Измерительный преобразователь электромагнитных полей Советский патент 1992 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения вертикальной и горизонтальной компонент напряжение стн электрической составляющей плоек/ix, различным образом поляризованных электромагнитных полей.

Известно устройство ечксстного типа для измерения напряженности электрического поля, содержащее три параллельных электрода, причем крайние из них включены по дифференциальной схеме.

Однако это устройство че с беспечивает измерение горизонтальной и вертикальной компонент напряженности эл зктрической составляющей плоских электромагнитных полей. Датчик также не позволяет с удовлетворительной точностью проводить измерения в отрыве от заземленного электрода ввиду его несогласованногти с окружающим пространством и внесении искаже- с ний в измеряемое поле

Известно также устройство емкостного типа для раздельного измерения ортогональных составляющих вектора напряженности электрического поля в виде диэлектрической пластины и пяти плоских электродов.

Однако датчик не обеспечивает одновременное измерение вертикальной и горизонтальной компонент напряженности электрической составляющей плоских поляризованных электромагнитных полей, имеет низкую точность при проведении измерений в отрыве от заземленных электродов, вносит значительные искажения структуры измеряемых полей в процессе измерений.

Известен также датчик для измерения напряженности электрического поля ди- польного типа, содержащий электрический

-ч ел с ел ю со

диполь и включенные между его плечами параллельно полупроводниковый диод и два конденсатора.

Однако датчик не обеспечивает одновременное измерение вертикальной и горизонтальной компонент электрической составляющей плоских поляризованных электромагнитных полей, имеет низкую точность ввиду несогласованности с окружающим пространсдв&м, вносит искажения структуры измеряемых полей.

Известно устройство для измерения напряженности импульсного электрического поля по трем ортогональным компонентам, содержащее измерительный преобразователь, выполненный в виде шести металлических стержней, установленных симметрично по осям ортогональной системы координат, закрепленных концами в шарообразном держателе, центр которого совпадает с центром ортогональной системы координат. Устройство позволяет измерять импульсные электрические поля с любой ориентацией вектора напряженности; так как каждая пара симметричных стержней измеряет одну из ортогональных компонент электрического поля.

Недостатком устройства является низкая точность, обусловленная искахознием полей вблизи измерительного преобразователя и возникающих вследствие высокой электропроводности металлических стержней и расположения диполей вдоль компонент измеряемого поля.

Наиболее близким к предлагаемому является измерительный преобразователь устройства, содержащий измерительный преобразователь, соединенный с блоком индикации с дифференциальными входами, причем измерительный преобразователь выполнен в виде конструкции из трех вза- имноперпендикулярных дипольных антенн с общим центром, в которой каждая антенна состоит из двух разнесенных половинок диполя, между которыми включен световод, интенсивность свечения которого пропорциональна соответствующей компоненте измеряемого поля.

Недостатком устройства является низкая точность измерения переменных электрических полей. Это обусловлено конструкцией измерительного преобразователя в котором антенны вследствие высокой электропроводности искажают электрическое поле вблизи места расположения измерительного преобразователя, в результате чего погрешность может достигать десятков процентов. Второй причиной низкой точности измерений является несогласованность измерительного преобразователя с окружающей средой при измерении быстропеременных электромагнитных полей, в результате чего в дипольных антеннах возникают переходные процессы, сопровождэющиеся излучением, третьим моментом, обусловливающим невысокую точность, являются большие габариты измерителя вследствие расположения диполей вдоль ортогональных осей координат и

вдоль измеряемых компонент напряженности электрического поля. Кроме того, применение измерительного преобразователя для измерения горизонтальной и вертикальной компонент плоских электромагнитных

полей нецелесообразно в результате еысо- кой стоимости, сложности изготовления и использования.

Как известно, именно плоские пол получили огромное распространение и использование на практике. К ним, в частности, относятся электромагнитные поля в дальней зоне от источников, поля в двух и многопроводных протяженных линиях и т.д. Цель изобретения - повышение точности и помехозащищенности тоских поляризованных изменяющихся электромагнитных полей.

Поставленная цель достигается тем, что в измерительном преобразователе электромагнитных полей, содержащем электроды и выводы для подключения передающей линии, электроды выполнены в виде пяти цилиндрических и параллельных между собой электродов, расположенных в вершинах и в

центре квадрата, плоскость которого перпендикулярна оси электродов, а диагонали ориентированы вертикально и горизонтально при этом электроды пронумерованы против хода часовой стрелки, начиная с первого

нижнего и заканчивая пятым в центре квадрата, все электроды на одном конце согласованы между собой резисторами, включаемыми как вдоль диагоналей квадрата, так и вдоль его сторон, и соединены со

стороны согласующих резисторов с выводами для подключения передающих линий, при этом электроды преобразователя размещаются вдоль направления распространения электромагнитной энергии,

открытыми концами к источнику, а разность сигналов, снимаемых между первым и третьим электродами Ui,3(t)n между первым и пятым электродами Ui.5(t), пропорциональна вертикальной компоненте напряженности E8(t) электрического поля

EB(t) ,3(t)-Ui.5{t),

0)

разность сигналов, снимаемых между четвертым и вторым электродами IM.zW между четвертым и пятым электродами U4,s(t), пропорциональна горизонтальной компоненте напряженности Er(t) электрического поля

Er(t) ,2(t)-U4,5(t). (2)

где k - коэффициент пропорциональности, равный величине обратной половине длины диагонали D квадрата, k 2/D.

При этом новыми признаками являют- .ся: выполнение электродов в виде пяти цилиндрических и параллельных между собой проводников; расположение электродов в вершинах и в центре квадрата, плоскость которого перпендикулярна оси электродов; расположение электродов так, что диагонали указанного квадрата ориентированы вертикально и горизонтально, а электроды при этом пронумерованы против хода часовой стрелки, начиная с первого нижнего и заканчивая пятым в центре квадрата; согласование электродов между собой на одном конце резисторами; включение согласующих резисторов между электродами как вдоль диагоналей, так и вдоль сторон квадрата; соединение всех электродов со стороны согласующих резисторов с выводами для подключения передающих линий; размещение электродов преобразователя вдоль направления распространения электромагнитной энергии открытыми концами к источнику; определение вертикальной и горизонтальной компонент напряженности электрического поля по формулам;

EB(t) .3(t)-Ui.5(t), Er(t) .2(t)-lk5(t),

Все перечисленные новые признаки являются существенными для выполнения це- ли изобретения. Так, выполнение электродов в виде пяти цилиндрических и параллельных между собой проводников, расположенных в вершинах и в центре квадрата, плоскость которого перпендикулярна оси электродов, позволяет повысить точность измерений и помехозащищенность результатов вследствие компенсации синфазных помех при выделении полезного сигнала с использованием формул (1) и (2), уменьшить число электродов по сравнению с прототипом с двенадцати до пяти, снизить стоимость, упростить конструкцию преобразователя, уменьшить сложность изготовления и эксплуатации. В предлагаемой конструкции удается практически в 3-4 раза

уменьшить габаритные размеры, что снова обусловливает и повышение точности измерений и уменьшение вносимых искажений измеряемых полей.

Расположение электродов в вершинах и

в центре квадрата, плоскость которого перпендикулярна оси электродов, а диагонали ориентированы вертикально и горизонтально, позволяет измерять вертикальную и го0 ризонтальную компоненты напряженности электрического поля, создать симметричную относительно оси пятого электрода конструкцию, обеспечив возможность применения формул (1) и (2), и тем самым

5 повысить помехозащищенность и компенсацию синфазных помех.

Согласование электродов между собой позволяет исключить переходный процесс в электродах с отражениями от их концов и

0 излучением при измерении быстроперемен- ных полей.

Включением согласующих резисторов между электродами как вдоль диагоналей, так и вдоль сторон квадрата достигается

5 улучшение согласования снижением индуктивности и большим пространственным распределением резисторов, что в результате служит повышению точности измерений.

0 Соединение всех электродов со стороны согласующих резисторов с выводами для подключения передающих линий позволяет использовать для измерений сигналы со всех электродов, применять формулы (1) и (2)

5 и компенсировать синфазные помехи.

Размещение электродов преобразователя в направлении распространения электромагнитной энергии открытыми концами к источнику позволяет практически в 4 раза

0 уменьшить габаритные размеры преобразователя, тем самым уменьшить искажения, возникающие при внесении преобразователя в измеряемое поле. Очень важным при этом является то, что в отличие от известных

5 измерительных преобразователей диполь- ного типа электроды предлагаемого преобразователя располагаются не вдоль силовых линий измеряемого электрического поля, а перпендикулярно этим линиям. Вви0 ду значительно меньших поперечных размеров электродов по сравнению с продольными (на два и более порядка), таким размещением электродов достигается многократное уменьшение влияния преоб5 разователя на структуру измеряемых полей и повышение точности измерений. В известных преобразователях дипольного типа электроды антенн практически закорачивают (шунтируют) часть пространства, попадающую в область их расположения. При этом.

эта область имеет размеры значительно больше, чем размеры предлагаемого преобразователя.

Реализация схемы измерений с использованием формул (1) и (2) позволяет повысить точность измерений и помехозащищенность результатов путем компенсации синфазных помех при вычитании сигналов. При этом передающие линии должны быть одинаковой длины и иметь идентичные параметры.

На чертеже представлен измерительный преобразователь плоских поляризованных электромагнитных полей, общий вид.

Измерительный преобразователь, содержит пять электродов 1-11-5, восемь

согласующих резисторов 2-12-8, пять

выводов 3-1,. ,3-5, для подключения передающих линий.

Устройство работает следующим образом.

Измерительный преобразователь располагается вдоль направления распростца- нения электромагнитной энергии (вектор Р),

открытыми концами электродов 1-11-5 в

сторону источника электромагнитной энергии (не показан). В этом случае плоскость расположения компонент век ора напря- женности электрического поля Ёв и tEr будет перпендикулярна осям электродов 1-1,...,1- 5. При этом электроды 1-11-5, расположенные на диагоналях, попадают в точки пространства, электрические потенциалы которых отличаются на величину, равную произведению соответствующей компоненты напряженности Еп или Ег на расстояние между электродами. Наводимые при этом

в электродах 1-11-5 токи и напряжения

не претерпевают многократных отражений вследствие согласования электродов резисторами 2-12-8. Это исключает излучение связанной с наводимыми токами и напряжениями электромагнитной энергии измерительным преобразователем и вследствие этого повышает точность измерений.

Снимая наводимые на электродах 111-5 разности потенциалов с выводов

3-13-5 через передающие линии (не показаны) и осуществив операцию вычитания по формулам (1) и (2) соответствующих сигналов, например, с помощью дифференциального усилителя осциллографа,получим и измерим на его экране сигналы, пропорциональные вертикальной и горизонтальной компонентам напряженности электрического поля. Изменение этих величин во времени соответствует законам изменения во времени вертикальной и . - ризонтальиой

компонент вектора напряженности электрического поля. Для измерения полного вектора напряженности могут быть применены известные устройства, такие как квадратор,

сумматор и блок извлечения квадратного корня.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого измерительного преобразователя плоских поляризованных электромагнитных полей обеспечивается повышением точности измерений, возможностью одновременного измерения вертикальной и горизонтальной компонент напряженности электрической составляющей, снижением стоимости и сложности изготовления, а также упрощением процесса измерений и эксплуатации измеритель юг о преобразователя. Повышение точности измерений достигается путем уменьшения габаритных размеров преобразователя, компенсации синфазных помех, уменьшения вносимых искажений размещением электродов перпендикулярно плоскости вектора напряженности электрической составляющей поля и согласованием электродов резисторами.

Формула изобретения Измерительный преобразователь электромагнитных полей, включающий зонд, который содержит пять цилиндрических электродов, центры одного из концов которых являются выходными клеммами для подключения соответствующих линий передачи, причем выходные клеммы с первого по четвертый цилиндрических электродов расположены в вершинах квадрата, плоскость которого перпендикулярна пятому цилиндрическому электроду, выходная клемма которого расположена на равном расстоянии от выходных клемм других цилиндрических электродов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и помехозащищенности при приеме плоских поляризованных изменяющихся электромагнитных полей, цилиндрические электроды, с первого по четвертый, расположены параллельно пятому цилиндрическому электроду, плоскость выходной клеммы которого совмещена с плоскостью квадрата, в котором риасположены выходные клеммы других цилиндрических электродов, выходные клеммы цилиндрических электродов, с первого по четвертый, соединены последовательно

через введенные резисторы соответственно с первого по четвертый, и соединены с пятым цилиндрическим электродом через ове- денные резисторы соответственно, с пятого по восьмой, причем направление осей ци- линдрических злек родов и лапракление

одной из двух осей, которые образованы диагоналями квадрата, в вершинах которого установлены выходные клеммы цилиндрических электродов, установлено

совпадающим, соответственно, с направлением прихода, плоскостью поляризации преобразуемого электромагнитного поля.

Использование: в области измерений вертикальной и горизонтальной компонент напряженности электрической составляющей плоских, различно поляризованных электромагнитных полей Сущность изобретения, преобразователь включает пять цилиндрических электродов 1-1 1-5, восемь согласующих резисторов 2-1 2-0, пять выводов 3-1...3-5 для подключения передающих линий. Особенностью изобретения является введение резисторов и установление направления осей всех цилиндрических электродов совпадающим с направлением прихода исследуемого поля, что позволило повысить помехозащищенность и точность измерений при приеме плоских, поляризованных изменяющихся электромагнитных полей. 1 ил.

J-J

3-1

/-/