Датчик для измерения напряженности электрического поля в электролите

(19) (11) 7042 А 1 1)5 6 01 В 29/ БРЕТЕНИ ВИДЕТЕЛ ЬСТ мли им. О.Ю,Шмидический институтМ,М,Богородский,овство СССР14, 1979,ство СССР/12,1987,(5 МЕРЕНИЯ НАПРЯЧЕСКОГО ПОЛЯ В ляет расширить обстных электродных, яционных, датчиков ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИК АВТОРСКОМУ(71) Институт физики Зета и Московский энергет(56) Авторское свидетелМ 836604; кл. 6 01 В 29/Авторское свидетелМ 1594453, кл. 601 й 29 4) ДАТЧИК ДЛЯ ИЗ ЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИ ЛЕКТРОЛИТЕ 57) Изобретение позв асть применения изв том числе гидромоду2 электрического поля на поля, осложненные интенсивными высокочастотными помехами. Сущность изобретения: с целью повышения точности измерений основные электроды 8 и 9 экранируют дополнительными 12-16, размещаемыми в гидропроводниках датчика и попарно соединенными между собой через электрическую емкость 14 или 17. Это образует фильтр нижних частот перед основными электродами, использующий сопротивление гидропроводников. Дополнительные электроды выполнены из кор розионно-стойких металлов, предпочтительно из титанового сплава ВТв виде спирали, сетки или сот, Площадь смоченной поверхности дополнительных электродов рассчитывается по приводной формуле, 3 з,п,ф-лы. 2 ил,ИИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении квазипостоянных электрических полей в море или водах суши при геофизических исследованиях, экологическом мониторинге или электроразведке полезных ископаемых.Цель изобретенияповышение помехозаЩищенности и точности измерений.Сопосставительный анализ с прототипомпозволяетсделать вывод. что заявляемое устройство для измерения электрического поля в электролитах отличается тем, что в диэлектрические трубы и гидроканалы, симметрично относительно основных электродов, установлены одна или несколько пар дополнительных контактных электродов, попарно соединенных между собой, а в цепи дополнительных электродов имеется электрическая емкость, тем, что дополнительные электроды выполнены из коррозионно-стойкого металла, а в качестве электрической емкости использована емкость двойного слоя (ДС) на поверхности контакта коррозионно-стойких электродов с электролитом; тем, что дополнительные электроды выполнены в виде проволочной спирали, сетки или сот; тем, что дополнительные электроды изготовлены из титанового сплава типа ВТ: а также тем, что площадь Я смоченной поверхности дополнительных электродов связана предлагаемой, ранее неизвестной, формулой с суммарным сопротивлением электролита в трубах и гидроканалах и со значением верхней граничной частоты полосы пропускания фильтра нижних частот, образованного емкостью ДС дополнительных электродов и суммарным сопротивлением электролита в трубах и (или) гидроканалах перед основными электродами.На фиг,1 приведена принципиальнаясхема предлагаемого устройства; на фиг.2 - эквивалентная электрическая схема устройства в первом рабочем положении гидромодулятора.Датчик содержит диэлектрические трубы 1,2 (фиг.1), открытые концы которых А, В выведены во внешнюю среду (электролит), например морскую воду, и в рабочем положении заполнены этой средой. Между ближними концами труб 1, 2 установлен гидромодулятор 3, имеющий первое и второе рабочие положения. Гидроканалами 4, 5 гидромодулятор 3 соединен с электродными камерами 6, 7, содержащими основные контактные электроды 8, 9, клеммы 10,11 которых являются выходом датчика, В трубах 1, 2 вблизи гидромодулятора 3 установлены дополнительные электроды 12, 13, соединенные между собой. В цепи электродов 12, 13 имеется электрическая емкость 14, В гидроканалах 4, 5 вблизи электродов 8, 9 установлены дополнительные электроды 15, 16, в цепи которых имеется электрическая емкость 17.5 Дополнительные электроды 12-16 выполне.ны в виде проволочной спирали, предпочтительно из титанового сплава ВТ, при этом в качестве электрических емкостей 14, 17 использованы соединенные последователь но емкости ДС на поверхностях контактныхэлектродов 12, 13 и 15, 16 с электролитом, а площадь 5 смоченной поверхности дополнительных электродов соответствующей пары составляет155 =(2 А/П г) (1 о/1 в )где П =2 л 1, А а (1 /Ь)(к+Р)20 слабо меняющаяся функция частоты 1 ь иконстант А, а, й, /3 материала дополнительных электродов, для ВТи растворов типаморской воды А= 63 Ом м,а = 0,95; а== 16 х 10 Ф м; В = 0,105.25 г - суммарное сопротивление электролита в трубах и (или) гидроканалах;1 в0,03 Гц - верхняя частота полосыпропускания фильтра нижних частот, образованного емкостьюДСдополнительныхэлектро 30 литов и сопротивлением г перед контактнымиэлектродами 8,9;Ь=1 Гц - константа частоты,В первом рабочем положении гидромодулятора 3 электрод 8 через гидроканал 4 и35 гидромодулятор 3 соединен с полостью трубы 1, а электрод 9 через гидроканал 5 игидромодулятор 3 соединен с полостью трубы 2. Во втором рабочем положении электроды8, 9 через гидроканалы 4, 5 и гидромодулятор 340 соединены между собой,Датчик работает следующим образом, Гидромодулятор 3 периодически переходит из первого рабочего положения во 45 второе, Снимаемые с электродов 8, 9 напряжения 01, Ог связаны при этом с измеряемой напряженностью квазипостоянного поля Е соотношениямил50 (01 = Е1-э+ЛУ)+Е1-эК (1)Ог =Лргде Ь - значение "базы" электродного датчика в первом рабочем положении;55 Ьр - собственная ЭДС электродов 8,9;Е - поле переменной помехи, частотныйспектр которой лежит выше значения 1 в,К 11 - коэффициент передачи фильтранижних частот, образованного суммарным сопротивлением электролита в трубах и (или)ГГтд)ГтаттаГ)ах и ,мкос 1 ьк) Р )ГГГи 1)ары дт)поппи)ельнь)х )Г)ектг)Г)дт)Г)Из (1). (2) следует при этом чРм меньшР. КоэффициРнт К при 11. тем более повышень) помекоздщищенногть и точность измерений.Рассмотрим работу фильтра нижних частот применительно к паре дополнительных электродов 12, 13 (фиг,2) Обозначим суммарное сопротивление электролита в трубдх 1, 2 с учетом сопротивления растения гВГ.Г Вг), Тогда для коэффициента передачи при учете сопротивления нагрузки В, получим К = Вн( Вт + г+) тт) С 1 л Вп г) . (4) Если ВГГг, то для квадрата модуля коэффициента передачи имеем л1 К 12 =(1+ГГГ С 1 л Г ), (5) откуда для верхней граничной частотыпропускания филь Гра по уровне 3 дБ имеем 1=( ГГ)тт,2 л ) =- ( 2 Гт г С)4), (6) Известно, что при ограниченных сверху значениях г=сопэт и Ссот)вт разделением г и С на элементы и выполнением фильтра многоэвенным, нельзя понизить значение 11), Поэтому (6) дает минимальное значение 1, при ограниченных г и С)л, Практически величина г ограничение размерами гидро- каналов, длина которых для датчиков с "короткими базами"1 м. а диамегр О2 см, т.е. 2 м 4 10(7) при электропроводности морской водыГ)= 2 СММЗначение С)4 в техническом смысле ограничено габаритными конденсаторами, при этом конденсаторы должны быть неполярными, Если испольэовагь металлобумажные конденсаторы типа МБГО. =160 В-.30,0 мкф, по форме близкие к кубу с размерами 50 х 50 х 50 мм, то практически их можно использовать от 2 до 10 шт соединенных параллельно (конденсаторы придется поместить в ФГЕРМЕтИЧНЛ)й КОНтвйНЕР Гтт,тт РжиаГГ)Ц)11 И высокиР давления и заним.)кции 11 емттоГО места, чтобы своим присут 1;твием не внести искажений в исследуемое поле). Таким об разом. значение С)л лежит в пределах 60300 мкФ. Тогда из (Ч, (7) имеем Фтт2 7) Г Си )2:г(60 -3000)х- 10 1 О х 1 О ) =(0,83- 0,17) Гц, (8)При необходимости получить более низкое значение 1 без увеличения габаритов датчика, в качестве емкости См использована емкость Сп двойного слоя (ДС) на поверхности контакта электродов 12, 13, выполненных иэ коррозион нестойкого металла, с электролитом. Вводя в рассмотрение емкость СГ и сопротивление утечки В,импеданса ДС при параллельл ной схеме замещения, имеем дпяК 1: ЛеК=В В+г)" +ГГ 2(-")Х225 (9) ГДЕ В=.2 Втт Вп(Внф. Вп)В частности, при 2 Вп: В например, если роль нагрузки фильтра играет сопротивление утечки ДС дополнительных электродов имеем 1 К =4 Вй 2 Вп+г) +п) Сйх35 хВй. г 2) - 1 (10) Экспериментально установлено. что для ДС коррозионно-стойких металлов и электролитов типа растворов морской воды в широком диапазоне электропроводностей и частот выполняк)тся соотношения Вп =-,. (1 т,/1)ц; Сп - -5 а (1 т, 1), (11) А где Я - площадь смоченной поверхнос)и электродов, А, а, а,/3 - импеданснтте кГ нстанты ДС выбранного металла 11 Г Г 50Оказалось, что проиэведени П=о)СпВп =2 тг 1 А а х)(гг+/У) (, )(и+/1 - ) ) (.55является функцией. слабо зависящей от частоты. Значения этой функции для различ,ных коррозионно-стойких МРталлов близки между собой, Это позволяет представить (10) в видРлг 50 55 где р= --=- -- ( 1 т); (14) г5; гт. 2 82 Л 5 - площадь смоченной поверхности каждого из дополнительных электродов 12, 13,С учетом сделанных замечаний имеем оценку значения площади 5 смоченной поверхности дополнительных электродов 12, 13, при котором обеспечивается требуемое значение 1 в0,03 Гц: 5 =(2 А/П г) (1/1 ) (15)Для титана ВТ, можно записать: 2 63 Ом м, 1 Гц 095 П(1 р) г Ом , 1 р(16)Работа фильтра нижних частот применительно к паре дополнительных электродов 15, 6 в отсутствие электродов 12, 13 аналогична описанной соотношениями (4)- (16), если в качестве г обозначить суммарное сопротивление электролита в трубах 1, 2 и гидроканалах 4, 5 и использовать значение С 17, При наличии дополнительных электродов 12, 13 работа фильтра нижних частот, образуемого сопротивлениями гидроканалов 4, 5, емкостью С 1 т и электродами 15, 16 углубляет фильтрацию, осуществляемую фильтром на дополнительных электродах 12, 13.Размещение в диэлектрических трубах, гидроканалах или электродных камерах симметрично относительно основных электродов дополнительных контактных электродов, попарно соединенных между собой, при наличии в цепи дополнительных электродов электрической емкости образует вместе с сопротивлениями участков электролита в диэлектрических трубах и гидроканалах фильтр нижнихчастот передосновными электродами, что снижает высокочастотную помеху, поступающую на гидромодулятор. и на основные электроды, тем самым повышая помехозащищенность и точность измерений,Выполнение дополнительных электродов из коррозионно-стойкого металла и использование в качестве емкости в их цепи емкости ДС на поверхностях контакта дополнительных электродов с электролитом позволяет понизить значение верхней граничной частоты пропускания фильтра никних частот за счет увеличения емкости ДС контакта до значений порядка фарады, что, в свою очередь, позволяет уменьшить входное сопротивлениедатчика. тем самым умень 5 10 15 20 25 30 35 40 45 шая входные шумы и улеличилля то це 1 ь измерений.Выполнение дополнительных электро дов в виде проволочной спирали. сетки или сот увеличивает эффективную поверхность электродов на один-два порядка это позво ляет уменьшить размер дополнитРльных электродов и эффективно реализовать спо соб.Изготовление дополнительных злект ро дов из титанового сплава ВТ 10 оозлоляег уменьшить размер дополнительных зле 1. родов в несколько раз. одновременно уве личивая сопротивление нагрузки датчика по постоянному току в десятки раз, что позволяет снизить искажения, вносимые датчи ком в исследуемое поле, тем самым г 1 овышая точность измерений,Выполнение площади 5 смоченной по верхности дополнительных элРктродов в соответствии с предлагаемой. ранее неизвестной, формула (15) позволяет применять датчик с заранее заданными. отвечающими условия ми измерений, свойствами. что повышает точность и воспроизводимость измерений.Формула изобретения 1. Датчик для измерения напряженности электрического поля в электролите. содержа щий две диэлектрические трубы, между концами которых установлен гидромодулятор, а также два основных контактных электрода, расположенные в электродных камерах и соединенных гидроканалами через гидро модулятор с полостями труб, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения помехозащищен ности и точности измерений. в диэлекри. ческих трубах, гидроканалах или электродных камерах симметрично относительно основных контактных электродов, размещена по край. ней мере одна пара дополнительных контактных электродов, соединен ных между собой через электрический конденсатор,2, Датчик по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что дополнительные электроды выпол нены,из коррозийно-стойкого металла, а в качестве электрического конденсатора ис. пользована емкость двойного слоя на поверхности контакта коррозийно-стойких электродов с электролитом. 3. Датчик по и 2, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что дополнительные контактные электроды выполнены в виде проволочной спирали, сетки или сот,4, Датчик по пп.2 и 3, о т л и ч а к щ и йс я тем, что дополнительные электроды из. готовлены из титанового сплава например ВТ,5. Датчик по пп 2 4, от л и ч а ю щ ий с я тем, что площадь смоченной поверхности дополнитРльных элРктрпдвсоставляет1817042 3-.0, 105,10 Составитель В.БогородскийТехред М.Моргентал Корректор С,Ли Редакто Заказ 1721 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г род. ул. Гагари где П =-2 л 1, А а ( ,Г 1) (г+Р) слабо меняющаяся функция частоты 1, и контакт А,а, а,В материала дополнительных электродов для ВТи растворов типа морской воды, равных А=63, Ом м;2,0,95;а=16 10 Ф м; г - суммарное сопротивление электролита в трубах и (или) гидроканалах;5 Ь 80.03 Гц, верхняя частота полосыпропускания фильтра нижних частот, образованного емкостью двойного слоя дополнительных электродов и сопротивлением г;1=1 Гц - константа частоты,