Проектирование электро- и магнитоиндукционных датчиков импульсных электромагнитных полей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

РГб од

Т п Д|;40сфв«3гй ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ' .....(ТЕХНИЧЕСКИЙ ЭТШВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

КУЗОВКИ! Владамф Александрович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРО- И МАГШТ0ШЩУКЩ10НЗШХ ДАТЧИКОВ ИШУЛЬСШХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Автореферат диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Московском Энергетическом институте. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, чл.-корр. РАЕН, проф. Собксевич Л.Е., доктор технических наук, проф. Се'ргеев В.Г., доктор технических наук Зуфрин A.M.

»

Ведущее предприятие Научно-исследовательский институт Автоматики ( г.Москва ).

Защита состоится 1993г. на заседании специал-

изированного совета Л 053.16.10 в Московском энергетическом институте:

105835, Москва, Красноказарменная ул.,14 в /у чьс.-О^ мин. в ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Энергетического института.

Отзывы, заверенные печатью, просим направить по адресу: 105835,ГСП,Москва Е-250, Красноказарменная,14, Учений совет МЭИ.

Автореферат разослан 1993г.

Ученый секретарь Специализированного Совета Д 053.16.10 >

д.т.н., проф. /2-7 В.И.Пищиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЕОИ

Актуальность проблем. Исследование характеристик электромагнитного поля слуглт эФХективнш средством познзния явлений и процессов, происходящих в электроэнергетических и электронных устройствах, биологических системах, веществе, а такта других объектах. Эти исследования позволяют получить инг1ормацию, необходимую для пректического р:кения научных, техшгческих и практических проблем в электротехнической и электрошюЯ ггрсшиленнос-ти, ¡дздшинской диагностике, обеспечения электромагнитной совместимости, аио.пиза злектромзппттшгх методов исследования нэдр Земли поиска полезных ископаемых. Электромагнитные поля реальных объектов обладают сложными пространствешго-врЗмвгапми харак-' теристмсэ.чи, неоднородностью в пространстве а импульсным видом процессов во времени.

Разнообразие и сложность практических задач исследования характеристик электромагнитного поля затрудчпет ¡гх теоретическое списание и требует подробного экспериментального исследования. Сопоставление потребностей в областях измерения величии импульсного электрического к магнитного полей с состоянием развитая датчиков составляших электромагнитного поля приводит к заключению, что необходимо решить проблему создания методов и аппаратных средств для экспериментального исследования характеристик импульсных электромапгатшх полей в материальных средах с различными электрофизическими парэмэтрагд!.

Решение этой проблемы невозмогяо без создания электрофизических основ проектирования датчиков, включавдих разработку теоретических и экспериментальных методов исследования и анализа электромагнитных процессов в первичных преобразователях датчиков, определяющих их рабочие характеристики и параметр«. 'Наряду с требуемыми метрологическими характеристикам!, датчики должна обладать высокой стабильностью и надэтаюстыэ при эксплуатация в натурных условиях, бить совместимыми с электронными устройствами обработай сигналов, иметь небольшие габариты, массу, энергопотребление и стоимость при массовом производстве.

В настоящее время указанная проблема создания средств для измерения величин импульсных электромагнитных нолей реиается путем использования существующих иирокоподоскых датчиков, анзли-за их характеристик и интерлоттвщт результатов в частотно?! оо-

3

ласти. Сложность выбора и сопоставления параметров датчиков импульсных полей в рамках такого подхода заключается в том, что отсутствует единая теория, рассматривающая указанные датчики как объект проектируемой измерительной системы, что снижает эффективность технических решений и затрудняет' возможность использования регулярных методов проектирования.

Данная работа посвяяена создашпо теоретических основ проектирования датчиков импульсного поля с единых позиций на основе анализа электромагнитных процессов во всех элементах датчика и их взаимодействия с внешней средой.

Тема исследований находится в плане важнейших научно--исследователъских работ, проводимых лабораторией технической электродинамики кафедры электрофизики МЭИ по заданию Академии Наук и других директивных органов, и связанных с исследованием электромагнитных полей и разработкой измерительных систем. Прикладная тематика отражена в цикле хоздоговорных работ, выполненных под руководством автора.

Целью исследований является создаю« теории пассивных магнию- и электрош1Дукционкых датчиков компонент импульсного электромагнитного поля в материальных средах с различными электрофизическими параметрами на основе анализа электромагнитных процессов в первичных измерительных преобразователях и исследования проховдения сигналов по тракту предварительной их обработки, г: разработка с помощью этой теории рекомендаций по проектированию как отдельных датчиков, так и га комплексов для регистрации совокупных характеристик импульсного электромагнит, о го поля.

Поставленная цель достигается решением следующие задач :

1. На основе анализа и сопоставления характеристик существующих первичных преобразователей осуществить ЕЫбор тех из них, которые в большей мере удовлетворяют заданным требованиям и позволяют создавать системы датчиков для измерения в различных средах;

2. На базе постановки и решения краевой электродинамической задачи для электродных систем и индукционных мапштоприемнпков разработать математические и схемотехнические модели первичных преобразователей и с их помощью получить рабочие характеристики и параметры преобразователей во временной и частотной областях.

3. Теоретически обосновать построение тракта предварительной обработки игналз в датчике, сформулировать цели и критерии оптимизации его параметров, на основе которых разработать способы оптимального построения системы обработки и ее элементов.

4. Исследовать характеристики источников собственных шумов тракта преобразования и разработать способи достижения максимальной предельной чувствительности к измеряемой компоненте.

5. Провести анализ влияния внешних помех на первичные преобразователи и другие устройства датчика и на основе создания математической модели воздействия помех разработать электрофизические, схемотехнические и конструктивные способи обеспечения помехозащищенности датчика.

6. Разработать теоретические основы построения систем датчиков и конструктивно совмещенных датчиков, обеспечивающих измерение нескольких компонент одной или различных составляющих электромагнитного поля при условии минимизации взаимного влияния каналов; создать математические модели и разработать принципы построения, позволяющие разделить регистрируемые компоненты.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории электромагнитного поля, теории электрических и электронных цепей, теории и техники электрофизического эксперимента. Постановка и решение краевой электродинамической задачи базировалась на применении аналитических и численных методов расчета, а также использовании математических аналогий и электрофизического, моделирования. Анализ' схемотехнических моделей проводился точными и приближенными методами с применением теории аналитических и случайных Функций. При сопоставлении параметров технических устройств использовались метода и понятия теории погрешностей.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые с единых позиций получены основные соотношения для расчета и проектирования электро- и магнитоиндукциошшх датчиков импульсного электромагнитного поля в материальных средах с различными электрофизическими характеристиками. В итоге достигнуты следующие новые научные результаты:

1. Разработаны и обоснованы схемотехнические модели электродных систем в диэлектрических и проводящих средах и на их основе получены передаточные характеристики первичного преобразователя компонент электрического поля во временной и частотной областях.

2.Получены аппроксимирующие аналитические выражения для элементов эквивалентной схемы широко распространенных цилиндрических (колпачковых) электродов, на основе которых путем варьирования геометрических размеров строятся первичные преобразователи, перекрывающие ш!фоккй диапазон амплитудных и временных ппрамет-

ров импульсного электрического поля.

3. Разработаны к обоснован}) схемотехнические модели индукционных преобразователей магнитного поля и на их основе получены во временной и частотной областях передаточные характеристики, анализ которых позволил выбрать оптимальную конструкцию в виде одновит-кавого рамочного магнитоприемника.

4. Исследовано влияние схем построения устройств предварительной аналоговой обработки сигналов на временные и частотные характеристики электроиндукциокных и мэгнитоиндукционных датчиков с учетом их конструктивных и электрофизических параметров.

5. Построены эквивалентные электрические схема электродных и индукционных датчиков с учетом источников шумов в широком диапазоне частот и на их .основе получены приближенные аналитические зависимости от параметров эквивзлентнсЯ'схемы среднеквадратичного напряжения шумов на выходе датчиков, определяющие их предельную чувствительность.

6. Исследованы условия и даны рекомендации минимизации коэффициента шума датчиков в широкой полосе частот и выведет; соотношения для вычисления предельной чувствительности.

Т. Проанализированы источники и пути воздействия на элементы датчика основных видов внешних помех, и с учетом этого построены схемные модели, позволившие разработать рекомендации по повышению помехозащищенности датчиков.

8. Создан и Енедрен ряд конструкций электродных и индукционных датчиков, обеспечивающих высокую потенциальную помехоустойчивость. Разработаны и обоснованы способы построения систем датчиков, а также комбинированных датчиков различных составляющих импульсных электромагнитных полей в единой конструкции. Большая часть способов и устройств заззщена авторский! свидетельствам:!. . Практическая значимость и реализация результатов работа состоит в создании основ проектирования электро- и магнитоиндукциошых преобразователей и создания на их базе комплексов датчиков га -иульсного электромагнитного поля в различных материальных средах. Результаты теоретических основ проектирования датчиков представлены в виде, удобном для расчета, проектирования, конструирования и оптимизации элементов и датчиков в целом. Исследованы особенности влияния источников внутренних электрических шумов и вк шних электромагнитных помех на импульсные характеристики датчиков и разработаны рекомендации построения высокочувствительных датчиков для различных материальных сред. 6

Определены рациональные спососи построения электронных систем обработки сигналов первичного преобразователя в зависимости от условия измерения.

Предложены и заилены авторскими свидетельствами конструкции комплекса датчиков для измерения импульсных полей в воздухе, грунте и воде, обеспечиваете высокую чувствительность и допускающие путем варьирования геометрических размеров широкий диапазон изменения параметров анализируемых электрических и магнитных полей. Оценены уровни взаимного влияния датчиков в многоканальных системах одновременной регистрации нескольких компонент различных составляющих импульсных и ¡¡нрскополосных электромагнитных полей и разработаны рекомендации по их снижении.

С целью проверки адекватности и достоверности математических и схемотехнических моделей электро- и магнитоиндукционнпх датчиков и результатов их теоретического анализа определены границы применимости моделей, проведены экспериментальные исследования как отдельных устройств, так и датчиков в целом. На основе экспериментальных результатов проведено уточнение характеристик разработанных датчиков, которое подтвердило ил совпадение.

Созданные датчики широко применялись для исследования естественных и промышленных электромагнитных полей в Еоздухе, грунте и морской воде и, кроме того, использовались в составе устройств пеленгации и дальнометрии. Измерения проводились в течение ряда лет на различных акваториях морей, а также в натурных условиях исследования электромагнитных импульсов в воздухе и для анализа влияния экра;жрующкх конструкций на распространение электромагнитных полей. Применение разработанных.датчиков впервые позволило регистрировать слабые импульсные электрические к мэгаитние поля больной длителитости с микросекундными фронтами внутри экранов.

Методы построения датчиков использовались при выполнении более двадцати хозрасчетных работ, проводимых по заказам ведущих организаций (ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова, НПО "Уран", ИЗМИР АН, НПО "Крыло" и других). Результаты научных исследований автора внедрены в учебный процесс при постановке курсов: "Теоретическая электротехника", "Электроника, микресхемотехникз и САПР", "Инженерная электрофизика", "Электромагнитная совместимость информационных систем".

Дпро,Опция , работы. Осксвные положения и результаты прог," генетт исследований докладывались, обсуждались и получили одо-г-?а:!- н-)

ряде научно-технических конференций и совещаний: XII Всесоюзное совещание по магнитным элементам автоматики, Ташкент,1968г.¡семинар "Современные проблемы метрологии",Москва, ВДНХ, 1973г.;II Всесоюзная конференция "Методы и средства измерения параметров магнитного поля",Ленинград, 1980г.;VII Всесоюзная научно-техническая.конференция "Метрология е.радиотехнике", Москва,1988г.¡Всесоюзная научно-техническая конференция "Электромагнитная совместимость судовых технических средств", Новосибирск, 1990г. ; Научно-техническая конференция "Новые информационные и электронные технологии в народном хозяйстве и образовании", Москва,1990г.; III Республиканская научно-техническая конференция "Методы и средства измерений в области-электромагнитной совместимости",Винница,'1991г.; а также на ежегодных конференциях по итогам научно-исследовательских работ в МЭИ.

Образцы разработанных датчиков демонстрировались на ВДНХ и отраслевых выставках (ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, ИФЗ РАН).

Основные Положения диссертационной работы отражены в 32 статьях и 12 авторских свидетельствах, часть из которых выполнена в соавторстве.

Объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав и заключение общим объемом 288 страниц машинописного текста, бв страниц иллюстраций и список использованных источников, насчитывающий 149 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Первая глава посвящена общему аналз:зу характеристик и параметров датчиков составляющих электромагнитного поля, проведено сопоставление различных типов датчиков и обоснована целесообразность применения электродных преобразователей напряженности электрической составляющей и пассивных индукционных преобразователей магнитной индукции для исследования импульсных электромагнитных полей.

Во второй главе исследованы характеристики и параметры датчиков импульсных электрических полей с электроиндукционными преобразователями в йатериальных средах и получены зависимости параметров датчиков (длительности фронта и спада, чувствительности и т.п.) от их конструктивных параметров и электрофизических свойств окружающей среды.

В третьей главе проведен анализ характеристик и параметров индукционных магнитоприемников от внешних и внутренних влияющих факторов и получены соотношения для определения основных характеристик импульсных магнитных полей.

Четвертая глава посвящена вопросам проектирования систем датчиков импульсного электромагнитного поля для одновременной регистрации компонент его электрической и магнитной составляющих, рассмотрены особенности конструировали и работы совмещенных датчиков в различных материальных средах, проведен анализ взаимовлияния каналов.

В пятой главе рассмотрены вопросы практического применения датчиков - импульсных электромагнитных полей .на оснсве электро- и мвпштоиндукциошшх преобразователей в устройствах регистрации параметров источников электромагнитного излучения и показзны принципы формирования требований к датчикам, исходя из заданных параметров устройства в целом.

Характеристики и параметры датчиков компонент импульсных

электрических и магнитных полей Конструктивно завершенный датчик, как правило, содертат первичный преобразователь измеряемой величины и устройства предварительной обработки сигнала. Измерение величин, характеризующих электромагнитное поле основано на физических явлениях, связывающих напряженность электрического (магнитного) поля и други-' величин!.- с интеграймаяя электрическими величинами: ток.« ляп-

ряжением.'Первичные преобразователи электрического и магнитного полей являются аналоговыми устройствами и предварительную обработку сигнзла необходимо проводить в аналоговой форме. Особенностью аналоговых устройств обработки является непрерывность импульсных сигналов по амплитуде, весьма широкий диапазон изменения энергии, временных и частотных параметров. .

Измере)1ие параметров магнитной и электрической составляющих электромагнитного поля, в зависимости от технических требований и условий эксплуатации, осуществляется различными типами первичных преобразователей. С точки греши передачи сигналов первичные преобразователи компонент электрического или мзпштно-го полей описываются амплитудными, частотными и ориентациошшми (пространственными) характеристиками. С указанными характеристиками связагш параметры, по которым можно сравнивать между собой различные преобразователи.

При построении первичных преобразователей используется различные магнитные и электрические эффекты, т.е. взаимодействие вещества и энергии в электрическом и магнитном полях (механические, тепловые, квантовые, индукционные, стрикцкошше и другие). Модуль вектора индукции магнитного поля измеряют с помощью квантовых преобразователей, обладащах еысокой чувствительность« до Тл к широким частотным диапазоном до 1о5..Юб Гц. Про-

екцию вектора магнитной индукции на некоторое направление регистрируют индукционными преобразователями или гальваномагнитными полупроводниковыми преобразователями с использованием эффекта Холла. Преобразователи Холла характеризуются широкой полосой измеряемых частот (до !0Ъ Гц) и чувствительность!) (107?..!0"б)Тл при малых габаритах. Различные типы индукционных преобразователей практически перекрывают весь частотный диапазон от Ю~3 до ю9 Гц и могут обладать высокой чувствительностью до Ю~1г Тл. Для измерения электрпеского поля нашли применение электроиндукционные и трансформаторные преобразователи. Электродные преобразователи имеют практически неограниченный частот-шй диапазон и относительную чувствительность до 10"' В/м на мэтр измерительной базы. Отдельное направление представляют оп-тоэлектронные преобразователи величин электрического и. магнитного поля, основанные на различных эффектах (Оарадея, Поккельса, электро- I. магниюстрикционном).

Анализ параметров различных первичных преобразователей величин магнитного и электрического полей покапал, что для много-

целевого измерения параметров импульсных электрических и магнитных нолей целесообразно использование электро- и магнитоиндук • •циогашх первичных преобразователей. Это обусловлено такими кх свойствам::, как высокая чувствительней, при сравнателито не -Оолызих габаритах, пассивность первичного преобразо вателя, широкие возможности варьирования амплитудных и временных параметров при измерениях п различных средах, взагалсдополняемость для создания совместных измерительных систем.

При проектировании датчиков наряду с рязрпооткоЯ первичных преобразователей вакнейгкм вопросом является построение системы предварительной обрзботки сигнала н ее сопряжение с первичным преобразовать л«».*. Чувствг.телышй элемент первичного преобразователя полу чает анергию от игял'фя'-ч.-'С составляйся электромагнитного поля то.'» ко за интервал деягтьвя кмпульса и практически пэвозмгякг иокопл-чш" информации во врекгии, как aro происходят при действии перилдпческях сигпалсь. Поэтому непосредственно в датчиках стр-мятся осуществить первичную обработку сигнала (усиление. преобразование частоты, упршадиш» частотным» характеристиками, коррекция. нормирование по ypcr.m?; с минимально возможными искажениями. В этом аспекте эд»ктрс- и мзлпггокнлугаагапг!» преобразователи обладают тем зпмитчяыш преимуществом, что часть операций обработки моэют они выполни'» о испсддеовткн элементов первичного преобразовател:-' и воом'-хно создан::0 rscwi обработки ю5формзшя1, включапцей л л-" электродного к rawi'WUTOH • но го преобразователя только вядьтрумякЯ уилг-ль сигнала и оог-ласукщее устройетро. Интеграция ?.>«.<•-итен дчтчвкя вы двигает проблему схемотехнической, конструктивней и т-хн-о логичнокой ccwvc-тгмосги всех его устройств. Для этого необходим теоретический анализ совместной ртчоти элементе!: датчика от рзатаод'-йстгш; первичного преобразоват-ля с иом-'ря^м'П величиной электромагнитного поля в материальных средчх с р--*дкчтгаг ?л-'ктрт111тгст»скгос{ параметра!® до анализа возд?йстряя на датчик п'-к^хснесутви полей. Стремление к уменьиеним raoaf ;г,\-г- датчиков со1фово«г/>тся снижением энергии, отбираемой првоП<яс,',г-лт*л<>м от иссд-> :*/»••* -го поля и соответствуют« уменьшением урог-пя '-Игната на mxvr.<*. Лля построения высокочувствительных дтгпт№р. н-о^о.да» тертолмий анализ источников собственна*: ау.гч ■Л' М' НТ'гу летчика и •

60TK3 мер ПО СНИЖЕНИЮ O'W К^ОМИЦИ Нтг: ЛУМ'!.

Наиболее полно q-ацет !04"í "О'.ч го г: нччога q* . . • вателя о эл^кт^м'.пв'т'гим Л'О-м т '>-.'• пг-'Ч •> :;■

динамической моделью, которая в силу зависимости величин от координат и времени является весьма сложной. Характер работы первичных преобразователей в подавляющем большинстве практических датчиков позволяет использовать квазистационарное приближение, дающее возможность совместного применения упрощенных электродинамических и схемотехнических моделей. При этом электродинамическими методами определяются параметры эквивалентных схем, а дальнейшее преобразование сигнала анализируется с использованием эквивалентных схем. При сложной форме воздействующего сигнала характеристики тракта его передачи могут быть получены во • временной области с использованием схемотехнических методов. Вместе с тем, линейные и шумовые искажения сигнала целесообразно анализировать и интерпретировать результаты в частотной области.

Таким образом, при анализе процессов в датчиках используется широкий набор различных моделей (электродинамических, схемотехнических, шумовых и др.)

Электродные датчики компонент импульсного электрического поля.

Электроивдукционный преобразователь одной компоненты вектора напряженности электрического поля представляет собой пару электродов, помещенных в исследуемое поле. При этом в однородном поле между электродами наводится ЭДС, значение которой пропорционально проекции вектора напряженности Е на направление электрической оси преобразователя С = Ее1л . Эквивалентная измерительная база преобразователя I зависит от конфигурации электродов ' и соотношения электрофизических параметров электродов и окружающей среда. Напряженность импульсного электрического поля включает в себя потенциальную и вихревую составляющие, поэтому в общем случае можно говорить только о значении I при конкретном расположении проводников, соединяющих электроды с остальными устройствами датчика. Относительно выходных зажимов электродную систему вместе с окружающей ее средой и источниками исследуемого электрического поля можно представить активным двухполюсником, последовательная эквивалентная схема которого содержит ЭДС С и полное входное сопротивление I . Другой подход состоит в использовании эквивалентной схемы с источником тока I. и полной выходной проводимостью У = Ъ .С величиной.^полного тока 1п через коре гкозашгнутке электроды связана величина эквивалентной площади Бэ = I . причем ¿в представляет собой проекцию вектора плотности тока

J = о 2 + e E0 dE/dt.

Для одной электродной систем величины Z3 и S3 взаимосвязаны с элементом полной выходной проводимости G п С соотношениями: о Sj= G lj, s e0S3 = С 19 Сравнение различных электродах систем мокло проводить с использованием понятия эквивалентного объема электродного преобразователя У3 ~ 1Э S3 . которое базируется на энергии, выделенной электрическим полем и переданной в нагрузку. Эффективность системы электродов определяется коэффициентом использования объема V , занимаемого электродами, т.е. величиной V^ / V .Например, для плоской конденсаторной системы имеем 1, а для сферического конденсатора с малым зазором rç = 1,7. Параметры эквивалентной электрической схемы электродного преобразователя определяются из решения краевых задач. Поместив электродную систему в однородное электрическое поле с вектором напряженности Е , направленным по оси х , можно записать краевые условия на поверхностях эквипотенциальных электродов для определения £ = ф - фг в виде:

% ' Фвгя % %> = ' Е х ' •

а для определения составляющих полной проводимости:

<P.i = " 4>вг = " °-5 в : 9„ - О-Цилиндрические электроды различной конфигурации (от плоских -пластин до штыревой антенны) .могут обеспечить измерение с широким диапазоном амплитуд и длительностей импульсов, достаточно технологичны и просты в изготовлении при обеспечении высокой точности формы и размеров.Симметричный цилиндрический датчик состоит из двух одинаковых электродов, закрепленных на изолирующих подставках над центральным электродом (рис. 1). Полученные параметры . I и G для проводящей среда в зависимости от относительной длины х = h /(2 а) в пределах 0,1 < х < 5 аппроксимируются соотношениями:

I = * а2 а Е[р, (1+1,275х)е"0,,1х+рг(1,44х+0,4хг-0,6е~1 ,г5х)}

G = о а [17,82 +3,831 + 4,95 е-4* - (2,5 - ЮхГ,,0х +pj.

где р, ,р2, рз - множители, зависящие от размеров центрального электрода. В случае диэлектрической среды в полученных соотношениях следует заменить G на С и о на ее0.

Рис.2

ti С,

7777Г

Рис.3

Электродный датчда в простейшем варианте представляет соеоя конструкцию, объединяющую систему электродов и предварительный ■усилитель с согласующими устройствами и источниками электрсгата-нпя. Анализ характеристизс датчика ведется с использованием эквивалентной схеж (рис. 2), включавшей параметры электродной системы ( I. G, С ), предварительного усилителя ( Zy,ry, К ) и ссо-дшштелыюй линии ( г, Cr ). Для неидеального диэлектрика и идеального усилителя, полное входное сопротивление которого носит резистивно-емкостной характер (R , Су ), при условии пренебрежения сопротивлением проводящих проводов ( г= О ), переходная функция датчика

hit) = 23 [(С /С2 - G /g)e~i/T4 G /g]

зависит от суммарной емкости цепи С2 = С + Ск + С и сухарной проводимости g = G + R"1 , которые определяют постоянную времени Т = Cv /g . На характеристики электродного"датчика оказывают влияние параметры среды (соотношение G и С), перодащего кабеля и усилительно-согласувдих устройств. Поэтому в зависимости от технических требования к дагпжам, свойств окружающей среда (состояние, состав, параметры) и места расположения (открытое пространство, ограниченная область с внутренними -или внешними источниками) используются различные модификации электродных систем и принципы построения усилительно-согласуюзих устройств.

Предварительный усилитель должен удовлетворять жестким требованиям по широкополосности и стабильности характеристик, низкому уровню собственных шумов, малому энергопотреблении. 8 большей мере указанным требованиям удовлетворяют измерительные усилители, построенные на базе интегральных операционных, усилителей (ОУ) с обратными связями. Для быстродействующих усилителей используются дифференциальные линейные приемники цифровых интегральных микросхем эмиттерно-связагаюй логики, а также схем; на дискретных транзисторах. Последние применяются такте для.создания ЭКОНОМИЧ1ШХ микромошшх усилителей. Схема построения и 'параметры предварительного усилителя выбираются исходя из требований к датчику и характеристик электродного преобразователя. Скорректированный ОУ с коэффициентом усиления напряжения KQ представлязтся моделью, в которой передаточная функция млеет единственный полюс на частоте и,.

При измерении в диэлектрической среде (воздухе) выходное сопротивление .электродной системы является емкостным и возмоя но использование усилителя напряжения иди заряда. Усилитель нал-

"10

ряжения представляет собой кеинвертирующее включение ОУ с резис-тешюй отрицательной обратной связью. Переходная характеристика датчика описывается приближенным соотношением:

С

МО = 1,К — 3 Ст

——— е"*/ту--е-4/т» +

V ТУ V Ту

где: К, Ту - параметры усилителя с учетом обратной связи, Ти = Н(С + Сп) , • г С Сп /(С + Сп) - постоянные времени электродной системы.

Передача фронта импульса зависит от соотношения постоянных времени Тв и Ту. Подробный анализ показывает, что усложнение системы обработки сигнала (повышение порядка передаточной функции) •приводит к ухудшению передачи фронта импульса. Спад вершины импульса определяется постоянной времени Ти .зависящей от параметров электродной системы и входного сопротивления усилителя. Основным недостатком датчика с усилителем напряжения является зависимость амплитудных и временных параметров от паразитной емкости Сц (входной усилителя, соединительных проводов, и монтажа). Для снижения ее влияния используется усилитель заряда на базе инвертирующего включения ОУ с емкостью С0 в цепи обратной связи. При некоторых упрощениях переходную характеристику можно представить в виде: ___

С

лег) - — |е-*/т1 - е-4/хг со «•

причем на постоянную времени Тг = II + (Сп + С)/С01 . , К0ш,) , определимую фронт импульса оказывает незначительное влияние паразитная емкость Сп , а постоянная времени Т, = К0 Е С и коэффициент передачи не зависят от Сд . Практически усилитель с чисто емкостной обратной связью не реализуется и спад импульса оп-. ределяется постоянной времени цепи обратной связи Т0= Н0С0 < Т,. Электродные датчики с усилителем заряда, обладающим небольшим коэффициентом усиления, следует использовать для регистрации сильных импульсных электрических полей.

Особенности требований к характеристикам датчиков в проводящей среде связаны с малыми амплитудами и большими длительностями импульсов в поглощающей среде. Невысокая скорость изменения электрического поля в проводящей среде позволяет, пренебречь ее диэлектрическими свойствами, т.е. не учитывать составляющей плотности тока смещения и анализировать квазистационарные процессы в идеальной проводящей среде.Наибольшее распространение

16

нашли контактам способы реализации электродных систем, когда электрода' находятся в гальваническом контакте с скружамдей •средой. При высокой удельной электрической проводимости металлических электродов с^ » о их поверхности можно считать эквипотенциальными и для расчета параметров использовать электростатические аналогии. Характер эквивалентных параметров электродной системы в проводящей среде £(t) = ¡э E(t) , Zrt = Нвт обусловливает применение усилителя напряжения (неинвертирундее включение ОУ) или токе (инвертирующее включение ОУ). В том и другом случае переходная характеристика описывается идентичными выражениями:

net) = I Rу [1- e~t/T* - —-• e"t/T

э ' I Ту- т ту- т

где Ку , Ту - коэффициент усиления и постоявшая времени усилителя с учетом обратной связи, Т = Н„ТСП - постоянная времени электродной системы, зависящая от паразитной емкости Сп . Если Т >> Ту , то характеристики датчика полностью определяются параметрами усилителя.

С точки зрения передачи энергии сигнала в нагрузку усилителя оба режима включения ОУ далеки от оптимальных. Для согласования сопротивлений электродной системы и усилителя применяется согла сующий трансформатор, оказывающий существенное влияние на характеристики датчика. Анализ на ЭВМ характеристик датчика с трансформаторным согласованием в частотной и временной областях показал, что вариация параметров трансформа-тора позволяет в широких пределах изменять характеристики датчика с цель?.) их оптимизации. Окружапцая датчик среда в большинстве случаев обладает ионной.проводимостью и на границе электродов образуется двойной электрический слой (ДЭС) зарядов. Яри расчете в качество схемотехнической модели ДЭС -использовалась эхвива-ленгнзя схема Гельмгольца, по которой для удобствз анализа на ЗВМ синтезировалась резистивно-ёмкостная модель с частотнонезависимыми компонента«! г , С±.

Предельная чувствительность электродного датчика, т.е. минимальное значение компонента импульсного электрического тюля при задажом пороге различения, определяется среднеквадратичным уровнем шумов, приведенным ко входу уси-тателя и пересчитанным к значению измеряемой величии». Среднее значение квадрата патря*-'-ни я sywoB оглупляется в ччетогпей области путем интегт"/;. ".';::ня во нгем чястст "умм^рн- .Я спектрллмк-й • шкгог. <-ти, л у

чаемой дня каадого источника пума как произведение спектральной плотности кума источника на квадрат модуля частичной передаточной функции. Расчет ведется с использованием эквивалентных схем, депозита источ часами шумов резисторов со спектральной плотностью т-пловкх ¡¿умов Б„ = 4 А 6 Я «источниками иуыового тока Е1 = 5ю п + и нгшрякзшм з^ = £и0 (1 + /у/) усилителя,

а такзд источникам дополнительное шумов (магнитных в трансформаторе, токовых в ДОС и других). В общем случае точное виракешю среднеквадратичного уровня сума не удается получить аналитически и расчет выполняется численными методами. Для оценки влияния параметров датчика на уровень шума применялась асимптотически приближенные выражения спектральных плотностей и частичных коэффициентов передачи.

Сравнение различных структур дэтч»агав по пу%5зм, а также их оптимизация, проЕодатся на основе анализа коэффициента шума, т.е. отношения суммарной мощности шума на входе усилителя к мощности тешюЕых шумов розисквной составляющей полного сопротивления электродной системы. Для импульсных (пкрокополоегшх) датчиков в диэлектрической среде с усилителем напряжения выражение коэффициента шума имеет вид:

к г К , Я, р = 1 + —* г к^--— + ю? —

5 с г /е г

А Г, .А

г /в V. ¿н

г ♦ ы

А

Г, + А 1п А_|, I л }

где: Кс - среднечастопшй коэффициент передачи электродной системы,

' И ,Сщ - шумовые параметры ОУ. Анализ похазываот, что использование схемотехнических методов согласования по шумам электродной системы с емкостным выходным сопротивлением не дает существенного эффекта и повышение предельной чувствительности можно обеспечить только применением ОУ с. близким к оптимальным значениями Н ,0 ,/. и /

а о 1 и

Л);я датчика в проводящей среде выгодным оказывается соглэ сосание с использованием трансформатора, иметеего коэффициент трансформации

по =и АР/г /

в отличие от узкополосного согласования зависящий от параметров источников шума и( Г., , 13

Реашгая чувствительность даггскэ осы'шо гагжчгдг гг хуг:о его пределы»:* чувотнптельнсстн и пг.^'.сит ст псггл,

'дейгствууетх на злзуентн датчика. Супептвугл1 лритслют ггк-

И!1П!я поэдл г, эдектрсянга устройствах. прпуенжые к рс-смзтри-датчикам. Рместе с ?г>м, инеятся помехи, связанны) с .?-ун::-наойированп-эм дйпкхя в ксшкрэтгмх условиях :: как правя,» сч/ре-■ дедяыди" проп!0зирур'»с;а уровень помех. Для электродного двггжкл такнкя помехами явля.тгся р^злитино ксточкяса электрического поля. связанные с элеч-нтами датчик*? (прс.чипюрс-тае по паразитам каязлач). Нэ эквивалентной схеме (рлс.3> воздействие во»мх отражается в виде источипког ( £, ). подкгалегспге чертч парз-зигшк? е«?остаг и проводимости к узле.? дттчнгсч. Нз основе .ен-шгза зкринчлентипс сх<»м проникновения псеех получены коКкцкеита передай? помех ;; разработки/ сх?но7ь:аг.г1ес:-а& и кожггруктзнше сиососн их С1г.'ження. Основную псгрегнг>ст», измерения дает пс»?ехз о? разности потенцязлоэ между обжита точка«? подсоеди'гею'ч датчане, регистратор*!, ллши связи и другкчя проеодшмз эле?*ента-мг. Наиболее заездок является скидашг» помех, прокик.-п'сг.х через пзрзгитшге емкссткю связи электродных датчиков в диэлектрике. Для подпвдояпя пакег применяется сичиэтрфэввкя* с избирателте* зхранпроязяием отдельных устройств датчика,- В результате рззрч-Оогапи конструккет скгл«?трячн« датчиков кз основе трехэлек-тродной цн-т.шдрг'еской систеш. Для др-ухэлектродлой г*стемч при -меняется двухступенчатое экранирование и гге ре нас патегшнчлз регистратора в электродную спстеку. При наличии моклых кмпульгтгх помех для кг г05«эткгаюго сяягеняя неоЗхсдг-'с ярпдакзют» вол*.» -ксгсто-оптической линии связи, полностью устраняйте:! птоззятяк'-емкостку» и гельвшмческув связи, Однако применение непосредственной аналоговой модуляции светового потока сжзсает длнампчес-тг.;" дгиггзоп датчика цэ И0...20}дБ - Для кентзкткнх яяектрозгшг д.ттчкков в прегодяпей среде с-Мчктжным спьегбегг скв*»гест пчу»х. является применение соглзсугсога трлнеферматорз, Еыподнлгцего •*ун:с:г.: гзлхвгнпческсй развязки.

Наоспр.ные кндукияошпд? датчики :ссмг:снянт тапульсиого шнктткаго.поля.

Индукционный дзтчигс С'Л; кеяструкткзю ос-едшыг--т п'х?ггг,:?ай ПчрпгисЛ и устройт-тза обрячткя сзгк&-1.

пил действия гтгепггнлго тоес"рпго?4чт<».*я гз^/руется ч-: • г- •• •

ватель (ЙП) представляет собой катупку индуктивности, помещенную в исследуемое магнитное поле с вектором индукции В . Кз загимзх одновитковой рамки площадью S в однородном поле изводится ЗДС, пропорциональная проекции вектора индукцци на нормаль к плоскости рамки £(t) = S dB0/dt . Повышение чувствительности достигается путем использования многовиткоеых рамок и катушек различной конфигурации, а также введением ферромагнитных концентраторов магнитного поля. В этом случае соотношение £(t) = w nV0s äB0/dt связывает ЭДС на выходе катушки, помещенную на сердечник с проницаемостью формы ц* и имеющую w витков площадью S, с производной компоненты Н0 вектора напряженности однородного магнитного поля Н . Таким образом, одним из элементов эквивалентной схемы ИП является ЭДС £(t) или эквивалентная площадь Sa - ц*» S. Другим элементом является полное выходное сопротивление, которое можно приближенно представить последовательным резонансным двухполюсником, содержащим компоненты L, г. С, G. Параметры элементов эквивалентной схемы ц*, L, г, С, G определяются'из решения краевой задачи для квазистационарного магнитного поля Сложность расчета,и недостаточность априорных данных потребовали предварительного проведения экспериментальных исследований, которые были выполнены с целью построения аналитических выражений для паразитных емкостей и потерь в катушках при слабш полях.

Зависимость выходного напряжения ИП от производной измеряемой величины приводит к необходимости интегрирования выходного сигнала. В простейшем варианте индукционного датчика это можно выполнить на собственных элементах ИП. Если ИП нагрузить на регистратор, имеющий весьма малое резистивное сопротивление R < г, то переходную функцию преобразователя можно представить в виде:

h(t) = JL!-- fe-f*„ - e-t/T»|.

r< W I J

Параметры преобразователя Тн= r/L и Тв= R С можно изменять в некоторых пределах, однако ИЛ имеет малый коэффициент передачи и может использоваться только для регистрации сильных импульсных полей. Его предельная чувствительность может Сыть оценена с учетом уровня уровня собственных шумов, приведенных к выходу преобразователя. Наличие частотной зависимости выходного напряжения ПП в широк 3 пологе приводит к целесообразности перехода от коэффициента шума к эквивалентной полосе частот шума:

/ = иг /(4 ft е г) = 2 /H(R/r)2 + 24 (R/r) + 0,33 /fi .

Интегрирование выходного сигнала ИП может выполняться на базе ОУ с частотнозаЕИскмой обратной связью (рис.4). Первичный преобразователь нагружен на большое входное сопротивление усилителя-интегратора и при добротности контура 0 > 0,7 переходная функция ИД имеет колебательный характер

Б, Г 1

h(t) =

-[

Г» L

1 - е

-dt

C03 -б

cos(ut - -в)

е

-t/TH

с параметрами d = wQ/Z Q , to = y/u2 - d2 , -9 = arctg(d/u) .

Эквивалентная шумовая полоса частот ИД, записанная с использованием асимптотических характеристик

/ =

+1 ,3 г G fa + V G.

1 .3 /, + /.

• Г;

г.

2

Г

+ In

Сравнение эквивалентной шумовой полосы с полосой пропускания сигнала ИД показывает, что магнитоприемник работает в режиме, значительно отличающемся от согласованного по шумам.

Из различных способов согласования лучшим является включение между ИЛ и усилителем согласующего трансформатора (СТ). выполненного на кольцевом ферромагнитном сердечнике. В связи с взаимным влиянием ПЛ. СТ и ПУ их анализ проводится по общей эквивалентной схеме (рис.5). Исследование на ЭВМ режимов работы магнитоприемника позволило обосновать требования к параметрам элементов и сформировать приближенное аналитическое выражение переходной функции

hit) =

n S,

А |а е"™ - a e"nt] ji

»-at

1

C03(ldt - -в)

I, а - И I ) I соз А

причем частоты а и П .ЕЫбираются исходя из требований к параметрам. Анализ шумов магнитоприемника и оптимизация предельной чувствительности позволили определить соотношение параметров СТ, обеспечивание минимальное значение шума

R_= г.

п.

'г ' "opt = *(/ц>/ ' ✓ "opt' При регастрации быстро менявшихся магнитных полей целесообразно использовать магнитоприемник в Еиде рамочного преобразователя непосредственно подключенного к инвертирующему входу ОУ, который .охвачен отрицательней обратной связью через- резистор HQ. Таксе

21

> А

./R я

+

щелочение сочетает о себе интегрирование на собственных элементах преобразователя со значительным усилением сигнала. Из эквивалентной схемы (ркс.б) следует передаточная функция:

Р S

К(р) = -:-

Ro

1+р-г

1+ри +-i

Г 11'

L RC RqCJ

г г 1+ - + — п v

Выделение в частотной зависимости характерных участков по поддиапазонам с у четок требования шпрокогголоснэсти и сопоставления с результатам! численного анализа при типичных вариантах параметров компонент позволило синтезировать приближенное аппроксимирующее выражение переходной Функции в виде

1

mt) = e^t

1--е dt coa(ut - U)

соз t>

позволяющем оценить влияние основных параметров магнитсприемника на Сорту и параметры переходной характеристики. Такая схема обеспечивает увеличение верхней граничной частоты диапазона (или уменьшение постоянной вромета: нарастания переходной характеристик! в соответствии с соотнопетаем

и8= шо /! + '

где- Lgl = R/tu, KQ) , причем изменение нккией граничной частота = (R +Rg( )/(L ♦ Lt< ) или постоянной Еремонл спада плоской верошы за счет входного сопротивления усилителя Re„ = RQ/K0 несложно установить на прежнем уровне. Вместе с тем, расширешнэ диапазона измерения прей,являет жесткие требования к параметрам применяемых операционных усилителей. Учет в эквивалентной схеме источников пулов позволил рассчитать шумовую по^су чзстот датчика и определить предельную чувствительность. Анализ показал, что согласование по ауман далеко не оптимально и датчик целесообразно Применять для, регистращт сильных быстропротекаших импульсных магнитных полей. Применение согласующего трансформатора в этом случае нецелесообразно, т.к. он уменьшает частотный диапазон.

Дальнейшее улучшение параметров магнлтоприемники может быть достигнуто схемотехническими и конструкционны!® способами, а также оптимизацией параметров. При заданных габаритах требование уменьшения нижней граничной частоты и повышение предельной чувствительности по принципу фушциошфовапия являются противоречивыми и разрешаются путем определения оптимальных параметров.

+

Верхняя граничная частота измеряемого шля ограничивается распределенными паразитными емкостями обмоток и соединительных проводов. Схемотехнические методы высокочастотной коррекции, а также секционирование катушки не дают существенного эффекта. Анализ показывает, что для импульсных измерителей магнитного поля в диэлектриках и слабо проводящих средах оптимальным является одновитковыЯ рамочный первичный преобразователь, имеющий максимальное отношение Тк/Т6 и позволяющий точно выдержать значения конструктивных и электрофизических параметров. В средах с относительно большим значением удельной электрической проводимости (морская вода) нашли применение многовитковыо первичные преобразователи с ферромагнитными сердечниками.

Одним из главных направлений совершенствования индукционных датчиков является повышение их реальной чувствительности и помехозащищенности. Основными источниками помех при измерении импульсных магнитных полей служат сопутствующие и посторонние электрические поля, а также наличие вблизи датчиков проводящих масс. Для снижения влияния помех применяется экранирование, симметрирование и компенсация. Анализ коэффициентов передачи помех к выходу датчика показал, что симметрирование конструкции первичного преобразователя и схемы усилителя дает возможность приблизиться к предельной чувствительности датчика при использовании разработанного дифференциального экранированного магнитоприемника (рис.7). Наряду с указанными источниками помех необходимо учитывать изменение электрофизических параметров среды под воздействием посторонних источников. Снижение погрешностей можно получить с использованием контрольного канала, который структурно полностью повторяет измерительный, но не реагирует на измеряемое магнитное поле. Указанный эффект достигается за счет соответствующего соединения внешних и внутренних проводников дифференциального экранированного магнитоприемника. Затем применяется компенсация изменений параметров канала с использованием сигнала контрольного канала, либо более сложные способы совместной обработки сигналов.

Построена? систем датчиков на основе электро- и мапттоиндупА.чншх преобразователей

Однокомп;Ч1'-нтиь'" л':"1!.-!;;: импульсных электрических и магнит-пых подай яплнггся оси й п'стр^'ння измерительных систем для анализа пржт-.рк -тик я-.-ктр-.'м-п-иитнсго ноля, йнформаикя об

электрическом (или магнитном) поле полностью содержится в зависимости вектора напряженности электрического (магнитного) шля от времени и пространственных координат. В ряде практических применений _необходимы сведения о более сложных зависимостях, например, масштабе неоднородности по ^некоторому направлению, приращении или градиенте компонент электрического (магнитного) поля.

Создание аппаратных средств для измерения и анализа характеристик электромагнитного толя основано на теории проектирования систем пердэчи информации и в качестве важного аспекта включает вопросы проектирования датчиков, формулирование технических требований к ним на основе задания на систему в целом и создание серии математических моделей различных датчиков".

В настоящем разделе разработаны принципы объединения одно-компонентных электро- и магнитоиндукцисшшх датчиков в комплексные датчики и теоретические основы построения совокупности га математических моделей. Комплексные датчики строятся на основе нескольких однотипных или-разнотипных первичных преобразователей и системы предварительной- обработки информации. Каждый канал датчика содержит чувствительный элемент, преобразущее устройство для предварительного усиления, согласования и фильтрации сигналов а такте выходное, устройство, преобразущее сигналы отдельных каналоз в общий групповой сигнал. Объединение строится на принципе интеграции датчиков в систему с использованием преимуществ единства конструктивных, технологических и схемных репений для улучшения технических характеристик. При этом обостряется проблема электромагнитной совместимости устройств внутри датчика. При проектировании вопросы взаимодействия первичных преобразователей и их сопряжения с устройствами обработки решаются в совокупности.

Для комплексирования датчиков необходимо решить следующие основные задачи:

- выявление типовых структур и общих свойств различных объединений одаокомпонентных датчиков;

- анализ взаимодействия однокомпонентных первичных преобразователей в средах с различными электрофизическими параметрами;

- исследование перекрестных помех внутри датчиков и способов их снижения;

- анализ изменения электрофизических параметров среды при эксплуатации датчика и разработка основ снижения вызванных погреш-

ностей путем калибровки датчиков в условиях натурного эксперимента.

При анализе комплексных датчиков виделены следующие группы: I) многокомпонентные датчики, объединяющие два или три однотипных преобразователя; 2) совмещенные датчики, объединяющие несколько разнотипных (электрических и магнитных) первичных преобразователей; 3) многоэлектродные датчики электрического поля. Конкретные способы сгажения перекрестных помех зависят от типа первичных преобразователей, электрофизических параметров окружающей среды и требований к датчику. Во многих случаях необходимо минимизировать габариты датчика. Очевидно, что требования миниатюризации элементов датчика и их электромагнитной совместимости являются противоречивыми. Для снижения помех в усилительных и преобразующих устройствах применяются известные способы их снижения: шбор рациональных методов модуляции, оптимальное-размещение блоков и узлов, симметрирование и экранирование блоков и линий связи, выбор помехоустойчивой элементной базы, схемотехнических решений и т.п. Особенность помеховой обстановки в датчиках заключается в воздействии'электромагнитных помех на чувствительные элементы первичных преобразователей и необходимости анализа влияния перекрестных помех через чувствительные элементы. Идеальный с точки зрения восприимчивости к помехам канал датчика должен принимать сигналы только в пределах выбранного направления в заданном частотном диапазоне, причем воздействующие только на чувствительный элемент.

'Многокомпонентные и многоэлектродные датчики"электрического поля в качество первичных преобразователей содержат ш проводящих электродов, помещенных в исследуемое поле и образующие измерительные каналы. При наличии единственной компоненты измеряемой величины, соответствующей одному из каналов, для остальных она представляет собой помеху. Возможны различные пути проник . новения помех и соответственно способы их снижения. Если два соседних канала образованы двумя ортогональными парами точечных электродов, то помеха между ними отсутствует. При отклонении электрических осей от ортогональности на угол 0 появляется сигнал помехи и -- Е11^а1п б, который может быть снижен конструктивно- технологическими средствами. Электрод с конечными размерами искажает воздействующее поле и другие электроды попадают в неоднородное искаженное поле, что приводит к образованию между ними напряжения помехи, возможно ее снижение путем минимизации

искажений за счет выбора формы электродов. Второй способ базируется на достаточно быстром убывании возмущенного поля с увеличением расстояния от электрода. Например, возмущенное поле сферического электрода на расстоянии Н от центра сферы убывает пропорционально й-3. Расчет поиехи от искажений ведется путем замены реального электрода близким по форме и дающим возможность аналитического решения для оценки расстояния, при котором поле позмущешм вызывает допустимое значение помехи.

Расчет помехи в многоэлектродной системе удобно вести с использованием эквивалентной схемы, включающей паразитные емкости и проводимости. В полностью симметричной системе полных про-водимостей У ¿у перекрестная помеха отсутствует, в противном случае ее уровень пропорционален степени носимметрии характеризуемой отклонением от номинального значения Уп , т.е. О У13 = У1;)- Уп. Для расчета применяются известные методы теории электронных цепей: теорема вариаций, эквивалентные схемы для приращения и другие. При этом необходимо предварительно решить электродинамическую задачу определения всех га(т-1 )/2 частичных проводимсстей, например емкостей в случав диэлектрической окружающей среда. В большинстве реальных электродных систем расстояние мевду электродами более чем втрое превышает размеры электродов, и обосновано применение метода средних потенциалов для расчета частичных емкостей и проводимостеЛ.

В индукционных датчиках существенную 'роль играют все составляющие паразитных связей (индуктивная, емкостная, кондуктив-нал), о также в многовитковых катушках принципиально существует боковой прием, вследствие отклонения от нормали отдельных витков. Наличие пеортогональности плоскостей отдел-чых витков соседних хатуиек приводит к взаимоиндуктившм связям. Проведенный анализ подтверздет швод о целесообразности использования одно-еитковых рамочных преобразователей для исследования импульсных магнитных полей. Вместе с тем в многоканальной системе остаются паразитные емкостные связи между ортогонально расположегашми в пространстве рамочными магш то приемниками. Формула указа!шой емкости для двух колец радиусом П0 из круглого провода радиусом а получена методом средних потенциалов Хоу.

Сп = 2 т? в е0 й0 /[ 1п(8 1^/0) - 0,92 ].

В совмещенных датчиках интеграция заключается в использовании различных конструктивных элементов для выполнения функций измерения компонент электрической и магнитной'составляю®«. Это

усложняет процесс проектирования, т.к. требуется одновременный учет совместного влияния множества факторов и применение усложненных схемотехнических моделей. На основе проведенных исследования создано несколько типовых конструкций совмещенных датчиков для диэлектрической и проводящей сред и разработаны основы их проектирования.

Полученные соотношения для проектирования многокомпонентных, многоэлектродннх и совмещенных датчиков на основе электро- и магкитоиндукциошшх преобразователей позволили определить коэффициенты передачи сигналов в отдельных каналах, оценить влияние перекрестных помех и разработать конструкционные и схемотехнические способы их снижения на различных этапах создания датчиков. Вид и параметры паразитных связей существенно зависят от свойств окружающей среды и условий измерения, которые могут изменяться в процессе проведения эксперимента. Одним из способов повышегая достоверности результатов является использование аппаратной избыточности (компенсационные каналы, многоэлектродныэ системы). Другим способом является применение частичной или полной калибровки непосредственно при проведении измерений. Методы снижения погрешностей от вариаций параметров окружающей среды ■ базируются на электрофизических процессах в рассматриваемых датчиках. Одним из методов снижения погрешностей является калибровка датчиков в лабораторных условиях и проведения в натурных условиях регистрации параметров среды с целью дальнейшего внесения корректив при обработке результатов. Другой метод состоит в определении интегральной характеристики среды (например, полного входного сопротивления относительно закимов первичного преобразователя) в-месте установки датчика для внесения поправок в результаты измерения. Рассматриваемый прием базируется на определении схемных компонентов датчика и, как правило, реализуется путем периодического подключения ко входу первичного преобразователя внутреннего калиброванного- источника и регистрации полного сопротивления или проводимости.

Применение электро- и мзгнитоиндукционных датчиков в устройствах определения параметров источников электромагнитного излучения.

Во всех устройствах исследования характеристик электромагнитного поля происходит взаимодействие первичного преобразователя с источниками электромагнитного излучения. При этом сущест-' ванным является вопрос построения математической модели объекта,

описания трассы распространения сигнала взаимодействия электромагнитного поля с датчиком. Принципы построения систем датчиков и формулирование требований к ним находятся в непосредственной связи с характеристиками объекта излучения и условиями существования ЭМП. Эти аспекты присутствуют при проектировании любых устройств измерения характеристик электромагнитного поля, являются важнейшими в устройствах определения параметров источников электромагнитных излучений (интенсивности, типа, координат). Системы обнаружения источников электромагнитного поля и определения их местоположения служат характерными примерами устройств, строящихся на базе датчиков электромагнитного поля

Построение системы измерения параметров источника электромагнитного поля включает ряд обязательных процедур:

- на основе анализа физических процессов строится полная модель источника;

- путем упрощения и выделения основополагающих элементов, характеризующих исследуемый режим, определяются измеряемые величины и диапазоны их изменения;

- анализируются условия распространения электромагнитного сигнала от источника к датчику (параметры среды, характеристика трассы);

- выявляются информативные признаки и величины, описывающие сигнал в месте приема, определяются диапазоны измерения величин и ограничения моделей;

- формулируются технические требования к построению и параметрам датчиков.

Все указанные аспекты присутствуют при разработке систем определения координат объекта электромагнитными методами. Задача измерения координат источника электромагнитного импульса (ЭМИ) заключается в выборе датчиков, способных обнаружить ЭМИ, и построение системы измерения и обработки результатов для выявления информативных признаков. 'В качестве координат используют угловые (направление на объект или пеленг) и линейные (расстояние), т.е. определение координат осуществляется .с помощью совокупности дальномеров и пеленгаторов.

Методы определения расстояний до объекта (источника ЭМИ) основаны на измерении параметров сигнала, зависящих от расстояния. Типичным источником ЭМИ в Боздухе служит грозовой разряд. В общем случае источник поля излучения - ток разряда является функцией координат и времени, что приводит к его моделированию с

помощью системы электрических диполей со сдвигом по времени начала действия каждого из них. Для выявления информативных признаков сигнала удобно воспользоваться дипольным приближением источника, при котором образуется волна, содержащая вертикальную Ez компоненту электрического поля и азимутальную На компоненту магнитного поля. Анализ показывает, что за информативные параметры во временной области можно принять: 1) разность времен прохождения Е_, и Н через нуль, 2) разность координат, в которых одновременно наблюдаются нули сигналов и На, 3) зависимость от координат и времени отношения Ez/Ha . Выбор того или иного информативного параметра или их совокупности определяется удобством технической реализации соотвотствущего измерительного устройства. Для ближней от источника ЭМИ зоны с цель» измерения текущего расстояния до источника разработан импульсный дальномер, основанный на обработке реализаций напряжешь с электрической и магнитной антенн во временной области. При представлении источшша ЭМИ в среде с волновым сопротивлением С6 = 3?7 См электр'.песким диполем с моментом р (t) - I q^(t) напряжение на выходах, расположенных на расстоянии R от диполя стыревой и рамочной антенн юлеют вид:

(i0 а% г£ dp, Pj

h

u =---i

J О m-

=

2 %

r at2 ' n2 at + c0H3. ^o co С a a\ , ^0

R dtJ If dt2

Если напряжение иэ с выхода канала электрической составляющей продифференцировать, получив сигнал ц , а напряжение с магнитной антенны дважды проинтегрировать, получив о, и Uj и затем образовать разностные, сигналы и = и, - ив я и5 = u - u2, то при соответствунцем выборе постоянных времени сформируем квадратное уравнение, решение которого дает искомое расстояние

R<t) = 11Б ( /иГ)г+ 4 Цз U4 - Ugj/U, .

где R£ - базовая величина, зависящая от постоянных времени системы обработки.

Требования к пара^трлм нремных антенн (датчиков) формулируются в зависимости от принятой модели объекта и тех1шческих требований к характеристяшу проектируемых устройств. Например, при измерении ро-'стс'якия дл вертикального молниевого разряда, уровень сигналов :<л»кт7ич • *ксй и магнитных антенн зависит от

длительности ^онта и спада тока, его амплитуды и уменьшения мощности язлучитя с расстоянием от источника. На все укэзагаше характеристики существенное влияние оказывают электрофизические параметры среда распространения.

Материальная среда, в которой существует электромагнитное поле, может определить не только характеристики датчиков, но и метод измерения. При определении расстояния между объектами в морской воде (поглощающая среда) предложено использовать зависимость комплексного коэфрщиента распространения электромагштшх волн от частоты излучаемого поля. В совокупности с преимуществами фазового представлешя информации такой способ позволил обеспечить высокую точность измерения расстояний между объектами, находящимися под еодой. Основанный на предлагаемом принципе подводный дальномер состоит из устанавливаемого на объекте излучателя и приемной системы, расположенной в точке пространства, до которой определяется расстояние. При излучении сложного сигнала, содержащего ряд гармоник различных частот с известными фазовыми соотношениями, между ними при распространении образуется фазовый пабег, зависящий от расстояния между излучателем и приемником. Фиксируя временной сдвиг дг между гармоническими составляющими напряжения с частотами и п/ из соотношения

Дг = 0,5 й (1 - 1/ /гГ)/о/(1С / ) вычислим искомое растояние Н.

Основными техническими параметрами дальномера считаются максимальное измеряемое расстоюше и погрешность его измерения. Оба параметра зависят от характеристик излучапдей. системы, т.к. предельная мощность излучателя ограничена. В линейных средэх и системах удобно требования к параметрам датчике - формулировать по отношению к единичному значению излучающего источника, например, моменту электрического диполя. Предельная дальность ограни^ чивается двумя факторами: однозначностью фазового представления информации и минимальным значением амплитуды сигнала на входе устройств обработки. Измерение фазовых сдвигов между гармоническими составляющими дает однозначный отсчет в пределах периода максимальпой фиксированной частоты л/,, что приводит к ограничению _,

И < 1031 /о/Т

позволяющему фиксировать расстояния до 3000 м при = 1 Гц, п = 2 и о = 3 Си/и. Для фиксации сигнала он должен иметь амплиту-

ду, превышающую пороговую по чувствительности датчика. Значительное затухание составляющих электромагнитного шля в морской воде приводит к амплитудным ограничениям дальности при заданных габаритах приемного устройства. Если практическим пределом проникновения электромагнитных волн в воду считать толщину слоя, при которой ослабление напряженности составляет 40 дБ, то при о = 4 См/м на частоте 1 Гц это значение составляет ■ 1200 м. Для повышения разрешающей способности подводных траекторных измерений разработаны системы регулярно расположенных приемников, а также датчики, реагирующие на интегральные характеристики электромагнитного поля (например, потенциал).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Разработана теория пассивных магнито- и электроиндукционных датчиков компонент импульсного электромагнитного поля в материальных средах, включающая следующие аспекты:

- на основе постановки и решения краевой электродинамической задачи создана математическая модель электродного первичного преобразователя электрического поля с цилиндрическими электродами;

- разработаны схемотехнические модели магнито- и электроиндукционных преобразователей в материальных средах с различными электрофизическими характеристиками и обоснованы их применимость и ограничения;

- получены характеристики электродных и индукционных первичных преобразователей во временной и частотной областях для диэлектрических и проводящих сред;

теоретически обосновано построение тракта предварительной обработки сигналов с первичного преобразователя компонент импульсного электрического и магнитного полей;

- проведен анализ собственных шумов элементов датчика в широкой полосе частот, на основании которого получены соотношения для определения предельной чувствительности датчиков в материальных средах;

- показаны пути решения задачи оптимизации параметров датчика для получения" максимальной предельной чувствительности к компонентам импульсного электрического и магнитного полей;

- теоретически проанализированы пути воздействия внешних помех на электродные и индукционные первичные преобразователи и разработаны рекомендации по обеспечению помехозащищенности датчиков.

2. Созданы основы теории построения систем датчиков для измерения нескольких компонент импульсного электрического и мапштного поле 11:

- исследованы задачи создания систем датчиков для измерения величин, характеризующих импульсные электромагнитные поля в различных материальных средах, и разработаны принципы объединения однокомпонентных датчиков в системы:

- проведен анализ взаимного влияния сигналов в каналах многокомпонентных и совмещенных датчиков для диэлектрических и проводящих сред, на основе которого построены схемотехнические модели систем датчиков;

- получены соотношения, описывающие воздействие перекрестных помех в каналах измерения и передачи различных компонент и на их основе разработаны требования к параметрам датчиков и рекомендации по снижению взаимовлияния различных каналов;

- исследованы пути воздействия помех в системах датчиков для измерения временных и пространственных неоднородностей электрического поля и разработаны схемотехнические метода снижения помех.

3. На основе анализа характеристик и способов построеш!я предварительных усилителей устройств обработки сигналов получены соотношения, связывающие выходные параметры датчиков с паспортными характеристиками стандартных усилителей. Проведено теоретическое обоснование способов построения усилительных устройств в зависимости от типа первичного проебразователя, условий его применения и требуемых характеристик датчиков.

4. Основываясь на исследовании характеристик шумовых источников перв1гшых преобразователей и усилительных устройств в широкой полосе частот, разработаны способы согласования первичных преобразователей с предварительными усилителями и сформулированы требовать к согласующим устройствам. Полпены аналитические выражения временных и частотйых характеристик датчиков с учетом параметров усилительных и согласующих элементов.

5. В результате исследования математических и схемотехнических моделей первичных преобразователей компонент импульсного электрического поля в воздухе и аналоговых систем предварительной обработки сигналов определены пути совершенствования конструкций с целью повышения быстродействия при ограничениях на габаритные размеры. Теоретически обосновано, Что для эффективного снижения уровня помехи от емкостных связей следует использовать волокон-

но-оптическую линию связи с применением непосредственной модуляции светового потока выходным сигналом датчика. Показано, что применение указанного вида модуляции приводит к уменьшении дина- . мического диапазона датчика.

6. На основе анализа моделей воздействия помех на индукционный первичный преобразователь компонент магнитного шля и его характеристик передачи полезного сигнала доказано, что одновитковый рамочный магнитоприемник является оптимальной конструкцией для создания совокупности датчиков с различными временными характеристиками путем варьирования геометрических размеров рамки и параметров согласующего трансформатора. Предложены и реализованы конструкции помехозащиаешшх датчиков компонент магнитного поля на базе одновитксвой симметрированной и экранированной рамки.

7. Исследование однокомпонентных датчиков электрического (магнитного) поля и построение моделей их взаимного влияния позволили разработать интегрированные совмещенные датчики, обладающие минимальными габаритами. Предложены и реализованы оптимальные конструкции датчиков для одновременного измерения компонент электрического и магнитного полей в воздухе и морской ьоде. Получена и приведена методика проектирования датчиков заданной предельной чувствительности при ограничет;ях на габариты.

8. Проанализированы условия работы электро- и мапштоипдукцион-шх датчиков' в устройствах определения параметров источников электромагнитного излучения. На основе построения математических моделей излучателей и трассы распространения электромагнитного импульса в различных средах сформулированы требования к построению систем датчиков и их параметров. Разработка датчиков импульсного электрического и магнитного полей дала возможность предложить и реализовать новые способы и устройства определения расстояния до излучателей б воздухе и морской воде, разработаны основы определения эксплуатационных параметров, а такке калибровки датчиков непосредственно в местах их установки.

Совокупность разработанных теоретических положений, методов анализа и проектирования пассивных кагнито- и электроиндукшюн-'ных датчиков компонент импульсного электрического и магнитного полой, а также систем однотипных пли разнотипных датчиков, установление прюпшплв их построения, комплекспрование и совершенствование, предложение способов их конструирования, а также создание новых устройств для оггл>деления координат источников электромагнитного излуч«1.;/^ пр*-'Д.:тчыяет соосй новое достижение в

области электрофизики измерительных устройств.

Получегш научно обоснованные технические решения построения пассивных датчиков импульсного электрического и магнитного полей в различных материальных средах, внедрение которых дает значительный тех!шческий эффект и вносит вклад в ускорение научно-технического прогресса в области разработки аппаратных средств диагностирования электронного и электротехнического оборудования, а также исследования электромагнитных свойств биологических объектов.

Теоретические результаты работы обобщены и доведет до конкретных соотношений, связывающих характеристики и параметры датчиков, выработки рекомендаций по конструировать) и оптимизации параметров датчиков.

Методы проектирования датчиков использовались при выполнении под руководством автора цикла 'научно-исследовательских работ по созданию отделышх датчиков и измерительных комплексов для исследования электромагнитных полей в грунте, морской воде и в воздухе на открытом пространстве, а также внутри экранирующих корпусов. Новизна технических решений подтверждена двенадцатью авторскими свидетельствам на изобретение. Длительная эксплуатация разработанных датчиков в натурных условиях подтвердила их расчетные характеристики при высокой надежности и экономичности.

Основные положения диссертации отражены в публикациях:

1. Кузовкин В.А. Методика проектирования датчиков электромагнитного поля для проводящих сред // Гр.кн-тэ / Моск.энерг.ин-т. -1977.- Еып.319. - С.61-94.

2. Зимин Е.Ф. .Кузовкин В.Л. Датчик электромапг-тного поля для проводящих сред // Тр.ин-та / Моск.энерг.ин-т. - 1977.- Вып.31 У. - С.51-54.

3. Зимин Е.Ф. ,Кудин В.Н. .Кузовкин В.А. Первичные преобразователи трансформаторных дотчикбв электрического поля в проводящих средах // Тр.ин-та / Моск.энерг.ин-т.- 1980.- Вып.481.- С.29-35.

4. Зимин Е.О.Дудкн В.Н..Кузовкин В.А. Вопросы синтеза чувствительных датчиков электрического поля в проводящих средах // Тр. ин-та / Моск.энерг.ин-т.- 1980.- Вып.481.- С.36-46.

5. Зимин Е.Ф..Кузовкин В.А.,Морозов А.Н.,Полумисков H.A. Анализ датчика импульсного электромагнитного поля в воздухе // Тр.ин-та / Моск.энерг.ин-т.- 1986.- » 85- С.50-54.

6. Зимин Е.Ф.,Иванов А.Г..Кузовкин В.А..Коробков О.В. Повышеmie

35

точности измерения электрического поля в реальной среде // Судостроительная промышленность, сер. общетехническая. - 1988.- Bun. 16.- С.66-72.

7. Бутрик Ж.Ф..Кузовкин В.А.,Луньков А.Ф..Морозов А.Н. Проектирование чувствительных датчиков электромагнитных полей со сложными временными зависимостями // Тр. ин-та / Моск.энерг.ин-т.-1989.- * 219- С.51-58.

8. Бутрик Ж.Ф..Кузовкин В.А.,Морозов А Л (.Широкополосный датчик напряженности электромагнитного поля с применением волоконно-оптической линии связи // Метрология в радиотехнике: Тез докл. 7 Всесоюзн. науч.-техн. конф. 25-27 окт. 1988г.-М., 1988. С.35.

9. Зимин Е.Ф..Кузовкин В.А..Коробков О.В. Датчики для измерения импульсных электрических полей // Электромагнитная совместимость: Сб. науч. трудов III республиканской науч.-техн. конф. Винница: Винницк. политех, ин-т. 1991. Вып.2. С.351.

10. Бутрик Ж.О..Кузовкин В.А. Датчик составляющей слабого электромагнитного поля в электродиагностике // Новые информационные и электронные технологии в народном хозяйстве и образовании: Тез. докл. науч.-техн. конф." 10-12 декаб. 1990г. - М.: Моск. энерг.ин-т. 1991г. С.16.

11. Зимин-Е.Ф..Кузовкин В.А..Коробков О.В. Параметры индуктивных датчиков и вопросы повышения чувствительности измерителей магт нитного поля // Тр. ин-та / Моск.энерг.ин-т.- 1982.- Вып.590.-С.54-61.

12. Кузовкин В.А. Предварительная обработка сигнала индукционного датчика импульсного электромагнитного поля // Тр.ин-та. / Воронежа«. политех, ин-т.- 1987.- С.131-135.

13. Зимин Е.Ф..Кузовкин В.А.,Лебедев О.В. Приближенный расчет потерь в катушках с ферритовыми сердечниками на инфранизких частотах // Тр.ин-та. / Ивановен.- гос. ун-т.- 1983,- С.113-115.

14. Зимин Е.Ф..Кузовкин В.А.,Кудин В.Н. Оптимальный коэффициент . шума при трансформаторном согласовании // Методы и средства измерения параметров магнитного поля: Тез. докл. II. Всесоюзн. конф. Л.:1991.С.67.

15. Зимин Е.Ф..Кузовкин В.А.,Лебедев О.В. Элементы схемы замещения катушек с ферромагнитными сердечниками // Методы и средства из морения параметров магнитного поля: Тез. докл. II Всесоюзн. конф. Л.:1991.С.60.

16. Зимин Е.Ф..Кузовкин В.А. Параметры предварительных усилителей в микрорежиме // Тр.ин-та / Моск.энерг.ин-т.- 1981.- Вып.557

- С.60-64.

17. Зимин Е.Ф..Кузовкин В.А.,Козлов JI.II. Согласование по шумам низкоомных датчиков и высокоомных предварительных усилителей // Трлш-та / Моск.энерг.ин-т.- 1975.- Вып.223.- С.90-95.

18. Бутрик Ж.Ф..Кузовкин В.А. Расчет параметров цилиндрического датчика электромагнитного поля в образце /f Ноше информационные и электронные технологии в народном хозяйстве и образовании: Тез. докл. науч.-техн. .конф. 10-12 декаб. 1990г. -М.: Моск. энерг.ин-т. 1991г. С.З.

19. Кузовкин В.А.Дуньков А.i. Индукционный мзгнитоприемник для измерения магнитных полей рассеяния радиоэлектронного оборудования // Электромагнитная совместимость судовых электротехнических средств: Тез. дом. Всесоюзн. научн.-техн. коНф.. Новосибирск, 25-27 сент. 1990г.. 'С. 159-162..

20. Зимин Е.Ф..Кузовкин В.А.,Кудин В.Н..Созыгаш A.A. Комбинированные датчики электрической и магнитной состазляпвих низкочас-готпого электромагнитного поля // Тр.ин-та./ Моск. энерг. ин-т.-1930.- ВЫП.4&3.- С.51-60.

21. Кузовки! В.А. Влияете параметров записывающего радиоимпульса :ia правильность восприятия информации // Докл. научн.-техн. миф. по итогам НИР за 1968-1969г.г. - М. :Моск.энерг.ин-т. 1969. j. 59-69.

Кузовкин В.А. ИссследоЕание переда'ш фазовой информации в зистомах с параметронаки : Автореф. дисс. "... канд. техн. наук.

- !.!., 1970. - 22 с.

?3. Кузовкин В.А. Об управлении фазой параметрического генератора // Радиотехника к электроника. 1971. а 1. с.191-194. М. Кузовкин В.А. .Одинцов E.H. .Пзротысш В.И. Автоматическая регистрация электрохимических ЭДС // Тр.ин-та / Ьюск.энерг.ин-т.

- 1973.- Вып.160.- С.128-130.

'.5. 2п!кн Е.О..Кузовкин В.,.Ларионов В.Д. Выделение сигнала при галичяи коррелированной Помехи // Тр. кн-та / Моск. выси. техн. 'чилищо - 1972.- Вып. 154.- С.21-25.

!6. Зимин Е.Ф. .Кузовкин В.А. .Ларионов В.Д. Расчет глубины розкек-ки клешвсго фильтра // Тр.ин-та / Моск.энерг.ин-т. - 1973.-йш.160.- С.141-144.

'Л. Кузопсин В.А. .Прибылов В.Б. Однопереходнне транзисторы в ■стройствах записи ИНЧ сигналов электроразведки // Современные роблемы метрологии: Тез. докл. научн.-техн. семинара 22-25 июня 973г. М.: 1973. С.29-30.

28. A.c. 249J52 СССР. МКИ3 Н 21 с 47/53. Частотный селектор /В.А.Кузовкин, Г.Г.Гусев // Открытия. Изобретения. 1969. Л 25.

29. A.c. 476694 СССР, Ш!3 Н 04 В 15/00. Устройство обнаружения и иамарошш ин&рашшочастотных сигналов на фоне периодической помехи /Е.Ф.Зимин. В.А.Кузовкин // Открытия. Изобретения. 1975. М25.

30. A.c. 1071981 СССР, КШ3 С 01 Н 33/02. Индукционный маггато-метр / Т.В.Дмитриева, Е.Ф.Зимин, Э.С.Кочанов, В.А.Кузовюш и др. // Открытия, Изобретения. 1984. 'А 5.

31. Л.с. 1113764 СССР, МКИ3 С 01 V 3/06. Способ измерения параметров электрического поля в проводящей среде и устройство для его реализации / Е.Ф.Зимин, Э.С.Кочанов.В.А.Кузовкин, В.Ы.Смирнов // Открытия. Изобретения. 1934. й 34.

32. A.c. 1228060 СССР, МКИ3 G 01 V 3/06. Способ измерения напряженности переменного электрического поля / Е.Ф.Змяш, В.А.Кузовкин я др. // Открытия. Изобретения. 1986.й 16.

33. A.c. 1495734 СССР, МКИ3 G 01 V 3/06. Устройство для измерения переменного электрического поля / E.Ö.Зимин,В.А.Кузовкин, и др. // Открытия. Изобретения. '1989. й 27.

34. A.c. 1656479 СССР, f4Kii3 G 01 R 33 /02. Датчик составляющих электромагнитного поля / Ж.А.Бутрик, В.А.Кузовкин // Открытия. Изобретения. 1991. * 22.

35. A.c. 1663585 СССР, ШШ3 G 01 R 33 /02. Устройство для измерения электрической и магнитной составляющей электромагнитного поля / К.Л.Бутряк, В.А.Кузовкин // Открытия. Изобретения. 1991. & 26.

n^Tir1'" .У.!СС_

..... Ч.*Н. Крмттлпфт»**, М