Датчик электрического поля

 

(! !! 646295

Союз Советских

Социалист ицесмих

Республик (61) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 01. 06. 76 (21) 237 87 34/18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано05.02.79.Бюллетень № 5

Я (51) М. Кл.

Cj 01 V 3/12

Гесударственный ноинтет

СССР по делам нзабретвний н открытий (53) УДК 550.837 (088. 8) Дата опубликования описания 08.02.79 ! (72) Авторы изобретения

А. В. Яковлев и А. Б. Федоров (71) Заявитель

Ленинградский ордена Ленина и ордена Трудового Красного

Знамени государственный университет им. А. А, Жданова (54) ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Изобретение относится к области алектрораэведки методом переменного естественного электромагнитного поля, основанном на измерении "угла наклона фронта - волны". Преимущественная область использования датчика-магнитотеллурическое зондирование и профилирование в звуковом и инфразвуковом .диапазоне частот и определение аффективной алектропроводности среды при проекти» ровании линий электропередач и связи.

Известны датчики электрического поля, которые содержатся в устройствах для геоалектроразведки, предназначенных для измерения угла наклона фронта алектромагнитной волны", В качестве датчиков алектрического поля, в частности вертикальной его ком поненты Е в воздухе, используются различные проволочные антенны, не содержащие активных элементов, например, дипольного типа. Применение пассивных антенн аффективно лишь на радиочастотах. На звуковых и инфразвуковых частотах входное сопротивление реальных

2 антенн такого типа достигает 10 Ом и более. Соответственно, сопротивление изоляции входных цепей должно быть увеличено в зависимости от требуемой точности измерений до 10 -10 ООм или приняты меры по стабилизации величины атого сопротивления при сохранении необхоцимой действующей высоты антенны.

В реальных условиях полевых работ, особенно при повышенной влажности воздуха, требования к изоляции входных цепей известного устройства оказываю ся практически недостижимыми, в реэульг тате чего наблюдается неучитываемое

15 изменение действуюшей высоты антенны, приводящее к низкой точности наблюдений $1J .

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению яв20 ляется датчик, являющийся разновидностью так называемой антенны верхнего питания . Он содержит полый металлический электрод с днищем иэ изоляционного материала, размешенный

646295 внутри электрода антенный усилитель, металлическую штангу и антенный противовес.

Недостаток датчика в том, что емкость между рабочим электродом и штан- 5

- гой, а также поверхностное сопротивление изолятора оказывают шунтируюшее действие на вход антенного усилителя и снижают действующую высоту антенны.

Причем шунтируюшее действие сопротивления изолятора непостоянно, так как его поверхностная проводимость зависит от влажности воздуха, степени загрязненности его и т.д. (2).

Мель предлагаемого изобретенияповышение точности измерений электрического поля в воздухе, особенно в нижней части звукового и инфразвуковом диапазонах частот и в условиях повышенной влажности воздуха.

?О

Она достигается тем, что в известном датчике электрического поля, выполненном в виде антенны верхнего питания, содержащем полый металлический рабочий электрод, внутри которого помещен антенный предусилитель, днище которого выполнено из изоляционного материала и укреплено на поверхности металлической штанги, заканчивающейся заземлителем, и антенный противовес, дополнительно введен полый компенсирующий электрод, помещенный в пространстве между полым рабочим электродом и антенным предусилителем.

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

Предлагаемый датчик содержит полый металлический электрод 1, днище 2, антенный предусилитель 3, компенсирующий. электрод 4, металлическую штанну 5, гальванический противовес-заземлитель 6, антенный противовес 7. 4

Рабочий электрод 1 датчика (фиг. 1) представляет собой полую металлическую конструкцию (например, цилиндрической формы) с днищем 2 из изоляционного материала, герметически закрывающем полость электрода. Рабочий

anexrpon укреплен на верхней части металлической трубы (штанги) 5, кото. рая устанавливается на исследуемой поверхности и при измерении компоненты

Е> удерживается. в вертикальном положении с помощью треноги или оператором. К нижней части штанги подключается антенный противовес 7. Емкостным противовесом может служить, например, один или несколько отрезков провода с обшей длиной, не менее, чем в 20 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 гальванической утечки между рабочим электродом и штангой, которая осуществляется следующим образом.

К выходу предусилителя подключается расположенный внутри рабочего электрода компенсирующий электрод 4, который представляет собой полую металлическую конструкцию, охватывающую монтажную плату предусилителя и соединительные провода, проходящие через днище. В качестве антенного предусилителя используется усилитель с коэффициентом передачи, предельно близким к единице, высоким входным и низким выходным сопротивлением. При указанных 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 оказывает влияние на параметры антенны, так как в этом случае изолятор включен параллельно низкому выходному сопротивлению предусилителя.

Величина ЭЛС E > на выходе датчика Е связана с последней следующим соотношением где Я, — 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.

6462

1. Патент CLUA Ns 3087111, кл. 324,6-8, 1 963., ОДае а Т.: .Q eo m... "" еое Ресин,1 66, V, l &, М. 4, р, 443-454.

Предлагаемая схема компенсации утечки между рабочим электродом и штангой, а также применение при плохо проводящем поверхностном слое емкостного противовеса обеспечивают практи- 5 ческую независимость величины Q от влажности, загрязненности воздуха и электрических свойств подстилающей среды. Чувствительность Q > в этом случае является параметром конкретной 10 антенны, зависящим лишь от частоты и определяется путем расчета или экспериментально по результатам измерения

8 в искусственно созданном поле с известной напряженностью E . 15

При выполнении условия Е „)s))K 1 (2 5 - входной импеданс антенного усилйтеля,Ъ.рз-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 геоэлектроразведки (фиг. 2), в котором применяется предлагаемый датчик вертикальной компоненты I с рабочим электродом 1, содержит также датчик горизонтальной компоненты электрического поля Il . Оба датчика расположены на поверхности земли и подключены к входам двух . идентичных каналов измерительного прибора III, представляющего собой селективный микровольтметр средних

55 значений измеряемого напряжения. На датчик воздействует переменное естественное электрическое поле, имеющее в прямоугольной системе координат компоненты Е х, Eч, Е>, в цилиндри- 40 ческой - Е р, Е>. Датчик горизонтальной компоненты состоит из двух ортогональных симметричных незаэемленных приемных линий 2, выполненных из гибкого изолированного провода, располо- . женного непосредственно на поверхности земли, и блока усилителей-фазоврашателей 3. Каждый из каналов микровольтметра содержит избирательный усилитель с детектором 4, интегрирующее устройство 5 и регистрирующий прибор 6, Сигналы е и е, пропорциональные соответственно амплитудам вертикальной (Е ) и полной горизонтальной (Е, ) компонент поступают на вход измерительного прибора, усиливаются н детектируются блоками - 1 и интегрируются бло(5 6 ками 5. К выходам интеграторов подклк чены регистрирующие приборы 6, показания которых пропорциональны средним за время интегрирования значениям составляющих поля Е . и E, . Устройство может использоваться для измерений как на одной фиксированной частоте, так и на нескольких. Результаты измерений могут быть представлены в виде средних значений составляющих Е> и Ег

"угла наклона фронта волны M =E,,/E > и эффективного сопротивления Р, определяемого по формуле

/. (Ом м)-603(р) сд где Л .— длина волны электромагнитного поля в воздухе для частоты f ..

Повышение 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) уменьшалась на этих частотах за счет утечки по изолятору до 2-3 и более раз, что приводило к соответствующей погрешности измерения Е или Е,,/Е

Формула изобретения датчик электрического 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, заканчива ошей ся заземлителем, и антенный противовес, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения электрического поля в воздухе, датчик снабжен полым компенсирующим электродом, помещенным в пространство между полым рабочим электродом и антенны м и ре дусилит еле м. источники информации, принятые во внимание прн экспертизе

Редактор Б. Павлов

Составитель Л. Воскобойников

Техред М. Борисова Корректор Л. Небол

Заказ 107/37 Тираж 696 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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