СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2001 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к области измерения, а именно к разделу "измерение напряженности магнитного поля" (класс G 01 R 29/08), и может быть использовано для измерения интенсивности электромагнитных полей радиочастот в экологии, для определения безопасности персонала и решения других аналогичных задач.

Известные методы измерения электромагнитных полей радиочастот основаны в помещении антенны-датчика в измеряемое поле и регистрации напряжения, наводимого измеряемым полем в нагрузке приемной антенны-датчика, с последующим расчетом напряженности поля при помощи известных зависимостей, связывающих значение напряженности поля и параметров датчика и нагрузки (см. книгу А.Н. Зайцева "Измерение на СВЧ и их метрологическое обеспечение", М. 1989 г., с. 163, или Адольф И. Шваб "Электромагнитная совместимость", М. 1998 г., с. 254). Указанный способ используется при измерениях на относительно низких радиочастотах, в диапазоне сверхвысоких частот используется аналогичный способ, отличающийся тем, что регистрируется мощность, выделяющаяся в нагрузке приемной антенны-датчика при помещении антенны-датчика в измеряемое поле, а при пересчете измеренной величины используются зависимости, связывающие величину выделившейся мощности с параметрами антенн-датчиков и плотностью потока мощности измеряемого поля (см. книгу А.Н. Зайцева "Измерение на СВЧ и их метрологическое обеспечение", М. 1989 г., с. 164).

Указанные способы измерения реализованы с использованием различных вариантов выполнения антенн-датчиков (см. Патент СССР A1 1649478 за 1991 г.) в измерительных приборах, предназначенных для измерения уровня электромагнитных полей в целях определения уровней, опасных для жизнедеятельности, например в отечественных приборах типа: ПЗ-16...ПЗ-21, а также в последней модификации Поле-3, суть которых заключается в измерении с выхода антенн-датчиков, предназначенных для работы в своем диапазоне частот, напряжения, пропорционального напряженности поля. При этом коэффициенты пропорциональности для каждой антенны-датчика в своем диапазоне известны.

Известны также способы частотно-селективных измерений, в которых электрические колебания, принятые приемной антенной-датчиком и содержащие колебания различных частот, фильтруют при помощи полосовых фильтров, усиливают, детектируют, измеряют и регистрируют величину выходного напряжения (см. книгу А.Н. Зайцева "Измерение на СВЧ и их метрологическое обеспечение", М. 1989 г., с. 174).

Способ частотно-селективных измерений применяется преимущественно для измерения относительно слабых полей. Способы реализованы в различных измерительных приемниках, селективных микровольтметрах, представляющих собой сложные и дорогостоящие устройства.

Прототипом изобретения является способ измерения напряженности поля путем помещения в измеряемое поле антенны-датчика и регистрации напряжения, пропорционального измеряемой напряженности, в нагрузке антенн-датчиков (см. книгу А. Н. Зайцева "Измерение на СВЧ и их метрологическое обеспечение", М. 1989 г., с. 163).

Способ состоит в помещении антенны-датчика в измеряемое поле, регистрации напряжения, создаваемого измеряемым полем в нагрузке приемной антенны, и определении напряженности электрического поля согласно известной зависимости, связывающей значение измеряемой напряженности поля с электрическими параметрами антенны-датчика и нагрузки.

Указанная зависимость имеет вид

где U - напряжение на выходе антенны-датчика, В;
E - напряженность электрического поля, В/М;
h_g(f) - эквивалентная высота антенны-датчика, М;
Z_н(f) - сопротивление нагрузки антенны-датчика, Ом;
Z_а(f) - эквивалентное сопротивление антенны-датчика, Ом;
К(f) - значение амплитудно-частотной характеристики по частоте, М.

Недостатком прототипа являются невозможность точного определения напряженности поля, создаваемого источником на определенной частоте f₁, за счет помех от источников, излучающих на других частотах f_i, где i = 2...N, а также невозможность определения напряженностей электромагнитного поля, создаваемых этими источниками помех. Напряжение, наводимое в нагрузке антенн-датчиков при воздействии на него N источников излучения с частотами f_i, будет определяться выражением

где U - напряжение на выходе антенны-датчика, В;
K(f_i) - значение амплитудно-частотной характеристики на частоте излучения i-го источника (f_i), М;
E_i - напряженность электрического поля на частоте излучения i-го источника (f_i), В/М;
f_i - частоты излучения i-го источника, Гц;
N - число источников излучения в измеряемом поле.

Таким образом, в реальных условиях вследствие конечной восприимчивости антенной-датчиком излучения с частотами, не входящими в частотный диапазон применяемой антенны-датчика, измерение истинного значения напряженностей поля становится невозможным.

Решаемой технической задачей изобретения является увеличение точности измерений напряженности электромагнитного поля, а также определение напряженности всех составляющих поля.

Решаемая техническая задача в способе измерения напряженности электромагнитного поля, заключающемся в помещении измерительной антенны-датчика в измеряемое поле и регистрации напряжения, наводимого измеряемым электромагнитным полем на элементе нагрузки приемной антенны-датчика, достигается тем, что проводят дополнительные измерения путем последовательного помещения в измеряемое электромагнитное поле К-1 антенн-датчиков и регистрации напряжений U₁...U_К на элементе нагрузки антенн-датчиков, пропорциональных напряженности воздействующего электромагнитного поля. Все K антенны-датчики имеют отличительные друг от друга амплитудно-частотные характеристики. Число антенн-датчиков K равняется числу источников излучения N или превышает его (K≥N). Напряженности всех N составляющих электромагнитного поля E₁...E_N определяются из решения системы линейных уравнений (3):

где E_N - напряженность электрического поля на частоте излучения N-го источника (f_N), В/М;
K_K(f_N) - значение амплитудно-частотной характеристики K-той антенны-датчика на частоте излучения N-го источника (f_N), М;
f_N - частоты излучения N-го источника, Гц;
U_K - напряжение на выходе K-той антенны-датчика, В;
E_Кизм - напряженность поля, полученная при измерении K-той антенной-датчиком, В/М.

Схематически реализация этого способа показана на чертеже. Устройство состоит из К антенн-датчиков 1₁...1_К, которые последовательно подключаются к элементу нагрузки 2, и микровольтметра 3, регистрирующего напряжение на элементе нагрузки 2.

Суть измерений согласно заявляемому способу состоит в следующем. Имеются К антенн-датчиков 1₁. ..1_К (где K≥ N), каждая из которых предназначена для работы в своем определенном диапазоне, и измерительное устройство 3. Для измерения напряженности поля, возбуждаемого N источниками с известными частотами f_N, помещают антенну-датчик, предназначенный для измерения в диапазоне действия первого источника, в измеряемое поле, и с помощью микровольтметра 3 регистрируется значение напряжения на элементе нагрузки 2 антенны-датчика 1₁:

где U₁ - напряжение на выходе первого антенны-датчика, В;
K₁(f_i) - значение амплитудно-частотной характеристики для первой антенны-датчика на частоте излучения i-го источника (f_i), М;
E_i - напряженность электрического поля на частоте излучения i-го источника (f_i), В/М;
f_i - частоты излучения i-го источника, Гц;
N - число источников излучения в измеряемом поле.

Далее последовательно помещают К-1 антенн-датчиков 1₂...1_К, напряжения на выходе которых представляются в виде

где j = 2...K;
U_j - напряжение на выходе j-ой антенны-датчика, В;
K_j(f_i) - значение амплитудно-частотной характеристики для j-той антенны-датчика на частоте излучения i-го источника (f_i), М;
E_i - напряженность электрического поля на частоте излучения i-го источника (f_i), В/М;
f_i - частоты излучения i-го источника, Гц;
K - число антенн-датчиков;
N - число источников излучения в измеряемом поле.

Коэффициенты K_i(f_i) определяются заранее путем калибровки антенн-датчиков. Таким образом, получаем систему линейных уравнений с N неизвестными. Решением уравнения (6) находятся неизвестные величины напряженности электромагнитного поля E₁...E_N:

где E_N - напряженность электрического поля на частоте излучения N-го источника (f_N), В/М;
K_K(f_N) - значение амплитудно-частотной характеристики K-той антенны-датчика на частоте излучения N-го источника (f_N), M;
f_N - частоты излучения N-ro источника, Гц;
U_K - напряжение на выходе K-той антенны-датчика, В;
E_Кизм - напряженность поля, полученная при измерении K-той антенной-датчиком, В/М.

Пример реализации:
Для реализации предложенного способа измерений может быть использован серийный измеритель напряженности электромагнитного поля - прибор "ПОЛЕ-3", имеющий три антенны-датчика. Первый датчик АП-Е-1, с известными поправочными коэффициентами, предназначен для измерения в диапазоне метровых волн. Второй датчик АП-ППЭ-1 - для измерений в дециметровом диапазоне, также с известными значениями амплитудно- частотной характеристики.

Измерение напряженности поля в метровом диапазоне при наличии составляющих в дециметровом диапазоне волн осуществляется следующим образом:
- проводится измерение напряжения на элементе нагрузки антенны-датчика АП-Е-1. Результат измерения имеет вид

где U₁ - напряжение на выходе первой антенны-датчика (АП-Е-1), В;
K₁(f_i) - значение амплитудно-частотной характеристики для первой антенны-датчика на частоте излучения i-го источника (f_i), М;
E_i - напряженность электрического поля на частоте излучения i-го источника (f_i), В/М;
f_i - частоты излучения i-го источника, Гц;
- проводится аналогичным образом измерение при помощи антенны-датчика АП-ППЭ-1. Результат измерения напряжения на элементе нагрузки антенны-датчика (АП-ППЭ-1) представится в виде

где U₂ - напряжение на выходе второй антенны-датчика (АП-ППЭ-1), В;
K₂(f_i) - значение амплитудно-частотной характеристики для первой антенны-датчика на частоте излучения i-го источника (f_i), М;
E_i - напряженность электрического поля на частоте излучения i-го источника (f_i), В/М;
f_i - частоты излучения i-го источника, Гц.

При этом значение амплитудно-частотной характеристики K₁(f₁) и K₂(f₂) известны из паспортных данных самого прибора. Значения амплитудно-частотной характеристики K₁(f₂) и K₂(f₁) определяются предварительно путем калибровки указанных антенн-датчиков. Таким образом, значения амплитудно-частотной характеристики K₁(f₁), K₂(f₂), K₁(f₂) и K₂(f₁) являются известными величинами. Результат измерений, значения E₁ и E₂, находятся из решения системы линейных уравнений

где E₁ и E₂ - напряженности электрического поля на частотах излучения первого и второго источников (f₁ и f₂), В/М;
K₁(f₁) и K₁(f₂) - значения амплитудно-частотных характеристик для первой антенны-датчика на частотах излучения f₁ и f₂, М;
K₂(f₁) и K₂(f₂) - значения амплитудно-частотных характеристик для второй антенны-датчика на частотах излучения f₁ и f₂, М;
f₁ и f₂ - частоты излучения первого и второго источников, Гц;
U₁ и U₂ - напряжения на выходе первой и второй антенн-датчиков, В;
E_1изм E_2изм - напряженности электрического поля, полученные посредством измерения первой и второй антеннами-датчиками при одновременной работе первого и второго источников, В/М.

Проведена проверка работоспособности способа измерений, в ходе которой определялись относительные значения погрешностей, возникающих при измерении известным методом и предложенным методом для различных соотношениях интенсивностей. Результаты вычислений сведены в таблицу. Значения амплитудно-частотных характеристик K₁(f₁), K₂(f₂), K₁(f₂) и K₂(f₁) в таблице даны в децибелах (dB). E_1H и E_2H - это значения напряженности электромагнитного поля, создаваемого в точке измерения отдельно первым и вторым источниками соответственно. E₁ и E₂ - это полученные из решения системы (9) значения напряженности электромагнитного поля на частотах f₁ и f₂ соответственно.

Относительная погрешность, возникающая при измерении δE существующим методом (%), определяется из соотношения

где δE - относительная погрешность, возникающая при измерении существующим методом, %;
E_1изм - напряженность электрического поля, полученная посредством измерения первой антенной-датчиком при одновременной работе первого и второго источников, В/М;
E_1H - значение напряженности электромагнитного поля, создаваемого в точке измерения первым источником, В/М.

Относительная погрешность, возникающая при измерении δE_ус предложенным методом (%), определяется из соотношения

где δE_ус - относительная погрешность, возникающая при измерении предложенным методом, %;
E_1H - значение напряженности электромагнитного поля, создаваемого в точке измерения первым источником, В/М;
E₁ - восстановленное значение напряженности электромагнитного поля на частоте f₁, В/М.

Способ измерения напряженности электромагнитного поля заключается в помещении в измеряемое электромагнитное поле К антенн-датчиков и регистрации напряжений на элементе нагрузки К антенн-датчиков U₁....U_K, пропорциональных напряженности воздействующего электромагнитного поля, все К антенны-датчики имеют отличительные друг от друга амплитудно-частотные характеристики, число антенн-датчиков К равняется числу источников излучения N или превышает его, К ≥ N, напряженности всех N составляющих электромагнитного поля E₁....E_N определяют из решения системы линейных уравнений. Технический результат в увеличении точности измерений, определении напряженности всех составляющих поля. 1 ил., 1 табл.

Способ измерения напряженности электромагнитного поля, заключающийся в помещении измерительной антенны-датчика в измеряемое поле и регистрации напряжения, наводимого измеряемым электромагнитным полем на элементе нагрузки приемной антенны-датчика, отличающийся тем, что проводят дополнительные измерения путем последовательного помещения в измеряемое электромагнитное поле К - 1 антенн-датчиков, и регистрации напряжений на элементе нагрузки K антенн-датчиков U₁ ... U_K, пропорциональных напряженности воздействующего электромагнитного поля, все K антенны-датчики имеют отличительные друг от друга амплитудно-частотные характеристики, число антенн-датчиков K равняется числу источников излучения N, или превышает его K ≥ N, напряженности всех N, составляющих электромагнитного поля E₁ ... E_N, определяют из решения системы линейных уравнений:

где E_N - напряженность электрического поля на частоте излучения N-го источника (f_N), B/M;
K_K(f_N) - значение амплитудно-частотной характеристики K-й антенны-датчика на частоте излучения N-го источника (f_N), M;
f_N - частоты излучения N-го источника, Гц;
U_K - напряжение на выходе K-го антенны-датчика, В;
E_Kизм - напряженность поля, полученная при измерении K-й антенной-датчиком, B/M.