содер3764

жит компенсирующую катушку, управляемый источник напряжения, ключевой элемент, причем компенсирующая катушка расположена на электропроводящем стержне и подключена к выходу источника управляемого напряжения, управляющий вход которого через ключевой элемент соединен с выходом предварительного усилителя.

1. Способ измерения параметров электрического поля в проводящей среде, в котором в исследуемую среду помещают электрический преобразователь, с помощью которого концентрируют электрическое поле, проходящее через исследуемую среду, и преобразуют его в электрический ток, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, повышения точности измерений и расщирения диапазона измеряемых сигналов, компенсируют периодически напряжение в измерительной цепи электрического преобразователя и измеряют при отсутствии компенсации напряжение в измерительной цепи и компенсирующее сл напряжение, по которым определяют параметры электрического поля;

Изобретение относится к технической физике и электроизмерительной те |Никв, а именно к измерениям электрических полей в проводящих средах. Изобретение может быть использова но для создания бортовых и стационар ных измерительньсх систем, предназначенных для геофизических исследовани электрических полей в морской среде и грунте. Известен способ измерения парамет ров электрического поля в проводящей среде, при котором помещают электрический преобразователь в исследуемую среду и фокусируют электрическое поле через преобразователь с помощью сгустителей поля, подсоединенных к электрическому преобразователю П. Известно также устройство для pea лизации этого способа, содержащее электропроводящий стержень, соединен ный со сгустителями-обтекателями, выполненными в виде половин проводящего полого сфероида, на котором закреплен измерительный трансформатор тока С1. Однако эти способ и устройство характеризуются недостаточной чувствительностью и низким коэффициентом преобразования в области низких частот, что связано с высоким сопротивлением поляриза1щонного двойного слоя, образующегося на поверхности сгустителей. Кроме того, точность этого способа сильно зависит от электрофизических параметров проводя щей среды и материала, из которого выполнены сгустители, а трансформатор тока принципиально не может использоваться для непосредственного измерения постоянных и инфранизкочастотных электрических полей. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения параметров электрического поля в проводящей среде, согласно которому в исследуемую среду помещают электрический преобразователь, с помощью него концентрируют электрическое поле, проходящее через исследуемую среду, и преобразуют его в электрический ток С21. Известно также устройство для реализации этого способа, представляющее собой сгустители электрического тока, разделенные диэлектрической прокладкой и соединенные электропроводящим стержнем, на котором расположена измерительная катушка, подключенная к входу предварительного усилителя L21. Прокладка соединяет сгустители электрического тока посредством коммутатора, выполняющего роль модулятора. Устройство проводит измерен 1я при неизменных граничных условиях на поверхности контакта сгустителя датчика с окружающей проводящей средой, что достигается за счет применения электропроводящего стержня и сгустителя обтекателя, разделенных на две части соответственно двумя изолирующими прокладками, параллельно каждой из которых включены коммутирующие цепи модулятора. Недостатком указанных способа и устройства является понижение предельной чувствительности вследствие того, что известные ключевые коммутирующие элементы обладают высоким уровнем внутренних щумов, значитель31но превосходящим собственные шумы первичной измерительной цепи трансформатора тока со сгустителями. Кроме того, интенсивность собственных шумов известньсх: ключевых элементов находится в обратно пропорциональной зависимости от их максимально возможной частоты коммутации, что ограничивает частотный диапазон измеряемых сигналов в средне- и высоко частотных областях. Цель изобретения - увеличение чувствительности, повьшение точности измерений и расширение частотного диапазона измеряемых сигналов. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения параметров электрического поля в про водящей среде, в. котором в исследуемую среду помещают электрический пре образователь, с помощью которого концентрируют электрическое поле, проходящее через исследуемую среду, и преобразуют его в электрический ток, дополнительно компенсируют периодически напряжение в измерительной цепи электрического преобразователя и измеряют при отсутствии компенсации напряжение в измерительной цепи и компенсирующее напряжение, по которым определяют параметры электрического поля. I Поставленная цель достигается тем, что устройство, реализующее способ и содержащее сгустители элек трического тока, разделенные.электрической прокладкой, соединенные электропроводящим стержнем, на кото ром расположена измерительная катуш ка, подключенная к входу предварительного усилителя, содержит компенсирующую катушку, управляемый ис точник напряжения, ключевой элемент, причем компенсирующая катушка расположена на электропроводящем стержне и подключена к выходу источ ника управляемого напряжения, управ ляющий вход которого через ключевой элемент соединен с выходом предварительного усилителя. Способ измерения параметров элек трического поля в проводящей среде основан на периодической компенсации наяряжения, приложенного к первичной цепи трансформатора тока со сгустителями, и измерении сдвинутых во времени напряжения вторичной цепи трансформатора тока со сгустителями при отсутствии компенсации и компенсирующего напряжения, по величине которых определяют параметры электрического поля в проводящей среде. На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - пример реализации устройства; на фиг. 3-5 - диаграммы, иллюстрирующие работу устройства. Предлагаемый способ основан на периодИческой компенсации напряжения, приложенного к первичной цепи трансформатора тока со сгустителями, содержащего (фиг. 1 и 2) сгустители тока, разделенные диэлектрической прокладкой перегородкой 2 и соединенHijie электропроводящим стержнем 3, на котором pacJtoлoжeнa измерительная катушка 4, подключенная к входу- предварительного усилителя 5, и компенсирующая катушка 6, подключенная к выходу управляемого источника .напряжения 7, причем выход предварительно- Io усилителя 5 соединен с управляющим входом управляемого источника напряжения 7 через ключевой элемент 8. Как известно, напряженность измеряемого электрического поля с учетом параметров проводящей среды и двойного поляризационного слоя, образующегося на поверхности сгустителей, можно представить в виде схемы замещения активного двухполюсника, в которой напряжение холостого хода U;; пропорционально напряженности измеряемого электрического поля, причем коэффициент пропорциональности зависит только от геометрии сгустителей, а выходное сопротивление Zg характеризует параметры проводящей среды и двойного поляризационного слоя. В . связи с этим на эквивалентной схеме замещения описанный активный двухполюсник включен в первичную цепь трансформатора тока со сгустителями, представляющую собой так называемый объемный виток, замыкающийся через сгуститель 1, электропроводящий стержень 3 и окружающую проводящую. среду. Вторичной обмоткой трансформатора тока со сгустителями служит измерительная катушка 4. Необходимый режим измерения достигается о помощью периодического замыкания ключевого элемента 8, который подключает управляю1Щ1й вход управляемого источника напряжения 7 к выходу предварительного усилителя 5 и тем самым с учетом того, что к выходу управляемого источника напряжения 7 подключена компенсируилцая катушка 6, замыкает цепь обратной связи, 4fo в свою очередь обеспечивает периодическую компенсацию напряжения, при ложенного к первичной цепи трансформатора тока со сгустителями. Измеряя сдвинутое во времени напряжение вторичной цепи трансформатора тока со сгустителями, усиленное предварительным усилителем 5, т.е. напряжение Vj и компенсирующее напряжение и, а также зная коэффициенты передачи входящих в схему замещения Устройств, можно определить напряженность измеряемого электричес кого поля и параметры проводящей сре ды. Способ реализуется с помощью устройства, содержащего сгустители 1 то ка, разделенные диэлектрической перегородкой 2 и соединенные электропроводящим стержнем 3, на котором расположены измерительная катушка 4, подключенная к входу предварительного усилителя 5, и компенсирующая катушка 6, подключенная к выходу управляемого источника напряжения 7, управляющий вход которого через ключевой элемент 8 соединен с выходом предварительного усилителя 5. Вход первого интегрирующего аналого-цифрового преобразователя 9 (фиг. 2) соединен с выходом предварительного усилителя 5. Вход второго интегрирую щего аналого-цифрового преобразователя 10 соединен с выходом управляемого источника напряжения 7. К выходу первого интегрирующего аналогоцифрового преобразователя 9 подключены входы первого 11 и второго 12 буферных регистров. К выходу второго интегрирующего аналого-цифрового преобразователя 10 подключен вход третьего буферного регистра 13. Выходы буферных регистров 11-13 соединены с входной шиной блока микропроцессорных секций 14. Блок 15 микропрограммного управления соединен с блоком микропроцессорных секций 14 и постоянным запоминающим устройством 16, которое в свою очередь соеди нено с блоком микропроцессорньк секций 14, ключевым элементом 8, интегрирующими аналого-цифровыми преобразователями 9 и 10 и буферными регистрами 11-13. Генератор 17 тактовы 1 льсов подключен к блоку 15 микрораммного управления и блоку 14 опроцессорных секций. пособ реализуется следующим обм. ри отсутствии компенсации выое напряжение предварительного ителя 5 п-Кч, п-К , и - напряжение холостого хода в схеме замещения активного двухполюсника; Zg - выходное сопротивление в схеме замещения активного двухполюсника; ZY - входное сопротивление трансформатора тока со сгустителями 2; Z, - выходное сопротивление управляемого источника компенсирующего напряжения 7, приведенное в первичную измерительную цепь; п - коэффициент трансформации трансформатора тока со сгустителями 2; KI - коэффициент передачи предварительного усилителя 5; gy - входной коэффициент передачи. период компенсации выходное яжение предварительного усили5Unv (U,-U)-Kg.n.K UK - компенсирующее напряжение. сли компенсирующее напряжение вязано с напряжением U через фициент передачи К, т.е. ля компенсирующего напряжения о записать с учетом (2) п.Кб,гКх К К 1+n-Kg,-K я систему уравнений чим Ут- UK-К K-Un, - Uv Учитывая /L-U.; ZT где Е - напряженность измеряемого электрического поля; L - коэффициент пропорциональности, называемый эквивалентной базой, можно получить следующие соотношения:Un Ut К L (K-Ua, -UK) ZTUt;.n-Kv«K . Таким образом, по данным измерений Unvj и Uvc. можно определить напря женность измеряемого электрического поля EJ и выходное сопротивле ни§ Zg, зависящее от параметров про водящей среды и двойного поляризационного слоя. Устройство, реализующее способ. функционирует следующим образом. I В момент времени t, ключевой эле мент 8 размыкается, что приводит к размыканию цепи обратной связи, и в схеме начинаются связанные с этим переходные процессы, которые заканчиваются к моменту времени t,| (фиг. 3-5). На выходе предварительного усилителя 5 устанавливается напряжение , которое в течение t, интегрируется в пер времени вом аналого-цифровом преобразователе 9. В момент времени t,, ключевой элемент 8 замыкается, и в схеме начинаются связанные с этим переходные процессы, которые заканчиваются к моменту времени tj. В период времени tj - tj в первом интегрирующем аналого-цифровом преобразователе 9 происходит измерение напряжения Цт) проинтегрированного в период времени tij - tj , так что к моменту време ни tj на цифровых выходах первого интегрирующего аналого-цифрового преобразователя 9 устанавливается код, соответствующий измеренному на пряжению U(,j,, который затем через время tt -tj записывается в пер K-Un, UK (4) времени tj на выходе упраапяемого U. n-КцК описанные зависимости 11137648 вый буферный регистр 11. К моменту источника напряжения 7 устанавливается напряжение U, которое затем в t интегрируеттечение времени ся во втором интегрирующем аналогоцифровом преобразователе 10. В момент времени t ключевой элемент 8 размыкается, что приводит к размыканию цетт обратной связи, и в схеме начинаются связанные с этим переходные процессы, которые заканчиваются к моменту времени tg. Па выходе предварительного усилителя 5 устанавливается напряжение Ц , которое в течение времени tg - t интегрируется в первом интегрирующем аналогоцифровом преобразователе 9. К моменту времени t:j на цифровьгх выходах первого интегрирующего аналого-цифрового преобразователя 9 устанавливается код, соответствующий измеренному напряжению Un42 который-затем через время tr fcftg -t; записывается во второй буферный регистр 12. К моменту времени tj на цифровых выходах второго интегрирующего аналогоцифрового преобразователя 10 устанавливается код, соответствующий измеренному напряжению УК который затем через время t tg -tg записывается в третий буферный регистр. В период времени ( t) - tg в блоке микропроцессорных секций 14 происходит вычисление параметров электрического ПОЛЯ с учетом формул (5) и (6) и следующего соотношения: - Uns Ч, Таким образом, в момент времени tq на выходной шине блока микропроцессорных секций 14 появляется код, соответствующий измеряемым параметрам. Далее цИкл измерения вновь повторяется таким же образом, и к моменту времени t/ij, на выходе появляется следующий отсчет. Работа устройства синхронизируется с помощью генератора 17 тактовых импульсов. Блок 15 микропрограммного управления совместно с постоянным запоминающим устройством 16 управляет работой блока микропроцессорных секций 14, ключевого элемента 8, интегрирующих аналого-цифровых преобразователей 9 и 10, буферных регистров 11-13.

С выходной шины блока микропроцессорных секций 14 значения параметров измеряемого электрического поля, представленные в цифровой форме в виде отсчетов, могут быть переданы по каналу, связи к другим устройствам.

Вследствие периодической компенсации напряжения первичной цепи трацсформатора тока со сгустителями через двойной поляризационный слой протекает переменньй ток высокой частоты соответствзпощей частоте компенсации, что приводит к резкому уменьшению импеданса двойного поляризационного слоя, имеющего частотно-зависимый и монотонный, убывающий с ростом частоты характер. Поскольку предельная чувствительность измерений обусловлена тепловыми шумами входной измерит ельной цепи, которые в свою очередь

зависят от активного сопротивления двойного поляризационного слоя, предлагаемый способ позволяет повысить чувствительность измерительных преобразователей в 3-10 и более раз.

Кроме того, как показывает вьфажение (5), при измерении напряженности исследуемого электрического поля исключается зависимость результатов от электрофизических параметров окружающей среды, что увеличивает точность измерений на 33% при изменении проводимости окружающей среды вдвое.

Перенесение коммутирующих элементов из первичной цепи-трансформатора тока со сгустителями во вторичную позволяет устранить недостатки прототипа, связанные с шумом коммутирующих элементов, и расширить частотный диапазон измеряемых сигналов в область средних и высоких частот.

-I-I-H

to tf t ty tt i tg ij tg tg tjg iff Hf %

ti tj tiftg tg tf tg tff tffftfi llf/fS

UZ.if

L

t h ttf tf if tj tgtg tjotjf tf tfj tjif tfy

(f-H

H119 г/г. J

fpuz.f