Датчик электрического поля Советский патент 1979 года по МПК G01V3/12 

1

Изобретение ргносится к области электроразведки методом переменного естественного электромагнитного поля, основанном на измерении угла наклона фронта.волны. Преимущественная область использования датчика-магнитотел лурическое зондирование и профилирование в звуковом и инфразвуковом диапазоне частот и определение эффективной электропроводности средь при проектировании линий электропереда и связи.

Известны датчики элёкт|зического по,ля, которые содержатся в устройствах для геоалектроразведки, предназначенных для измерения угла наклона фронта электромагнитной волны.

В качестве датчиков электрического поля, в частности вертикальной его компоненты Е« в воздухе, используются различные проволочные антенны, не содержащие активных элементов, например дипольного типа. Применение пассивных антенн эффективно лишь на радиочастотах. На звуковых и инфразвуковых частотах входное сопротивление реальных

антенн такого типа достигает 1О Ом И более. Соответственно, сопротивление изоляции входных пеней должно быть увеличено в зависимости от требуемой ТОЧНОСТИ измерений до или приняты меры по стабилизации величины этого сопротивления при сохранении необходимой действующей высоты антенны.

В реальных условиях полевых работ, особенно при повышенной влажности воздуха, требования к изоляции входных цепей известного устройства оказывают ся практически недостижимыми, в результате чего наблюдается неучитываемое изменение действующей высоты антенны, приводящее к низкой точности наблюдений ГГ.

Наиболее близким техническим рещением к предлагаемому изобретению является датчик, являющийся разновидностью так называемой антенны верхнего питания . Ок содержит полый металлический электрод с днищем из изоляционного материала, размешенный

внутри электрода антенный усилитель, металлическую штангу и антенный противовес.

Недостаток датчика в том, что емкость между рабочим электродом и штангой, а также поверхностное сопротивление изолятора оказь1вают шунтируклцее действие на вход антеттого усилителя и снижают действующую высоту антенны. Причем шунтирующее действие сопротивления изоляторанепостоянно, так как его поверхностная проводимость зависит от влажности воздуха, степени загрязненности его и т. д, 2.

Цель предлагаемого изобретения повышение точности измерений электрического поля в воздухе, особе™о в нижней части звукового и инфразвуковом диапазонах частот и в условиях повышенной влажности воздуха.

Она достигается тем, что в известИом датчике электрического поля, выполненном в виде антенны верхнего питания, содержащем полый металлический рабочий электрод, внутри которого помешен антенный предусипитель, днише которого выполнено из изоляшюнного материала и укреплено на поверхности металлической штанги, заканчивающейся заземлителем, и антенный противовес, дополнительно введен {полый компенсирукйций электрод, помешенный впространстве между полым работам электродом и антенным предусилителем.

На фиг. 1 дана блок-схема предлагаемого .датчика; на фиг. 2 - блок-схема устройства для геоэлектроразведки, включаклцего предлагаемый датчик вертикальной компоненты поля.

Предлагаемый датчик содержит полый металлический электрод 1, иншде 2, антенный предусилитель 3, компенсируюший.. электрод 4, металлическую штанну 5, гальванический противовес-зазем- литель 6, антенный противовес 7.

Рабочий элёктрод 1 датчика (фиг. l) представляет собой полую металлическую конструкцию (например, цилиндри-, ческой формы) с днищем 2 из- изоляционного материала, герметически закрывающем полость электрода. Рабочий электрод укреплен на верхней части металлической трубы (штанги) 5, которая устанавливается на исследуемой поверхности и при измерении компоненты Е удерживается в вертикальном поло жении с помощью треноги или оператором. К нижней части штанги подключается антенный противовес 7. Емкостным противовесом может служить, например один или несколько отрезков провода с оби1ей длиной, не менее, чем в 2О раз превышающей высоту штанги. При исследованиях в условиях хорошо проводящего поверхностного слоя применяется гальванический противовес-заземлитель 6. Внутри рабочего электрода расположен антенный предусилитель 3, вход которого соединен с электродом, общие (земляные) шины предусилителя соединены с штангой, выход - с изолированным проводом, проходящим внутри штанги.

В предлагаемом датчике применена компенсация емкостной и гальваническо утечки между рабочим электродом и штангой, которая осуществляется следующим образом..

К выходу предусилителя подключается расположенный внутри рабочего элекрода компенсирующий .электрод 4, который представляет собой полую металлическую конструкцию, охватывающую монтажную плату предусилителя и соединительные провода, проходящие через днище. В качестве антенного предуси- лителя используется усилитель с коэффициентом передачи, предельно близким к единице, высоким входным и низким выходным сопротивлением. При указан.ных параметрах предусилителя рабочий и компенсирующий электроды оказываются эквипотенциальными, и утечка между ними отсутствует практически во всем диапазоне возможного изменения поверхностной проводимости изолятора. Величина последней .на участке компенсирующий электрод-штанга не оказы.вает влияние на параметры антенны, так как в этом случае изолятор включен параллельно низкому выходномусопротивлению предусилителя.

Величина ЭДС В т, на выходе датчика Е связана с последней следующим соотношением

.

где Q 2 чувствительность или действующая высота антенны есть функция расстояния между рабочим электродом и поверхностью земли, высоты штанги, входного импеданса антенного усилителя, емкости рабочего электрода, комплексного сопротивления заземлителя и противовеса, частоты. 5 Предлагаемая схема компенсации утечки межпу рабочим электродом и штангой, а также применение при плохо проводящем поверхностном слое емкост ного противовеса обеспечивают практическую независимость величины Q от влажности, загрязненности воздуха и электрических свойств подстила1ощей среды. Чувствительность О этом случае является параметром конкретной антекны, зависящим лишь от частоты и определяется путем расчета или экспе риментально, по результатам измерения 82 в искусственно созданном поле с известной напряженностью EZ При выполнении условия |S-p, |2,рэ (2 -ВХОДНОЙ импеданс антенного усилителя,2,э--емкостное сопротивление рабочего электрода),Которое является удобным, во многих случаях достижимым, но не обязательным, величина Q по размерности и численно совпадает с расстоянием между центром рабочего электрода и поверхностью земли. Устройство для геоэлехтроразведки (фиг. 2), в котором применяется предлагаемый датчик вертикальной компоненты I с рабочим электродом 1, содержит также датчик горизонтальной ко поненты электрического поля II . Оба датчика р.асположены на поверхностиземли и подключены к входам двух идентичных каналов измерительного прибора J1I , представлякхцего собой селективный микровольтметр средних значений измеряемого напряжения. На датчик воздействует переменное естественное электрическое поле, имеющее в прямоугольной системе координат компоненты EX. Е ц Е 2; , в цилиндрической - Е|) , E2. Датчик горизонтальной компоненты состоит из двух ортогональных симметричных незаземленных приемных линий 2, выполненных из гибкого изолированного Провода, располо- . женного непосредственно на поверхности земли, и блока усилителей-фазовращателей 3. Каждый из каналов микровольтметра содержит избирательный уси литель с детектором 4, интегрирующее устройство 5 и регистрирующий прибор 6. Сигналы е„ и ер, пропорциональные соответственно амплитудам вертикальной (E,j,) и полной горизонтальной (Ej, ) компонент поступают на вход измерител ного прибора, усиливаются н детектируются блоками -1 и интегрируются бло5ками 5. К выходам интеграторов подключены регистрирующие приборы 6, показания которых пропорциональны средним за время интегрирования значениям составляющих поля Е и Е, . Устройство может использоваться для измерений как на одной фиксированной частоте, так и на нескольких. Результаты измерений могут быть представлены средних значений составляющих Е., и В р угла наклона фронта волныW Е|-,/Е и эффективного сопротивления D , определяемого по формуле ./(Ом-м) 60Д(/у)а)У где А - длина волны электромагнитного поля в воздухе для частоты 1 . , Повыщение точности измерений с предлагаемым датчиком подтверждается результатами экспериментов: изменения чувствительности датчика на частотах 20-80 Гц при различных погодных условиях не наблюдается. В то же время действующая высота известных антенн при повышенной влажности воздуха (туман, дождь) уменьщалась на этих частотах за счет утечки по изолятору до 2-3 и более раз, что приводило к соот ветству1ощей погрещности измерения или Ер/Е Формула изобретения Датчик электри.ческого поля, выполненный в виде антенны верхнего питания, содержащий полый металлический рабочий электрод, внутри которого помешен антенный предуснлитель, днище которого выполнено из изоляционного материала и укреплено на поверхности металлической штанги, заканчива1ошей- ся заземлителем, и антенный противовес, отл и-чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения электрического поля в воздухе датчик снабжен полым компенсирующим электродом, помешенным в пространство между полым рабочим электродом и антенным предусилителём. Источники информации, принятые во вник{апие при экспертизе 1. Патент США Кэ 3087111, л. 321,0-8, 1963. 2,Ogawa7.:j.Qeom.qeoe8ectR,1966, . 1.В, № 4, р. 443-454. 1C .. Л л л Г л

п

uz.i