Способ измерения напряженности электромагнитного поля Советский патент 1992 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к измерениям параметров электромагнитного поля (ЭМП), а конкретно - к измерению напряженности электрических и магнитных полей в широких частотном, динамическом и температурном диапазонах при оценке биологической опасности электромагнитных излучений и пространственном обследовании интенсив-, ности излучений мощных высокочастотных (ВЧ) установок

Известен из статьи Electric Field Probes - A Review H.Bassen et al (IEEE Trans, on Antennas and Propagation, vol. AP- 31, N5, Sep. 1983, pp. 710-718 способ измерения напряженности электрического поля, включающий возбуждение дипольной антенны электрическим полем, детектирование индуцированного сигнала, фильтрацию.

передачу постоянного тока по резистивным линиям связи и его измерение индикаторным устройством, входное сопротивление Rm которого много больше дифференциального сопротивления RJ детекторного диода.

Требование RJ Rm(1)

обеспечивает независимость показаний измерителя от температуры окружающей среды.

Недостатком данного способа измерения является ограниченность частотного, динамического, а также температурного диапазона, т.к. для получения равномерной частотной характеристики в области низких частот (10С-106 Гц) дифференциальное сопротивление диода должно быть достаточно большим (болеэ 1 МОм), а в широком температурном диапазоне оно может изменяться

XJ N hO 00 00

на несколько порядков. Так, для обеспечения независимости отклика зонда от частоты и температуры в области частот свыше 105 Гц и в диапазоне температур.от минус 10 до плюс 50°С необходимо использовать индикатор с входным сопротивлением более 1010 Ом, что технически трудно осуществимо. Динамический диапазон данного способа не превышает 20-30 дБ.

Известен также способ измерения напряженности ЭМП, описанный в патенте ПНР № 98046, 31.08.78 г., включающий возбуждение приемной антенны ЭМП, детекти- рование индуцированного сигнала, фильтрацию и усиление продетектирован- ного сигнала и передачу его через полупроводящие линии связи иа разностный усилитель с большим входным сопротивлением, питаемым из астабильного источника тока, и измерение постоянного тока индикаторным устройством, соединенным через линейный усилитель с выходом разностного усилителя,

Применение астабильного источника тока, оснащенного компенсирующим детектором с температурной характеристикой, идентичной температурной характеристике детектора измерительной антенны, снижает погрешность измерения от температуры окружающей среды.

Однако в указанном способе измерения напряженности ЭМП не исключается погрешность измерения, обусловленная неидентичностью температурных характеристик компенсирующего детектора и детектора измерительной ант ,нны и неизбежной разницей их температур. Кроме того, измеритель, реализующий данный способ, обладает малыми динамическим и частотным диапазонами.

Известен способ измерения напряженности ЭМП, используемый в измерителе, разработанном в Национальном Бюро Стандартов (США) и описанный в статье Near-Zone electric field-strenth meter (the Electronic Engineer, April 1967, N 4), включающий возбуждение приемной антенны электромагнитным полем, усиление высокочастотного напряжения при помощи усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, детектирование сигнала при помощи первого диодного детектора, передачу постоянного напряжения по резистив- ным линиям связи и измерение его индикаюрным устройством, а также калибровку измерителя, во время которой вход усилителя отключают от приемной антенны и подключают через фиксированный аттенюатор к генератору высокочастотных колебаний, настроенному на частоту измеряемого поля, напряжение с выхода генератора детектируют при помощи второго диодного детектора. При помощи переключателя, соединяющего выходы детекторов с

резистивной линией, сравнивают напряжения на выходах первого и второго детекторов и, регулируя коэффициент усиления усилителя, добиваются равенства этих напряжений.

Способ позволяет исключить временную и температурную нестабильность усилителя высокочастотного сигнала, коэффициент усиления которого поддерживается благодаря калибровке равным обратному

значению коэффициента передачи фиксированного аттенюатора. При этом нестабильность уровня высокочастотного генератора практически не влияет на результат измерений, что делает возможным его техническую

реализацию по сравнительно простой схеме. Последнее обстоятельство особенно важно, т.к. все устройства, используемые при калибровке, а также источники для их питания с целью исключения влияния на

измеряемое поле встроены внутрь приемного диполя. Однако при измерении по данному способу сохраняется погрешность, связанная с температурной нестабильностью детекторных диодов и неидентичностью их характеристик. Кроме этого, данный способ является узкополосным и не может использоваться для измерения полей со сложным спектром и определения средне- квадратических значений напряженности

этих полей. Необходимо также отметить, что все способы измерения напряженности ЭМП, использующие активные схемы, встроенные в приемную антенну, технически не реализуемы для частот, превышающих несколько десятков мегагерц.

Наиболее близок к предлагаемому способ измерения напряженности поля, описанный в книге Р.Кинга и Г.Смита Антенны

в материальных средах, с. 217-226 (пер. с англ.)/ Под ред. д-ра техн. наук В.Б.Штейн- шлейгера, г. .- М.: Мир, 1984), включающий возбуждение исследуемым электромагнитным полем, измерение величины постоянного тока на выходе приемного преобразователя приемной антенны с помощью индикатора и вычисление напряженности электромагнитного поля, передачу постоянного тока по резистивным

линиям связи, измерение тока индикаторным устройством и вычисление напряженности ЭМП.

Эквивалентная схема устройства, реализующего данный способ, приведена на с. 217 в книге Р.Кинга и Г.Смита Антенны....

Недостатком данного способа измерения напряженности тока является большая температурная погрешность, обусловленная зависимостью л : ференциального сопротивления RJ детекторного диода от температуры, а также небольшой динамический диапазон и ограниченность частотного диапазона в области низких частот.

Цель изобретения - повышение точности измерения, расширение динамического диапазона частот

Поставленная цель достигается тем. что в известном способе измерения электромагнитного поля приемной антенны, заключающемся в измерении величины постоянного тока на выходе приемного преобразователя приемной антенны с помощью индикатора и вычислении напряженности электромагнитного поля, дополнительно измеряют величину постоянного тока на выходе приемного преобразователя в отсутствие электромагнитного поля при включении последовательно с приемным преобразователем и индикатором источника напряжения постоянного тока, а напряженность электромагнитного поля вычисляют путем решения уравнения

0

5

0

5

где 2Ri - сопротивление фильтра приемного преобразователя,

Сд - эквивалентная емкость приемной антенны, на которую умножают вычислительное значение напряженности электромагнитного поля.

Предлагаемый способ измерения напряженности ЭМП реализуется с помощью устройства, структурная схема которого изображена на чертеже.

Измеритель содержит дипольную антенну 1, выход которой подключен к детекторному диоду 2, нагруженному на фильтр 3 нижних частот, содержащий последовательно соединенные два одинаковых резистора 1 и конденсатор, который через резистив- ные линии 4 связи соединен с индикаторным устройством 6. Кроме того, измеритель содержит управляемый эталонный источник напряжения постоянного тока, подключаемый последовательно с детектором и индикатором в отсутствие поля и отключаемый при измерении напряженности поля. Величина поля, протекающего через детекторный диод, в условиях отсутствия поля, которое регистрируется индикаторным устройством, определяется по формуле:

Использование: исследование интенсивности излучений мощных высокочастотных установок в широких частотном, динамическом и температурном диапазонах при оценке их биологической опасности. Сущность изобретения: способ измерения напряженности электромагнитного поля (НЭП) включает измерение величины постоянного тока (ПТ) на выходе приемного преобразователя (ПП) приемной антенны. возбуждаемой исследуемым НЭП, и величины ПТ на выходе ПП при отсутствии НЭП и включении последовательно с ПП и индикатором источника напряжения ПТ, делят lo на IK и определяют значение НЭП по соответствующей расчетной формуле. Корректировку значений НЭП по частоте осуществляют путем умножения полученных значений НЭП на коэффициент частотной корректировки, который определяют по расчетной зависимости. 2 з.п. ф-лы., 1 ил.

I «loRo

(i + aUK -j -aloRo)e

(н) ,

где Е(н) - напряженность электромагнитного поля;

О. - коэффициент, характеризующий вольтмерную зависимость диода приемного преобразователя;

RO суммарное сопротивление фильтра, резистивных линий связи и приемного преобразователя и индикатора;

Кд - коэффициент, характеризующий чувствительность приемной антенны;

То - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка;

lo - ток, измеренный при воздействии поля на антенну;

IK ток, измеренный в отсутствие электромагнитного поля при подключении источника напряжения постоянного тока;

UK - напряжение источника напряжения постоянного тока.

Кроме того, с целью расширения диапазона измерений, дсюлнительно определяют коэффициент частотной коррекции по формуле:

a

И3,

2R, Ук-Зк

Т

п

тт2.лг

4Я

-А 2

30

35

40

45

иа

RJ+RO

(4)

где иэ - напряжение эталонного источника постоянного тока.

Чтобы нелинейность диода не влияла на справедливость выражения (4), U3 должно

быть много меньше - - ( -температурный потенциал).

Затем измеритель помещают в исследуемое поле. Ток, регистрируемый при этом индикаторным устройством, определяется из выражения, взятого из ф.4 13а на с. 221 кн. Р.Кинга и Г.Смита Антенны. Затем делят величину тока,

lo

gVf

4 ( Rj + Rs + Ro )

(5)

измеренного при воздействии поля, на величину тока, измеренного ранее, т.е. IK. Для достаточно высоких частот (f fo)Vj КдЕ(н),

Отсюда, а также из выражений (4) и (5) получаем

lp к

тЛ

(6)

(3)

т.е. полученное отношение

lo

пропорционально квадрату напряженности измерявмого поля и не зависит от дифференциального сопротивление диода (Rj) Тэким обра зом, в данном способе погрешность измерений из-за влияния температуры определяется лишь температурной зависимостью ее и при нижней рабочей температуре - 10°С составляет

б -МЈ

Его ( Ню )

,47дб.

Для доказательства положительного эффекта определим погрешность прототипа, обусловленную влиянием температуры.

Для конкретного измерителя, приведенного на ,. 225 книги Р.Кинга и Г.Смита,

Ro 2Ri Re + Ни 2,1 МОм,

(Ri 50 кОм, Re 1 МОм, Rrn 1 МОм).

Для обеспечения плоской частотной характеристики IB диапазоне от 100 кГц и выше дифференциальное сопротивление должно быть не менее 0,5 МОм. При рабочей температуре - 10°С получаем следующее значение теплового гокя

пД г

lj(T)ij(To)

lj(To))

. , соответственно, R(T) 50, RjfTo)1 j МОм В этом случае погрешность измерителя, обусловленная влиянием температуры,

6 W aJZn}lMl°±±b IU g a(T0)Rj(T) + Rc ,7 дБ,

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет снизить погрешность из-за влияния температуры приблизительно в 20 раз по сравнению с прототипом. Для расширения динамического диапазона необходимо решить трансце- дентное уравнение для определения напряженности поля. С этой целью выразим RJ из уравнения (4) и подставим в соответствующее уравнение, а также заменим Vo IoRo и Vj К д Е(Н). Пгзп этом получаем следующее уравнение

(1 + а иэ- - - - a ioRo) e -МаКдЕН

a to Ro

(10)

0

5

0

5

Подставив в это уравнение известные

значения lo и --, можно определить напряи

женность электрического(Е) или магнитного (Н) поля. Для решения этого уравнения можно использовать встроенный в индикаторное устройство микропроцессорный вычитатель.

Динамический диапазон измерителя по данному способу ограничивается возможностями вычислительного устройства, требованиями по быстродействию прибора и динамическим диапазоном индикаторного устройства. Технически вполне осуществимо при помощи данного способа расширить динамический диапазон измерителя напряженности поля до 50-60 дБ, что на 20-30 дБ лучше, чем в прототипе.

С целью расширения рабочего диапазона частот значение напряженности ЭМП, измеренное способом по п.1, умножают на коэффициент частотной коррекции Kf, величину которого определяют по результатам предыдущих измерений.

Напряжение, индуцируемое полем в приемной антенне, определяется выражением

30

V, Кд

1 + ( f0/f у

(11)

35

Для исключения частотной зависимости при измерении напряженности ЭМП, Kf должно иметь следующий вид:

Kf

(12)

40

где f0

Rj +2 Ri 4yrRj Ri CA

45

Произведем подстановку, используя уравнение (-4). При этом окончательное выражение для Кг запишется следующим образом:

(13)

Нижпяя граничная частота устройства,

реализующего данный способ, зависит от

допустимого спада чувствительности на

нижних частотах. При допустимом спаде

чувствительности 20 дБ нижняя граничная

частота измерителя, реализующего способ,

в 10 раз ниже, чем в прототипе,

Формула изобретения Способ измерения напряженности электромагнитного поля; включающий возбуждение исследуемым электромагнитным

полем приемной антенны, измерение величины постоянного тока 0 на выходе приемного преобразователя приемной антенны с помощью индикатора, и вычисление напряженности электромагнитного поля, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения динамического диапазона, дополнительно измеряют величину постоянного тока 1К на выходе приемного преобразователя в отсутствии электромагнитного поля при включении последовательно с приемным преобразователем и индикатором источника напряжения UK постоянного тока, вычисление напряженности электромагнитного поля проводят путем решения уравнения

Ina oRo

(1+«UK y--aloRo)e

1о огКАЕ(н},

где Е(Н)- напряженность электромагнитного поля;

а - коэффициент, характеризующий вопьт-амперную зависимость диода приемного преобразователя;

RO - суммарное соп ротивление фильтра, резистивных линий связи приемного преобразователя и индикатора;

Кд - коэффициент, характеризующий чувствительность приемной антенны;

1о...- модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.

КхП

14М , J

UR. иэ-3кк.

4174СН4

где 2Ri-сопротивление фильтра приемного преобразователя;

Сд - эквивалентная емкость приемной антенны,

на который умножают вычисленное значение напряженности электромагнитного поля.