ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2000 года по МПК G01R29/08 

Область техники.

Изобретение относится к области радиоизмерений, точнее к измерению переменных электромагнитных полей, и предназначено для использования в измерителях напряженности электрической составляющей переменного электромагнитного поля, не требующих периодической калибровки от внешнего источника стандартного электромагнитного поля.

Уровень техники.

Известно много схем измерения напряженности электрической составляющей переменного электромагнитного поля, описанных, например в [1-3].

В частности, в [1] описан метод измерения путем преобразования напряженности электрической составляющей переменного электромагнитного поля в переменное напряжение, причем величина переменного напряжения пропорциональна напряженности электрической составляющей электромагнитного поля. При этом в зависимости от назначения датчики - измерительные преобразователи (антенны) отличаются геометрическими размерами, формой (цилиндрические, в виде шара, квадратного, прямоугольного сечения) и материалами [2].

Наиболее распространенная структурная схема такого измерителя напряженности представляет собой последовательно соединенные основную антенну 1 (обратимый преобразователь напряженности электрической составляющей электромагнитного поля в электрический сигнал), регулируемый усилитель 2, детектор 3 и показывающий прибор 4. При этом основная антенна 1 выполнена в виде двух коаксиально размещенных металлических шаров, внутренний из которых заземлен. Такая схема представлена на рис. 1 и подробно описана в [1], стр. 346, а конструкция антенны - в [2].

Измеритель работает следующим образом. Перед началом эксплуатации (а также - впоследствии - периодически) устанавливают фиксированную чувствительность измерителя. Для этого основную антенну 1 измерителя помещают в стандартное переменное электромагнитное поле, образуемое специальным формирователем равномерного переменного электромагнитного поля - например, пластинами воздушного конденсатора, подключенными к источнику переменного напряжения [1,3]. Между его обкладками образуется равномерное переменное электромагнитное поле. Основная антенна 1 преобразует напряженность электромагнитного поля в электрический сигнал, который усиливается регулируемым усилителем 2, поступает на детектор 3, выходной сигнал которого возбуждает показывающий прибор 4. При этом изменением усиления регулируемого усилителя 2 добиваются соответствия показаний показывающего прибора 4 напряженности электрической составляющей известного стандартного переменного электромагнитного поля, созданной формирователем поля. Таким образом производится установка показаний (чувствительности) измерителя.

Затем измерительный прибор можно использовать по назначению - для измерения напряженности электрических составляющих переменных электромагнитных полей неизвестной величины. Для этого помещают основную антенну 1 в место, в котором необходимо произвести измерение. Напряженность электрической составляющей внешнего измеряемого переменного электромагнитного поля преобразуется основной антенной 1 в электрический сигнал, который усиливается регулируемым усилителем 2, и поступает на детектор 3, выход которого соединен с показывающим прибором 4.

Известно также, что все измерительные приборы должны периодически проходить повторную установку показаний (чувствительности) в заранее заданных в стандартных равномерных переменных электромагнитных полях в специальных центрах - для получения заданной гарантированной точности измерений. В частности, эта периодическая поверка и подстройка должна устранить временные и эксплуатационные изменения элементов измерителя поля - размеров и ориентации антенны, характеристик материала антенны, усилительных и детекторных элементов, показывающего прибора. Как видно из описанного выше примера создания электромагнитного поля со стандартной напряженностью электрической составляющей, указанная поверка для измерителя поля достаточно сложна, т.к. требует специального громоздкого и дорогого оборудования - формирователя заранее заданного равномерного переменного электромагнитного поля. Примеры таких формирователей приведены в [1 и 3].

Он представляет собой, например, очень большой воздушный конденсатор, к обкладкам которого приложено переменное напряжение. В середине зазора образуется электромагнитное поле, напряженность электрической составляющей которого пропорционально, в частности, величине приложенного напряжения. Необходимость периодической поверки измерителя в стационарных (фактически лабораторных) условиях усложняет процесс эксплуатации и снижает уверенность в достоверности измерений.

Кроме того, точность измерений зависит от изменения внешних условий, в которых находится измеритель - давление, влажность, температура, наличие мешающих излучений. Эти погрешности не могут быть устранены в известных измерителях даже путем периодической коррекции чувствительности, поскольку в этом случае пришлось бы иметь на месте измерения формирователь стандартного равномерного поля.

Кроме того, существенны погрешности при измерении слабых переменных электромагнитных полей из-за влияния мешающих внешних полей, вызывающих ЭДС помех и в усилителе 2 и в проводах, соединяющих антенну 1 с усилителем 2. Это требует максимального приближения усилителя 2 к антенне 1, специальной разработки конструктивного решения и разводки проводов.

Для уменьшения перечисленных недостатков обычно применяют следующие меры:
конструирование стабильных во времени антенн, усилителей, детекторов, показывающих приборов,
то же при изменениях температуры, влажности, давления,
мощная экранизация элементов измерителя,
термостатирование измерителя,
введение дополнительных каналов измерения (для сравнения) и
другие меры, подробно описанные, например, в [1].

Однако перечисленные средства и меры дороги, усложняют прибор, процесс измерений и не устраняют полностью сомнения в точности проведенных измерений.

Наиболее близким к заявляемому устройству является измеритель, структурная схема которого приведена на фиг. 1, выбранный нами в качестве прототипа. Он подробно описан в [1], стр. 346. Как было показано выше, он состоит из основной антенны 1, выход которой соединен с входом регулируемого усилителя 2, выход которого через детектор 3 соединен с показывающим прибором 4.

Задача изобретения.

Задачей изобретения является повышение точности и удобства измерений, а также упрощение прибора.

Сущность изобретения.

Поставленная задача решается тем, что в известный измеритель напряженности электрической составляющей электромагнитного поля, содержащий последовательно соединенные основную антенну (обратимый электромагнитный преобразователь), регулируемый усилитель, детектор и показывающий прибор, внесены существенные изменения и дополнения, а именно -
- в него введены регулируемый генератор калибровочного сигнала и калибровочная антенна (обратимый электромагнитный преобразователь), концы которой соединены с выходом указанного генератора.

Кроме того, для повышения помехозащищенности измерителя, основная антенна может быть выполнена шаровой, а регулируемый усилитель размещен в ее центре. Кроме того, для дальнейшего повышения точности калибровочная антенна может быть размещена по возможности близко и симметрично к основной антенне. Кроме того, калибровочная антенна может быть выполнена также шаровой и размещена коаксиально внутри основной антенны.

Раскрытие изобретения.

Сущность изобретения поясняется приведенным далее на фиг. 2 примером структурной схемы измерителя и фиг. 3 - примером конструктивного решения размещения основной антенны, регулируемого усилителя и калибровочной антенны.

На фиг. 2 приняты следующие обозначения:
1 - основная антенна,
2 - регулируемый усилитель,
3 - детектор,
4 - показывающий прибор,
5 - регулируемый калибровочный генератор,
6 - калибровочная антенна.

На фиг. 3 приняты обозначения:
1 - основная антенна,
2 - регулируемый усилитель,
5 - калибровочный генератор,
6 - калибровочная антенна,
7, 8 - внешний и внутренний шары основной антенны 1,
9, 10 - внешний и внутренний шары калибровочной антенны 6.

Измеритель (фиг. 2) представляет собой последовательно соединенные основную антенну 1, регулируемый усилитель 2, детектор 3 и показывающий прибор 4. Калибровочный регулируемый генератор 5 подключен к калибровочной антенне 6, размещенной симметрично и возможно близко к основной антенне 1. Основная и калибровочная антенны 1 и 6 выполнены шаровыми и размещены коаксиально (см. фиг. 3). При этом выход основной антенны 1 соединен со входом регулируемого входного усилителя 2, размещенного в центре шаровых антенн, а выход калибровочного регулируемого генератора 5 соединен со входом калибровочной антенны 6, размещенной также в центре шара.

Измеритель работает следующим образом. При первичной установке чувствительности измерителя его основную антенну 1 помещают в стандартное внешнее равномерное электромагнитное поле с заданной напряженностью электрической составляющей, формируемое, например, обкладками конденсатора в соответствии с [1,3] . При воздействии указанного стандартного равномерного переменного электромагнитного поля заданной напряженности на основную антенну 1 измерителя оно преобразуется в электрический сигнал, который усиливается регулируемым усилителем 2, детектируется детектором 3 и возбуждает показывающий прибор 4. Изменяя коэффициент передачи усилителя 2, устанавливают на показывающем приборе 4 измерителя напряженности электрической составляющей переменного электромагнитного поля показание, соответствующее заданной напряженности электрической составляющей внешнего стандартного электромагнитного поля.

Затем выключают внешний генератор стандартного равномерного переменного электромагнитного поля (снимают внешнее магнитное поле) и включают калибровочный регулируемый генератор 5, введенный в измеритель напряженности переменного электромагнитного поля согласно изобретению. Его частота - такая же, как у внешнего генератора стандартного электромагнитного поля. Выходное напряжение регулируемого калибровочного генератора 5 поступает на калибровочную антенну 6 и образует вокруг калибровочной антенны 6 электромагнитное поле, поскольку она - обратимый электромагнитный преобразователь. Напряженность созданного калибровочным генератором 5 и его антенной 6 электромагнитного поля воздействует на основную антенну 1, преобразуется в ней в соответствующий электрический сигнал, усиливается регулируемым усилителем 2, усиленный сигнал (пропорциональный созданной калибровочной цепью 5-6 напряженности электрической составляющей электромагнитного поля) через детектор 3 воздействует на показывающий прибор 4. Изменяя амплитуду выходного сигнала калибровочного регулируемого генератора 5, добиваются показаний показывающего прибора 4, равных показаниям, которые были на нем при воздействии на измеритель стандартного внешнего переменного электромагнитного поля, и фиксируют уровень сигнала калибровочного регулируемого генератора 5.

Фактически посредством калибровочного генератора 5 и калибровочной антенны 6 сформировано переменное электромагнитное поле, суммарное воздействие которого на основную антенну 1 аналогично воздействию стандартного равномерного электромагнитного поля заданной напряженности, при этом созданное калибровочное электромагнитное поле, конечно, неравномерно и по форме сильно отличается от указанного равномерного стандартного, но оно точно эквивалентно ему по единственному необходимому нам параметру - оно вызывает в основной антенне 1 такой же электрический сигнал. Это свойство использовано в заявленном измерителе для осуществления постоянной оперативной калибровки измерителя и своевременной коррекции изменений параметров всех его элементов, связанных со старением, температурой, давлением и тряской. Естественно, что чем ближе и симметричнее к основной антенне 1 размещена калибровочная антенна 6, тем более близким по форме будет формируемое ею поле к стандартному.

Затем, при эксплуатации, перед каждым измерением напряженности электрической составляющей внешнего переменного электромагнитного поля вначале экранируют измеритель напряженности от сильных внешних электромагнитных полей, включают встроенный в измеритель калибровочный регулируемый генератор 5 и устанавливают на его выходе уровень, зафиксированный при первичной установке чувствительности измерителя. Затем, изменяя усиление регулируемого усилителя 2, устанавливают показания показывающего прибора 4, равное показаниям при первичной установке чувствительности. Затем выключают встроенный калибровочный генератор, устанавливают основную антенну 1 измерителя в точку измерения и производят измерение напряженности электрической составляющей электромагнитного поля. При этом точность измерения гарантирована калибровкой, произведенной непосредственно перед фактическим измерением поля.

Предложенное решение ново, т.к. оно неизвестно из доступных источников информации.

Предложенное решение неочевидно для специалиста, т.к. не вытекает явным образом из известного уровня техники.

Для повышения точности измерений и калибровки, а также снижения влияния внешних мешающих полей обе антенны лучше выполнить шаровыми, разместить коаксиально, а регулируемый усилитель 2 (входной усилитель) разместить в центре шаровых антенн.

Промышленная применимость.

Заявленное устройство выполнимо средствами, хорошо освоенными промышленностью. В частности, основная антенна 1 и калибровочная антенна 6 могут быть выполнены шаровыми [2], усилитель, детектор и генератор - на операционных усилителях, показывающий прибор - стрелочный или цифровой, регуляторы - потенциометры.

Измеритель напряженности электрической составляющей электромагнитного поля, использующий описанное изобретение, построен на предприятии - заявителе, назван, успешно прошел испытания и уже поставляется потребителям. При этом никаких практических сложностей, связанных с использованием изобретения, не встретилось
Таким образом, по нашему мнению, заявленное техническое решение отвечает всем критериям, предъявляемым к изобретениям - оно ново, неочевидно и промышленно применимо.

Литература
1. Ф. Термен и Дж.Петтит "Измерительная техника в электронике", М., Издательство иностранной литературы, 1955, стр. 346-351 - прототип.

2. Б. М. Яворский и др. "Курс лекций по физике", том 2, Высшая школа, 1960, стр. 66, рис. 5.3 (антенна шар в шаре) и стр. 65, рис. 5.2 (генератор равномерного стандартного электрического поля).

3. М. У.Банк "Электрические и акустические параметры радиоприемных устройств", М.: Связь, 1974, стр. 34-36 (генераторы стандартного поля).

Измеритель напряженности электрической составляющей электромагнитного поля содержит последовательно соединенные основную антенну, регулируемый усилитель, детектор, показывающий прибор, калибровочную антенну, подключенную к выходу калибровочного генератора, калибровочный генератор выполнен регулируемым, основная антенна выполнена шаровой, а регулируемый усилитель размещен в ее центре, калибровочная антенна размещена максимально близко и симметрично к основной антенне, например, калибровочная антенна выполнена шаровой и размещена коаксиально внутри основной антенны. Технический результат заключается в повышении точности и удобства измерений, упрощении прибора. 3 ил.

Измеритель напряженности электрической составляющей электромагнитного поля, содержащий последовательно соединенные основную антенну, регулируемый усилитель, детектор и показывающий прибор, а также калибровочную антенну, подключенную к выходу калибровочного генератора, отличающийся тем, что калибровочный генератор выполнен регулируемым, основная антенна выполнена шаровой, а регулируемый усилитель размещен в ее центре, калибровочная антенна размещена максимально близко и симметрично к основной антенне, например, калибровочная антенна выполнена шаровой и размещена коаксиально внутри основной антенны.