RU2671299C9 - Method and device for measuring parameters of underlying environment - Google Patents
Method and device for measuring parameters of underlying environment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2671299C9 RU2671299C9 RU2017112640A RU2017112640A RU2671299C9 RU 2671299 C9 RU2671299 C9 RU 2671299C9 RU 2017112640 A RU2017112640 A RU 2017112640A RU 2017112640 A RU2017112640 A RU 2017112640A RU 2671299 C9 RU2671299 C9 RU 2671299C9
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- generator
- parameters
- underlying
- input
- medium
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
- G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Geology (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Description
Способ измерения параметров подстилающей среды и устройство для его осуществления относится к измерительной технике и может использоваться в системах радиосвязи для выбора мест размещения приемопередающей аппаратуры.The method of measuring the parameters of the underlying medium and a device for its implementation relates to measuring technique and can be used in radio communication systems to select the location of the transceiver equipment.
Излучение и прием радиосигналов осуществляется через антенны, эффективность которых зависит от электрофизических параметров подстилающей среды. Известны способы оценки излучаемого радиосигнала по электрофизическим характеристикам подстилающей среды для некоторого района размещения (см., например, патент Японии JP №4376071, Н04В 3/46 «Способ измерения излучаемых радиоволн»).Radiation and reception of radio signals is carried out through antennas, the effectiveness of which depends on the electrophysical parameters of the underlying medium. Known methods for evaluating the emitted radio signal according to the electrophysical characteristics of the underlying environment for a certain area of location (see, for example, Japanese patent JP No. 4376071,
Известные способы основаны на использовании антенны в качестве первичного датчика, устройства преобразования параметров подстилающей среды, преобразователя аналогового сигнала в цифровую форму, цифрового вычислительного устройства и устройства хранения и индикации.Known methods are based on the use of an antenna as a primary sensor, a device for converting the parameters of the underlying medium, an analog signal to digital converter, a digital computing device and a storage and display device.
Способы-аналоги основаны на определении электрофизических параметров подстилающей среды путем измерения потерь электромагнитной энергии в подстилающей среде. Потери определяются как интеграл от произведения поверхностного импеданса подстилающей среды на квадрат плотности тока. Этот метод дает достаточно точные результаты, когда напряженность поля подстилающей среды слабо изменяется вдоль этой поверхности на расстоянии порядка глубины скин-эффекта.Analog methods are based on the determination of the electrophysical parameters of the underlying medium by measuring the loss of electromagnetic energy in the underlying medium. Losses are defined as the integral of the product of the surface impedance of the underlying medium and the square of the current density. This method gives fairly accurate results when the field strength of the underlying medium varies slightly along this surface at a distance of the order of the depth of the skin effect.
Однако если это условие не выполнено, то напряженность поля в подстилающей среде нельзя адекватно определить через нормальную составляющую электромагнитной волны, распространяющуюся вдоль поверхности земли. При этом меняется излучающая способность антенны, находящейся вблизи подстилающей среды, что является недостатком аналогов.However, if this condition is not fulfilled, then the field strength in the underlying medium cannot be adequately determined through the normal component of the electromagnetic wave propagating along the earth's surface. In this case, the emissivity of the antenna located near the underlying medium changes, which is a disadvantage of analogues.
Характеристики антенных элементов, когда они окружены материальной средой, сильно отличаются от их характеристик в воздухе, благодаря влиянию электрических свойств материала среды и даже ее формы и размеров, если влияние материальной среды не очень сильное.The characteristics of the antenna elements, when they are surrounded by the material environment, are very different from their characteristics in the air, due to the influence of the electrical properties of the material of the medium and even its shape and size, if the influence of the material medium is not very strong.
Для оценки излучающей способности антенны от электрофизических параметров подстилающей среды используют устройства, содержащие генератор периодического сигнала, измерительную антенну, измеритель входного импеданса антенны, аналого-цифровой преобразователь, устройство математической обработки полученных данных и отображения результатов измерения, источник периодического испытательного сигнала, снимают зависимость входного импеданса антенны, находящейся над подстилающей средой, от частоты источника периодического сигнала (Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах, кн. 1 - М: Мир, 1984, RU 209846,. RU 2188439, US 5175500).To assess the emitting ability of the antenna from the electrophysical parameters of the underlying medium, devices containing a periodic signal generator, a measuring antenna, an antenna input impedance meter, an analog-to-digital converter, a device for mathematically processing the received data and displaying the measurement results, a source of a periodic test signal, take the input impedance antenna above the underlying medium from the frequency of the source of the periodic signal (King ., G. Smith Antennas in material media, Vol 1 - M:. World 1984, RU 209846 ,. RU 2188439, US 5175500).
При этом производится измерение действительной составляющей поверхностного импеданса среды. Излучающая способность антенны зависит от импеданса среды, представимого в виде суммы действительной и мнимой составляющих. Для оценки мнимой составляющей производят дополнительные измерения. Причем для этих целей используют дополнительное оборудование, что удорожает процесс измерения и снижает его точность и объективность.In this case, the actual component of the surface impedance of the medium is measured. The emissivity of the antenna depends on the impedance of the medium, represented as the sum of the real and imaginary components. To evaluate the imaginary component, additional measurements are made. Moreover, additional equipment is used for these purposes, which makes the measurement process more expensive and reduces its accuracy and objectivity.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ, описанный в патенте РФ №2316113, Н04В 3/46 «Способ измерения параметров подстилающей среды и устройство для его осуществления», принятый за прототип.The closest analogue in technical essence to the proposed one is the method described in RF patent No. 2316113,
Способ-прототип заключается в использовании рамочной антенны, в центре которой помещен датчик Холла, питаемый от генератора, частота которого выбирается в диапазоне 2…200⋅(σ⋅S)-1⋅104, где σ - электропроводность подстилающей среды (См/м), S - площадь рамочной антенны (м2), определении фазового сдвига между входным током и выходным напряжением датчика Холла Ф (рад), по которому определяют электропроводность подстилающей среды по формуле: σ=0,66⋅106⋅(Ф-0,2)2/(f⋅S).The prototype method consists in using a loop antenna, in the center of which there is a Hall sensor powered by a generator, the frequency of which is selected in the
Способ-прототип основывается на зависимости магнитного поля от параметров подстилающей среды. Известно, что в зависимости от параметров материальной среды изменяется величина магнитного поля, но эта зависимость в значительно меньшей степени зависит от наличия или отсутствия влаги (и воды) в подстилающей поверхности и поляризации электродов, так как при этих измерениях отсутствуют явления однонаправленного движения электрических зарядов.The prototype method is based on the dependence of the magnetic field on the parameters of the underlying medium. It is known that, depending on the parameters of the material medium, the magnitude of the magnetic field changes, but this dependence is much less dependent on the presence or absence of moisture (and water) in the underlying surface and the polarization of the electrodes, since there are no unidirectional motion of electric charges in these measurements.
Описание предлагаемого способа и устройства для его осуществления поясняется графическими материалами. На фиг. 1 приведена схема устройства-прототипа; на фиг. 2 - схема предлагаемого устройства; на фиг. 3 - схема генератора; на фиг. 4 показана зависимость частоты генератора от относительной диэлектрической проницаемости подстилающей среды.The description of the proposed method and device for its implementation is illustrated by graphic materials. In FIG. 1 shows a diagram of a prototype device; in FIG. 2 - diagram of the proposed device; in FIG. 3 is a diagram of a generator; in FIG. 4 shows the dependence of the frequency of the generator on the relative dielectric constant of the underlying medium.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, описанное в патенте РФ №2316113, Н04В 3/46, принятое за прототип.The closest in technical essence to the proposed is the device described in the patent of the Russian Federation No. 2316113, HB04 3/46, adopted as a prototype.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где обозначено:The circuit of the prototype device is shown in FIG. 1, where indicated:
1 - рамочная антенна;1 - loop antenna;
2 - генератор;2 - generator;
4 - вычислительное устройство;4 - computing device;
5 - устройство индикации и запоминания;5 - display and memory device;
8 - резистор обратной связи;8 - feedback resistor;
9 - операционный усилитель;9 - operational amplifier;
10 - фазочувствительный мост;10 - phase-sensitive bridge;
11 - датчик Холла.11 - Hall sensor.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные генератор 2 и операционный усилитель 9, неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой резистора обратной связи 8, а выход операционного усилителя 9 подключен к первому зажиму рамочной антенны 1.1, второй зажим которой подсоединен к первому токовому выводу датчика Холла 11, первый и второй выводы напряжения которого соединены с третьим и четвертым входами фазочувствительного моста 10 соответственно, первый вход которого подключен к выходу генератора 2, второй вход - к точке соединения одного вывода резистора обратной связи 8 и общей шины. Другой вывод резистора обратной связи 8 соединен со вторым токовым выводом датчика Холла 11. Выход фазочувствительного моста 10 подключен к входу вычислительного устройства 4, выход которого соединен с входом устройства индикации и запоминания 5.The prototype device contains a series-connected
Вариантом построения схемы фазочувствительного моста 10 может служить схема, представленная книге Бухгольц В.П., Тисевич Э.Г. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления. - М: Энергия, 1972. С. 48.An option for constructing a phase-
Работает устройство измерения параметров подстилающей среды следующим образом.The device for measuring the parameters of the underlying environment as follows.
При включении генератора 2 его выходной сигнал подается на первый вход фазочувствительного моста 10 и на инвертирующий вход операционного усилителя 9, охваченного обратной связью по току, сигнал которой снимается с резистора обратной связи 8, при этом через рамочную антенну 1 и датчик Холла 11 протекает переменный ток. Ток, протекающий через рамочную антенну 1, вызывает появление переменного магнитного поля, датчик Холла 11, воспринимающий это поле, формирует переменное холловское напряжение на третьем и четвертом входах фазочувствительного моста 10. На выходе фазочувствительного моста 10 формируется напряжение, пропорциональное разности фаз между входным током датчика Холла 11 и напряженностью магнитного поля. Сигнал на выходе фазочувствительного моста 10 подается на вход вычислительного устройства 4, которое осуществляет математическую обработку информации для получения значений электрофизических параметров подстилающей среды (в частности, электропроводности) и передает результаты вычислений на устройство индикации и запоминания 5.When the
Частоту генератора 2 следует изменять в некотором диапазоне, начинающемся с величины f=5000⋅S-1, где f - частота в Гц, a S - площадь рамочной антенны, м2. Частоту генератора 2 увеличивают до тех пор, пока фазовый сдвиг, измеряемый фазочувствительным мостом 10, не будет составлять 0,375 рад (22°), после чего следует осуществлять измерение электропроводности подстилающей среды. Измерение следует производить на частотах, обеспечивающих фазовый сдвиг, лежащий в диапазоне 0,375…1,9 рад (22…111°). Оптимум точности измерения электропроводности достигается при углах фазового сдвига, близких к π/2 рад (90°). При этом в вычислительном устройстве 4 электропроводность подстилающей среды следует определять по ранее приведенной формуле σ=0,66⋅106⋅(Ф-0,2)2/(f⋅S).The frequency of
Согласно литературным источникам (см., например, книгу Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах, кн. 1, кн. 2. - М.: Мир, 1984.), такие параметры как электропроводность, частота сигнала генератора и площадь антенны входят в выражения для напряженности магнитного поля в виде произведения, поэтому можно совокупность указанных параметров представить в виде одной безразмерной переменной у, пропорциональной произведению указанных параметров. Если обозначить через H1(у) - действительную составляющую магнитного поля, а через Н2(у) - мнимую составляющую магнитного поля, то действительная составляющая имеет максимум при у=0, а мнимая составляющая имеет минимум при значении параметра у около 1.According to literary sources (see, for example, the book King R., Smith G. Antennas in material media,
Если обратиться к фазовой характеристике Ф(у), то видно, что она имеет несколько экстремумов, поэтому, чтобы не было неоднозначных результатов расчета, необходимо использовать участок значений у, не превосходящий 5. В связи с этим введено ограничение на диапазон измерения параметров подстилающей среды: частота генератора выбирается в диапазоне 2…200⋅(σ⋅S)-1⋅104.If we turn to the phase characteristic Φ (y), then it can be seen that it has several extrema, therefore, in order to avoid ambiguous calculation results, it is necessary to use a plot of y values that does not exceed 5. In this connection, a restriction is introduced on the measuring range of the parameters of the underlying medium : the generator frequency is selected in the range of 2 ... 200⋅ (σ⋅S) -1 ⋅10 4 .
Частоту генератора 2 изменяют в некотором диапазоне, начиная с известного начального значения до тех пор, пока фазовый сдвиг, измеряемый фазочувствительным мостом 10, не будет находиться в диапазоне 22°…111°. Электропроводность среды вычисляется в вычислительном устройстве 4 по формуле σ=0,66⋅106⋅(Ф-0,2)2/(ƒ⋅S), где ƒ - частота генератора 2, Гц; Ф - фазовый сдвиг, рад; S - площадь рамочной антенны 1, м2.The frequency of the
Точность измерения параметров подстилающей среды зависит от точности изготовления и установки рамочной антенны, что трудно обеспечить для естественных сред, особенно при перемещении измерительного устройства, кроме того, ограничен диапазон измерений параметров подстилающей среды, что является недостатком способа-прототипа и устройства для его осуществления.The accuracy of measuring the parameters of the underlying environment depends on the accuracy of the manufacture and installation of the loop antenna, which is difficult to ensure for natural environments, especially when moving the measuring device, in addition, the measurement range of the parameters of the underlying environment is limited, which is a disadvantage of the prototype method and device for its implementation.
Задача предлагаемого технического решения - повышение точности измерения электрофизических параметров и расширение функциональных возможностей по обеспечению измерения других параметров подстилающей среды.The objective of the proposed technical solution is to increase the accuracy of measuring electrophysical parameters and expand the functionality to ensure the measurement of other parameters of the underlying environment.
Для решения поставленной задачи в способе измерения электрофизических параметров подстилающей среды, заключающемся в использовании генератора и антенны, помещенной в подстилающую среду для измерения ее параметров, математической обработке результатов измерения, определении параметров подстилающей среды, согласно изобретению, проводят измерения параметров подстилающей среды при помощи зондов, используемых в качестве антенны, с подключенной к зондам последовательной цепью из эталонного элемента и контактного устройства, управляют которым при помощи цифрового вычислительного устройства, измеряют частоту генератора, являющуюся собственной частотой подстилающей среды, которая не зависит от конструктивных параметров зондов, и определяется по формулеTo solve the problem in a method for measuring the electrophysical parameters of the underlying environment, which consists in using a generator and an antenna placed in the underlying environment to measure its parameters, mathematical processing of the measurement results, determining the parameters of the underlying medium, according to the invention, the parameters of the underlying medium are measured using probes, used as an antenna with a serial circuit connected to the probes from a reference element and a contact device, otorrhea using a digital computing device, measure the oscillator frequency, which is the natural frequency of the underlying medium, which does not depend on the design parameters of the probes, and determined by the formula
(σ,ε)ƒ=π⋅σ/ε a =36π2⋅109⋅σ/ε, где ƒ - частота генератора, Гц; σ - электропроводность подстилающей поверхности, См/м; ε - относительная диэлектрическая проницаемость.(σ, ε) ƒ = π⋅σ / ε a = 36π 2 ⋅10 9 ⋅σ / ε, where ƒ is the generator frequency, Hz; σ is the electrical conductivity of the underlying surface, S / m; ε is the relative dielectric constant.
В устройство измерения параметров подстилающей среды, содержащее генератор и антенну, помещенную в подстилающую среду для измерения ее параметров, а также последовательно соединенные цифровое вычислительное устройство и устройство индикации и запоминания, согласно изобретению, введен аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого подсоединен к выходу генератора, а выход - к входу цифрового вычислительного устройства (ЦВУ), при этом генератор построен на операционном усилителе, в цепь обратной связи которого включены зонды, используемые в качестве антенны, с подключенной к ним последовательной цепью из эталонного элемента и контактного устройства, управляющий вход которого соединен со вторым выходом ЦВУ, кроме того, один зонд подключен к общей точке соединения второго входного резистора и неинверсного входа операционного усилителя, инверсный вход которого соединен с первым входным резистором, а другой зонд подключен к общей точке соединения резистора нагрузки и выхода операционного усилителя, и является выходом генератора, причем соответствующие выводы первого и второго входных резисторов и резистора нагрузки подключены к общей шине.An analog-to-digital converter (ADC) is connected to the device for measuring the parameters of the underlying medium, containing a generator and an antenna placed in the underlying environment for measuring its parameters, as well as a series-connected digital computing device and an indication and memory device, according to the invention, the input of which is connected to the output of the generator, and the output to the input of a digital computing device (CVC), while the generator is built on an operational amplifier, in the feedback circuit of which probes are used, using used as an antenna with a serial circuit connected to them from a reference element and a contact device, the control input of which is connected to the second output of the CVC, in addition, one probe is connected to a common connection point of the second input resistor and non-inverse input of the operational amplifier, the inverse input of which is connected with the first input resistor, and the other probe is connected to a common connection point of the load resistor and the output of the operational amplifier, and is the output of the generator, and the corresponding conclusions of the first first and second input resistor and a load resistor connected to a common bus.
Предлагаемый способ измерения параметров подстилающей среды заключается в следующем.The proposed method for measuring the parameters of the underlying environment is as follows.
Для измерения параметров излучения используют зонды в качестве антенны, помещаемые в подстилающую среду (Р. Кинг, Г. Смит Антенны в материальных средах, кн. 1 - М.: Мир, 1984, с. 209) и генератор. Чтобы увеличить количество измеряемых параметров подстилающей среды, к зондам подключают последовательную цепь из эталонного элемента (например, конденсатора) и контактного устройства, при этом частота генератора соответствует собственной частоте подстилающей среды. Значение частоты генератора используется для математической обработки в цифровом вычислительном устройстве. Кроме того, цифровое вычислительное устройство управляет замыканием и размыканием цепи из эталонного элемента и контактного устройства для расширения количества измеряемых параметров подстилающей среды.To measure the radiation parameters, probes are used as antennas placed in the underlying medium (R. King, G. Smith Antennas in material media, book 1 - M .: Mir, 1984, p. 209) and a generator. To increase the number of measured parameters of the underlying medium, a series circuit of a reference element (for example, a capacitor) and a contact device is connected to the probes, while the generator frequency corresponds to the natural frequency of the underlying medium. The generator frequency value is used for mathematical processing in a digital computing device. In addition, the digital computing device controls the closing and opening of the circuit from the reference element and the contact device to expand the number of measured parameters of the underlying medium.
Сигнал генератора определяется перемножением трех матриц:The signal of the generator is determined by the multiplication of three matrices:
где a ij - элементы волновой матрицы генератора; RT и R2 - номиналы резисторов схемы генератора, Z1 - волновое сопротивление подстилающей среды; - коэффициент распространения (, со - круговая частота, R и С - эквивалентные сопротивление и емкость подстилающей среды).where a ij are the elements of the wave matrix of the generator; RT and R 2 are the values of the resistors of the generator circuit, Z 1 is the wave resistance of the underlying medium; - distribution coefficient ( , co is the circular frequency, R and C are the equivalent resistance and capacity of the underlying medium).
Подставляя в последнюю формулу и выделяя действительную и мнимую часть, получим систему уравненийSubstituting into the last formula and highlighting the real and imaginary parts, we get the system of equations
Границу устойчивости автоколебаний определяет параметр β=Z1(RT)-1. Для обеспечения устойчивости автоколебаний необходимо, чтобы выполнялся баланс фаз и баланс амплитуд. Этому условию отвечает α=π и β<-1.The stability boundary of self-oscillations is determined by the parameter β = Z 1 (RT) -1 . To ensure the stability of self-oscillations, it is necessary that a phase balance and amplitude balance are performed. This condition corresponds to α = π and β <-1.
Для расчетов примем α=π, β=-2. Тогда частота автоколебаний ƒ=ω/2π будет определяться какFor calculations, we take α = π, β = -2. Then the self-oscillation frequency ƒ = ω / 2π will be determined as
Рассчитываемую емкость С можно представить в видеThe calculated capacity C can be represented as
где А - конструктивный параметр зонда, м; ε а =ε0ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды (ε0=(36π⋅109)-1, Ф/м; ε - относительная диэлектрическая проницаемость; С - емкость, Ф.where A is the design parameter of the probe, m; ε a = ε 0 ε is the absolute dielectric constant of the medium (ε 0 = (36π⋅10 9 ) -1 , F / m; ε is the relative dielectric constant; C is the capacitance, F.
Тогда расчитываемое активное сопротивление R представим в видеThen, the calculated active resistance R can be represented as
где А - тот же конструктивный параметр зонда, м; σ - удельная электропроводность среды, См/м; R - активное сопротивление, Ом.where A is the same design parameter of the probe, m; σ is the electrical conductivity of the medium, S / m; R is the active resistance, Ohm.
Отсюда частота автоколебаний генератора определится какHence, the oscillator self-oscillation frequency is defined as
Таким образом, частота генератора определяется не конструктивными параметрами зондов, а параметрами подстилающей среды: σ - удельная электропроводность среды, См/м; ε - относительная диэлектрическая проницаемость. То есть, измеряется частота генератора, равная собственной частоте подстилающей среды, независящая от конструктивных параметров зондов.Thus, the frequency of the generator is determined not by the constructive parameters of the probes, but by the parameters of the underlying medium: σ is the electrical conductivity of the medium, S / m; ε is the relative dielectric constant. That is, the generator frequency is measured, which is equal to the natural frequency of the underlying medium, independent of the design parameters of the probes.
Структурная схема заявляемого устройства измерения параметров подстилающей среды приведена на фиг. 2, где обозначено:The structural diagram of the inventive device for measuring the parameters of the underlying environment is shown in FIG. 2, where indicated:
1.1, 1.2 - зонды;1.1, 1.2 - probes;
2 - генератор;2 - generator;
3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);3 - analog-to-digital Converter (ADC);
4 - цифровое вычислительное устройство (ЦВУ);4 - digital computing device (CVU);
5 - устройство индикации и запоминания;5 - display and memory device;
6 - контактное устройство;6 - contact device;
7 - эталонный элемент;7 - reference element;
RC-цепь - эквивалентная схема подстилающей среды.An RC circuit is an equivalent circuit of the underlying medium.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные генератор 2, АЦП 3, ЦВУ 4 и устройство индикации и запоминания 5. Кроме того, к соответствующим входам генератора 2 подсоединены зонд 1.1 и зонд 1.2, используемые в качестве антенны, и помещенные в подстилающую среду, которая представлена в виде эквивалентной RC-цепи. К зондам 1.1 и 1.2 подключена последовательная цепь из эталонного элемента (например, конденсатора) 7 и контактного устройства 6, управляющий вход которого соединен со вторым выходом ЦВУ 4.The proposed device contains a series-connected
На фиг. 3 представлена схема генератора, где обозначено:In FIG. 3 shows a diagram of the generator, where indicated:
1.1, 1.2 - зонды для измерения параметров подстилающей среды;1.1, 1.2 - probes for measuring the parameters of the underlying medium;
2.1 - операционный усилитель;2.1 - operational amplifier;
2.2 - резистор нагрузки;2.2 - load resistor;
2.3, 2.4 - первый и второй входные резисторы;2.3, 2.4 - the first and second input resistors;
6 - контактное устройство;6 - contact device;
7 - эталонный элемент (конденсатор);7 - reference element (capacitor);
RC-цепь - эквивалентная схема подстилающей среды.An RC circuit is an equivalent circuit of the underlying medium.
Генератор 2 построен на операционном усилителе 2.1, в цепь обратной связи которого включены зонды 1.1 и 1.2, используемые в качестве антенны для измерения параметров подстилающей среды, представленной в виде эквивалентной схемы - RC-цепи, с подключенной последовательной цепью из эталонного элемента 7 и контактного устройства 6, управляющий вход которого соединен со вторым выходом ЦВУ 4. При этом зонд 1.1 подключен к общей точке соединения второго входного резистора 2.4 и неинверсного входа операционного усилителя 2.1, инверсный вход которого соединен с первым входным резистором 2.3. Зонд 1.2 подключен к общей точке соединения резистора нагрузки 2.2 и выхода операционного усилителя 2.1 и является выходом генератора 2. Соответствующие выводы первого 2.3 и второго 2.4 входных резисторов и резистора нагрузки 2.2. подключены к общей шине.The
Предлагаемое устройство измерения параметров подстилающей среды работает следующим образом.The proposed device for measuring the parameters of the underlying environment works as follows.
При подключении зондов 1.1 и 1.2 к подстилающей среде и подаче питающего напряжения на выходе генератора 2 появляется сигнал, частота которого ƒ зависит от электрофизических параметров подстилающей среды. Этот сигнал с помощью АЦП 3 преобразуется в цифровой код, который поступает на вход цифрового вычислительного устройства 4. После выполнения арифметических и логических операций в устройстве 4 результат поступает в устройство 5, где осуществляется его индикация и запоминание.When probes 1.1 and 1.2 are connected to the underlying medium and a voltage is applied to the output of the
Генератор 2 представляет собой операционный усилитель 2.1, охваченный частотно-избирательной положительной обратной связью через последовательно соединенные контактное устройство 6 и эталонный элемент 7 с подключенными зондами 1.1 и 1.2.
При выполнении условий баланса фаз и амплитуд такое включение обеспечивает генерирование сигнала, частота которого определяется по формуле (1).When the conditions of the balance of phases and amplitudes are satisfied, such an inclusion ensures the generation of a signal whose frequency is determined by formula (1).
Контактное устройство 6 управляется цифровым вычислительным устройством 4, в результате чего происходит подключение и отключение эталонного элемента (например, конденсатора) 7. (В качестве контактного устройства может быть использован, например, МОП-транзистор или контакт реле). При этом частота генератора 2 изменяется следующим образом:The
1. Цепь контактного устройства разомкнута1. The circuit of the contact device is open
ƒ1=π⋅σ/ε а =36π2⋅109⋅σ/ε,ƒ 1 = π⋅σ / ε а = 36π 2 ⋅10 9 ⋅σ / ε,
2. Цепь контактного устройства замкнута2. The circuit of the contact device is closed
ƒ2=π⋅σ/ε а =36π2⋅109⋅σ/ε-Δƒ,ƒ 2 = π⋅σ / ε а = 36π 2 ⋅10 9 ⋅σ / ε-Δƒ,
где Δƒ - уменьшение частоты генератора 2 относительно ƒ1.where Δƒ is the decrease in the frequency of the
Отсюда получим отношение частотFrom here we get the frequency ratio
ƒ1/ƒ2=(С+Сэ)/С,ƒ 1 / ƒ 2 = (C + C e ) / C,
а значение С находится какand the value of C is like
Исходя из формулы (2), зная конструктивный параметр зонда А, найдем значение абсолютной диэлектрической проницаемости среды:Based on the formula (2), knowing the design parameter of the probe A, we find the value of the absolute dielectric constant of the medium:
ε а =ε0ε=С/А.ε a = ε 0 ε = C / A.
Конструктивный параметр зонда А можно определить расчетным путем или используя тестовый образец среды с известной электропроводностью среды σ, исходя из формул (1)…(3). Отсюда, параметр А будетThe design parameter of probe A can be determined by calculation or by using a test sample of a medium with a known electrical conductivity of the medium σ, based on formulas (1) ... (3). Hence, parameter A will be
Как видно из выражения (6) конструктивный параметр А определяется, исходя из частот генератора 2, номинала эталонного конденсатора СЭ и электропроводности тестового образца среды σ.As can be seen from expression (6), structural parameter A is determined based on the frequencies of
Использование цифрового вычислительного устройства 4 (фиг. 2) позволяет определять производные от σ и ε параметры: тангенс угла диэлектрических потерь δ, глубину скин-слоя и т.д.Using a digital computing device 4 (Fig. 2), it is possible to determine the derivatives of σ and ε parameters: dielectric loss tangent δ, skin depth, etc.
В качестве примера покажем использование указанного способа для измерения параметров подстилающей среды в различных географических зонах РФ для разных сезонов.As an example, we show the use of this method for measuring the parameters of the underlying environment in different geographical zones of the Russian Federation for different seasons.
Зависимость частоты генератора 2 от относительной диэлектрической проницаемости ε и удельной электропроводности σ почвы приведена на фиг. 4, где по оси абсцисс отложена ε, по оси ординат - частота ƒ (Гц), а параметром кривых является удельная электропроводность по оси ординат - σ (См/м).The dependence of the frequency of the
Кривые на фиг. 4 показывают, что для зимнего времени, когда удельная электропроводность σ во многих районах России близка к 10-6 См/м, частота генератора составит около 100 кГц. В летнее время, когда электропроводность σ близка к 10-2 См/м, в зависимости от относительной диэлектрической проницаемости ε частота генератора изменяется от 350 МГц (сухие почвы) до 30 МГц (влажные почвы). Частота генератора позволяет оценить электрофизические параметры почвы, которые необходимы для оптимального размещения антенн узлов связи.The curves in FIG. 4 show that for winter time, when the electrical conductivity σ in many regions of Russia is close to 10 -6 S / m, the generator frequency will be about 100 kHz. In summer, when the electrical conductivity σ is close to 10 -2 S / m, depending on the relative permittivity ε, the frequency of the generator varies from 350 MHz (dry soils) to 30 MHz (wet soils). The frequency of the generator allows you to evaluate the electrophysical parameters of the soil, which are necessary for the optimal placement of the antennas of communication nodes.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить повышение точности измерения электрофизических параметров подстилающей среды, а также расширить функциональные возможности по обеспечению измерения других (дополнительных) параметров подстилающей среды за счет параллельного подключения эталонного элемента, например, конденсатора к зондам.Thus, the proposed technical solution allows to increase the accuracy of measurement of the electrophysical parameters of the underlying medium, as well as expand the functionality to ensure the measurement of other (additional) parameters of the underlying medium due to the parallel connection of a reference element, for example, a capacitor to probes.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017112640A RU2671299C9 (en) | 2017-04-12 | 2017-04-12 | Method and device for measuring parameters of underlying environment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017112640A RU2671299C9 (en) | 2017-04-12 | 2017-04-12 | Method and device for measuring parameters of underlying environment |
Publications (4)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2017112640A RU2017112640A (en) | 2018-10-12 |
RU2017112640A3 RU2017112640A3 (en) | 2018-10-12 |
RU2671299C2 RU2671299C2 (en) | 2018-10-30 |
RU2671299C9 true RU2671299C9 (en) | 2018-12-24 |
Family
ID=63863547
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017112640A RU2671299C9 (en) | 2017-04-12 | 2017-04-12 | Method and device for measuring parameters of underlying environment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2671299C9 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2813489C1 (en) * | 2023-12-08 | 2024-02-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения" | Method for determining complex dielectric permeability of underlying soil |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6653839B2 (en) * | 2001-04-23 | 2003-11-25 | Computalog Usa Inc. | Electrical measurement apparatus and method for measuring an electrical characteristic of an earth formation |
RU2220404C2 (en) * | 1998-10-23 | 2003-12-27 | Клод ЛОНЕЙ | Measuring device for indirect measurement of dielectric permittivity |
RU2316113C2 (en) * | 2005-08-04 | 2008-01-27 | Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Method for measuring parameters of an underlying environment and device for realization of the method |
RU2421758C1 (en) * | 2009-12-25 | 2011-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (государственный технический университет) (МАИ) | Method of determining geometrical and electrophysical parameters of plane layered medium |
EP2506040A1 (en) * | 2011-04-01 | 2012-10-03 | Université Catholique De Louvain | Method and device for characterization of physical properties of a target volume by electromagnetic inspection. |
-
2017
- 2017-04-12 RU RU2017112640A patent/RU2671299C9/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2220404C2 (en) * | 1998-10-23 | 2003-12-27 | Клод ЛОНЕЙ | Measuring device for indirect measurement of dielectric permittivity |
US6653839B2 (en) * | 2001-04-23 | 2003-11-25 | Computalog Usa Inc. | Electrical measurement apparatus and method for measuring an electrical characteristic of an earth formation |
RU2316113C2 (en) * | 2005-08-04 | 2008-01-27 | Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Method for measuring parameters of an underlying environment and device for realization of the method |
RU2421758C1 (en) * | 2009-12-25 | 2011-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (государственный технический университет) (МАИ) | Method of determining geometrical and electrophysical parameters of plane layered medium |
EP2506040A1 (en) * | 2011-04-01 | 2012-10-03 | Université Catholique De Louvain | Method and device for characterization of physical properties of a target volume by electromagnetic inspection. |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2813489C1 (en) * | 2023-12-08 | 2024-02-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения" | Method for determining complex dielectric permeability of underlying soil |
RU2820896C1 (en) * | 2024-04-05 | 2024-06-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Earth's surface conductivity meter |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2017112640A (en) | 2018-10-12 |
RU2017112640A3 (en) | 2018-10-12 |
RU2671299C2 (en) | 2018-10-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Blonquist Jr et al. | Standardizing characterization of electromagnetic water content sensors: Part 2. Evaluation of seven sensing systems | |
Bogena et al. | Evaluation of a low-cost soil water content sensor for wireless network applications | |
Schwartz et al. | Evaluation of a direct-coupled time-domain reflectometry for determination of soil water content and bulk electrical conductivity | |
US20150323372A1 (en) | Temperature Compensated Transmission Line Based Liquid Level Sensing Apparatus and Method | |
Varshney et al. | Theoretical and experimental analysis of high Q SAW resonator transient response in a wireless sensor interrogation application | |
RU2671299C9 (en) | Method and device for measuring parameters of underlying environment | |
Kuklin | Device for the field measurements of frequency-dependent soil properties in the frequency range of lightning currents | |
Tomar et al. | Development of a low Cost Soil Moisture Sensor | |
Vinogradova et al. | Selection of method and means of measuring resonant frequency of serial oscillatory circuit | |
US7834641B1 (en) | Phase-gain calibration of impedance/admittance meter | |
Pabari et al. | Development of impedance-based miniaturized wireless water ice sensor for future planetary applications | |
Umar et al. | Low cost soil sensor based on impedance spectroscopy for in-situ measurement | |
Lin et al. | New transmission line setup and improved TDR dielectric spectroscopy based on reflection-decoupled ratio method | |
RU2475766C1 (en) | Method to determine transfer function of linear radioelectronic system | |
US3360726A (en) | Radiation responsive device | |
US11408835B2 (en) | Microwave soil moisture sensor based on phase shift method and independent of electrical conductivity of the soil | |
RU2695025C1 (en) | Two-probe method of measuring phase shifts of distributed rc-structure | |
RU2695030C1 (en) | Device for double-probe measurement of phase shifts of distributed rc-structure | |
Coetzee | A technique to determine the electromagnetic properties of soil using moisture content | |
Varma et al. | Design, development and performance study of a polymer coated capacitive sensor for measuring moisture content of soil | |
Misra | In situ electric probe method for determining the dielectric properties of materials | |
RU2561336C1 (en) | Method of measurement of parameters of elements of multielement non-resonant linear two-pole networks | |
RU2316113C2 (en) | Method for measuring parameters of an underlying environment and device for realization of the method | |
RU2804322C1 (en) | Method for measuring the electrophysical parameters of a quadripole and a device for its implementation | |
RU2310871C2 (en) | Method for estimating frequency distortions |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: CORRECTION TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL 31-2018 FOR INID CODE(S) (72) |
|
TH4A | Reissue of patent specification |