Устройство для измерения характеристик электрических полей

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, содержащее два основных и два дополнительных электрода, разнесенные между собой на заданное расстояние и соединенных между собой попарно при помощи первичных обмоток согласующих трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены-с предусилителями, отличающееся тем, что,. --m.,,,.. с целью увеличения точности измерений за счет учета нестабильности и флуктуации двойных электрических слоев электродов, электроды разнесены между собой по одной линии или по вершинам прямоугольника, образуя по две попарно одинаковые основные и вспомогательные измерительные базы с соотношением длин между ними ЕО-Ц , между электродами основных баз включены первичные обмотки двух идентичных согласующих трансформаторов, вторичные обмотки ко торых соединены последовательно и согласно, аналогичная пара трансфорi маторов с последовательно и встречно соединенными вторичными обмотками под (Л ключена выводами первичных обмоток к электродам вспомогательных баз че .рез ра-вные по величине дополнительные ;резисторы,выравнивающие активные соетавляющие выходных сопротивлений основных и вспомогательных измерительо со to баз . ее

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК аю 01) зад G 01 V 3/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ Q

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ @„.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

А0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3563137/18-25 (22) 15.03.83 (46) 23.06.84.Бюл. ¹ 23 (72) Е.Ф.Зимин и Э.С.Кочанов (71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетический институт (53) 550.837(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹ 417753, кл. G 01 Ч 3/06, 1971.

2. Soderberg Е.F. ELF noise in the

sea at depths from 30 to 300 meters

J.Geoph Res., Sp.Ph 1969, v.74, №9 р. 2376 (прототип) . (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, содержащее два основных и два дополнительных электрода, разнесенные между собой на заданное расстояние и сое диненных между собой попарно при помощи первичных обмоток согласующих трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены -с предусилителями, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, Х с целью увеличения точности измерений за счет учета нестабильности и флуктуаций двойных электрических слоев-электродов, электроды разнесены между собой по одной линии или по вершинам прямоугольника, образуя по две попарно одинаковые основные и вспомогательные измерительные базы с соотношением длин между ними сан > 10 Üсн между электродам основных баз включены первичные обмотки двух идентичных согласующих трансформаторов, вторичные обмотки ко торых соединены последовательно и согласно, аналогичная пара трансформаторов с последовательно и встречно соединенными вторичными обмотками под ключена выводами первичных обмоток к электродам вспомогательных баз через равные по величине дополнительные резисторы, выравнивающие активные сос- тавляющие выходных сопротивлений основных и вспомогательных измерительбаз.

1099301

2, Устройство по п.t, о т л ич а ю щ е е с я тем, что электроды, образующие систему первичного преобразователя, выполнены в виде единого симметричного тела, разделенного по двум взаимно перпендикулярным плоскостям симметрии на четыре равные части вставкой и экраном из неполярного диэлектрика, причем размеры экрана выбраны так, что длины эквивалентных измерительных. баз Еу удовлетвор яют соотношению Ьэ и - " э 1О Иэд = ум}; где 1,2 3 и 4 — номера электро-. дов.

Изобретение бтносится к технической Влияние этого недостатка может быть физике и измерительной технике, более уменьшено при одновременной регистрации конкретно, к исследованиям электричес- сигнала с основной электродной системы .ких полей в проводящих Средах, в част- (как во всех анологах) и с вспомоганости к измерениям естественных элект- 5 тельного канала сравнения, к входу рйческих полей в море.и грунте. которого подключается какой-либо

Изобретение может быть использовано эквивалент датчика при исследовании при проектировании и разработке пер- спектральных, пространственных и др. вичных преобразователей и датчиков характеристик естественных электричес. для проведения натурных измерений по 1О ких полей. исследованию свойств, характеристик Наиболее близким к изобретению и параметров электрических полей является устройство для измерения хав проводящих средах. рактеристик электрических полей, Известно устройство для идмерения содержащее два основных и два дополхарактеристик электрических полей, ис. 15 нительных электрода, разнесенных межпользуемое в геоэлектроразведке, гео- ду собой на заданное расстояние и соефизике, океанологии и т.п., в большин- диненных между собой попарно нри помостве случаев основанное на регистра- щи первичных обмоток согласующих трансции разности потенциалов, возникающей Аорматоров, вторичные обмотки которых между электродами различной конструк- 20 соединены с предусилителями. В устции при их нагрузке на известное ройстве использован основной канал, входное сопротивление измерительного состоящий из контактного датчика с канала. Устройство содержит электрод- графитовыми электродами, который ную систему первичного преобразователя, бифилярной парой соединен с предусисогласующий трансформатор и измери- 25 лителем через согласующий трансфортельный прибор Я . матор. Канал сравнения имеет узлы, Недостатком известного устройства идентичные основному " предусиявляется отсутствие информации об литель, согласующий трансформатор и уровнях собственных шумов и помех бифилярную линию связи, на входе котоот других физических полей на. 3О рой включен резистор с сопротивлением, всю измерительную аппаратуру (от дат- равным сопротивлению растекания угольчика до регистратора). Это снижает ных электродов основного канала. Таточность и эффективность оценок харак- ким образом, npH HcnoJIbsoBGHHH проТотеристик слабых электрических полей. типа удается практически полностью

Так, при исследовании естественных учесть все виды наводок на линию сняэлектрических полей океана на больших зи и последующие элементы измерительглубинах или в области частот 4-5 резо ного тракта. Кроме того, можно, хотя нанса Шумана. изменения уровня собствен и с меньшей достоверностью, судить ных шумов за счет изменений темпера- об уровне собственных шумов линии туры, химического состава морской воды 4О связи согласующего трансформатора и или условий обтекания электродной сис- предусилителя. Для датчика учитытемы маскируют изменения напряжен- вались лишь тепловые шумы его сопро-, ности исследуемого поля. тивления растекания (2$ .

109930i

Недостатком указанного прототипа является то, что при его реализации не учитывают влияния двойного электрического слоя (ДС) электродов на уровень шумов. Причем не учитываются ни импедансные свойства ДС, ни его собственная ЭДС и ее флюктуации, ни изменения параметров ДС при изменениях параметров окружающей среды (температура, химический состав, ус- 10 ловия обтекания и т.п.).Такие пренебрежения в ряде случаев приводят к боль. шим погрешностям измерений (погрешность классификации), так как предположения о стационарности, зрготичности и нормальности исследуемого электрического поля могут оказаться неверными для смеси полезного сигнала и флуктуаций ДС. Во всех остальных случаях отсутствие информации о ха- 2О рактере флуктуаций ДС увеличивает смещение и уменьшает эффективность любых оценок измеряемых характеристик поля. В результате увеличивается погрешность измерений, так как именио25 несмещенные и эффективные оценки характеризуются минимальной среднеквадратической ошибкой.

Целью изобретения является .увеличение точности измерений за счет учеt та нестабильности и флуктуаций двойного электрического слоя электродов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения характеристик электрических полей, содержащее два основных и два дополнительные электрода, разнесенных между собой на заданное расстояние и соединенных между собой попарно при помощи первичных обмоток .согласующих трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены с предусилителями, электроды разнесены между собой по одной линии или по вершинам прямоугольника, образуя по две попарно 45 одинаковые основные и вспомогательные измерительные базы с соотношением длин между ними 1осн 3 10 с .

Между электродами основных баз включены первичные обмотки двух идентичных согласующих трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены последовательно и согласно, аналогичная

Ю пара трансформаторов с последовательно и.встречно соединенными вторичными об- 55 мотками подключена выводами первичных обмоток к электродам вспомогательных . баз через равные по величине дополни3 тельные резисторы, выравнивающие активные составляющие выходных сопротив . нений основных и вспомогательных

f измерительных баз.

Электроды, образующие систему первичного преобразователя, выполне|. ны в виде единого симметричного тела, разделенного по двум взаимно перпендикулярным плоскостям симметрии на

Ф четыре равные части вставкой и экраном из неполярного диэлектрика, причем размеры экрана выбраны так, что длины эквивалентных измерительных баз 3Э удовлетворяют соотношению е„,= е„„ о И„, - Е,„, где 1,2,3 и 4 — номера электродов.

На фиг.! изображена функциональная схема устройства с расположением

-измерительных электродов в одну линию; . на фиг. 2 =принципиальная схема устройства с расположением электродов в вершинах прямоугольника;на фиг.3 — электродная система первичного преобразователя, вариант.

В отличии от известных устройств для измерения электрического поля в предлагаемом используют не два, а четыре идентичных электрода — 1, 2, 3,4, для измерения каждой компоненты поля (фиг.3). С помощью этих электродов обв разуют по две одинаковых основных 5 и вспомогательных 6 измерительных баз.

Под одинаковостью измерительных баз понимается равенство их геометрических размеров и их параллельность или коллинеарность,т.е. одинаковое расположение по отношению к вектору напряженности исследуемого электрического поля. Причем, если основные базы должны быть параллельны регистрируемой компоненте поля, то вспомогательные могут иметь любое направление по отношению к полю. но между- собой они должны быть параллельны. Разности потенциалов с двух основных измерительных баз суммируют, например, с помощью сумматора 7, а сигналы с вспомогательных баз вычитают на вычитающем устройстве 8. Первый результат (сумма) будет представлять собой смесь полезного сигнала и шумов, а второй (разность) содержит только шумовые составляющие, так как полезный сигнал при вычитании компенсируется. Поэтому по последнему результату легко определить вероятностно-статистические характеристики шумовых составляющих с учетом шумов ДС. С учетом этой информации и первого результата (суммы) l099301 можно судить о характеристиках исследуемого поля.

На принципиальной схеме (фиг.2) электроды расположены в вершинах прямо. угольника. Кроме уже упоминавшихся 5 элементов схема содержит четыре идентичных согласующих трансформатора, два из которых 9 выполняют роль сумматора, так >как подключены первичными обмотками к основным базам, а вторичные их обмотки, соединенные последовательно и согласно, подключены к входу первого предусилителя 10. Два других трансформатора 11 формируют разностный сигнал. Их вторичные обмотки под- 15 ключены к входу второго предусилителя 12 последовательно и встречно. Выводы первичных обмоток этих трансфор"

1 маторов соединены с электродами вспомогатальных измерительных баз через резисторы 13, которые необходимы для выравнивания резистивных составляющих сопротивлений растекания и их тепловых шумов у основных и вспомогательных измерительных баз. 25

Аналогичное но назначению устройство можно реализовать с помощью первичного преобразователя, вариант которого изображен на фиг.3. Здесь четыре измерительных электрода полу- 30 чены делением единого проводящего тела по двум взаимно перпендикулярным плоскостям симметрии вставкой l4 и экраном 15,выполненными из неполярного диэлектрика. 35

Таким образом, основой предлагаемого устройства для измерения характеристик электрических полей является использование четырех идантич40 ных измерительных электродов (1-4) для образования четырех попарно одинаковых измерительных баз 5 и 6. При этом каждый из электродов 1-4 одновременно входит в одну из основных из

45 мерительных баз 5 и одну вспомогательную 6. При вычитании сигналов с вспомогательных баз 6 в устройстве 8 детерминированные составляющие сигнала взаимно компенсируются, а средние квадраты шумов складываются. То же самое происходит с составляющими шумов при суммировании в суммато-, ре 7. Причем суммируются те же (от тех же электродов) шумовые состав ляющие. Полезный сигнал с измеритель- 55 ных баз 5 при суммировании удваивает ся. В результате на выходе вычитающего устройства 8 получают только шумовую составляющую, а на выходе сумма- . тора — те же шумы и удвоенный полезный сигнал. Это позволяет провести их анализ раздельно, причем при анализе смеси полезного сигнала от исследуемого поля и шумов будет получена информация о статистических (вероятностных) характеристиках шумов с учетом флуктуаций и нестабильностей параметров двойных слоев электродов первичного преобразователя. Предлагаемое устройство можно реализовать с помощью схемы представленной на фиг.2, которая функционирует следующим образом. Измерительные электроды 1-4 здесь расположены так, что основные 5 и вспомогательные 6 базы оказываются взаимно перпендикулярными, причем размер вспомогательных баз 6 много меньше основных 5. Это позволяет более точно компенсировать все синфазные составляющие за счет действия внешнего поля на вспомогательных, базах.

Операция суммирования здесь осуществляется за счет последовательного и согласного подключения вторичных обмоток согласующих трансформаторов 9 к входу предусилителя 10, входящих в основной канал. Аналогичные трансформаторы 11 и предусилитель 12 образуют вспомогательный канал, который отличается от основного тем, что вторичные обмотки трансформаторов 11 подключены к входу предусилителя 12 последовательно и встречно для обеспечения вычитания синфазных составляющих. Кроме того, первичные обмотки трансформаторов 11 подключены к электродам через резисторы 13, сопротивление которых равно

414 612 где (и ф„ — частичные собственная и взаимная проводимости электродов..

Такая величина резисторов 13 позволяет выравнять активные части выходных сопротивлений вспомогательных и основных каналов, что, в свою очередь, обеспечивает равенство эффективных значений тепловых шумов первичных преобразователей. Резисторы 13 располагаются вблизи электродов и имеют равную с ними температуру и тепловую инерционность.

Первичный преобразователь для реализации измерений (фиг.3) может быть подключен аналогично схеме представ-!

10993á1 ленной на фиг.2. Достоинством электродной системы первичного преобразователя является то,, что все четыре элект рода расположены очень близко друг к другу, т.е. имеют практически одина- 5 ковые электрохимические, электрофизические и гидродинамические условия на поверхностях контакта с окружающей средой. В итоге статистические параметры их двойных слоев окажутся весьма. близкими. Электрически электроды разде» лены диэлектрической вставкой 14, обеспечивающей образование вспомогательных баз 6, а диэлектрический эк" ран 15 обеспечивает требуемую вели- 15 чину основных измерительных баз 5.

Вставка 14 и экран 15 выполняются из неполярного диэлектрика, что исключает влияние его двойного слоя на результаты измерений, а их размеры вы- 20 бираются так, что эквивалентная измерительная база основного канала на порядок и более превышает размер базы вспомогательного канала. Такое соотношение обеспечивает более точ- 2 ную компенсации сигнала от внешнего поля на выходе вспомогательного канала.

Использование изобретения позволит одновременно получать реализации 3g смеси полезного сигнала с шумом и отдельно шумовую составляющую. „Располагая такой информацией, можно используя методы статистической обработки сигналов, увеличить точность и достоверность оценки характерис.тик исследуемого поля. Так, например, известно, что несмещенная эффективная оценка неизвестной амплитуды сигнала получается при интегрировании реализации процесса с основного канала с весом, определяемым корреляционной функцией шума, которая может быть

:получена со вспомогательного канала.

Аналогичные результаты можно получить и для других параметров (фаза, параметры огибающей) и характеристик (спектральной, корреляционной и т.д.) исследуемого сигнала. Таким образом, использование изобретения позволит повысить точность измерения естественного электрического поля в море, в частности определить статистические характеристики составляющих этого поля на частотах шумановских резонансов. Последнее необходимо для решения ряда прикладных задач освоения Мирового океана, таких как поиск полезных ,ископаемых, подводная связь, навигация и т.n..

1099301

Составитель Л.Воскобойников

Техред С.Легеза Корректор В.Синицкая

Редактор Л.Повхан

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 4368/39 Тираж 111

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5