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, в котором оба электрода выполнены в виде навитой на кабель спирали из титановой проволоки. 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. Как показано в [2, 4], 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. Также при движении незащищенная поверхность электродов подвергается воздействию набегающего потока воды, что является причиной специфического электродного «шума движения».
Техническая задача, решаемая в заявленном устройстве, состоит в уменьшении собственного шума датчика и увеличении его чувствительности. Для этого в кабельном электродном датчике электрического поля, выполненном в виде гибкого двухпроводного кабеля с диэлектрической оболочкой, на поверхности которого установлены два разнесенных на определенное расстояние электрода, первый из которых соединен с первым проводом кабеля, а второй соединен со вторым проводом кабеля, электроды выполнены в виде гофрированной металлической трубы, сквозь которую проходит кабель, при этом ее края жестко соединены с оболочкой кабеля и герметизированы. Также электроды снабжены обтекателями, выполненными в виде эластичной диэлектрической трубы с отверстиями, установленной поверх электрода, причем внутренний диаметр обтекателя превышает внешний диаметр электрода. При этом внутренняя поверхность электрода покрыта диэлектриком, который выполнен в виде вязкой гелеобразной жидкости.
На фиг.1 схематично изображен кабельный электродный датчик, на фиг.2 и 3 показаны два варианта конструкции электрода датчика в обтекателе.
На фиг.1 показан кабельный электродный датчик, содержащий двухпроводный кабель 1 с диэлектрической оболочкой. Первый 2 и второй 3 провод кабеля соединены с первым 4 и вторым 5 электродами, которые установлены на некотором расстоянии друг от друга на поверхности кабеля 1. 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 гофрированной металлической трубы, соединенный с первым проводом 2 кабеля 1, 6 - обтекатель в виде эластичной диэлектрической трубы с отверстиями, 7 - диэлектрические втулки, 8 - диэлектрическая оболочка кабеля. На диэлектрической оболочке 8 кабеля 1 сформирована периодическая структура в виде гребней и впадин, а электрод 4 плотно прилегает к ней, его края жестко соединены с оболочкой 8 кабеля и герметизированы.
На фиг.3 показана конструкция электрода в обтекателе, в которой поверхность диэлектрической оболочки 8 кабеля 1 имеет цилиндрическую форму, а пространство между оболочкой 8 и электродом 4 заполнено диэлектриком 9 в виде вязкой гелеобразной жидкости.
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, а d - расстояние между электродами. По кабелю 1 эта разность потенциалов поступает на регистрирующую аппаратуру на борту судна. Поскольку края электрода 4 жестко соединены с оболочкой 8 кабеля и герметизированы, то внутренняя поверхность электрода, обращенная к оболочке кабеля, не имеет электрического контакта с окружающей его морской водой, поэтому и не возникает специфический электрохимический шум при неизбежных изгибах кабеля при буксировке. Обтекатель 6 защищает электрод 4 от механических повреждений и от прямого воздействия турбулентных вихрей, которые тоже вызывают специфический электродный шум. Электрический контакт электрода 4 с внешней средой обеспечивается наличием отверстий в обтекателе 6. Поскольку внутренний диаметр трубы обтекателя 6 больше внешнего диаметра электрода 4, то при изгибах датчика электрод не задевает за обтекатель, поэтому его поверхность не повреждается. Для сохранения работоспособности датчика при нарушении герметизации на краях электрода 4 его внутренняя поверхность покрыта диэлектриком, который может быть выполнен в виде вязкой гелеобразной жидкости 8. Выполнение электрода 4 в виде гофрированной металлической трубы дает возможность увеличить его площадь и тем самым еще уменьшить шум датчика. В качестве материала для электродов следует выбирать металлы, обладающие наименьшим собственным электрохимическим шумом, например, титан или нержавеющую сталь. Внешняя поверхность электродов полируется.
Практическое осуществление такой конструкции электрода целесообразно без нарушения целостности кабеля и уменьшения его механической прочности. Это возможно при изготовлении электрода путем формирования гофров на тонкостенной металлической трубе уже надетой на кабель и установленной в требуемом месте. При этом на диэлектрической оболочке 8 кабеля 1 могут быть заранее сформированы гребни, к которым, как показано на фиг.2, без зазоров прилегает сформированный металлический электрод 4. Или, как показано на фиг.3, поверхность оболочки 8 кабеля 1 может иметь цилиндрическую форму, а пространство между кабелем и внутренней поверхностью электрода заполнено вязким гелеобразным диэлектриком 9. Гелеобразный диэлектрик выполняет следующие функции. Во-первых, он не позволяет давлению воды на рабочей глубине датчика деформировать электрод. Во-вторых, благодаря своей вязкой консистенции, он не вытекает и удерживается внутри электрода при его формовке на кабеле и дальнейшей эксплуатации. В-третьих, он обеспечивает изоляцию внутренней поверхности электрода относительно внешней среды при нарушении герметизации. При установке обтекателя на кабель целесообразно использовать втулки 7, позволяющие увеличить внутренний диаметр обтекателя.
Технический результат, достигаемый при применении предложенного устройства, 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.