Устройство для измерения наведенного тока в мостике накаливания электрического средства инициирования Российский патент 2024 года по МПК G01R19/00 

Область техники.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, а именно, к измерению наведенного тока в мостике накаливания электрического средства инициирования (ЭСИ), входящего в состав объектов, при их испытаниях на воздействие электромагнитных полей различного происхождения.

В соответствии с требованиями и терминологией ОТТ 1.2.10-2001 объекты, содержащие в своем составе ЭСИ, должны проходить испытания на взрывобезопасность при воздействии на них электромагнитных полей (ЭМП) различного происхождения. При испытаниях необходимо измерять величины наведенных токов в электрических цепях, предназначенных для задействования ЭСИ. Датчик тока размещается в корпусе охолощенного ЭСИ, при этом измеряется ток, протекающий по мостику накаливания ЭСИ. Допускается заменять мостик накаливания ЭСИ его эквивалентом с сопротивлением, идентичным штатному. Подавляющее большинство ЭСИ, выпускаемых в России, имеют сопротивление мостика накаливания от 1 до 7 Ом. Корпус охолощенного ЭСИ с размещенным в нем датчиком наведенного тока называется специальной сборкой (спецсборкой).

Уровень техники.

Известно устройство контроля электрических параметров пиросредств (см. патент РФ №2602994, приоритет от 21.09.2015 г.), содержащее аналого-цифровой преобразователь, измеритель напряжения, блок вычисления сопротивления, демультиплексор, генератор тестовых токов, ограничитель тока и блок формирования результата контроля.

Недостатком этого технического решения являются сильное влияние измерительной системы на результаты измерений, обусловленное наличием гальванической связи между мостиком накаливания ЭСИ и датчиком наведенного тока, а также влиянием измерительных линий на структуру электромагнитного поля, воздействующего на испытуемый объект.

Известна система измерения наведенных токов в резистивном элементе электровзрывного устройства (ЭВУ) (см. патент RU 2664763 С1, опубл. 22.08.2018 г.).

Данная система содержит устройство формирования сигнала наведенного тока, дуплексную волоконно-оптическую линию связи и преобразователь интерфейса для связи с компьютером. Устройство формирования сигнала содержит масштабный усилитель с управляемым коэффициентом усиления, первичный преобразователь наведенного тока, модуль выделения абсолютного значения сигнала, пиковый детектор и аналого-цифровой преобразователь, оптический передатчик, оптический приемник с декодером управляющего цифрового сигнала. Преобразователь интерфейса содержит формирователь управляющего сигнала, оптический цифровой приемник, микропроцессор предварительной обработки сигнала и формирования высокоскоростного USB интерфейса.

К входу масштабного усилителя подключен резистивный элемент испытуемого ЭВУ, одновременно подключенный к штатной цепи питания объекта. Также к входу масштабного усилителя может быть подключен датчик температуры, имеющий тепловую связь с резистивным элементом ЭВУ. Масштабный усилитель выполнен в виде детектора СВЧ-сигнала с логарифмической зависимостью выходного сигнала от наведенного высокочастотного тока на резистивном элементе ЭВУ.

Недостатками этого технического решения являются:

- сильное влияние измерительной системы на результаты измерений, обусловленное наличием гальванической связи между мостиком накаливания ЭСИ и масштабного усилителя измерительной системы;

- наличие электроники измерительной системы (масштабного усилителя, линий связи и оптического передатчика) внутри и снаружи ЭСИ, что приводит к изменению структуры воздействующего электромагнитного поля при испытаниях малогабаритных объектов (габариты объекта сопоставимы с размерами измерительной системы).

Наиболее близким по техническому решению и выбранному авторами в качестве прототипа является способ испытаний систем, содержащих электровзрывные устройства, на стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей в составе объектов и устройство для его осуществления (см. патент RU 2593521 С1, опубл. 10.08.2016 г.).

Согласно этому способу, многоканальная испытательная система для оценки стойкости электровзрывных устройств к электромагнитным помехам, 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. Передвижной испытательный стенд оснащен оптическим многоканальным интеррогатором, интерфейсом, измерителем уровня излучаемого тестового ЭМП, 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, усилитель мощности сигнала тестового ЭМП с программно-управляемым генератором стандартных испытательных сигналов, многоканальное устройство преобразования сигналов эквивалентов ЭВУ, пассивный многоканальный сплиттер.

В этой системе эквивалент ЭВУ может быть 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.

В ЭВУ с двумя нитями накаливания может быть использовано 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.

Эквивалент нити накаливания может быть выполнен 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.

Недостатками этого технического решения являются:

- сложность изготовления спецсборки;

- высокий порог чувствительности датчиков наведенного тока измерительной системы.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности, а также уменьшение порога чувствительности измерения величин наведенного тока, протекающего в мостике накаливания ЭСИ, при проведении испытаний объектов на взрывобезопасность при воздействии электромагнитных полей различного происхождения.

Раскрытие сущности изобретения.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения наведенного тока, состоящем из специального программного обеспечения, многоканального оптического интеррогатора, измерителя напряженности электрического поля и пассивного оптического N-канального сплиттера, применяется новый датчик наведенного тока, который представляет собой сформированную в сердцевине одномодового оптического волокна диаметром 50 мкм решетку Брэгга с нанесенной поверх металлической пленкой, выполняющей роль эквивалента мостика накаливания ЭСИ. Металлическую пленку датчика изготавливают таким образом, чтобы ее сопротивление было идентично сопротивлению мостика накаливания штатного ЭСИ. Брэгговские резонансы датчиков тока выбираются в диапазоне длин волн, на которых работает интеррогатор (от 1460 нм до 1620 нм). Датчики тока подключаются к интеррогатору через оптические сплиттеры. Общая протяженность волоконно-оптических соединений от интеррогатора до каждого датчика не должна превышать 50 метров.

В предлагаемом устройстве используются охолощенные штатные ЭСИ, в которых размещен датчик наведенного тока на брэгговской решетке. Металлическая пленка датчика подключается к контактам мостика накаливания ЭСИ. Металлическая пленка состоит из слоя титана толщиной порядка 5 нм (выполняющего роль подложки) и слоя меди (выполняющего роль мостика накаливания). Толщина слоя меди выбирается исходя из сопротивления мостика накаливания ЭСИ. При протекании тока по металлической пленке выделяется тепло, которое передается брэгговской решетке, что приводит к смещению ее брэгговского резонанса. Смещение брэгговского резонанса пропорционально величине тока, протекающего через металлическую пленку. Пересчет величины смещения брэгговского резонанса в величину наведенного тока осуществляется специальным программным обеспечением. Пространство внутри спецсборки заполняется теплоизоляционным материалом для минимизации влияния окружающей среды на результаты измерения.

Данное техническое решение позволяет повысить точность измерения наведенного тока за счет:

- минимизации теплоемкости датчика за счет использования металлической пленки вместо спирали (толщина металлической пленки из меди для сопротивления датчика в 6 Ом составляет несколько десятков нанометров) и использования оптического волокна диаметром 50 мкм (вместо используемого в прототипе волокна диаметром 125 мкм);

- максимизации площади передачи тепла от металлической пленки к брэгговской решетке (в отличие от используемой в прототипе проволоки, которая передает тепло брэгговской решетке только в месте контакта с оптоволокном, металлическая пленка передает тепло всей поверхности оптоволокна);

- использования теплоизоляционного материала для заполнения внутренних объемов спецсборки для минимизации влияния окружающей среды (уменьшение помех при проведении измерений);

- использования в конструкции спецсборки одной брэгговской решетки (в прототипе используется 3 брэгговские решетки), что упрощает ее изготовление и эксплуатацию;

- использования дифференциального режима работы датчика наведенного тока (за счет уменьшения теплоемкости разработанный датчик гораздо быстрее реагирует на нагрев при протекании тока по металлической пленке по сравнению с прототипом; отслеживание первой производной смещения брэгговского резонанса позволяет понизить порог чувствительности датчика).

Амплитуда наведенного тока, протекающего в металлической пленке датчика, определяется путем пересчета величины смещения брэгговского резонанса по калибровочной кривой. Операция пересчета выполняется специальным программным обеспечением в автоматизированном режиме. Повышение точности измерения и понижение порога чувствительности датчика тока также обеспечивается минимизацией влияния окружающей среды и синхронизацией времени начала измерения и начала воздействия ЭМП путем постоянного контроля параметров воздействующего поля измерителем напряженности электрического поля.

Новым в предлагаемом изобретении является: датчик наведенного тока, конструкция спецсборки и дифференциальный режим обработки информации, поступающей с датчика наведенного тока.

Совокупность существенных признаков в предлагаемом изобретении позволила повысить точность, а также понизить порог чувствительности измерения наведенного тока в эквиваленте мостика накаливания ЭСИ при проведении испытаний объектов на взрывобезопасность при воздействии ЭМП различного происхождения за счет конструкции датчика наведенного тока, конструкции спецсборки и дифференциального режима обработки информации.

Также технический результат обеспечивается использованием диэлектрических материалов (оптоволокна), не влияющих на структуру воздействующего на объект ЭМП.

Краткое описание чертежей.

Сущность изобретения и его осуществление поясняются фиг. 1, 2, где

на фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для измерения наведенного тока в мостике накаливания ЭСИ;

на фиг. 2 показано схематическое представление нового датчика наведенного тока.

Обозначения на фиг. 1:

1 - специальное программное обеспечение;

2 - многоканальный оптический интеррогатор;

3 - канал интеррогатора;

4 - пассивный оптический N-канальный сплиттер;

5 - измеритель напряженности электрического поля;

6 - датчик наведенного тока;

7 - электрическое средство инициирования;

8 - объект испытаний;

9 - соединительное оптическое волокно.

Обозначения на фиг. 2:

10 - герметичный корпус;

11 - участок оптического волокна с нанесенной решеткой Брэгга и металлической пленкой (титановая подложка с нанесенным сверху медным слоем);

12 - соединительный провод.

Осуществление изобретения.

Созданный образец устройства для измерения наведенного тока в мостике накаливания ЭСИ при проведении испытаний объектов на взрывобезопасность при воздействии электромагнитных полей различного происхождения включает: автоматизированное рабочее место с специальным программным обеспечением записи и обработки результатов (1), оптический 4-х канальный интеррогатор MICRON OPTICS si155 (2), пассивный N-канальный оптический сплиттер (4), оптическое соединительное волокно (9), брэгговский датчик наведенного тока с нанесенной металлической пленкой, подключенный вместо штатного мостика накаливания ЭСИ (6), измеритель напряженности электрического поля (5).

В результате исследования созданного образца устройства получены следующие метрологические характеристики:

- сопротивление мостика накаливания датчика наведенного тока: 6.2 Ом;

- порог чувствительности датчика наведенного тока: не более 1.5 мА;

- верхняя граница диапазона измерений датчика наведенного тока: не менее 60 мА;

- погрешность измерения значения наведенного тока: не более 4.5%;

- скорость нарастания амплитуды сигнала от 0.1 до 0.9 от максимального уровня для тока 2 мА: не более 600 мс.

Промышленная применимость.

Предлагаемое устройство для измерения наведенного тока в мостике накаливания ЭСИ может применяться научно-исследовательскими, научно-производственными организациями, конструкторскими бюро и любыми другими организациями, участвующими в испытаниях объектов, содержащих в своем составе ЭСИ, на взрывобезопасность при воздействии ЭМП различного происхождения.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, а именно к измерению наведенного тока в мостике накаливания электрического средства инициирования (ЭСИ), входящего в состав объектов, при их испытаниях на воздействие электромагнитных полей различного происхождения. Технический результат: повышение точности, а также уменьшение порога чувствительности измерения величин наведенного тока, протекающего в мостике накаливания ЭСИ, при проведении испытаний объектов на взрывобезопасность при воздействии электромагнитных полей различного происхождения. Сущность: устройство состоит из многоканального оптического интеррогатора, измерителя напряженности электрического поля, пассивного оптического N-канального сплиттера и датчика наведенного тока. Датчик наведенного тока представляет собой сформированную в сердцевине одномодового оптического волокна диаметром 50 мкм решетку Брэгга с нанесенной поверх металлической пленкой, выполняющей роль мостика накаливания ЭСИ, которая имеет сопротивление, идентичное сопротивлению мостика накаливания ЭСИ. К интеррогатору через оптические сплиттеры подключены датчики наведенного тока, резонансные частоты которых разнесены по спектру в диапазоне от 1460 нм до 1620 нм. Общая протяженность волоконно-оптических соединений от интеррогатора до датчика не превышает 50 метров. Датчики наведенного тока установлены в корпуса охолощенных штатных ЭСИ, которые заполнены теплоизоляционным материалом. Устройство содержит автоматизированное рабочее место с программным обеспечением записи и обработки результатов с возможностью пересчета величины смещения брэгговского резонанса решетки в амплитуду наведенного тока по калибровочной кривой. 2 ил.

Устройство для измерения наведенного тока в мостике накаливания электрического средства инициирования (ЭСИ), входящего в состав объектов при их испытаниях на воздействие электромагнитных полей (ЭМП), состоящее из многоканального оптического интеррогатора, измерителя напряженности электрического поля, пассивного оптического N-канального сплиттера и датчика наведенного тока, отличающееся тем, что датчик наведенного тока представляет собой сформированную в сердцевине одномодового оптического волокна диаметром 50 мкм решетку Брэгга с нанесенной поверх металлической пленкой, выполняющей роль мостика накаливания ЭСИ, которая имеет сопротивление, идентичное сопротивлению мостика накаливания ЭСИ, к интеррогатору через оптические сплиттеры подключены датчики наведенного тока, резонансные частоты которых разнесены по спектру в диапазоне от 1460 нм до 1620 нм, общая протяженность волоконно-оптических соединений от интеррогатора до датчика не превышает 50 метров, датчики наведенного тока установлены в корпуса охолощенных штатных ЭСИ, которые заполнены теплоизоляционным материалом, при этом устройство содержит автоматизированное рабочее место с программным обеспечением записи и обработки результатов с возможностью пересчета величины смещения брэгговского резонанса решетки в амплитуду наведенного тока по калибровочной кривой.