КАБЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДНЫЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к электроизмерениям и предназначена для измерения напряженности переменного электрического поля в морской воде при геофизических исследованиях акваторий.
Известен кабельный электродный датчик электрического поля в море [1], выполненный в виде гибкого двухпроводного кабеля с диэлектрической оболочкой и двух установленных на поверхности кабеля на некотором расстоянии друг от друга цилиндрических электродов, первый из которых соединен с первым проводом кабеля, а второй - со вторым проводом кабеля. Кабельный электродный датчик подвергается изгибам, так как в нерабочем состоянии кабель намотан на лебедку, а в рабочем состоянии при буксировке за судном он испытывает колебания, поэтому длина жестких электродов не должна превышать нескольких диаметров кабеля. Увеличение длины электродов может привести к обрыву кабеля при его эксплуатации. Вследствие этого чувствительность датчика невелика, так как его активное сопротивление и, соответственно, тепловой шум возрастает при уменьшении размеров электродов. Также небольшие размеры электродов увеличивают и специфический «шум движения» датчика [2, 3].
Наиболее близким про технической сущности к заявленному является кабельный электродный датчик электрического поля в море [4], выполненный в виде гибкого двухпроводного кабеля с диэлектрической оболочкой и двух установленных на поверхности кабеля на некотором расстоянии друг от друга электродов, первый из которых соединен с первым проводом кабеля, а второй - со вторым проводом кабеля, при этом оба электрода выполнены в виде спирали из титановой проволоки, уложенной в канавку, сформированную на диэлектрической оболочке кабеля. Это обеспечивает гибкость датчика и позволяет увеличить длину электродов. Недостатком известного кабельного датчика является значительный уровень собственного шума при буксировке за судном, и, вследствие этого, невысокая чувствительность, которая вынуждает увеличивать расстояние между электродами до сотен метров. Столь большие размеры датчика создают огромные эксплуатационные неудобства. При движении незащищенная поверхность электродов подвергается воздействию набегающего потока воды, что является причиной специфического электродного «шума движения», ограничивающего чувствительность..
Как показано в [2, 4], также большой уровень шума известного датчика обусловлен постоянным трением поверхности гибкого проволочного электрода о поверхность диэлектрической оболочки кабеля, поскольку последний при движении испытывает колебания. В местах контакта с оболочкой кабеля при изгибах поверхность спирального проволочного электрода подвергается механическому воздействию, нарушается окисная пленка на поверхности металла, а это приводит к сильному импульсному шуму. Кроме того, внешняя сторона проволочного электрода получает механические повреждения при наматывании и разматывании кабеля на лебедку, поскольку только в смотанном состоянии датчика возможен заход судна в порт.
Техническая задача, решаемая в заявленном устройстве, состоит в уменьшении собственного шума датчика и увеличении его чувствительности. Для этого в кабельный электродный датчик электрического поля в море, выполненный в виде гибкого двухпроводного кабеля с диэлектрической оболочкой и двух установленных на поверхности кабеля на некотором расстоянии друг от друга электродов, первый из которых соединен с первым проводом кабеля, а второй - со вторым проводом кабеля, при этом оба электрода выполнены в виде спирали из проволоки, уложенной в канавку, сформированную на диэлектрической оболочке, введен обтекатель в виде отрезков гибкой диэлектрической перфорированной трубы, установленных поверх электродов, причем внешний диаметр трубы равен диаметру кабеля, а ее внутренний диаметр больше внешнего диаметра электрода. В оптимальном варианте проволока имеет сечение в виде полукруга, а ее внутренняя плоская сторона приклеена к оболочке кабеля.
На фиг.1 схематично изображен кабельный электродный датчик, на фиг.2 показана конструкция электрода датчика в обтекателе.
Кабельный электродный датчик, показанный на фиг.1, содержит двухпроводный кабель 1 с диэлектрической оболочкой, первый 2 и второй 3 провод которого соединены с первым 4 и вторым 5 электродами, установленными на некотором расстоянии друг от друга на поверхности кабеля. Конструкция электродов 4 и 5 идентична.
На фиг.2 показана конструкция электрода в обтекателе. Здесь 1 - двухпроводный кабель, 2, 3 - первый и второй провод кабеля, 4 - электрод в виде спирали из проволоки, соединенный с первым проводом 2 кабеля 1,6-обтекатель в виде гибкой диэлектрической перфорированной трубы, 7 -диэлектрическая оболочка кабеля. На диэлектрической оболочке 7 кабеля 1 сформирована спиральная канавка 8, в которую уложен электрод 4, сечение которого имеет форму полукруга. Плоской внутренней стороной электрод 4 приклеен к диэлектрической оболочке 7 кабеля 1.
Датчик работает следующим образом. Датчик в заглубленном состоянии за левый конец кабеля 1 (фиг.1) тянут за буксирующим судном. Существующее в море переменное электрическое поле создает между электродами 4 и 5 разность потенциалов U=Ed, где Е - напряженность электрического поля, a d - расстояние между электродами. По кабелю 1 эта разность потенциалов поступает на регистрирующую аппаратуру на борту судна. Благодаря наличию перфораций в трубе обтекателя 6 электроды датчика имеют электрический контакт с внешней средой, что обеспечивает его работоспособность. При этом обтекатель 6 защищает поверхность электрода от прямого воздействия набегающего потока жидкости, что позволяет уменьшить «шум движения» датчика и увеличить его чувствительность. Внутренний диаметр трубы обтекателя 6 больше внешнего диаметра спирального электрода 4, поэтому при изгибах кабеля труба обтекателя не касается электрода и не вызывает повреждений окисной пленки на его поверхности. В частности, это требование выполняется, если глубина канавки 4 превышает толщину проволоки, из которой выполнен электрод 4. Внешний диаметр трубы обтекателя равен диаметру кабеля, что улучшает эксплуатационные характеристики датчика (упрощает его намотку и размотку) и исключает турбулизацию потока вблизи электрода самим обтекателем. Технологически просто выполнить обтекатель из термоусадочной трубки. Проволока, из которой выполнен электрод 4, имеет сечение в виде полукруга. Своей плоской стороной она приклеена к диэлектрической оболочке кабеля, что исключает ее контакт с внешней средой и возможность повреждения поверхности при изгибах кабеля. Плоская поверхность позволяет технологически проще и надежнее осуществить склеивание проволоки с оболочкой кабеля. Тем самым исключается появление сильного импульсного шума и повышается чувствительность датчика. Внешняя сторона проволоки имеет вид цилиндрической поверхности, что увеличивает ее площадь по сравнению с плоской поверхностью, следовательно, уменьшает сопротивление датчика, являющееся источником его теплового шума.
Таким образом, при применении предложенного устройства достигается технический результат, который состоит в увеличении чувствительности кабельного датчика за счет уменьшения его собственного шума. Увеличение чувствительности также может быть использовано для уменьшения длины кабельного датчика.
Источники информации.
1. M.L. Burrows, C.W. Niessen. ELF communication system design / // Ocean 72. IEEE International Conference on Engineering in the Ocean Environment. Pub. Оf I.Е.Е.Е. - 1972. - Р.103.
2. Максименко В.Г. Проблемы уменьшения собственного шума электродных датчиков электрического поля, движущихся в электролите. // Радиотехника и электроника, 2002, т. 47, №7, с.809-813.
3. В.Г. Максименко, В.И. Нарышкин. «Шум движения» электродных датчиков электрического поля в море и пути его уменьшения / // Радиотехника и электроника. - 2003. - Т.48, №1. - С.70-76.
4. Бернстайн С.Л., Берроуз М.Л., Эванс Дж.Э. и др. Дальняя связь на крайне низких частотах. // ТИИЭР, 1974, т.62, №3, с.5-30.