Введение к работе
Актуальность работы.
Повышение чувствительности и точности неконтактного оружия и сис-ем обнаружения приводит к необходимости совершенствования способов и редств защиты плавсредств,* что, в первую очередь, связано с уменынени-м их физических полей.
Это предполагает совершенствование существующих и создание новых редств измерений величин физических полей плавсредств, удовлетворяющих предъявляемым требованиям в части помехоустойчивости, точности, юрога чувствительности и полосе частот измеряемых величин.
Среди физических полей плавсредств по-прежнему повышенное внима-[ие, наряду с гидроакустическим полем (ГАП), уделяется полям электромаг-итной группы (ЭМГ) - электрическому и магнитному (постоянному и пере-іенному). Очевидные'достижения по снижению гидроакустического поля ювышают значимость работ но снижению полей ЭМГ.
Использование у нас и за рубежом специальных конструктивных реше-[ий, в частности немагнитных материалов для корпусов в сочетании с раз-гагничивающими устройствами,привели к относительному увеличению до-и переменных магнитных полей, создаваемых работой электрооборудова-:ия, пульсациями токов в обмотках размагничивающих устройств, вращени-м ферромагнитных деталей и другими причинами. Тем не менее, вопрос о оздании средств измерений (СИ) величин постоянных магнитных полей ос-ается актуальным наряду с СИ величин переменных магнитных полей и по-енциала электрического поля [1, 2]. (В дальнейшем для сокращения слово величин" в ряде случаев может быть опущено).
Применение "прозрачных для магнитного поля" корпусов увеличивает еобходимость измерений магнитных полей отдельных узлов и агрегатов.
Комплекс задач измерений полей ЭМГ распадается на две основные руппы:
. Измерения суммарных электрического и магнитного (постоянного и переменного раздельно) полей плавсредств на определенном расстоянии (и глубине) и использование полученных результатов для дальнейших расчетов обобщенных характеристик и пересчета на другие расстояния (глубины). . Измерения магнитного поля (постоянного и переменного) отдельных узлов и механизмов, как с целью определения их магнитной совместимости, так и с целью выявления конкретных источников полей, и разработки методов уменьшения и компенсации этих полей.
*под плавсредствами понимаются надводные корабли и подроДные лодки:В5ешго-
орского флота и суда торгового флота [Ткаченко Б.А. История размагниЗДЬаЙбґ ко
;й Советского Военно-морского флота.-Л.; Наука, 1981]. X. ..'„'_,>10,
Две группы задач, наличие которых определяется различными условия-и, предусматривает и наличие двух групп средств измерение
Для первой группы характерны практически одновременные измерения в нескольких (до нескольких десятков) точках трех (или одной вертикальной) компонент (составляющих) вектора магнитной индукции (МИ) постоянного (от десятых долей нанотесла до нескольких десятков микротесла) и переменного (от сотых долей пикотесла до единиц микротесла частотой от 0,5 - 1 Гц до нескольких килогерц) магнитного поля (МП) и потенциала (от единиц микровольт до сотен милливольт) электрического поля плавсредства с помощью первичных преобразователей (датчиков), размещенных под водой или в воздухе (в воздухе только для магнитного поля), при движении плавсредства или на "стопе".
Размеры датчиков ограничены, как правило, эксплуатационными характеристиками и особенностями повышения их помехоустойчивости от ряда влияющих величин.
Для второй группы (а здесь, в настоящее время, может идти речь только об измерениях МИ постоянного и переменного МП) необходимы измерения (от десятков нанотесла до нескольких тесла) постоянного (абсолютного и относительного - поля объекта) и переменного в широком диапазоне частот (от 20 Гц до несколько сотен килогерц) МП.
Погрешность при измерениях магнитных полей рассеивания: постоянных 1-5 %, переменных 5-Ю %, полей в зазорах 1-2 %.
Для достижения необходимых метрологических характеристик (амплитудного и частотного диапазонов, погрешности) в реальных условиях эксплуатации СИ независимо от их принадлежности к первой или второй группе необходимо уменьшение влияния внешних постоянного (в том числе магнитного поля Земли - МПЗ) и переменного МП, электрического поля, собственных характеристик датчиков; для СИ первой группы дополнительно необходимо уменьшить влияние ГАП, качки; а для СИ второй группы - проводящих масс и неравномерности измеряемых величин. Последнее, а также необходимость измерений МИ в зазорах и рабочих объемах предопределяет ограничение размеров датчиков до 10-30 мм3 (в том числе толщины до 1 мм).
Об актуальности вопросов измерений физических полей плавсредств свидетельствует, в частности, не только значительное (до нескольких десятков) количество стационарных СИ в Европе, но и проводимые международные научно-технические конференции, например в 1995, 1997, 1998 гг. (гг. Канны, Лондон, С-Петербург).
Необходимость в измерениях МП существует не только в интересах флота, но и во многих других отраслях науки и техники, в частности, при проведении геофизических и космических исследований, при разработке блоков и узлов электро - и радиотехнической аппаратуры, определении электромагнитной совместимости при компоновке аппаратуры, в рабочих объемах и зазорах магнитных систем и механизмов, в том числе криомашин, с целью разработки оптимальных конструкций.
Уменьшение нижнего значения измеряемых величин, расширение их частотного диапазона и возрастание интенсивности влияющих величин (в
частности внешних магнитных полей) усугубляет проблему повышения помехоустойчивости СИ полей ЭМГ.
Цель работы:
Совершенствование существующих и разработка новых методов и средств повышения помехоустойчивости СИ полей ЭМГ, расширение их амплитудного и частотного диапазонов и разработка на основе этого комплекса помехоустойчивых, удовлетворяющих современным требованиям СИ полей ЭМГ плавсредств, их узлов и агрегатов, полей рассеивания и полей в рабочих объемах и зазорах электрооборудования и метрологического оборудования для этих СИ.
Основные задачи:
-
Исследование физической сущности влияния помех и разработка связей между характеристиками СИ и помехами, их вызывающими.
-
Дальнейшее развитие теоретических основ повышения помехоустойчивости СИ при снижении их порога чувствительности, расширении частотного и амплитудного диапазонов.
-
Разработка и исследование новых методов и структурных схем повышения помехоустойчивости и расширения амплитудного и частотного диапазонов СИ полей ЭМГ.
-
Разработка принципов рационального построения СИ, методов их расчета и проектирования.
5. Разработка на основе результатов решения указанных задач и внедрение
новых моделей СИ, удовлетворяющих современным требованиям.
Учитывая актуальность и важность решаемых проблем, работы по созда
нию средств измерений полей электромагнитной группы проводились и про
водятся во ВНИИЭП (и в АООТ "НИИ Электромера", являющемся право
преемником ВНИИЭП) в соответствии с постановлениями СМ СССР N 10-4
от 08.01.68, N 130-49 от 16.02.73, решениями Комиссии Президиума
СМ СССР по военно-промышленным вопросам (N 145 от 29.05.74, N 234 от
03.08.79); по выполнению программы 0.14.02. "Создать новые виды электро
технического оборудования с использованием явления сверхпроводимости"
- постановления ПС СМ СССР по науке и технике N 450 от 15.12.76 и
N 492/245/164 от 08.12.81; по выполнению программы "Комплексная межот
раслевая программа метрологического обеспечения магнитных измерений"
на 1981-1985 гг., утвержденной Госстандартом СССР от 03.11.82., а также в
рамках Государственных оборонных заказов.
Состояние вопроса.
Разработка промышленных СИ полей ЭМГ плавсредств и проработка вопросов, связанных с повышением помехоустойчивости СИ, начались практически с 1948 г.. Повышение требований по защищенности плавсредств, связанных со снижением порога чувствительности неконтактного оружия, с повышением возможностей систем обнаружения, привело к созданию про-
мышленных СИ, удовлетворяощих поставленным на соответствующий период времени требованиям.
Для СИ МИ постоянного МП нижнее значение составляло 5 — 100 нТл в зависимости от назначения СИ (стационарное или корабельное). Для СИ величин переменных в диапазоне частот 1 - 5000 Гц МП - 3 нТл'-Гц.
Средств измерений полей рассеивания до начала 70-х годов отечественная промышленность не выпускала.
За рубежом изготавливались СИ для измерения сильных (от 0,1 мТл и выше) и слабых (от 2х 10"9 до 10"4 Тл) МП. Заводом "Электроизмеритель" в 70-х гг. был налажен серийный выпуск нескольких моделей СИ МИ сильных (от 2 мТя и выше) постоянных МП и предназначенных, в основном, для измерений в зазорах магнитных систем и вблизи постоянных магнитов. Для измерений МИ от 10'4 до 0,1 Тл в частотном диапазоне от 45 до 1000 Гц завод "Электроизмеритель" выпускал миллитесламетры Ф4356, 43205. Ряд предприятий разрабатывал и изготавливал СИ для собственных нужд.
В развитии СИ полей ЭМГ многое сделано коллективами: ВНИИЭП (в настоящее время АООТ "НИИ Электромера"), ЛПО "Вибратор", ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, НПО "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" и его Екатеринбургским филиалом, НПО "Меридиан", ИЭ АН Украины, завода "Электроизмеритель", ВНИИФТРИ и др.
Среди отечественных специалистов следует отметить работы: Г.В. Аб-рамзона, Ю.В. Афанасьева, Р.Я. Беркмана, И.П. Гринберга, Г.С. Горелика, А.Н. Грачева, С.ПІ. Долгинова, В.И. Дрожжиной, Е.Ф. Зимина, Л.К. Исаева, Г.И. Кавалерова, Н.Н. Калачевского, Е.Д. Колтика, Б.М. Кондратенко, Э.С. Кочанова, В.А. Кузнецова, Ю.М. Логунова, Л.Я. Мизюка, В.В. Ореш-никова, В.В. Панина, Ю.Ф. Пономарева, А.Я. Ротштейна, М.А. Розенблата, Н.М. Семенова, С.А. Скородумова, Р.Г. Скрынникова, Г.В. Соколова, Н.А. Сонькина, С.А. Спектора, Э.С. Струнского, Н.В. Студенцова, С.Г. Таранова, Ю.В. Тарбеева, И.С.Троянского, А.И. Федорова, И.В. Чеблокова, В .Я. Шифрина, А.П. Щелкина, Г.К. Яголы, Р.И. Януса, Н.И. Яковлева и др.
Успешно ведут работы по созданию СИ полей ЭМГ многие зарубежные фирмы, например, Institute DR Forster, Walker Magnetemetrics, Walker Scientific Inc, Schonstedt Instrument, Ziess, Torn EMI Elektronics, Fiecars, Dowty и др.
В результате работ многих научно-исследовательских коллективов разработаны основы методов построения помехоустойчивых СИ полей ЭМГ, предложено много вариантов конструктивного и схемного решений, реализующих эти методы. Промышленность освоила производство ряда моделей СИ. Однако, несмотря на большие успехи в развитии теории и техники, связанные с повышением помехоустойчивости, состояние этой проблемы не всегда соответствует требованиям, предъявляемым к современным СИ.
Увеличение энергонасыщенности в районах расположения разработанных в 60-х г.г. и принятых на эксплуатацию в основном в 60 - 70- х г г. стационарных СИ на, так называемых, контрольно-измерительных магнитных
танциях (КИМС) и контрольно-измерительных магнитных и электрических танциях (КИМЭС) привело к фактическому увеличению их порога увствительности, возросли требования к метрологическим характеристикам в частности, к амплитудному и частотному диапазонам, к погрешности) СИ в еальных условиях эксплуатации.
Уменьшение размеров и увеличение плотности компоновки исследуемой ппаратуры, увеличение ее чувствительности и точности привели к необхо-;имости разработки новых средств измерений МИ МП рассеивания. Возник-:а потребность в СИ с более широкими амплитудным и частотным диапа-онами измеряемой величины, работающих в условиях многих влияющих зизических величин.
Все это привело к необходимости совершенствования и разработки говых методов повышения помехоустойчивости СИ и расширения их мплитудного и частотного диапазонов.
В области исследований и создания СИ полей ЭМГ автор начал работать : 1963 г. во ВНИИЭП. При непосредственном участии и руководстве автора іьіло выполнено 25 плановых научно-исследовательских и опытно-:онструкторских работ.
Научная новизна. . Предложена и проведена систематизация влияющих величин, в том числе вновь выявленных, в средствах измерений магнитной индукции постоянного и переменного магнитных полей. '. Изучено влияние помех: между значениями погрешностей и помехами, их вызывающими, получены расчетные соотношения, на основе которых предложены методы и средства, приводящие к уменьшению влияния помех (повышению помехоустойчивости), к снижению порога чувствительности средств измерений в реальных условиях эксплуатации. І. Предложен и теоретически обоснован новый метод одновременного и независимого друг от друга расширения частотного диапазона и снижения порога чувствительности средств измерений с индукционными преобразователями (ИП) путем суммирования сигналов с их секций; метод позволяет разрешить противоречия между расширением частотного диапазона и снижением порога чувствительности средств измерений магнитной индукции с ИП. Разработаны теоретические основы построения широкополосных средств измерений с многосекционными индукционными преобразователями со слабой магнитной связью между секциями. \. Разработана методика расчета многосекционных индукционных преобразователей при работе секций в общем частотном диапазоне и в разных частотных поддиапазонах. Полученные выражения доведены до практической применимости. На основе проведенных теоретических исследований предложены конкретные структуры широкополосных средств измерений и конструкции индукционных преобразователей. 5. Проведены исследования методов расширения амплитудного диапазона средств измерений с ферромодуляционными преобразователями (ФМП),
на основе которых предложены конкретные решения проблемы перекрытия диапазона измеряемых значений магнитной индукции средствами измерений с ФМП (без увеличения размеров ФМП) и средствами измерений с преобразователями Холла; разработаны теоретические основы использования эффекта взаимодействия полуэлементов дифференциального ФМП для расширения его диапазона линейности (амплитудного диапазона).
-
Рассмотрены и систематизированы, в том числе вновь разработанные методы уменьшения влияния внешнего постоянного магнитного поля в средствах измерений магнитной индукции постоянного и переменного магнитных полей.
-
Предложены и разработаны методы повышения помехоустойчивости средств измерений с преобразователями Холла (ПХ) и ферромодуля-ционными к помехам промышленной частоты и ее гармоник; к помехам частоты возбуждения (управления) ферромодуляционными преобразователями.
-
Рассмотрено влияние физических величин (помех) иной природы (качки, электрического поля, гидроакустического поля, ферромагнитных масс) и предложены методы повышения помехоустойчивости средств измерений к этим помехам.
-
Проведены исследования полосы пропускания средств измерений с ферромодуляционными преобразователями и теоретически обоснована возможность и целесообразность создания средств измерений переменной магнитной индукции с комбинированным датчиком (ФМП и ИП). Предложены конкретные решения.
-
Исследованы изменения внешнего электрического поля моря и предложен метод уменьшения этого влияния в средствах измерений потенциала электрического поля плавсредств.
Практическая ценность.
На основе проведенных исследований и разработанных методов созданы помехоустойчивые с широким амплитудным и частотным диапазонами средства измерений полей ЭМГ для флота, машиностроительной, электро-радиотехнической и др. отраслей промышленности и науки.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Результаты исследований и систематизации основных влияющих физических величин для специализированных средств измерений полей ЭМГ плавсредств и средств измерений магнитных полей узлов и агрегатов.
-
Результаты исследований, в том числе вновь разработанных методов и структур, повышения помехоустойчивости средств измерений полей электромагнитной группы к внешним постоянным и переменным магнитным полям, к другим физическим величинам (качке, электрическому полю, гидроакустическому полю, ферромагнитным массам).
-
Разработанные методы и структуры расширения амплитудного и частотного диапазонов средств измерений магнитной индукции.
к Результаты исследований, в том числе вновь разработанных методов и структур расширения амплитудного и частотного диапазонов средств измерений магнитной индукции. >. Теоретические основы построения широкополосных средств измерений магнитной индукции переменных магнитных полей на основе секционированных индукционных преобразователей (метод позволяет одновременно и независимо друг от друга расширять частотный диапазон и снижать порог, чувствительности); методика расчета секционированных индукционных преобразователей со слабой магнитной связью между секциями 5. Результаты исследований потенциала внешнего электрического поля моря и разработанный по результатам исследований метод повышения помехоустойчивости - метод уменьшения этого влияния в средствах измерений потенциала электрического поля объекта. Реализация работы.
Основные положения реализованы в ряде моделей средств измерений, зазработанных при научно-техническом руководстве и непосредственном /частий автора. Средства измерений прошли приемочные испытания (Государственные или Межведомственные), освоены в серийном производстве яли установлены на объектах и находятся в эксплуатации, или подготовлены к монтажу на объектах.
Общепромышленные средства измерений: магнитной индукции посто-гапых (микротесламетр Г74М), постоянных и переменных (микротесламетр Г73), переменных (микротесламетры Г79, Г703), переменных в широком диапазоне температур (от 4,2 до 373 К) магнитных полей в зазорах машин и механизмов (тесламетр Г701).
Средства измерений специального назначения: маневренное переменного магнитного поля (измерительная система (ИС) ЦУ7002); стационарное постоянного магнитного поля (ИС ЦМ7001); стационарное потенциала постоянного электрического поля (ИС ЦУ7001).
Образцовые средства измерений: постоянного магнитного поля (установка У738М, индуктивные меры магнитной индукции Э737, Э738), переменного магнитного поля(установки У739, У750).
При разработке СИ Г73, Г74М, Г79, Г703, ЦУ7001 автор - главный конструктор; при разработке Г701- заместитель главного конструктора.
Часть положений реализовано в других средствах измерений: специального назначения (в стационарной ИС постоянного магнитного поля К715; в маневренных ИС переменного магнитного поля К721, К739, К751; в маневренной ИС потенциала постоянного электрического поля ЦУ7006); общепромышленных (тесламетре К749, микротесламетре Г74), где автор принимал непосредственное участие в работах по повышению помехоустойчивости, расширению амплитудного и частотного диапазонов указанных средств измерений либо при их разработке, либо при подготовке к проведению испытаний на объекте.
Все средства измерений соответствуют предъявляемым к ним требованиям. Средства измерений специального назначения по метрологическим характеристикам в реальных условиях эксплуатации, насколько это возможно установить, соответствуют зарубежным. Общепромышленные СИ в ряде случаев являются уникальными благодаря их метрологическим характеристикам. Микротесламетр Г74М - благодаря расширенному амплитудному диапазону (от 0,1 мкТл до 10 мТл) при относительно малой погрешности и незначительным размерам чувствительных элементов датчиков (как правило, амплитудный диапазон СИ с ФМП ограничен значением 100, редко 1000 мкТл). Микротесламетры Г79 и Г703 - благодаря широкому частотному диапазоіг/ (от 20 Гц до 20 кГц и от 20 Гц до 200 кГц, соответственно) при малых значениях погрешности, нижнего значения измеряемой МИ и размеров чувствительных элементов датчиков.
В настоящее время под руководством и при непосредственном участии автора (зам. гл. конструктора) проводятся работы по разработке уникальных по своим техническим характеристикам средств измерений магнитной индукции постоянных магнитных полей плавсредств: стационарного (ИС ЦУ7004), маневренного (ИС ЦУ7004-1), корабельного (ИС ЦУ7005), в которых широко используются методы межпроектного заимствования и унификации.
Апробация.
Большинство положений работы обсуждались на 1-й международной и 7-й Всесоюзных, Республиканских и Региональных научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях.
Разработки, проведенные под руководством и при непосредственном участии автора, экспонировались на ВДНХ СССР; автор награжден бронзовой медалью ВДНХ. За работы по созданию и внедрению средств измерений физических полей ЭМГ плавсредств автор награжден медалью "300 лет Российскому Флоту".
Публикации.
