Устройство для измерения составляющих электрического поля Советский патент 1982 года по МПК G01R29/08 

I

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при контроле параметров естественных электрома(- нитных полей, например при географических исследованиях.

Известно устройство для .измерения составляющих электрического поля, содержащее измерительные электроды, первый из которых помещен в контролируемую проводящую среду, гидроключ, три входа которого подключены к выходам трех взаимно ортогональных гидроканалов, а четвертый вход расположен в месте установки первого измерительного электрода, блок выделения разности потенциалов, входы которого соединены с обоими измерительными электродами l .

Недостатки известногоустройства связаны с ограниченной областью практического использования и низкой эксплуатационной надежностью, обусловленнои несовершенством гидравлических составных элементов.

Наиболее близким техническим ре шением к изобретению является устройство для измерения составляющих электрического поля, содержащее корпус, .выполненный в форме куба, шесть изолированных друг от друга измерительных -квадратных электродов, образующих грани куба, три транс10форматора тока, первичные обмотки которых связаны с парами параллельных измерительных электродов, а вторичные обмотки подключены к соответствующим усилителям с шунтирующи15ми резисторами на входах 2.

При обработке результатов измерений с помощью указанного устройства, исходят из того, что при равенстве входного сопротивления каждого измерительного канала, состоящего из трансформатора тока, резистора и угилителя, сопротивление куба вытес ненной среды, в которой размещается

устройство, последнее не искажает контролируемое поле, и напряжения на выходах трех усилителей строго пропорциональны трем составляющим напряженности электрического поля, т.е. использование этого устройства основано на предложении о неискажаемости им контролируемого поля при условии равенства сопротивления каждого измерительного канала сопротивлению куба вытесненной среды. Р действительности металлические электроды заметно искажают контролируемое поле. Каждая составляющая измеряемая одной парой электродов, искажается двумя другими парами электродов, особенно при наклоне вектора плотности тока к ребрам куба. Кроме того, сопротивление нала изменяется с частотой вследствие зависимости от частоты импеданса двойного слоя на границе раздела электрод-среда. Следовательно, равенство сопротивлений куба вытесненной среды сопротивление канала, достигнутое на одной частоте, нарушается для другой частоты. В связи с этим при контроле с помощью известного устройства сигналов сложной формы имеет место существенная дополнительная погрешность измерения.

Целью изобретения является повышение точности измерительного устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения составляющих электрического поля, содержащем корпус с измерительными электродами, связанными с первичными обмотками трех трансформаторов тока, вторичные обмотки которых подключены к входам соответствующих усилителей, корпус выполнен сферическим, измерительные электроды в виде восьми конгруентных сферических треугольников, а число первичных обмоток у каждого трансформатора тока доведено до четырех, причем каждая группа первичных обмоток связана с двумя соответствующими группами из четырех измерительных электродов, образующими две противоположные полусферы одной из трех осей пространственной ортогональной системы координат.

На фиг. 1 представлено предложенное устройство для измерения составляющих электрического поля, общий

вид; на фиг. 2 - его принципиальная электрическая схема.

Основу устройства составляет полый сферический корпус 1 (фиг.1) из изоляционного материала, на поверхности которого размещены восемь проводящих измерительных электродов 2-9, выполненны) в виде конгруентных равносторонних сферических треугольников (электроды 6 и 8 на фиг. 1 не просматриваются). В состав устройства входят также трансформаторы 10 тока (фиг.2) с первичными обмотками 11-14 и вторичной обмоткой 15, трансформатор 16 тока с первичными обмотками 17-20 и вторичной обмоткой 21, трансформатор 22 тока с первичными обмотками 23-26 и вторичной обмоткой 27I а также усилители 28-30, к выходам которых подключаютс в процессе измерения регистрирующие приборы (не показаны).

Каждая первичная обмотка каждого трансформатора тока подключена к

определенней паре смежных измерительных электродов. Первичные обмотки П-Н трансформатора тока 10 соединяют четыре верхних электрода 2, 3, 6 и 7, образующих на фиг. 1 верхнюю полусферу, с четырьмя нижними электродами k, 5 8 и 9, образующими нижнюю полусферу , первичные обмотки 17-20 трансформатора тока 16 соединяют четыре электрода 2, i, 6 и 8, расположенных на фиг. 1 слева и образующих левую полусферу, с четырьмя, электродами 3, 5, 7 и 9. расположенными справа и образующими правую полусферу, первичные обмотки 23-26 трансформатора тока 22 соединяют четыре электрода 2-5, расположенных на фиг. 1 спереди и образующих переднюю полусферу, с четырьмя электродами 6-9, расположенными сзади и образующими заднюю полусферу. Таким образом все устройство в целом представляет собой пространственную ортогональную систему координат.

В данном устройстве все смежные Злектроды соединены между собой низкоомными первичными обмотками трансформатора тока. В связи с этим электродная система устройства эквивалентна сфере со сплошной проводящей поверхностью. Удельная электрическая проводимость материалов, применяемых для изготовления электродов, значительно (на семь-десять порядков) превосходит удельную электримескую проводимость исследуемых сред (грунт, вода, плазма).поэтому при любых реальных габаритах устро ства и толщинах измерительных элек родов распределение тока в них -будет таким же, как и для сплошного металлического шара, у которого сила тока (в А) через любое диамет ральное сечение определяется форму лой D,5 ,„,„, где D - диаметр шара м, 00 модуль вектора плотности тока невозмущенного электрического поля (т.е. до помещения устройства в сре ду ) А м V - угол между Виктором плотно . ти тока и нормалью к диаметральному сечению, рад. Устройство работает следующим об разом. При помещении устройства в среду с контролируемым электрическим полем пои частотах, для которых сопро тивление растекания электродов превышает модуль импеданса двойного слоя,, устройство концентрирует ток, который распределяется в с6ответстВИИ с-формулой, (1). Если совместить плоскость диаметрального сечения с диэлектрической границей, разделяющей устройство на две полусферы, то ток, протекающий из одной полуг сферы в другую (через первичные обмотки одного из тоансфооматоров тока), согласно (1) пропорционален произведению модуля плотности тока на косинус угла между вектором плотности тока и нормалью к поверхности диаметрального сечения, т.е. отображает соотвётствуюо ую составляющую плотности тока. Сконцентрирован ный устройством электрический ток распределяется по первичным, с бмоткам тоансфооматоров 10, 16 и-22 тока таким образом, что на выходе усилителей 28-30, подключенных ко вторичным обмоткам трансформаторов тока формируются сигналы, пропорциональные трем составляющим плотности электрического тока. Следовательно, устройство работает как концентратор тока с нормируемыми/метрологическими характеристиками, которые могут быть оценены по формуле (l) i Пои этом обеспечивается одновременное измерение всех трех составляющих плотности тока. Напоимер, если для фиг. 1 ось г направлена вертикально, ось X - напоаво, а ось У - перпендикулярно к ним и если вектор плотности тока имеет только составляющую S , то ток, концентрированный полусферой, состоящей из электродов 2, 3 би 7, протекает к электродам Ц, 5 8 и 9 через первичные обмотки 11-14 трансформатора тока 10 и сигнал вырабатывается только на выходе усилителя 28. Аналогично, если вектор плотности тока имеет только составляющею 5х , то ток, концентрированный полусферой, состоящей из электродов 3, 5, 7 и 9, протекает к электродам 2, t, 6 и 8 через первичные обмотки трансформатора тока 16 и сигнал формируется только на выходе усилителя 29. Если, наконец, вектор плотности тока имеет только составляющую 5ц , то ток, концентрированный полусферой, состоящей из электродов 2, 3, и 5 протекает к электродам 6, 7, 8 и 9 через первичные обмотки трансформатора Тока 22 и сигнал появляет- ся только на выходе усилителя 30. В случае, когда вектор плотности тока имеет все составляюцие, т.е. наклонен к осям координат, то сигналы образуются на выходах всех усилителей 28-30. Их информационные параметры оказываются пропорциональными произведениям измеряемой плотности тока jj(j на косинус угла между вектором плотности тока и соответствую- . щей осью,, т.е. отображают соответствукмцие составляющие плотности тока электрического поля. Точность измерения, обеспечиваемая предложенным устройством, определяется только точностью изготовления корпуса, измерительных электродов и регистрирующих приборов, в то время как в известных устройствах аналогичного назначения погрешность измерения зависит от модуля импеданса войного слоя, который может изменяться на один-два порядка. Формула изобретения Устройство для измерения составляющих электрического поля, содержащее корпус с измерительными электродами, связанными с первичными обмотками Tpejt трансформаторов тока, вторичные обмотки которых подключены к входам соответствующих усилителей, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в нем корпус выполнен сферическим, измерительные электроды - в виде восьми конгруентных сферических треугольников, а число первичных обмоток у каждого трансформатора тока доведено до четырех, причем каждая группа

первичных обмоток связана с двумя соответствующими группами из четырех измерительных электродов, образующими две противоположные полусферы одной из трех осей пространственной ортогональной системы координат.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР №718808, кл. G 01 R 29/08, 1978.

2.Патент США If 3..427, кл. 32k-S, 1972.