Устройство для приема электромагнитного поля в море

Полезная модель относится к радиотехнике и предназначена для приема и измерения электрической компоненты электромагнитного поля сверхнизкой и крайне низкой частот (СНЧ и КНЧ) в морской среде.
Для изучения строения земной коры, разведки полезных ископаемых на морском шельфе, а также для связи с подводными объектами применяют электромагнитные волны сверхнизких и крайне низких частот. Такие волны при распространении в морской воде быстро затухают. При этом электрическое поле электромагнитной волны в морской воде, являющейся проводящей средой, порождает токи проводимости. Последние создают разность потенциалов между двумя точками среды, которая может быть передана на приемное или измерительное устройство электродным датчиком электрического поля, который представляет собой два разнесенных на некоторое расстояние электрода, имеющих электрический контакт с окружающей морской водой. Напряженность электрического поля в морской воде определяется как отношение измеренной разности потенциалов к расстоянию между электродами. Известно устройство для приема электромагнитного поля в море. Оно имеет датчик из двух электродов, выполненные в виде проволочных спиралей, навитых на буксируемый за кораблем гибкий кабель (Бернстайн С.Л. и др. Дальняя связь на крайне низких частотах (обзор) // ТИИЭР. - 1974. - Т. 62, №3. - С. 5-30), и приемно-измерительный блок, соединенный с электродами датчика жилами кабеля. Недостатком известного устройства являются большие габариты, что создает проблемы при эксплуатации. Для достижения требуемой чувствительности расстояние между электродами составляет (200…300) м, а общая длина датчика достигает 600 м.
Известно устройство для приема электромагнитного поля в море, содержащее электродный датчик в виде двух металлических электродов, установленных на некотором расстоянии друг от друга на буксируемой за кораблем плоской диэлектрической платформе (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.). Электроды имеют осесимметричную форму с закругленным концом. Оси электродов ориентированы по направлению буксировки. Для защиты от набегающего потока жидкости электроды заключены в диэлектрические обтекатели с отверстиями, обеспечивающими электрический контакт электродов с морской водой. Датчик имеет габариты порядка одного метра, поэтому снимаемое с электродов напряжение мало. Также известное устройство содержит расположенный рядом с датчиком предварительный усилитель, который усиливает напряжение, снимаемое с датчика. Усиленное напряжение по кабелю передается на приемно-измерительный блок, установленный на корабле. Недостатком известного устройства является невысокая чувствительность, что обусловлено большим уровнем шума движения, то есть шума электродного датчика, возникающего при движении его в морской среде.
Как показано в работе [Максименко В.Г. // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63, №7. С. 720-726.], электродный шум движения обусловлен пульсациями скорости жидкости у поверхности электрода, которые являются причиной модуляции толщины диффузионного слоя и скорости диффузии кислорода на электрод. А она, в свою очередь, вызывает пульсацию потенциала электрода относительно жидкости, которую мы и называем шумом движения. Применение обтекателей не всегда помогает уменьшить шум движения, поскольку сами обтекатели являются причиной возникновения турбулентных вихрей, которые через электроконтактные отверстия в обтекателе проникают к поверхности электрода.
Также известно устройство для приема электромагнитного поля в море (патент РФ на изобретение № 2752135, МПК G01N 3/06, опубл. 23.07.2021, Бюл. № 21), содержащее электродный датчик, имеющий первый и второй идентичные осесимметричные металлические электроды, установленные в идентичных диэлектрических обтекателях с отверстиями на плоской буксируемой диэлектрической платформе на расстоянии друг от друга так, что оси их параллельны, приемно-измерительный блок, входы которого соединены с электродами датчика, а также электромотор, при этом электроды выполнены в виде металлических цилиндров, установленных с возможностью вращения на металлических осях, расположенных перпендикулярно направлению буксировки, вал электромотора механически соединен с осями электродов, а обтекатели выполнены в виде диэлектрических цилиндров, соосных с электродами, отверстия в обтекателях расположены диаметрально противоположно и образованы пересечением цилиндрической стенки обтекателя с плоскостями, параллельными оси электрода и плоскости диэлектрической платформы, отстоящими от оси на равные расстояния. Как наиболее близкое по технической сущности к заявленному это устройство принято за прототип.
Применение вращающихся электродов в датчике электрического поля позволяет уменьшить электродный шум движения на порядок и более, практически во столько же раз повысить чувствительность датчика. Уменьшение шума движения объясняется тем, что, во-первых, толщина диффузионного слоя нелинейно зависит от скорости жидкости относительно электрода. Поэтому вращение электрода увеличивает эту скорость и снижает чувствительность электрода к пульсациям скорости. Во-вторых, пульсации потока диффузии на диаметрально противоположных контактных площадках электрода, т.е. расположенных против противоположных отверстий обтекателя, противофазны, поэтому частично вычитаются. Размер электрода вносит ограничение в величину выигрыша по чувствительности. При большом диаметре электрода становится заметна неоднородность набегающего потока жидкости по скорости, т.е. скачок скорости AVJ, на противоположных контактных площадках электрода неодинаков, поэтому невозможно полное вычитание пульсаций потока диффузии, что требует уменьшения диаметра электрода. Однако уменьшение диаметра электрода ведет к увеличению активного сопротивления датчика и связанного с ним уровня теплового шума, что приводит к уменьшению его чувствительности, а также к уменьшению скорости движения поверхности электрода относительно жидкости, а это увеличивает чувствительность электрода к пульсациям скорости и увеличивает шум движения. Выбор диаметра электрода из компромиссных соображений не всегда позволяет повысить чувствительность устройства до требуемого значения.
Технической задачей, решаемой в заявленном устройстве, является повышение чувствительности устройства.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для приема электромагнитного поля в море, содержащее первый электродный датчик, имеющий первый и второй идентичные осесимметричные металлические электроды, установленные в идентичных диэлектрических обтекателях с отверстиями на плоской буксируемой диэлектрической платформе на расстоянии друг от друга так, что оси их параллельны, приемно-измерительный блок, входы которого соединены с электродами датчика, а также электромотор, при этом электроды выполнены в виде металлических цилиндров, установленных с возможностью вращения на металлических осях, расположенных перпендикулярно направлению буксировки, вал электромотора механически соединен с осями электродов, а обтекатели выполнены в виде диэлектрических цилиндров, соосных с электродами, отверстия в обтекателях расположены диаметрально противоположно и образованы пересечением цилиндрической стенки обтекателя с плоскостями, параллельными оси электрода и плоскости диэлектрической платформы, отстоящими от оси на равные расстояния введен второй электродный датчик, идентичный первому, расположенный так, что оси всех электродов параллельны, а расстояния между электродами датчиков одинаковы, два дифференциальных предварительных усилителя, входы каждого из которых соединены с электродами соответствующего датчика через пружинные токосъемники, и редуктор, при этом вал электромотора через редуктор соединен с осями электродов, а выходы предварительных усилителей подключены к суммирующим входам приемно-измерительного блока.
На фиг.1 показан электрод, выполненный в виде гладкого металлического цилиндра 1 с диаметром d, вращающегося вокруг своей оси с угловой скоростью ω. Диэлектрический обтекатель 2, выполненный также в виде цилиндра, соосного с цилиндром 1, защищает переднюю и заднюю часть электрода от набегающего потока воды и его завихрений. Диаметр d цилиндра 1 больше, чем поперечный размер обтекателя 1. Внутренний диаметр обтекателя близок к диаметру цилиндра 1, поэтому можно считать, что электрический контакт электрода с окружающей средой осуществляется только через окна обтекателя. Если эти открытые окна являются идентичными и достаточно узкими в направлении буксировки, то их можно считать одинаковыми плоскими площадками, одна из которых движется по направлению буксировки, а другая навстречу, со скоростью
Плотность потока j диффундирующего кислорода (моль/с⋅м2) зависит от градиента концентрации кислорода в диффузионном слое электролита, который можно считать равным отношению концентрации кислорода в толще электролита к толщине диффузионного слоя [11]
где D≈2.6⋅10-9 м2/с - коэффициент диффузии кислорода, с0 - концентрация кислорода в толще электролита, δ - толщина диффузионного слоя. Диффузионный слой - это прилегающий к электроду слой электролита, в котором концентрация с кислорода в направлении оси z, перпендикулярной к поверхности электрода, изменяется по закону, близкому к линейному, от нуля на поверхности электрода до значения, мало отличающегося от с0. Толщина диффузионного слоя на гладкой пластинке, на край которой набегает поток электролита со скоростью V0 [Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика ./ М.: Гос. изд-во физ. - мат.литературы. 1959. 699 с.]
где v - кинематическая вязкость жидкости (для водного электролита v=10-6 м2/c), х - расстояние от передней кромки пластинки до точки наблюдения. В соответствии с (1) и (3) поток кислорода, диффундирующего из толщи электролита к поверхности электрода (моль/с)
.
При скачке скорости ΔV0<<V0 (U>>V0) получим скачок потока кислорода (здесь мы не учитываем инерционность процесса формирования диффузионного слоя)
.
В отсутствие вращения электрода поток диффузии кислорода
скачок потока, соответствующий скачку скорости ΔV0,
Как видно из (5) и (7) при вращении электрода абсолютная пульсация потока, следовательно, и пульсация потенциала электрод а, уменьшилась в 2(U/V0)U5 раз. При U=10V0 это уменьшение составляет 63 раза. Следует иметь в виду, что неидентичность окон обтекателя уменьшает выигрыш в уменьшении шума движения.
Устройство для приема электромагнитного поля в море (одна из возможных реализаций) схематично показано на фиг. 2. Стрелкой показано направление буксировки. Оно содержит первый электродный датчик, первый электрод которого выполнен в виде гладкого металлического цилиндра 1, расположенного в диэлектрическом обтекателе 2, а второй электрод в виде такого же гладкого металлического цилиндра 3, расположенного в диэлектрическом обтекателе 4. Цилиндры 1 и 3 установлены с возможностью вращения на параллельных металлических осях 5 и 6 в диэлектрических подшипниках 7,8,9,10. Второй электродный датчик содержит цилиндрический электрод 11, расположенный в диэлектрическом обтекателе 12, а также цилиндрический электрод 13, расположенный в диэлектрическом обтекателе 14. Электроды 11 и 13 установлены с возможностью вращения на параллельных металлических осях 15 и 16 в диэлектрических подшипниках 17,18,19,20. Первый и второй электродные датчики установлены на диэлектрической платформе 21 таким образом, чтобы условия обтекания электродов с обеих сторон были одинаковы. Для этого ширина платформы не превышает расстояния между ближними торцами цилиндров 1 и 11. При этом все оси 5,6,15,16 расположены в одной плоскости. Через сальники 22,23,24,25 оси вставлены в герметический корпус 26, также установленный на буксируемой за кораблем диэлектрической платформе 21. Внутри герметического корпуса 26 установлен электромотор 27. Для экранирования помех от электромотора корпус 26 выполнен из мягкой стали. При этом чтобы не искажать принимаемое электрическое поле он должны иметь снаружи диэлектрическое покрытие. Например, он окрашен стойкой краской или покрыт пластиком. Вал электромотора 27 через редуктор, содержащий зубчатые колеса 28,29,30,31,32,33 соединен с осями 5,6,15,16 цилиндров. Зубчатые колеса выполнены из диэлектрического материала. С помощью пружинных токосъемников 34 и 35, которые установлены на осях 5 и 6, электроды 1 и 3 электрически соединены с входом предварительного дифференциального усилителя 36. Аналогично с помощью пружинных токосъемников 37 и 38, которые установлены на осях 15 и 16, электроды 11 и 13 электрически соединены с входом предварительного дифференциального усилителя 39. Изолированными соединительными проводами выходы предварительных усилителей 36 и 39 подключены к суммирующим входам приемно-измерительного блока 40, осуществляющего суммирование выходных напряжений предварительных усилителей 36,39, дальнейшее усиление, частотную фильтрацию и измерение напряжения. Для лучшего подавления помехи, которая может возникать от электродвигателей и эксцентриситета электродов, частота вращения должна быть выше максимальной частоты рабочего диапазона измеряемого поля.
На фиг.2 показан местный разрез обтекателей и герметичного корпуса, чтобы лучше были видны оси цилиндров в подшипниках и сальниках.
На фиг.3 показан вид сбоку на цилиндр 11 в обтекателе 12.
Устройство работает следующим образом.
Измеряемое электрическое поле создает в морской воде между электродами датчика разность потенциалов. Длина волны в морской воде для СНЧ- и КНЧ-диапазона столь велика, что напряжения полезного сигнала, снимаемые с первого и второго датчика, синфазны. С электродов первого и второго датчика через металлические оси 5,6,15,16 и токосъемники 34,35,37,38 оно поступает на вход предварительных усилителей 36,39, с выходов которых оно подается на суммирующие входы приемно-измерительного блока 40. При буксировке платформы вследствие пульсаций скорости жидкости, обтекающей электроды, между последними возникает флуктуационное напряжение, называемое шумом движения. Электроды 1,3 и 11,13, входящие в состав первого и второго датчика соответственно, приводятся во вращение электромотором 27, благодаря чему величина шума движения уменьшается, как это показано выше. При этом выходное напряжение датчика, обусловленное измеряемым электрическим полем, не зависит от вращения электродов. В результате чувствительность датчика возрастает более чем на порядок. Следует иметь в виду, что цилиндры 1,3,11,13 необходимо изготавливать из металлов, имеющих низкий уровень электрохимического шума, например, их титана, тантала, нержавеющей стали. Диэлектрическая платформа 21 также стабилизирует положение электродов в пространстве, так как вектор скорости буксировки лежит в ее плоскости. Поскольку тепловой шум первого и второго датчика в приемно-измерительном блоке 40 складывается по мощности, а полезный синфазный сигнал - по амплитуде, то отношение сигнал/шум возрастает на 3 дБ по сравнению с одним датчиком. Уменьшение диаметра электродов компенсируется увеличением их количества и не приводит к уменьшению чувствительности датчика. Более того, пульсации разности потенциалов электродов каждого датчика, которые остались не скомпенсированы в силу не полной корреляции, тоже суммируются по мощности, что дополнительно уменьшает шум движения на 3 дБ. В результате достигается увеличение чувствительности по сравнению с прототипом в 1,5-2 раза.
Технический результат, достигнутый в заявленном устройстве, заключается в повышении чувствительности за счет уменьшения электродного шума движения и теплового шума датчика.