Датчик составляющих электромагнитного поля Советский патент 1991 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к измерениям параметров переменных электромагнитных полей и может быть использовано в геофизике при исследовании естественных и искусственных электромагнитных полей с широким частотным диапазоном в диэлектрической и проводящей средах при наличии мощных помехонесущих полей, при измерении параметров электромагнитного поля, излучаемого электротехническими объектами и другими техническими средствами.

Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений за счет устранения влияния помех с масштабом неоднородности, большим размера датчика.

На фиг. 1 схематически изображена конструкция предлагаемого первичного преобразователя, на фиг. 2 и 3 представлены схемы воздействия электрического поля, соответственно, на симметричную и несимметричную рамки: на фиг. 4 изображена эквивалентная схема для предлагаемой симметричной рамки; на фиг. 5 схематически изображена физическая модель емкостной связи рамки с проводящим телом; на фиг. 6 и 7 представлены физические модели и эквивалентные схемы, соответственно, симметричных и несимметричных первичных преобразователей электрического поля.

о ел о

VJ

ю

Предлагаемое устройство, показанное на фиг. 1, состоит из рамки 1 с перемычкой 2. В серединах двух частей рамки перпендикулярно перемычке выполнены отверстия 3. Внутри трубки рамки и перемычки проходят изолированные проводники 4, которн ° отверстиях 3 соединяются с торцами трубок. В центре перемычки 2 сделаны выводы от каждого проводника 5, 6 и от самой перемычки 7. Вокруг отверстий 3 расположены цилиндры 8, от которых сделаны выводы 9, 10. Все выводы соединены соответственно с усилителями 11-14, образуя при этом симметричные помехозащищенные электрические цепи. Выходы усилителей соединены с регистрирующими приборами 15, 16.

При помещении датчика в гармонически изменяющееся с частотой а однородное электромагнитное поле с магнитной индукцией Bz, направленной Перпендикулярно плоскости фиг. 1, и с напряженностью электрического поля Ех, направленной перпендикулярно перемычке в плоскости фиг. 1, в каждой из двух частей рамки 1 наводится частичная ЭДС:

c jew-|)-Bz,

- площадь рамки; к цилиндрам 8 подтекает ток смещения:

Ik 3ЭЈК0 Ех,

где Зэ - эквивалентная поверхность цилиндрических электродов.

Наводимая в частях рамки ЭДС посредством внутренних проводников в трубках дифференциально подключается к входам усилителей, выходные сигналы которых получаются пропорциональными составляющей вектора индукции измеряемого ЭМП. Выходной сигнал усилителей магнитного канала регистрируется регистратором 16.

Токи смещения электродного датчика являются входными токами инвертирующих усилителей, выходной сигнал которых пропорционален составляющей вектора напряженности измеряемого электрического поля. Выходной сигнал усилителей электрического канала регистрируется регистратором 15.

Датчик при наличии помех работает следующим образом.

Если на первичный преобразователь магнитной компоненты ЭПМ действует электрическое поле напряженностью Ё, как показано на фиг. 2 и 3, разлагают пектор Ё на ортогональные составляющие

Е ёх Ех + ёуЕу + ё/Е/,

где ёх, ёу, ё/ - единичные оргы ч Д|ЗК;ФТОЕЗОЙ системе координат.

со

.h -EJh-h1),

Определяют напряжение, наводимое в

квадратичном витке со стороной h (см. фиг

2) от каждой составляющей напряженности

электрического поля.

ф Ezizdl 0, так как ez перпендикулярно df,

0Exff,d -jEjde + jE,.-be.O;

ЯЛВСFD

tfEjfyje-jEjWeijE e jEyhjei PC

-E h l-Eyh-E h +Sl + .

Таким образом, помеха от однородного электрического поля неелияет на показания предлагаемого датчика магнитного поля, а для известного измерителя магнитного поля

5 с такими же геометрическими размерами (см. фиг. 3):

aEJe«jExhje«iF4hde + jExhde

&ЬЛс «i

+-jEJh-fi}Je.E,.h-E4l 0w

т.е. имеется наводимая в контуре ЭДС от действия электрического поля за счет несимметрии.

При измерении магнитного поля вблизи

5 проводящих тез возникает емкостная связь рамочного первичного преобразователя через электрическое поле с проводящим телом, приводящая к появлению дополнительной помехи. Разность потенци

0 алов между корпусом усилителя и проводящим телом учитывается ЭДС источника помехи Us с инпедансом Z3, а емкостная связь учитывается с помощью сосредоточенной емкости Ск (см. фиг. 5) Для извест

5 ного измерителя магнитного поля из эквивалентной схемы расчета сигнала помехи, соответствующей физической модели на фиг. 5, где Rn сопротивление проводящих проводов, Ry - входное сопротивление уси0 лителя, следует, что если для простоты пред- положить помеху гармонической (например, с промышленной частотой), то напряжение помехи на входе усилителя определяется выражением.

5 RnR

и„-и

Rfl((Zp + Rn+Rs) + (2 ZkKZp+Rn R)

1

где ZK у} - емкостное сопротивлеJ Шп Ck

0 ние по частоте помехи ш,,

Эквивалентная схема предлагаемого датчика магнитной компоненты ЭМП приведена на фиг. 4, где Z3K импеданс оболочки половины рамки, а ес и Zp Z-« - Rr j (t Lc, 5 соответственно ЭДС сигнала и импеданс одной части рамки.

Рассматривая левую часть схемы отно- ситель.но точек 5, 6, 7 как активные двухполюсники с параметрами UP1, ZBni и UP2. ZPn, эквивалентную схему можно упорстить.

Если схема симметрична, т.е. ZBni - Znn2. то напряжение помехи на выходах двухполюсников равны, т.е. Uni Un2 и суммарное напряжение помехи на входе усилителя ипГ

- Un2 0.

Для уменьшения помех измерителя электрической компоненты ЭМП применен метод симметрирования.

Дифференциальный емкостный датчик с цилиндрическими электродами изображен на фиг. 6. Центральная точка образует нулевую точку первичного преобразователя. Для полной симметрии усилитель выполнен по схеме с дифференциальным входом.

V известного несимметричного датчика (см. фиг. 7) существует зависимость коэффициента преобразования от величины емкости С3. и на выходе усилителя имеется значительная помеха:

,, -иССз

Un Us С Сп + Сз Сп + С Сз Этот недостаток полностью исключается в случае симметричного датчика.

Таким образом, предлагаемый совмещенный датчик не чувствителен к электрическим помехам, наводимым на рамку, измеряющую магнитную компоненту ЭМП, и к влиянию проводящих масс и исключает

помехи, создаваемый несимметричностью емкостного первичного преобразователя электрической компоненты ЭМП. Формула изобретения

Датчик составляющих электромагнитного поля, содержащий первичный преобразователь магнитной компоненты и первичный преобразователь электрической компоненты, отличающийся тем. что,

с целью, повышения чувствительности и точности измерений, первичный преобразователь магнитной компоненты выполнен в виде рамки из электропроводящей трубки, снабженной перемычкой из той же трубки,

соединяющей середины вертикальных сторон рамки, середина горизонтальнвтгсторон рамки выполнена сосквознымиотверстиями, от одного отверстия к другому через перемычку располагаются симметрично друг другу

два изолированных проводника, конец каждого проводника при входе и выходе из отверстий электрически соединен с соответствующим торцом трубки, проводники в центре перемычки и с наружной поверхности подключены к выходам датчика, первичный преобразователь электрической компоненты выполнен в виде цилиндрических электродов, размещенных соосно вокруг горизонтальных сторон рамки и

соединенных с выходами датчика.

И€п ti

Ј Ч

Изобретение относится к измерениям параметров переменных электромагнитных полей и может быть использовано в геофизике при исследовании естественных и искусственных электромагнитных полей в широком частотном диапазоне в диэлектрической и проводящей средах при наличии мощных помехонесущих полей. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений за счет устранения влияния помех с масштабом неоднородности, большим размера датчика - достигается тем, что первичный преобразователь маг нитной компоненты выполнен в виде рамки 1 из электропроводящей трубки, снабженной перемычкой 2 из той же трубки,соединяющей середины вертикальных сторон рамки, середина горизонтальных сторон рамки выполнена со сквозными отверстиями 3, от одного отверстия к другому через перемычку располагаются симметрично друг другу два изолированных проводника 4, конец каждого проводника при входе и выходе из отверстий соединен с соответствующим торцом трубки проводники 5, 6 в центре перемычки и с наружной поверхности подключены к выходам датчика, первич- ный преобразователь электрической компоненты выполнен в виде цилиндрических электродов, размещенных соосно горизонтальным сторонам рамки и соединенных с выходами датчика. Устройство также содержит перемычку 7, цилиндры 8, выводы 9, 10, усилители 11-14, регистрирующие приборы 15, 16. 7 ил. СП С

Т

А

а

f

спь

г -(+J

л

х

г. эг

2 Мф

J/

а

8