Датчик напряженности электрического поля (варианты)

 

Изобретение относится к электрофизическим измерениям, в частности для измерений плотности тока проводимости либо напряженности электрического поля, и может быть использовано в океанологии, геофизических исследованиях, электроразведке. Технический результат состоит в минимизации искажений, вносимых датчиком в исследуемое электрическое поле. Технический результат достигается выбором формы диэлектрического корпуса, направляющие которого совпадают с силовыми линиями поля, а электроды, измеряющие разность потенциалов, установлены перпендикулярно оси корпуса, совпадают с эквипотенциальными поверхностями и соединены друг с другом через виток трансформатора тока. Корпус может быть выполнен в виде полого прямого цилиндра, электроды размещены внутри корпуса и сообщены с окружающей средой посредством гидроканалов, имеющих форму усеченных конусов. Корпус может быть выполнен в виде полого герметичного куба и снабжен плоскими диэлектрическими экранами, образующими гидроканалы в виде усеченных четырехгранных пирамид. Для вариантов выполнения производится выбор геометрических размеров. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электрофизическим измерениям, в частности к устройствам для измерения плотности тока проводимости или напряженности электрических полей в проводящих средах, и может быть использовано в геофизических, океанологических исследованиях, в том числе в сейсмологии.

Известен датчик электрического поля, имеющий систему металлических электродов, расположенных в проводящей среде на малом расстоянии друг от друга и подключаемых через согласующий трансформатор к входу предусилителя [1], вносящий искажения в исследуемое электрическое поле каким бы ни был малым размер датчика, не обеспечивающий высокого коэффициента преобразования вследствие технических трудностей, не позволяющих обеспечить режим оптимального согласования по шумам электродной системы с предусилителем.

Известен датчик электрического поля, который свободен от последнего из отмеченных недостатков [2] . Этот датчик имеет электродную систему в виде двух полых полусфероидов, разделенных диэлектрической вставкой, в полости электродов расположена измерительная катушка, первичная обмотка которой подключена к электродам и содержит несколько витков; вторичная обмотка через разделительный конденсатор соединена со сходом предусилителя. Такая конструкция позволяет обеспечить оптимальное согласование по шумам. Однако реализовать высокую предельную чувствительность этого датчика удается лишь в неподвижных проводящих средах или в потоках, у которых вектор скорости параллелен вектору напряженности исследуемого электрического поля. Кроме того, увеличение размера объемных электродов вызывает существенное искажение картины поля.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является "Система реагирования и измерения электрического поля внутри заранее определенной окружающей среды" [3] (патент США N 3641427, 1972), содержащая три пары электродов, скомпонованных и конструктивно расположенных таким образом, что образуют противоположные полоски куба, снаружи имеющего связь с окружающей средой, а внутренние поверхности изолированы от внешней среды. Каждая пара электродов электрически связана между собой через дифференциальный усилитель, имеющий входное сопротивление, равное сопротивлению окружающей среды, к выходам дифференциальных усилителей подсоединена измерительная система.

Однако, как и во всех перечисленных аналогах, обеспечение максимальной чувствительности и коэффициента преобразования достигается за счет наибольшего отбора мощности полезного сигнала из окружающей среды и, как следствие, за счет внесения в исследуемое однородное поле больших искажений путем увеличения области измерений. Последнее не всегда желательно, а в ряде случаев и недопустимо. Прежде всего, область однородности исследуемого поля может оказаться настолько малой, что в ней можно будет разместить только физически реализуемый первичный преобразователь, а его область измерения - осреднение поля будет перекрывать область однородности исходного поля. Это приведет к неправильной интерпретации результатов измерения. Кроме того, область искажений, вносимых первичным преобразователем в исследуемое поле, не позволяет близко размещать однотипные или различные датчики при комплексных измерениях, когда несколько датчиков требуется разместить в ограниченном объеме. Особенно важно это обстоятельство при калибровке и метрологических испытаниях датчиков. Как правило, эталонное калибровочное одностороннее поле имеет строго ограниченный объем, в котором следует разместить как минимум два датчика - проверяемый (калибруемый) и эталонный (контрольный). Возможны и другие ситуации, когда датчик не должен вносить искажений в исследуемое поле или искажать его в минимальном объеме, например, для скрытности измерений, когда датчик можно обнаружить по вносимым им искажениям в исходное поле.

Задача, решаемая предложенным техническим решением, состоит в сведении к минимальным значениям искажений, вносимых датчиком в исследуемое электрическое поле.

Поставленная задача решается тем, что в известном датчике напряженности электрического поля, содержащем диэлектрический корпус, с герметично установленными плоскими металлическими электродами, согласно изобретению корпус выполнен в виде полого прямого цилиндра, электроды размещены внутри корпуса симметрично относительно оси и центрального корпуса и сообщены с окружающей средой посредством гидроканалов, имеющих форму усеченных конусов, а электроды закорочены через виток трансформатора тока, при этом соотношение геометрических размеров выбрано их условия: R = 2R_к, где R - сопротивление объема среды, вытесненной датчиком; R_k - сопротивление объема среды, находящейся в гидроканале.

Во втором варианте изобретения поставленная задача решается тем, что известный датчик напряженности электрического поля, содержащий диэлектрический корпус, выполненный в виде полого герметичного куба с плоскими металлическими электродами на гранях куба, причем каждая пара противоположно расположенных электродов электрически соединена, согласно изобретению дополнительно снабжен плоскими диэлектрическими экранами, прикрепленными к ребрам куба, образуя гидроканалы в виде усеченных четырехгранных пирамид, посредством которых электроды сообщены с внешней средой, при этом пирамиды меньшим основанием опираются на электроды, высота пирамид выбрана равной одной трети стороны большего ее основания, а сторона большего основания в два раза больше стороны меньшего основания, а электроды, расположенные на противоположных гранях куба, попарно закорочены через витки трансформаторов тока.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 - поперечное сечение круглого цилиндрического датчика с гидроканалами, на фиг. 2 - поперечное сечение кубического датчика с гидроканалами.

Датчик (фиг. 1) имеет цилиндрический диэлектрический корпус 1, герметично установленные проводящие электроды 2 расположены внутри корпуса симметрично относительно оси и центрального сечения корпуса 1 и сообщаются с окружающей средой посредством гидроканалов 3, имеющих форму усеченных конусов. Электроды 2 закорочены посредством витка 5 и трансформатора тока 6.

Трехкомпонентный датчик напряжения электрического поля (фиг. 2) имеет диэлектрический корпус 1, выполненный в виде полого куба, на всех шести гранях которого размещены идентичные плоские проводящие электроды 2, взаимопротивоположные пары которых закорочены и образуют электронную систему для компоненты поля, совпадающей с осью этой пары электродов. Для исключения взаимного шунтирования электродов на всех ребрах куба крепятся плоские диэлектрические экраны 5, образующие усеченные четырехгранные пирамиды, опирающиеся по периметру меньшего основания на ребра куба. Таким образом электроды 2 контактируют с внешней средой через гидроканалы 4, образованные гранями пирамид. В полости диэлектрического куба размещаются согласующие устройства 6 трехкомпонентной измерительной системы.

В рабочем положении датчик размещается в проводящей среде, при этом составляющая электрического поля, ось которого совпадает с осью диэлектрического корпуса 1, создает разность потенциалов между электродами 2, и в цепи электрод - обмотки согласующего устройства - электрод потечет ток.

Как известно [1], при допустимых искажениях исходного однородного поля корпусом датчика порядка, единиц процентов, размеры области искажений (осреднения или измерения) поля достигают пяти габаритных размеров датчика. Очевидный путь уменьшения размеров области искажения за счет уменьшения габаритов ПП датчика не всегда приемлем, так как при этом резко ухудшается чувствительность и уменьшаются коэффициенты преобразования ПП. Это противоречие можно устранить при использовании таких конструкций диэлектрических корпусов датчиков, которые за их пределами теоретически вообще не создают никаких искажений исследуемого поля. Если в проводящую среду с однородным электрическим полем внести диэлектрическую цилиндрическую поверхность - прямой цилиндр с бесконечно тонкими диэлектрическими стенками и открытыми торцами, то после заполнения полости цилиндра окружающей водой и ориентации его образующих параллельно силовым линиям поля никаких искажений не возникает. Тот же результат будет получен и при внесении в поле бесконечно тонких электродов-торцев цилиндра, если их плоскость будет перпендикулярна силовым линиям, т.е. будет совпадать с эквипотенциальными поверхностями исходного поля. При совмещении торцев-электродов с заполненной окружающей средой диэлектрической цилиндрической оболочкой исходное поле сохранится как внутри, так и вне оболочки. Однако ПП в указанном виде не имеет практического значения. Реальная конструкция ПП должна только внешне совпадать по форме с прямым цилиндром либо любой прямой призмой, поскольку нас интересует отсутствие искажений поля только вне корпуса. Толщина торцевых электродов и стенок диэлектрического корпуса может быть любой, а полость герметичной, если внутри нее между электродами включить резистор с сопротивлением, равным сопротивлению вытесненного ПП объема воды. Для прямого цилиндра где h_g - осевой размер цилиндрического корпуса, a - радиус основания цилиндрического корпуса.

При этом для падения напряжения и тока через резистор получены выражения U_э=2aE_оx; (3)
I_э= πσE_oa², (4)
где E_о = напряженность исследуемого однородного электрического поля.

Из (3, 4) следует, что на резисторе (2) рассеивается мощность P_э= U_эI_э= 2πσE²_oa³x = πσE²_oa²h_g, тождественно равная мощности исходного поля в объеме датчика, поэтому датчик и не вносит искажений.

В случае использования цилиндрического датчика с гидроканалами электрических связей, где гидроканалы выполнены в виде усеченных прямых конусов (фиг. 2), радиус электрода "в" определяется с учетом (2) из уравнения

где
α - половина угла при вершине корпуса. В частности, при α = 45^o из (5) получим

В этом случае при изменении σ окружающей среды условие (2) и все связанные с ним соотношения выполняются автоматически по мере заполнения гидроканалов окружающей водой.

В случае, когда направление вектора напряженности исследуемого электрического поля заранее не определено, наиболее предпочтительным является использование трехкомпонентного датчика. Кроме уже отмечавшихся выше достоинств датчика (фиг. 2), можно дополнительно отметить практически идеальную геометрическую симметрию всех трех каналов. Из-за инерционности присоединенных масс воды, заключенной между пластинами экранов, датчик не чувствителен к изменениям температуры и давления вмещающей среды. При измерениях на стационарных стендах или в дрейфе первичный преобразователь занимает стабильное положение даже при наличии слабых течений. К этому следует добавить и ряд эксплуатационных достоинств: удобство транспортировки, простота морской постановки, защищенность электродов от случайных повреждений. Метрологические параметры датчика, в частности коэффициент преобразования, могут изменяться в соответствии с конкретными требованиями на проведение измерений за счет установки дополнительных пластин на уже подготовленный к постановке датчик.

Расчет сопротивления гидроканала производится по формуле

С учетом (7) для кубического первичного преобразователя можно определить основные геометрические соотношения трехкомпонентного ПП, не вносящего искажения в исследуемое поле.

Так как

отсюда определим размер электрода
b = a/2
и высоту усеченной правильной четырехгранной пирамиды, образующей гидроканал

Таким образом, трехкомпонентный датчик (фиг. 2) будет вносить в исследуемое однородное электрическое поле минимальные искажения, если со стороны квадратного электрода вдвое меньше ребра пластины экрана.

Вышеизложенное свидетельствует о том, что датчик, отличаясь от известных, обеспечивает минимальные искажения исследуемых электрических полей при высоких метрологических характеристиках.

Источники информации
1. Зимин Е.Ф., Кочанов Э.С. Измерение параметров электрических и магнитных полей в проводящих средах. М.: Энергоатомиздат, 1985, 254 с.

2. Авторское свидетельство СССР N 615440, G 01 F 3/06, 1978.

3. Патент США N 3641427, 1972.

Формула изобретения

1. Датчик напряженности электрического поля, содержащий диэлектрический корпус с герметично установленными плоскими металлическими электродами, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде полого прямого цилиндра, электроды размещены внутри корпуса симметрично относительно оси и центрального сечения корпуса и сообщены с окружающей средой посредством гидроканалов, имеющих форму усеченных конусов, а электроды закорочены через виток трансформатора тока, при этом соотношение геометрических размеров выбрано из условия
R = 2R_k,
где R - сопротивление объема среды, вытесненной датчиком;
R_k - сопротивление объема среды, находящейся в гидроканале.

2. Датчик напряженности электрического поля, содержащий диэлектрический корпус, выполненный в виде полого герметичного куба с плоскими металлическими электродами на гранях куба, причем каждая пара противоположно расположенных электродов электрически соединена, отличающийся тем, что он снабжен плоскими диэлектрическими экранами, прикрепленными к ребрам куба, образуя гидроканалы в виде усеченных четырехгранных пирамид, посредством которых электроды сообщены с внешней средой, при этом пирамиды меньшим основанием опираются на электроды, высота пирамид выбрана равной одной трети стороны большего ее основания, а сторона большего основания в два раза больше стороны меньшего основания, а электроды, расположенные на противоположных гранях куба, попарно закорочены через витки трансформаторов тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2