"Датчик электрического поля "Белка" Советский патент 1992 года по МПК G01V3/06 

Изобретение относится к электрофизическим измерениям, а именно к устройствам для измерения напряженности постоянного и медленно меняющегося электрического поля в проводящих средах, преимущественно в морской воде, и может быть использовано в инженерно-физических и геофизических исследованиях, в том числе и в электроразведке, биологии, рыбном хозяйстве и океанографии.

Известно устройство для измерения постоянных и медленно меняющихся электрических полей, состоящее из двух электродов, помещенных в гидроканал, и разделяющего их клапана, в котором влияние собственной ЭДС электродов устранено. Недостатком устройства является малый коэффициент преобразования, низкая надежность работы в условиях высоких давлений.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является электромодуляционный преобразователь, содержащий корпус, измерительные электроды, электронные камеры, гидроканалы и гидроключ, состоящий из активной и пассивной частей. Коэффициент преобразования повышен вдвое по сравнению с аналогом.Кроме того, частота преобразования равна удвоенной частоте вращения активной части гидроключа. Это исключает прохождение

4

IOJ (Л

3 о

помех в измерительную цепь от цепей питания механического привода.

Недостатком данного устройства является низкая надежность работы в целом. Под влиянием воздействия всестороннего сжатия на глубине детали гидроключа деформируются, сопряженность трущихся поверхностей активной и пассивной частей гидроключа, прижатых друг к другу пружиной, нарушается. Это приводит к выходу устройства из строя. Существенным недостатком является также наличие погрешности за счет электрокинетической ЭДС между трущимися диэлектрическими деталями гидроключа.

Цель изобретения -увеличение надежности и стабильности работы.

На фиг. 1 показано устройство датчика, горизонтальная проекция; на фиг, 2 - датчик, продольный вертикальный разрез, на фиг. 3 - упрощенная эквивалентная электрическая схема датчика.

Датчик электрического поля содержит диэлектрические трубы 1 и 2, открытые концы которых выведены во внешнюю среду 3, например морскую воду, корпус 4, в котором имеется диэлектрическая камера 5 с диаметром DI, верхняя часть которой выполнена в виде съемной диэлектрической крышки 6, а в центральной части имеются отверстия 7 и 8, к которым подсоединены трубы 1 и 2, и отверстия 9 и 10, соединенные с электродными камерами 11 и 12, содержащими измерительные электроды 13 и 14, соединенные с выходными клеммами датчика. Активная часть гидроключа датчика выполнена в виде сборки из цилиндрического диэлектрического стержня 15 и тонкостенной диэлектрической трубы 16 с внешним диаметром Da (0,97-0,999)Di. Эта активная часть гидроключа соосно размещена внутри камеры 5 с возможностью вращения вокруг оси 17. В теле активной части гидроключа выполнены две разобщенные полости 18 и 19. Полость 18 сообщается с полостью камеры 5 коммутационными отверстиями 20 и 21, выведенными под углом 90° друг к другу, а полость 19 - коммутационными отверстиями 22 и 23, выведенными под углом 90° одно к другому и соседним коммутационным отверстиям 20 и 21. Между рабочими поверхностями гидроключа имеется зазор 24, ширина которого составляет (0,005-1,5)% DL Отверстия 7-10 и коммутационные отверстия 20-23 выполнены одинаковыми. Их оси находятся в одной плоскости, проходящей через центр активной части нормально к ее оси. На боковой поверхности диэлектрического стержня 15 выполнены одинаковые пазы по глубине не

доходящие до оси стержня 15, по vrny раскрытия охватывающие более 90° и менее 180° каждый, а по длине превышающие не менее чем в 3 раза длину отверстий 7-10 и

20-23, но не достигающие торцов стержня 15. Диэлектрическая труба 16 надета на стержень 15 и герметически соединена с ним, при этом коммутационные отверстия 20-23 выполнены в стенке трубы 16, внешняя поверхность которой имеет диаметр D2 и является рабочей поверхностью активной части. Измерительная база датчика имеет длину L.

Диэлектрическая камера 5 (фиг. 2) имеет

высоту hi, тонкостенная диэлектрическая труба 16 имеет высоту h2 hi, а коммутационные отверстия 21 и 22 выполнены в виде прорезей длиной h вдоль образующих цилиндров и шириной d h, причем длина

активной части .

Эквивалентная электрическая схема датчика (фиг 3) содержит источник 25 измеряемого напряжения Ux, источники 26 и 27 собственной ЭДС И и ч электродов 13 и 14,

емкости 28 и 29 величиной Сги и Сп2 двойных слоев электродов 13 и 14, зашунтированные резисторами 30 и 31 утечки, резисторы 32- 35 с сопротивлениями между электродными камерами 11 и 12 и отверстиями 7

и 8, ведущими к гидроканалам в трубах 1 и 2, резисторы 36 и 37 с сопротивлениями RTpi и Ртр2 гидроканалов в трубах 1 и 2, а также резистор 38 с сопротивлением Rp растекания открытых концов этих труб 1 и 2.

Напряжение холостого хода датчика

равно

Ux Е Ц,

где Е - измеряемая величина электрического поля;

з - коэффициент преобразования датчика (эквивалентная длина измерительной базы датчика, определяемая опытным или

расчетным путем, решая для конкретного датчика соответствующую полевую задачу). Датчик работает следующим образом. Наличие на входных концах гидроканалов постоянной или медленно меняющейся

разности потенциалов приводит к появлению на выходных зажимах датчика сигнала, величина и полярность которого зависят от взаимного расположения активной и пассивной частей гидроключа.

При нахождении активной части гидроключа в положении, указанном на фиг. 2 (первое основное положение), сигнал через гидроканалы (отверстия 7, 9, 20, 21 и 8, 10, 22, 23 и полости 18 и 19) поступает на измерительные электроды 13 и 14 в одной полярности. При повороте активной части гидроключа на 90° точно такой же сигнал передается на измерительные электроды 13 и 14, но в противоположной полярности, т.е. при повороте активной части на 90° осуществляется антикоммутация. За полный оборот активной части коммутация и антикоммутация осуществляются дважды. Но нёличие зазора 24 между активной и

пассивной частями гидроключа приводит к тому, что коэффициент преобразования датчика в целом несколько уменьшается по сравнению с известным датчиком.

Оценим результирующий коэффициент

преобразования датчика и уровень сигнала на выходных зажимах датчика. Под воздействием внешнего электрического поля в цепи протекает ток I, величину которого можно

определить из выражения

Изобретение относится к электрофизическим измерениям, а именно к устройствам для измерения напряженности постоянного и медленно меняющегося электрического поля в проводящих средах, преимущественно в морской воде, и может быть использовано в инженерно-физических и геофизических исследованиях, в том числе в геоэлектроразведке, биологии, рыбном хозяйстве и океанографии. Цель изобретения - увеличение надежности и стабильности датчика в работе при сохранении повышенного значения коэффициента преобразования. Для этого пассивная часть гидроключа выполнена в виде цилиндрической камеры, имеющей для сообщения с гидроканалами и электронными камерами отверстия. Активная часть выполнена в виде цилиндра, внешний диаметр которого на 0,01-5% меньше диаметра цилиндрической камеры пассивной части гидроключа. В теле активной части гидроключа имеется полость с четырьмя коммутационными отверстиями, симметрично разделенная перегородкой на две части. 2 з.п. ф-лы. 3 ил. сл С

Rp + Rmp1 + Rmp2 + (Rl + R2) ( ИЗ + R4 ) ( Rl + R2 + Rs + Rl )

Ток в диагонали моста принят равным нулю, что соответствует подключению к выходным зажимам датчика устройства (предварительного усилителя) с большим входным сопротивлением. Учет влияния конечного значения величины входного сопротивления предварительного усилителя не представляет принципиальных трудностей и не рассматривается.

При любом положении активной части гидроключа справедливы соотношения

RTP1 RTP2 Rip ,(2)

Rl R4.(3)

R2 R3

(4)

С учетом этих соотношений напряжение U на выходных зажимах датчика может быть записано в виде

U E + Д1,(5)

Д| И-12,(6)

где - эффективный коэффициент преобразования датчика,

1-эф U ( 1 R-I +2 RTp + RP

Rl +2 RTp +Rp +(Ri +R2) 2

Величины сопротивлений Rp и 2RTp определяются геометрией датчика и электропроводностью ст окружающей среды и могут быть оценены из выражения

RP+2RTP Hri+ + l arsh larshA).

Ux

( ИЗ + R4 ) ( Rl + R2 + Rs + Rl )

(1)

где DTp - диаметр труб 1 и 2. Первый член в правой части выражения (8) представляет сумму сопротивлений растеканий открытых концов труб 1 и 2, второй

- сумму сопротивлений гидроканалов, а третий - сумму сопротивлений растекания отверстия 7 в трубе 1 и отверстия 8 в трубе 2. В зависимости от взаимного расположения коммутационных отверстий 20-23 и

отверстий 7-10 сопротивления RI и R2 приобретают различные значения, вследствие чего коэффициент преобразования также зависит от положения активной части. Для положения активной части, показанного на

фиг. 1, сопротивление R2 существенно больше сопротивления RL Обозначим значения сопротивлений для этого положения ключа через RI и R2, при этом значения их могут быть оценены из выражений

-R2 R2-R2 +R2 (9)

об(7)

где R2 - сопротивление полосы зазора тол- 35 щиной (Di - D2)/2, шириной h и длиной

(-jr- - d) между отверстиями 9 и 21 с одной

стороны и 8 и 22 с другой;

R2 - сопротивление растекания между 40 концами тех же отверстий в части зазора 24, находящихся по обе стороны упомянутой полосы,

R.-1 (Jtp-4d), m

К2 tf2h(D2-Di) UUJ

2К,

n

Ra

(j() К

(11)

(8)

50D (Di + D2)/2,(12)

где К, К - полные основной и дополнительные эллиптические интегралы от модуля

55

Ј(лр-4аО/(лО+ 4d). (13)

Сопротивление Ri между отверстиями 7 и 20 с одной стороны и отверстиями 9 и 21 с другой определяется параллельно включенными сопротивлениями RI и Ri :

Ri Ri Ri +Ri

(14)

где Ri1 - сопротивление растекания между отверстиями 20 и 21 размерами h x d каждое, с расстоянием между центрами отверстий по линии тока в полости 18, равными примерно лО/4,

R larshrMarshlr

-2-1 n2D

(15)

где RI - сопротивление растекания между теми же отверстиями по зазору 24, численно равное сопротивлению

Ri R2. Выражение (5) можно переписать в виде

U El-эф + А),(16)

Во втором рабочем положении (не показано), когда активная часть гидроключа поворачивается на 90° относительно ее положения, показанного на фиг. 2 (относящиеся к этому рабочему положению активной части величины обозначим через две звездочки ), напряжение на выходных зажимах датчика, используя симметрию, можно записать в виде

1) Д1.(17)

вычитая из (16) (17), получим

U - и Е 2Цф,

где 2Цф - результирующий коэффициент преобразования датчика.

П р и м е р. В датчике с длиной гидроканалов L 1 м и диаметром труб 1,2 DTp 0,2 м, при диаметре цилиндрической камеры 5 DI 50 мм, диаметре активной части D2 0,98Di 49 мм, высоте пазов h 25 мм, ширине d 5 мм и а 5 См/м получим

Rp + 2RTp 20,6 Ом, R2 «2440м, Ом,

21-эф 1,57м.

Наличие зазора 24 между активной и пассивной частями гидроключа приводит к тому, что реальный эффективный коэффициент предлагаемого датчика всегда меньше

21-э. т.е. коэффициента преобразования известного датчика с трубами 1 и 2 того же размера. Однако при выполнении активной части диаметром на 0,01-5% меньше диаметра пассивной части и длиной не менее

0 трех диаметров цилиндрической камеры 5 пассивной части гидроключа коэффициент преобразования предлагаемого датчика превышает длину труб L, т.е. сохраняется повышенным. Значение размерного коэф5 фициента преобразования определяется градуировкой. В то же время наличие зазора 24, размер которого выбирается таким, чтобы деформации частей гидроключа, вызываемые внешним давлением, не вели к

0 взаимному заклиниванию частей гидроключа и не нарушали стабильности электрических характеристик датчика, увеличивают надежность работы датчика в целом.

Из-за отсутствия трения между подвиж5 ной и неподвижной частями гидроключа в предлагаемом датчике паразитные электрокинетические потенциалы уменьшаются. Это приводит к увеличению чувствительности датчика. Отсутствие необходимости со0 прятать рабочие поверхности гидроключа вследствие наличия между ними зазора 24 не требует высокой точности их изготовления. Это приводит к упрощению технологии изготовления датчика в целом, а следова5 тельно, и к уменьшению его стоимости,

Отсутствие трения между рабочими поверхностями гидроключа приводит к уменьшению энергетических затрат датчика в целом, что особенно важно при длительных

0 натурных автономных испытаниях. Формула изобретения 1. Датчик электрического поля, содержащий диэлектрический корпус, измерительные электроды, электродные камеры,

5 гидроканалы, механический привод и гидроключ, состоящий из активной части и пассивной части, отличающийся тем, что, с целью увеличения надежности и стабильности работы при сохранении повышенного

0 значения коэффициента преобразования, пассивная часть гидроключа выполнена в виде диэлектрической цилиндрической камеры с четырьмя отверстиями, оси которых взаимно перпендикулярны и расположены

5 в одной плоскости, активная часть гидроключа выполнена в виде второй диэлектрической цилиндрической камеры, внешний диаметр которой на 0,01-5% меньше диаметра цилиндрической камеры пассивной части гидроключа, с четырьмя коммутационными отверстиями и полостью, симметрично разделенной перегородкой на две части, при этом оси коммутационных отверстий взаимно перпендикулярны и находятся в той же плоскости, чти и оси отверстий пассивной части гидроключа, отверстия активной и пассивной частей выполнены одинаковыми, их размеры в 3-15 раз меньше диаметра цилиндрической камеры пассивной части гидроключа, а высота второй диэлектрической цилиндрической камеры по крайней мере в 3 раза превышает ее диаметр.

й

поверхности которого с двух противоположных сторон выполнены одинаковые пазы, по углу раскрытия охватывающие более 90° и менее 180° каждый, а длина m пазов выбрана ий условия I m 3d, где d - наибольший размер отверстий, и из тонкостенной диэлектрической трубы, расположенной на диэлектрическом стержне и герметично с ним соединенной при этом коммутационные от- 10 верстия выполнены в стенке трубы и соединены с упомянутыми пазами, а части диэлектрического стержня между пазами образуют перегородку второй диэлектрической цилиндрической камеры. 15 3. Датчик norm. 1 и 2, отличающий- с я тем, что отверстия в обеих диэлектрических цилиндрических камерах выполнены в виде прорезей вдоль их образующих

Фиг.1

ю

И.Горная

27

3

Составитель В.Попов Техред М.Моргентал

Фие.2

Корректор Н.ревская