RU2122223C1

RU2122223C1 - Sensor of intensity of electric field ( versions )

Info

Publication number: RU2122223C1
Application number: RU95111553A
Authority: RU
Inventors: Е.Ф. Зимин; О.И. Мисеюк
Original assignee: Московский энергетический институт (Технический университет)
Priority date: 1995-07-05
Filing date: 1995-07-05
Publication date: 1998-11-20
Also published as: RU95111553A

Abstract

FIELD: electrophysical measurements, specifically, measurement of density of conduction current or intensity of electric field, oceanology, geophysical studies, electric prospecting. SUBSTANCE: technical result of invention consists in minimization of distortions introduced by sensor to examined electric field. This result is achieved by selection of form of dielectric case which guides coincide with lines of force of field and which electrodes measuring difference of potentials are installed perpendicular to axis of case, coincide with equipotential surfaces and are interconnected through turn of current transformer. Case can be manufactured in the form of hollow cylinder, electrodes are located inside case and communicate with environment with the aid of hydraulic channels having shape of truncated cones. Case can be fabricated in the form of hollow sealed cube and fitted with dielectric screens forming hydraulic channels in the form of truncated tetrahedral pyramids. Selection of geometric dimensions is conducted for embodiment versions. EFFECT: minimization of distortions introduced by sensor to examined electric field. 2 cl, 2 dwg

Description

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. The invention relates to electrophysical measurements, in particular to devices for measuring the conductivity current density or electric field strength in conductive media, and can be used in geophysical, oceanological studies, including seismology.

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. A known electric field sensor having a system of metal electrodes located in a conducting medium at a small distance from each other and connected through a matching transformer to the input of the preamplifier [1], introducing distortions into the studied electric field no matter how small the size of the sensor does not provide a high coefficient conversion due to technical difficulties that do not allow to ensure the optimal matching mode for the noise of the electrode system with the preamplifier.

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. A known electric field sensor, which is free from the last of the noted drawbacks [2]. This sensor has an electrode system in the form of two hollow hemispheroids separated by a dielectric insert, a measuring coil is located in the cavity of the electrodes, the primary winding of which is connected to the electrodes and contains several turns; the secondary winding through an isolation capacitor is connected to the preamplifier exit. This design allows for optimal noise matching. However, it is possible to realize the high ultimate sensitivity of this sensor only in stationary conducting media or in flows in which the velocity vector is parallel to the intensity vector of the investigated electric field. In addition, an increase in the size of the volume electrodes causes a significant distortion of the field pattern.

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. Closest to the claimed technical solution is a "System for responding and measuring the electric field inside a predetermined environment" [3] (US patent N 3641427, 1972), containing three pairs of electrodes arranged and structurally arranged in such a way that form opposite strips of a cube, outside having a connection with the environment, and the internal surfaces are isolated from the external environment. Each pair of electrodes is electrically connected to each other through a differential amplifier having an input resistance equal to the environmental resistance, a measuring system is connected to the outputs of the differential amplifiers.

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. However, as in all the analogues listed above, the maximum sensitivity and conversion coefficient are achieved by maximizing the useful signal power from the environment and, as a result, by introducing large distortions into the homogeneous field under study by increasing the measurement range. The latter is not always desirable, and in some cases unacceptable. First of all, the homogeneity region of the field under study can turn out to be so small that only a physically feasible primary transducer can be placed in it, and its measurement region — field averaging will overlap the homogeneity region of the initial field. This will lead to incorrect interpretation of the measurement results. In addition, the region of distortions introduced by the primary transducer into the field under study does not allow close placement of the same or different sensors in complex measurements, when several sensors need to be placed in a limited volume. This circumstance is especially important during calibration and metrological testing of sensors. As a rule, the reference calibration one-sided field has a strictly limited volume in which at least two sensors should be placed - the checked (calibrated) and the reference (control). Other situations are possible when the sensor should not introduce distortions into the field under investigation or distort it to a minimum extent, for example, for stealth measurements, when the sensor can be detected by the distortions introduced by it into the initial field.

Задача, решаемая предложенным техническим решением, состоит в сведении к минимальным значениям искажений, вносимых датчиком в исследуемое электрическое поле. The problem solved by the proposed technical solution is to minimize the distortion introduced by the sensor into the investigated electric field.

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.The problem is solved in that in the known electric field strength sensor containing a dielectric housing, with hermetically mounted flat metal electrodes, according to the invention, the housing is made in the form of a hollow straight cylinder, the electrodes are placed inside the housing symmetrically with respect to the axis and the central housing and communicated with the environment through hydrochannels having the shape of truncated cones, and the electrodes are shorted through a turn of a current transformer, while the ratio of geometric times jers selected their conditions:
R = 2R _k
Where
R is the resistance of the volume of the medium displaced by the sensor;
R _k is the resistance of the volume of the medium located in the hydrochannel.

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. In a second embodiment of the invention, the problem is solved in that the known electric field strength sensor comprising a dielectric housing made in the form of a hollow sealed cube with flat metal electrodes on the faces of the cube, each pair of oppositely arranged electrodes being electrically connected, according to the invention is further provided with flat dielectric screens attached to the edges of the cube, forming hydrochannels in the form of truncated tetrahedral pyramids, through which The odes are in communication with the external environment, while the pyramids are supported by electrodes on a smaller base, the pyramids are chosen to be equal to one third of the side of its larger base, and the side of the larger base is two times larger than the side of the smaller base, and the electrodes located on opposite faces of the cube are shorted through turns of current transformers.

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. The essence of the claimed technical solution is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a cross section of a circular cylindrical sensor with hydrochannels, FIG. 2 is a cross section of a cubic sensor with hydrochannels.

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. The sensor (Fig. 1) has a cylindrical dielectric housing 1, hermetically mounted conductive electrodes 2 are located inside the housing symmetrically with respect to the axis and the central section of the housing 1 and communicate with the environment through hydrochannels 3 having the shape of truncated cones. The electrodes 2 are shorted by means of a coil 5 and a current transformer 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. The three-component voltage sensor of the electric field (Fig. 2) has a dielectric housing 1 made in the form of a hollow cube, on all six faces of which identical flat conductive electrodes 2 are placed, the opposite pairs of which are shorted and form an electronic system for the field component coinciding with the axis of this pair electrodes. To exclude mutual shunting of the electrodes, flat dielectric screens 5 are mounted on all the edges of the cube, forming truncated tetrahedral pyramids, resting on the edges of the cube along the perimeter of the smaller base. Thus, the electrodes 2 are in contact with the external environment through the hydrochannels 4 formed by the faces of the pyramids. In the cavity of the dielectric cube, matching devices 6 of the three-component measuring system are located.

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. In the operating position, the sensor is placed in a conductive medium, while the component of the electric field, the axis of which coincides with the axis of the dielectric housing 1, creates a potential difference between the electrodes 2, and the current will flow in the electrode circuit - windings of the matching device.

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.As is known [1], with allowable distortions of the initial homogeneous field by the order body, units of percent, the size of the field of distortion (averaging or measurement) of the field reaches five overall dimensions of the sensor. The obvious way to reduce the size of the distortion region by reducing the dimensions of the sensor PP is not always acceptable, since this sharply worsens the sensitivity and decreases the conversion coefficients of the PP. This contradiction can be eliminated by using such constructions of dielectric sensor housings that theoretically do not create any distortions of the field under study outside them. If a dielectric cylindrical surface is introduced into a conducting medium with a uniform electric field - a straight cylinder with infinitely thin dielectric walls and open ends, then after filling the cylinder cavity with surrounding water and orienting it forming parallel to the field lines of force, no distortion arises. The same result will be obtained when infinitely thin electrode-ends of the cylinder are introduced into the field if their plane is perpendicular to the field lines, i.e. will coincide with the equipotential surfaces of the original field. When combining the ends of the electrodes with a dielectric cylindrical shell filled with the surrounding medium, the initial field will be preserved both inside and outside the shell. However, PP in this form does not have practical value. The actual design of the software should only outwardly coincide in shape with a straight cylinder or any direct prism, since we are interested in the absence of field distortions only outside the case. The thickness of the end electrodes and the walls of the dielectric housing can be any, and the cavity is hermetic, if inside it between the electrodes include a resistor with a resistance equal to the resistance of the displaced PP volume of water. For straight cylinder

Where
h _g is the axial dimension of the cylindrical body,
a is the radius of the base of the cylindrical body.

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.Moreover, for the voltage and current drop through the resistor, the expressions
U _e = 2aE _about x; (3)
I _e = πσE _o a ² , (4)
where E _o = intensity of the investigated uniform electric field.

Из (3, 4) следует, что на резисторе (2) рассеивается мощность P_э= U_эI_э= 2πσE $\binom{2}{o}$ a³x = πσE $\binom{2}{o}$ a²h_g, тождественно равная мощности исходного поля в объеме датчика, поэтому датчик и не вносит искажений.From (3, 4) it follows that the power P _e = U _e I _e = 2πσE is dissipated on the resistor (2) $\binom{2}{o}$ a ³ x = πσE $\binom{2}{o}$ a ² h _g , which is identically equal to the power of the initial field in the sensor volume; therefore, the sensor does not introduce distortions.

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.In the case of using a cylindrical sensor with hydrochannels of electrical connections, where the hydrochannels are made in the form of truncated straight cones (Fig. 2), the radius of the electrode "b" is determined taking into account (2) from the equation

Where
α - half the angle at the top of the hull. In particular, when α = 45 ^o from (5) we obtain

In this case, when the environmental σ changes, condition (2) and all related relations are satisfied automatically as the hydrochannels fill up with surrounding water.

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. In the case where the direction of the intensity vector of the investigated electric field is not predetermined, the use of a three-component sensor is most preferable. In addition to the above-mentioned advantages of the sensor (Fig. 2), one can additionally note the almost ideal geometric symmetry of all three channels. Due to the inertia of the attached masses of water enclosed between the plates of the screens, the sensor is not sensitive to changes in temperature and pressure of the surrounding medium. When measuring on stationary stands or in drift, the primary transducer occupies a stable position even in the presence of weak currents. A number of operational advantages should be added to this: ease of transportation, simplicity of marine setting, and the protection of electrodes from accidental damage. The metrological parameters of the sensor, in particular the conversion coefficient, can be changed in accordance with the specific requirements for taking measurements by installing additional plates on the sensor already prepared for setting.

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.Calculation of the resistance of the hydrochannel is made according to the formula

Taking into account (7) for a cubic primary transducer, it is possible to determine the basic geometric relationships of a three-component PP that does not introduce distortion into the field under study.

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.Because

from here we determine the size of the electrode
b = a / 2
and the height of the truncated regular tetrahedral pyramid forming the hydrochannel

Thus, the three-component sensor (Fig. 2) will introduce minimal distortion into the homogeneous electric field under investigation if the side of the square electrode is half the edge of the screen plate.

Вышеизложенное свидетельствует о том, что датчик, отличаясь от известных, обеспечивает минимальные искажения исследуемых электрических полей при высоких метрологических характеристиках. The foregoing indicates that the sensor, differing from the known ones, provides minimal distortion of the studied electric fields with high metrological characteristics.

Источники информации
1. Зимин Е.Ф., Кочанов Э.С. Измерение параметров электрических и магнитных полей в проводящих средах. М.: Энергоатомиздат, 1985, 254 с.Sources of information
1. Zimin E.F., Kochanov E.S. Measurement of electric and magnetic fields in conductive media. M .: Energoatomizdat, 1985, 254 p.

2. Авторское свидетельство СССР N 615440, G 01 F 3/06, 1978. 2. USSR author's certificate N 615440, G 01 F 3/06, 1978.

3. Патент США N 3641427, 1972. 3. US patent N 3641427, 1972.

Claims

1. The electric field strength sensor containing a dielectric housing with hermetically mounted flat metal electrodes, characterized in that the housing is made in the form of a hollow straight cylinder, the electrodes are placed inside the housing symmetrically with respect to the axis and the central section of the housing and communicated with the environment through hydrochannels having the form truncated cones, and the electrodes are shorted through the coil of the current transformer, while the ratio of geometric dimensions is selected from the condition
R = 2R _k ,
where R is the resistance of the volume of the medium displaced by the sensor;
R _k is the resistance of the volume of the medium located in the hydrochannel.

2. An electric field strength sensor comprising a dielectric housing made in the form of a hollow sealed cube with flat metal electrodes on the faces of the cube, each pair of oppositely arranged electrodes being electrically connected, characterized in that it is equipped with flat dielectric screens attached to the edges of the cube, forming hydrochannels in the form of truncated tetrahedral pyramids, through which the electrodes are in communication with the external environment, while the pyramids rely on the electrode with a smaller base , The height of the pyramids was chosen equal to one third of the larger side of its base, a larger base side is twice the smaller side base, and electrodes arranged on opposite faces of the cube, are shorted in pairs through the windings of the current transformers.