Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПОНЕНТ ВЕКТОРА ПЛОТНОСТИ ТОКА В ПРОВОДЯЩИХ СРЕДАХ

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения составляющих плотности электрического тока в проводящих средах в электрических измерениях, когда необходимо точное знание величины и направления вектора плотности тока, например, в тех областях геофизики, где исследуются пространственно-временные изменения электрических полей, в частности, при проведении геоэлектрического мониторинга для изучения геодинамических событий, при изучении воздействия космических излучений на земную поверхность и пр.

Известен датчик для электроразведочной аппаратуры, включающий соленоид с сердечником в виде замкнутого магнитопровода, электропроводящий ферромагнитный стержень, установленный в центральной части замкнутого магнитопровода с четным числом обмоток, второй замкнутый магнитопровод, расположенный коаксиально первому, две дополнительные обмотки, расположенные на электропроводящем ферромагнитном стержне симметрично относительно замкнутого магнитопровода, электрически соединенные между собой последовательно проводником, размещенным между внутренним и внешним замкнутыми магнитопроводами (SU, патент №1117556, G01V 3/06, 1983).

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения истинных значений плотности тока в проводящей среде из-за искажения электрического поля среды ферромагнитным стержнем.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является датчик для электроразведочной аппаратуры, включающий электропроводящий стержень, на котором размещены обмотки тороидальных измерительных катушек, намотанных на ферромагнитных сердечниках, сгустители-обтекатели, установленные на электропроводящем стержне (SU, авторское свидетельство №417753, G01V 3/06, 1971).

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения истинных значений плотности тока в проводящей среде из-за искажений, вносимых металлическими сгустителями-обтекателями, т.к. они увеличивают концентрацию тока вблизи датчика.

Техническим результатом является повышение точности измерения компонент вектора плотности тока в проводящей среде за счет исключения искажения электрического поля из-за увеличения концентрации тока вблизи датчика.

Технический результат достигается в устройстве для измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах, включающем установленные взаимно ортогонально в выполненном в виде куба корпусе, три датчика плотности тока, каждый из которых состоит из размещенных на токопроводе, выполненным 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.

Отличительными признаками предлагаемого устройства для измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах являются взаимно ортогональная установка трех датчиков плотности тока, выполнение корпуса в виде куба, выполнение датчиков плотности тока, три электронных блока предварительной обработки сигналов, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего датчика, а выход - с входом регистрирующего блока, выполнение сгустителей тока в виде колец, равенство внутреннего диаметра колец внешнему диаметру токопровода, равенство внешнего диаметра колец длине грани корпуса, равенство внешнего диаметра токопровода внутреннему диаметру катушки индуктивности, выполнение токопроводов, сгустителей тока и корпуса из диэлектрического материала.

Установка трех датчиков плотности тока взаимно ортогонально позволяет измерять три составляющих вектора плотности тока. Выполнение корпуса в виде куба обеспечивает идентичные условия для измерения трех составляющих вектора плотности тока. Выполнение сгустителей тока в виде колец позволяет получить равномерное выделение и усиление той составляющей тока, которая ортогональна плоскости сгустителя и совпадает с осью токопровода. Три электронных блока предварительной обработки сигналов, входы которых соединены с выходом соответствующего датчика, а выходы - с входом регистрирующего блока, осуществляют фильтрацию и усиление сигналов, поступающих с датчиков плотности тока. Равенство внутреннего диаметра колец внешнему диаметру токопровода исключает утечку измеряемого тока. Равенство внешнего диаметра колец длине грани корпуса исключает влияние корпуса на результаты измерения, т.к. сгустители экранируют рабочую область датчика от искажающего влияния корпуса. Равенство внешнего диаметра токопровода внутреннему диаметру катушки индуктивности обеспечивает жесткость конструкции. Выполнение токопроводов, сгустителей тока и корпуса из диэлектрического материала необходимо для обеспечения минимальных искажений измеряемого тока, обеспечения узкой диаграммы направленности датчиков, что позволяет каждому датчику измерять только ту составляющую тока, которая совпадает с осью токопровода и перпендикулярна плоскости сгустителя. Это подтверждается результатами компьютерного моделирования. Так же путем компьютерного моделирования установлено, что при равенстве внешнего диаметра колец длине грани корпуса исключается влияние корпуса на результаты измерения и обеспечивается усиление полезного сигнала. Устройство для измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах поясняется чертежами устройства, где на фиг.1 представлена общая схема устройства, на фиг.2 - тороидальная катушка индуктивности, намотанная на кольцевой магнитопровод, на фиг.3 - датчик одной составляющей вектора плотности тока, на фиг.4 - результаты компьютерного моделирования.

Устройство для измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах состоит из установленных взаимно ортогонально трех датчиков 1, каждый из которых измеряет одну из ортогональных составляющих вектора плотности тока. Датчики установлены в корпусе 2, выполненном в виде куба. Каждый датчик состоит из размещенных на токопроводе 3, выполненном в виде трубы, одной или более параллельно соединенных тороидальных катушек индуктивности 4, намотанных на кольцевые магнитопроводы 5 и закрепленных на торцах токопровода 3 сгустителей тока 6, выполненных в виде колец. Устройство для измерения компонент вектора плотности тока также включает три электронных блока предварительной обработки сигналов 7, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего датчика 1, а выход - с входом регистрирующего блока 8. Внутренний диаметр колец 6 равен внешнему диаметру токопровода 3, а внешний диаметр колец 6 - длине грани 9 корпуса 2, причем внешний диаметр токопровода 3 равен внутреннему диаметру катушки индуктивности 4. Токопроводы 3, сгустители тока 6 и корпус 2 выполнены из диэлектрического материала. Датчики жестко закреплены в корпусе 2 и установлены таким образом, чтобы их токопроводы 3 не пересекались друг с другом.

Устройство для измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах работает следующим образом.

Устройство погружается в исследуемую проводящую среду (землю, воду) таким образом, чтобы токопроводы 3 были полностью заполнены этой средой. В случае измерения токов в земле токопроводы 3 предварительно плотно заполняются землей. Начинается процесс измерения плотности тока. Протекая по среде, ток попадает на сгустители 6, в результате чего, часть тока проходит через отверстие токопровода 3, часть тока обтекает сгуститель 6. Как показали результаты компьютерного моделирования, при этом происходит увеличение плотности тока, текущего сквозь токопровод 3, и оно строго определяется геометрическими размерами токопровода 3 и сгустителей 6. Наличие сгустителей 6, вынесенных за пределы корпуса 2, исключает влияние тела корпуса 2 на результаты измерений. Каждый из трех датчиков представляет собой трансформатор тока, первичной обмоткой которого является объемный виток, образуемый средой и замыкающийся через токопровод 3, на котором размещена катушка индуктивности 4, обмотка которой является вторичной обмоткой трансформатора тока. При прохождении тока I₁ по токопроводу 3, заполненному средой, в магнитопроводе 5 катушки индуктивности 4 создается переменный магнитный поток Ф₁, изменяющийся с той же частотой, что и ток I₁. Пересекая витки катушек индуктивности 4, магнитный поток Ф₁ индуцирует в них электродвижущую силу. Ток, проходящий по катушкам индуктивности 4, создает в магнитопроводе 5 переменный магнитный поток Ф₂, который направлен встречно магнитному потоку Ф₁. В результате сложения магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ в магнитопроводе 5 устанавливается результирующий магнитный поток Ф₀=Ф₁-Ф₂. Результирующий магнитный поток Ф₀ создает в катушках индуктивности 4 электродвижущую силу (эдс) Е₂. Под воздействием эдс E₂ в катушках индуктивности 4 возникает ток. Измеряя этот ток, можем судить о величине тока в среде. Перед началом работы датчики 1 калибруются. Для этого через токопровод 3 пропускается провод, соединенный через эталонное сопротивление с генератором электрических сигналов. На разных частотах измеряется ток, притекающий через эталонное сопротивление I₁ и с помощью регистрирующего блока 8 измеряется сигнал U₂ на выходе электронного блока 7, после чего вычисляется величина U₂/I₁ В/А. Затем с учетом площади сечения окна токопровода 3 S вычисляется плотность тока j=I₁/S А/м² и определяется коэффициент передачи датчика 1 K=j/U₂. Измеряемая плотность тока в среде будет j₁=K*U₂. За счет того что датчики 1 расположены ортогонально, измерения ведутся по трем взаимоортогональным направлениям, т.е. измеряются три компоненты вектора плотности тока, по которым определяется модуль и направление полного вектора плотности тока. По результатам измерений тремя датчиками 1, входящими в устройство, получены значения плотностей тока j_x, j_y и j_z. Тогда полный вектор будет равен

В зависимости от решаемой задачи возможна различная ориентация устройства в пространстве. Например, если необходимо измерять теллурические токи, то один из токопроводов 3 ориентируется в направлении север-юг, второй будет ориентирован в направлении восток-запад, третий будет ориентирован вертикально. Глубина погружения устройства в землю в этом случае также может быть различной и определяется поставленной задачей, но в любом случае верхний сгуститель 6 датчика 1, измеряющего вертикальную компоненту плотности тока, должен быть заглублен не менее чем на 0.5 м.

Другой пример - измерение токов, порождаемых искусственным источником, например токов растекания излучающих электродов, подключенных к генератору электрических сигналов (режим активного геоэлектрического мониторинга). В этом случае ориентация устройства будет определяться геометрией системы излучающих электродов, от которой зависит распределение токовых линий в пространстве.

Может возникнуть ситуация, когда достаточно измерять только две компоненты токовых линий. В этом случае третий токопровод 3 можно демонтировать, чтобы уменьшить размеры датчика 1 и заглушить входные отверстия в корпусе 2 для этого токопровода 3.

В режиме измерения регистрирующий блок 8 (АЦП, компьютер и пр.) устанавливается на поверхности в пункте наблюдения, по кабельным линям он соединяется с электронными блоками предварительной обработки сигналов 7.

Результаты компьютерного моделирования представлены на фиг.4. Расчеты проводились для датчика, ось токопровода 3 которого совпадает с осью X. Для расчета приняты составляющие вектора плотности тока в среде по трем взаимно ортогональным направлениям соответственно J_x=1 А/м², J_y=2 А/м², J_z=3 А/м². Тогда плотность тока в среде

Вначале моделирование проводилось для токопровода 3, на котором размещалась катушка индуктивности 4, изолированная от среды. Длина токопровода 3 0.6 м, диаметр катушки 4 0.18 м. Как видно из рисунка (фиг.4а), наличие токопровода 3 позволяет выделять составляющую вектора плотности тока J_x=1 А/м², совпадающую с осью токопровода 3, обеспечивая узкую диаграмму направленности датчика 1.

Затем к торцам токопровода 3 были добавлены сгустители 6, и проведено повторное моделирование, результаты представлены на фиг.4б. Как видно из рисунка, искажения тока возникают в плоскости сгустителя 6 на краях, примыкающих к токопроводу 3, но внутри токопровода 3 искажения отсутствуют, ток равномерно распределен по сечению токопровода 3, усиление Х-й составляющей плотности тока равно 1.5.

Предлагаемое устройство для измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах позволяет повысить точность измерения компонент плотности тока в проводящей среде, что имеет большое значение при регистрации как естественных (теллурических) токов, так и токов, порождаемых искусственными источниками, например, при изучении геодинамических явлений, предваряющих катастрофические события (землетрясения, оползни, карстово-суффозионные процессы), поскольку при этом происходит изменение напряженно-деформированного состояния среды, образование и развитие во вмещающей среде неоднородностей различного типа. Эти явления вызывают пространственно-временную миграцию токовых линий как искусственных, так и естественных источников, поэтому необходимо как можно точнее исследовать компоненты плотности тока. Очень важно также точное измерение компонент плотности токов при изучении природы теллурического поля, при решении прикладных задач, например контроля коррозии различных сооружений и пр.