Способ измерения параметров электрического поля в проводящей среде и устройство для его реализации

(72) Е.Ф. Зимин, Э.С. Кочанов, В.А. Кузовкин и В.М. Смирнов (71) Московский ордена Ленина и орд на Октябрьской Революции энергетический институт(56) 1. Авторское свидетельство СССР В 4 17753, кл. С 01 Ч 3/06, 1971.2, Авторское свидетельство СССР У 614406, кл. С 01 Ч 3/06, 1975 (прототип)СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РОВРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В П ЩЕЙЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЩЕСТе(54)ЗЛЕКТСРЕДВЛЕН ПАРАМЕТ РОВОДЯ ЕГО ОС УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ОЛИСАНИ АВТОРСКОМУ(57) 1. Способ измерения параметровэлектрического поля в проводящейсреде, в котором в исследуемуюсреду помещают электрический преобразователь, с помощью которого концентрируют электрическое поле, проходящее через исследуемую среду, ипреобразуют его в электрический ток,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью увеличения чувствительности,повышения точности измерений и расширения диапазона измеряемых сигналов, компенсируют периодически напряжение в измерительной цепи электрического преобразователя и измеряютпри отсутствии компенсации напряжение в измерительной цепи и компенсирующнапряжение, по которымопределяют параметры электрического поля;1113764 2. Устройство для осушествления способа по п.1, содержащее сгустители электрическоГо тока разделенные диэлектрической прокладкой и соединенные электропронодящим стержнем, на котором расположена измерительная катушка, подключенная к входу предварительного усилителя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно содерИзобретение относится к технической физике и электроиэмерительной тех. ,нике, а именно к измерениям электрических полей в проводящих средах.Изобретение может быть использовано для создания бортовых и стационарных измерительных систем, предназначенных для геофизических исследований электрических полей в морской среде и грунте, 1 ОИзвестен способ измерения параметров электрического поля в проводящей среде, при котором помещают электрический преобразователь в исследуемую среду и фокусируют электрическое по ле через преобразователь с помощью сгустителей поля, подсоединенных к электрическому преобразователю 113. Известно также устройство для реа О лиэации этого способа, содержащее электропроводящий стержень, соединенный со сгустителями-обтекателями, выполненными в виде половин проводящего полого сфероида, на котором закреплен измерительный трансформатор тока 13. Однако эти способ и устройство характеризуются недостаточной чувст 30 вительностью и низким коэффициентом преобразования в области низких частот, что связано с высоким сопротивлением поляриэационного двойного слоя, образующегося на поверхности сгустителей. Кроме того, точность этого способа сильно зависит от электрофизических параметров проводящей среды и материала, из которого выполнены сгустители, а трансформатор тока принципиально не может использоваться для непосредственного жит компенсирующую катушку, упранляемый источник напряжения, ключевойэлемент, причем компенсирующая катушка расположена на электропроводящемстержне и подключена к выходу источника управляемого напряжения, управляющий вход которого через ключевойэлемент соединен с выходом предварительгого усилителя. измерения постоянных и инфраниэкочастотных электрических полей.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является способ измерения параметров электрического поля в проводящей среде, согласно которому в исследуемую среду помещают электрический преобразователь,с помощью него концентрируют электрическое поле, проходящее через исследуемую среду, и преобразуют егов электрический ток 23,Известно также устройство дляреализации этого способа, представляющее собой сгустители электрического тока, разделенные диэлектрической прокладкой и соединенные электро.проводящим стержнем, на котором расположена измерительная катушка, подключенная к входу предварительногоусилителя 23.Прокладка соединяет сгустителиэлектрического тока посредством коммутатора, выполняющего роль модулятора. Устройство проводит измеренияпри неизменных граничных условияхна поверхности контакта сгустителядатчика с окружающей проводящей средой, что достигается за счет применения электропроводящего стержня исгустителя обтекателя, разделенныхна две части соответственно двумяизолирующими прокладками, параллельно каждой из которых включены коммутирующие цепи модчлятора,Недостатком указанных способа и устройства является понижение предельной чувствительности вследствие того, что известные ключевые коммутирующие элементы обладают высоким уровнем внутренних шумов, значитель37 б 4 5 1 О 15 го 25 30 35 40 45 50 55 з 111 но превосходящим собственные шумы первичной измерительной цепи трансформатора тока со сгустителями. Кроме того, интенсивность собственных шумов известных ключевых элементов находится в обратно пропорциональной зависимости от их максимально возможной частоты коммутации, что ограничивает частотный циапазон измеряемых сигналов в средне- и высокочастотных областях.Цель изобретения - увеличение чувствительности, повышение точности измерений и расширение частотного диапазона измеряемых сигналов.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения параметров электрического поля в проводящей среде, в.котором в исследуемую среду помещают электрический преобразователь, с помощью которого концентрируют электрическое поле, проходящее через исследуемую среду, и преобразуют его в электрический ток, дополнительно компенсируют периодически напряжение в измерительной цепи электрического преобразователя и измеряют при отсутствии компенсации напряжение в измерительной цепи и компенсирующее напряжение, по которым определяют параметры электрического поля. Поставленная цель достигается тем, что устройство, реализующее способ и содержащее сгустители электрического тока, разделенные.электрической прокладкой, соединенные электропроводящим стержнем, на котором расположена измерительная катушка, подключенная к входу предварительного усилителя, содержит компенсирующую катушку, управляемый источник напряжения, ключевой элемент, причем компенсирующая катушка расположена на электропроводящем стержне и подключена к выходу источника управляемого напряжения, управляющий вход которого через ключевой элемент соединен с выходом предварительного усилителя.Способ измерения параметров электрического поля в проводящей среде основан на периодической компенсации напряжения, приложенного к пер вичной цепи трансформатора тока со сгустителями, и измерении сдвинутых во времени напряжения вторичной цепи трансформатора тока со сгустителями при отсутствии компенсации и компенсирующего напряжения, по величинекоторых определяют параметры электрического поля в проводящей среде,ъНа фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - пример реализации устройства; на фиг. 3-5 - диаграммы, иллюстрирующие работу устройства.Предлагаемый способ основан на периоднческой компенсации напряжения, приложенного к первичной цепи трансформатора тока со сгустителями, содержащего (фиг. 1 и 2) сгустители тока, разделенные диэлектрической прокладкой перегородкой 2 и соединенные электропроводящим стержнем 3, на котором расположена измерительная катушка 4, подключенная к входу предварительного усилителя 5, и компенсирующая катушка б, подключенная к выходу управляемого источника напряжения 7, причем выход предварительного усилителя 5 соединен с управляющим входом управляемого источника напряжения 7 через ключевой элемент 8. Как известно, напряженность измеряемого электрического поля с учетом параметров проводящей среды и двойного поляризационного слоя, образующегося на поверхности сгустителей, можно представить в виде схемы замещения активного двухполюсника, в которой напряжение холостого хода Б пропорционально напряженности измеряемого электрического поля, причем коэффициент пропорциональности зависит только от геометрии сгустителей, а выходное сопротивление 2 характеризует параметры проводящей среды и двойного поляризационного слоя, В связи с этим на эквивалентной схеме замещения описанный активный двух полюсник включен в первичную цепь трансформатора тока со сгустителями, представляющую собой так называемый объемный виток, замыкающийся через сгуститель 1, электропроводящий стержень 3 и окружающую проводящую. среду. Вторичной обмоткой трансформатора тока со сгустителями служит измерительная катушка 4. Необходимый режим измерения достигается с помощью периодического замыкания ключевого элемента 8, который подключает управляющий вход управляемого источника напряжения 7 к выходу предварительного усилителя 5 и тем.самым с учетом того, что к выходу управляемого источника напряжения 7 подключена компенсирующая катушка 6, замыкает цепь обратной связи, что в свою очередь обеспечивает перио дическую компенсацию напряжения, приложенного к первичной цепи трансформатора тока со сгустителями. Измеряя сдвинутое во времени напряжение вторичной цепи трансформатора тока со сгустителями, усиленноепредварительным усилителем 5, т.е.напряжение Оп, и компенсирующее напряжение 0, а также зная коэффициенты передачи входящих в схему заме щения устройств, можно определить напряженность измеряемого электричес- кого поля и параметры проводящей сре- ды.20Способ реализуется с помощью устройства, содержащего сгустители 1 тока, разделенные диэлектрической перегородкой 2 и соединенные электро- проводящим стержнем 3, на котором 25 расположены измерительная катушка 4, подключенная к входу предварительного усилителя 5, и компенсирующая катушка 6, подключенная к выходу управляемого источника напряжения 7, управляющий вход которого через ключевой элемент 8 соединен с выходом предварительного усилителя 5. Вход первого интегрирующего аналого-цифрового преобразователя 9 (фиг, 2)35 соединен с выходом. предварительного усилителя 5, Вход второго интегрирующего аналого-цифрового преобразова"теля 10 соединен с выходом управляемого источника напряжения 7. К выходу первого интегрирующего аналогоцифрового преобразователя 9 подключены входы первого 11 и второго 12 буферных регистров. К выходу второго интегрирующего аналого-цифрового45 преобразователя 10 подключен вход третьего буферного регистра 13. Выходы буферных регистров 11-13 соединены с входной шиной блока микро" процессорных секций 14. Блок 15 мик- . ропрограммного управления соединен50 с блоком микропроцессорных секций 14 и постоянным запоминаюшим устройством 1 б, которое в свою очередь соединено с блоком микропроцессорных сек-ций 14, ключевым элементом 8, интегрирующими аналого-цифровыми преоб" разователями 9 и 10 и буферными регистрами 11-13. Генератор 17 тактовых"х Кьх напряжение холостого ходав схеме замещения активного двухполюсника;выходное сопротивление всхеме замещения активного где 13 х двухполюсника;входное сопротивлениетрансформатора тока со сгустителями 2;выходное сопротивление управляемого источника компенсирующего напряжения 7, приведенное в первичную измерительную цепь;коэффициент трансформациитрансформатора тока сосгустителями 2;коэффициент передачи предварительного усилителя 5;входной коэффициент передачи,гтг Ч ВХ В период компенсации выходное напряжение предварительного усилителя 5(2) Ъу =Йх "як) Квх и Ку ь где Ук - компенсирующее напряжение.Если компенсирующее напряжение11 связано с напряжением У черезкоэффициент передачи К, т.е. Пк КПщто для компенсирующего напряженияможно записать с учетом (2)(3) 1+и К К Решая систему уравнений (1) и (3),получим Ъ ПкКК 0 оу Пк импульсов подключен к блоку 15 микро. программного управления и блоку 14 микропроцессорных секций.Способ реализуется следующим образом.При отсутствии компенсации выходное напряжение предварительного усилителя 5(4) Учитывая описанные зависимости Ь У;1 1 О где Е - напряженность измеряемогоэлектрического поля;Ь - коэффициент пропорциональности, называемый эквивалентной базой,можно получить следующие соотношения: 15 ч кЬ(6) Таким образом, по данным измерений Уп 1 и У можно определить напряженчость измеряемого электричес 25 кого поля Е и выходное сопротивление Еа, зависящее от параметров проводящей среды и двойного поляризационного слоя.Устройство, реализующее способ, 30 функционирует следующим образом.1В момент времени С ключевой элемент 8 размыкается, что приводит к размыканию цепи обратной связи, и в схеме начинаются связанные с этим переходные процессы, которые заканчиваются к моменту времени(фиг. 3-5). На выходе предварительного усилителя 5 устанавливается напряжение Уп 1 , которое в течение40 времени 1- С, интегрируется в первом аналого-цифровом преобразователе 9, В момент времени с ключевой элемент 8 замыкается, и в схеме начинаются связанные с этим переход 45 ные процессы, которые заканчиваются к моменту времени С,. В период времени С - 1, в первом интегрирующем аналого-цифровом преобразователе 9 происходит измерение напряжения Ущ 1, проинтегрированного в период времени 11 - С , так что к моменту времени С, на цифровых выходах первого интегрирующего аналого-цифрового преобразователя 9 устанавливается код, соответствующий измеренному напряжению Упкоторый затем через время Ъ"а С 1 -С, записывается в пер упч + у%2(7) упу Таким образом, в момент временина выходной шине блока микропроцессорных секций 14 появляется код,соответствующий измеряемым параметрам. Далее цикл измерения вновь повторяется таким же образом, и к моменту времени Ть на выходе появляетсяследующий отсчет,Работа устройства синхронизируется с помощью генератора 17 тактовыхимпульсов. Блок 15 микропрограммного управления совместно с постояннымзапоминающим устройством 16 управляет работой блока микропроцессорныхсекций 14, ключевого элемента 8, интегрирующих аналого-циФровых преобразователей 9 и 10, буферных регистров 11-13. вый буферный регистр 11. К моментувремени Г на выходе управляемогоисточника напряжения 7 устанавливается напряжение Ук, которое затем втечение времени С - С интегрируется во втором интегрирующем аналогоцифровом преобразователе 10, В момент времениключевой элемент 8размыкается, что приводит к размыканию цепи обратной связи, и в схеменачинаются связанные с этим переходные процессы, которые заканчиваютсяк моменту времени Св. На выходе предварительного усилителя 5 устанавливается напряжение Ут 11 , котороев течение времени С - йь интегрируется в первом интегрирующем аналогоцифровом:преобразователе 9. К моменту времени й на цифровых выходахпервого интегрирующего аналого-цифрового преобразователя 9 устанавливается код, соответствующий измеренному напряжению Уп, который затемчерез время ы 1 а -С записываетсяво второй буферный регистр 12. Кмоменту времени й на цифровых выходах второго интегрирующего аналогоцифрового преобразователя 1 О устанавливается код, соответствующий измеренному напряжению Ц, который затемчерез время Ъ сс 14 -Сэ записываетсяв третий буферный регистр. В периодвремени (С+ Ф) - Сч в блоке микропроцессорных секций 14 происходитвычисление параметров электрического1 поля с учетом формул (5) и (6) иследующего соотношения:С выходной шины блока микропроцессорных секций 14 значения параметров измеряемого электрического поля, представленные в цифровой форме в виде отсчетов, могут быть переданы 5 по каналу связи к другим устройствам.Вследствие периодической компенсации напряжения первичной цепи трансформатора тока со сгустителями че О рез двойной поляризационный слой протекает переменный ток высокой частоты, соответствующей частоте компенсации, что приводит к резкому уменьшению импеданса двойного поляризационного 15 слоя, имеющего частотно-зависимый и монотонный, убывающий с ростом частоты характер, Поскольку предельная чувствительность измерений обусловлена тепловыми шумами входной измери тельной цепи, которые в свою очередь зависят от активного сопротивления двойного поляризационного слоя, предлагаемый способ позволяет повысить чувствительность измерительных преобразователей в 3-10 и более раз.Кроме того, как показывает выражение (5), при измерении напряженности исследуемого электрического поля исключается зависимость результатов от электрофизических параметров окружающей среды, что увеличивает точность измерений на ЗЗЕ при изменении проводимости окружающей среды вдвое.Перенесение коммутирующих элемен-: тов из первичной цепи трансформатора тока со сгустителями во вторичную позволяет устранить недостатки прототипа, связанные с шумом коммутирующих элементов, и расширить частотный диапазон измеряемых сигналов в область средних и высоких частот,ка ное филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная 6 15/38 Тираж 710 ВНИИПИ Государствен по делам иэобрет 113035, Москва, Ж, ого коми ний и от Раушская Подлта СССРытийаб., д. 4