Датчик для измерения напряженности электрического поля в электролите Советский патент 1993 года по МПК G01R29/12 

8

6

си

00

ivl О

N Ю

Изобретение позволяет расширить область применения известных электродных, в том числе гидромодуляционных, датчиков электрического поля на поля, осложненные интенсивными высокочастотными помехами. Сущность изобретения: с целью повышения точности измерений основные электроды 8 и 9 экранируют дополнительными 12-16, размещаемыми в гидропроводниках датчика и попарно соединенными между собой через электрическую емкость 1.4 или 17. Это образует фильтр нижних частот перед основными электродами, использующий сопротивление гидропроводников. Дополнительные электроды выполнены из коррозионно-стойких металлов, предпочтительно из титанового сплава ВТ-10 в виде спирали, сетки или сот. Площадь смоченной поверхности дополнительных электродов рассчитывается по приводной формуле. 3 з.п.ф-лы. 2 ил. .

Физ.1

м

77

г-#11

I-#-Ю

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении квазипостоянных электрических полей в море или водах суши при геофизических исследованиях, экологическом мониторинге или электроразведке полезных ископаемых.

Цель изобретения - повышение помехозащищенности и точности измерений.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое устройство для измерения электрического поля в электролитах отличается тем, что в диэлектрические трубы и гидроканалы, симметрично относительно основных электродов, установлены одна или несколько пар дополнительных контактных электродов, попарно соединенных между собой, а в цепи дополнительных электродов имеется электрическая емкость, тем, что дополнительные электроды выполнены из коррозионно-стойкого металла, а в качестве электрической емкости использована емкость двойного слоя (ДС) на поверхности контакта коррозионно-стойких электродов с электролитом; тем, что дополнительные электроды выполнены в виде проволочной спирали, сетки или сот; тем, что дополнительные электроды изготовлены из титанового сплава типа ВТ-10: а также тем, что площадь S смоченной поверхности дополнительных электродов связана предлагаемой, ранее неизвестной, формулой с суммарным сопротивлением электролита в трубах и гидроканалах и со значением верхней граничной частоты полосы пропускания фильтра нижних частот, образованного емкостью ДС дополнительных электродов и суммарным сопротивлением электролита в трубах и (или) гидроканалах перед основными электродами.

На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - эквивалентная электрическая схема устройства в первом рабочем положении гидромодулятора.

Датчик содержит диэлектрические трубы 1,2 (фиг.1), открытые концы которых А, В выведены во внешнюю среду (электролит), например морскую воду, и в рабочем положении заполнены этой средой. Между ближними концами труб 1, 2 установлен гмдромодулятор 3, имеющий первое и второе рабочие положения. Гидрбканалами 4, 5 гидромодулятор 3 соединен с электродными камерами б, 7, содержащими основные контактные электроды 8, 9, клеммы 10,11 которых являются выходом датчика. В трубах 1, 2 вблизи гидромодулятора 3 установлены дополнительные электроды 12. 13, соединенные между собой. В цепи электродов 12, 13 имеется

электрическая емкость 14. В гидроканалах 4, 5 вблизи электродов 8, 9 установлены дополнительные электроды 15, 16. в цепи которых имеется электрическая емкость 17.

Дополнительные электроды 12-16 выполнены в виде проволочной спирали, предпочтительно из титанового сплава ВТ-10, при этом в качестве электрических емкостей 14, 17 использованы соединенные последовательно емкости ДС на поверхностях контактных электродов 12. 13 и 15, 16 с электролитом, а площадь S смоченной поверхности дополнительных электродов соответствующей пары составляет

3(2А/П T)-(f0/fB)fj:.

где П 2ятв А а (fo/fe)(f слабо меняющаяся функция частоты fb и констант А. а, а , / материала дополнительных электродов, для ВТ-10 и растворов типа морской воды А 63 Ом м2// 0,95; а - 16 х 10 Ф м 2; / 0,105.

г - суммарное сопротивление электролита в трубах и (или) гидроканалах;

TB 2i 0,03 Гц - верхняя частота полосы пропускания фильтра нижних частот, образованного емкостью ДСдополнительныхэлектролитое и сопротивлением г перед контактными электродами 8,9:

f0-1 Гц - константа частоты. В первом рабочем положении гидромодулятора 3 электрод 8 через гидроканал 4 и

гидромодулятор 3 соединен с полостью трубы 1, а электрод 9 через гидроканал 5 и гидромодулятор 3 соединен с полостью трубы 2. Во втором рабочем положении электроды 8, 9 через гидроканалы 4,5 и гидромодулятор 3

соединены между собой.

Датчик работает следующим образом. Гидромодулятор 3 периодически переходит из первого рабочего положения во второе. Снимаемые с электродов 8, 9 напряжения Ui. Ua связаны при этом с измеряемой напряженностью квазипостоянного поля Е соотношениями

50

Ц Е Дуз + Е К

1)2 Ду

W

где Ц - значение базы электродного датчика в первом рабочем положении; Ду - собственная ЭДС электродов 8,9;

Е - поле переменной помехи, частотный спектр которой лежит выше значения fe;

I К - коэффициент передачи фильтра нижних частот, образованного суммарным сопротивлением электролита в трубах и (или)

гидроклнялзх и емкостью в цепи пары дополнительных электродов Ил (1). (2) следует:

(Ui-Ua /U Ё К Е ,

(3)

при этом чем меньше коэффициент К при . тем более повышены помехозащищенность и точность измерений.

Рассмотрим работу фильтра нижних частот применительно к паре дополнительных электродов 12, 13 (фиг.2) Обозначим суммарное сопротивление электролита в трубах 1,2с учетом сопротивления растения r-2RT- Rp. Тогда для коэффициента передачи при учете сопротивления нагрузки RH. получим

(Г RH/( R,, -I- r -f j ч Ci/i RM г ) . (4)

Если , то для квадрата модуля коэффициента передачи имеем

I К I2 ( 1 + и V

м

г Г1

(5)

откуда для верхней граничной частоты пропускания фильтра по уровню 3 дБ имеем

fB { ftM/2 л ) -- ( 2 JT r Си ) . (6)

Известно, что при ограниченных сверху значениях r const и Oconst разделением г и С на элементы и выполнением фильтра многозвенным, нельзя понизить значение fe. Поэтому (6) дает минимальное значение fB при ограниченных г и Си. Практически величина г ограничение размерами гидроканалов, длина которых для датчиков с короткими базами I 1м. а диаметр см. т.е.

г «-... 2J.....

(я/4 ) Ф2 г;

„

2м 4

10

10

-v

20м

Ом

(7)

при электропроводности морской воды

а 2 .

Значение См в техническом смысле ограничено габаритными конденсаторами, при этом конденсаторы должны быть неполярными. Если использовать металлобумаж- ные конденсаторы типа МБГО- 1-160В: 30.0 мкФ, по форме близкие к кубу с размерами 50x50x50 мм. то практически их можно использовать от 2 до 10 ил. соединенных параллельно (конденсаторы придется поместить в

герметичный контейнер ридорживлющий высокие давления и занимающий немного места, чтобы своим присутствием не внести искажений в исследуемое поле). Таким об- разом, значение См лежит в пределах GO- 300 мкФ. Тогда из (6), (7) имеем

f -{2л г Си { х -(0.83-О, П) Гц.

10

„т

2 л (60 -3000)х (8)

При необходимости получить более низкое значение fe без увеличения габаритов датчика, в качестве емкости См использова- на емкость Сл двойного слоя (ДС) на поверхности контакта электродов 12, 13. выполненных из коррозионно-стойкого металла, с электролитом. Вводя в рассмотрение емкость См и сопротивление утечки Rr импеданса ДС при параллель

о

ной схеме замещения, имеем дпя I К г:

I К I2 R - ( R + r )2 + (, ( - )2 х х R2 Г .(9)

где R --2Rn Rn (Rn+ Rn) .

В частности, при 2Rn« RH. например, если роль нагрузки фильтра играет сопро- тивление утечки ДС дополнительных элект родов, имеем

I К I2 4 Rn f ( 2 Rr, + r )2 -f t Cn x

35

R2,.

(Ю)

Экспериментально установлено, что для ДС коррозионно-стойких металлов и электролитов типа растворов морской воды в широком диапазоне электропроводностей и частот выполняются соотношения

Rn (fo/f f : Cn S а ( f,-, f f. (11)

О

где S - площадь смоченной поверхности электродов, A, a, f/ , ft - импедансные константы ДС выбранного металла 1„ 1Гц Оказалось, что произведение

n r/ -Gi-Rn 2 f-A-ax

x(fo/f)(a+) (fo/f)( (12)

является функцией, слабо зависящей от частоты. Значения этой функции для рээлич- ,ных коррозионно-стойких металлов близки между собой. Это позволяет представить (10) в виде

I к I2 ( 1 +f f 4 nVl 1(13)

r S

{1.

где p .. .- - (f/fn Г; (14)

S - площадь смоченной поверхности каждого из дополнительных электродов 12, 13.

С учетом сделанных замечаний имеем оценку значения площади S смоченной поверхности дополнительных электродов 12, 13, при котором обеспечивается требуемое значение f8 Эг 0,03 Гц:

S (2 А/П г) (fn/fn/2 (15)15 Для титана ВТ-10, можно записать:

10

, f2 63 Ом Ь( IB )--п71ГТ Т7

м/ .95 Ом V (в /

(16)

Работа фильтра нижних частот применительно к паре дополнительных электродов 15, 16 в отсутствие электродов 12, 13 аналогична описанной соотношениями (4)- (16), если в качестве г обозначить суммарное сопротивление электролита в трубах 1, 2 и гидроканалах 4, 5 и использовать значение Ci. При наличии дополнительных электродов 12, 13 работа фильтра нижних частот, образуемого сопротивлениями гидроканалов 4, 5, емкостью Civ и электродами 15. 16 углубляет фильтрацию, осуществляемую фильтром на дополнительных электродах 12, 13.

Размещение в диэлектрических трубах, гидроканалах или электродных камерах симметрично относительно основных электродов дополнительных контактных электродов, попарно соединенных между собой, при наличии в цепи дополнительных электродов электрической емкости образует вместе с сопротивлениями участков электролита в диэлектрических трубах и гидроканалах фильтр нижнихчастот перед основными электродами, что снижает высокочастотную помеху, поступающую на гидромодулятор и на основные электроды, тем самым повышая помехозащищенность и точность измерений.

Выполнение дополнительных электродов из коррозионно-стойкого металла и использование в качестве емкости в их цепи емкости ДС на поверхностях контакта дополнительных электродов с электролитом позволяет понизить значение верхней граничной частоты пропускания фильтра нижних частот за счет увеличения емкости ДС контакта до значений порядка фарады, что. в свою очередь, позволяет уменьшить входное сопротивление датчика, тем самым умень5

шая входные шумы и увеличивая точное)ь измерений.

Выполнение дополнительных электро дов в виде проволочной спирали, сетки или

сот увеличивает эффективную поверхность электродов на один-два порядка это позво ляет уменьшить размер дополнительных электродов и эффективно реализовать оно соб.

0Изготовление дополнительных электро дов из титанового сплава ВТ 10 позволяет уменьшить размер дополнительных электродов в несколько раз. одновременно увеличивая сопротивление нагрузки датчика по постоянному току в десятки раз, что позволяет снизить искажения, вносимые датчи ком в исследуемое поле, тем самым повышая точность измерений.

Выполнение площади S смоченной по

0 верхности дополнительных электродов в соответствии с предлагаемой, ранее неизвестной, формула (15) позволяет применять датчик с заранее заданными , отвечающими условия ми измерений, свойствами, что повышает

5 точность и воспроизводимость измерений. Формула изобретения

5 нены.из коррозийно-стойкого металла, а в качестве электрического конденсатора использована емкость двойного слоя на поверхности контакта коррозийно-стойких электродов с электролитом.

0 3. Датчик по п.2, отличающийся тем. чтр дополнительные контактные электроды выполнены в виде проволочной спирали, сетки или сот,

S(2 А/П г ) ( f,,/fn )

где А а ( fo/fB.)4 - слабо меняющаяся функция частоты fB и контакт A.a.a,ft материала дополнительных электродов для ВТ-10 и растворов типа морской воды, равных , Ом м ; .95:

10 4Ф

м

,2.

/И). 105:

г суммарное сопротивление электролита в трубах и (или) гидроканалах;

fB 0.03 Гц, верхняя частота полосы пропускания фильтра нижних частот, образованного емкостью двойного слоя дополнительных электродов и сопротивлением г;

- константа частоты.

Фиг.1