датчик компонент составляющих векторов электромагнитного поля

Формула изобретения

ДАТЧИК КОМПОНЕНТ СОСТАВЛЯЮЩИХ ВЕКТОРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ, содержащий первичный преобразователь магнитной компоненты и первичный преобразователь электрической компоненты, через усилители электрически связанные с перемножителем, последовательно соединенным с ним регистрирующим прибором, отличающийся тем, что он снабжен магнитопроводом в виде кольца с двумя диаметрально противоположными разрезами цилиндрической формы, а первичный преобразователь электрической компоненты выполнен в виде двух пар пластин, причем каждая пара пластин расположена в соответствующем разрезе, а длина пластин во много раз превышает расстояние между ними, причем каждая из пластин одной пары электрически соединена с противолежащей относительно оси датчика пластиной другой пары и подключена соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам усилителя с помощью экранированного кабеля, а первичный преобразователь магнитной компоненты выполнен в виде двух обмоток, расположенных на магнитопроводе и подключенных к входу другого усилителя, выход которого вместе с выходом первого усилителя соединен с входом перемножителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерений параметров широкополосных переменных или импульсных электромагнитных полей (ЭМП) и может быть использовано в электрофизике для исследования возникающих в среде электромагнитных излучений, а также для измерения импульсных полей, рассеиваемых электротехническими устройствами и создаваемых линиями связи или электропередачи.

Известны индукционные измерительные преобразователи электрических полей, основанные на наведении зарядов на металлических электродах, помещенных в переменное или импульсное электрическое поле (Панин В.В. Степанов Б.М. Измерение импульсных магнитных и электрических полей. М. Энергоатомиздат, 1987).

Для измерения переменных магнитных полей известны индукционные датчики, основанные на наведении ЭДС в витках рамки, помещенной в изменяющееся магнитное поле. Такие датчики содержат первичные преобразователи в виде одновитковой или многовитковой рамки с сердечником из ферромагнитного материала (Скородумов С.А. Обоишев Ю.П. Помехоустойчивая магнитоизмерительная аппаратура. Л. Энергоиздат, 1981).

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения электрической и магнитной составляющей ЭПМ, содержащее первичный преобразователь магнитной компоненты в виде витка и первичный преобразователь электрической компоненты в виде четырех сферических электродов (авт. св. СССР N 1663585, кл. G 01 R 33/02, 1991). Причем каждый преобразователь электрически соединен с усилителем, которые последовательно соединены с перемножителем и регистрирующими приборами.

Недостатком электродных первичных преобразователей электрической компоненты ЭМП является их низкая помехоустойчивость к влиянию внешних посторонних электрических полей и в основном поля промышленной частоты. Поэтому недостатками известного устройства являются высокая чувствительность к помехонесущим полям и затруднительное применение для измерения слабых ЭМП, возникающих непосредственно в исследуемой среде.

Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении точности измерения и чувствительности датчика.

Поставленная техническая задача решается тем, что датчик, содержащий первичный преобразователь магнитной компоненты и первичный преобразователь электрической компоненты, через усилители, электрически связанные с перемножителем, последовательно соединенным с ним регистрирующим прибором, дополнительно снабжен магнитопроводом в виде кольца с двумя диаметрально противоположными разрезами цилиндрической формы, при этом первичный преобразователь электрической компоненты выполнен в виде двух пар пластин, причем каждая пара пластин расположена в соответствующем разрезе, длина пластин во много раз превышает расстояние между ними, а каждая из пластин одной пары электрически соединена с противолежащей относительно оси датчика пластиной другой пары и подключена соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам усилителя с помощью экранированного кабеля, а первичный преобразователь магнитной компоненты выполнен в виде двух обмоток, расположенных на магнитопроводе и подключенных к входу другого усилителя, выход которого вместе с выходом первого усилителя соединен с входом перемножителя.

Рассматриваемый датчик ЭМП широко применим для измерения параметров ЭМП, возбуждаемого в образцах электрофизических сред локального поля.

На фиг. 1 и 2 представлена конструкция датчика ЭМП; на фиг. 2 физическая модель емкостных связей пластин первичного преобразователя электрической компоненты ЭМП; на фиг. 3 его эквивалентная схема.

Датчик (фиг. 1) состоит из проводящих, основных 1 и компенсационных 2 пластин, выполненных в виде цилиндрических сегментов. Основные пластины охватывают объем 3, заполненный средой с источником поля. Пластины помещены в разрезах магнитопровода 4, на котором расположены две обмотки 5. На краях пластин размещены выводы, которые подключены к входу усилителя 6 посредством экранированного кабеля 7. Выводы обмоток соединены с усилителем 8, а выходы обоих усилителей подведены к перемножающему устройству 9, которое связано с регистром 10.

Датчик функционирует следующим образом.

При помещении датчика в изменяющееся ЭМП с напряженностью электрического поля на паре основных пластин наводятся заряды и возникает разность потенциалов

U l_эЕ_о, где Е_о проекция вектора напряженности Е_х на электрическую ось датчика;

l_э эквивалентная измерительная база первичного преобразователя электрической компоненты, зависящая от геометрических параметров пластин и электрических параметров среды.

Напряжение, передаваемое с пластин по экранированному кабелю 7 на вход усилителя 6, пропорционально напряженности электрического поля или эквивалентного дипольного момента источника сигнала.

В обмотках, расположенных на магнитопроводе, протекает электрический ток, пропорциональный магнитной индукции В_о, создаваемой измеряемым ЭМП, и на входе усилителя 8 наводится ЭДС

WS_эdB_o/dt W _{т o}S_эdH_o/dt, где Н_о проекция напряженности магнитного поля Н_y на магнитную ось датчика;

S_э эквивалентная площадь витка;

_о магнитная постоянная;

_т относительная магнитная проницаемость магнитопровода, зависящая от магнитной проницаемости среды и формы магнитопровода.

Выходные напряжения с усилителей подаются на перемножитель, выходное напряжение которого пропорционально составляющей вектора Умова-Пойнтинга:

S_z E_xH_y.

Количественные соотношения, описывающие работу, могут быть получены на основе анализа схемотехнической модели датчика, приведенной на фиг. 3. Физической моделью источника неоднородного поля служит двухпроводная линия, содержащая два цилиндрических проводника, питаемых от источника ЭДС. Усилитель 6, подводящий кабель, представлен в модели резистивно-емкостной нагрузкой R_н и С_н. Взаимное влияние заряженных проводящих тел отражено при помощи соответствующих емкостей.

Значения частичных емкостей линии и системы и напряжений на пластинах при питании задающей линии напряжением U_c определяются путем решения задачи теории ЭМП методом конформных преобразований и прямого метода определения напряженности поля (метод Сочнева). Емкости выражаются через эллиптические интегралы первого рода и интегралы, зависящие от расстояний между участками электродов. Полученные соотношения позволяют численными методами рассчитать зависимости емкостей от геометрических размеров и электрофизических параметров среды.

По эквивалентной схеме устройства на фиг. 4 с использованием симметрии, т.е. С₁ С₂, С₃ С₄ и С₆ С₇, передаточная функция записывается в виде

H(p) где С₀ (С₅ + С₆/2).

Для получения максимального значения коэффициента передачи проведены численные расчеты и получены оптимальные соотношения размеров пластин и зазора между ними. Использование оптимальных соотношений позволяет увеличить коэффициент преобразования на 6 дБ.

Для компенсации внешних помехонесущих полей в предлагаемом датчике введены компенсационные пластины, внутрь которых помещается среда без источников исследуемого ЭМП. Если на датчик действует внешнее однородное помехонесущее электрическое поле напряженностью Е_п, направленное перпендикулярно пластинам в их центре, то оно в отсутствии компенсационных пластин создает на входе усилителя 6 напряжение помехи

U_п l_эЕ_п.

При наличии компенсационных пластин напряжение на входе этого усилителя определяется выражением

U_э l_эЕ_э l_эдЕ_п (l_э l_эд)Е_п, гдек l_эк измерительная база компенсационной системы пластин.

Разность l l_э l_эк зависит от точности геометрической структуры основных и компенсационных пластин и электрофизических параметров среды в месте их установки и может быть сведена к весьма малой величине.

Применение компенсационных пластин, тщательное симметрирование датчика и его элементов, а также их экранирование позволило повысить реальную чувствительность датчика на 40 дБ.