Электродный датчик напряженности электрического поля в море
ELECTRODE SENSOR OF ELECTRICAL FIELD INTENSITY IN MARINE ENVIRONMENTS

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для приема и измерения электромагнитных полей сверхнизких и крайне низких частот (СНЧ и КНЧ) в морской среде.
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. При этом напряженность электрического поля в морской воде определяется как отношение измеренной разности потенциалов к расстоянию между электродами. Известен датчик напряженности электрического поля в море. Он имеет два электрода, 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). Недостатком известного устройства являются его большие габариты, что создает проблемы при эксплуатации. Для достижения требуемой чувствительности расстояние между электродами составляет 200…300 метров, а общая длина кабельного электродного датчика достигает 500…600 метров.
Известен также датчик напряженности электрического поля в море, имеющий два цилиндрических металлических электрода, установленных на некотором расстоянии друг от друга на буксируемой за кораблем 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.). Оси электродов ориентированы по направлению буксировки. Концы электродов, на которые набегает поток воды, закруглены для лучшей обтекаемости и уменьшения завихрений жидкости. Датчик имеет габариты порядка одного метра, поэтому снимаемое с электродов напряжение мало. Оно усиливается расположенным рядом с датчиком предварительным усилителем и по кабелю передается на приемно-измерительный блок, установленный на корабле. Это устройство, как наиболее близкое по технической сущности к заявленному, принято за прототип. Недостатком прототипа является невысокая чувствительность, что обусловлено большим уровнем, так называемого, шума движения, то есть шума электродного датчика, возникающего при движении его в морской среде.
Технической задачей, решаемой в заявленном устройстве, является повышение чувствительности датчика путем уменьшения шума движения.
Поставленная задача решается тем, что в электродный датчик, содержащий первый и второй электроды, установленные на буксируемой диэлектрической платформе на расстоянии друг от друга введены первый и второй электромотор, каждый электрод выполнен в виде одной или нескольких секций, расположенных в одной плоскости в виде центрально симметричной плоской фигуры, установленной с возможностью вращения на металлической оси, проходящей через ее геометрический центр перпендикулярно к плоскости расположения секций, при этом ось первого и второго электрода механически соединена соответственно с валом первого и второго электромотора. При этом электрод может быть выполнен в виде двух идентичных квадратных секций, расположенных диаметрально противоположно относительно оси вращения и соединенных перекладиной. Электрод также может быть выполнен в виде кольца или диска.
2
Шум движения исследован автором (В.Г. Максименко. Пульсации напряжения электродного датчика в потоке электролита. / Радиотехника и электроника, 2018, Т.63, №7, С.720-726. В.Г. Максименко. Шум электродного датчика в пульсирующем потоке жидкости. // Радиотехника и электроника, 2017, №11, С.1-8). Установлено, что шум движения представляет собой пульсации разности потенциалов между электродами датчика, обусловленные, главным образом, пульсациями скорости движения жидкости относительно электродов. Потенциал электрода относительно электролита определяется отношением заряда поверхности электрода к емкости электрода относительно электролита. Заряд поверхности электрода формируется за счет адсорбции диффундирующих к электроду атомов растворенного в воде кислорода. При адсорбции одного моля кислорода в соответствии с его валентностью заряд поверхности изменяется на 2F Кулон (F - число Фарадея). Согласно закону Фика плотность потока; диффундирующего кислорода (моль/с⋅м) зависит от градиента концентрации кислорода в диффузионном слое электролита, который можно считать равным отношению концентрации кислорода в толще электролита к толщине диффузионного слоя [Скорчеллетти В.В. Теоретическая электрохимия. Л.: Химия, 1974].
-9
2
0
Здесь D≈2,6⋅10 м/с - коэффициент диффузии кислорода, с - концентрация кислорода в толще электролита, δ - толщина диффузионного слоя, т.е. слоя электролита, в котором концентрация с кислорода изменяется в направлении оси z, перпендикулярной к поверхности электрода. Толщина диффузионного слоя зависит от скорости набегающего на электрод электролита. Поэтому при наличии пульсаций скорости жидкости заряд поверхности электрода получает пульсационную составляющую. Изменение потенциала электрода, вызванное изменением заряда, составляет
где С - емкость электрода относительно электролита. Заряд, приобретаемый электродом при адсорбции атомов кислорода, содержит две составляющих. Первая медленно возрастает, а вторая, связанная с пульсацией скорости жидкости, вызывает сравнительно быстрые пульсации потенциала электрода, которые и представляют собой шум движения. Амплитуда пульсаций заряда пропорциональна амплитуде пульсаций потока диффундирующего кислорода. Таким образом, амплитуда пульсаций потенциала электрода пропорциональна амплитуде пульсаций потока кислорода. Поэтому уменьшение шума движения можно оценивать по уменьшению пульсаций потока диффузии кислорода к поверхности электрода при одинаковых прочих условиях.
а
0
0
0
0
На фиг. 1 показан электрод, содержащий первую и вторую секции, выполненные в виде квадрата со стороной , вырезанного из металлической пластины. Секции электрически и механически соединены перекладиной, которая вращается с угловой скоростью ω против часовой стрелки. На электрод набегает поток жидкости со скоростью V вектор которой параллелен поверхности электрода и плоскости вращения (показан стрелкой). Рассмотрим такое положение перекладины, при котором первая секция со скоростью U=ω/2, где  - расстояние между центрами квадратных секций, движется навстречу потоку, а вторая - с такой же скоростью по направлению потока (фиг. 1). В результате первая из них имеет скорость относительно жидкости U+V, а вторая - U-V. Полагаем, что U>>V. Рассмотрим диффузию кислорода к одной стороне плоского электрода.
0
Толщина диффузионного слоя на гладкой пластинке, на край которой набегает поток электролита со скоростью V [Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. / М.: Гос.изд-во физ.-мат.литературы. 1959. 699 с],
-6
2
где ν - кинематическая вязкость жидкости (для водного электролита ν≈10 м/с), х - расстояние от передней кромки пластинки до точки наблюдения. В соответствии с (1) и (3) поток кислорода, диффундирующего из толщи электролита к поверхности двух секций электрода (моль/с)
0
n
0
При скачке скорости ΔV<<V (U>>V) получим скачок потока кислорода (здесь мы не учитываем инерционность процессов)
В отсутствие вращения электрода поток диффузии кислорода
0
Скачок потока, соответствующий скачку скорости ΔV,
0
Как видно из (5) и (7) при вращении электрода абсолютная пульсация потока, следовательно, и пульсация потенциала электрод а, уменьшилась в раз. При U=10V это уменьшение составляет 63 раза.
Рассмотрим положение перекладины, при котором обе секции электрода движутся перпендикулярно к вектору скорости набегающего потока электролита (фиг. 2). В этом случае поток кислорода на электрод
0
а изменение потока на электрод, вызванное скачком скорости ΔV,
0
0
0
1,5
Как видно из (9) и (7) при U>>V пульсации потенциала электрода уменьшились в (U/V) раз, то есть в 31,6 раза при U=10V.
На фиг. 3 показан электрод, выполненный в виде узкого кольца, т.е. его ширина много меньше внутреннего и внешнего радиуса, что упрощает рассмотрение формирования диффузионного слоя на поверхности электрода. Пусть электрод имеет внешний радиус R и внутренний радиус 0,9R. Найдем поток диффузии кислорода на неподвижное кольцо, на которое вдоль оси х набегает поток электролита со скоростью. Разделим кольцо на четыре части. Две из них - это правый и левый сегменты на фиг. 3, ограниченные хордами, проходящими по внутренней стороне кольца. Две другие - это верхняя и нижняя часть кольца, отсеченная хордами. Условия обтекания их можно считать одинаковыми, поскольку кольцо узкое. Также одинаковы и условия обтекания сегментов. Найдем поток диффузии на верхнюю часть кольца. Произвольная точка М(х,у) отстоит от верхнего края кольца по направлению вектора  на расстояние . Толщина диффузионного слоя в точке М(х,у) определяется выражением
Поток диффузии кислорода на верхнюю часть кольца
Поток диффузии на обе части кольца, верхнюю и нижнюю, в два раза больше
Найдем поток диффузии на правый сегмент.
Сделав замену у/R=cosϕ, получим
4
Поток I на левый сегмент такой же. Поток диффузии на все кольцо
0
Пульсация потока диффузии при пульсации скорости жидкости ΔV
На фиг. 4 изображен кольцевой электрод, вращающийся с угловой скоростью со по часовой стрелке. Для установки такого электрода на ось вращения должны быть предусмотрены некоторые конструктивные элементы, которые не оказывают влияния на движение жидкости у поверхности электрода. Они не показаны на фиг. 4. В системе отсчета, связанной с электродом, жидкость вращается относительно него с той же угловой скоростью в противоположном направлении. Вектор скорости жидкости в произвольной точке М в этой системе отсчета направлен так, как показано на фиг. 4. При этом модуль вектора скорости жидкости U=ωr. Расстояние от точки М, расположенной на расстоянии r от центра кольца, до внешнего края кольца по направлению вектора скорости жидкости (по перпендикуляру к радиусу ОМ) равно . В соответствии с (3) толщина диффузионного слоя
Поток кислорода на элементарную площадку rdrdϕ в окрестностях точки М
Поток на весь кольцевой электрод
0
0
0
Пусть на электрод со скоростью V набегает поток электролита, имеющий пульсацию скорости ΔV. Изменение угловой скорости вращения жидкости относительно электрода, которое создает в окрестностях некоторой точки N(r; ϕ) узкого кольца со средним радиусом 0,95R пульсация ΔV, равно
Здесь угол ϕ соответствует фиг. 4. В соответствии с (17) и (19) пульсация потока диффузии на элементарную площадку в окрестностях точки М
Пульсация потока диффузии на половину кольцевого электрода
0
Эта пульсация меньше, чем пульсация потока на половину неподвижного кольцевого электрода в  раз, т.е. более чем на порядок при ωR/V=10. Кроме того, в диаметрально противоположных точках второй половины электрода пульсации потока имеют противоположный знак и, как показано для электрода с перекладиной, частично компенсируются, уменьшая суммарную пульсацию. В результате выигрыш в уменьшении шума движения становится еще больше.
Электродный датчик напряженности электрического поля в море схематично показан на фиг. 5. Стрелкой показано направление буксировки. Датчик содержит электроды 1 и 2, установленные на металлических осях 3 и 4. Оси через сальники 5 и 6 вставлены в герметические корпуса 7 и 8, установленные на буксируемой за кораблем диэлектрической платформе 9. Электромоторы 10 и 11 установлены внутри герметических корпусов 7, 8. Для экранирования помех от электромоторов корпуса 7 и 8 выполнены из мягкой стали. При этом чтобы не искажать принимаемое электрическое поле они должны иметь снаружи диэлектрическое покрытие. Например, окрашены стойкой краской или покрыты пластиком. Вал каждого электродвигателя через диэлектрические муфты 12 и 13 соединен с осью 3 и 4 соответствующего электрода. Напряжение с датчика снимается с помощью пружинных токосъемников 14 и 15, которые установлены на осях 3 и 4 и с помощью изолированных соединительных проводов подключены к приемно-измерительному блоку 16, осуществляющему усиление, частотную фильтрацию и измерение выходного напряжения датчика. Для лучшего подавления помехи, которая может возникать от электродвигателей и эксцентриситета электродов, частота вращения должна быть выше максимальной частоты рабочего диапазона измеряемого поля.
Устройство работает следующим образом. Измеряемое электрическое поле создает в морской воде между точками, в которых расположены электроды датчика, разность потенциалов. Электроды 1 и 2 через металлические оси 3, 4 и токосъемники 14, 15 передают ее на приемно-измерительный блок 16. При буксировке датчика вследствие пульсаций скорости жидкости, обтекающей электроды, между последними возникает флуктуационное напряжение, называемое шумом движения. Электроды 1 и 2 датчика приводятся во вращение электромоторами 10 и 11, 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.
2
Оценим возможность технической реализации и чувствительность датчика. Пусть расстояние  между центрами секций контактных пластин электродов 1 и 2 равно 0,25 м. При этом скорость U=ω/2 в 10 раз больше скорости буксировки, которая может достигать 5 м/с (10 узлов). Если рабочий диапазон частот расположен ниже частоты 100 Гц, то необходимо иметь скорость вращения 3800 об/мин, что не представляет технических трудностей. Пусть также каждая секция имеет площадь 25 см, а расстояние между осями 3 и 4 равно 1 м. При этом размеры датчика близки к размерам датчика, использованного в морском эксперименте (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.), который в диапазоне частот 30…60 Гц имел спектральную плотность собственного шума в отсутствие движения около , а в движении со скоростью 2,3 м/с - на 20 дБ больше. Ориентируясь на результаты этого эксперимента, можно полагать, что чувствительность по электрическому полю датчика, изображенного на рис. 2, составит около  при буксировке со скоростью 2…3 м/с.Это всего в несколько раз хуже, чем чувствительность кабельного датчика, имеющего длину активной части 300 м. Под чувствительностью мы понимаем напряженность электрического поля принимаемого сигнала, при которой мощность сигнала на выходе датчика равна мощности шума в полосе 1 Гц.
Вычислить пульсацию потока кислорода на вращающийся дисковый электрод значительно сложнее, поскольку при его вращении скорость жидкости относительно электрода имеет три пространственных компоненты. Однако частичная компенсация пульсаций потока диффузии в диаметрально противоположных точках дискового электрода происходит так же, как и у кольцевого электрода. Поэтому следует ожидать такого же подавления шума движения, т.е. в десятки и более раз.
Таким образом, технический результат, достигнутый в заявленном устройстве, заключается в повышении чувствительности более чем на порядок за счет уменьшения электродного шума движения датчика.