ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ДЛЯ РАБОТЫ В МОРСКОЙ СРЕДЕ
ELECTRIC FIELD SENSOR FOR OPERATION IN MARINE ENVIRONMENT

Область техники
Изобретение относится к датчику поля для работы в морской среде, более конкретно к датчику поля, содержащему, по меньшей мере, два контейнера, в каждом из которых заключен, по меньшей мере, один электрод и каждый из которых заполнен электролитом и сообщается посредством гибких трубок с окружающими датчик водными массами, причем электроды связаны с блоком обработки сигналов.
Уровень техники
Из уровня техники известны два основных типа датчиков электрического поля для использования в электромагнитных исследованиях морской среды в нормальных условиях.
В датчиках первого типа применяются длинные изолированные провода, соединяющие электроды Ag-AgCl, Pb-PbCl или иные электроды, связанные с регистрирующим блоком (см., например, Сох et al., 1971; Filloux, 1973; Webb et al., 1985). Межэлектродное расстояние, как правило, является большим, в типичном случае составляя 100-1000 м. Датчик электрического поля такого типа способен генерировать сигнал, существенно превышающий уровень шума электродов. Кроме того, большое расстояние между электродами позволяет усреднить электрические поля, создаваемые турбулентностями, волнами и вариациями температуры и/или концентрации соли (размеры таких полей составляют несколько метров).
Вследствие большого расстояния между электродами они часто работают при различных давлениях и температурах. Это может приводить к значительному дрейфу регистрируемого сигнала. Скорость такого дрейфа зависит от состава и структуры электродов. Параметры, влияющие на дрейф, приведены в таблице для электродов четырех типов.
Типы электродов
Параметры
Ag-AgCl
Cd-CdCl
Pb-PbCl
Графит-марганец
Временной дрейф, мкВ/день
0,6-6
<100
1-10
<30
Зависимость от давления, мкВ/МПа
80
7
100-200
100-200
Температурная зависимость, мкВ/К
<350
460
70-120
17
В датчиках второго типа, использующих солевой мостик (Filloux, 1974), электроды установлены вместе внутри приборного корпуса; они контактируют с морской водой посредством изолированных трубок, длина которых составляет только несколько метров. С учетом того, что такие датчики часто применяются для сбора данных о медленно изменяющихся электрических полях, совместно с ними используется специальное устройство, "прерыватель", предназначенный для устранения дрейфа нулевой точки, обусловленного вариациями температуры и давления.
Поскольку их измерительная база имеет малую длину, такие датчики менее чувствительны по сравнению с датчиками первого типа. С другой стороны, они характеризуются лучшей стабильностью и минимальным дрейфом измеренного сигнала.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в том, чтобы устранить или ослабить, по меньшей мере, один из недостатков, свойственных уровню техники. Данная задача решена благодаря признакам, раскрытым в нижеследующем описании и в прилагаемой формуле изобретения.
Изобретение относится к датчику нового типа для измерения компонент электрического поля в условиях морской среды. Датчик сочетает главные достоинства известных датчиков в отношении чувствительности измерений и стабильности в отношении влияния непостоянства температуры и давления, турбулентности, волн и изменений концентрации соли Для упрощения конструкции он может не содержать "прерыватель", который, однако, целесообразно применять при долговременных измерениях.
В соответствии с первым аспектом изобретения датчик электрического поля содержит пару контейнеров. Контейнеры являются закрытыми и имеют только отверстие для ввода трубки, подведенной к каждому из них. Трубки изготовлены из неэлектропроводного материала. Один конец трубки подведен к контейнеру с возможностью поступления по нему в контейнер текучей среды. Другой конец трубки открыт и связан со средством его позиционирования, выполненным, например, в виде балласта (в типичном случае якоря) или тела с положительной плавучестью (в типичном случае буя). В своем рабочем положении контейнеры, заполненные электролитом, находятся близко друг друга. В каждом из контейнеров заключен, по меньшей мере, один электрод, предпочтительно электрод Ag-AgCl. Второй, открытый конец трубки с помощью средства позиционирования установлен в окружении водных масс, в желаемом положении относительно соответствующего ему контейнера. Ориентация прямой линии, соединяющей вторые концы двух трубок, определяет, какая компонента электрического поля измеряется, а расстояние между этими концами задает измерительную базу. Каждый электрод известным образом подключен к блоку обработки сигналов.
Согласно второму аспекту изобретения контейнеры заполнены пересыщенным электролитом, образующим вокруг электродов химически неагрессивную среду, предотвращающую проникновение воды из трубки в контейнер.
Согласно третьему аспекту изобретения датчик содержит пары контейнеров с ориентацией связанных с ними трубок в различных направлениях. При этом датчики выполнены с возможностью селективно измерять несколько различных компонент поля.
Согласно четвертому аспекту изобретения каждый из контейнеров снабжен группой электродов. При этом различные пары электродов (в состав которых входят по одному электроду из двух контейнеров, образующих пару совместно используемых контейнеров) выполнены с возможностью независимого измерения одной компоненты поля с помощью многоканального блока обработки сигналов.
Согласно пятому аспекту изобретения датчик выполнен с возможностью последовательного или непрерывного сравнения стабильности измерений, обеспечиваемой электродами.
Согласно шестому аспекту изобретения блок обработки сигналов выполнен с возможностью прекращения, после проверки результатов коллективных измерений, использования электродов, определенных как дефектные или нестабильные.
Согласно седьмому аспекту изобретения блок обработки сигналов выполнен с возможностью усреднения данных, полученных от различных пар исправно функционирующих электродов, для улучшения отношения сигнал/шум.
Краткое описание чертежей
Далее в качестве неограничивающего примера будет описан предпочтительный вариант изобретения, проиллюстрированный прилагаемыми чертежами.
Фиг.1 иллюстрирует принцип работы датчика согласно изобретению, который снабжен парой электродов и настроен на измерение горизонтальной компоненты поля.
Фиг.2 аналогичным образом иллюстрирует принцип работы датчика согласно изобретению, снабженного четырьмя парами электродов.
На фиг.3 иллюстрируется принцип работы датчика согласно изобретению, одна часть которого сконфигурирована для измерения горизонтальной компоненты электрического поля, а другая часть - для измерения другой горизонтальной или вертикальной компоненты электрического поля.
Осуществление изобретения
На фиг.1 датчик S согласно изобретению содержит два контейнера 1, 2, в которых заключены электроды 3, 4. Контейнеры 1, 2 погружены в толщу воды W. Электроды 3, 4 подключены посредством кабелей 5 к блоку 6 обработки сигналов. Контейнеры 1, 2 выполнены из неэлектропроводного материала и заполнены пересыщенным электролитом Е. К каждому контейнеру 1, 2 подведена своим первым концом 7а, 8а соответственно, с возможностью поступления по нему в контейнер текучей среды, трубка 7, 8 соответственно. Второй конец 7b, 8b трубки 7, 8 открыт для окружающих масс воды W, так что трубки, выполненные из неэлектропроводного материала, заполнены морской водой. Вторые концы 7b, 8b трубок 7, 8 снабжены средством позиционирования, выполненным, например, в виде балласта 9а или тела 9b с положительной плавучестью (см. фиг.3) и предназначенным для позиционирования открытых концов 7b, 8b относительно контейнеров 1, 2. Ориентация прямой В, проведенной через вторые концы 7b, 8b трубок 7, 8, определяет, какая компонента электрического поля подлежит измерению, а расстояние MB между этими концами 7b, 8b определяет измерительную базу.
На фиг.1 показан простейший вариант датчика S согласно изобретению.
На фиг.2 показан пример датчика S', обладающего улучшенной стабильностью и меньшими шумами электродов по сравнению с датчиком S по фиг.1. Улучшение свойств датчика S' достигнуто установкой в каждый контейнер 1, 2 группы электродов 3, 3', 3'', 3''' и 4, 4', 4'', 4''' соответственно и регистрацией сигналов блоком 6 обработки сигналов в многоканальном режиме.
На фиг.3 представлен датчик S'' для измерения двух компонент поля. Он содержит четыре контейнера 1, 1', 2, 2' и четыре трубки 7, 7', 8, 8'. В зависимости от относительного положения свободных концов 7b, 7b', 8b, 8b' указанных трубок датчик S" может обеспечить одновременную регистрацию либо двух горизонтальных, либо одной горизонтальной и одной вертикальной компонент электрического поля. Соответственно модифицированная конструкция может быть использована для измерения полного вектора электрического поля.
Как уже упоминалось, известные датчики электрического поля могут быть разделены на две различные группы.
Датчики первой группы используют большую измерительную базу с размещением электродов по ее концам. Такие датчики могут обеспечить хорошее отношение сигнал/шум, поскольку амплитуда сигнала пропорциональна длине измерительной базы. Кроме того, большая измерительная база ослабляет электрические сигналы, обусловленные мелкомасштабными помехами и неоднородностями. С другой стороны, датчики этого типа подвержены дрейфу измеренного сигнала. Для уменьшения дрейфа требуется тщательно отбирать в электродные пары электроды, имеющие близкие собственные потенциалы, а также коэффициенты зависимостей от температуры и давления. В любом случае конструкция таких датчиков подразумевает, что их электроды устанавливаются на большом расстоянии друг от друга и, следовательно, в существенно различных условиях. Данный фактор еще в большей степени критичен для датчиков, применяемых для измерения вертикального электрического поля. В этом случае даже два тщательно подобранных электрода дадут значительный дрейф измеренного сигнала, поскольку будут находиться на различных глубинах, т.е. в различных условиях по температуре, давлению и концентрации соли.
В датчиках с солевым мостиком дрейф сигнала существенно ослабляется благодаря установке электродов близко друг к другу и использованию "прерывателя". Однако низкая чувствительность подобных датчиков и их чувствительность к мелкомасштабным помехам и неоднородностям накладывает ограничения на их применение.
Предложенный датчик по фиг.1 объединяет достоинства известных датчиков за счет использования длинных трубок, обеспечивающих большую измерительную базу, при близком расположении электродов. В реальных условиях близкое расположение электродов устранит любой дрейф, создаваемый чувствительными элементами (датчиками) в данной конструкции. Длина трубок определяется желательным отношением сигнал/шум. Ее можно варьировать от нескольких метров до нескольких километров применительно к датчикам для измерения горизонтальных электрических полей или до расстояния, определяемого глубиной, применительно к датчикам для вертикальных полей.
Усовершенствованный датчик S' по фиг.2 использует по 4 электрода 3-3''', 4-4''' в каждом контейнере 1, 2. Четырехканальный блок 6 обработки сигналов, используя различные пары электродов, обеспечивает синхронное измерение электрических полей. Результаты этих измерений анализируются, среди других задач, чтобы исключить каналы, дающие недопустимый шум или нестабильность, после чего сигналы подвергаются дополнительной обработке, включая усреднение или сложную фильтрацию.