Устройство для измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах
APPLIANCE FOR CURRENT DENSITY VECTOR COMPONENTS MEASUREMENT IN CONDUCTING MEDIA

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения составляющих вектора плотности электрического тока в проводящих средах.
Известен датчик для электроразведочной аппаратуры, включающий электропроводящий стержень, на котором размещены обмотки тороидальных измерительных катушек, намотанные на ферромагнитных сердечниках, сгустители-обтекатели, установленные на электропроводящем стержне (SU, авторское свидетельство №417753, G01V 3/06, 1971).
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения электрического поля.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах, включающее установленные взаимно ортогонально в выполненном в виде куба корпусе три датчика плотности тока, каждый из которых состоит из размещенных на токопроводе, выполненном в виде трубы, одной или более соединенных параллельно тороидальных катушек индуктивности, намотанных на кольцевые магнитопроводы, и закрепленных на торцах токопровода сгустителей тока, выполненных в виде колец, три электронных блока предварительной обработки сигналов, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего датчика, а выход - с входом регистрирующего блока, при этом внутренний диаметр колец равен внешнему диаметру токопровода, а внешний диаметр колец - длине грани корпуса, причем внешний диаметр токопровода равен внутреннему диаметру катушки индуктивности, а токопроводы, сгустители тока и корпус выполнены из диэлектрического материала (RU, патент №2483332, G01V 3/08, 2011).
Недостатками данного устройства являются низкая точность и слабая помехозащищенность измерения, обусловленные нестабильностью соотношения электропроводностей материала внутри токопровода и материала среды при изменении внешних условий, слабая помехозащищенность линии передачи аналогового сигнала от электронного блока на конечное регистрирующее устройство, чувствительность к акустическим или вибропомехам и громоздкость конструкции.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах.
Техническим результатом является повышение точности измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах и увеличение помехозащищенности при измерении за счет уменьшения влияния электромагнитных и акустических помех и неоднородности проводящей среды, в которой проводится измерение.
Технический результат достигается в устройстве для измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах, включающем по меньшей мере один установленный в корпусе датчик плотности тока, состоящий из токопровода с размещенным на нем трансформатором тока, по меньшей мере один электронный блок, по меньшей мере три кольцеобразных виброгасящих элемента, плотно надетых на трансформатор тока с зазором друг относительно друга с возможностью плотного прилегания к корпусу и выполненных из виброгасящего материала, при этом токопровод выполнен из проводящего материала, обладающего электропроводностью более 100 См/м, торцы токопровода заделаны заподлицо с внешней поверхностью корпуса, а электронный блок выполнен в виде последовательно соединенных блока преобразования и первичного усиления сигнала, блока настраиваемых аналоговых фильтров, блока аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на основе микросхемы звукового АЦП с выходным цифровым сигналом формата USB, блока трансляции сигнала и питания интерфейса USB, выполненного в виде двух установленных на концах кабеля передатчиков-приемников, причем выход датчика плотности тока соединен с входом блока преобразования и первичного усиления сигнала, выход блока трансляции сигнала и питания интерфейса USB соединен с входом USB регистрирующего компьютера, а корпус устройства выполнен из диэлектрического материала.
Установка по меньшей мере трех кольцеобразных виброгасящих элементов, плотно надетых на трансформатор тока с зазором друг относительно друга с возможностью плотного прилегания к корпусу и выполненных из виброгасящего материала, позволяет уменьшить воздействие акустических помех на трансформатор тока и связанный с воздействием паразитный электрический сигнал на его выходе.
Выполнение токопровода из проводящего материала, обладающего электропроводностью более 100 См/м, позволяет уменьшить влияние изменения внешних условий на временную стабильность параметров измерительной системы.
Торцы токопровода заделаны заподлицо с внешней поверхностью корпуса для уменьшения габаритов, упрощения конструкции и увеличения удобства использования устройства.
Выполнение электронного блока в виде последовательно соединенных блока преобразования и первичного усиления сигнала, блока настраиваемых аналоговых фильтров, блока аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на основе микросхемы звукового АЦП с выходным цифровым сигналом формата USB, блока трансляции сигнала и питания интерфейса USB, выполненного в виде двух установленных на концах кабеля передатчиков-приемников, позволяет осуществлять усиление поступающего с датчика тока сигнала, его фильтрацию с возможностью выбора рабочего диапазона частот с помощью блока аналоговых фильтров, его перевод из аналоговой формы в цифровую (оцифровку) с помощью блока АЦП, передачу цифрового сигнала в формате интерфейса USB с трансляцией этого сигнала по длинному кабелю с помощью блока трансляции. При этом использование блока АЦП, построенного на основе микросхемы звукового АЦП, отличается простой организацией схемы, простотой организации работы с компьютером, а также экономичностью. Использование блока трансляции сигнала и питания интерфейса USB по кабелю позволяет передавать цифровой сигнал на расстояние в несколько раз больше, чем без трансляции.
Поскольку выход датчика плотности тока соединяется со входом блока преобразования и первичного усиления сигнала, то электронный блок работает с сигналом, пропорциональным измеряемой составляющей вектора плотности тока. Соединение выхода электронного блока с входом USB регистрирующего компьютера обеспечивает дальнейшую регистрацию, обработку и сохранение этого сигнала.
Выполнение корпуса устройства из диэлектрического материала обеспечивает электрическую изоляцию трансформатора тока, электронного блока, виброгасящих элементов и боковой поверхности токопровода от внешней среды.
Устройство для измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен общий вид устройства, на фиг. 2 - блок-схема электронного блока, на фиг. 3 - расположение виброгасящих элементов, на фиг. 4 - зависимость коэффициента концентрации тока от соотношения электропроводностей материала внутри токопровода и материала среды по результатам компьютерного моделирования, на фиг.5 - результаты полевых испытаний устройства с защитой от акустических помех для определения эффективности защиты.
Устройство для измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах состоит из по меньшей мере одного установленного в корпусе 1 датчика плотности тока 2, состоящего из токопровода 3 с размещенным на нем трансформатором тока 4, и по меньшей мере одного электронного блока. Электронный блок выполнен в виде последовательно соединенных блока 5 преобразования и первичного усиления сигнала, блока 6 настраиваемых аналоговых фильтров, блока 7 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на основе микросхемы звукового АЦП с выходным цифровым сигналом формата USB, блока 8 трансляции сигнала и питания интерфейса USB, выполненного в виде двух установленных на концах кабеля передатчиков-приемников 9 и 10. Выход датчика плотности тока 2 соединен с входом блока 5 преобразования и первичного усиления сигнала, выход блока 8 трансляции сигнала и питания интерфейса USB соединен с входом USB регистрирующего компьютера 11. Токопровод 3 выполнен из проводящего материала, обладающего электропроводностью более 100 См/м. Токопровод 3 может быть выполнен в виде цилиндра или в виде стержня, например, квадратного сечения, при этом измеряется составляющая вектора плотности тока, параллельная оси цилиндра или стержня. Торцы токопровода 3 заделаны заподлицо с внешней поверхностью корпуса 1. Устройство снабжено по меньшей мере тремя кольцеобразными виброгасящими элементами 12, плотно надетыми на трансформатор тока 4 с зазором друг относительно друга с возможностью плотного прилегания к корпусу 1 и выполненными из виброгасящего материала. Корпус 1 устройства выполнен из диэлектрического материала. Токопровод 3 и трансформатор тока 4 вместе с виброгасящими элементами 12 жестко закреплены в корпусе 1, причем виброгасящие элементы 12 примыкают к внутренней поверхности корпуса 1. Токопровод 3 электрически изолирован от трансформатора тока 4, электронного блока и виброгасящих элементов 12.
Устройство для измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах работает следующим образом.
конц
Устройство погружается в исследуемую среду (землю, воду) таким образом, чтобы корпус 1 устройства был полностью окружен средой и чтобы вся поверхность торцов токопровода 3 контактировала со средой. Начинается процесс измерения той составляющей вектора плотности тока, которая параллельна оси токопровода 3. Протекающий около устройства ток разделяется: одна часть тока попадает на торцы токопровода 3 и дальше течет по токопроводу 3, другая часть обтекает корпус 1 устройства. Гальванически замкнутая цепь, состоящая из токопровода 3 и среды, является первичной обмоткой для трансформатора тока 4. На выходе трансформатора тока 4 появляется электрический сигнал, пропорциональный току, протекающему в токопроводе 3. Компьютерное моделирование показало, что ток, протекающий в токопроводе 3, пропорционален составляющей вектора плотности тока, параллельной оси токопровода 3, и не зависит от других ортогональных ей составляющих. Также моделирование позволило определить зависимость части тока, которая течет через токопровод 3, от электропроводностей среды и материала токопровода 3. Для характеристики этой зависимости было введено понятие коэффициента концентрации тока K, который равен отношению тока, протекающего через токопровод 3, и тока, протекающего во внешней среде через площадку такого же размера и ориентации, как и поперечное сечение токопровода 3:
,
изм
токопров
конц
токопров
2
1
конц
2
1
конц
2
1
2
1
конц
2
1
1
2
2
1
где I - ток, протекающий в токопроводе 3,  - составляющая вектора плотности тока, параллельная оси токопровода 3, и S - площадь поперечного сечения токопровода 3. Согласно моделированию величина K зависит не только от площади S поперечного сечения токопровода 3, но и от отношения электропроводности σ материала токопровода 3 и электропроводности σ среды. На фиг. 4 показана зависимость коэффициента концентрации тока K от соотношения σ/σ электропроводностей материала токопровода 3 и материала среды, полученная по результатам компьютерного моделирования. Анализ графика зависимости K от соотношения σ/σ на фиг. 4 показывает, что при σ/σ≥100 коэффициент концентрации K практически не зависит от σ/σ и, соответственно, не зависит от σ при σ=const. Если принять максимально возможную электропроводность среды (земли или воды, где может быть использовано устройство) за 1 См/м, то электропроводности материала токопровода 3 более 100 См/м вполне достаточно для выполнения соотношения σ/σ≥100. Кроме того, из фиг. 4 видно, что по сравнению с прототипом предлагаемое устройство не теряет в чувствительности (коэффициент концентрации 3.65 против 1.5). Таким образом, изменение электропроводности среды во времени не будет оказывать влияния на измерительные характеристики устройства.
Для обеспечения линейности и максимальной временной стабильности измерительных характеристик устройства токопровод 3 целесообразно изготавливать из материала, характеризующегося хорошей стабильностью и малой величиной электродного потенциала, электрохимической поляризации и поляризационного сопротивления. Конкретные величины указанных электрохимических параметров определяют из предполагаемого режима и условий эксплуатации устройства. В частности, если требуется проводить долговременные измерения, то наибольшее значение имеет временная стабильность электрохимических параметров, и можно использовать в качестве материла токопровода 3 инертные вещества, например графит с деполяризующим покрытием. Если требуется проводить кратковременные, но прецизионные измерения, то важно уменьшить погрешность, вносимую электрохимическими процессами, и можно использовать материал с малыми величинами электрохимических параметров, например медь.
Электрический сигнал на выходе трансформатора тока 4, пропорциональный току, протекающему в токопроводе 3 и, соответственно, величине составляющей вектора плотности тока, параллельной оси токопровода 3, преобразуется в напряжение и предварительно усиливается в блоке 5 преобразования и первичного усиления сигнала (фиг. 2). Далее сигнал поступает на вход блока 6 настраиваемых аналоговых фильтров, где производится избирательное усиление сигнала в рабочем диапазоне частот и подавление помех. Блок 6 настраиваемых аналоговых фильтров имеет возможность изменения рабочего диапазона частот сигнала под конкретную ситуацию. Затем сигнал оцифровывается в блоке 7 аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который построен на основе микросхемы звукового АЦП. Блок 7 позволяет оцифровывать сигнал частотой до первых десятков килогерц и дополнительно усиливать входной аналоговый сигнал блока с программным выбором коэффициента усиления. Работа с измеряемым сигналом и управление блоком 7 АЦП осуществляется с регистрирующего компьютера 11, причем для работы требуются только драйвера звуковой платы. На выходе блока 7 АЦП формируется цифровой сигнал в формате интерфейса USB, который поступает на вход первого передатчика-приемника 9 сигнала в составе блока 8 трансляции сигнала и питания интерфейса USB. Первый передатчик-приемник 9 находится на одном конце длинного кабеля и физически расположен внутри или в непосредственной близости от корпуса 1 устройства. В качестве длинного кабеля может использоваться, например, доступный и экономичный кабель четыре витые пары длиной несколько десятков метров. На другом конце кабеля в непосредственной близости от регистрирующего компьютера 11 располагается второй передатчик-приемник 10 сигнала в составе блока 8 трансляции сигнала и питания интерфейса USB. При помощи второго передатчика-приемника 10 сигнал преобразуется обратно в сигнал формата интерфейса USB и поступает на вход регистрирующего компьютера 11.
Для защиты от вибровоздействия (акустического воздействия) используется совокупность виброгасящих элементов 12 числом не менее трех, надетых на трансформатор тока 4 (фиг. 3). Каждый виброгасящий элемент 12 представляет собой кольцеобразную вкладку из виброгасящего материала, плотно охватывающую трансформатор тока 4, с возможностью плотного прилегания к корпусу 1. Виброгасящие элементы 12 расположены с зазором друг относительно друга. При вибровоздействии (акустическом воздействии) на корпус 1 устройства упругая волна демпфируется виброгасящими элементами 12, в результате чего вибровоздействие на трансформатор тока 4 минимизируется. На рисунке фиг. 5 показаны результаты полевых испытаний устройства с защитой от акустических помех по фиг. 3 для определения эффективности защиты. Устройство помещалось в землю, на поверхность земли в непосредственной близости от места установки устройства осуществлялось мощное вибровоздействие. Из анализа спектрограмм измеряемого сигнала без вибровоздействия (вверху на фиг. 5) и с вибровоздействием (внизу на фиг. 5, с указанием его основной частоты) видно, что на основной частоте вибровоздействия не наблюдается какого-либо сигнала, что показывает хорошую эффективность защиты от вибропомех.
Предлагаемое устройство для измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах позволяет повысить точность и увеличить помехозащищенность измерения составляющих вектора плотности тока в проводящих средах при регистрации естественных (теллурических) токов и токов индустриального происхождения при контроле коррозии различных сооружений, при регистрации токов, возбуждаемых искусственными электрическими источниками, например, при изучении геодинамических явлений, предваряющих катастрофические события (землетрясения, оползни, карстово-суффозионные процессы), когда необходимо исследовать пространственно-временную миграцию токовых линий источников, и, следовательно, как можно точнее измерять составляющие вектора плотности тока, при регистрации токов, возникающих в результате преобразования энергии неэлектрических полей в энергию электрического поля, например, при изучении сейсмоэлектрического эффекта второго рода с искусственным или естественным сейсмическим воздействием, когда необходимо одновременно локально измерять сейсмическое и электрическое поле. При использовании устройства увеличивается экономичность, упрощается изготовление и улучшается удобство использования системы измерения, что важно для широкого распространения указанных измерений среди исследователей.