Электродный датчик напряженности электрического поля в море
ELECTRONIC SENSOR OF ELECTRIC FIELD STRENGTH IN THE SEA

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для приема и измерения электромагнитных полей сверхнизких и крайне низких частот 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. 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 600 метров.
Известен также датчик напряженности электрического поля в море, имеющий два металлических электрода, 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. 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. Оно усиливается расположенным рядом с датчиком предварительным усилителем и по кабелю передается на приемно-измерительный блок, установленный на корабле. Это устройство принято за прототип как наиболее близкое по технической сущности к заявленному. Недостатком прототипа является невысокая чувствительность, что обусловлено большим уровнем 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 напряженности электрического поля в море, содержащий 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, введен 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.
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 j 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.
0
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. Обтекатель имеет идентичные прямоугольные окна, плоскости которых параллельны и отстоят на равные расстояния от оси цилиндра 1. Вектор скорости набегающего на электрод потока жидкости параллелен этим плоскостям. Диаметр d цилиндра 1 больше, чем поперечный размер обтекателя l. 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 U=ωd/2. 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), x - расстояние от передней кромки пластинки до точки наблюдения. В соответствии с (1) и (3) поток кислорода, диффундирующего из толщи электролита к поверхности электрода через окна обтекателя (моль/с)
0
0
0
При скачке скорости ΔV<<V, (U>>V) получим скачок потока кислорода (здесь мы не учитываем инерционность процесса формирования диффузионного слоя, которая начинает проявляться на частотах выше 30 Гц)
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. Следует иметь в виду, что неидентичность окон обтекателя уменьшает выигрыш в уменьшении шума движения.
Электродный датчик напряженности электрического поля в море схематично показан на фиг. 2. Стрелкой показано направление буксировки. Датчик имеет первый и второй электроды. Первый электрод выполнен в виде гладкого металлического цилиндра 1, расположенного в диэлектрическом обтекателе 2. Второй электрод выполнен в виде гладкого металлического цилиндра 3, расположенного в диэлектрическом обтекателе 4. Цилиндры 1 и 3 установлены с возможностью вращения на металлических осях 5 и 6 в диэлектрических подшипниках 7, 8, 9, 10. Первый и второй электрод установлены на диэлектрической платформе 11 таким образом, чтобы условия обтекания электродов с обеих сторон были одинаковы. Для этого ширина платформы не превышает расстояния между ближними торцами цилиндров 1 и 3. В общем случае оси 5 и 6 параллельны и расположены в плоскости, параллельной плоскости платформы 11. В частном случае, изображенном на фиг. 2, оси 5 и 6 находятся на одной прямой. Через сальники 12 и 13 оси вставлены в герметический корпус 14, также установленный на буксируемой за кораблем диэлектрической платформе 11. Внутри герметического корпуса 14 установлен электромотор 15, вал которого имеет вылет в обе стороны. Для экранирования помех от электромотора корпус 14 выполнен из мягкой стали. При этом чтобы не искажать принимаемое электрическое поле он имеет снаружи диэлектрическое покрытие. Например, он окрашен стойкой краской или покрыт пластиком. Вал электромотора 15 через диэлектрические муфты 16 и 17 соединен с осями 5 и 6 электродов. С помощью пружинных токосъемников 18 и 19 электроды изолированными проводами подключены к приемно-измерительному блоку 20, 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. На фиг. 2 применен местный разрез обтекателей и герметичного корпуса, чтобы лучше были видны оси цилиндров в подшипниках и сальниках. На фиг. 3 показан вид сбоку на цилиндр 3 в обтекателе 4.
Устройство работает следующим образом. Измеряемое электрическое поле создает в морской воде между электродами датчика разность потенциалов. Первый и второй электроды через металлические оси 5, 6 и токосъемники 18, 19 передают ее на приемно-измерительный блок 20. Скорость буксировки датчика имеет низкочастотные флуктуации, поэтому поток жидкости, обтекающей электроды, имеет пульсации скорости относительно электрода. Пульсации скорости потока жидкости, набегающей на электроды, могут быть вызваны и пересечением датчиком турбулентных вихрей, например, кильватерного следа. Они вызывают флуктуации разности потенциалов между электродами, называемые шумом движения. Металлические цилиндры 1 и 3 приводятся во вращение электромотором 15, 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, и оси 5,6 необходимо изготавливать из металлов, имеющих низкий уровень электрохимического шума, например, их титана, тантала, нержавеющей стали. Диэлектрическая платформа 11 предназначена не только для крепления узлов датчика, но и стабилизирует положение электродов в пространстве, так как вектор скорости буксировки лежит в ее плоскости.
2
Покажем возможность технической реализации и оценим чувствительность датчика. Пусть диаметр d цилиндрических электродов 1 и 3 равен 0,25 м. При этом скорость U=ωd/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 каждый электрод имеет площадь контакта, не защищенную обтекателями, равную 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 предельная 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.
Таким образом, технический результат, достигнутый в заявленном устройстве, заключается в повышении чувствительности более чем на порядок за счет уменьшения электродного шума движения датчика.