NO324587B1 - Elektrisk feltsensor for marine omgivelser - Google Patents

Abstract

12 Sensor (S) for marine målinger av et elektrisk felt hvor sensoren (S) omfatter - minst to elektroder (3, 4); - signaltransmisjonsmidler (5) for overføring av målesignaler fra sensoren (S) til en signalbehandlingsenhet (6); - minst to lukkede beholdere (1, 2) som er tildannet av et ikke-ledende materiale og er fylt med en elektrolytt (E); - minst to fleksible slanger (7, 8) som er tildannet av et elektrisk ikke-ledende materiale, idet det til hver av beholderne (1, 2) på fluidkommuniserende vis er fastgjort minst én første slangeende (7a, 8a), og en andre slangeende (7b, 8b) er åpen og fastgjort til midler (9a, 9b) for eksakt posisjonering av den andre slangeenden (7b, 8b); slangene (7, 8) er innrettet til å kunne være fylt med et medium (W) av samme type som det sensoren (S) er innrettet til å være neddykket i; og to beholdere (1, 2) tildanner et beholderpar hvor de to beholderne (1, 2) er innbyrdes plassert nær hverandre under tilnærmet identiske termiske, trykkmessige og kjemiske betingelser.

Description

ELEKTRISK FELTSENSOR FOR MARINE OMGIVELSER

Oppfinnelsen vedrører en feltsensor for marine omgivelser, nærmere bestemt en feltsensor som er forsynt med minst to beholdere som hver omslutter minst én elektrode, er fylt med en elektrolytt og er i fluidkommuniserende forbindelse med de omkringliggende vannmassene gjennom fleksible slanger, og elektrodene er tilkoplet en signalbehandlingsenhet.

Kjent teknikk omfatter to hovedtyper av elektriske feltsenso-rer for vanlig bruk innenfor marine elektromagnetiske under-søkelser.

I sensorer av den første typen brukes det lange, isolerte ledninger for å kople Ag-AgCl-, Pb-PbCl- eller andre elektroder til en registreringsenhet (for eksempel Cox et al. 1971; Filloux 1973; Webb et al. 1985). Det er vanligvis stor avstand mellom elektrodene, typisk i størrelsesorden 100-1000 meter. Denne typen elektrisk feltsensor kan heve signalnivået langt over støyen fra elektrodene. I tillegg gjør en stor avstand mellom elektroder det mulig å midle elektriske felter som forårsakes av turbulens, bølger og variasjoner i temperatur - saltkonsentrasjon, hvor disse feltene er i en størrel-sesorden på bare noen få meter.

På grunn av den store avstanden mellom elektrodene arbeider de ofte under forskjellige trykk- og temperaturforhold. Dette kan føre til betydelig drift i det registrerte signal. Drift- Drifthastigheten er avhengig av elektrodenes sammensetning og oppbygning. Parametere som påvirker driften i fire typer elektroder, er vist i tabell 1.

I sensorer av den annen type, saltbrotypen (Filloux 1974), plasseres elektroder sammen inne i en instrumentkasse og set-tes i forbindelse med sjøvannet ved hjelp av isolerte slanger som kun er noen meter lange. Med tanke på at slike sensorer ofte brukes til datafangst fra elektriske felt med lange pe-rioder, brukes en spesialinnretning kalt en "chopper", for å eliminere nullpunktsdrift som forårsakes av variasjoner i temperatur og trykk.

På grunn av at målegrunnlaget har en forholdsvis kort lengde, er slike sensorer mindre følsomme sammenlignet med den første sensortypen. På den annen side kjennetegnes de av større stabilitet og minimal drift i målesignalet.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste en av ulempene ved kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående be-skrivelse og i etterfølgende patentkrav.

Oppfinnelsen vedrører en ny type sensor for å måle komponen-ter av det elektriske felt i marine omgivelser. Sensoren kombinerer hovedfordelene ved eksisterende sensorer vedrørende målefølsomhet og stabilitet overfor påvirkning av varierende temperatur, trykk, turbulens, bølger og endringer i saltkonsentrasjon. For enkelhets skyld omfatter den ikke nødvendig-vis en "chopper", som kan benyttes til målinger ved lange pe-rioder.

Ifølge et første aspekt av oppfinnelsen omfatter den elektriske feltsensor et beholderpar. Beholderne er lukket med

unntak av uttak for en slange som er tilkoplet hver av beholderne. Slangene er fremstilt av et elektrisk ikke-ledende materiale. Slangens ene ende er på fluidkommuniserende vis tilkoplet beholderen, mens den andre enden av slangen er åpen og forbundet med et posisjoneringsmiddel i form av for eksempel

ballast, typisk et anker, eller et oppdriftslegeme, typisk en bøye. I en operativ stilling er beholderne plasserte ved si-den av hverandre og fylt med en elektrolytt. Begge beholderne inneholder minst én elektrode, fortrinnsvis en Ag-AgCl-elektrode. Den andre, åpne enden av slangen er anbrakt i en øns-ket posisjon i vannmassene i forhold til den respektive beholderen ved hjelp av posisjoneringsmidlene. Retningen av en forbindelseslinje mellom de to slangenes andre, åpne ender angir hvilken komponent av det elektriske felt som blir målt; avstanden mellom endene angir måleområdet. Elektroden er på kjent vis tilkoplet en signalbehandlingsenhet.

Ifølge et andre aspekt av oppfinnelsen er beholderne fylt med en overmettet elektrolytt som tildanner et kjemisk ikke-aggressivt miljø omkring elektrodene og som forhindrer inn-trengning av vann fra slangen og inn i beholderen.

Ifølge et tredje aspekt av oppfinnelsen omfatter sensoren flere beholderpar med de korresponderende slanger løpende i ulike retninger, idet sensoren er innrettet til selektivt å kunne måle flere ulike feltkomponenter.

Ifølge et fjerde aspekt av oppfinnelsen er hver av beholderne forsynt med flere elektroder, hvor forskjellige elektrodepar tildannet av én elektrode i hver av beholderparets beholdere er innrettet til å kunne brukes til uavhengig registrering av de samme feltkomponenter ved hjelp av en flerkanals signalbehandlingsenhet.

Ifølge et femte aspekt av oppfinnelsen er sensoren innrettet til sekvensiell eller kontinuerlig sammenligning av elektrodenes målestabilitet.

Ifølge det sjette aspekt av oppfinnelsen er signalbehandlingsenheten innrettet til å utelukke elektrodepar som er defekt eller ustabilt, etter kontroll av de samlede målingene.

Ifølge et syvende aspekt av oppfinnelsen er signalbehandlingsenheten innrettet til å beregne middelverdi av data som sam-les inn ved hjelp av forskjellige par av korrekt virkende elektroder, for derved å forbedre signal/støy-forholdet.

I det etterfølgende beskrives et ikke-begrensende eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på med-følgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser en prinsippskisse av en sensor ifølge oppfinnelsen, hvor sensoren er forsynt med ett elektrodepar og er orientert for måling av en horisontal feltkomponent; Fig. 2 viser på lignende måte som figur 1 en prinsippskisse av en sensor ifølge oppfinnelsen, men hvor sensoren er forsynt med fire elektrodepar; og Fig. 3 viser en prinsippskisse av en tokomponentsensor ifølge oppfinnelsen, hvor en del av sensoren er konfigurert for måling av en horisontal komponent av det elektriske felt, og en annen del av sensoren er konfigurert for å mål en annen horisontal eller vertikal komponent av det elektriske felt. På figurene angir henvisningen S en sensor ifølge oppfinnelsen, idet sensoren S omfatter to beholdere 1, 2 som omslutter elektroder 3, 4. Beholderne 1, 2 er neddykket i en vannmasse W. Elektrodene 3, 4 er ved hjelp av kabler 5 koplet til en signalbehandlingsenhet 6. Beholderne 1, 2 er tildannet av et elektrisk ikke-ledende materiale og er fylt med en overmettet elektrolytt E. Til hver av beholderne 1, 2 er det på fluidkommuniserende vis tilsluttet en første ende 7a, 8a av en slange 7, 8. En andre ende 7b, 8b av slangen 7, 8 er åpen mot de omkringliggende vannmassene W. Slangene er tildannet av et ikke-ledende materiale og er fylt med sjøvann. Slangenes 7, 8 andre ende 7b, 8b er forsynt med midler i form av ballast 9a eller et oppdriftslegeme 9b (se fig. 3) for posisjonering av den andre enden 7b, 8b i forhold til beholderne 1, 2. Retningen av en rett linje B gjennom slangenes 7, 8 andre ende 7b, 8b fastsetter hvilken komponent av det elektriske felt som måles, og avstanden MB mellom endene 7b, 8b danner måleområdet. Figur 1 viser en sensor S ifølge oppfinnelsen i sin enkleste utforming. Figur 2 viser et eksempel på en sensor S' som kjennetegnes ved forbedret stabilitet og mindre elektrodestøy sammenlignet med sensoren S som er vist på figur 1. De forbedrede trekk ved sensoren S'oppnås ved å plassere flere elektroder 3, 3', 3'', 3''', henholdsvis 4, 4', 4'', 4''' i hver beholder 1, 2 og ved at signalbehandlingsenheten 6 registrerer flere kana-

ler.

Figur 3 viser en elektrisk tokomponentsensor S'' som består av fire beholdere 1, 1', 2, 2' og fire slanger 7, 7', 8, 8'. Avhengig av den innbyrdes fordelingen av slangenes frie ender 7b, 7b', 8b, 8b' kan sensoren S'' gi samtidig registrering av enten to horisontale eller én horisontal og én vertikal komponent av det elektriske feltet. En tilsvarende konstruksjon kan brukes til å måle hele vektoren til det elektriske feltet .

Som nevnt ovenfor, kan kjente, eksisterende elektriske sensorer deles inn i to separate grupper.

Sensorer i den første gruppen gjør bruk av et stort måleområde med elektroder plasser i hver ende. Slike sensorer kan gi et godt signal/støy-forhold fordi signalamplituden er propor-sjonal med lengden av måleområdet. Den store måleområdet dem-per også elektriske signaler som forårsakes av småskalaforstyrrelser og uensartetheter. På den annen side er denne typen sensor utsatt for drift i målesignalet. For å redusere driften er man nøye med å velge elektroder i par som har selvpotensialer og temperatur- og trykkoeffisienter som lig-ger nær hverandre. Ikke desto mindre innebærer selve utfor-mingen av disse sensorene at elektroder anbringes i stor avstand fra hverandre og derfor under ganske forskjellige forhold. Dette gjelder i enda sterkere grad de sensorer som brukes til måling av et vertikalt elektrisk felt. I dette tilfellet vil selv to nøye utvalgte elektroder vise stor drift i målesignalet fordi de er plassert ved forskjellige dybder og derfor i omgivelser med forskjellige temperatur- og trykkforhold og saltkonsentrasjon.

I en saltbrosensor reduseres driften i signalet sterkt ved å plassere elektrodene nær hverandre og i tillegg bruke en "chopper". Imidlertid vil sensorens lave følsomhet og dens mottakelighet for småskalaforstyrrelser og uensartetheter legge begrensinger på anvendelsen.

Den foreslåtte sensor som er vist på figur 1, kombinerer for-delene ved allerede eksisterende sensorer ved å gjøre bruk av lange slanger, dvs. et stort måleområde, og tett plassering av elektroder. Den tette plasseringen av elektroder vil i praksis eliminere enhver drift som forårsakes av de sensitive elementer (følere) i konstruksjonen. Lengden av slangene bestemmes av det ønskede signal/støy-forhold og kan variere fra flere meter til enten flere kilometer i tilfelle av sensorer for horisontale elektriske felter, eller til kun å be-grenses av vanndybden i tilfelle av sensorer for vertikale felter.

Den avansert sensoren S' på figur 2 gjør bruk av fire elektroder 3-3''', 4-4''' i hver beholder 1, 2. Den fireka-nals signalbehandlingsenheten 6 foretar synkrone målinger av elektriske felter ved å bruke forskjellige elektrodepar. Re-sultatene fra målingene analyseres for bl.a. eliminering av kanaler med uakseptabel støy eller ustabilitet, og signalene gjennomgår ytterligere behandling, herunder beregning av mid-delverdier eller avansert filtrering.

Claims (10)

1. Sensor (S) for marine målinger av et elektrisk felt,karakterisert vedat sensoren (S) omfatter - signaltransmisjonsmidler (5) for overføring av målesignaler fra sensoren (S) til en signalbehandlingsenhet {6); - minst to lukkede beholdere (1, 2) som er tildannet av et ikke-ledende materiale, er fylt med en elektrolytt (E) og hver for seg omslutter minst én elektrode (3, 4); - minst to fleksible slanger (7, 8) som er tildannet av et elektrisk ikke-ledende materiale; idet det til hver av beholderne (1, 2) på fluidkommuniserende vis er fastgjort minst én første slangeende (7a, 8a), og en andre slangeende (7b, 8b) er åpen og fastgjort til midler (9a, 9b) for eksakt posisjonering av den andre slangeenden (7b, 8b); slangene (7, 8) er innrettet til å kunne være fylt med et medium (W) av samme type som det sensoren (S) i en operativ tilstand er innrettet til å være neddykket i; og to beholdere (1, 2) tildanner et beholderpar hvor de to beholderne (1, 2) er innbyrdes plassert nær hverandre under tilnærmet identiske termiske, trykkmessige og kjemiske betingelser.

2. Sensor (S) ifølge krav 1,karakterisertved at elektrodene (3, 4) er Ag-AgGl-elektroder.

3. Sensor (S) ifølge krav 1,karakterisertved at elektrolytten (E) er overmettet og tildanner et kjemisk ikke-aggressivt miljø omkring elektrodene (3,4).

4. Sensor (S) ifølge krav 1,karakterisertved at den første slangeenden (7a, 8a) er sammen-koplet med beholderen (1, 2) via en passasje i et øvre parti av beholderen (1, 2).

5. Sensor (S) ifølge krav 1,karakterisertved at den målte feltkomponent er bestemt av retningen av en rett linje B mellom et beholderpars (1, 2) andre slangeender (7b, 8b).

6. Sensor (S) ifølge krav 1,karakterisertved at plasseringen av beholderparets (1, 2) andre slangeender (7b, 8b) kan variere på en vilkårlig måte.

7. Sensor (S) ifølge krav 1,karakterisertved at sensoren (S) omfatter ett beholderpar (1, 2) .

8. Sensor (S) ifølge krav 1,karakterisertved at sensoren (S) omfatter minst to beholderpar (1, 2, 1', 2'), idet hvert beholderpars (1, 2, 1', 2') elektroder (3-3''', 4-4''') er signalkommuniserende tilkoplet signalbehandlingsenheten (6) via forskjellige kanaler for atskilt signalbehandling.

9. Sensor (S) ifølge krav 1,karakterisertved at hver beholder (1, 2, 1', 2') er forsynt med flere elektroder (3-3''', 4-4''') som alle er innrettet til uavhengig å kunne måle samme feltkomponent.

10. Sensor (S) ifølge krav 1 og 9,karakterisert vedat signaltransmisjonsmidlene (5) for overføring av målesignaler fra sensoren (S) til signalbehandlingsenheten (6) omfatter midler for sammen-kopling av utvalgte elektroder (3-3''', 4-4''') med bestemte egenskaper.