Датчик для измерения напряженности электрического поля в электролите

 

Изобретение позволяет расширить область применения известных электродных, в том числе гидромодуляционных, датчиков электрического поля на поля, осложненные интенсивными высокочастотными помехами . Сущность изобретения: с целью повышения точности измерений основные электроды 8 и 9 экранируют дополнительными 12-16, размещаемыми в гидропроводниках датчика и попарно соединенными между собой через электрическую емкость 1.4 или 17. Это образует фильтр нижних частот перед основными электродами, использующий сопротивление гидропроводников. Дополнительные электроды выполнены из коррозионно-стойких металлов, предпочтительно из титанового сплава ВТ-10 в виде спирали, сетки или сот. Площадь смоченной поверхности дополнительных электродов рассчитывается по приводной формуле. 3 з.п.ф-лы. 2 ил. .

C0IO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 R 29/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4939292/21 (22) 28,05.91 (46) 23.05.93. Бюл.N. 19 (71) Институт физики Земли им. О.Ю,Шмидта и Московский энергетический институт (72) В.М.Богородский, М.M,Áoãoðoäcêèé, Е.Ф.Зимин и О.В.Коробков (56) Авторское свидетельство СССР

N - 836604; кл. G 01 R 29/14, 1979.

Авторское свидетельство СССР

М 1594453, кл. G 01 R 29/12,1987, (54) ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В

ЭЛЕКТРОЛИТЕ (57) Изобретение позволяет расширить область применения известных электродных, в том числе гидромодуляционных, датчиков, SU„, 1817042 А1 электрического поля на поля, осложненные интенсивными высокочастотными помехами. Сущность изобретения: с целью повышения точности измерений основные электроды 8 и 9 экранируют дополнительными 12-16, размещаемыми в гидропроводниках датчика и попарно соединенными между собой через электрическую емкость

14 или 17. Это образует фильтр нижних частот перед основными электродами, использующий сопротивление гидропроводников.

Дополнительные электроды выполнены из кор розионно-стойких металлов, предпочтительно из титанового сплава ВТ-10 в виде спирали, сетки или сот, Площадь смоченной поверхности дополнительных электродов рассчитывается по приводной формуле, 3 з,п.ф-лы. 2 ил.

1817042

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении квазипостоянных электрических полей в море или водах суши при геофизических исследованиях, экологическом мониторинге или электроразведке полезных ископаемых.

Цель изобретения -- повышение помехозафищенности и точности измерений.

Сопоставительный анализ с прототипом поэюоляет сделать вывод. что заявляемое устройство для измерения электрического поля в электролитах отличается тем, что в диэлектрические трубы и гидроканалы, симметрично относительно основных электродов, установлены одна или несколько пар дополнительных контактных электродов, попарно соединенных между собой, а в цепи дополнительных электродов имеется электрическая емкость, тем, что дополнительные электроды выполнены из коррозионно-стойкого металла, а в качестве электрической емкости использована емкость двойного слоя (ДС) на поверхности контакта коррозионно-стойких электродов с электролитом; тем, что дополнительные электроды выполнены в виде проволочной спирали, сетки или сот; тем, что дополнительные электроды изготовлены из титанового сплава типа ВТ-10: а также тем, что площадь S смоченной поверхности дополнительных электродов связана предлагаемой, ранее неизвестной, формулой с суммарным сопротивлением электролита в трубах и гидроканалах и со значением верхней граничной частоты полосы пропускания фильтра нижних частот, образованного емкостью ДС дополнительных электродов и суммарным сопротивлением электролита в трубах и (или) гидроканалах перед основными электродами.

На фиг,1 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг.2— эквивалентная электрическая схема устройства в первом рабочем положении гидромодулятора.

Датчик содержит диэлектрические трубы 1,2 (фиг.1), открытые концы которых А, В выведены во внешнюю среду (электролит), например морскую воду. и в рабочем положении заполнены этой средой. Между ближними концами труб 1, 2 установлен гидромодулятор 3, имеющий первое и второе рабочие положения. Гидроканалами 4, 5 гидромодулятор 3 соединен с электродными камерами 6, 7, содержащими основные контактные электроды 8, 9, клеммы 10,11 которых являются выходом датчика. B трубах 1, 2 вблизи гидромодулятора 3 установлены дополнительные электроды 12, 13, соединенные между собой. В цепи электродов 12, 13 имеется электрическая емкость 14. В гидроканалах

4, 5 вблизи электродов 8, 9 установлены дополнительные электроды 15, 16. в цепи которых имеется электрическая емкость 17.

5 Дополнительные электроды 12-16 выполнены в виде проволочной спирали, предпочтительно из титанового сплава BT-10, при этом в качестве электрических емкостей 14, 17 использованы соединенные последователь10 но емкости ДС на поверхностях контактных электродов 12. 13 и 15, 16 с электролитом, а площадь S смоченной поверхности дополнительных электродов соответствующей пары составляет

S =(2A П г) (4f ) где П=2л1, А а.(f/f ) ° (гк+Л)

20 слабо меняющаяся функция частоты fb u констант А, а, гк, Р материала дополнительных электродов, для BT-10 и растворов типа морской воды А= 63 OM м,гк = 0,95; а= г

= 16 х 10 Ф . м ; j3 = 0,105.

25 r — суммарное сопротивление электролита в трубах и (или) гидроканалах;

f а 0,03 Гц — верхняя частота полосы пропускания фильтра нижних частот, образованного емкостьюДСдополнительныхэлектро30 литов и сопротивлением r перед контактными электродами 8,9:

f =1 Гц — константа частоты, В первом рабочем положении гидромодулятора 3 электрод 8 через гидроканал 4 и

35 гидромодулятор 3 соединен с полостью трубы 1, а электрод 9 через гидроканал 5 и гидромодулятор 3 соединен с полостью трубы 2. Во втором рабочем положении электроды

8, 9 через гидроканалы 4, 5 и гидромодулятор 3

40 соединены между собой.

Датчик работает следующим образом, Гидромодулятор 3 периодически переходит из первого рабочего положения во

45 второе, Снимаемые с электродов 8, 9 напряжения 0, 0г связаны при этом с измеряемой напряженностью квазипостоянного поля Е соотношениями л

50 (О =Е 1-э+Л )+Е 1.э К (1) Ог =Ар где Q — значение "базы" электродного датчика в первом рабочем положении;

55 Лp — собственная ЭДС электродов 8,9;

Š— поле переменной помехи, частотный спектр которой лежит выше значения 4;

I К l<1 — коэффициент передачи фильтра нижних частот, образованного суммарным сопротивлением электролита в трубах и (или) Г

181 76ь12 (U<-Ц2/L: Е K Е, 2I :. (л 4) Ф- . r) гб<дрг)ха><ялах и >)Mvo«: ь>о и <<Рпи пярь< д<). попнитепьнь<х >лектг)од<)п

Из (1). (2) спРдует пpи ЭTом ЧPм MPHьшP. <<ОэффициРнт К при f>f«. тем более повышень> помекозящищенногть и точность измерений.

Рассмотрим работу фильтра нижних частот применительно к наре дополнительных электродов 12. 13 (фиг,2) Обозначим суммарное сопротивление электролита в трубах 1, 2 с учетом сопротивления растения r-2R<-<- г<гь Тогда для коэффициента передачи при учете сопротивления нагрузки

R„. получим 1Г

K =R>+r+jiil Cl4 Р„ г) (4) Если R><»r, то для квадрата модуля коэффициентя передачи имеем

IKl =(1+«) С<4 < ) . (5) откуда для верхней граничной частоты пропускания филь rpa по уровню 3 дБ имеем

f, (r<)>/2л) -=(2л г С<4) (6) Известно, что при огряниченных сверху значениях r=const и C=-const разделением r и С на элементы и вь<полнением фильтра многозвенным, нельзя понизить значение

4. Поэтому (6) дает минимальное значение

4 при ограниченных г и С<4. Практически величина r ограничение размерами гидроканалов. длина которых для датчиков с "короткими базами" 1м. а диамегр и 2 см. т.е.

2м 4 104 л -4 10 м2 20М м (7) при электропроводности морской воды и= 2Смм, Значение С14 в техническом смысле ограничено габаритными конденсаторами, при этом конденсаторы должны быть неполярными. Если использовагь металлобумажные конденсаторы типа МБГО-1-=160В .-30,0 мкФ, по форме близкие к кубу r, размерами

50х50х50 мм, то практически их можно использовать от 2 до 10 шт соединенных параллельно (конденсаторы придется поместить в ге рмет ич н л<й контейнер в<,<>) ржи вя юц<ии в<ясo<<<4p дявления и зяним.<<>)<циб< ><ем><обо места. чтобы своим присут<;твием Но внести искажений в исследуемое поле). Таким об5 разом. значение С<4 лежи< в предРлах 60

300 мкФ. Тогда из (Ч, (7) имеем

2 л l C<4 ) (.-- 2 л(60 -3000)х — 104

1О х 10 ) .= (0,83- 0,17) Гц. (8) При необходимости получить более низкое значение f без увеличения габаритов датчика, в качестве емкости С<4 использована емкость Сп двойного слоя (ДС) на поверхности контакта электродов 12, 13. выполненных из коррозион н<тстойкого металла, с электролитом.

Вводя в рассмотрение емкость С< и сопротивление утечки <кп импеданса ДС при параллельной схеме замещения. имеем дпя I К I:

Л, IKI и ((R+r) +(

25 (9) ГДЕ R=-2R>< R<) (R> h Rr>I

В частности, при 2Ri> - й,, например, если роль нагрузки фильтра играет сопротивление утечки ДС дополнительных электродов, имеем

Ъ

IKI =4R<) f(2Rr>+< ) +и) Cnx

35 хй2 . г2 (10) Экспериментально установлено. что для ДС коррозионно-стойких металлов и электролитов типа растворов морской воды в широком диапазоне электропроводностей и частот выпогняются соотношения г<п = -(1/f): С =- S à (f> 1), (11)

А где S — площадь смоченной поверхнос<и электродов, А, а, v, / — импедансн«е к< нстанты ДС выбранного металла 1„1Г:<

Оказалось, что произведен<4Р

П=о) Сп Рп =2л1.A ax х(f /f)(+/У) (f„/f)(+Р 1) (12)

55 является функцией. слабо зависящей от частоты. Значения этой функции для различ,ных коррозионно-стойких металлов близки между собой. Это позволяет представить (10) в видР

1817042

55 где р = — — -- = - — — . (1. т„); (14)

r i S а, 2Rr> 2А

S — площадь смоченной поверхности каждого из дополнительных электродов 12, 13.

С учетом сделанных замечаний имеем оценку значения площади S смоченной поверхности дополнительных электродов 12, 13, при котором обеспечивается требуемое значение 4 > 0,03 t-ц:

S =(2 А/ П г) (1о/1в ) (15)

Для титана ВТ-10, можно записать:

2 63 Ом м 1Гц о,95

П(1р). г Ом (16)

Работа фильтра нижних частот применительно к паре дополнительных электродов 15, !6 в отсутствие электродов 12. 13 аналогична описанной соотношениями (4)(16), если в качестве r обозначить суммарное сопротивление электролита в трубах 1, 2 и гидроканалах 4, 5 и использовать значение

Сп. При наличии дополнительных электродов 12, 13 работа фильтра нижних частот, образуемого сопротивлениями гидроканалов 4, 5, емкостью С т и электродами 15, 16 углубляет фильтрацию, осуществляемую фильтром на дополнительных электродах 12, 13.

Размещение в диэлектрических трубах, гидроканалах или электродных камерах симметрично относительно основных электродов дополнительных контактных электродов, попарно соединенных между собой, при наличии в цепи дополнительных электродов электрической емкости образует вместе с сопротивлениями участков электролита в диэлектрических трубах и гидроканалах фильтр нижнихчастот передосновными электродами, что снижает высокочастотную помеху, поступающую на гидромодулятор. и на основные электроды, тем самым повышая помехозащищенность и точность измерений.

Выполнение дополнительных электродов из коррозионно-стойкого металла и использование в качестве емкости в их цепи емкости ДС на поверхностях контакта дополнительных электродов с электролитом позволяет понизить значение верхней граничной частоты пропускания фильтра ни>кних частот за счет увеличения емкости ДС контакта до значений порядка фарады, что, в свою очередь, позволяет уменьшить входное сопротивлениедатчика. гем самым умень5

45 шая входные шумы и улеличилля очно< ь измерений.

Выполнение дополнительных электро дов в виде проволочной спирали. сетки или сот увеличивает эффективную поверхность электродов на один-два порядка это позво ляет уменьшить размер дополни ельных электродов и эффективно реализовать сlþ соб.

Изготовление дополнительных злект ро дов из титанового сплава BT-10 позлоляег уменьшить размер дополнительных электродов в несколько раз. одновременно уве личивая сопротивление нагрузки датчика по постоянному току в десятки раз, что позволяет снизить искажения, вносимые датчи ком в исследуемое поле, тем самым повышая точность измерений.

Выполнение площади S смоченной по верхности дополнительных электродов в соответствии с предлагаемой. ранее неизвестной, формула (15) позволяет применять датчик с заранее заданными. отвечающими условия ми измерений, свойствами. что повышает точность и воспроизводимость измерений.

Формула изобретения

1. Датчик для измерения напряженности электрического поля в электролите. содержа. щий две диэлектрические трубы, между концами которых установлен гидромодулятор, а также два основных контактных электрода, расположеíHые в электродных камерах и соединенных гидроканалами через гидромодулятор с полостями труб. о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения помехозащищен ности и точности измерений. в диэлектрических трубах, гидроканалах или электродных камерах симметрично относительно основных контактных электродов, размещена по крайней мере одна пара дополнительных контактных электродов, соединен ных между собой через электрический конденсатор.

2. Датчик по и 1, отличающийся тем, что дополнительные электроды выпол нены,из коррозийно-стойкого металла. а в качестве электрического конденсатора использована емкость двойного слоя íà поверхности контакта коррозийно-стойких электродов с электролитом.

3. Датчик по п.2, отличающийся тем. что дополнительHûå контактные электроды выполнены в виде проволочной спирали, сетки или сот, 4. Датчик по пп.2 и 3. о т л и ч ю щ и йс я тем. что дополнительные электроды изготовлены из титанового сплава например

ВТ-10.

5. Датчик по пп 2 4. отличающийся тем. что площадь смоченной поверхности дополнительных злеKTpof ()B составляет

1817042

/3--0. 105.

5=(2А/П г).(f f„), 10

Составитель В.Богородский

Техред М.Моргентал Корректор С,Лисина

Редактор

Заказ 1721 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101 где П =-2л4 А а (4/4)( слабо меняющаяся функция частоты f, и контакт А,а, а, Р материала дополнительных электродов для ВТ-10 и растворов типа морской воды, равных A=63, Ом м;

2. 0.95; а=16 10 Ф м;

r -- суммарное сопротивление электролита в трубах и (или) гидроканалах;

5 f> 0.03 Гц, верхняя частота полосы пропускания фильтра нижних частот, образованного емкостью двойного слоя дополнительных электродов и сопротивлением г;

fo=1Ãö — константа частоты,