Введение к работе
Актуальность проблем. Исследование характеристик электромагнитного поля слуглт зФХективнш средством познзния язлэний и процессов, происходящих в электроэнергетических is электрошшх устройствах, Отологических системах, веществе, а такта других объектах. Эти исследования позволяют получить іпгіормащію, необ-ходамув для пректпческого р:сепия научных, техлзгческих и практических проблем в электротехнической и электронной нрсшиденнос-ти, издпцинской диагностике, обеспечении электромагнитной совместимости, анализа злектромзпгктшгх методов исследования нэдр Земли і: поиска полезных ископаемых. Электромагнитные поля реальных объектов обладают сложными ггространствеїто-врімеїшіми харак-' теристикэ.чи, неоднородностью в пространстве а іапгулшим видом ігроівссов во времени.
Разнообразие и сложность практических задач исследования характеристик электромагнитного поля затрудняет irx теоретическое списание и требует подробного экспериментального исследования. Сопоставление потребностей в областях измерения величин им-пульсного электрического к магнитного полей с состоянием развитая датчиков состзвляганх электромагнитного поля приводит к заключению, что необходимо решить проблему создания методов и оп-паратнкх средств для экспериментального исследования характеристик импульсных электромапгатшх полей в материальных средах с различными электрофизическими параметрами.
Решение этой проблеми нєвозмоїяо без создания электрофизических основ проектирования датчиков, включаааих разработку теоретических и экспериментальных методов исследования и анализа электромагнитных процессов в первичных преобразователях датчиков, определяющих их рабочие характеристики и параметри. Наряду с трэСуемша метрологическими характеристиками, датчики должна обладать высокой стабильностью и надеязюстыо при эксплуатации в натурних 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 широкополосных датчиков, ЕНЗЛИ-за их характеристик и кнтерлоттвиии результатов в частотной оо-
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 использо-вашя регулярных методов проектирования.
Данная работа посвяяена создашпо теоретических основ проектирования датчиков импульсного поля с единых позиция на основе анализа электромагнитных процессов во всех элементах датчика и их взаимодействия с внешней средой.
Тема исследований находится в плане важнейших научно--исследовательских 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 создание теорші пассивных магнию- и электрошадукционннх датчиков компонент импульсного элек-тромапштного поля в материальных средах с различными электрофизическими параметрами на основе анализа электромагнитных процессов в первичных измерительных преобразователях и исследования прохождения сигналов по тракту предварительной их обработки, к разработка с помоиью этой теорші рекомендаций по проектированию как отдельных датчиков, так и их комплексов для регистрации совокупных характеристик импульсного электромзпитъого поля.
Поставленная цель достигается решением следующие задач :
-
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;
-
На базе постановки и решения краевой электродинамической задачи для электродных систем и индукционных магнитоприекнкков разработать математические и схемотехшпеские модели первичных преобразователей и с in помощью получить рабочие характеристики и параметры преобразователей во временной и частотной областях.
-
Теоретически обосновать построение тракта предварительной обработки ипгала в датчике, сформулировать цели и критерии оптимизации его параметров, на основе которых разработать способы оптимального построения системы обработки и ее элементов.
-
Исследовать характеристики источников собственных иумов тракта преобразования и разработать способи достижения максимальной предельной чувствительности к измеряемой компоненте.
-
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.
-
Разработать теоретические основы построения систем датчиков и конструктивно совмецешшх датчиков, обеспечивающих измерение нескольких компонентодной или различных составляющих электромагнитного шля 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 техніки электрофизического зіссперимента. Постановка и решегаге краевой электродинамической задачи базировалась на применении аналитических и численній методов расчета, а также использовании математических аналогии 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 получеїш 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.Получеїш аппроксимирующие аналитические выражения для элементов эквивалентной схемы широко распространенных цилиндрических (колпачковых) электродов, на основе которых путем варьирования геометрических размеров строятся первичные преобразователи, перекрывающие широкий диапазон амплитудных и временных парамет-
ров импульсного электрического ПОЛЯ.
-
Разработаны к обоснованы схемотехнические модели индукционных преобразователей магнитного поля и на их основе получены во временной и частотной областях передаточные характеристики, анализ которых позволил выбрать оптимальну» конструкцию в виде одновит-кобого рамочного магнитоприемника.
-
Исследовано влияние схем построения устройств предварительной аналоговой обработки сигналов на временные и частотные характеристики электроиндукционных и мэгнитоиндукциояных датчиков с учетом их конструктивных и электрофизических параметров.
-
Построены эквивалентные электрические схемы 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, определяющих их предельную чувствительность.
-
Исследованы условия и даны рекомендации минимизации коэффициента шума датчиков в широкой полосе частот и выведет; соот-ношения для вычисления предельной чувствительности.
Т. Проанализированы источники и пути воздействия на элементы датчика основных видов внешних помех, и с учетом этого построены схемные моделі, позволившие разработать рекомендации по повышению помехозащищенности датчиков.
8. Создан и Енедрен ряд конструкции электродных и индукшгошгых датчиков, обеспечивающих Еысокую потенциальную помехоустойчивость. Разработаны и обоснованы способы построения сік.гем датчиков, а также комбинированных датчиков различшх составляющих импульсных электромагнитных полей е единой конструкции. Большая часть способов и устройств защищена авторскими свидетельствами. . Практическая значимость и реализация результатов работа состоит в создании основ проектирования электро- и магнктоиндукциошых преобразователей и создания на их базе комплексов датчиков импульсного электромагнитного шля в различшх 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 вн шних электромагнитных помех на импульсные характеристики датчиков и разработаны рекомендации построения высокочувствительных датчиков для различных материальных сред. g
Определены рациональные способы построеїгил электронных систем обработки сигналов первичного преобразователя в зависимости от условии измерения.
Предложены и зэютетш авторскіжп свидетельствами конструкции комплекса датчиков для измерения импульсных полей в воздухе, грунте и воде, обеспечивающие высокую чувствительность и допускающие путем варьирования геометрических размеров широкий диапазон изменения параметров анализируемых электрических и магнитных полей. Оценеш уровни взаимного влияния датчиков в многоканздь-ішх системах одновременной регистрации нескольких компонент раз-личних составляющих импульсных и йнрскополосных электромагнитных полей и разработаны рекомендации по их сшжению.
С целью проверки адекватности и достоверности математических и схемотехнических моделей электро- и мзгнитоиндукционнпх датчиков и результатов их теоретического анализа определены границы применимости моделей, проведеш 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 экранирующих конструкций на распространение электромагнитных полей. Применение разработанных .датчиков впервые позволило регистрировать слабые импульсные электрические и мапгнтіше поля большой длительности с микросекундными фрОНТБМИ внутри экранов.
Методы построения датчиков использовались при выполнении более двадцати хозрасчетных работ, проводимых по ззкззам ведущих организаций (ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова, НПО "Уран", ИЗМЙТАН, НПО "Крыло" и других). Результаты научных исследований автора внедрены в учебный процесс при постановке курсов: "Теоретическая электротехника", "Электроника, микресхемотехпикз и САПР", "Инженерная электрофизика", "Электромагнитная совместимость информационных систем".
.«J!PJJJ1ция„_р_абот_ц_5_ Основные положения и результаты прсівт^нігну исследования докладывались, обсуждались и подучили одр" г»:-;г.!" и'і
ряде научно-технических конференций и совещаний: XII Всесоюзное совещание по магнитным элементам автоматики, Таапсент, 1968г.; семинар "Современные проблемы метрологии",Москва, ВДНХ. 1973г.;11 Всесоюзная конференция "Метода и средства измерения параметров магнитного поля",Ленинград, 1980г.;VII Всесоюзная научно-техническая.конференция "Метрология в.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 "Метода и средства измерений в области' электромагнитной совместимости",Винница,'1991г.; а такке 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, ИФЭ 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, 68 страниц иллюстраций и список использованных источников, насчитывающий 149 наименования.
