Первичный преобразователь для измерения напряженности электрического поля в проводящей среде Советский патент 1992 года по МПК G01V3/06 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения электрической составляющей постоянных или медленно- меняющихся электромагнитных полей в морях и океанах.

Известен первичный измерительный преобразователь, предназначенный для измерения напряженности электрических полей в проводящих средах и содержащий три измерительных электрода и диэлектрический барабан, при вращении которого осуществляется модуляция измеряемого сигнала. На образующей барабана выполнено контактное отверстие, один из электродов помещен внутрь диэлектрического барабана, а два других электрода установлены на консоли так, что образуют с первым взаимно перпендикулярные оси системы координат. Недостатком этого устройства является большой уровень собственных шумов и малая глубина модуляции сигнала первичного преобразователя, связанные с наличием значительного сопротивления растекания между электродами на участке контактное отверстие - внутренний электрод

Известен также первичный преобразователь для измерения напряженности электрического поля в проводящей среде, который содержит диэлектрический корпус, соединенный с механическим приводом, и два измерительных электрода, один из которых выполнен в виде плоского проводящего

диска и установлен неподвижно внутри корпуса, представляющего собой полный диэлектрический цилиндр с высотой, на порядок меньше радиуса основания и имеющего на одном из оснований контактное отверстие, расположенное отВЫПрЩения на расстоянии, равном радиусу внутреннего электрода. Второй электрод установлен с внешней стороны корпуса напротив его контактного отверстия и выполнен в виде пластины с формой и размерами, совпадающими с формой и размерами контактного отверстия.

Рассмотренное взаимное расположение измерительных электродов и контактного отверстия данного преобразователя приводит к тому, что сопротивление растекания участка внешний электрод-контактное отверстие при вращении корпуса принимает переменное значение, изменяясь от минимального значения, когда контактное отверстие совпадает с внешним электродом, до максимального, когда контактное отверстие находится в диаметрально противоположном положении относительно внешнего электрода. Модуляция как сопротивления растекания, так и собственных шумов преобразователя, связанных с участком сопротивления растекания, затрудняет последующую обработку сигнала преобразователя и ведет к уменьшению его чувствительности.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является первичный преобразователь для измерения напряженности электрического поля в проводящей среде, который содержит диэлектрический корпус, соединенный с механическим приводом, и два измерительных электрода, один из которых выполнен в виде плоского проводящего диска и установлен неподвижно внутри корпуса, представляющего собой полый диэлектрический цилиндр с высотой, на порядок меньшей радиуса основания, и имеющего на одном и оснований контактное отверстие, расположенное от оси вращения на расстоянии, равном радиусу внутреннего электрода. Второй электродустановлен неподвижно с внешней стороны диэлектрического корпуса на одной оси с ним При работе преобразователя диэлектрический корпус приводится во вращение от внешнего механического привода В свою очередь вращение контактного отверстия в электрическом поле модулирует разность потенциалов между электродами преобразователя, В результате напряжение, снимаемое с измерительных электродов, изменяется в соответствии с выражением:

U(t)E rcosQt,(1)

где Е - модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля в плоскости основания корпуса;

г - расстояние между осью внешнего

измерительного электрода и осью контактного отверстия ;

Q- угловая скорость вращения корпуса.|

Как следует из выражения (1), максимальное значейие частоты сигнала, измеряемого преобразователем, должно быть по крайней мере на порядок меньше частоты модуляции, определяемой угловой скоростыо вращения. Это обстоятельство ограничивает частотный диапазон измеряемых сигналов в области верхних частот. Кроме того, взаимное расположение электродов и контактного отверстия обусловливает измерение только бдной компоненты напряженности измеряемого электрического поля,

Целью изобретения является повышение информативности измерений за счет расширения частотного диапазона и увеличения числа измеряемых компонент вектора напряженности электрического поля в проводящей среде, лежащего в горизонтальной плоскости,

Поставленная цель достигается тем, что

преобразователь обладает четырьмя электродами, выполненными в виде тонких металлических пластин, закрепленных на тонком диэлектрическом диске, установленном неподвижно внутри диэлектрического

корпуса на одной оси с ним Электроды размещены на одинаковом расстоянии от оси на двух ортогональных направляющих, сориентированных по осям координат X и Y. Диэлектрический корпус, представляющий

собой полый цилиндр с высотой, на порядок меньшей радиуса основания, имеет на основании, обращенном к электродам, четыре отверстия для контакта электродов со средой, форма и размеры которых совпадают с

формой и размерами электродов. Контактные отверстия расположены на одинаковом расстоянии от оси основания корпуса так, чтобы оси отверстий совпадали с осями электродов Измеряемый сигнал снимается

с каждой па0ы диаметрально расположенных электродов, что дает возможность измерять две компоненты вектора напряженности электрического поля. Реализуемое за Счет вращения корпуса первичного преобразователя по отношению к вектору напряженности электрического поля наделение составляющих на его выходе отличительными признаками (частота, фаза) позволяет расширить частотный диапазон и

число компонентов измеряемого электрического поля,

Вся конструкция преобразователя является плоской, хорошо обтекаемой, что Значительно снижает уровень шумов гидродинамического происхождения при установке преобразователя на подвижном носителе и уменьшает мощность, необходимую для приведения во вращение диэлектрического корпуса. Электродная система является симметричной, что исключает возможность взаимного влияния электродов, и тем самым уменьшает погрешность измерения.

Для определения проекции вектора напряженности электрического поля на направление осей чувствительности первичного преобразователя ПП введем правую систему координат Оу связанную с диэлектрическим корпусом ПП. Ось Оу совпадаете направлением вертикали места и осью вращения диэлектрического корпуса преобразователя, а оси 0| и взаимно перпендикулярны Их положение задается углом поворота корпуса в горизонтальной плоскости в процессе изменения o(t). Введем также систему координат OZYX, связанную с носителем ПП. При этом положении ось OZ совпадает с осью Оу и осью вращения корпуса ПП, а ортогональные оси ОХ и OY проходят через измерительные электроды и лежат в горизонтальной плоскости (фиг.1) На фиг. 1 Е/2 - соответствующие проекции горизонтальной составляющей вектора напряженности электрического поля на оси чувствительности 0Ј и соответственно. Угол o(t)Qtrfle Q- угловая скорость вращения диэлектрического корпуса ПП. В соответствии с фиг. 1 проекция вектора напряженности электрического поля на ось ОХ ПП определится выражением

Ех Etcos Qt + Qt, а на ось OY - Ey Qt - Qt. Выходной сигнал, снимаемый с электродов, лежащих на оси ОХ, в виде электрического напряжения будет иметь видUx Knn(E5cos Qt+ Qt). Выразив Е и Е7 через E(t), получим

Ux KnnE(tXcos (Qt - «o) cos Qt +

+ sin (Qt - Oo) sinSH Knn E(t) cos «o.

Аналогично Uv KnnE(t)sin a, где Кпп - коэффициент преобразования, называемый также эквивалентной базой первичного преобразователя В первом приближении Кпп 2г, где г - расстояние между осью контактного отверстия и осью корпуса ПП.

Таким образом, предлагаемый ПП по зволяет измерять сразу две компоненты вектора напряженности электрического поля.

На фиг. 2 изображен первичный преобразователь, разрез; на фиг. 3 - преобразователь в изометрии.

Первичный преобразователь для измерения напряженности электрического поля

в проводящей среде содержит полый диэлектрический корпус 1. приводимый во вращение с помощью внешнего механического привода 2, и измерите..ьные электроды 3-6, закрепленные на диэлектрическом диске 7,

размещенном внутри корпуса 1 на неподвижной оси 8. установленной на несущей консоли 9. Электроды расположены симметрично относительно оси 8 на одинаковом расстоянии от нее. Внутри оси 8

проходят сигнальные провода 10-13 от электродов 3-6 к измерительной аппаратуре Герметизированный сальник 14 и подшипник 15 обеспечивают свободное вращение корпуса 1. На основании корпуса,

обращенном к электродам, выполнены четыре контактных отверстия 16-19, форма и размер которых совпадают с формой и размерами электродов. Отверстия расположены симметрично относительно оси 8 на

одинаковом расстоянии от нее. Через эти отверстия осуществляется контакт электродов 3-6 со средой. На другом основании имеется отверстие для слива воды после проведения измерений, закрытое в процессе измерений заглушкой 20,

Формула изобретения Первичный преобразователь для измерения напряженности электрического поля

в проводящей среде, содержащий диэлектрический корпус в виде плоского цилиндра, соединенного с механическим приводом враш,ения относительно оси, а также содержащий диэлектрический диск, установленный внутри плоского цилиндра неподвижно относительно корпуса, два электрода, при этом одно из оснований цилиндра снабжено контактным отверстием, отличающий- с я тем, что, с целью повышения информативности и расширения частотного диапазона, он содержит два дополнительных электрода, а основание корпуса снабжено тремя дополнительными контактными отверстиями, идентичными первому отверстию, при этом все отверстия расположены симметрично относительно оси основания корпуса и на одинаковом относительно оси расстоянии R, а электроды, имеющие форму контактного отверстия, расположены со стороны отверстий на диэлектрическом диске симметрично относительно общей для ка оси и на Одинаковом относительно оси основания корпуса и диэлектрического дис- расстоянии К.

Ю.П

: Ef Ј№

Фмс. 3

Редактор Н. Горват

Составитель О. Мисеюк Техред М.Моргентал

8

5

Корректор Е. Папп

Использование; для измерения напряженности электрического поля в проводящей среде. Сущность изобретения: первичный преобразователь содержит диэлектрический корпус, соединенный с механическим приводом и представляющий собой полый цилиндр с высотой на порядок меньшей радиуса оснований. Преобразователь снабжен четырьмя измерительными электродами, закрепленными на диэлектрическом диске, установленном неподвижно внутри корпуса, на одинаковом расстоянии от его оси на двух диаметрах, сориентированных по осям координат. На основании корпуса, обращенном к электродам, выполнены четыре отверстия, форма и размер которых совпадают с формой и размерами электродов, на одинаковом расстоянии от оси корпуса, причем центры контактных отверстий совпадают с центрами электродов. Использование преобразователя позволяет повысить информативность измерений за счет расширения частотного диапазона измеряемых сигналов, вызванного увеличением в два раза частоты модуляции, и увеличения числа компонент измеряемой напряженности электрического поля 3 ил. сл с