ПОЛЕВОЙ ИНДИКАТОР ЕСТЕСТВЕННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ
FIELD INDICATOR OF EARTH NATURAL ELECTROMAGNETIC FIELD

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано для измерения естественного электромагнитного поля Земли КНЧ (крайне низких частот или частоты от 3 до 30 Гц) и СНЧ (сверхнизких частот или частоты от 30 до 300 Гц) диапазонов, на основе контроля магнитной ее составляющей. Известно, что вектор электрического поля в резонаторе Земля-ионосфера вертикален, но вблизи поверхности земли имеет наклон за счет затухания при распространении электромагнитной волны в земле, поэтому вектор может приниматься как на вертикальные, так и горизонтальные диполи очень большой длины. Возможен прием магнитного вектора, который менее подвержен влиянию поверхности земли при возбуждении резонатора.
Для индикации электрической составляющей естественного поля на стационарных измерительных пунктах используют:
- земляные антенны представляют собой два заземлителя, размещенных на глубине 2 метров и расстоянии 1000 метров друг от друга, которые фиксируют разность потенциалов поверхности резонатора Земля-ионосфера;
- вертикальные штыри, Г-образные антенны, зонтичные антенны и шаровые антенны, в последних вместо горизонтального провода в Г-образных и зонтичных антеннах используют шары, а также каркасные антенны, которые вместо шаров используют металлические каркасы.
Для индикации магнитной составляющей естественного поля используют: рамочные антенны с большим числом витков провода и сердечником из ферромагнитного материала (феррит, пермаллой) или воздушные рамочные антенны очень больших размеров для создания заданной индуктивности колебательного контура.
Известны устройства - индикаторы геофизических аномалий для частот от 1 до 10 кГц, такие как: ИГА-1; патент 2071098 от 18.07.1990 г., G01V 13/00; патент 2080605 от 27.05.97 г.; патент 3881 от 16.04.97 г.; ЛАЙТ-2.
Известна стационарная станция Сибирского физико-технического института, созданная для контроля естественного и искусственного (промышленной частоты 50 Гц и 60 Гц) электромагнитного поля Земли в городе Томске, которая состоит: из технического здания для размещения аппаратуры измерений, антенного поля для размещения приемных антенн, представляющих восемь дипольных антенн (Installation of Ionospheric Radio Sounding System Dynasonde 21 at Tomsk State University, Russia, August 2008, Chicago IL). Каждый приемный диполь представляет проводник длиной не менее 1000 метров, заземленный с одной стороны. Недостатками данного технического решения являются большая занимаемая площадь приемных диполей, невозможность измерений применительно к любому району поверхности Земли, а так же потребляемые мощности электрической энергии приемными устройствами.
За прототип принята американская исследовательская станция (www.vlf.it) с магнитной петлевой антенной и измерительный комплекс КНЧ-шумов Земли с антенным полем штыревых антенн. (H01Q 23/00, УДК 53.087.45; №2 (24), 2011). Недостатками данного технического решения являются низкая эффективность антенных устройств, что вызывает необходимость большого усиления наведенной ЭДС в антенне электромагнитным полем резонатора Земля-ионосфера, сооружения громоздких антенных устройств и необходимость потребления значительной мощности электрической энергии приемными устройствами.
Основным недостатком аналога и прототипа является низкая эффективность использования стационарных антенных устройств, высокая их стоимость и очень значительные их размеры, возможность измерения естественного поля Земли только в местах размещения антенных устройств, привязка к электрическим сетям для питания усилителей и анализаторов приемных систем.
Целью изобретения является измерение естественных электромагнитных полей Земли на основе мобильного, автономного измерителя, без использования сторонних источников питания измерителя.
Поставленная цель достигается тем, что в полевой индикатор естественного электромагнитного поля земли, содержащего рамочные антенны и индикаторы, дополнительно введены: N активных приемных модулей (с 1-1 по 1-N), суммирующий блок 4, Вк.1 на два контакта, блок переключателей 5, полосовой фильтр (6, 7, 8, 9, …, L, …, N), аттенюатор 3, фазовращатель 2, индикатор частот 50 Гц 10, блок индикаторов 11 и анализатор спектра 12.
На фиг. 1 представлен полевой индикатор естественного электромагнитного поля земли, который содержит: N активных приемных модулей с 1-1 по 1-N, суммирующий блок 4, Вк.1 на два контакта, блок переключателей 5, N полосовых фильтров (6, 7, 8, 9, …, L, …, N), аттенюатор 3, фазовращатель 2, индикатор частот 50 Гц 10, блок индикаторов 11 и анализатор спектра 12.
СВ
На фиг. 2 представлен один из N активных приемных модулей 1-1 (1-N), который содержит два идентичных параллельных колебательных контура 13, и два гиратора 14, нагруженных на емкость связи С.
На фиг. 3 представлен суммирующий блок 4, который содержит трансформатор Тр.1 из N первичных обмоток 1, одной вторичной обмотки 2, одной компенсирующей обмотки 3 и одной питающей обмотки 4 с включением выпрямляющих элементов в ней - диодом и конденсатором.
На фиг. 4 блок переключателей 5, содержащий N включателей на два положения (Вк.1, Вк.2, Вк.3, Вк.4, …, Вк.L, …, Bк.N).
К
1
На фиг. 5 представлен один из N полосовых фильтров (6. 7, 8, 9, …, L, …, N), каждый фильтр содержит: две емкости настройки С, являющихся настройкой на частоту пропускания полосового фильтра, два гиратора 15, и три емкости С, входящих в состав Т-образного фильтра, включенного между двумя гираторами 15.
На фиг. 6 представлен индикатор 10 на частоту 50 Гц, содержащий: Вкл. на два положения, измеритель напряжения 16 и светодиод 17.
На фиг. 7 представлен блок индикаторов 11, содержащий N включателей на два положения, измеритель напряжения 16 и светодиоды 17 для фиксации частот 7 Гц, 14 Гц, 21 Гц, 28 Гц, 35 Гц, 42 Гц и так далее, их количество зависит от исследуемой полосы частот.
Полевой индикатор естественного электромагнитного поля земли, представленный на фиг. 1, содержит N активных приемных модулей с 1-1 по 1-N, суммирующий блок 4, Вк.1 на два контакта, блок переключателей 5, N полосовых фильтров (6, 7, 8, 9, …, L, …, N), аттенюатор 3, фазовращатель 2, индикатор частот 50 Гц 10, блок индикаторов 11 и анализатор спектра 12, при этом выходы N активных приемных модулей с 1-1 по 1-N соединены с N входами с первого по N суммирующего блока 4, выход суммирующего блока 4 соединен с нулевой клеммой первого включателя Вк.1, первая клемма включателя Вк.1 соединена с входом блока переключателей 5, а вторая клемма включателя Вк.1 соединена с анализатором спектра 12; первый выход блока переключателей 5 соединен через первый полосовой фильтр 6 через индикатор частот 50 Гц 10, через аттенюатор 3, через фазовращатель 2 с входом К суммирующего блока 4; второй выход блока переключателей 5 соединен с первым входом блока индикаторов 11 через второй полосовой фильтр 7 на 7 Гц; третий выход блока переключателей 5 соединен со вторым входом блока индикаторов 11 через третий полосовой фильтр 8 на 14 Гц; четвертый выход блока переключателей 5 соединен с третьим входом блока индикаторов И через четвертый полосовой фильтр 8 на 21 Гц; L выход блока переключателей 5 соединен с L-1 входом блока индикаторов И через L полосовой фильтр на гармонику, равную произведению - (L·7·Гц); N выход блока переключателей 5 соединен с N-1 входом блока индикаторов 11 через N полосовой фильтр на гармонику, равную произведению - (N·7·Гц).
КОНТ
КОНТ
НАГР
КОНТ
КОНТ
НАГР
<mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>С</mi><mi>В</mi></mrow><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>С</mi><mi>В</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>С</mi><mi>В</mi></mrow><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>С</mi><mi>В</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
На фиг. 2 представлен один из N идентичных активных приемных модулей (с 1-1 по 1-N) , содержащий два идентичных параллельных колебательных контура 13 с параметрами магнитной рамочной антенны L и С, каждый с индуктивностью связи в каждом контуре
и
, два гиратора 14 и емкость нагрузки гираторов С, при этом входы двух гираторов 14 соединены с собственным для каждого гиратора 14 колебательным контуром 13 с параметрами L и С, выходы гираторов 14 соединены на общую шину, с которой соединена нагрузочная емкость С, выход активных приемных модулей 1-1 соединен с последовательно соединенными индуктивностями связи
и
двух параллельных колебательных контуров 13.
На фиг. 3 представлен суммирующий блок 4, содержащий трансформатор Тр.1 из N первичных обмоток 1, одной вторичной обмотки 2, одной компенсирующей обмотки 3 и одной питающей обмотки 4 с включением выпрямляющих элементов в ней - диодом и конденсатором, при этом N входов, начиная с первого по N, соединены с входами первичных обмоток 1 трансформатора Тр.1, выходы первичных обмоток 1 трансформатора Тр.1 заземлены; первый выход суммирующего блока 4 соединен с входом вторичной обмотки 2 трансформатора Тр.1, выход вторичной обмотки 2 трансформатора Тр.1 заземлен; вход К суммирующего блока 4 соединен с входом компенсирующей обмотки 3 трансформатора Тр.1, выход компенсирующей обмотки 3 трансформатора Тр.1 заземлен; второй выход суммирующего блока 4 соединен с выходом четвертой обмотки 4 трансформатора через элементы выпрямителя.
На фиг. 4 блок переключателей 5, содержащий N включателей на два положения каждый (Вк.1, Вк.2, …, Вк.L, …, Bк.N), при этом вход блока переключателей 5 соединен параллельно с нулевыми клеммами каждого из N включателей, начиная Вк.1 по Bк.N, выходы блока переключателей 5, начиная с первого по N, соединены со второй клеммой в каждом из N включателей; первая клемма каждого включателя с первого по N изолирована, поэтому при соединении первой клеммы с нулевой клеммой в каждом из N включателях осуществляется разрыв соединения входа блока переключателей 5 с его выходами в любом из N включателей с любым из N выходов блока переключателей 5.
ВХ
ВЫХ
1
2
3
ВХ
1
2
3
1
2
ВЫХ
На фиг. 5 представлен полосовой фильтр, показанный на фиг. 1 как 6, 7, 8, 9, …, L, …, N, который содержит две емкости настройки: входная С и выходная С, являющихся настроечными на частоту пропускания каждого из N полосовых фильтров, два гиратора 15, и три емкости С, С и С, входящих в состав Т-образного фильтра, включенного между двумя гираторами 15; при этом вход полосового фильтра присоединен к входу первого гиратора 15 и параллельно к заземленной входной емкости С, выход первого гиратора 15 соединен с входом второго гиратора 15 через последовательные соединенные первую и вторую емкости С и С, а третья заземленная емкость С соединена с точкой соединения первой и второй емкостей С и С, выход полосового фильтра соединен с выходом второго гиратора 15 и параллельно с заземленной выходной емкостью С.
На фиг. 6 представлен индикатор 10 частот 50 Гц, который содержит измеритель напряжения 16, светодиод 17 и включатель (Вкл.) на два положения включения, при этом вход индикатора 10 частот 50 Гц присоединен к нулевым клеммам включателя (Вкл.), выход индикатора 10 частот 50 Гц соединен с первой клеммой включателя, обеспечивая передачу электрической энергии с входа индикатора 10 на его выход, измеритель напряжения 16 соединен со второй клеммой включателя, обеспечивая соединение индикатора напряжения 16 к входу индикатора 10 частот 50 Гц, первое положение включателя соединяет вход индикатора 10 частот 50 Гц с его выходом и светодиодом 17 для контроля наличия ЭДС, а второе положение включателя соединяет вход индикатора частот 50 Гц к измерителю напряжения 16.
На фиг. 7 представлен блок индикаторов 11, содержащий N включателей на два положения, измеритель напряжения 16 и светодиоды 17 для фиксации частот 7 Гц, 14 Гц, 21 Гц, 28 Гц, 35 Гц, 42 Гц и так далее, их количество зависит от исследуемой полосы частот, при этом N входов блока индикаторов 11 соединены с нулевыми клеммами N включателей на два положения каждый, светодиоды 17 соединены с первой клеммой в каждом включателе и при короткозамкнутой цепи нулевая клемма первая клемма присоединен светодиод 17 ко входу в каждом из N входов, а при короткозамкнутой цепи нулевая клемма вторая клемма присоединен измеритель напряжения 16 к одному из каналов.
Предисловие.
РЕЗОНАН
ГАРМ
РЕЗОНАН
ГАРМ
РЕЗОНАН
Резонатор Земля-ионосфера возбуждается непрерывными разрядами молний грозовой активности. Причем резонансная частота резонатора находится в пределах f=7 (Гц) [1]. Гармонический состав находится в пределах кратных 7 Гц, т.е. соответствует выражению F=n·f (Гц), где n - номер гармоники (n=2, 3, … целые числа). Таким образом, гармониками являются частоты F=14 Гц, 21 Гц, 28 Гц, … Наибольшая гармоника для диапазона 3-300 Гц определится как n=300 Гц/f=300 Гц/7 Гц ≈ 42 гармоника. Резонатор возбуждает частоты гармоник до 1000 Гц. Гармоники низкого уровня, поэтому фиксировать их сложно. Однако создание колебательных систем на высокие частоты значительно проще. Так как индуктивность и емкость для колебательного контура на 7 Гц технически создать сложно из-за их необходимых больших размеров, потому антенные устройства современных станций слежения за данными частотами являются громоздкими и занимают площади в несколько квадратных километров.
Принцип работы изобретения «Полевой индикатор естественного электромагнитного поля земли».
Возбуждаемая электромагнитным полем резонатора Земля-ионосфера наведенная ЭДС в N активных приемных модулей с 1-1 по 1-N (фиг. 1, 2) поступает на суммирующий блок 4, где складывается в суммирующем ЭДС трансформаторе Тр.1 (фиг. 3), за счет включенных в трансформатор N первичных обмоток. Фазировать наведенные ЭДС в N активных приемных модулей нет необходимости, так как длина волны на 7 Гц составляет около 40000 км. Поэтому распределенное электромагнитное поле для района размещения модулей синфазно.
Суммарная энергия наведенной ЭДС во вторичной обмотке трансформатора Тр.1 (фиг. 3) поступает на первый выход суммирующего блока 4 и далее на включатель Вк.1, который позволяет выполнить настройку системы приемных модулей от 1-1 до 1-N и суммирующего блока 4 с помощью анализатора спектра 12 в лабораторных условиях, замкнув нулевую клемму включателя Вк.1 со второй клеммой (фиг. 1). Для исследований спектра электромагнитного поля в полевых условиях анализатор спектра 12 не нужен. Поэтому в полевых условиях включатель Вк.1 (фиг. 1) всегда имеет надежное соединение нулевой клеммы и первой клеммы. Наведенная ЭДС, таким образом, поступает через первую клемму Вкл.1 на вход блока переключателей 5, который состоит из N включателей (Вк.1, Вк.2, Вк.3, …, Bк.L, …, Bк.N). Их назначение состоит в том, чтобы исследовать заданную полосу частот, отключив в исследовании другие полосы, учитывая, что энергия, наведенная пропорционально, делится по всем каналам исследования полос частотного спектра (фиг. 4). Каждый из N включателей соединяет вход блока переключателей 5 с любым из выходов через замкнутые для включателей клемм нулевой и второй, и разрывает соединение входа блока переключателей 5 с любым из выходов через замкнутые для включателей клеммы нулевой и первой. Таким образом, N включателей через свои вторые клеммы образует N выходов блока переключателей 5. К каждому выходу блока переключателей 5 подсоединен полосовой фильтр, начиная с 6 по N (фиг. 1). Первый выход блока 5 через полосовой фильтр 6, настроенный на частоту 50 Гц, частоту питающей сети энергоснабжения, соединен с входом индикатора 10 частот 50 Гц. Индикатор 10 частот 50 Гц (фиг. 6) позволяет пропустить энергию 50 Гц, поступающую на вход индикатора 10, непосредственно на выход индикатора 10 через короткозамкнутые клеммы нулевую и первую включателя, расположенного в индикаторе 10, либо измерить величину наведенной ЭДС промышленной частоты 50 с помощью измерителя напряжения 16 через короткозамкнутые клеммы нулевую и вторую включателя. Одновременно в цепь выхода индикатора 10 включен светодиод 17, который обеспечивает сигнализацию наличия наведенной ЭДМ промышленной частоты 50 Гц. В качестве измерителя напряжения 16 может быть использован любой промышленно выпускаемый переносной вольтметр. Выход индикатора 10 присоединен через аттенюатор 3 и фазовращатель 2 к входу К суммирующего блока 4 (фиг. 1). Подводимая к компенсирующей обмотке трансформатора Тр.1 наведенная энергия (фиг. 3) позволяет с помощью элементов настройки аттенюатора 3 и фазовращателя частично компенсировать мощную наведенную ЭДС частотой 50 Гц и суммарной ЭДС частотного спектра резонатора Земля-ионосфера и повысить разрешающие способности изобретения «Полевой индикатор естественного электромагнитного поля земли». Второй выход суммирующего блока 4 соединен с выходом четвертой обмотки 4 трансформатора через элементы выпрямителя - диод и емкость, цепь питания от второго выхода суммирующего блока до гираторов не показана, чтобы не увеличивать сложность приведенной схемы.
1
2
3
3
ВХ
ВЫХ
Полосовые фильтры на фиг. 1, обозначенные как 6, 7, 8, …, L, …, N, конструктивно выполнены одинаково. Их конструкция представлена фиг. 5. Схема низкочастотного полосового фильтра построена на основе использования двух гираторов 15 с включением между ними емкостного Т-образного фильтра, состоящего из емкостей С, C и С. Причем гиратор есть преобразователь сопротивления [2], если нагрузкой гиратора является емкость, но входное сопротивление гиратора носит индуктивный характер. Например, если нагрузкой гиратора будет емкость в 1 мкФ, то эквивалентная индуктивность входа гиратора будет равна 100 Гн. Это свойство гираторов использовано при построении фильтра. На частоты 7 Гц, 14 Гц, … необходимы контура с настолько огромным количеством индуктивного и емкостного сопротивлений. Поэтому в качестве антенн используют многокилометровые проволочные конструкции, а в полосовых фильтрах колебательные контуры с большой индуктивностью. В соответствии с схемой фиг. 5 нагрузкой гираторов 15 является емкость С, поэтому входная емкость С и выходная емкость С являются настроечными для контуров образованными указанными емкостями и входной индуктивностью гираторов 15. Такой полосовой фильтр хорошо работает на частотах до 300 Гц. Поэтому настроить полосовые фильтры на частоты 7 Гц, 14 Гц, 21 Гц и т.д. достаточно просто, если использовать преобразователь реактивных сопротивлений, каким является гиратор 15.
Контроль частот спектра резонатора Земля-ионосфера осуществляется блоком индикаторов 11 (фиг. 7), содержащим N включателей на два положения, измеритель напряжения 16 и светодиоды 17 для фиксации частот 7 Гц, 14 Гц, 21 Гц, 28 Гц, 35 Гц, 42 Гц и так далее, их количество зависит от исследуемой полосы частот, при этом N входов блока индикаторов 11 соединены с нулевыми клеммами N включателей на два положения каждый, светодиоды 17 соединены с первой клеммой в каждом включателе и при коротко-замкнутой цепи нулевая клемма - первая клемма соединен светодиод 17 ко входу в каждом из N входов, а при короткозамкнутой цепи нулевая клемма - вторая клемма присоединен измеритель напряжения 16 к одному из каналов. Таким образом, есть возможность контролировать каждый канал частотный с помощью светодиода 17, а также подключив к одному из N каналов измеритель напряжения, получить наведенную ЭДС на данной частоте частотного спектра, возбуждаемого в резонаторе Земля-ионосфера.
КОНТ
КОНТ
НАГР
КОНТ
КОНТ
НАГР
НАГР
ВХОДА
КОНТ
ВХОДА
ОБЩ
КОНТ
BХОДА
КОНТ
<mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>С</mi><mi>В</mi></mrow><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>С</mi><mi>В</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>С</mi><mi>В</mi></mrow><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>С</mi><mi>В</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>С</mi><mi>В</mi></mrow><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>С</mi><mi>В</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Наведенная ЭДС возбуждается в активных приемных модулей (с 1-1 по 1-N), содержащих два идентичных параллельных колебательных контура 13 с параметрами магнитной рамочной антенны L и С (фиг. 2), каждый с индуктивностью связи в каждом контуре
и
, два гиратора 14 и емкость нагрузки гираторов С, при этом входы двух гираторов 14 соединены с собственным для каждого гиратора 14 колебательным контуром 13 с параметрами L и С, выходы гираторов 14 соединены на общую шину, к которой соединена нагрузочная емкость С, выход активных приемных модулей 1-1 соединен с последовательно соединенными индуктивностями связи
и
двух параллельных колебательных контуров 13. Подключенная нагрузочная емкость С для двух гираторов 14 позволяет создать значительную индуктивность L на входе гираторов 14, а небольшая индуктивность магнитной рамочной антенны L как дополнение к индуктивности входа L гираторов позволит настроить параллельные колебательные контура, состоящего из общей индуктивности L=(L+L) и емкости С. Сложность создания подобных контуров из-за необходимости иметь очень большое значение индуктивного сопротивления, это решается путем использования преобразователей реактивных сопротивлений, что нашло отражение в применении активных приемных модулей. Возбуждаемая электромагнитным полем резонатора Земля-ионосфера наведенная ЭДС в параллельных колебательных контурах через индуктивную связь с индуктивностями
и
, последовательно включенные, поступает на выход активного приемного модуля (фиг. 2).
Таким образом, поставленная цель в представленных материалах достигнута, работоспособность изобретения обоснована.
Авторам неизвестны технические решения из области электрорадиотехники, содержащие признаки, эквивалентные отличительным признакам заявленного устройства. Авторам неизвестны технические решения из других областей техники, обладающие свойствами заявленного технического объекта изобретения. Таким образом, заявленное техническое решение, по мнению авторов, обладает критерием существенных признаков.
Литература
1. Блиох П.В., Николаенко А.П, Филиппов Ю.Ф. Глобальные электромагнитные резонансы в полости земля-ионосфера. Киев: «Наукова думка» 1977.
2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: «Мир». 1983.