Устройство для измерения электрической и магнитной составляющей электромагнитного поля Советский патент 1991 года по МПК G01R33/02 

Изобретение касается измерений 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.

На фиг.1 изображена функциональная схема 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 симметричной рамки.

Предлагаемое устройство содержит рамочный первичный преобразователь магнитной компоненты в виде круглого витка 1, разделенного на четыре равные секции 2,3, 4 и 5. Середины секций 2, 3, 4, 5 соединены между собой радиальными проводниками 6, 7, 8 и 9 с общей точкой 10 в центре витка. Между секциями 2иЗ, Зи4, 4и5, 5и2 включены первичные обмотки соответственно 11,12, 13,14 согласующих трансформаторов 15,16, 17 и 18, Вторичные обмотки 19 и 20 согласующих трансформаторов 15 и 17 соединены последовательно и согласно, вторичные обмотки 21 и 22 согласующих

ON ON CJ СЛ 00 СЛ

трансформаторов 16 и 18 соединены последовательно и согласно, включены между общей точкой и неинвертирующим входом усилителя 23, а вторичные обмотки 19 и 20 - между общей точкой и инвертирующим входом усилителя 23.

Первичный преоброазователь электрической компоненты выполнен в виде сфер 24, 25, 26, 27. Радиальные проводники 6, 7, 8, 9 содержат соответственно первичные обмотки 28, 29, 30, 31 согласующих трансформаторов 32, 33, 34 и 35. Вторичные обмотки 36 и 37 согласующих трансформаторов 32 и 34 соединены последовательно и согласно, включены между инвертирующим и неинвертирующим входами усилителя 38, а вторичные обмотки 39 и 40 согласующих трансформаторов 33 и 35 также соединены последовательно и согласно и включены между инвертирующим и неинвертирующим входами усилителя 41. Выходы усилителей 38 и 23, 23 и 41 подключены на входы соответствующих аналоговых перемножителей 42 и 43, которые также соответственно соединяются с регистраторами 44 и 45.

Устройство работает следующим образом.

В гармонически изменяющемся с частотой ш однородное электромагнитное поле с магнитной индукцией В2, направленной перпендикулярно плоскости чертежа, и с напряженностью электрического поля Ех, направленной в плоскости чертежа, в каждой секции устройства, образованной частью рамки 1 и закорачивающими радиальными проводниками 6-9, наводится частичная ЭДС.

В.

где S - площадь витка; к сферам (9) протекает ток смешения: Ik -(0ЈЈо Вэ Ех,

где Зэ - эквивалентная поверхность сферических электродов;

е , е0 - диэлектрическая проницаемость в среде и в вакууме соответственно.

Наводимая в частях рамки ЭДС дифференциально через согласующие трансформаторы подключается ко входу усилителя 23, выходной сигнал которого получается пропорциональным составляющей вектора индукции измеряемого электромагнитного поля. Если пренебречь индуктивностями рассеивания и сопротивлениями обгадток трансформаторов 15-18, то напряжение сигнала, приведенное к входу усилителя 23, можно записать в следующем виде:

Ч

Za-R

zZzZp+ZeR4 + ZpR

Rg - входное сопротивление усилителя 23 по дифференциальному входу;

Zz R + j (и LT - импеданс первичной обмотки согласующих трансформаторов 15-18;

Zp г + j ш L - выходной импеданс первичного преобразователя 1.

Токи смешения электродного датчика являются входными токами усилителей, вы- ходной сигнал которых будет пропорционален составляющей вектора напряженности измеряемого электрического поля. Входной сигнал усилителей 38, 41 электрического канала также подается на аналоговые пере- множители.

Рассмотрим работу устройства при наличии помех. Если на первичный преобразователь магнитной компоненты ЭМП будет действовать электрическое поле напряжен- ностью Е, как показано на фиг.2 и 3, то вектор Е разлагается на ортогональные составляющие:

Е exEx + eyEy + ezEz,

, еу, ez - единичные орты в декартовой системе координат.

Определим напряжение, наводимое в квадратном витке со стороной h (см. фиг.2) от каждой составляющей напряженности электрического поля.

фё Ez 0 -так как ёг перпендикулярно dl;

jE,(h + )ih-E)ih 0

НА 1 ВС

#ечЕчс В ГЕчИ4. ЕмЬ-ЕхЬ 0.

3 ЭАвCD

Таким образом, помеха от однородного электрического поля не влияет на показания предлагаемого датчика магнитного поля. А для известного измерителя магнитного поля с таким же геометрическими размерами (см.

фиг.З): ...,

fi&Ed J-E /e ,(h-h1)

АВСР

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

При измерении магнитного поля вблизи проводящих тел возникает емкостная связь рамочного преобразователя через электрическое поле с проводящим телом, приводящая к появлению дополнительной помехи. Разность потенциалов между корпусом усилителя и проводящим телом учитывается ЭДС источника помехи Ua с импедансом 2э, а емкостная связь учитывает с помощью сосредоточенной емкости Q. Для известного измерителя.магнитного поля из эквивалентной схемы расчета сигнала помехи, где Rn - сопротивление проводящих проводов, Ry - входное сопротивление усилителя, следует.

что если для простоты предположить помеху гармонической (например, с промышленной частотой), то напряжение помехи на входе усилителя определяется выражением

rf-U.

Ч

MVZ| 1 Rn(VR tR H2 vZicKVRn1 Ra)

где Zk 1 /j uAiCk - емкостное сопротивление по частоте помехи .

Эквивалентная схема датчика магнит- 10 ной компоненты ЭМП приведена на фиг.4, где г0- сопротивление радиального проводника, а ес и Zp r0 + Re + j о) U соответственно, ЭДС сигнала и импеданс одной части рамки.15

Рассматривая левую часть схемы относительно точек а, б, в, как активные двухполюсники с параметрами Dpi, Zbn1 И Up2, Zbn2, эквивалентную схему можно упростить.

В случае симметричности схемы, т.е. 20 Zbnl - Zbn2, напряжение помех на выходах двухполюсников равны, т.е. Uni Un2 и суммарное напряжение помехи на входе усилителя Оп1 - 0П2 0.

Для уменьшения помех измерителя и 25 электрической компоненты ЭМП применен метод симметрирования

Формула изобретен и ч

Устройство для измерения электрической и магнитной составляющей электро- 30 магнитного поля, содержащее первичный преобразователь магнитной компоненты электромагнитного поля и первичный преобразователь электрической компоненты, усилители и регистрирующий прибор, о т л- 35

и чающееся тем что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, в него введены два аналоговых перемножителя, а первичный преобразователь магнитной компоненты выполнен в виде витка с четырьмя равными секциями, середины которых соединены между собой радиальными проводниками с общей точкой в центре витка, а между секциями включены первичные обмотки согласующих трансформаторов, вторичные обмотки диаметрально противоположных пар которых соединены последовательно и согласно и включены между общей точкой в центре витка, а также инвертирующим и неинвертирующим входами первого усилителя, имеющего одну об Шую точку с двумя другими усилителями, выход которого подключен к первым входам аналоговых перемножителей, подключенных к соответствующим регистрирующим приборам, а первичный преобразователь электрической компоненты выполнен в виде четырех сфер, размещенных в местах соединения радиальных проводников и витка, при этом между каждой сферой и общей точкой включена первичная обмотка соответствующего согласующего трансформатора, вторичные обмотки диаметрально противоположных пар которых соединены последовательно и согласно и включены между инвертирующим и неинвертирую- щим входами соответствующего второго и третьего усилителя, выходы которых подключены ко второму входу соответствующего аналогового перемножителя.

Изобретение касается измерений 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 нанесении мощных помехонесущих полей. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений - достигается выполнением первичного преобразователя магнитной компоненты в виде круглого витка 1, разделенного на секции 2, 3, 4, 5, и первичного преобразователя электрической компоненты в виде сфер 24 - 27, а также введением радиальных проводников 6 - 9, согласующих трансформаторов 15 - 18 с первичными обмотками 11, 12, 13, 14 и вторичными обмотками 19, 20, 21, 22, согласующих трансформаторов 32 - 35 с первичными обмотками 28 - 31 и вторичными обмотками 36 - 40 и аналоговых перемножителей 42, 43. Устройство также содержит первичные преобразователи электрической и магнитной компонент, усилители 23, 38, 41 и регистраторы 44, 45. 2 ил.

2k

ajl$

Фиг.1

А

Щи&г

г0 W ь/г ыг

//

/ / Ъ12 г .-,

VI Ыг Ыг

ш ыг ft/

7

icl Ы2 Лей

в

К W цс1г

Ы b/г tell 0Г

Щи.

Составитель Л. Устинова ,

Редактор В. Фельдман Техред М.МоргенталКорректор О. Кундрик

Заказ 2265Тираж 424Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

h--h +$

6

iЈ

Ь е

3

СИ

№eJ

« «

1

Г