2. Устройство по П.1, отличающеес тем, что электроды, образующие .систему первичного преобразовател , выполнены в виде единого симметричного тела, разделенного по двум взаимно перпендикул рным плоскост м симметрии на четыре равные час- дов,2. A device according to claim 1, characterized in that the electrodes forming the primary converter system are made in the form of a single symmetric body divided in two mutually perpendicular symmetry planes into four equal parts,
ти вставкой и экраном из непол рного диэлектрика, причем размеры экрана выбраны так, что длины эквивалентных измерительных, баз В удовлетвор ют соотношению 914 )) где 1,2,3 и 4 - номера электро-.These inserts and shields are made of non-polar dielectric, and the screen sizes are chosen so that the lengths of the equivalent measurement, B bases, satisfy the ratio 914)) where 1,2,3 and 4 are electrical numbers.
Изобретение бтноситсЙ1 к техническо физике и измерительной технике, более конкретно . к исследовани м электричес ких полей в провод щих средах, в част ности к измерени м естественных элект рических полей в море.и грунте. Изобретение может быть использован при проектировании и разработке первичных преобразователей и датчиков дл проведени натурных измерений по исследованию свойств, характеристик и параметров электрических полей в провод щих средах. Известно устройство дл измерени характеристик электрических полей, ис пользуемое в геозлектроразведке, геофизике , океанологии и т.п., в большин стве случаев основанное на регистрации разности потенциалов, возникающей между электродами различной конструкции при их нагрузке наизвестное входное сопротивление измерительного канала. Устройство содержит электродную систему перйичного преобразовател согласующий трансформатор и измерительный прибор l. Недостатком известного устройства вл етс отсутствие информации об уровн х собственных шумбв и помех от других физических полей на всю измерительную аппаратуру (от датчика до регистратора). Это снижает точность и эффективность оценок харак теристик слабых электрических полей. Так, при исследовании естественных электрических полей океана на больших глубинах или в области частот 4-5 рез нанса Шуманаiизменени уровн Собстве ных шумов за счет изменений температуры , химического состава морской вод или условий обтекани электродной сис темы маскируют изменени напр женности исследуемого пол . Вли ние этого недостатка может быть уменьшено при одновременной регистрации Сигнала С основной электродной системы (как во всех анологах) и с вспомогательного канала сравнени , к входу которого подключаетс какой-либо эквивалент датчика при исследовании спектральных, пространственных и др. характеристик естественных электрических полей. Наиболее близким к изобретению вл етс устройство дл измерени характеристик электрических полей, содержащее два основных и два дополнительных электрода, разнесенных меж- ду собой на заданное рассто ние и соединенных между собой попарно при помощи первичных обмоток согласующих тран сЙорматоров , вторичные обмотки которых соединены с предусилител ми. В устройстве использован основной канал,. состо щий из контактного датчика с графитовыми электродами, который бифил рной парой соединен с предусилителем через согласующий трансформатор . Канал сравнени имеет узлы, идентичные основному - предусилитель , согласующей трансформатор и бифил рную линию св зи, на входе которой включен резистор с сопротивлением, равным сопротивлению растекани угольных электродов основного канала. Таким образом, при использовании прототипа удаетс практически полностью учесть все виды наводок на линию сн зи и последующие элементы измерительного тракта. Кроме того можно, хот и с меньшей достоверностью, судить об уровне собственных шумов линии св зи согласующего трансформатора и предусилител . Дл датчика учитывались лишь тепловые шумы его сопро-, тивлени растекани 2 . Недостатком указанного прототипа вл етс то, что при его реализации не учитывают вли ни двойного электрического сло (ДС) электродов на уровень шумов. Причем не учитьшаютс ни импедансные свойства ДС, ни его собственна ЭДС и ее флюктуации, ни изменени параметров ДС при изменени х параметров окружакицей среды (температура, химический состав, услови обтекани и т.п.).Такие пренебрежени в р де случаев привод т к бол шим погрешност м измерений (погрешность классификации), так как предпо ложени о стационарности, эрготичности и нормальности исследуемого электрического пол могут оказатьс неверными дл смеси полезного сигнала и флуктуации ДС. Во всех остальны случа х отсутствие информации о характере флуктуации ДС увеличивает смещение и уменьшает эффективность л бых оценок измер емых характеристик пол . В результате увеличиваетс погрешность измерений, так как именн несмещенные и эффективные оценки характеризуютс минимальной среднеквад тической ошибкой. Целью изобретени вл етс увеличение точности измерений за счет уче та нестабильньсти и флуктуации двойного электрического сло электродов. Поставленна цель достигаетс тем, что в устройстве дл измерени характеристик электрических полей, с держащее два основных и два дополнительные электрода, разнесенных между собой на заданное рассто ние и соеди ненных между собой попарно при помощ первичных обмоток .согласующих трансформаторов , вторичные обмотки которых соединены с предусилител ми, электроды разнесены между собой по одной линии или по вершинам пр моугольника , образу по две попарно одинаковые основные и вспомогательные измерительные базы с соотношением длин между ними ЕОСЦ Ьсн Между электродами основных баз включены первичные обмотки двух идентичных согласующих трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены последовательно и согласно, аналогична пара трансформаторов с последовательно и встречно соединенными вторичными обмотками подключена выводами первичных обмоток к электродам вспомогательных баз через равные по величине дополни1The invention of technical physics and measurement technology, more specifically. to studies of electric fields in conducting media, in particular, to measurements of natural electric fields in the sea and the ground. The invention can be used in the design and development of primary transducers and sensors for carrying out field measurements to study the properties, characteristics, and parameters of electric fields in conducting media. A device for measuring the characteristics of electric fields used in geoslectro exploration, geophysics, oceanology, etc., is known in most cases based on recording the potential difference that occurs between electrodes of various designs when they are loaded and the known input resistance of the measuring channel. The device contains the electrode system of the primary converter, a matching transformer and a measuring device l. A disadvantage of the known device is the lack of information about the levels of intrinsic noise and interference from other physical fields on the entire measuring apparatus (from the sensor to the recorder). This reduces the accuracy and efficiency of estimates of the characteristics of weak electric fields. Thus, when studying the natural electric fields of the ocean at great depths or in the frequency range of 4–5 Schumann's parameters, changing the level of intrinsic noise due to changes in temperature, chemical composition of seawater, or flow conditions of the electrode system mask changes in the intensity of the field under study. The effect of this disadvantage can be reduced by simultaneously registering the Signal C of the main electrode system (as in all analogs) and from the auxiliary comparison channel, to the input of which any equivalent of the sensor is connected when studying the spectral, spatial and other characteristics of natural electric fields. Closest to the invention is a device for measuring the characteristics of electric fields, which contains two main and two additional electrodes spaced apart by a given distance and interconnected in pairs by means of primary windings of matching transformers, the secondary windings of which are connected to preamplifiers . The device uses the main channel. consisting of a contact sensor with graphite electrodes, which is connected with a preamplifier by a biphyl pair through a matching transformer. The comparison channel has nodes that are identical to the main one — a preamplifier, a matching transformer and a bifillary communication line, at the input of which a resistor is connected with a resistance equal to the spreading resistance of the carbon electrodes of the main channel. Thus, when using the prototype, it is possible to almost completely take into account all types of crosstalk and subsequent elements of the measuring path. In addition, it is possible, although with less certainty, to judge the level of intrinsic noise of the communication line of the matching transformer and the preamplifier. For the sensor, only thermal noise of its resistance to spreading 2 was taken into account. The disadvantage of this prototype is that its implementation does not take into account the effects of the electrical double layer (DS) of the electrodes on the noise level. Moreover, neither the impedance properties of the DS, nor its own EMF and its fluctuations, nor changes in the DS parameters with changes in the environmental parameters (temperature, chemical composition, flow conditions, etc.) are taken into account. Such neglect in a number of cases leads to large measurement errors (classification error), since the assumptions about stationarity, ergotism and normality of the electric field under study may be incorrect for the mixture of the useful signal and the DS fluctuations. In all other cases, the lack of information on the nature of DS fluctuations increases the displacement and decreases the efficiency of evaluating the measured characteristics of the field. As a result, the measurement error increases, since exactly unbiased and effective estimates are characterized by a minimum mean square error. The aim of the invention is to increase the measurement accuracy by taking into account the instability and fluctuations of the electrical double layer of the electrodes. This goal is achieved by the fact that in a device for measuring the characteristics of electric fields, which holds two main and two additional electrodes separated by a given distance and connected to each other in pairs by means of primary windings. Matching transformers, the secondary windings of which are connected to a preamplifier. the electrodes are spaced apart along one line or along the vertices of a rectangle, forming two pairwise identical main and auxiliary measuring bases with the ratio of the lengths between among them EOSTS sn between the electrodes major databases included two identical primary windings of the matching transformer, the secondary windings are connected in series and in accordance with, similar to a pair of transformers in series and oppositely connected secondary windings connected to the terminals of the primary windings of auxiliary electrodes bases at equal in magnitude dopolni1
характеристики шумовых составл ющих с учетом шумов ДС. С учетом этой информации и первого результата (суммы) 014 , тельные резисторы, выравнивакмцие активные составл ющие выходных сопротивлений основных и вспомогательных измерительных баз. Электроды, образующие систему первичного преобразовател , вь1полнены в виде единого симметричного тела, разделенного по двум взаимно перпендикул рным плоскост м симметрии на четыре равные части вставкой и экраном из непол рного диэлектрика, причем размеры экрана выбраны так, что длины эквивалентных измерительных баз ЕЭ удовлетвор ют соотношению е,, (е,2з-8 14) где 1,2,3 и 4 - номера электродов. На фиг.1 изображена функциональна схема устройства с расположением -измерительных электродов в одну линию; . на фиг.2 -лринципиальна схема устройства с расположением электродов в вершинах пр моугольника;на фиг.З - электродна система первичного преобразовател , вариант. В отличии от известных устройств дл измерени электрического пол в предлагаемом используют не два, а четыре идентичных электрода - 1, 2, 3,4, дл измерени каждой компоненты пол (фиг.1). С помощью этих электродов образуют по две одинаковых основных 5 и вспомогательных 6 измерительных баз. Под одинаковостью измерительных баз понимаетс равенство их геометрических размеров и их параллельность или коллинеарность,т.е. одинаковое расположение по отношению к вектору напр женности исследуемого электрического пол . Причем, если основные базы должны быть параллельны регистрируемой компоненте пол , то вспомогательные могут иметь любое направление по отношению к полю, но между собой они должны быть параллельны. Разности потенциалов с двух основных измерительных баз суммируют, например, с помощью сумматора 7, а сигналы с вспомогательных баз вычитают на вычитающем устройстве 8. Первый результат (сумма) будет представл ть собой смесь полезного сигнала. и шумов, а второй (разность) содержит только шумовые составл ющие, так как полезный сигнал при вычитании компенсируетс . Поэтому по последнему результату легко определить веро тностно-статистические можно судить о характеристиках исследуемого пол . На принципиальной схеме (фиг.2) электроды расположены в вершинах пр м угольника . Кроме уже упоминавшихс элементов схема содержит четыре идентичных согласующих трансформатора, дв из которых 9 выполн ют роль сумматора так как подключены первичными обмотками к основным базам, а вторичные , их обмотки, соединенные последователь но и согласно, подключены к входу первого предусилител 10. Два других трансформатора 11 формируют разностный сигнал. Их вторичные обмотки подключены к входу второго предусилител 12 последовательно и встречно. Выводы первичных обмоток этих трансформаторов соединены с электродами вспомогательных измерительных баз через резисторы 13, которые необходимы дл выравнивани резистивных составл ющих сопротивлений растекани и их тепловых шумов у основных и вспомогательных измерительных баз, Аналогичное по назначению устройство можно реализовать с помощью первичного преобразовател , вариант которого изображен на фиг.З. Здесь четыре измерительных 3fleKtpona получены делением единого провод щего тела по двум взаимно перпендикул рным плоскост м симметрии вставкой 14 и эк райом is,выполненными из непрл рного диэлектрика. Таким образом, основой предлагаемого устройства дл Измерени характеристик электрических полей вл етс использование четырех йд нтичных измерительных электродов (1-4) дл образовани четырех попарно одинаковых измерительных баз 5 и 6. При этом каждый из электродов 1-4 одно .временно входит в одну из основных и мерительных баз 5 и одну вспомогательную 6. При вьиитании сигналов с вспомогательных баз 6 в устройстве Н детерминированные составл ющие сигнала взаимно компенсируютс , а средние квадраты шумов складываютс . То же самое происходит с составл ющим;шумов при суммировании в сумматоре 7. Причем суммируютс те же (от тех же электродов) шумовые составл ющие . Полезный сигнал с измеритель ных баз 5 при суммировании удваивает с . В результате на выходе вычитающе го устройства 8 получают только шумо вую составл ющую, а на выходе сумма- . тора те же шумы и удвоенный полезный сигнал. Это позвол ет провести их анализ раздельно, причем при анализе смеси полезного сигнала от исследуемого пол И шумов будет получена информаци о статистических (веро тностных ) характеристиках шумов с учетом флуктуации и нестабильностей параметров двойных слоев электродов первичного преобразовател . Предлагаемое устройство можно реализовать с помощью схемы представленной на фиг.2, котора функционирует следующим образом . Измерительные электроды 1-4 здесь расположены так, что основные 5 и вспомогательные 6 базы оказываютс взаимно перпендикул рньши, причем размер вспомогательных баз 6 много меньше основных 5. Это позвол ет более точно компенсировать все синфазные составл ющие за счет действи внешнего пол на вспомогательных.базах. Операци суммировани здесь осуществл етс за счет последовательного и согласного подключени вторичных обмоток согласующих трансформаторов 9 к входу предусилител 10, вход щих в основной канал. Аналогичные трансформаторы 11 и предусилитель 12 образуют вспомогательный канал, который отличаетс от основного тем, что вторичные обмотки трансформаторов 11 подключены к входу предусилител 12 последовательно и встречно дл обеспечени вычитани синфазных составл ющих . Кроме того, первичные обмотки трансформаторов 11 подключены к электродам через резисторы 13, сопротивление которых равно ., И g - частичные собственна и взаимна проводимости электродов.. Така величина резисторов 13 позвол ет выравн ть активные части выходных сопротивлений вспомогательных и основных каналов, что, в свою очередь обеспечивает равенство эффективных значений тепловых шумов первичных преобразователей. Резисторы 13 располагаютс вблизи электродов и имеют равную с ними температуру и тепловую инерционность. Первичный преобразователь дл реализации измерений (фиг.З) может быть подключен аналогично схеме.представленной на фиг.2. Достоинством электродной системы первичного преобразовател вл етс то,, что все четьфе элект рода расположены очень близко друг к другу, т.е. имеют практически одина- 5 ковые электрохимические, электрофизические и гидродинамические услови на поверхност х контакта с окружающей средой. В итоге статистические параметры их двойных слоев окажутс весьма. Ю близкими. Электрически электроды раэдел лены диэлектрической вставкой 14, обеспечивающей образование вспомогательных баз 6, а диэлектрический эк: ран 15 обеспечивает требуемую вели- 15 чину основных измерительных баз 5. Вставка 14 и экран 15 вьтолн ютс из непол рного диэлектрика, что исключает вли ние его двойного сло на результаты измерений, а их размеры вы- 20 бираютс так, что эквивалентна измерительна база основного канала на пор док и более превышает размер базы вспомогательного канала. Такое соотношение обеспечивает более точ- 25 ную компенсации сигнала от внешнего пол на выходе вспомогательного канала .characteristics of noise components taking into account DS noise. Taking into account this information and the first result (sum) 014, resistive resistors, equalizing the active components of the output resistances of the main and auxiliary measuring bases. The electrodes forming the primary converter system are filled as a single symmetric body, divided in two mutually perpendicular symmetry planes into four equal parts with an insert and a screen of non-polar dielectric, and the screen sizes are chosen so that the lengths of the equivalent EE measurement bases satisfy the relation е ,, (е, 2з-8 14) where 1,2,3 and 4 are the numbers of the electrodes. Figure 1 shows a functional diagram of the device with the location of the measuring electrodes in one line; . Fig. 2 is an illustration of a device with an arrangement of electrodes at the vertices of a rectangle; Fig. 3 shows an electrode system of a primary transducer, option. In contrast to the known devices for measuring the electric field in the present, not two, but four identical electrodes are used - 1, 2, 3.4, for measuring each field component (Fig. 1). With the help of these electrodes they form two identical main 5 and auxiliary 6 measuring bases. By the same measurement bases, we mean the equality of their geometrical dimensions and their parallelism or collinearity, i.e. same location with respect to the vector of the intensity of the electric field under study. Moreover, if the main bases must be parallel to the registered component of the floor, then the auxiliary may have any direction relative to the field, but between them they must be parallel. Potential differences from the two main measurement bases are summed, for example, using adder 7, and the signals from the auxiliary bases are subtracted on the subtractor 8. The first result (sum) will be a mixture of the useful signal. and noise, and the second (difference) contains only noise components, since the useful signal is subtracted away. Therefore, using the latter result, it is easy to determine the probabilistic-statistical one can judge the characteristics of the studied sex. On the schematic diagram (Fig. 2), the electrodes are located at the vertices of a straight square. In addition to the elements already mentioned, the circuit contains four identical matching transformers, two of which 9 act as an adder since they are connected by primary windings to the main bases, and the secondary ones, their windings connected in series, and according to, are connected to the input of the first preamplifier 10. The other two transformers 11 form a differential signal. Their secondary windings are connected to the input of the second preamplifier 12 in series and counter. The terminals of the primary windings of these transformers are connected to the electrodes of the auxiliary measuring bases through resistors 13, which are necessary to align the resistive component spreading resistances and their thermal noise at the main and auxiliary measuring bases. A similar device can be implemented using a primary converter, a variant of which is shown in fig.Z. Here, four measuring 3fleKtpona are obtained by dividing a single conducting body into two mutually perpendicular symmetry planes by the insert 14 and the equals is made of a non-linear dielectric. Thus, the basis of the proposed device for measuring the characteristics of electric fields is the use of four conventional measuring electrodes (1–4) to form four pairwise identical measuring bases 5 and 6. In this case, each of the electrodes 1–4 enters into one of the two the main and measuring bases 5 and one auxiliary 6. When signals from auxiliary bases 6 are inserted in the device H, the deterministic signal components cancel each other out and mean noise squares are added. The same happens with the component, the noise when summed in the adder 7. Moreover, the same noise components (from the same electrodes) are added together. The useful signal from the measuring bases 5 when summing doubles with. As a result, at the output of the subtractive device 8, only the noise component is received, and at the output, the sum is. torus the same noise and double the useful signal. This allows analyzing them separately, and when analyzing a mixture of the useful signal from the field under study and noise, information will be obtained about the statistical (probabilistic) noise characteristics taking into account fluctuations and instabilities of the double layers of the primary converter electrodes. The proposed device can be implemented using the scheme presented in figure 2, which operates as follows. The measuring electrodes 1-4 are located here so that the main 5 and auxiliary 6 bases are mutually perpendicular, and the size of the auxiliary bases 6 is much smaller than the main 5. This allows you to more accurately compensate for all common-mode components due to the effect of the external field on the auxiliary bases. . The summation operation here is performed by sequentially and consistently connecting the secondary windings of matching transformers 9 to the input of the preamplifier 10 entering the main channel. Similar transformers 11 and preamplifier 12 form an auxiliary channel, which differs from the main one in that the secondary windings of transformers 11 are connected to the input of preamplifier 12 in series and counter to provide subtraction of the in-phase components. In addition, the primary windings of transformers 11 are connected to the electrodes through resistors 13, the resistance of which is equal. And g are partial intrinsic and mutual conductance of the electrodes. Such a value of resistors 13 allows the active parts of the output resistances of the auxiliary and main channels to be equalized, which turn ensures the equality of the effective values of thermal noise of the primary converters. The resistors 13 are located near the electrodes and have an equal temperature and thermal inertia with them. The primary converter for realizing measurements (FIG. 3) can be connected similarly to the circuit shown in FIG. 2. The advantage of the electrode system of the primary converter is that all electrodes of the kind are located very close to each other, i.e. have almost the same electrochemical, electrophysical and hydrodynamic conditions on the surfaces of contact with the environment. As a result, the statistical parameters of their double layers will turn out to be quite. Yu close. Electrically, the electrodes are separated by a dielectric insert 14, which provides for the formation of auxiliary bases 6, and a dielectric screen 15 provides the required size of the main measuring bases 5. The insert 14 and screen 15 are filled from a non-polar dielectric, which eliminates the effect of its double layer to the measurement results, and their sizes are chosen so that the measuring base of the main channel is equivalent to an order of magnitude or more than the size of the base of the auxiliary channel. This ratio provides a more accurate compensation of the signal from the external field at the output of the auxiliary channel.
Использование изобретени позволит одновременно получать реализации зоThe use of the invention will allow to simultaneously obtain realizations of
смеси полезного сигнала с шумом к отдельно шумовую составл ющую. .Располага такой информацией, можно использу методы статистической обработки сигналов, увеличить точность и достоверность оценки характеристик исследуемого пол . Так, например известно, что несмещенна эффективна оценка неизвестной амплитуды сигнала получаетс при интегрировании реализации процесса с основного канала с весом, определ емым коррел ционной функцией шума, котора может быть получена со вспомогательного канала. Аналогичные результаты можно получить и дл других параметров (фаза, параметры огибающей) и характеристик (спектральной, коррел ционной и т.д.) исследуемого сигнала. Таким образом, использование изобретени позволит повысить точность измерени естественного электрического пол в море, в частности определить статистические характеристики составл ющих этого пол на частотах шумановских резонансов . Последнее необходимо дл решени р да прикладных задач освоени Мирового океана, таких как поиск полезных ископаемых, подводна св зь, навигаци и т.п..the mixture of the useful signal with noise to a separate noise component. . Placing such information, using the methods of statistical signal processing, can increase the accuracy and reliability of the evaluation of the characteristics of the test field. So, for example, it is known that an unbiased effective estimate of the unknown signal amplitude is obtained by integrating the process implementation from the main channel with a weight determined by the correlation function of noise, which can be obtained from the auxiliary channel. Similar results can be obtained for other parameters (phase, envelope parameters) and characteristics (spectral, correlation, etc.) of the signal under study. Thus, the use of the invention will improve the accuracy of measuring the natural electric field in the sea, in particular, determine the statistical characteristics of the components of this field at frequencies of Schumann resonances. The latter is necessary to solve a number of applied tasks for the development of the World Ocean, such as the search for mineral resources, underwater communications, navigation, etc.
Фмг.ЗFmg.Z