Использование: в физической океанологии, космических исследованиях для измерения вектора электрической напряженности электрических полей в проводящих средах, в частности в ионосфере. Сущность изобретения: датчик содержит четыре проводящих электрода, расположенных в вершинах правильного тетраэдра, и измерительный блок, состоящий из тринадцати дифференциальных усилителей, восьми сумматоров, масштабного усилителя и блока обработки сигналов. 7 ил.
Изобретение относится к физической океанологии, космических исследованиях и служит для измерения вектора электрической напряженности электрических полей в проводящих средах, в частности в ионосфере.
Известен датчик вектора, представляющий собой устройство, первичной преобразователь которого выполнен в виде системы электродов, размещенных на линейной базе. Устройство позволяет измерять пространственные составляющие электрического поля.
Однако данное устройство при расположении электродов вдоль одной линии является несимметричным в электрическом смысле, что приводит к значительному снижению точности измерений за счет взаимного влияния измерительных баз друг на друга.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для регистрации трех компонент электрической составляющей электромагнитного поля, содержащее первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде системы из четырех электродов, один из которых (нулевой) размещен в центре декартовой системы координат, а три остальных - на одинаковом от него расстоянии на осях X, Y, Z. Известное устройство позволяет уменьшить число измерительных электродов на два для трехкомпонентного датчика. Однако снижение числа электродов и их конструктивное совмещение приводит к электрической несимметрии датчика и возникновению взаимного влияния измерительных каналов друг на друга, что не позволяет получить высокой точности измерений.
Целью изобретения является повышение точности и увеличение надежности измерений.
Поставленная цель достигается тем, что первичный измерительный преобразователь датчика вектора напряженности электрического поля в проводящих средах содержит четыре измерительных электрода, три из которых расположены на осях OХ, OY декартовой системы координат. Все электроды составляют вершины симметричного тетраэдра со стороной l (фиг. 1). Причем электроды 1 и 3 расположены на оси OY симметрично относительно начала координат O на расстоянии l/2 от него, электрод 2 расположен на оси OX на расстоянии h = l
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030648.gif)
/2 с начала координат, а электрод 4 - на направляющей, параллельной оси OZ, отстоящей от нее в направлении от OX на расстояние 1/3 h, на высоте l
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030649.gif)
/3 от плоскости XOY. Электроды, выполненные в виде проводящих сфер, соединены полыми диэлектрическими стержнями с центром основания тетраэдра, в котором закреплен один конец диэлектрической штанги, другой конец которой закреплен на носителе. Система любых двух электродов образует парциальный датчик, измеряющий проекцию составляющих E
x, E
y, E
z вектор напряженности. Причем каждый из электродов относится сразу к двум парциальным датчикам, что уменьшает число используемых электродов.
Выводы всех четырех электродов соединены с входами тринадцати дифференциальных усилителей ДУ1-ДУ13 следующим образом. Входы ДУ1, имеющего коэффициент усиления (1/l), подсоединены к электродам 1 и 3, входы ДУ2 с коэффициентом усиления (-1/l) соединены с электродами 1 и 4, входы ДУ3 с коэффициентом усиления (
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030650.gif)
) соединены с электродами 1 и 2, входы ДУ4 с коэффициентом усиления (1) соединены с электродами 1 и 4; входы ДУ5 с коэффициентом усиления (
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030651.gif)
) соединены с электродами 1 и 3, входы ДУ6 с коэффициентом усиления (
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030652.gif)
) соединены с электродами 1 и 4, входы ДУ7 с коэффициентом усиления (
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030653.gif)
) соединены с электродами 1 и 4, входы ДУ8 с коэффициентом усиления (-1) соединены с электродами 2 и 4, входы ДУ9 с коэффициентом усиления (1) соединены с электродами 2 и 3, входы ДУ10 с коэффициентом усиления (
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030654.gif)
) соединены с электродами 2 и 3, входы ДУ11 с коэффициентом усиления (
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030655.gif)
) соединены с электродами 2 и 4, входы ДУ 12 с коэффициента усиления (
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030656.gif)
) соединены с электродами 3 и 4, входы ДУ 13 с коэффициентом усиления (1/l) соединены с электродами 3 и 4. Выходы дифференциальных усилителей соединены с входами сумматоров. Выходы ДУ2 и ДУ13 соединены с входами сумматора 1 (
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/931.gif)
1), выходы 1 и ДУ1 соединены с входами сумматора 2 (
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/931.gif)
2), выходы которого подсоединен к входу блока обработки сигналов. Выходы ДУ3 и ДУ10 соединены с входными зажимными сумматора 3 (
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/931.gif)
3), а выходы ДУ4, ДУ8, ДУ9 соединены с входами сумматора 4 (
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/931.gif)
4). Выход 3 подключен к одному входу сумматора 5 (
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/931.gif)
5), к другому входу которого подключен выход масштабного усилителя (МУ) с коэффициентом усиления (
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030657.gif)
), вход МУ соединен с выходом
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/931.gif)
4. Выход
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/931.gif)
5 соединен с входным зажимом блока обработки сигналов. Выходные зажимы ДУ6, ДУ11, ДУ12 соединены с выходами сумматора 6, а выходные зажимы ДУ5, ДУ7 и ДУ11 с входами сумматора 7, выходы
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/931.gif)
6 и
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/931.gif)
7 подключены к выходам 8, выход которого соединен с входным зажимом блока обработки сигналов.
Такая система подключения электродов к устройству обработки сигналов позволяет реализовать двухканальную систему измерения каждой составляющей E
x, E
y, X
z вектора напряженности, а значит увеличить надежность измерений.
Представленная на фиг. 1 и 2 схема расположения электродов относительно декартовой системы координат ZXY позволяет пояснить указанный выше порядок соединения электродов, дифференциальных усилителей и сумматоров. При расположении электродов в электрическом поле с напряженностью Е сигнал, снимаемый с электродов 1 и 2, представляет собой разность потенциалов, равную алгебраической сумме проекций составляющих вектора напряженности Е
х и E
y на прямую, соединяющую электроды 1 и 2, а именно U
1= U
2= E
xlsin60
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
-E
y![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
lsin30
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
= E
x![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
l
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030658.gif)
- E
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030659.gif)
=
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030660.gif)
E
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030661.gif)
-E
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030662.gif)
(1) аналогично, сигнал, снимаемый с электродов 3 и 2 U
2= U
32= E
xlsin60
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
+E
ylsin30
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
= E
xl
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030663.gif)
+ E
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030664.gif)
=
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030665.gif)
E
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030666.gif)
-E
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030667.gif)
(2) Сигнал, снимаемый с электродов 3 и 1, равен U
3= U
31= E
y![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
l (3) Сигнал, снимаемый с электродов 1 и 4,
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030669.gif)
-E
ylsin30
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
+E
zl
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030670.gif)
= E
x![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
l
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030671.gif)
- E
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030672.gif)
+E
zl
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030673.gif)
= (4) с электродов 2 и 4 U
5= U
24= -E
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030674.gif)
lsin60
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
+E
zl
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030675.gif)
= -E
xl
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030676.gif)
+ E
zl
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030677.gif)
= l
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030678.gif)
-E
x+E
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030679.gif)
(5)
и с электродов 3 и 4
U
6= U
34= E
xl
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030680.gif)
+ E
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030681.gif)
+ E
zl
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030682.gif)
= l
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030683.gif)
E
xl
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030684.gif)
+ E
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030685.gif)
+ E
zl
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030686.gif)
(6)
Выполнив несложные математические преобразования, из (1) - (6) получают выражения для составляющих вектора напряженности:
E
x= (U
12+ U
32)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030687.gif)
;
E
x= (U
32+ U
14+ U
24)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030688.gif)
;
E
y=
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030689.gif)
;
E
y= (U
34-U
14)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030690.gif)
;
E
z= (U
14+ U
24+ U
34)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030691.gif)
;
E
z= (2U
14+ U
31+ U
24)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030692.gif)
.
Схемные реализации измерения каждой компоненты по двум каналам представлены на фиг. 3-5.
Таким образом предлагаемое техническое решение увеличивает надежность измерений за счет дублирования и повышает точность измерений за счет полной симметрии электродной системы, что обеспечивает отсутствие взаимных влияний электродов, а также исключает появление помех, возникающих при перемещении датчика в пространстве при попадании какого-либо электрода в след другого.
Перечисленные признаки первичного преобразователя неизвестны из других технических решений и поэтому соответствуют критерию "существенные отличия".
На фиг. 6 представлена конструкция, а на фиг. 7 - схема датчика вектора напряженности электрического поля в проводящей среде. Первичный преобразователь датчика содержит четыре электрода 1-4, которые расположены в вершинах симметричного тетраэдра со стороной l. Электроды 1-4, выполненные в виде проводящих сфер, соединены полыми диэлектрическими стержнями 5-8 (фиг. 6) соответственно с центром основания тетраэдра, в котором укреплен один конце диэлектрической штанги 9, другой конец которой крепится на носителе 10. Электрические выводы электродов подсоединены к входам дифференциальных усилителей 11-23 (фиг. 7), реализующих схемы измерения компонент E
x, E
y, E
z в соответствии с фиг. 2-4. Выходы дифференциальных усилителей 12 и 23 подсоединены к входам сумматора 24, выход которого также как и выход дифференциального усилителя 11 соединены с входами сумматора 25, на выходе которого формируется сигнал 2E
y. Выход сумматора 25 соединен с входным зажимом блока обработки сигналов 26.
Выходы дифференциальных усилителей 13 и 20 соединены с входами сумматора 27, а выходы ДУ14, 18, 19 - с входами сумматора 28, выход которого соединен с входом масштабного усилителя 29. Выходы сумматора 27 и масштабного усилителя 29 соединены с входами сумматора 30, где формируется сигнал 2 E
x. Выход сумматора 30 подсоединен к входному зажиму блока обработки сигналов 26. Выходы ДУ16, 21, 22 соединены с входами сумматора 31, а выходы ДУ15, 17, 21 - с входами сумматора 32, выходы сумматоров 31 и 32 соединены с входными зажимами сумматора 33, на выходе которого формируется сигнал 2 E
z. Выход сумматора 33 подсоединен к входу блока обработки сигналов 26.
Датчик работает следующим образом. При перемещении носителя в электрическом поле, вектор напряженности которого измеряется описываемым датчиком, составляющие вектора напряженности создают разности потенциалов между электродами 1, 2, 3, 4 соответственно U
12, U
32, U
31, U
14, U
24, U
34.
Сигналы с электродов поступают на дифференциальные усилители 11-23, выходы которых соединены с сумматорами 24-28, 30-33. С выходов сумматоров 25, 30 и 33 сигналы, равные 2E
x, 2E
y, 2E
z соответственно, поступают на входы блока обработки сигналов 26.
Реализация измерительной системы с дублированием сигналов каждой составляющей E
x, E
y, E
z повышает надежность измерений за счет избыточности информации. Симметричное пространственное расположение электродов практически полностью исключает их взаимное влияние. Кроме того, размещение электродов в вершинах симметричного тетраэдра исключает попадание одного электрода в след другого, что уменьшает помеху гидродинамического происхождения. Таким образом точность измерений повышается.
Предложенное техническое решение может быть использовано в космических исследованиях с целью исследования распространения радиоволн в плазме, а также с целью прогнозирования землетрясений.
Формула изобретения
ДАТЧИК ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДЕ, содержащий первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде четырех проводящих электродов, и измерительный блок, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и точности измерений, проводящие электроды выполнены в виде сфер и расположены в вершинах правильного тетраэдра, длина ребер которого выбрана равной l, при этом первый и третий проводящие электроды расположены симметрично относительно вертикальной оси, параллельной высоте правильного тетраэдра, проводящие электроды соединены посредством полых диэлектрических стержней с центром основания правильного тетраэдра, в котором закреплен один конец диэлектрической штанги, другой конец которой закреплен на носителе, а измерительный блок выполнен в виде тринадцати дифференциальных усилителей, восьми сумматоров, масштабного усилителя, коэффициент усиления которого выбран равным 1/l
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030693.gif)
, и блока обработки сигналов, при этом диэлектрические выводы первого и второго проводящих электродов соединены с соответствующими входами третьего дифференциального усилителя, коэффициент усиления которого выбран равным 1/l
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030694.gif)
, электрические выводы первого и третьего проводящих электродов соединены с соответствующими входами первого и пятого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными 1/l и 1/l
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030695.gif)
соответственно, электрические выходы первого и четвертого проводящих электродов соединены с соответствующими входами второго, четвертого и шестого и седьмого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными -1/l; 1; 1/l
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030696.gif)
и 2/l
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030697.gif)
соответственно, электрические выводы второго и четвертого проводящих электродов соединены с соответствующими входами восьмого и одиннадцатого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными -1 и 1/l
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030698.gif)
соответственно, электрические выводы второго и третьего проводящих электродов соединены с соответствующими входами девятого и десятого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными 1 и 1/l
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030699.gif)
соответственно, электрические выводы третьего и четвертого проводящих электродов соединены с соответствующими входами двенадцатого и тринадцатого дифференциальных усилителей, коэффициенты усиления которых выбраны равными 1/l
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/303/3030700.gif)
и 1/l соответственно, причем выходы второго и тринадцатого дифференциальных усилителей соединены соответственно с первым и вторым входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом первого дифференциального усилителя и первым входом блока обработки сигналов, выходы третьего и десятого дифференциальных усилителей соединен с первым и вторым входами третьего сумматора соответственно, а выходы четвертого, восьмого и девятого дифференциальных усилителей соединены с первым, вторым и третьим входами четвертого сумматора соответственно, выход которого через масштабный усилитель соединен с первым входом пятого сумматора, выход и второй вход которого соединены соответственно с вторым входом блока обработки сигналов и выходом третьего сумматора, выходы шестого, одиннадцатого и двенадцатого дифференциальных усилителей соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами шестого сумматора, а выходы одиннадцатого, пятого и седьмого дифференциальных усилителей соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами седьмого сумматора, выход которого соединен с первым входом восьмого сумматора, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом шестого сумматора и третьим входом блока обработки сигналов.
РИСУНКИ
Рисунок 1,
Рисунок 2,
Рисунок 3,
Рисунок 4,
Рисунок 5,
Рисунок 6,
Рисунок 7