1.
Актуальность темы
и объект исследования. Работа посвящена исследованию закономерностей и физических явлений, обусловливающих собственные шумы датчиков низкочастотного электромагнитного поля в морской воде и выработке рекомендаций по уменьшению этих шумов с целью достижения максимальной чувствительности при приеме электромагнитных полей крайне низких (3. .30 Гц) и сверхнизких (30. .300 Гц) частот. Датчик осуществляет преобразование компоненты Е или Н электромагнитного поля в пропорциональный ей электрический сигнал. При решении ряда научных и практических задач необходимо принимать и измерять низкочастотные электромагнитные поля в морской воде. Измерение электромагнитных полей низкой частоты в океане является одним из средств изучения строения земной коры [1,2,3]. Применяются электрофизические методы разведки полезных ископаемых на дне океана и прибрежном шельфе, основанные на измерении естественного и специально возбуждаемого низкочастотного электромагнитного поля в морской воде. В последнее время нашел применение способ отыскания и определения координат подводных кабелей и трубопроводов, основанный на измерении излучаемого ими электромагнитного поля в диапазоне частот от десятков герц до десятков килогерц. [4]. Способность низкочастотного электромагнитного поля проникать в морскую воду на большую глубину используют для осуществления радиосвязи с глубокопогруженными подводными объектами на частотах ниже 100 Гц [1,5,6,7]. Значительное ослабление электромагнитного поля в морской воде приводит к необходимости приема слабых полей, находящихся на уровне чувствительности приемного устройства, которая в значительной степени определяется чувствительностью датчика. Повышение чувствительности датчика в морской воде до максимально возможного значения представляет трудную научно-техническую задачу. На вход приемного устройства вместе с полезным сигналом поступает мешающий приему собственный шум датчика, а также помехи различного происхождения. В 5 • широком смысле слова шумом в радиофизике принято называть флуктуацион-ные токи и напряжения. Собственным шумом устройства называют шум на его выходе, обусловленный шумовыми источниками, находящимися внутри устройства [8]. В связи с дискретной природой электрического заряда собственный шум возникает при тепловом движении заряженных частиц в активном сопротивлении (тепловой шум), при протекании постоянного тока в усилительных приборах (дробовой шум) и в ряде других явлений. Собственный шум иногда называют внутренними помехами, подразумевая, что существуют и внешние помехи, например атмосферные, индустриальные. Собственным шумом (далее — просто шумом) датчика будем называть флуктуационное напряжение на его выходе при отсутствии внешнего электромагнитного поля. Это напряжение может быть пересчитано в электрическую или магнитную компоненту флук-туационного электромагнитного поля в месте расположения датчика, который при этом считается нешумящим. Помехами будем считать все электромагнитные поля естественного и индустриального происхождения, не являющиеся полезным сигналом. Исследование помех и шумов датчиков низкочастотного электромагнитного поля проводилось как в нашей стране, так и за рубежом, в основном, в США. На глубинах менее 100… 150 метров в указанном диапазоне частот чувствительность приемника определяется, как правило, величиной атмосферных помех [1,5]. Практические задачи требуют увеличения глубины до несколько сотен метров. На таких глубинах атмосферные помехи, как и полезный сигнал, в значительной степени затухают, и на первый план выходит шум датчика, который и определяет чувствительность приемного устройства. Датчики, применяемые для приема электромагнитного поля в морской воде можно разделить на два основных типа. Датчики первого типа имеет два контактирующих с водой разнесенных электрода [9,10], с помощью* которых снимается разность потенциалов, созданная протекающими в морской воде токами проводимости. Такие датчики называют электродными датчиками электрического поля. Датчики второго типа не имеют контактирующих с водой электродов, поэтому могут быть названы безэлектродными. К безэлектродным отно-сятся трансформаторный датчик переменного электрического поля, а также магнитоиндукционный датчик [11,12]. Электродные датчики помимо теплового шума, обусловленного их активным сопротивлением, обладают, так называемым, электродным шумом, вызванным протекающими на поверхности электродов электрохимическими реакциями. При движении электродов относительно воды величина электродного шума значительно возрастает, поэтому составляющая электродного шума, связанная с движением, названа нами шумом движения. У датчиков, электроды которых разнесены на большое расстояние, значительную величину имеет вибрационный шум, возникающий в соединяющем электроды кабеле вследствие электромагнитной индукции при механической вибрации в магнитном поле Земли, которая неизбежно возникает при буксировке датчиков за кораблем. Безэлектродные датчики тоже чувствительны к вибрации. Причем, если у трансформаторного датчика вибрационный шум является следствием недостаточной магнитной экранировки, то у магнитоиндукционного датчика он принципиально неустраним. Однако такой датчик может быть использован на неподвижных стационарных объектах. В отсутствие вибрации собственным шумом безэлектродного датчика является его тепловой шум. Увеличение чувствительности датчика может быть достигнуто как уменьшением его собственных шумов, так и увеличением коэффициента преобразования. Коэффициент преобразования в рассматриваемой задаче есть отношение выходного напряжения датчика к величине напряженности электрической или магнитной компонент электромагнитного поля. У электродных датчиков увеличение коэффициента преобразования достигается увеличением расстояния между электродами. В системах связи с подводными объектами наибольшее применение нашли кабельные электродные датчики, имеющие длину активной части до несколько сотен метров. Это создает серьезные проблемы при их эксплуатации, поэтому необходимо искать пути повышения чувствительности при одновременном уменьшении размеров датчика. Чувствительность датчика при приеме электромагнитного поля будем определять как минимальный уровень напряженности поля сигнала, при котором его мощность на входе приемника в заданное число раз превышает суммарную мощность всех составляющих шума в полосе 1 Гц. Предельной чувствительностью датчика будем называть минимальный уровень напряженности поля сигнала, при котором его мощность на входе приемника равна мощности теплового шума в полосе 1 Гц. При этом имеется в виду, что приняты меры, которые позволяют устранить другие составляющие шума. Для реализации высокой чувствительности датчика необходимо выполнить его согласование с входным каскадом приемного устройства, который также обладает собственным шумом, чтобы отношение сигнал-шум, сформированное датчиком, ухудшалось за счет собственного шума приемного устройства в минимальной степени. Большой опыт по измерению слабых постоянных и медленно меняющихся электрических полей в море (диапазон частот не выше десятых долей герца), накоплен в Институте земного магнетизма и распространения радиоволн РАН [13,14]. Разработке датчиков для приема низкочастотных электромагнитных полей в море много внимания уделялось в Московском энергетическом институте и Центральном научно-исследовательском институте им. А. Н. Крылова в — Петербурге [9,10]. Их усилия были направлены на разработку датчиков трансформаторного типа с металлическими «концентраторами тока проводимости». Исследования в области конструирования и согласования магнитоиндук-ционных датчиков были проведены в Физико — механическом институте АН УССР [15−17]. Объектом наших исследований являются собственные шумы датчиков и причины их возникновения. Предметом исследования — зависимость величины шума от различных факторов, способы и условия согласования датчика с приемником, а также разработка новых типов датчиков, имеющих более высокую чувствительность по сравнению с известными. Многие вопросы, связанные с повышением чувствительности датчиков при приеме электромагнитного поля в море к моменту наших исследований были не решены. Опубликованные материалы на эту тему не позволяли достичь поставленной задачи увеличения чувствительности датчиков до предельно возможного значения. Повышение чувствительности датчиков очень важно для практических применений. Например, при осуществлении радиосвязи с погруженным в море объектом увеличение глубины и скорости движения последнего приводят к уменьшению отношения сигнал-шум. Увеличить его до требуемого значения можно либо увеличением мощности передатчика, либо повышением чувствительности датчика. На сверхнизких частотах коэффициент полезного действия излучающей антенны очень мал, поэтому мощность передатчика достигает единиц мегаватт. Дальнейшее увеличение мощности связано с очень большими материальными затратами или вообще невозможно, поэтому уменьшение собственного шума и повышение чувствительности датчиков является весьма актуальным.2. Цели исследования. Целью диссертационной работы является исследование причин возникновения шумов датчиков в морской воде в различных условиях эксплуатации: в покое, в движении с разной скоростью и на разной глубине и возможностей их уменьшения. Главная цель исследований состоит в достижении минимального уровня собственных шумов и наивысшей чувствительности датчика. Для достижения этого необходимо было провести следующие исследования: экспериментальное исследование спектральных зависимостей электродного шума в покоящейся и движущейся жидкостиисследование природы электродного шума движения, разработка методов его уменьшенияисследование применимости различных металлов для изготовления электродов датчиков с точки зрения обеспечения минимума собственного шума и стабильности импедансаопределение условий и способов согласования электродных датчиков с входными каскадами приемного устройствасоздание новых электродных и безэлектродных высокочувствительных по-мехозащищенных датчиков, а также оптимизация конструктивных параметров известных датчиков для обеспечения их наивысшей чувствительности.3. Научная новизна работы. Экспериментально исследованы спектральные зависимости напряжения шума электродов разной площади из разных металлов в отсутствие движения жидкости, и проведено сравнение измеренного электродного шума с тепловым шумом. Проведены экспериментальные исследования электродного шума при обтекании электродов потоком жидкости. Получены зависимости напряжения шума от скорости движения жидкости, площади электродов, солености электролита, конструкции обтекателя. Предложен способ определения скорости жидкости по величине электродного шума, признанный изобретением (А.с. 1 067 360).Предложен механизм возникновения специфического электродного шума движения, позволяющий непротиворечиво интерпретировать результаты экспериментального исследования шума движущегося электрода. Экспериментально исследовано поведение составляющих (емкости и сопротивления) импеданса датчиков с электродами из разных металлов при длительной выдержке в морской воде. Результаты исследования показали, что по стабильности импеданса, величине предельной чувствительности, минимальному шуму в состоянии покоя и в движении наиболее пригодными для изготовления электродов являются тантал, титан, нержавеющая сталь. Определены условия трансформаторного согласования электродных датчиков с входными каскадами приемного устройства, обеспечивающие максимальные значения чувствительности. Проведена оптимизация конструктивных параметров магнитоиндукционного датчика на максимум чувствительности и трансформаторного датчика на максимум коэффициента преобразования. Определена предельная чувствительность для различных типов датчиков электромагнитного поля в морской воде. Разработаны признанные изобретениями новые типы датчиков, имеющие при движении повышенную чувствительность и помехозащищенность по сравнению с известными (А.с. 1 409 959, А.с. 1 629 890, А.с. 1 697 524).4. Достоверность. Решение поставленной задачи проведено путем экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях, а также путем теоретического анализа отдельных аспектов темы диссертации. Достоверность результатов и выводов диссертационной работы подтверждается физической непротиворечивостью основных результатов, согласованностью результатов лабораторных и натурных экспериментов, поставленных в рамках данной работы, с теоретическими предпосылками и результатами других авторов и повторяемостью результатов в разных опытах.5. Научная и практическая значимость работы. Научная значимость работы заключается в том, что проведено всестороннее исследование всех компонент электродного шума и дано объяснение механизма возникновения специфического шума движения электродных датчиков электромагнитного поля. Использование полученных в диссертационной работе результатов при конструировании датчиков для приема низкочастотных электромагнитных полей в морской воде позволяет достичь максимально возможной чувствительности. На практике это означает осуществление приема на больших глубинах и расстояниях от передатчика без увеличения его мощности. При буксировке датчика за кораблем увеличение его чувствительности за счет уменьшения шума движения дает возможность приема сигнала при большей скорости корабля. Результаты исследования, относящиеся к разработке и испытаниям в натурных условиях электродных датчиков с обтекателями, позволяющих более чем на порядок снизить уровень помех при измерении напряженности электрического поля в движущемся потоке электролита, признаны Научным советом АН СССР по проблеме «Статистическая радиофизика» важными и включены в «Отчет о важных и важнейших результатах научных исследований в области статистической радиофизики за 1989 год», представленный Научным советом в Отделение общей физики и астрономии АН СССР (см. Приложение).5. На защиту выносятся следующие положения. На частотах ниже нескольких десятков герц в отсутствие движения электродный датчик имеет избыточный электрохимический электродный шум, не исчезающий и при выдержке его в воде в течение нескольких суток. Избыточный шум имеет спектр типа / _ «, где величина, а составляет от 1 до 1,5 в зави-. симости от материала электродов. У некорродирующих металлов (тантал, титан), наиболее пригодных для применения в электродных датчиках, отношение избыточного шума к тепловому на частотах ниже 10 Гц достигает нескольких раз. На частотах выше нескольких десятков герц избыточный шум у хорошо отполированных и длительно выдержанных в электролите электродов из таких металлов, как правило, меньше теплового, и во многих практических случаях его можно не учитывать. При движении электродного датчика в морской воде возникает специфический электродный шум движения, превышение которого над тепловым шумом по напряжению достигает нескольких порядков. Именно он и определяет чувствительность малогабаритных буксируемых электродных датчиков. У некорродирующих электродов шум движения обусловлен флуктуациями скорости жидкости, в частности, турбулентностью. Причиной его возникновения является деформация набегающим потоком жидкости двойного электрического слоя на границе металл-электролит. Спектральные зависимости шумового напряжения имеют вид f’a, где or» 1,6…1,2 при скорости движения жидкости 2…3,5 м/с. Применение в электродном датчике обтекателей, выполненных в соответствии с разработанными нами рекомендациями, позволило уменьшить шум движения датчика на 15 — 20 дБ. Наивысшую чувствительность имеют датчики с электродами из металлов, имеющих на поверхности плотную диэлектрическую пленку окисла, таких, как тантал, титан, нержавеющая сталь. Разработанные нами методики оптимизации трансформаторного и магнитоиндукционного датчиков обеспечивают достижение у них максимальной предельной чувствительности при приеме электромагнитного поля в морской воде. Предложенные нами новые конструкции датчиков в условиях буксировки и вибрации имеют более высокую чувствительность, чем известные.7. Диссертация была выполнена в Институте Радиотехники и Электроники РАН в период с 1983 по 2006 год. Автор выражает благодарность соавторам к.т.н. В. И. Нарышкину, к.т.н. В. В. Акиндинову и к.т.н. Лишину за помощь, оказанную при подготовке и выполнении диссертационной работы. В. В. Акиндинову принадлежит постановка задачи исследования электродного шума. В. И. Нарышкин участвовал в проведении натурных экспериментов в морских условиях. И. В. Лишин принимал участие в обсуждении результатов экспериментальных исследований. С целью апробации результатов диссертационной работы электродные и магнитоиндукционные датчики, изготовленные в соответствии с разработанными в диссертации рекомендациями, использованы в экспериментах по обнаружению и определению координат подводного кабеля. В экспериментах принимали участие сотрудники ИРЭ РАН, указанные в библиографическом описании соответствующих статей, не являющиеся соавторами данной диссертационной работы.8. Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в 15 статьях [18−30,35,36] и 4 авторских свидетельствах на изобретение [31−34]. Результаты работы были использованы при разработке промышленной аппаратуры в КБ «Связьморпроект» (С.-Петербург) и при выполнении научно-исследовательских работ в ИРЭ РАН.
9. Личный вклад автора. Все результаты диссертационной работы автор получил единолично, а именно: — спланировал и подготовил эксперименты по измерению электродного шума и составляющих электродного импеданса, провел эксперименты в лабораторных условиях, непосредственно участвовал в натурных экспериментах, а также обработал результаты экспериментов- - предложил модель возникновения шума движения электродных датчиков и получил соотношение, определяющее потенциал поляризации движущегося электрода- - оптимизировал по максимальному отношению сигнал-шум магнитоиндук-ционный датчик и трансформаторный датчик по максимальному коэффициенту преобразования- - исследовал методы согласования электродных датчиков с приемным устройством на предмет достижения максимального отношения сигнал-шум- - предложил ряд отличительных существенных признаков помехозащищен-ных датчиков, признанных изобретениями- - предложил метод электромагнитного экранирования индуктивных элементов входных цепей приемного устройства для устранения виброшумов.10. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 190 страниц текста, включая 52 рисунка, 17 таблиц и список литературы из 83 библиографических наименований.
Заключение
.
1. Исследован ряд металлов и металлических покрытий на их пригодность для изготовления электродных датчиков электромагнитного поля. Получены данные о величине и стабильности составляющих импеданса электродов из различных металлов при длительном (до 4000 часов) выдерживании их в растворе ЫаС1, концентрация которого соответствовала солености воды в океане. Наиболее пригодными для изготовления электродных датчиков являются не-корродирующие металлы, имеющие на поверхности плотную пленку окисла, и непригодны корродирующие в морской воде металлы. Из исследованных металлов мы рекомендуем титан, тантал, нержавеющую сталь Х18Н9Т. Эти металлы обеспечивают низкое значение активной составляющей импеданса датчика Я и большое значение емкости С датчика при хорошей стабильности этих параметров. Кроме того, электроды из этих металлов имеют минимальный уровень электрохимического шума. Установлено, что широко применяемые в морских условиях медь и медные сплавы непригодны для изготовления электродов. Также непригодны для применения в датчиках электроды с металлическими покрытиями из-за значительной нестабильности составляющих импеданса датчика Я и С при больших значениях Я. Не рекомендуется применение покрытий даже из химически стойких и благородных металлов, поскольку наличие пор в металлических покрытиях рано или поздно приводит к их разрушению. 2. Показано, что практически единственно возможным способом согласования электродного датчика с предварительным усилителем приемного устройства является трансформаторное согласование. При бестрансформаторном подключении датчика к усилителю для согласования путем параллельного включения усилительных элементов требуется слишком большое число транзисторов (более тысячи). В качестве одного из основных параметров электродного датчика введена постоянная времени т = ЯС, определяющая оптимальное значение коэффициента трансформации при трансформаторном согласовании. Установлено, что составляющие импеданса датчика Я и С уменьшаются с ростом частоты. При этом постоянная времени гэл = г л С практически не зависит от площади электродов и является характеристикой металла. Здесь г7 — контактное сопротивление электродов, которое получается путем вычитания сопротивления растекания из сопротивления датчика 7?. Величина ¿-«гэл слабо зависит от частоты и для большинства металлов находится в пределах 0,13.0,2. Для электродов достаточно большой площади (сферические, радиусом 5 см) на частотах выше 90 Гц сопротивление датчика определяется сопротивлением растекания, а добротность датчика 1 /сот меньше единицы. Установлено, что попадание нефтепродуктов на сухую поверхность электродов увеличивает их сопротивление в 5 раз и уменьшает емкость в 3 раза, что приводит к рассогласованию электродного датчика с приемным устройством, увеличению теплового шума и уменьшению чувствительности.
3. Введено понятие предельной чувствительности датчика электромагнитного поля, как минимального значения напряженности поля сигнала, при котором отношение мощности сигнала к мощности теплового шума на входе приемного устройства в полосе 1 Гц равно единице. Получены расчетные формулы, определяющие предельную чувствительность приемного устройства с электродным датчиком при резонансном и нерезонансном трансформаторном согласовании. Проведено сравнение материалов электродов по достигаемой предельной чувствительности датчика на частоте 90 Гц. Оно показало, что все рекомендованные выше материалы в датчике реальных размеров (сферические электроды радиусом 5 см разнесены на расстояние 1 м) обеспечивают близкие значения предельной чувствительности в пределах 0,13.0,2 нВ/м^Гц. Причем как в случае резонансного, так и нерезонансного согласования предельная чувствительность практически одинакова. Однако нерезонансное согласование менее чувствительно к коэффициенту шума согласующего трансформатора и к увеличению сопротивления датчика при применении обтекателей, поэтому и рекомендуется нами к использованию. Резонансное трансформаторное согласование может быть использовано при работе в узкой полосе частот, если обеспечены условия стабильности импеданса датчика. Согласующий трансформатор в этом случае требует меньшего значения индуктивности первичной обмотки, поэтому проще в изготовлении.
4. Проведены исследования шума электродных датчиков как в отсутствие, так и при наличии движения относительно окружающей их морской воды. В отсутствие движения даже у благородных (золото, палладий) и некорродирую-щих металлов (тантал, титан) обнаружен электрохимический электродный шум, который мы называем избыточным, не исчезающий и через несколько суток выдержки в электролите. Величина избыточного шума зависит от материала электродов, шероховатости их поверхности и длительности выдержки их в электролите. Он имеет спектр типа /" «, где величина о: составляет от 1 до 1,5 в зависимости от материала электродов. У некорродирующих металлов (тантал, титан), наиболее пригодных для применения в электродных датчиках, отношение избыточного шума к тепловому на частотах в единицы герц достигает 3.4 раз. На частотах выше нескольких десятков герц избыточный шум у хорошо отполированных и длительно выдержанных в электролите электродов из таких металлов, как правило, меньше теплового, и во многих практических случаях его можно не учитывать. У корродирующих электродов из меди и медных сплавов (латунь, бронза) превышение избыточного шума над тепловым по напряжению на частотах ниже 20 Гц достигает порядка и более, оставаясь и на более высоких частотах существенно больше единицы. При этом спектральная плотность напряжения как теплового, так и избыточного шума уменьшается с увеличением площади электрода, а отношение избыточного шума к тепловому изменяется незначительно.
5. При движении электродов относительно морской воды обнаружен и измерен специфический шум движения, превышение которого над тепловым шумом по напряжению достигает у корродирующих электродов нескольких порядков, а у некорродирующих — до одного порядка. Именно он и определяет чувствительность буксируемых датчиков. Обнаруженная нами зависимость коррозионного шума движения от скорости жидкости положена в основу способа измерения скорости потока жидкости, признанного изобретением. Показано, что в отсутствие флуктуаций скорости потока воды шумовое напряжение разных электродных датчиков, находящихся в одном потоке, некоррелировано и увеличивается с ростом скорости. Спектральные зависимости шумового напряжения в лабораторных экспериментах имеют вид f~a. При скорости движения жидкости 2.3,5 м/с значения, а находятся в пределах 1,6. 1,2. Эти результаты удовлетворительно объясняются связью электродного шума с турбулентностью в жидкости, создаваемой при вращении активатора в лабораторной установке. При наличии пульсаций скорости потока шум движения коррелирован с пульсациями скорости. Показано, что напряжение шума при движении жидкости так же, как и в отсутствие движения, обратно пропорционально квадратному корню из площади электродов, при этом оно увеличивается с уменьшением концентрации электролита. Установлено, что наименьшей величиной шума движения из исследованных металлов обладают титан, тантал, сталь нержавеющая. Величина его у перечисленных металлов практически одинакова. Такие металлы, как никель, ниобий и медные сплавы имеют неприемлемо большой уровень шума движения, что не позволяет использовать их в датчиках. Для достижения минимального значения шума движения поверхность электродов должна быть отполирована, а сами электроды не менее трех суток выдержаны в электролите. Шум движения является суммой трех компонент. Коррозионная компонента обусловлена электрохимическим процессом окисления металла электрода. Адсорбционная компонента связана с формированием двойного электрического слоя на поверхности некорродирующих электродов при наличии медленных процессов специфической адсорбции поверхностью электрода ионов кислорода. Поляризационная компонента представляет собой флуктуации потенциала электрода в электролите относительно его равновесного значения, связанные с деформацией двойного электрического слоя при движении жидкости. Первые две из них можно в значительной мере уменьшить путем выбора материала электрода и выдержкой в электролите. После этого на первый план выходит поляризационная компонента шума.
6. Предложена модель поляризации движущегося электрода, в основе которой лежит гипотеза о нарушении равновесия зарядов в двойном электрическом слое при деформации двойного электрического слоя набегающим вдоль поверхности электрода потоком электролита, удовлетворительно согласующаяся с результатами экспериментальных исследований. В соответствии с этой моделью механизм возникновения шума движения выглядит следующим образом. На поверхности электрода имеется большое количество микровыступов, высота которых превышает толщину двойного слоя. При набегании на электрод потока электролита на краях микровыступов происходит сдвиг жидкостной обкладки двойного слоя и замена ее электронейтральным электролитом. При этом электрод приобретает неравновесный заряд, зависящий от флуктуирующей скорости потока. Соответствующие ему флуктуации потенциала электрода составляют основную часть шума движения некорродирующих электродов. Измерены зависимости напряжения поляризации электрода, совершающего гармонические колебания в электролите, от частоты и амплитуды колебаний, солености электролита, исследовано влияние обтекателя. Показано, что качественные результаты эксперимента подтверждают выдвинутую гипотезу, а измеренные значения напряжения поляризации не противоречат расчетным.
7. Исследована роль обтекателей, снижающих скорость движения жидкости у поверхности электродов. Экспериментально установлено, что применение обтекателей, сконструированных с учетом рекомендаций раздела 2.5, позволяет уменьшить шум движения электродного датчика на 15 — 20 дБ. Несоблюдение этих рекомендаций при конструировании обтекателей может напротив привести к увеличению шума.
8. Разработаны практические рекомендации по конструированию электродных датчиков, имеющих минимальный уровень собственного шума (включая шум движения), в том числе рекомендации по конструированию обтекателей.
Предложен способ уменьшения виброшумов, возникающих в индуктивных элементах (трансформаторных датчиках электромагнитного поля и входных согласующих трансформаторах), путем размещения их в электромагнитном экране, выполненном из немагнитного металла с высокой проводимостью.
9. Разработана методика оптимизации магнитоиндукционного датчика, позволяющая за счет выбора формы катушки достичь максимального отношения напряжения сигнала к собственному тепловому шуму. Увеличение предельной чувствительности такого датчика в результате оптимизации достигает 10. 15 процентов.
Разработана методика оптимизации трансформаторного датчика, которая при заданных габаритах позволяет в несколько раз увеличить коэффициент преобразования за счет оптимального выбора соотношений размеров сердечника и катушки и повысить чувствительность приемного устройства, если датчик соединен с ним длинным кабелем.
10. Рассчитана предельная чувствительность магнитоиндукционного и трансформаторного датчиков. Показано, что в диапазоне 3.300 Гц электродный датчик имеет наивысшую из рассмотренных типов датчиков предельную чувствительность.
11. По результатам проведенных исследований предложены новые конструкции электродных и безэлектродных датчиков, признанные изобретениями и защищенные авторскими свидетельствами. Они имеют более высокую чувствительность в условиях буксировки и вибрации по сравнению с известными.
Уменьшение шума движения электродных датчиков достигнуто за счет использования пористых диэлектрических перегородок для защиты электродов от воздействия потока жидкости. Такие датчики выполнены в виде проточной диэлектрической трубы, в среднем сечении и в торцах которой, установлены перегородки из пористого диэлектрика, а электроды расположены по обеим сторонам от центральной перегородки. Выбор расстояния между электродами в соответствии с полученной расчетной формулой позволяет устранить на выходе датчика электрокинетическую помеху, возникающую в результате просачивания воды сквозь пористые перегородки.
Предложены конструкции безэлектродных датчиков, в которых осуществляется компенсация виброшумов, а также промышленных помех, наводимых непосредственно на катушку трансформаторного датчика. В этих датчиках использованы две идентичные катушки, расположенные как можно ближе друг к другу, одинаково ориентированные и механически жестко соединенные. При этом катушки электрически соединены таким образом, что возникающая в них при вибрации в геомагнитном поле или при воздействии магнитного поля от промышленного источника помех ЭДС индукции вычитается.
