Электродный датчик напряженности электрического поля в море
ELECTRODE 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 (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, 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. Недостатком известного датчика является невысокая чувствительность, что обусловлено большим уровнем, так называемого, шума движения, то есть шума электродного датчика, возникающего при движении его в морской среде.
Известен также электродный датчик напряженности электрического поля в море, содержащий первый и второй электроды, установленные на буксируемой диэлектрической платформе на расстоянии друг от друга, и первый и второй электромотор, каждый электрод выполнен в виде центрально симметричной плоской фигуры, состоящей из одной или нескольких секций, расположенных в одной плоскости, 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 (патент РФ на изобретение №2745588, Бюл. №10, 29.03.2021 г). Это устройство, как наиболее близкое по технической сущности к заявленному, принято за прототип. Недостатком прототипа является недостаточная чувствительность. Это обусловлено тем, что вторая секция электрода при буксировке находится в турбулентном следе первой секции, что не позволяет в значительной степени уменьшить шум движения. Кроме того, для уменьшения теплового шума датчика необходимо увеличивать площадь электродов, следовательно, увеличивать размер секций, уменьшая расстояние между ними. Однако при этом влияние турбулентности на вторую секцию увеличивается, а возможность увеличения площади ограничена.
Технической задачей, решаемой в заявленном устройстве, является повышение чувствительности датчика путем уменьшения шума движения и теплового шума.
Поставленная задача решается тем, что в электродном датчике напряженности электрического поля в море, содержащем первый и второй электроды, установленные на плоской буксируемой диэлектрической платформе на расстоянии друг от друга, и первый и второй электромотор, и каждый электрод выполнен в виде нескольких плоских секций, установленных с возможностью вращения на металлической оси, перпендикулярной к плоскости секций и диэлектрической платформе, при этом ось первого и второго электрода механически соединена соответственно с валом первого и второго электромотора, секции электрода выполнены в виде пары или нескольких пар идентичных круговых секторов, расположенных диаметрально противоположно в параллельных плоскостях. Кроме того, секции электрода расположены так, что в плане образуют круг, а также область ближе 0,3 радиуса электрода, прилегающая к оси вращения, и секторальные области электродов с углом, составляющим 0,1 от угла сектора электрода, примыкающие к его передней кромке по отношению к направлению вращения секций, покрыты слоем диэлектрика.
Для увеличения площади электрода и уменьшения теплового шума датчика секции электрода выполнены в виде диаметрально противоположных круговых секторов. Чтобы вторая секция при этом не находилась в турбулентном следе первой, секции расположены в параллельных плоскостях, перпендикулярных оси вращения. Также путем покрытия слоем диэлектрика из работы исключена область электрода, прилегающая к оси вращения, где мала линейная скорость точек поверхности электрода. Чтобы это мало отражалось на рабочей площади электрода, исключен участок радиусом 0,3R (R - радиус сектора), что уменьшает площадь не более чем на 10%. Как будет показано дальше, целесообразно кроме области радиусом 0,3R, прилегающей к оси вращения, исключить из работы, покрыв слоем диэлектрика, также секторальную область электрода, примыкающую к передней кромке, с углом, равным 0,1 от угла всего сектора.
На фиг. 1а и 1б изображен электрод датчика, содержащий 8 пар секторов по 22,5 градусов каждый. Нечетные номера 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 расположены диаметрально четным, соответственно номерам 2, 4, 6, 8, 12, 14, 16. Все секторы механически и электрически соединены с общей металлической осью 17. Покажем, что поставленная техническая задача решена. В дальнейших расчетах полагаем, что электрический контакт с водой осуществляется только одной стороной электрода.
1
Пусть электрод (фиг. 2) содержит только два сектора, соответствующие номерам 1 и 2 на фиг. 1. Они установлены в параллельных плоскостях диаметрально противоположно на общей оси 17, вращающейся с угловой скоростью ω. Области поверхности электрода, покрытые диэлектриком и не имеющие электрического контакта с водой, на фиг. 2 обозначены штриховкой. Датчик, следовательно, и электрод, буксируется в неподвижной воде с постоянной скоростью , вектор скорости направлен вдоль поверхности электрода (фиг. 2). Как показано в работе (В.Г. Максименко. Пульсации напряжения электродного датчика в потоке электролита./ Радиотехника и электроника, 2018, Т.63, №7, С. 720-726), электродный шум движения обусловлен окислительными процессами на поверхности электрода, скорость которых зависит от скорости диффузии кислорода к поверхности электрода. Плотность потока диффузии кислорода на электрод зависит от толщины диффузионного слоя, которая модулируется скоростью набегающего на электрод пульсирующего потока. Пульсации потенциала электрода относительно воды (то есть шум движения) пропорциональны пульсациям потока диффузии кислорода на электрод. Поэтому уменьшение шума движения можно оценивать по уменьшению пульсаций потока диффузии кислорода к поверхности электрода при одинаковых прочих условиях. Скорость относительно жидкости произвольной точки М поверхности электрода верхнего по фиг. 2 сектора, находящейся на расстоянии r от оси вращения, определяется формулой, известной из работы (В.Г. Максименко. Вращающийся электрод в датчике электрического поля. / Радиотехника и электроника. - 2021. - Т. 66, №5. - С. 436-442).
1
1
2
где ϕ - угловая координата точки М, считая от вертикальной оси на фиг. 2. Вектор  на фиг. 2 - это скорость точки М относительно неподвижной воды при вращении электрода, по модулю она равна ωr. Для нижнего сектора в диаметрально противоположной точке М
0
1
0
0
Если ωr>>V, то можно считать, что вектор  перпендикулярен к радиусу r. Расстояние от края сектора до точки М равно длине дуги l=r(ϕ-ϕ), где ϕ - угловая координата края сектора. Толщина диффузионного слоя на гладкой полубесконечной пластинке, которая ламинарно обтекается потоком жидкости, имеющим скорость , определяется формулой (Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. /М.: Гос. изд-во физ.-мат. литературы. 1959)
1
-6
2
-9
2
2
где l - расстояние от передней кромки пластинки до точки наблюдения (в нашем случае до точки М), v=10 м/c - кинематическая вязкость электролита, D=2,6⋅10 м/с - коэффициент диффузии атомов кислорода. Для электрода на фиг. 2 в (3) вместо скорости  следует использовать скорость , которая определяется формулами (1) и (2). Плотность потока диффузии (моль/мс) кислорода к поверхности верхнего сектора электрода с учетом (1)-(3)
0
0
-3
где с - концентрация кислорода в толще электролита. Типичная концентрация атомов кислорода при температуре 20°С для открытой воды с=0.5⋅10 моль/л. Поток диффузии (моль/с) на поверхность электрода, размер которого в направлении вектора скорости набегающего потока жидкости много больше толщины диффузионного слоя δ, можно вычислить интегрированием плотности потока j по всей площади электрода. На передней кромке электрода толщина диффузионного слоя минимальна, а плотность потока диффузии максимальна, поэтому область поверхности электрода, прилегающую к передней кромке, целесообразно исключить из работы, например, путем покрытия тонким слоем диэлектрика, который не должен оказывать влияния на обтекание электрода водой и формирование диффузионного слоя. Мы исключили из работы область электрода радиусом 0,3R, прилегающую к оси вращения, также секторальную область электрода, прилегающую к передней кромке, с углом, равным 0,1 от угла всего сектора. Размер исключенных областей выбран из условия, чтобы тепловой шум датчика, который определяется его активным сопротивлением, следовательно, площадью контакта датчика с водой, увеличился не более чем на 10%.
0
Необходимо иметь в виду, что развитая Левичем теория конвективной диффузии к плоскому электроду в потоке жидкости, на которой основаны наши расчеты, справедлива для ламинарного обтекания электрода. У реального неподвижного плоского электрода, обтекаемого потоком воды со скоростью V, на его передней кромке формируется пограничный слой, который характерен ламинарным движением жидкости. Однако по мере удаления от передней кромки толщина пограничного слоя
кр
(это на порядок больше толщины диффузионного слоя δ) растет и на некотором расстоянии l от передней кромки достигает такого значения, при котором число Рейнольдса
кр
0
0
0
достигает критического значения Re=1500, при котором ламинарное течение переходит в турбулентное. Для быстро вращающегося электрода роль скорости V в (5) и (6) выполняет скорость U=ωr. Пусть ωR=15V. При этом можно считать, что практически на всей поверхности электрода условие ωr>>V выполняется. Потребуем, чтобы даже на наибольшем расстоянии r=R от оси вращения электрода не возникала турбулентность. Из (5) и (6) получаем, что угловой размер сектора электрода
0
-6
2
Если в (7) вместо ωR подставить 15V, получим при v=10 м / с
0
-1
При R=0,02 м и скорости потока V=2 м/c получаем ω=1500 с и максимальный угол сектора 22,2 градуса.
0
Пусть электрод имеет секторы с углом 22,5 градуса, который практически равен максимальному. Вычислим поток диффузии на электрод при восьми угловых положениях: левая кромка верхнего сектора образует угол ϕ с вертикальной осью на фиг. 2, равный 0; π/8; π/4; 3π/8; π/2; 5π/8; 3π/4; π. В общем случае поток диффузии на верхний сектор
0
Сделаем замену переменной: r/R-t. В первом положении (ϕ=0)
1
Двойной интеграл в (10) обозначим через J.
Для нижней секции электрода в соответствии с (2) интеграл имеет вид
Поток диффузии кислорода на весь двухсекционный электрод (фиг. 1)
0
1, 2
3, 4
5, 6
7, 8
9, 10
11, 12
13, 14
15, 16
0
0
-1
Аналогично находится поток диффузии на электрод при других значениях угла ϕ. Значения интегралов J, J, J, J, J, J, J, J для восьми угловых положений электрода, состоящего из двух секторов (фиг. 1), при R=0,02 м, ω=1500 с и V=2 м/с, приведены в табл. 1, а при скорости V=2,02 м/с, то есть при увеличении скорости буксировки электрода на 1%, при тех же положениях электрода - в табл. 2.
0
0
0
-9
2
-6
2
Сравнение значений, приведенных в табл. 1 и табл. 2, показывает, что при постоянной скорости V относительная пульсация потока диффузии за счет вращения электрода (она равна относительной пульсации интеграла в табл. 1) составляет 0,002, в то время как относительная пульсация потока диффузии за счет пульсации скорости V, равной 1%, составляет 0,000015. Следовательно, помеха от вращения электрода примерно в 133 раза превышает пульсацию потенциала электрода, связанную с пульсациями скорости набегающего на электрод потока жидкости. Подавление такой сильной помехи путем частотной фильтрации представляет определенные технические сложности. Для устранения этой помехи предлагается электрод выполнить многосекционным. Например, при угловом размере сектора 22,5 градусов электрод должен иметь 16 секторов, расположенных в параллельных плоскостях и повернутых относительно друг друга так, чтобы в плане они составляли полный круг, как показано на фиг. 1а. Число секторов можно удвоить, то есть расположить в разных плоскостях не восемь, а шестнадцать пар электродов. Это увеличивает площадь электрода и уменьшает сопротивление датчика, следовательно, приводит к уменьшению его теплового шума и к увеличению чувствительности. Определим восприимчивость электрода с 16 секторами к пульсациям скорости жидкости и выигрыш в чувствительности датчика за счет подавления шума движения по сравнению с неподвижным электродом в виде круглой пластины того же радиуса. В соответствии с табл. 1 при коэффициенте диффузии D=2,6⋅10 м/с, кинематической вязкости жидкости v=10 м/с и скорости V=2 м/с поток диффузии на вращающийся электрод
0
При скорости V=2,02 м/с в соответствии с табл. 2 аналогично
0
Изменение суммы интегралов ΔJ при изменении скорости буксировки ΔV=0,02 м/с
0
Изменение потока диффузии кислорода на вращающийся электрод за счет изменения скорости набегающего при буксировке на электрод потока жидкости на ΔV=0,02 м/с составляет
Изменение потока диффузии на круглый неподвижный электрод [9]
Сравним (13) и (14).
0
н
вр
При ΔV=0,02 м/с получаем ΔI/ΔI≈123. То есть пульсация потока диффузии на неподвижный дисковый электрод в 123 раза больше, чем на вращающийся электрод того же радиуса и той же площади. Примерно во столько же раз уменьшается шум и движения, связанный с пульсацией скорости буксировки датчика. Тепловой шум датчика при этом лишь на 10% больше, чем у датчика с неподвижными дисковыми электродами того же радиуса. На практике такого уменьшения шума движения не требуется, поскольку чувствительность датчика ограничивается другими компонентами шума. Во-первых, тепловым шумом активного сопротивления датчика. Во-вторых, уменьшение пульсаций потенциала вращающегося электрода возможно, только если эти пульсации вызваны одной причиной. В нашем случае это пульсации скорости буксировки датчика и пульсации, связанные с пересечением датчиком крупномасштабных турбулентных вихрей. Некоррелированные пульсации не вычитаются, а складываются квадратично. Увеличение шума при вращении электродов за счет ускорения химических реакций на их поверхности в отсутствие турбулентности у длительно выдержанных в воде электродов проявляется лишь на частотах ниже 40…50 Гц (В.Г. Максименко. Шум электродного датчика в пульсирующем потоке жидкости. Радиотехника и электроника. - 2017. - Т. 62, №11. - С. 1-8.). Если электрический контакт с водой осуществляется не с одной, а двумя сторонами плоского электрода, то это также уменьшает активное сопротивление датчика и величину теплового шума. При этом степень подавления пульсаций электродного потенциала, вызванных пульсациями скорости воды, не изменяется по сравнению с расчетной.
У прототипа теоретическое уменьшение пульсаций потенциала электрода за счет вращения составляет около 50 раз, однако при этом не учитывается тот факт, что сам вращающийся электрод создает турбулентность, и вторая секция электрода движется в турбулентном следе первой. Поэтому на практике уменьшение шума движения может оказаться в разы меньше. У заявленного датчика турбулентность отсутствует, поэтому шум движения, а, следовательно, и чувствительность выше от 2 до 10 раз, чем у прототипа.
Электродный датчик напряженности электрического поля в море схематично показан на фиг. 3. Предпочтительное направление буксировки - перпендикулярное плоскости расположения осей электродов, то есть плоскости чертежа. Датчик содержит установленные на металлических осях 17 и 18 электроды 19 и 20, Оси через сальники 21 и 22 вставлены в герметические корпуса 23 и 24, установленные на буксируемой за кораблем диэлектрической платформе 25. Электромоторы 26 и 27 установлены внутри герметических корпусов 23, 24. Для экранирования помех от электромоторов корпуса 23 и 24 выполнены из магнитомягкой стали. При этом, чтобы в меньшей степени искажать принимаемое электрическое поле, они должны иметь снаружи диэлектрическое покрытие. Вал каждого электродвигателя через диэлектрические муфты 28 и 29 соединен с осью 17 и 18 соответствующего электрода. Напряжение с датчика снимается с помощью пружинных токосъемников 30 и 31, которые установлены на осях 17 и 18 и с помощью изолированных соединительных проводов подключены к приемно-измерительному блоку 32, 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 19 и 20 через металлические оси 17, 18 и токосъемники 30, 31 передают ее на приемно-измерительный блок 32. При буксировке датчика вследствие пульсаций скорости жидкости, обтекающей электроды, между последними возникает флуктуационное напряжение, называемое шумом движения. Электроды 19 и 20 датчика приводятся во вращение через диэлектрические муфты 28 и 29 электромоторами 26 и 27, благодаря чему величина шума движения уменьшается, как это показано выше. При этом выходное напряжение датчика, обусловленное измеряемым электрическим полем, не зависит от вращения электродов.
Технический результат, достигнутый в заявленном устройстве, заключается в повышении чувствительности датчика по сравнению с прототипом от 2 до 10 раз за счет уменьшения электродного шума движения датчика.