СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ, СОДЕРЖАЩИХ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫЕ УСТРОЙСТВА, НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В СОСТАВЕ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01R31/00 

Изобретения относятся к испытаниям систем, содержащих электровзрывные устройства, а именно к способу испытаний систем на стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей (ЭМП) в составе объектов больших размеров, в том числе бортовых систем и оборудования в составе летательного аппарата в условиях испытательного полигона.

При разработке ряда объектов техники, в том числе авиационной, одной из важнейших задач является обеспечение безопасности ее эксплуатации в условиях воздействия внешних ЭМП высокого уровня. При воздействии ЭМП на объекты и системы, содержащие электровзрывные устройства (ЭВУ), в их электрических цепях возникают наведенные токи.

При достаточной величине наведенного тока может происходить несанкционированное срабатывание ЭВУ с аварийными и катастрофическими последствиями. Для оценки соответствия таких объектов и их систем требованиям по безопасности эксплуатации в условиях воздействия внешних ЭМП проводят специальные натурные испытания, которые предусматривают создание внешних тестовых ЭМП с нормированными характеристиками излучения и определение устойчивости ЭВУ к воздействию этих излучений.

Уровень техники

Известен способ испытаний объектов на воздействие электромагнитных полей, описанный в монографии В.И. Кравченко. "Грозозащита радиоэлектронных средств". Справочник. М. Радио и связь, 1991, с. 214, 250, 252. Согласно, указанному способу, испытания проводятся путем воздействия на объект и системы ЭМП с нормированными энергетическими параметрами и оценкой стойкости по их реакции на соответствующее воздействие ЭМП (нормальное функционирование - отказ).

Известен «Способ испытания объектов, содержащих электровзрывные устройства, на воздействие электромагнитных полей», (см. патент РФ №2224222, кл. G01D 21/00, 2002), который позволяет проводить испытания на установках с пониженными уровнями энергетических параметров ЭМП. Достигается это за счет оснащения объектов испытаний более чувствительными ЭВУ (с пониженными параметрами срабатывания) по сравнению с уровнем срабатывания штатных ЭВУ.

Характеристика электромагнитного поля, воздействующего на объект при этих испытаниях, определяются по формуле:

где Е - напряженность ЭМП, воздействующего на объект;

Е_зад - заданная напряженность ЭМП, при которой обеспечена работоспособность объекта;

I^м _сраб - ток срабатывания ЭВУ объекта при испытаниях (указывается в технических условиях на ЭВУ с пониженным порогом срабатывания);

I^о _сраб - ток срабатывания штатного ЭВУ объекта (указывается в технических условиях на штатный ЭВУ испытываемого объекта).

При практической реализации рассмотренных способов испытаний имеют место следующие ограничения и недостатки:

- для достоверного определения уровня защищенности штатного ЭВУ необходимо, как минимум, создать уровень ЭМП, при котором значение наведенного тока приводит к фактическому срабатыванию, как штатного ЭВУ, так и ЭВУ с повышенной чувствительностью;

- результат испытаний на реальном образце, обеспечивает только констатацию факта, либо нормального, либо ненормального функционирования при воздействии заданного ЭМП без возможности анализа и оценки степени устойчивости ЭВУ;

- оба рассмотренных способа используют тесты проверки типа «годен» / «не годен», при котором достижение приемлемого уровня достоверности оценок, в условиях неполного контроля параметров эксперимента, возможно только путем увеличения объема испытаний с использованием дорогостоящих реальных образцов изделий.

В связи со значительным увеличением сроков и стоимости таких испытаний, рассмотренные способы используют в случаях, когда невозможна реализация адекватных инструментальных методов контроля уровней наведенных токов в ЭВУ.

Известно также устройство "Универсальный экологический измерительный комплекс для определения устойчивости технических средств к воздействию внешних электромагнитных полей", патент РФ 2118475 С1, кл. G12B 17/02, G01R 31/00, 1998, в котором исследуемая электрическая цепь возбуждается нормированными сигналами генератора испытательных помех с частотой заданного внешнего ЭМП и создает в свободном пространстве вокруг объекта испытаний поле напряженностью с электрической составляющей, которая во всех режимах испытаний не превышает уровень 0,2 В/м. Величина электрической составляющей измеряется с помощью приемной антенны и измерительно-вычислительного устройства.

Устройство позволяет проводить многоразовые испытания объектов на ранних стадиях разработки объекта с получением количественных оценок электромагнитной стойкости систем в условиях лабораторий, в которых обеспечено экранирование зоны испытаний от естественного внешнего электромагнитного фона с оперативной оценкой функционирования объекта в условиях воздействия ЭМП и выработкой решений по устранению выявленных дефектов.

Наряду с рядом новых технических возможностей данного устройства, в нем не обеспечена помехозащищенность измерений в условиях интенсивных внешних электромагнитных помех, характерных для открытых площадок испытательных полигонов (могут быть соизмеримы с уровнем внешнего, измеряемого устройством, электромагнитного поля ≤0,2 В/м), не решена задача испытаний объектов, имеющих большое количество цепей, чувствительных к воздействию ЭМП, что является недостатком и ограничением для практического применения устройства при испытаниях систем в составе объекта больших размеров на испытательных полигонах.

Наиболее близким к заявляемому способу, принятым за прототип, являются описания устройства для определения устойчивости технических средств при испытаниях различных изделий корабельной, авиационной и другой техники к воздействию внешних электромагнитных полей (см. стандарт MIL-STD-462D 1993 г., США, ERA Technology Report 94-0049 "Automative Electromagnetic Compatibility", стр. 104-113; Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике, М.: Энергоатомиздат, 1995 г., с. 202-220, где применяются излучающие средства для создания ЭМП с нормированными величинами электрической составляющей.

Эти поля воздействуют на электрические цепи испытуемых изделий, а результаты испытаний оценивают по сохранению их работоспособности и, при необходимости, дополнительно определяют наведенный в элементах цепей ток различными измерительными средствами. Испытания проводятся с контролем условий испытаний, как на специальных открытых измерительных площадках полигонов, так и в закрытых экранированных и безэховых камерах.

Схема испытаний такого устройства содержит объект испытаний, генератор испытательных помех, излучающую антенну, приемную антенну, расположенную в зоне объекта испытаний и связанную с измерителем напряженности поля, устройство преобразования, измерительную линию связи с испытуемым объектом, устройство контроля, размещенные на полигонной испытательной площадке.

С помощью генератора и излучающей антенны, установленной на расстоянии L от объекта, создается ЭМП с напряженностью, заданной величины Е_н, которая контролируется с помощью приемной антенны, соединенной с измерителем напряженности поля. В исследуемую электрическую цепь объекта на место штатного элемента, подверженного воздействию ЭМП, устанавливается преобразующее устройство, откалиброванное по току. С его выхода сигнал, пропорциональный наведенному току, по измерительной линии связи поступает на прибор контроля, где фиксируется и сравнивается с допустимым током штатного элемента.

В описании преобразующего устройства, откалиброванного по току, нет данных по его помехозащищенности, погрешности, быстродействию и динамическому диапазону измерений наведенного тока, которые определяют метрологические параметры средства испытаний в целом.

Известные преобразователи для решения задачи контроля стойкости системы с ЭВУ к воздействию ЭМП используют, в основном, различные типы преобразователей на основе измерения температуры нити накала электровоспламенителя при прохождении по ней наведенного тока.

Основные недостатки таких преобразователей связаны с необходимостью встраивания в испытательные эквиваленты малоразмерных ЭВУ электронных компонентов с источниками электропитания, подключенных к длинным электрическим проводам для передачи данных в информационную систему со специальными техническими средствами их защиты от воздействия внешнего тестового ЭМП на результат преобразования.

Технический результат, на достижение которого направлены изобретения, заключается в повышении эффективности проведения полигонных испытаний натурных крупногабаритных объектов, включающих групповые наборы ЭВУ, размещенные в различных локальных зонах испытываемых объектов; повышении помехозащищенности, надежности и точности измерений на большом удалении от испытываемого натурного объекта, с достоверной передачей измерительной информации от датчиков по оптоволоконному кабелю на устройство управления на расстояния до сотен метров и безопасную работу испытателей при излучении ЭМП высокого уровня в зоне испытаний.

Для получения указанного технического результата в предлагаемом способе испытаний систем объектов, содержащих электровзрывные устройств, на стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей в составе объектов, включающем создание тестовых ЭМП, внешних по отношению к испытуемому объекту, с заданными параметрами излучения, которые измеряют датчиком ЭМП, установленным вблизи испытываемого объекта, определение уровня наведенных токов в нитях накаливания испытательных эквивалентов ЭВУ испытываемого объекта при воздействии ЭМП, контроль стойкости объекта с ЭВУ к воздействию внешних ЭМП выполняют путем сравнения полученной оценки значения наведенного тока с допустимым током срабатывания штатного ЭВУ.

Отличительными признаками предложенного способа являются управление режимами работы испытательной системы, с обеспечением точной временной синхронизации всех элементов системы с излучающей антенной формирования внешненего тестового ЭМП с заданными пространственными и поляризационными параметами излучения, обработка данных эксперимента и документирования результатов испытаний, оценка уровня наведенных токов, которую выполняют одновременно для всех эквивалентов ЭВУ, размещенных в различных локальных зонах объекта испытаний, путем измерения температур электродинамических эквивалентов двух нитей накаливания воспламенителей и среды корпуса испытательного ЭВУ многоканальным оптическим интеррогатором с температурными чувствительными элементами на оптоволоконных решетках Брэгга, пространственное разрешение которых обеспечивают выбором различных частот решеток Брэгга, при этом, уровень наведенного тока в каждой нити накаливания воспламенителя оценивают по значениям разностей температур между каждым эквивалентом нити накаливания воспламенителя и температурой корпуса ЭВУ, измеренным после завершения переходного процесса, вызванного воздействием тестового ЭМП, с последующим пересчетом разности температур в уровень наведенного тока, с учетом калибровочной характеристики каждого чувствительного элемента на оптоволоконной решетке Брэгга. Достижение установившегося значения разности температур определяют путем оценки ее относительного изменения по времени t на интервале переходного процесса, вызванного воздействием тестового ЭМП, и достижением этой разностью значения заданного порога, определяемого по данным предварительной калибровки эквивалентов воспламенителей с учетом уравнения теплового баланса ЭВУ:

уравнение теплового баланса каждого эквивалента нити накаливания воспламенителя ЭВУ в виде:

,

где Т_у - установившееся значение температуры Т эквивалента нити накаливания;

Т₀ - температура окружающей среды;

I - значение тока в эквиваленте нити накаливания;

R_э - активное сопротивление эквивалента нити накаливания;

Тп - постоянная времени нагрева чувствительного элемента (решетки Брегга с эквивалентом);

K - общий коэффициент теплоотдачи, учитывающий все виды теплопередачи при нагреве эквивалента при прохождении наведенного тока (Вт/см² × °С);

F - поверхность охлаждения эквивалента нити накаливания (см²),

после завершения переходного процесса и достижения установившегося режима работы чувствительного элемента, оценку значения наведенного тока выполняют по упрощенной формуле

при этом разность температур (T_y-Т₀) измеряют оптоволоконной системой, а множитель определяют экспериментально при калибровке измерительной системы. Важно отметить, что множитель конкретного чувствительного элемента в составе эквивалента испытываемого ЭВУ с высокой степенью приближения можно считать постоянной величиной.

Полученную оценку значения уровня наведенного тока сравнивают с током срабатывания данного ЭВУ, с учетом нормированного коэффициента защиты для данного типа объекта испытаний. Уровень стойкости ЭВУ к воздействию внешнего ЭМП определяют путем выполнения совместной обработки по заданным алгоритмам результатов измерения временных выборок наведенного тока, синхронизированных с временем включения на излучение, результатами измерения параметров излучения ЭМП.

Выполнение такой оценки в силу пропорциональной зависимости квадрата электрического тока, наведенного в нити накаливания ЭВУ, от амплитуды воздействующего тестового ЭМП выполняют в соответствии с формулой (1).

Время завершения переходного процесса определяют по уменьшению относительного изменения разности температур ниже порогового уровня, который определяют при калибровке чувствительных элементов. При этом стойкость ЭВУ определяют путем сравнения полученной оценки значения наведенного тока с током срабатывания данного ЭВУ, с учетом нормированного коэффициента защиты для данного типа объекта испытаний.

Для существенного сокращения времени оценки уровня наведенного тока используют процедуру идентификации (И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. Справочник по математике, Гос. Издательство Физико-математической литературы, М., 1959, стр. 580.) установившегося значения экспоненциальной функции, которая описывается уравнением теплового баланса при t→∞ по измерению ее параметров на интервале переходного процесса. Оценку установившегося (прогнозного) значения разности температур выполняют по трем измерениям уровня переходного процесса У(t_i), У(t_i+m) и У(t_i+2m), полученным в моменты времени t_i, t_i+m и t_i+2m, удовлетворяющих условию t_i+m=(t_i+t_i+2m)/2, при этом значение квадрата наведенного тока , равного , определяют по формуле

Время оценки наведенного тока на основе прогнозного алгоритма с использованием уравнения (2) по сравнению с методом прямого измерения после завершения переходного процесса сокращается более, чем на порядок при незначительном увеличении погрешности оценки.

Уровень стойкости определяют путем сравнения полученной по уравнениям формул (1) и (2) оценок значения наведенного тока с током срабатывания данного ЭВУ с учетом нормированного коэффициента защиты.

Для достижения названного технического результата в предлагаемое устройство, содержащее генератор испытательных помех, излучающую антенну ЭМП, приемную антенну, расположенную в зоне объекта испытаний и связанную с измерителем напряженности поля, устройство преобразования, измерительную линию связи с испытуемым объектом, устройство контроля, размещенные на полигонной испытательной площадке, дополнительно включены передвижной испытательный стенд, защищенный от воздействия тестового ЭМП, оснащенный оптическим интеррогатором многоканальным, интерфейсом, измерителем уровня излучаемого тестового ЭМП, подключенным к ним через интерфейс устройством автоматического управления режимами работы системы, синхронизации работы всех ее элементов, обработки данных эксперимента и документирования результатов испытаний с обеспечением точной временной синхронизации всех элементов системы с излучающей антенной формирования внешнего тестового ЭМП с заданными пространственными и поляризационными параметрами излучения, установленную на заданном расстоянии от испытываемого объекта, связанную с входом и выходом через усилитель мощности сигнала тестового ЭМП с программно управляемым генератором стандартных испытательных сигналов; приемную антенну измерителя уровня тестового ЭМП в зоне объекта испытаний, выход которой соединен с входом измерителя уровня излучаемого тестового ЭМП. Устройство преобразователя сигналов эквивалентов электровоспламенителей ЭВУ испытуемого объекта выполнено, связанным через оптоволоконный разъем ввода оптического сигнала из прибора контроля - оптического интеррогатора многоканального и приема оптического сигнала - отраженного сигнала эквивалентов электровоспламенителей ЭВУ решеткой Брэгга и оптического сигнала эквивалентов ЭВУ, через кабель связи устройства преобразования, выполненного в виде пассивного многоканального сплиттера.

Кроме того, эквивалент ЭВУ выполнен с проходным оптоволоконным разъемом для ввода оптического сигнала интеррогатора и приема оптического сигнала, отраженного решеткой Брэгга, соединенным с внешней стороны через оптический разъем связи эквивалента ЭВУ с интеррогатором, а с внутренней стороны, через оптический разъем с трехканальным чувствительным элементом - оптоволоконного преобразователя «ток-температура» эквивалента ЭВУ, из трех, встроенных в единое оптоволокно решеток Брэгга, объединенных конструктивно с эквивалентами нитей накаливания электровоспламенителя, соединенных электрически с разъемом эквивалента ЭВУ, установленным с одного его торца, подключаемого к источнику инициирования срабатывания ЭВУ, в электрических цепях которого возбуждаются основные наведенные токи при воздействии внешнего ЭМП.

Второй торец эквивалента ЭВУ выполнен с резьбовым соединением для установки эквивалента ЭВУ на место штатного ЭВУ испытываемого объекта.

Для измерения наведенных токов в ЭВУ с двумя нитями накаливания используют три чувствительных элемента на решетках Брэгга, размером несколько мм каждая, которые формируют в одном оптоволокне, разносят друг от друга вдоль волокна на несколько сантиметров и объединяют с электродинамическими эквивалентами нитей накаливания воспламенителей в единую конструкцию.

Для формирования оптических тестовых сигналов и измерения температуры нитей накаливания всех испытываемых ЭВУ, используют оптический интеррогатор - многоканальный, каждый измерительный канал которого обеспечивает одновременную

работу от 40 до 80 оптоволоконных решеток Брэгга, путем выбора различных пространственных частот решеток Брэгга.

Для уменьшения числа протяженных оптоволоконных измерительных каналов между интеррогатором и набором ЭВУ испытываемой системы включают оптический сплиттер размерности «1×N» с малыми оптическими потерями, при этом, каждый из N оптоволоконных выходных каналов сплиттера обеспечивает работу с тремя температурными чувствительными элементами на решетках Брэгга, которые устанавливают в каждом эквиваленте ЭВУ.

Более того, для улучшения теплового обмена между эквивалентом нити накаливания ЭВУ и оптоволоконной решеткой Брэгга, эквивалент нити накаливания выполняют в виде бескаркасного спирального проволочного резистора, диаметр и длину которого согласуют с диаметром и линейным размером оптоволоконной решетки Брэгга, при этом активное сопротивление эквивалента выбирают равным сопротивлению нити накаливания (от 0.6 до 12.0 Ом), а малое индуктивное сопротивление эквивалента обеспечивают путем бифилярной намотки спирали.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют обеспечить ряд важных преимуществ перед традиционными:

- минимальный вес и размеры чувствительных элементов, обеспечивающих размещение не менее трех элементов в ограниченном объеме эквивалента реального корпуса ЭВУ и измерение наведенного тока в широком диапазоне уровней излучения внешних ЭМП;

- применение простых технических решений для реализации электрической идентичности измерительных эквивалентов воспламенителя ЭВУ, в связи с полным отсутствием электродинамических связей между эквивалентами воспламенителей и температурными чувствительными элементами на решетках Брэгга;

- малую инерционность (≤1 с), высокую частоту опроса (единицы кГц на датчик) и многоканальность оптоволоконной измерительной системы на основе оптического интеррогатора (несколько десятков решеток Брэгга в одном оптоволокне);

- необходимую точность (не хуже 5%) и возможность наращивания многоканальности системы (формирование нескольких десятков датчиков в одном волоконном измерительном канале интеррогатора), что позволяет проводить испытания крупногабаритных объектов с групповыми наборами ЭВУ, размещенных в различных локальных зонах испытываемых объектов;

- возможность выполнения надежных измерений на большом удалении от испытываемого натурного объекта (не менее 100 м) с достоверной передачей измерительной информации от датчиков по оптоволоконному кабелю на устройство управления и безопасную работу испытателей при излучении ЭМП высокого уровня в зоне испытаний.

Изобретения решают ряд важных технических проблем, которые обеспечивают:

- исключение влияния системы испытаний на антенные факторы ЭВУ;

- абсолютную устойчивость чувствительных элементов к прямому воздействию на эквиваленты ЭВУ внешнего радиоизлучения, создаваемого системой формирования тестового ЭМП;

- идентичность электродинамических параметров эквивалентов воспламенителей ЭВУ параметрам штатных ЭВУ испытываемого объекта, измерение значений наведенных токов как при повышенных, так и при пониженных уровнях излучения внешнего ЭМП, по отношению к значениям, заданным нормативными документами (НТД).

Результатом изобретений является возможность проведения заявляемым способом испытаний объектов, содержащих электровзрывные устройства, на стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей в составе натурных объектов с большим числом ЭВУ (включая группы ЭВУ, локально размещенных на испытуемом объекте больших размеров, в пределах зон однородности формируемого тестового ЭМП), и устройством для его реализации, обеспечивающим одновременное измерение наведенных токов всех ЭВУ с использованием распределенной оптоволоконной измерительной системы на основе решеток Брэгга. Полученный технический результат позволяет проводить испытания на установках, как с нормированными значениями уровня ЭМП, так и на установках с ограниченными техническими возможностями при высокой помехозащищенности системы испытаний и достоверности оценок стойкости опасных цепей к воздействию ЭМП с многократным сокращением времени и затрат на дорогостоящие натурные эксперименты.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, представленными на фиг. 1-5:

На фиг. 1 изображена принципиальная схема системы для проведения испытаний по заявленному способу.

На фиг. 2а) показано конструктивное решение эквивалента ЭВУ, с каналом ввода оптоволоконного сигнала интеррогатора и компоновку чувствительных элементов на решетках Брэгга внутри ЭВУ.

На фиг. 2б) представлена конструкция трехканального оптоволоконного чувствительного элемента на основе встроенных решеток Брэгга.

На фиг. 3 представлены диаграммы уровня излучения тестового ЭМП, переходной характеристики многоканального преобразователя с чувствительным элементом на решетке Брэгга и выборки измерительной информации для оценки установившегося уровня наведенного тока после завершения переходного процесса, построенных по результатам временной синхронизации всех элементов системы с излучающей антенной формирования внешнего тестового ЭМП с заданными пространственными и поляризационными параметрами излучения.

На фиг. 4а представлены фото экспериментального образца устройства, штатного ЭВУ и его эквивалента (фиг. 4б) и график калибровочной характеристики чувствительного элемента наведенных токов на решетке Брэгга (фиг. 4в).

На фиг. 5 представлены результаты оценки установившегося значения наведенного тока с использованием алгоритма идентификации по измерениям на интервале времени переходного процесса до t≤Тп.

на фиг. 1

1 - испытываемая система,

2 - усилитель мощности сигнала тестового ЭМП заданного спектрального диапазона,

3 - излучающая антенна (формирует тестовое ЭМП с заданными параметрами излучения),

4 - приемная антенна измерителя уровня тестового ЭМП в зоне испытываемой системы,

5 - измеритель уровня излучаемого тестового ЭМП,

6 - устройство преобразования сигналов эквивалентов электровоспламенителей ЭВУ (в заявляемом способе - 3-канальное),

7 - оптоволоконный сплиттер с кабелями связи с устройствами преобразования 6 и оптическим интеррогатором 8,

8 - интеррогатор оптический многоканальный,

9 - испытательная площадка полигона,

10 - интерфейсное устройство,

11 - устройство автоматизированного управления режимами работы системы, синхронизации работы всех ее элементов, обработки данных эксперимента и документирования результатов,

12 - программно управляемый генератор стандартных испытательных сигналов,

13 - передвижной испытательный стенд, защищенный от воздействия внешних ЭМП, обеспечивающий безопасную работу операторов по управлению режимами работы системы, обработку данных эксперимента и документирование результатов,

на фиг. 2а представлено конструктивное решение устройства преобразования сигналов эквивалентов электровоспламенителей ЭВУ с каналом ввода оптоволоконного сигнала интеррогатора и компоновкой чувствительных элементов на решетках Брэгга внутри ЭВУ, где:

14 - 4-х штырьковый разъем подключения проводов от штатного источника питания объекта устройства инициирования срабатывания ЭВУ, в которых возбуждаются основные наведенные токи при воздействии внешнего ЭМП,

15 - оптический разъем ввода сигнала интеррогатора и вывода оптического сигнала, отраженного решеткой Брэгга,

16 - проходной оптический разъем трехканального чувствительного элемента - оптоволоконного преобразователя «ток-температура» эквивалента ЭВУ,

17 - оптический разъем оптоволоконного преобразователя «ток-температура»,

18 - оптоволоконный преобразователь «ток-температура»,

19 - оптоволокно с встроенными решетками Брэгга,

20 - оптоволоконный измеритель температуры корпуса ЭВУ,

21 - резьбовое соединение для установки эквивалента ЭВУ на место штатного ЭВУ,

28 - устройство инициирования ЭВУ.

22 - печатная плата для установки чувствительных элементов в корпусе ЭВУ и их подключения к разъему питания источника инициирования,

на фиг. 2б) представлена конструкция трехканального оптоволоконного чувствительного элемента на основе встроенных решеток Брэгга:

17 - оптический разъем оптоволоконного преобразователя «ток-температура»,

19 - оптоволокно с встроенными решетками Брэгга,

на фиг. 3:

23 - сигнал включения устройства на излучение тестового ЭМП,

24 - нормированная переходная характеристика измерителя температуры при работе устройства на излучение ЭМП,

25 - нормированная переходная характеристика измерителя после выключения работы устройства на излучение ЭМП,

26 - установившееся значение нормированной переходной характеристики,

27 - измеренное значение наведенного тока, в установившемся режиме.

на фиг. 4в:

29 - калибровочная характеристика оптоволоконного измерителя наведенного тока на решетке Брэгга экспериментального образца,

на фиг. 5:

30 - переходная характеристика (ПХ) Y(t_i) экспериментального образца в кодах АЦП оптоволоконного измерителя наведенного тока на решетке Брэгга (дискретность измерения по времени dt_i составляет 30 мс, время установления ПХ от 0,1 до уровня 0,9 составляет 1300 мс).

31 - прогнозная оценка установившегося значения переходной характеристики Y(t_i) в кодах АЦП при t_i→∞ по ее измерениям на интервале времени переходного процесса при t_i≤Тп в соответствии с уравнением (3),

32 - установившееся значение измеренной переходной характеристики Y(t_i) в кодах АЦП при t_i→∞.

Предлагаемое устройство для испытаний систем объектов, содержащих электровзрывные устройства, на стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей, (фиг. 1) содержит передвижной испытательный стенд (13), излучающую антенну (3), размещенной на испытательной площадке полигона для формирования внешнего тестового ЭМП с заданными пространственными и поляризационными параметрами излучения, установленную на заданном расстоянии от испытываемой системы измерения наведенных токов в электровоспламенителях ЭВУ в зоне объекта испытаний, связанную с входом и выходом через усилитель мощности сигнала тестового ЭМП (2) с программно управляемым генератором стандартных испытательных сигналов (12), приемную антенну измерителя уровня тестового ЭМП (4), выход которой соединен с входом измерителя уровня излучаемого тестового ЭМП (5), многоканальное устройство преобразования сигналов эквивалентов электровоспламенителей ЭВУ на решетках Брега (6), связанными через оптоволоконные разъемы пассивного многоканального сплиттера (7) с интеррогатором многоканальным (8), при этом, интегратор многоканальный (8), программно управляемый генератор стандартных испытательных сигналов (12) и измеритель уровня излучаемого тестового ЭМП (5) через интерфейсное устройство (10) по входам и выходам связаны с входом и выходом блока обработки данных эксперимента (11).

Конструкция испытательного эквивалента ЭВУ включает разъем 14 подключения к штатному источнику устройства инициирования ЭВУ 28, на внешних проводах которого наводится ток пропорциональный уровню испытательного тестового ЭМП, печатную плату (22) в корпусе ЭВУ для подключения к разъему источника инициирования (28), установленных на ней двух эквивалентов нитей накаливания трехканального оптоволоконного преобразователя «ток-температура» (18), объединенных с оптоволоконными измерителями температуры на встроенных в оптоволокно решеток Брэгга (19), оптоволоконный измеритель температуры корпуса ЭВУ (20), при этом оптический сигнал интеррогатор (8) передает в эквивалент ЭВУ и принимает сигнал, отраженный чувствительными элементами на решетках Брэгга через оптический разъем связи (15), проходной оптический разъем (16) и оптический разъем преобразователя «ток-температура» (17). Эквивалент ЭВУ устанавливается на место штатного ЭВУ с использованием резьбового соединения (21).

Пример

Созданный в ОАО «ЛИИ им. М.М. Громова» экспериментальный образец систем устройства для испытаний систем объектов, содержащих электровзрывные устройства, на стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей в составе объектов больших размеров включает: 11 - устройство автоматизированного управления режимами работы системы, обработки данных эксперимента и документирования результатов с интерфейсным устройством 10 (защищенный Notebook типа CF-53 МК2), 8 - прибор контроля (интеррогатор многоканальный типа Micron Optics Sm 130-700), 7 - оптоволоконный кабель связи устройства преобразования (пассивный 4-х канальный сплиттер типа OC-PLS-1×4-SM-26-M-3.0), 2 - усилитель мощности сигнала тестового ЭМП (Amplifer Research типа 50WD1000), 3 - излучающая антенна (биконическая антенна ETS-LINDGREN типа 3109), 4 - приемная антенна измерителя уровня тестового ЭМП (антенные преобразователи A1, А4), 5 - измеритель уровня излучаемого тестового ЭМП (П3-31), 6 - устройство преобразования сигналов эквивалентов электровоспламенителей ЭВУ (специальная разработка на базе полимидной оптоволоконной решетки Брэгга типа Technica SA с К_отр>70%).

Оптоволоконное многоканальное информационно-измерительное устройство экспериментального образца показано на фото (фиг. 4а).

В качестве объекта исследований при оценке параметров экспериментального образца использован разработанный и изготовленный по заявленному в способе электродинамический эквивалент ЭВУ, широко распространенного пускового устройства ПП22-М с сопротивлением нити накаливания равной 4 Ом (фиг. 4б).

При проведении исследований получены оценки, подтверждающие реализацию основных параметров экспериментального образца и оптоволоконной многоканальной измерительной системы:

- СКО аппроксимации калибровочной характеристики измерительного тракта экспериментального образца (фиг. 4в) линейным полиномом не превышает 1,3%;

- постоянная времени чувствительных элементов на решетках Брэгга: не более 1200 мс;

- чувствительность по току оптоволоконного преобразователя: не хуже 2 мА;

- точность измерения значения наведенного тока: не хуже 5% от текущего значения;

- работоспособность системы при длине волоконных кабелей между датчиками и системой: не менее 30 м.

Временные диаграммы основных электрических сигналов: сигнала включения устройства на излучение тестового ЭМП (23), определяющих синхронизацию режимов управления излучением тестового ЭМП, построения нормированной переходной характеристики измерителя температуры в ЭВУ при излучении ЭМП (24), измеренное значение наведенного тока в установившемся режиме (27), выбор измерительной информации для ее последующей обработки и характер изменения температуры чувствительного элемента представлены на фиг. 3.

Экспериментальные оценки калибровочной и нормированной переходной характеристик экспериментального образца, а также результат восстановления установившегося значения переходной характеристики по трем измерениям ее значений на интервале переходного процесса в соответствии с заявленным алгоритмом идентификации представлен на фиг. 5.

Результаты проведенных исследований экспериментального образца подтверждают техническую реализуемость заявляемого способа испытаний систем, …и устройства…

Устройство работает следующим образом

В соответствии с заданием на испытания в устройство автоматизированного управления (11) вводят исходные параметры программы управления, с помощью которой формируют последовательности управляющих сигналов, задающих испытательные режимы работы оборудования, порядок и временные интервалы их включения, выключения, выборки измерительной информации.

Управляющие сигналы из устройства автоматизированного управления (11) через интерфейсное устройство (10) поступают в программно управляемый генератор стандартных испытательных сигналов (12), измеритель уровня излучаемого ЭМП (5) и оптический многоканальный интеррогатор (8).

По сигналам управления (11) программно управляемый генератор (12) формирует тестовый радиосигнал заданного уровня и несущей частоты, который поступает на вход усилителя мощности (2), с выхода усилителя мощности (2) усиленный радиосигнал поступает на излучающую антенну (3), которая формирует ЭМП с заданными значениями частоты, уровня и поляризации.

Через интерфейсное устройство (10) в устройство автоматизированного управления (11) поступают синхронизированные выборки фактических значений уровня ЭМП, формируемого антенной (3) с заданными параметрами излучения в месте размещения объекта испытаний (1), который измеряет приемная антенна (4) измерителя уровня излучаемого тестового ЭМП (5), а также результаты измерения многоканального устройства преобразования установившихся значений наведенных токов в эквивалентах электровоспламенителей ЭВУ (6).

С интеррогатора (8) через оптические разъемы (15), проходной (16) и (17) вводят оптический сигнал в трехканальный чувствительный элемента оптоволоконного преобразователя «ток-температура» (18) эквивалента ЭВУ и принимают в интеррогатор оптический сигнал, отраженный решеткой Брэгга (19). Устройство автоматизированного управления (11) выполняют совместную обработку по заданным алгоритмам результатов измерения временных выборок наведенного тока, синхронизированных с результатами измерения параметров излучения ЭМП, и оценку стойкости электровоспламенителей ЭВУ к воздействию внешнего ЭМП.

Заявленные способ и устройство обеспечивают проведение натурных испытаний систем, содержащих электровзрывные устройства, на стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей в составе больших объектов при повышении помехозащищенности, достоверности и точности измерений и сокращении времени проведения дорогостоящих экспериментов за счет одновременного измерения наведенных токов для большого числа электровоспламенителей ЭВУ с автоматизированным управлением режимами испытаний и синхронизацией работы испытательного оборудования в масштабе времени близком к реальному.

Изобретение относится к испытаниям систем, содержащих электровзрывные устройства. Способ заключается в создании тестовых электромагнитных полей (ЭМП), внешних по отношению к испытуемому объекту, с заданными параметрами излучения, которые измеряют датчиком поля, установленным вблизи испытываемого объекта, и оценки уровня наведенных токов в испытуемом объекте. При этом управляют режимами работы испытательной системы с обеспечением точной временной синхронизации работы всех ее элементов системы с излучающей антенной формирования внешненего тестового ЭМП с заданными пространственными и поляризационными параметрами излучения. Обрабатывают данные эксперимента и документируют результаты испытаний. Оценку уровня наведенных токов выполняют одновременно для всех ЭВУ, размещенных в различных локальных зонах объекта испытаний, путем измерения температур двух эквивалентов воспламенителей и корпуса каждого ЭВУ многоканальным оптическим интеррогатором с температурными чувствительными элементами на оптоволоконных решетках Брэгга, пространственное разрешение которых обеспечивают выбором различных частот решеток Брэгга. При этом уровень наведенного тока в каждой нити накаливания воспламенителя оценивают по значениям разностей температур между каждым эквивалентом нити накаливания воспламенителя и температурой корпуса ЭВУ, измеренным после завершения переходного процесса, вызванного воздействием тестового ЭМП, с последующим пересчетом разности температур в уровень наведенного тока, с учетом калибровочной характеристики каждого чувствительного элемента на оптоволоконной решетке Брэгга, а стойкость ЭВУ определяют путем сравнения оценки значения наведенного тока каждой нити накаливания с током срабатывания данного ЭВУ с учетом нормированного коэффициента защиты. Технический результат заключается в повышении эффективности проведения полигонных испытаний натурных крупногабаритных объектов. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ испытаний систем, содержащих электровзрывные устройства (ЭВУ), на стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей в составе объектов, заключающийся в создании тестовых электромагнитных полей (ЭМП), внешних по отношению к испытуемой системе, с заданными параметрами излучения, которые измеряют датчиком поля, установленным вблизи испытываемой системы, оценки уровня наведенных токов в испытуемой системе, отличающийся тем, что управляют режимами работы испытательной системы с обеспечением точной временной синхронизации всех элементов системы с излучающей антенной формирования внешнего тестового ЭМП с заданными пространственными и поляризационными параметрами излучения, обрабатывают данные эксперимента и документируют результаты испытаний, оценку уровня наведенных токов выполняют одновременно для всех систем с ЭВУ, размещенных в различных локальных зонах объекта испытаний, путем измерения температур двух эквивалентов воспламенителей и корпуса каждого ЭВУ многоканальным оптическим интеррогатором с температурными чувствительными элементами на оптоволоконных решетках Брэгга, пространственное разрешение которых обеспечивают выбором различных частот решеток Брэгга, при этом уровень наведенного тока в каждой нити накаливания воспламенителя оценивают по значениям разностей температур между каждым эквивалентом нити накаливания воспламенителя и температурой корпуса ЭВУ, измеренным после завершения переходного процесса, вызванного воздействием тестового ЭМП, с последующим пересчетом разности температур в уровень наведенного тока, с учетом калибровочной характеристики каждого чувствительного элемента на оптоволоконной решетке Брэгга по формуле

где Т_у - температура эквивалента нити накаливания;
Т₀ - температура окружающей среды;
I - значение тока в эквиваленте нити накаливания;
R_э - активное сопротивление эквивалента нити накаливания;
Т - постоянная времени нагрева чувствительного элемента (решетки Брэгга с эквивалентом);
K - общий коэффициент теплоотдачи, учитывающий все виды теплопередачи при нагреве эквивалента при прохождении наведенного тока (Вт/см²×°С);
F - поверхность охлаждения эквивалента нити накаливания (см²), при этом завершение переходного процесса оценивают по относительному изменению разности температур и ее сравнения с заданным пороговым уровнем, множитель определяют экспериментально при калибровке измерительной системы, а стойкость ЭВУ определяют путем сравнения оценки значения наведенного тока каждой нити накаливания с током срабатывания данного ЭВУ с учетом нормированного коэффициента защиты.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для сокращения времени оценки уровня наведенного тока используют процедуру идентификации установившегося значения экспоненциальной функции, которая описывается уравнением (1) по измерению ее параметров на интервале переходного процесса с оценкой установившегося (прогнозного) значения разности температур при t→∞ по трем измерениям уровня переходного процесса У(t_i), У(t_i+m) и У(t_i+2m), полученным в моменты времени t_i, t_i+m и t_i+2m, которые удовлетворяют условию t_i+m=(t_i+t_i+2m)/2, при этом значение квадрата наведенного тока определяют по формуле

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формируют оптические тестовые сигналы и измерения температуры нитей накаливания всех испытываемых ЭВУ, используя многоканальный оптический интеррогатор, каждый измерительный канал которого обеспечивает одновременную работу от 40 до 80 оптоволоконных решеток Брэгга, путем выбора различных пространственных частот решеток Брэгга.

4. Устройство испытаний систем, содержащих электровзрывные устройства, на стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей содержит генератор испытательных помех, излучающую антенну ЭМП, приемную антенну, расположенную в зоне объекта испытаний и связанную с измерителем напряженности поля, устройство преобразования, измерительную линию связи с испытуемым объектом, устройство контроля, размещенные на полигонной испытательной площадке, отличающееся тем, что дополнительно включены передвижной испытательный стенд, защищенный от воздействия тестового ЭМП, оснащенный оптическим интеррогатором многоканальным, интерфейсом, измерителем уровня излучаемого тестового ЭМП, подключенным к ним через интерфейс устройством автоматического управления режимами работы системы, синхронизации работы всех ее элементов, обработки данных эксперимента и документирования результатов испытаний с обеспечением точной временной синхронизации всех элементов системы с излучающей антенной формирования внешнего тестового ЭМП с заданными пространственными и поляризационными параметрами излучения, установленную на заданном расстоянии от испытываемой системы, связанной с входом и выходом через усилитель мощности сигнала тестового ЭМП с программно управляемым генератором стандартных испытательных сигналов; приемную антенну измерителя уровня тестового ЭМП в зоне объекта испытаний, выход которой соединен с входом измерителя уровня излучаемого тестового ЭМП, многоканальное устройство преобразования сигналов эквивалентов электровоспламенителей ЭВУ, связанное через оптоволоконный разъем ввода оптического сигнала из оптического интеррогатора многоканального и приема отраженного решеткой Брэггга оптического сигнала эквивалентов электровоспламенителей ЭВУ, через кабель связи устройства преобразования, выполненного в виде пассивного многоканального сплиттера.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что эквивалент ЭВУ выполнен с оптоволоконным разъемом ввода оптического сигнала интеррогатора и приема оптического сигнала, отраженного решеткой Брэгга, проходным оптическим разъемом трехканального чувствительного элемента - оптоволоконного преобразователя «ток-температура» эквивалента ЭВУ, с компоновкой внутри корпуса ЭВУ чувствительных элементов на оптоволоконных преобразователях «ток-температура», выполненных из оптоволокна с встроенными решетками Брэгга, объединенных конструктивно с эквивалентами нитей накаливания воспламенителя и установленных на печатной плате устройства преобразования сигналов эквивалентов электровоспламенителей ЭВУ, подключенных к электрическому разъему источника инициирования срабатывания ЭВУ, установленного в одном торце ЭВУ, второй торец которого выполнен с резьбовым соединением для установки эквивалента ЭВУ на место штатного ЭВУ испытываемого объекта.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что в ЭВУ с двумя нитями накаливания используют три чувствительных элемента на решетках Брэгга, размером несколько миллиметров каждая, которые формируют в одном оптоволокне, разносят друг от друга вдоль волокна на несколько сантиметров и объединяют с электродинамическими эквивалентами нитей накаливания воспламенителей в единую конструкцию.

7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что между эквивалентом нити накаливания ЭВУ и оптоволоконной решеткой Брэгга эквивалент нити накаливания выполняют в виде бескаркасного спирального проволочного резистора, диаметр и длину которого согласуют с диаметром и линейным размером оптоволоконной решетки Брэгга, при этом активное сопротивление эквивалента выбирают равным сопротивлению нити накаливания (от 0.6 до 12.0 Ом), а уменьшение его индуктивного сопротивления обеспечивают путем бифилярной намотки спирали.

8. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что между интеррогатором и набором ЭВУ испытываемой системы включают оптический сплиттер размерности «1×N» с малыми оптическими потерями, при этом каждый из N оптоволоконных выходных каналов сплиттера обеспечивает работу не менее чем с тремя температурными чувствительными элементами на решетках Брэгга, которые устанавливают в каждом эквиваленте ЭВУ.