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

Изобретение относится к области радиоизмерений, точнее - к измерению переменных электромагнитных полей, и предназначено для использования в измерителях электромагнитного поля, не требующих периодической поверки от внешнего источника стандартного электромагнитного поля.

Уровень техники.

Известны различные методы измерения напряженности магнитных составляющих переменных электромагнитных полей [1-7]. В частности, в книге Е.Т.Чернышева, Н. Г. Чернышева и др. "Магнитные измерения", Москва, изд. Стандарты, 1969, стр. 32-36 [1] описан метод измерения путем преобразования напряженности магнитной составляющей электромагнитного поля в переменное напряжение, причем величина переменного напряжения пропорциональна напряженности магнитной составляющей электромагнитного поля. При этом в зависимости от назначения измерительные преобразователи отличаются геометрическими размерами, количеством витков и формой (цилиндрические, в виде шара, квадратного, прямоугольного сечения каркасов).

Наиболее распространенная структурная схема измерителя переменного электромагнитного поля представляет собой последовательно соединенные основная антенна (обратимый преобразователь электромагнитного поля в электрический сигнал) 1, регулируемый усилитель 2, детектор 3 и показывающий прибор 4. При этом основная антенна (обратимый преобразователь) 1 обычно выполнена по возможности точечной. Эта схема представлена на чертеже и подробно описана, например, в [2] - В.В. Панин, Б.И. Степанов "Измерение импульсных магнитных и электрических помех", М.: Энергоатомиздат, 1983, стр. 32.

Измеритель работает следующим образом. Перед началом эксплуатации (а также впоследствии - периодически) производят калибровку измерителя, т.е. устанавливают фиксированную чувствительность измерителя. Для этого основную антенну 1 измерителя помещают в стандартное переменное электромагнитное поле, образуемое специальным формирователем равномерного переменного электромагнитного поля, например в рабочий объем колец Гельмгольца или колец Максвелла [1] - соосно установленные соленоиды, на оси которых при их синхронном возбуждении образуется равномерное переменное магнитное поле.

Основная антенна 1 преобразует напряженность электромагнитного поля в электрический сигнал, который усиливается регулируемым усилителем 2, затем 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 известного стандартного переменного электромагнитного поля, созданной формирователями поля. Таким образом производится установка показаний (чувствительности) измерителя.

Затем измерительный прибор можно использовать по назначению - для измерения переменных электромагнитных полей неизвестной величины. Для этого помещают основную антенну 1 в место, в котором необходимо произвести измерение. Напряженность внешнего измеряемого переменного магнитного поля преобразуется основной антенной 1 в электрический сигнал, который усиливается усилителем 2, затем 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 стандартных равномерных переменного электромагнитных полях (подобных описанному выше) 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 следует из описанного выше примера, указанная поверка для измерителя магнитного поля достаточно сложна, т.к. требует специального громоздкого и дорогого оборудования - формирователя равномерного переменного электромагнитного поля заранее заданной напряженности. В качестве примера такого формирователя могут быть кольца Гельмгольца или кольца Максвелла. Он представляет собой кольца, соосно расположенные на расстоянии диаметра указанных колец, на которые подано переменное возбуждение.

Необходимость периодической поверки измерителя в стационарных условиях специального центра усложняет процесс эксплуатации. Кроме того, точность измерений зависит от изменения внешних условий, в которых находится измеритель, - давления, влажности, температуры, наличия 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.

Для уменьшения перечисленных недостатков обычно применяют следующие меры:
конструирование стабильных во времени антенн, усилителей, детекторов, показывающих приборов,
то же при изменениях температуры, влажности, давления,
экранировку измерителя и его элементов,
термостатирование измерителя и его элементов,
введение дополнительных каналов измерения (для сравнения),
частую проверку чувствительности в специально оборудованных испытательных центрах
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, приведенный на чертеже и выбранный нами в качестве прототипа. Он подробно описан в [2] . Как было показано выше, он состоит из основной антенны 1, выход которой соединен со входом регулируемого усилителя 2, выход которого через детектор 3 соединен с показывающим прибором 4.

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

Сущность изобретения.

Поставленная задача решается тем, что в известный измеритель напряженности магнитной составляющей переменного 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 введен регулируемый по амплитуде калибровочный генератор и калибровочная антенна (обратимый электромагнитный преобразователь), подключенная к выходу калибровочного генератора.

Кроме того, для дальнейшего повышения точности калибровочная антенна может быть размещена по возможности близко к основной антенне.

Кроме того, для упрощения измерителя витки калибровочной антенны могут быть размещены равномерно на или между витками и симметрично относительно витков обмотки основной антенны (обратимого преобразователя).

Раскрытие изобретения.

Сущность изобретения поясняется приведенным далее на чертеже примером структурной схемы измерителя напряженности магнитной составляющей переменного электромагнитного поля, где 1 - основная антенна, 2 - регулируемый усилитель, 3 - детектор, 4 - показывающий прибор, 5 - регулируемый калибровочный генератор, 6 - калибровочная антенна.

Измеритель 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.

Измеритель работает следующим образом. При первичной установке чувствительности измерителя его основную антенну 1 помещают в стандартное внешнее равномерное электромагнитное поле заданной напряженности, формируемое, например, кольцами Максвелла в соответствии с [1].

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 электростатического поля показание, соответствующее заданной напряженности внешнего стандартного электромагнитного поля.

Затем выключают внешний генератор стандартного равномерного переменного электромагнитного поля (снимают внешнее поле) и включают калибровочный регулируемый генератор 5, введенный в измеритель магнитного 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 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 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 заданной напряженности и фиксируют уровень сигнала калибровочного регулируемого генератора 5.

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

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.

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

Естественно, что чем ближе размещена калибровочная антенна к основной, тем более близкой по форме будет формируемое поле к стандартному.

Затем, при эксплуатации, перед каждым измерением напряженности магнитной составляющей переменного внешнего переменного электромагнитного поля вначале экранируют измеритель от сильных внешних переменных 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 регулируемый генератор 5, устанавливают основную антенну 1 измерителя в точку измерения и производят измерение напряженности магнитной оставляющей переменного электромагнитного поля. При этом точность измерения гарантирована калибровкой, произведенной непосредственно перед фактическим измерением поля.

Промышленная применимость.

Заявленное устройство выполнимо средствами, хорошо освоенными промышленностью. В частности, обратимый преобразователь (антенна) 1 может быть выполнен в виде катушки из медного провода, намотанного на полистироловый каркас, усилитель, детектор и генератор - на операционных усилителях, показывающий прибор - стрелочный или цифровой, регуляторы - потенциометры. Измеритель напряженности магнитной составляющей переменного электромагнитного поля, использующий описанное изобретение, построен на предприятии-заявителе, назван ПИМА, 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. Е. Т. Чернышева, Н.Г. Чернышева и др. "Магнитные измерения", Москва, изд. Стандарты, 1969, стр. 32-36.

2. В. В. Панин, Б.И. Степанов. "Измерение импульсных магнитных и электрических помех", М.: Энергоатомиздат, 1983, стр. 32 - прототип.

3. А.с. СССР N 721784, БИ N 10, 1980, МКИ G 01 R 33/02.

4. A.с. СССР N 758021, БИ N 31, 1980, МКИ G 01 R 33/02.

5. А.с. СССР N 1188681, БИ N 40, 1985, МКИ G 01 R 33/02.

6. А.с. СССР N 720382, БИ N 9, 1980, МКИ G 01 R 33/02.

7. А.с. СССР N 792181, БИ N 48, 1980, МКИ G 01 R 33/02.

Измеритель напряженности магнитной составляющей электромагнитного поля содержит последовательно соединенные основную антенну, регулируемый усилитель, детектор, показывающий прибор, калибровочную антенну, подключенную к выходу калибровочного генератора, калибровочный генератор выполнен регулируемым, калибровочная антенна размещена возможно ближе и симметрично основной антенне, например, витки обмотки калибровочной антенны размещены поверх или между витками обмотки основной антенны - равномерно и симметрично относительно ее витков. Технический результат заключается в повышении точности и удобства измерений, упрощении прибора. 1 ил.

Измеритель напряженности магнитной составляющей переменного 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, калибровочная антенна размещена возможно ближе и симметрично основной антенне, например, витки обмотки калибровочной антенны размещены поверх или между витков обмотки основной антенны - равномерно и симметрично относительно ее витков.