Датчик электрического поля токов проводимости Советский патент 1984 года по МПК G01N3/06 

Изобретение относится к измерител.ьной технике, применяемой в геоэлектроразведке и при морских геофизических исследованиях злектриче ких полей, в частности к измерению электрической составляющей естестве ных и искусственньрс злектромагнит ных полей в морской среде, и может быть использовано при разработке, проектировании и изготовлении первичных преобразователей для измере ния вектора напряженности электрических полей в проводящих средах для решения различных прикладных задач геофизики, физического модели рования и т.п. . Известен трехкомпонентный датчик электрического поля, содержащий три идентичных однокомпонентных датчика переменного электрического поля расположенных так, что их оси максимальной чувствительности взаимно перпендикулярны, а геометрические центры совмещены в пространстве. Электродная си стема датчика предста ляет собой рдзрезанные проводящие .стержни, в разрез которых включены первичные обмотки согласующих транс форматорог в виде тороидальных кату шек. К вторичным обмоткам трансформаторов подключены входы усилительно-измерительных каналов l j . Недостатком данного устройства является низкие чувствительность и точность измерения слабых электрических полей. Объясняется это тем, что эквивалентная измерительная база каждой пары электродов (полуСтержней) любого из каналов шунтируется электродами других каналов. В результате уменьшается как ток ко роткого замыкания 1| каждого из каналов (линии поля плотности тока замыкаются- через электроды ортогональных каналов), так и сопротивле ние растекания между электродами (выходное сопротивление канала) Rp По.скольку мощность, выделяемая на согласованной нагрузке Датчика, пропорциональна - 1 Rp, то умень шение обоих сомножителей (один из которых входит во второй степени) приводит к заметному ухудп1ению чувс вительности. Наиболее близким к изобретению является датчик электрического поля состоящий из диэлектрического корпу са, с расположенными на нем в вершинах вписанного тетраэдра идентичными измерительными электродами 2J . Недостатком известного датчика является уменьшение чувствительности и точности измерений из-за взаимного щунтирования измерительных баз электродов. Цель изобретения - увеличение чувствительности и точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в датчике токов проводимости, состоящем из диэлектрического корпуса с расположенными на нем в вершинах вписанного тетраэдра идентичными измерительными электродами, корпус датчика выполнен в виде тетраэдра, на ребрах которого симметрично по отношению к образующим граням с наружной стороны установлены диэлект-. тричёские пластины-экраны. На фиг.1а ,Б ,Ь изображены три проёт ции, сечение () и общий вид (а) первичного преобразователя предлагаемого датчика; на фиг.2 блок-схема обработки сигнала при использовании предлагаемого датчика. Предлагаемьй датчик состоит из герметичного диэлектрического корпуса в виде тетраэдра 1 (сечение диэлектрика на фиг.1 показано сплошной линией), во внутренней полости 2 которого может быть размещена аппаратура предварительной o6j a6oTки сигнала. На каждом иэ ребер тетраэдра симметрично пр отношению к образующим граням с наружной стороны корпуса установлены одинаковые диэлектрические пластины-экраны 3. На гранях тетраэдра укреплены четыре идентичных проводящих измерительных электрода 4-7. На фиг. 1 поверхность электродов показана прямой, а сечение косой штриховкой. Изображенные на фиг.1 электроды занимают всю поверхность граней, ак как в этом случае смоченная оверхность будет максимальной, а мпеданс двойного поляризационного лектрического слоя минимальным. лектрический контакт между электроами осуществляется только через кружающее пространство. Прлмой онтакт между ними исключается за чет применения диэлектрических пласин-экранов. Электродь могут заниать и не всю поверхность граней, .е. иметь форму подобных граням треугольников, могут быть развернуты на угол, кратный 60. Можно также использовать электроды в виде круго jвых дисков, полусфер, сфер, сфероидов и т.д. При этом важно лишь соблюдать симметрию электродной системы. Последнее условие выполняется, если все измерительные электроды одинаковы и идентично установлены на гранях тетраэдра, имеют ось симг метрии, перпендикулярную плоскости граней и проходящую через их центр. На блок-схеме (фиг.2) каждый из указанных измерительных электродов 4-7 подключен к одному из одноименных входных зажимов усилительно-измерительных каналов 8-11 соответственно, вторые входные зажимы которы соединены в общую точку. Таким образом, входы усилительно-измеритель ных каналов образуют четырехлучевую звезду. Выходы всех четырех каналов через линию и устройство -12 связи подключены к входам устройства 13 обработки сигналов, в качестве которого может быть использована микроэвм. Наличие общей точки у входов уси яительных каналов уменьшает перекре ные наводки и наводки от разности потенциалов земель морской и бере говой частей измерительной системы в случаях, если регистратор расположен вне датчика, а соединен кабелем связи с берегом или обслуживающим судном. Устройство функционирует следующим образом. При размещении датчика в проводящей среде с однородным электричес ким полем произвольной ориентации электродная система 4-7 преобразует распределенную энергию поля в элект рический сигнал. При этом большая смоченная цоверхнрсть электродов 4не только уменьшает влияние двойного электрического слоя на результаты измерений, но и эффективно сгущает силовые линии плотности тока проводимости, т.е. увеличивает коэф фициент преобразования и чувствител ность датчика. Кроме того, повышение чувствительности предлагаемого датчика осу ществляется сгущением силовых линий электрического поля -непроницаемыми для него диэлектрическими, пластинами-экранами 3. При этом повышение чувствительности и точности измерений, а также коэффициента преобразования датчика происходит практически без увеличения его обьема и веса, выступающие пластины 3 могут быть очень тонкими. Также объем тетраэдра меньше чем у куба или любого другого тела при равной чувствительности. Идентичное расположение электродов, наличие трех осей симметрии электродной системы исключают взаимное шунтирование и влияние канеигюв один на другой. Рассмотрим процесс обработки полезного сигнала. Пусть исследуемое поле в декартовых осях координат (фиг.1) имеет следующие компоненты вектора напряженности Е, Ец и Е. Тогда, .обозначив известнь1Й из расчетов или определенный при калибровке коэффициент преобразования датчика по напряженности исследуемого поля для потенциалов электродов 4-7 относительно общей точки, т.е. напряжений на входе каналов 8-11, можно соответственно записать o4 9i ;C05 5,5°4f co5TO,5°); 05 9(-ЕлСОв60°-С05(9,54Еу.С0530х X COS (9, 00570,5°) 06 f3t- « CC56o.co5l9,.E.j-C0330° „ ,5tE co5fO,5°)И - -Р г от . Эти напряжения усиливаются в известное число раз в усилительно-измерительных каналах 8-11 и поступа- ют на линию и устройство 12 связи, которые осуществляют передачу и преобразование аналоговой информации в машинный код, поступающий на входы микроэвм 13. В последней любые три уравнения системы (1) используются для определения неизвестных компонент вектора напряженности исследуемого электрического поля Е, Е(, и Е. Оставшееся неиспользованным четвертое уравнение системы (1) используется для контроля правильности решения и проверки стабильности и неизменности во времени коэффициента преобразования датчи :а . Тем самым исключаются погрешности измерений из-за изменений изменении физико-химических параметров окружающей среды и датчика (темпеS .1 paтура, проводимость, соленость, химический состав морской воды, старение электродов, изменение входного сопротивления кан.алов и т.п.). Найденные значения компонент вектора напряженности Е,; , ЕЙ и Е, позволяют легко рассчитать модуль и направление результирующего вектора напряженности Е , а определить др-j гие параметры и характеристики исследуемого поля (спектральные, корре ляционные и др. ) Результаты вычис76лений можно вывести на печатакядее устройство или представить в удобной для наблюдений аналоговой форме , Использование изобретения позволит повысить чувствительность и точность измерений, что в свою очередь позволит .исследовать более слабыв электрические поля и увеличит достоверность получаемой информации.

ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ТОКОВ ПРОВОДИМОСТИ, состоящий из диэлектрического корпуса с расположенньми на нем в вершинах вписанного тетраэдра идентичными измерительными электродами,отличающий с я тем, что, с целью увеличения чувствительности и точности измерений, корпус датчика выполнен в виде тетраэдра, на ребрах которого симметрично по отношению к образующим граням с наружной стороны установлены диэлектрические пластины-экраны.