Датчик вектора напряженности электрического поля в проводящей среде

 

Использование: в физической океанологии, космических исследованиях для измерения вектора электрической напряженности электрических полей в проводящих средах, в частности в ионосфере. Сущность изобретения: датчик содержит четыре проводящих электрода, расположенных в вершинах правильного тетраэдра, и измерительный блок, состоящий из тринадцати дифференциальных усилителей, восьми сумматоров, масштабного усилителя и блока обработки сигналов. 7 ил.

Изобретение относится к физической океанологии, космических исследованиях и служит для измерения вектора электрической напряженности электрических полей в проводящих средах, в частности в ионосфере.

Известен датчик вектора, представляющий собой устройство, первичной преобразователь которого выполнен в виде системы электродов, размещенных на линейной базе. Устройство позволяет измерять пространственные составляющие электрического поля.

Однако данное устройство при расположении электродов вдоль одной линии является несимметричным в электрическом смысле, что приводит к значительному снижению точности измерений за счет взаимного влияния измерительных баз друг на друга.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для регистрации трех компонент электрической составляющей электромагнитного поля, содержащее первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде системы из четырех электродов, один из которых (нулевой) размещен в центре декартовой системы координат, а три остальных - на одинаковом от него расстоянии на осях X, Y, Z. Известное устройство позволяет уменьшить число измерительных электродов на два для трехкомпонентного датчика. Однако снижение числа электродов и их конструктивное совмещение приводит к электрической несимметрии датчика и возникновению взаимного влияния измерительных каналов друг на друга, что не позволяет получить высокой точности измерений.

Целью изобретения является повышение точности и увеличение надежности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что первичный измерительный преобразователь датчика вектора напряженности электрического поля в проводящих средах содержит четыре измерительных электрода, три из которых расположены на осях OХ, OY декартовой системы координат. Все электроды составляют вершины симметричного тетраэдра со стороной l (фиг. 1). Причем электроды 1 и 3 расположены на оси OY симметрично относительно начала координат O на расстоянии l/2 от него, электрод 2 расположен на оси OX на расстоянии h = l/2 с начала координат, а электрод 4 - на направляющей, параллельной оси OZ, отстоящей от нее в направлении от OX на расстояние 1/3 h, на высоте l/3 от плоскости XOY. Электроды, выполненные в виде проводящих сфер, соединены полыми диэлектрическими стержнями с центром основания тетраэдра, в котором закреплен один конец диэлектрической штанги, другой конец которой закреплен на носителе. Система любых двух электродов образует парциальный датчик, измеряющий проекцию составляющих E_x, E_y, E_z вектор напряженности. Причем каждый из электродов относится сразу к двум парциальным датчикам, что уменьшает число используемых электродов.

Выводы всех четырех электродов соединены с входами тринадцати дифференциальных усилителей ДУ1-ДУ13 следующим образом. Входы ДУ1, имеющего коэффициент усиления (1/l), подсоединены к электродам 1 и 3, входы ДУ2 с коэффициентом усиления (-1/l) соединены с электродами 1 и 4, входы ДУ3 с коэффициентом усиления ( ) соединены с электродами 1 и 2, входы ДУ4 с коэффициентом усиления (1) соединены с электродами 1 и 4; входы ДУ5 с коэффициентом усиления ( ) соединены с электродами 1 и 3, входы ДУ6 с коэффициентом усиления () соединены с электродами 1 и 4, входы ДУ7 с коэффициентом усиления ( ) соединены с электродами 1 и 4, входы ДУ8 с коэффициентом усиления (-1) соединены с электродами 2 и 4, входы ДУ9 с коэффициентом усиления (1) соединены с электродами 2 и 3, входы ДУ10 с коэффициентом усиления ( ) соединены с электродами 2 и 3, входы ДУ11 с коэффициентом усиления () соединены с электродами 2 и 4, входы ДУ 12 с коэффициента усиления ( ) соединены с электродами 3 и 4, входы ДУ 13 с коэффициентом усиления (1/l) соединены с электродами 3 и 4. Выходы дифференциальных усилителей соединены с входами сумматоров. Выходы ДУ2 и ДУ13 соединены с входами сумматора 1 ( Σ 1), выходы 1 и ДУ1 соединены с входами сумматора 2 ( Σ 2), выходы которого подсоединен к входу блока обработки сигналов. Выходы ДУ3 и ДУ10 соединены с входными зажимными сумматора 3 ( Σ 3), а выходы ДУ4, ДУ8, ДУ9 соединены с входами сумматора 4 ( Σ 4). Выход 3 подключен к одному входу сумматора 5 ( Σ 5), к другому входу которого подключен выход масштабного усилителя (МУ) с коэффициентом усиления ( ), вход МУ соединен с выходом Σ 4. Выход Σ 5 соединен с входным зажимом блока обработки сигналов. Выходные зажимы ДУ6, ДУ11, ДУ12 соединены с выходами сумматора 6, а выходные зажимы ДУ5, ДУ7 и ДУ11 с входами сумматора 7, выходы Σ 6 и Σ 7 подключены к выходам 8, выход которого соединен с входным зажимом блока обработки сигналов.

Такая система подключения электродов к устройству обработки сигналов позволяет реализовать двухканальную систему измерения каждой составляющей E_x, E_y, X_z вектора напряженности, а значит увеличить надежность измерений.

Представленная на фиг. 1 и 2 схема расположения электродов относительно декартовой системы координат ZXY позволяет пояснить указанный выше порядок соединения электродов, дифференциальных усилителей и сумматоров. При расположении электродов в электрическом поле с напряженностью Е сигнал, снимаемый с электродов 1 и 2, представляет собой разность потенциалов, равную алгебраической сумме проекций составляющих вектора напряженности Е_х и E_y на прямую, соединяющую электроды 1 и 2, а именно U₁= U₂= E_xlsin60°-E_y·lsin30°= E_x·l - E = E-E (1) аналогично, сигнал, снимаемый с электродов 3 и 2 U₂= U₃₂= E_xlsin60°+E_ylsin30°= E_xl + E = E-E (2) Сигнал, снимаемый с электродов 3 и 1, равен U₃= U₃₁= E_y·l (3) Сигнал, снимаемый с электродов 1 и 4, -E_ylsin30°+E_zl = E_x·l - E +E_zl = (4) с электродов 2 и 4 U₅= U₂₄= -Elsin60°+E_zl = -E_xl + E_zl = l-E_x+E (5)
и с электродов 3 и 4
U₆= U₃₄= E_xl + E + E_zl = lE_xl + E + E_zl (6)
Выполнив несложные математические преобразования, из (1) - (6) получают выражения для составляющих вектора напряженности:
E_x= (U₁₂+ U₃₂);
E_x= (U₃₂+ U₁₄+ U₂₄);
E_y= ;
E_y= (U₃₄-U₁₄);
E_z= (U₁₄+ U₂₄+ U₃₄);
E_z= (2U₁₄+ U₃₁+ U₂₄).

Схемные реализации измерения каждой компоненты по двум каналам представлены на фиг. 3-5.

Таким образом предлагаемое техническое решение увеличивает надежность измерений за счет дублирования и повышает точность измерений за счет полной симметрии электродной системы, что обеспечивает отсутствие взаимных влияний электродов, а также исключает появление помех, возникающих при перемещении датчика в пространстве при попадании какого-либо электрода в след другого.

Перечисленные признаки первичного преобразователя неизвестны из других технических решений и поэтому соответствуют критерию "существенные отличия".

На фиг. 6 представлена конструкция, а на фиг. 7 - схема датчика вектора напряженности электрического поля в проводящей среде. Первичный преобразователь датчика содержит четыре электрода 1-4, которые расположены в вершинах симметричного тетраэдра со стороной l. Электроды 1-4, выполненные в виде проводящих сфер, соединены полыми диэлектрическими стержнями 5-8 (фиг. 6) соответственно с центром основания тетраэдра, в котором укреплен один конце диэлектрической штанги 9, другой конец которой крепится на носителе 10. Электрические выводы электродов подсоединены к входам дифференциальных усилителей 11-23 (фиг. 7), реализующих схемы измерения компонент E_x, E_y, E_z в соответствии с фиг. 2-4. Выходы дифференциальных усилителей 12 и 23 подсоединены к входам сумматора 24, выход которого также как и выход дифференциального усилителя 11 соединены с входами сумматора 25, на выходе которого формируется сигнал 2E_y. Выход сумматора 25 соединен с входным зажимом блока обработки сигналов 26.

Выходы дифференциальных усилителей 13 и 20 соединены с входами сумматора 27, а выходы ДУ14, 18, 19 - с входами сумматора 28, выход которого соединен с входом масштабного усилителя 29. Выходы сумматора 27 и масштабного усилителя 29 соединены с входами сумматора 30, где формируется сигнал 2 E_x. Выход сумматора 30 подсоединен к входному зажиму блока обработки сигналов 26. Выходы ДУ16, 21, 22 соединены с входами сумматора 31, а выходы ДУ15, 17, 21 - с входами сумматора 32, выходы сумматоров 31 и 32 соединены с входными зажимами сумматора 33, на выходе которого формируется сигнал 2 E_z. Выход сумматора 33 подсоединен к входу блока обработки сигналов 26.

Датчик работает следующим образом. При перемещении носителя в электрическом поле, вектор напряженности которого измеряется описываемым датчиком, составляющие вектора напряженности создают разности потенциалов между электродами 1, 2, 3, 4 соответственно U₁₂, U₃₂, U₃₁, U₁₄, U₂₄, U₃₄.

Сигналы с электродов поступают на дифференциальные усилители 11-23, выходы которых соединены с сумматорами 24-28, 30-33. С выходов сумматоров 25, 30 и 33 сигналы, равные 2E_x, 2E_y, 2E_z соответственно, поступают на входы блока обработки сигналов 26.

Реализация измерительной системы с дублированием сигналов каждой составляющей E_x, E_y, E_z повышает надежность измерений за счет избыточности информации. Симметричное пространственное расположение электродов практически полностью исключает их взаимное влияние. Кроме того, размещение электродов в вершинах симметричного тетраэдра исключает попадание одного электрода в след другого, что уменьшает помеху гидродинамического происхождения. Таким образом точность измерений повышается.

Предложенное техническое решение может быть использовано в космических исследованиях с целью исследования распространения радиоволн в плазме, а также с целью прогнозирования землетрясений.

Формула изобретения

ДАТЧИК ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДЕ, содержащий первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде четырех проводящих электродов, и измерительный блок, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и точности измерений, проводящие электроды выполнены в виде сфер и расположены в вершинах правильного тетраэдра, длина ребер которого выбрана равной l, при этом первый и третий проводящие электроды расположены симметрично относительно вертикальной оси, параллельной высоте правильного тетраэдра, проводящие электроды соединены посредством полых диэлектрических стержней с центром основания правильного тетраэдра, в котором закреплен один конец диэлектрической штанги, другой конец которой закреплен на носителе, а измерительный блок выполнен в виде тринадцати дифференциальных усилителей, восьми сумматоров, масштабного усилителя, коэффициент усиления которого выбран равным 1/l, и блока обработки сигналов, при этом диэлектрические выводы первого и второго проводящих электродов соединены с соответствующими входами третьего дифференциального усилителя, коэффициент усиления которого выбран равным 1/l , электрические выводы первого и третьего проводящих электродов соединены с соответствующими входами первого и пятого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными 1/l и 1/l соответственно, электрические выходы первого и четвертого проводящих электродов соединены с соответствующими входами второго, четвертого и шестого и седьмого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными -1/l; 1; 1/l и 2/l соответственно, электрические выводы второго и четвертого проводящих электродов соединены с соответствующими входами восьмого и одиннадцатого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными -1 и 1/l соответственно, электрические выводы второго и третьего проводящих электродов соединены с соответствующими входами девятого и десятого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными 1 и 1/l соответственно, электрические выводы третьего и четвертого проводящих электродов соединены с соответствующими входами двенадцатого и тринадцатого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными 1/l и 1/l соответственно, причем выходы второго и тринадцатого дифференциальных усилителей соединены соответственно с первым и вторым входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом первого дифференциального усилителя и первым входом блока обработки сигналов, выходы третьего и десятого дифференциальных усилителей соединен с первым и вторым входами третьего сумматора соответственно, а выходы четвертого, восьмого и девятого дифференциальных усилителей соединены с первым, вторым и третьим входами четвертого сумматора соответственно, выход которого через масштабный усилитель соединен с первым входом пятого сумматора, выход и второй вход которого соединены соответственно с вторым входом блока обработки сигналов и выходом третьего сумматора, выходы шестого, одиннадцатого и двенадцатого дифференциальных усилителей соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами шестого сумматора, а выходы одиннадцатого, пятого и седьмого дифференциальных усилителей соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами седьмого сумматора, выход которого соединен с первым входом восьмого сумматора, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом шестого сумматора и третьим входом блока обработки сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7