автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Методы построения помехоустойчивых средствизмерений полей электромагнитной группыплавсредств, узлов и агрегатов

Л гг t\J\

Научно-исследовательский институт Электроизмерительных приборов

Методы построения помехоустойчивых средств измерений полей электромагнитной группы плавсредств, узлов и агрегатов

Специальность 05.11.05 - Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин

Диссертация

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Для служебного пользования Экз. N OOg Инв. N 2 ^Ь

На правах рукописи

Обоишев Юрий Павлович

Санкт-Петербург - 1999

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки техники КолтикЕ.Д.

доктор технических наук, профессор Кочанов Э.С.

доктор технических наук, старший научный сотрудник Скрынников Р.Г.

Ведущая организация -1ЦШШ МО РФ

Защита состоится часс

на заседании диссертационногосовета Д 063.38.11 С.-Петербургско1 государственного технического университета по адресу 19525 С.-Петербург, Политехническая ул., 29

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библис теке С.-Петербургского государственного технического университета

Диссертация в виде научного доклада разослана

Аажьо Г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Лё^ МальгхинаГ.Ф

ВВЕДЕНИЕ

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

БИБЛИОТЕКА _2000

Актуальность работы.

Повышение чувствительности и точности неконтактного оружия и сис-ем обнаружения приводит к необходимости совершенствования способов и редств защиты плавсредств,* что, в первую очередь, связано с уменынени-м их физических полей.

Это предполагает совершенствование существующих и создание новых редств измерений величин физических полей плавсредств, удовлетворяю-цих предъявляемым требованиям в части помехоустойчивости, точности, юрога чувствительности и полосе частот измеряемых величин.

Среди физических полей плавсредств по-прежнему повышенное внима-[ие, наряду с гидроакустическим полем (ГАП), уделяется полям электромаг-итной группы (ЭМГ) - электрическому и магнитному (постоянному и перегенному). Очевидные'достижения по снижению гидроакустического поля ювышают значимость работ но снижению полей ЭМГ.

Использование у нас и за рубежом специальных конструктивных решети, в частности немагнитных материалов для корпусов в сочетании с раз-гагничивающими устройствами,привели к относительному увеличению дои переменных магнитных полей, создаваемых работой электрооборудова-:ия, пульсациями токов в обмотках размагничивающих устройств, вращени-м ферромагнитных деталей и другими причинами. Тем не менее, вопрос о оздании средств измерений (СИ) величин постоянных магнитных полей ос-ается актуальным наряду с СИ величин переменных магнитных полей и по-енциала электрического поля [1, 2]. (В дальнейшем для сокращения слово величин" в ряде случаев может быть опущено).

Применение "прозрачных для магнитного поля" корпусов увеличивает еобходимость измерений магнитных полей отдельных узлов и агрегатов.

Комплекс задач измерений полей ЭМГ распадается на две основные руппы:

. Измерения суммарных электрического и магнитного (постоянного и переменного раздельно) полей плавсредств на определенном расстоянии (и глубине) и использование полученных результатов для дальнейших расчетов обобщенных характеристик и пересчета на другие расстояния (глубины).

. Измерения магнитного поля (постоянного и переменного) отдельных узлов и механизмов, как с целью определения их магнитной совместимости, так и с целью выявления конкретных источников полей, и разработки методов уменьшения и компенсации этих полей.

Две группы задач, наличие которых определяется различными условия-и, предусматривает и наличие двух групп средств измерений.

*под плавсредствами понимаются надводные корабли и подцоДныс ло£кй:В5е1шс> орского флота и суда торгового флота [Ткаченко Б.А. История ^азмагни^ЫМ^ корк)- ) ;й Советского Военно-морского флота.-Л.; Наука, 1981]. V т о ■"акия^-^Л

Для первой группы характерны практически одновременные измерения в нескольких (до нескольких десятков) точках трех (или одной вертикальной) компонент (составляющих) вектора магнитной индукции (МИ) постоянного (от десятых долей нанотесла до нескольких десятков микротесла) и переменного (от сотых долей пикотесла до единиц микротесла частотой от 0,5 - 1 Гц до нескольких килогерц) магнитного поля (МП) и потенциала (от единиц микровольт до сотен милливольт) электрического поля плавсредства с помощью первичных преобразователей (датчиков), размещенных под водой или в воздухе (в воздухе только для магнитного поля), при движении плавсредства или на "стопе".

Размеры датчиков ограничены, как правило, эксплуатационными характеристиками и особенностями повышения их помехоустойчивости от ряда влияющих величин.

Для второй группы (а здесь, в настоящее время, может идти речь только об измерениях МИ постоянного и переменного МП) необходимы измерения (от десятков нанотесла до нескольких тесла) достоянного (абсолютного и относительного - поля объекта) и переменного в широком диапазоне частот (от 20 Гц до несколько сотен килогерц) МП.

Погрешность при измерениях магнитных полей рассеивания: постоянных 1-5 %, переменных 5-10 %, полей в зазорах 1-2 %.

Для достижения необходимых метрологических характеристик (амплитудного и частотного диапазонов, погрешности) в реальных условиях эксплуатации СИ независимо от их принадлежности к первой или второй группе необходимо уменьшение влияния внешних постоянного (в том числе магнитного поля Земли - МПЗ) и переменного МП, электрического поля, собственных характеристик датчиков; для СИ первой группы дополнительно необходимо уменьшить влияние ГАП, качки; а для СИ второй группы - проводящих масс и неравномерности измеряемых величин. Последнее, а также необходимость измерений МИ в зазорах и рабочих объемах предопределяет ограничение размеров датчиков до 10-30 мм3 (в том числе толщины до 1 мм).

Об актуальности вопросов измерений физических полей плавсредств свидетельствует, в частности, не только значительное (до нескольких десятков) количество стационарных СИ в Европе, но и проводимые международные научно-технические конференции, например в 1995, 1997, 1998 гг. (гг. Канны, Лондон, С-Петербург).

Необходимость в измерениях МП существует не только в интересах флота, но и во многих других отраслях науки и техники, в частности, при проведении геофизических и космических исследований, при разработке блоков и узлов электро - и радиотехнической аппаратуры, определении электромагнитной совместимости при компоновке аппаратуры, в рабочих объемах и зазорах магнитных систем и механизмов, в том числе криомашин, с целью разработки оптимальных конструкций.

Уменьшение нижнего значения измеряемых величин, расширение их частотного диапазона и возрастание интенсивности влияющих величин (в

частности внешних магнитных полей) усугубляет проблему повышения помехоустойчивости СИ полей ЭМГ. Цель работы.

Совершенствование существующих и разработка новых методов и средств повышения помехоустойчивости СИ полей ЭМГ, расширение их амплитудного и частотного диапазонов и разработка на основе этого комплекса помехоустойчивых, удовлетворяющих современным требованиям СИ полей ЭМГ плавсредств, их узлов и агрегатов, полей рассеивания и полей в рабочих объемах и зазорах электрооборудования и метрологического оборудования для этих СИ. Основные задачи:

1. Исследование физической сущности влияния помех и разработка связей между характеристиками СИ и помехами, их вызывающими.

2. Дальнейшее развитие теоретических основ повышения помехоустойчивости СИ при снижении их порога чувствительности, расширении частотного и амплитудного диапазонов.

3. Разработка и исследование новых методов и структурных схем повышения помехоустойчивости и расширения амплитудного и частотного диапазонов СИ полей ЭМГ.

4. Разработка принципов рационального построения СИ, методов их расчета и проектирования.

5. Разработка на основе результатов решения указанных задач и внедрение новых моделей СИ, удовлетворяющих современным требованиям. Учитывая актуальность и важность решаемых проблем, работы по созданию средств измерений полей электромагнитной группы проводились и проводятся во ВНЙИЭП (и в АООТ "НИИ Электромера", являющемся правопреемником ВНИИЭП) в соответствии с постановлениями СМ СССР N 10-4 от 08.01.68, N 130-49 от 16.02.73, решениями Комиссии Президиума СМ СССР по военно-промышленным вопросам (И 145 от 29.05.74, N 234 от 03.08.79); по выполнению программы 0.14.02. "Создать новые виды электротехнического оборудования с использованием явления сверхпроводимости" - постановления ГК СМ СССР по науке и технике N 450 от 15.12.76 и N 492/245/164 от 08.12.81; по выполнению программы "Комплексная межотраслевая программа метрологического обеспечения магнитных измерений" на 1981-1985 гг., утвержденной Госстандартом СССР от 03.11.82., а также в рамках Государственных оборонных заказов,

Состояние вопроса.

Разработка промышленных СИ полей ЭМГ плавсредств и проработка вопросов, связанных с повышением помехоустойчивости СИ, начались практически с 1948 г.. Повышение требований по защищенности плавсредств, связанных со снижением порога чувствительности неконтактного оружия, с повышением возможностей систем обнаружения, привело к созданию про-

мышленных СИ, удовлетворяющих поставленным на соответствующий период времени требованиям.

Для СИ МИ постоянного МП нижнее значение составляло 5 — 100 нТл в зависимости от назначения СИ (стационарное или корабельное). Для СИ величин переменных в диапазоне частот 1 - 5000 Гц МП - 3 нТл'Тц.

Средств измерений полей рассеивания до начала 70-х годов отечественная промышленность не выпускала.

За рубежом изготавливались СИ для измерения сильных (от 0,1 мТл и выше) и слабых (от 2х 10"9 до 10"4 Тл) МП. Заводом "Электроизмеритель" в 70-х гг. был налажен серийный выпуск нескольких моделей СИ МИ сильных (от 2 мТл и выше) постоянных МП и предназначенных, в основном, для измерений в зазорах магнитных систем и вблизи постоянных магнитов. Для измерений МИ от 10'4 до 0,1 Тл в частотном диапазоне от 45 до 1000 Гц завод "Электроизмеритель" выпускал миллитесламетры Ф4356, 43205. Ряд предприятий разрабатывал и изготавливал СИ для собственных нужд.

В развитии СИ полей ЭМГ многое сделано коллективами: ВНИИЭП (в настоящее время АООТ "НИИ Электромера"), ЛПО "Вибратор", ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, НПО "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" и его Екатеринбургским филиалом, НПО "Меридиан", ИЭ АН Украины, завода "Электроизмеритель", ВНИИФТРИ и др.

Среди отечественных специалистов следует отметить работы: Г.В. Аб-рамзона, Ю.В. Афанасьева, Р.Я. Беркмана, И.П. Гринберга, Г.С. Горелика, А.Н. Грачева, С.П1. Долгинова, В.И. Дрожжиной, Е.Ф. Зимина, Л.К. Исаева, Г.И. Кавалерова, H.H. Калачевского, Е.Д. Колтика, Б.М. Кондратенко, Э.С. Кочанова, В.А. Кузнецова, Ю.М. Логунова, Л.Я. Мизюка, В.В. Ореш-никова, В.В. Панина, Ю.Ф. Пономарева, А.Я. Ротштейна, М.А. Розенблата, Н.М. Семенова, С.А. Скородумова, Р.Г. Скрынникова, Г.В. Соколова, H.A. Сонькина, С.А. Спектора, Э.С. Струнского, Н.В. Студенцова, С.Г. Та-ранова, Ю.В. Тарбеева, И.С.Троянского, А.И. Федорова, И.В. Чеблокова, В .Я. Шифрина, А.П. Щелкина, Г.К. Яголы, Р.И. Януса, Н.И. Яковлева и др.

Успешно ведут работы по созданию СИ полей ЭМГ многие зарубежные фирмы, например, Institute DR Forster, Walker Magnetemetrics, Walker Scientific Inc, Schönstedt Instrument, Ziess, Torn EMI Elektronics, Fiecars, Dowty и др.

В результате работ многих научно-исследовательских коллективов разработаны основы методов построения помехоустойчивых СИ полей ЭМГ, предложено много вариантов конструктивного и схемного решений, реализующих эти методы. Промышленность освоила производство ряда моделей СИ. Однако, несмотря на большие успехи в развитии теории и техники, связанные с повышением помехоустойчивости, состояние этой проблемы не всегда соответствует требованиям, предъявляемым к современным СИ.

Увеличение энергонасыщенности в районах расположения разработанных в 60-х г.г. и принятых на эксплуатацию в основном в 60 - 70- х г г. стационарных СИ на, так называемых, контрольно-измерительных магнитных

танциях (КИМС) и контрольно-измерительных магнитных и электрических танциях (КИМЭС) привело к фактическому увеличению их порога увствительности, возросли требования к метрологическим характеристикам в частности, к амплитудному и частотному диапазонам, к погрешности) СИ в еальных условиях эксплуатации.

Уменьшение размеров и увеличение плотности компоновки исследуемой ппаратуры, увеличение ее чувствительности и точности привели к необхо-;имости разработки новых средств измерений МИ МП рассеивания. Возник-:а потребность в СИ с более широкими амплитудным и частотным диапа-онами измеряемой величины, работающих в условиях многих влияющих жзических величин.

Все это привело к необходимости совершенствования и разработки говых методов повышения помехоустойчивости СИ и расширения их мплитудного и частотного диапазонов.

В области исследований и создания СИ полей ЭМГ автор начал работать ; 1963 г. во ВНИИЭП. При непосредственном участии и руководстве автора >ыло выполнено 25 плановых научно-исследовательских и опытио-:онструкторских работ. Научная новизна.

. Предложена и проведена систематизация влияющих величин, в том числе вновь выявленных, в средствах измерений магнитной индукции постоянного и переменного магнитных полей.

Изучено влияние помех: между значениями погрешностей и помехами, их вызывающими, получены расчетные соотношения, на основе которых предложены методы и средства, приводящие к уменьшению влияния помех (повышению помехоустойчивости), к снижению порога чувствительности средств измерений в реальных условиях эксплуатации. >. Предложен и теоретически обоснован новый метод одновременного и независимого друг от друга расширения частотного диапазона и снижения порога чувствительности средств измерений с индукционными преобразователями (ИП) путем суммирования сигналов с их секций; метод позволяет разрешить противоречия между расширением частотного диапазона и снижением порога чувствительности средств измерений магнитной индукции с ИП. Разработаны теоретические основы построения широкополосных средств измерений с многосекционными индукционными преобразователями со слабой магнитной связью между секциями. \. Разработана методика расчета многосекционных индукционных преобразователей при работе секций в общем частотном диапазоне и в разных частотных поддиапазонах. Полученные выражения доведены до практической применимости. На основе проведенных теоретических исследований предложены конкретные структуры широкополосных средств измерений и конструкции индукционных преобразователей. Проведены исследования методов расширения амплитудного диапазона средств измерений с ферромодуляционными преобразователями (ФМП),

на основе которых предложены конкретные решения проблемы перекрытия диапазона измеряемых значений магнитной индукции средствами измерений с ФМП (без увеличения размеров ФМП) и средствами измерений с преобразователями Холла; разработаны теоретические основы использования эффекта взаимодействия полуэлементов дифференциального ФМП для расширения его диапазона линейности (амплитудного диапазона).

6. Рассмотрены и систематизированы, в том числе вновь разработанные методы уменьшения влияния внешнего постоянного магнитного поля в средствах измерений магнитной индукции постоянного и переменного магнитных полей.

7. Предложены и разработаны методы повышения помехоустойчивости средств измерений с преобразователями Холла (ПХ) и ферромодуля-ционными к помехам промышленной частоты и ее гармоник; к помехам частоты возбуждения (управления) ферромодуляционными преобразователями.

8. Рассмотрено влияние физических величин (помех) иной природы (качки, электрического поля, гидроакустического поля, ферромагнитных масс) и предложены методы повышения помехоустойчивости средств измерений к этим помехам.

9. Проведены исследования полосы пропускания средств измерений с ферромодуляционными преобразователями и теоретически обоснована возможность и целесообразность создания средств измерений переменной магнитной индукции с комбинированным датчиком (ФМП и ИП). Предложены конкретные решения.

10. Исследованы изменения внешнего электрического поля моря и предложен метод уменьшения этого влияния в средствах измерений потенциата электрического поля плавсредств.

Практическая ценность.

На основе проведенных исследований и разработанных методов созданы

помехоустойчивые с широким амплитудным и частотным диапазонами

средства измерений полей ЭМГ для флота, машиностроительной, электрорадиотехнической и др. отраслей промышленности и науки. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследований и систематизации основных влияющих физических величин для специализированных средств измерений полей ЭМГ плавсредств и средств измерений магнитных полей узлов и агрегатов.

2. Результаты исследований, в том числе вновь разработанных методов и структур, повышения помехоустойчивости средств измерений полей электромагнитной группы к внешним постоянным и переменным магнитным полям, к другим физическим величинам (качке, электрическому полю, гидроакустическому полю, ферромагнитным массам).

3. Разработанные методы и структуры расширения амплитудного и частотного диапазонов средств измерений магнитной индукции.

к Результаты исследований, в том числе вновь разработанных методов и структур расширения амплитудного и частотного диапазонов средств измерений магнитной индукции. >. Теоретические основы построения широкополосных средств измерений магнитной индукции переменных магнитных полей на основе секционированных индукционных преобразователей (метод позволяет одновременно и независимо друг от друга расширять частотный диапазон и снижать порог, чувствительности); методика расчета секционированных индукционных преобразователей со слабой магнитной связью между секциями

5. Результаты исследований потенциала внешнего электрического поля моря и разработанный по результатам исследований метод повышения помехоустойчивости - метод уменьшения этого влияния в средствах измерений потенциала электрического поля объекта. Реализация работы.

Основные положения реализованы в ряде моделей средств измерений, разработанных при научно-техническом руководстве и непосредственном участии автора. Средства измерений прошли приемочные испытания (Государственные или Межведомственные), освоены в серийном производстве яли установлены на объектах и находятся в эксплуатации, или подготовлены к монтажу на объектах.

Общепромышленные средства измерений: магнитной индукции посто-шных (микротесламетр Г74М), постоянных и переменных (микротесламетр Г73), переменных (микротесламетры Г79, Г703), переменных в широком диапазоне температур (от 4,2 до 373 К) магнитных полей в зазорах машин и механизмов (тесламетр Г701).

Средства измерений специального назначения: маневренное переменного магнитного поля (измерительная система (ИС) ЦУ7002); стационарное постоянного магнитного поля (ИС ЦМ7001); стационарное потенциала постоянного электрического поля (ИС ЦУ7001).

Образцовые средства измерений: постоянного магнитного поля (установка У738М, индуктивные меры магнитной индукции Э737, Э738), переменного магнитного поля(установки У739, У750).

При разработке СИ Г73, Г74М, Г79, Г703, ЦУ7001 автор - главный конструктор; при разработке Г701- заместитель главного конструктора.

Часть положений реализовано в других средствах измерений: специального назначения (в стационарной ИС постоянного магнитного поля К715; в маневренных ИС переменного магнитного поля К721, К739, К751; в маневренной ИС потенциала постоянного электрического поля ЦУ7006); общепромышленных (тесламетре К749, микротесламетре Г74), где автор принимал непосредственное участие в работах по повышению помехоустойчивости, расширению амплитудного и частотного диапазонов указанных средств измерений либо при их разработке, либо при подготовке к проведению испытаний на объекте.

Все средства измерений соответствуют предъявляемым к ним требованиям. Средства измерений специального назначения по метрологическим характеристикам в реальных условиях эксплуатации, насколько это возможно установить, соответствуют зарубежным. Общепромышленные СИ в ряде случаев являются уникальными благодаря их метрологическим характеристикам. Микротесламетр Г74М - благодаря расширенному амплитудному диапазону (от 0,1 мкТл до 10 мТл) при относительно малой погрешности и незначительным размерам чувствительных элементов датчиков (как правило, амплитудный диапазон СИ с ФМП ограничен значением 100, редко 1000 мкТл). Микротесламетры Г79 и Г703 - благодаря широкому частотному диапазону (от 20 Гц до 20 кГц и от 20 Гц до 200 кГц, соответственно) при малых значениях погрешности, нижнего значения измеряемой МИ и размеров чувствительных элементов датчиков.

В настоящее время под руководством и при непосредственном участии автора (зам. гл. конструктора) проводятся работы по разработке уникальных по своим техническим характеристикам средств измерений магнитной индукции постоянных магнитных полей плавсредств: стационарного (ИС ЦУ7004), маневренного (ИС ЦУ7004-1), корабельного (ИС ЦУ7005), в которых широко используются методы межпроектного заимствования и унификации.

Апробация.

Большинство положений работы обсуждались на 1-й международной и 7-и Всесоюзных, Республиканских и Региональных научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях.

Разработки, проведенные под руководством и при непосредственном участии автора, экспонировались на ВДНХ СССР; автор награжден бронзовой медалью ВДНХ. За работы по созданию и внедрению средств измерений физических полей ЭМГ плавсредств автор награжден медалью "300 лет Российскому Флоту".

Публикации.

Содержание работы отражено в 91 печатной работе> из которых 3 монографии (в соавторстве), 37 авторских свидетельств на изобретение.

Личный вклад автора.

Разработка теоретических положений методов повышения помехоустойчивости средств измерений полей электромагнитной группы к постоянному и переменному магнитному и электрическому полям.

Основные положения классификаций и теоретические исследования методов расширения частотного и амплитудного диапазонов полей электромагнитной группы, в том числе разработка и исследование вновь предложенных: метода одновременного и независимого друг от друга расширения частотного диапазона и снижения порога чувствительности средств измерений величин переменных магнитных полей и метода расширения амплитудного диапазона без увеличения размеров датчиков (метода автоматической прерывистой компенсации измеряемой магнитной индукции).

Методика расчета и расчет влияния действующего на магнитоизмери-тельные преобразователи электрического поля и ферромагнитных масс, методика расчета индукционных преобразователей широкополосных средств измерений величин переменного магнитного поля.

I. ПОМЕХИ. ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ И ПРОЯВЛЕНИЯ В СРЕДСТВАХ ИЗМЕРЕНИЙ ПОЛЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

ГРУППЫ

Задачей настоящего раздела является исследование механизма влияния помех в зависимости от назначения и характеристик СИ полей ЭМГ.

Особенности влияния помех и методы повышения помехоустойчивости и улучшения основных метрологических и эксплуатационных характеристик рассмотрены в настоящей работе для СИ полей ЭМГ с наиболее распространенными магнитоизмерительными преобразователями (МИЛ) - первичными измерительными преобразователями магнитного поля: индукционными, ферромодуляционными, Холла и хлорсеребрянными электродами в качестве преобразователей потенциала электрического поля.

Средства измерений с перечисленными первичными преобразователями (датчиками) наиболее полно удовлетворяют не только поставленным в настоящее время требованиям Флота и промышленности, но и являются перспективными ввиду их несомненных преимуществ: необходимые значения коэффициентов преобразования и порога чувствительности; возможность измерений составляющих вектора измеряемой величины (в основном, это требуется для СИ магнитных полей); малая потребляемая мощность; надежность.

1.1. Помехи и их влияние в средствах измерении величин магнитных

полей

При рассмотрении (классификации) помех в СИ магнитной индукции МП использована общепринятая упрощенная схема таких СИ в виде последовательного соединения трех основных блоков: МИП, измерительной цепи (ИЦ), преобразующей выходной сигнал МИП в сигнал, удобный для восприятия или дальнейшего преобразования, и устройства представления информации (УПИ), причем, ввиду очевидности, основное влияние оказывают помехи, воздействующие на МИП и на вход ИЦ [3, 4]. Приведенные на рис.1 связи характеризуют непосредственное влияние рассматриваемых помех. Для ИЦ рассматриваются только специфические помехи, присущие СИ магнитного поля.

Конкретные зависимости между влияющими величинами и характеристиками СИ рассмотрены в соответствующих разделах работы.

Физические величины-помехи

Акустическое поле

Гравитационное _____поле

-

Тепловое Проводящие Магнитное

Собственные шумы МИПиИЦ

1_

Частота Рп и вид магнитного поля

Рп^у

Электрическое поле

Испытуемого объекта

Внешнее постоянное и инфразвуковое магнитное поле

Внешнее мапштное поле промышленной частоты и ее гармоник

Рассеивания МИП

Электромагнитные индукционные наводки из

цепей возбуждения (управления)

Воздействие на магаитоизмерительный преобразователь

разориентация магнитных осей изменение магнитных характеристик измените электрических характеристик изменение выходного напряжения

Воздействие на

измерительную цепь

изменение изменение

выходного коэффициента

напряжения преобразована

Погрешности

аддитивная мультипликативная

Рп, р„, fy - частота магнитного поля помехи, измеряемого и управления (возбуждения) магнитоязмерительного преобразователя

Рис. 1. Помехи и их влияние в средствах измерений величин магнитного поля

1.2. Помехи и их влияние в средствах измерений потенциала электрического поля

Из известных методов измерений электрического потенциала с использованием контактных (электродных) или интегральных датчиков, последние, исходя из их принципа действия, непригодны для измерений потенциала электрического поля плавсредства. При измерении потенциала электрического поля плавсредства, по крайней мере, один из датчиков (называемый условно, нулевым) должен находиться на достаточном удшхении от другого (рабочего), возле которого находится объект измерений. Для определения распределения потенциала перпендикулярно продольной оси плавсредства измерительных (рабочих) датчиков должно быть несколько.

Кроме потенциала электрического поля плавсредства между нулевым и рабочими датчиками возможно появление напряжений, обусловленных шумами и помехами. При правильно спроектированных СИ их порог чувствительности определяется помехами естественного и искусственного (промышленного) происхождения. Причины появления, характер и частотный спектр поля помехи различны и связаны как с гидрометеорологическими условиями, так и с режимом работы близ расположенных энергетических устройств (производящих и потребляющих электроэнергию).

Приведенные исследования позволяют в зависимости от назначения СИ и технических требований, предъявляемых к ним, определить физические величины, создающие помехи, и, установив допускаемое влияние каждой из них, выработать соответствующие мероприятия для повышения помехоустойчивости СИ.

2. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

2.1. Методы уменьшения влияния внешнего постоянного магнитного поля, действующего на магнитонзмерительные преобразователи

Средства измерений постоянного МП можно условно разделить на две группы: для измерений МИ общего МП, действующего на МИП, и для измерений МИ МП объекта на фоне внешнего магнитного поля (ВМП).

В первом случае ВМП является измеряемой величиной, а во втором - помехой, причем частота помехи и измеряемой величины практически совпадают. В частности это относится к СИ МИ постоянных и квазипостоянных МП плавсредств на фоне ВМП (МПЗ, МП промышленных помех и т.п.). В та-

ких СИ в качестве МИЛ, как правило, используются ферромодуляционные преобразователи (ФМП). Значение помехи не является неизменным (вариации МПЗ, изменение других ВМП) и уменьшение ее влияния нужно осуществлять непрерывно в процессе измерений. Для этого используется еще один ФМП, называемый компенсационным (ФМПХ) и располагаемый так, чтобы на него не оказывало влияние МП плавсредства, и в то же время так, чтобы ВМП, действующее на ФМП, измеряющие МП плавсредства (измерительные ФМП - ФМП„), и на ФМПК, было бы практически одинаковым. При неизменном значении ВМП или когда его изменениями можно пренебречь (например это имеет место при измерениях МП узлов и блоков радио- и электротехнической аппаратуры: реле, магнитов и т.п.) возможны и другие методы измерений, в частности, разделение во времени процесса компенсации ВМП к измерений МП объекта или на основе, так называемых, измерителей приращений [5, 6].

При ограниченном диапазоне линейности МИП влияние ВМП уменьшается путем его компенсации в объеме МИП. В тех случаях, когда суммарное значение полей измеряемого и помехи не превышает диапазона линейности МИП, может применяться компенсация сигнала, обусловленного ВМП, и в ИЦ (в том числе и на выходе ИЦ). Для СИ с ПХ, как правило, используется последнее.

Основные варианты построения СИ магнитной индукции МП плавсредств при непрерывном уменьшении влияния ВМП (В„) [7]:

-используется только сигнал компенсационного канала (КК) на входе (в объеме) ФМПЙ (вариант 1, рис. 2, сплошные линии с выхода КК) и на выходе измерительного канала (ИК), т.е. на входе устройства представления информации (вариант 2, рис. 2, пунктирные линии с выхода КК);

-используется дополнительный (один для всех ФМП, входящих в комплект СИ, или индивидуальный для каждого ФМП) источник компенсации постоянной составляющей ВМП (или сигнала, ею обусловленного), а сигнал компенсационного канала осуществляет компенсацию вариаций ВМП. В последнем случае возможны три модификации:

-компенсация постоянной составляющей ВМП и его вариаций осуществляется в объеме ФМП„ (вариант 3, рис. 3, сплошные линии с выхода КК);

-компенсация постоянной составляющей ВМП осуществляется в объеме ФМПВ, а вариаций ВМП на выходе ИЦ (на входе УПИ) измерительного канала (вариант 4, рис. 3, пунктирные линии с выхода КК);

-компенсация постоянной составляющей ВМП и его вариаций осуществляется на выходе ИЦ (на входе УПИ) измерительного канала (вариант 5, рис. 4).

При измерении МП плавсредств нужно обеспечить погрешность компенсации ВМП не более 0,1-0,3 нТл, что при значении ВМП равном 60 мкТл соответствует относительной погрешности компенсации (2-5)х 10 "б.

ИК

¡¡Ф\рГМщ}

Цц.к~Вп-В,.к и„к~в„-

В'кк

в»

кк

Д'.

Д'г

¡[ФМГк

/Ки.к'А^Вп -В„

-В'к.к/Кик

Рис. 2.

УПИ

Вп

ИК

|ФМПИ к^ад! ]вк, |в,

|Вк2 "

Уи к~Вп -Вк! -Вк

I-', * ~В„ -Вк1

I В'к*

кк

,ФМП,

3-в-

Л'-/Ки к-Лз—Вп-ВкгВк Л'^и ч" А.Г В;гИк:-Б\. к/Ки.к Рис. 3.

ИК

-в.

5 см,

Д'5/Ки.к-Л5-Вп -Н'К|/Кц к -В'кк^и.к

Рис. 4.

и„к - выходной сигнал ИК; СМ - сумматор; Л'ь Л'2, Д'з, ДЧ Д'5 - выходные сигналы СМ.

Рис. 2-4. Структурные схемы средств измерений при непрерывном уменьшении влияния внешнего магнитного поля

В реальных условиях измерительные и компенсационный каналы СИ МП шавсредств используются с глубокой обратной связью и в этом случае, счи-ая, что для каждого ФМП изменение постоянных его обмоток практически [е зависит от их назначения, приведенная к входу относительная (к ВМП -!п) погрешность компенсации в варианте 1 (при использовании одноступен-:атой компенсации от компенсационного канала)

Л1/В,, =Я,1= ук0 -ув - 82/А2 определяется изменением сигнала компенсации, е. разностью относительных изменений постоянных уко и ув обмотки об-атной связи ФМПК и обмотки ФМПИ, подключаемой к выходу КК, и 'к = 82 /Л2 - приведенного к глубине обратной связи А2 относительного изме-сния 82 коэффициента преобразования прямой цепи компенсационного ка-:ала.

Основной причиной изменений постоянной обмотки является изменение обственно ее размеров, обусловленных, в основном, изменениями темпера-уры, и даже при наличии каркаса из ультрафарфора составляет 1,5-1,6)х10'5 К"1 [4].

Без обратной связи реально обеспечить нестабильность коэффициента реобразования канала на уровне 0,01-0,001. При одинаковых технологии и емпературных условиях работы измерительного и компенсационного датчи-ов (ФМПИ и ФМПК) возможно уменьшение влияния изменений постоянных

обмоток не менее чем в 10 раз. Чтобы влияние относительного изменения коэффициента преобразования прямой цепи обеспечить хотя бы на уровне изменений постоянных обмоток, необходимо, при указанных выше условиях, иметь глубину обратной связи не менее 10 4 - 103. При использовании одноступенчатой от компенсационного канала компенсации по выходу (на входе УПИ) погрешность компенсации А2 /В„ =5] /А] -§2 /А2 + уко - у„о определяется разностью относительных изменений коэффициентов преобразования компенсационного и измерительного каналов, т.е. при работе каналов с обратной связью определяется разностью приведенных к глубине обратной связи (своего канала) относительных изменений коэффициентов преобразования прямых цепей ИК и КК и разностью относительных изменений постоянных обмоток ФМПК и ФМП„. Благодаря этому возможна компенсация их изменений и уменьшение погрешности по сравнению с вариантом 1 или уменьшение требований к глубине обратной связи.

При использовании двухступенчатой компенсации погрешность компенсации (варианты 3, 4,5)

Д3/ Вп=(а2-а1)+(Ук.к-7и.к)+(а.2+7е.к- 8п)х(52 /А2+ув- уко), Д4/Вп=(а2-а1)-ь(ук.к -уи.к)+(а2+ ук.к- 5П)х(б2/Аг-б, /А,+ уио- ук0), Д5/ Вп= (ага1)+(уш- у„о)+(5| 1Аг 52 /А2)+(а2+ ук.0-62 /А2- 5п)х х(52 /А2-81/А1+уио-гт).

Здесь а2, щ , укл, у„.к,ук 0, уи.0,61 , 82 , 6П - относительные изменения сигналов компенсации постоянной составляющей ВМП для ФМПК и ФМПИ, постоянных обмоток компенсации постоянной составляющей ВМП в ФМПК и ФМПИ, постоянных обмоток обратной связи ФМПК и ФМПИ, коэффициентов преобразования прямых цепей ИК и КК, ВМП, соответственно; А) и А2 - глубина обратной связи ИК и КК,соответственно.

Значение двух первых слагаемых при общем источнике сигналов компенсации постоянных составляющих ВМП и одинаковых технологии и температурных условиях работы ФМПК и ФМП„ в узком диапазоне температур (1-2) К может быть получено не хуже 10"б. В варианте 3 (компенсация по входу), чтобы практически исключить влияние произведения (при относительной нестабильности сигнала компенсации постоянной составляющей ВМП 10 4 [4]), приведенное к глубине обратной связи относительное изменение коэффициента преобразования прямой цепи должно быть не более 10"3.

В варианте 4 (смешанная компенсация) требования к стабильности коэффициентов преобразования РЖ и КК еще более низкие ввиду их взаимной компенсации.

Наибольшее влияние при двухступенчатой компенсации параметры каналов (а именно их приведенные к глубине обратной связи относительные изменения коэффициентов преобразования прямых цепей) оказывают в варианте 5 (компенсация по выходу), хотя, благодаря их разности, возможна взаимная компенсация при одинаковых условиях работы. Так, если за счет указанной компенсации влияние.изменений коэффициентов преобразования может быть уменьшено хотя бы в 10 раз, что не представляет трудностей, то при

указанных выше значениях 5) и 62, чтобы их влияние было хотя бы на уровне изменений постоянных обмоток, глубина обратной связи ИК и КК должна быть не менее 1000 - 100, что вполне реально. Компенсация может быть достаточно легко обеспечена при размещении узлов измерительных цепей под водой, в частности в корпусах датчиков.

Проведенные эксперименты показали, что для СИ, построенных по схеме рис. 3, нестабильность относительно друг друга коэффициентов преобразования при ДТ = (1-2) К не превышала 10 "6, что позволяет получить на фоне МПЗ А <0,1 нТл.

Двухступенчатая компенсация по выходу (вариант 5) практически аналогична одноступенчг ~ " ' ",), так как при общем источнике всегда

Средства измерений с компенсацией по выходу (варианты 2 и 5) имеют существенные преимущества, а именно, позволяют осуществить гальваническую развязку цепей датчиков (ФМП), исключаются обмотки компенсации постоянной и переменной (вариаций) составляющих ВМП и, соответственно, линии связи, что, при прочих равных условиях, повышает помехоустойчивость СИ к промышленным помехам (наводкам на линии связи), уменьшается стоимость СИ, особенно при больших длинах кабельных линий. При относительно малом количестве ИК (меньшем 10) можно рекомендовать СИ с компенсацией по выходу от КК (вариант 2). Увеличение количества ИК увеличивает требования к выходным цепям КК и можно, в этом случае, рекомендовать вариант 5.

Вариант 1 применен в измерительной системе (ИС) К720, вариант 3 - в ИС К715, вариант 4 - в ИС ЦМ7001, вариант 5 - в ИС ЦУ7004 и ЦУ7004/1.

Гальваническая развязка датчиков может быть осуществлена и при использовании индивидуальных источников для компенсации постоянной составляющей ВМП (компенсация вариаций - по выходу). Однако, в этом случае к источникам компенсации постоянной составляющей ВМП предъявляются существенно более высокие требования.

Таким образом, в СИ полей плавсредств с ФМП наиболее перспективны варианты с компенсацией ВМП и его вариаций на входе УПИ. Ограничением применения этих методов для многопредельных (мнох'одиапазонных) СИ является требование включения переключателя пределов после входа УПИ, что достижимо при измерениях в динамическом диапазоне до 10 6, в противном случае, необходимо синхронное переключение пределов и масштабирование цепей компенсации.

2.2. Методы уменьшения влияния переменного магнитного поля

Методы защиты измерительных цепей СИ от промышленных помех и помех радиочастотного диапазона обычны для радио- и электроизмерительной техники и здесь не рассматриваются.

Высокочастотные помехи наибольшее влияние оказывают на узлы (блоки) СИ, работающие на высокой (несущей) частоте (МИП, ИЦ), где нельзя

можно ооеспечить

использовать избирательные устройства для уменьшения влияния таких помех.

В СИ величин МП специфическими помехами, обусловленными неременным МП, являются воздействующие на МИП и на вход ИЦ помехи промышленной частоты и ее гармоник, в том числе, близкие по частоте к частоте полезного сигнала МИП (для ФМП - к частоте второй гармоники) и частоте возбуждения (управления) МИП, включая создаваемые генератором возбуждения (управления).

2.2.1. Уменьшение влияния магнитного поля частотой близкой к частоте второй гармоники

Влияние обычно медленно изменяющейся помехи близкой к несущей частоте, особенно существенное для высокочувствительных СИ, рассмотрено Ю.В. Афанасьевым. Им же показано, что такая помеха, воздействующая в виде МИ на ФМП, эквивалентна воздействию МИ постоянного МП. Повышение помехоустойчивости СИ к МП помехи такого вида и до настоящего времени является актуальной задачей, особенно в том случае, если МП помехи создается самим объектом измерений. Применение, в данном случае, компенсационных МИП и КК, аналогичных рассмотренным в п.2.1, невозможно ввиду неравномерности МП помехи.

Для повышения помехоустойчивости СИ к такой помехе предложена [8] структура (рис. 5), где для выделения сигнала помехи используется ИП нечувствительный к МИ измеряемого постоянного МП и размещенный в непосредственной близости от ФМП при параллельности их магнитных осей.

ин к; Цс.к; ис„ - выходные сигналы ИК, КК и СМ, соответственно; В ¡(Г]) - магнитное поле возбуждения ФМП частотой А.

Рис. 5. Структурная схема средств измерений с выделением сигнала, пропорционального переменному магнитному полю помехи

Магнитная индукция постоянного МП и МП помехи частотой второй гармоники частоты возбуждения воздействует на ФМП и ИП. Эта МИ преобразуется ФМП и измерительной цепью ИЦ в составе: усилителя полосового

(УП), фазочувствительного детектора (ФЧД1), управляемого генератором возбуждения (ГВ), и апериодического звена (АЗ1) в постоянное напряжение, пропорциональное сумме МИ измеряемого МП и амплитудному значению МИ поля помехи. Индукционный преобразователь (ИП) и измерительная цепь ИЦз в составе: апериодических звеньев (АЗг и А33), усилителя линейного (УЛ), фазочувствительного детектора (ФЧД2 ), сигнал управления которого фазосдвигающей цепыо (ФСЦ) сдвинут на л/2 по отношению к сигналу управления ФЧДЬ преобразуют МИ поля помехи в постоянное напряжение, пропорциональное амплитудному значеншо МИ поля помехи. Выходной сигнал сумматора (СМ), таким образом, в идеальном случае обусловлен только МИ измеряемого МП.

Погрешность компенсации помехи определяется разностью изменений коэффициентов преобразований ИК и КК (Ркк - рик). Использование в ИК с ФМП обратной связи - автокомпенсационного режима (на рис. 5 не обозначен) для обеспечения необходимых диапазона нзмерспий и погрешности приводит, в данном случае, к (Зи.к < рк к и, учитывая, что, как правило, рк к составляет единицы процента, уменьшение сигнала, обусловленного помехой, на входе УПИ может достигать 30-40 дБ при условии неизменности взаимного положения магнитных осей ФМП и ИП.

2.2.2. Влияние помех частотой первой гармоники возбуждения и методы их уменьшения в средствах измерений с ферролюдуляционными преобразователями

Влияние помехи частотой первой гармоники возбуждения рассмотрено в [4, 9] для двух типов ИЦ, в основном, используемых в ферромодуляционных СИ второй гармоники: с амплитудной модуляцией (АМ) и широтно-импульсной модуляцией по несущей (ШИМ-1)- (рис. 6, 7), что дает возможность установить рациональные области их применения. На рисунках обозначено: ФП- фильтр полосовой; УЛ, УО, УФ -усилители линейный, ограничитель, формирователь; ДС - детектор скважности; иг-напряжение полезного сигнала ФМП (напряжение второй гармоники); 1ак и Ва. * -ток и МИ автокомпенсации;. 1„ - входной сигнал УПИ и УПИ2.

В средствах измерений с АМ (рис. 6) при малом значении полезного сигнала превышающий диапазон линейности сигнал помехи вызывает смещение "нуля" и'г,, при неодинаковых уровнях ограничения УЛ (неодинаковых диапазонах линейности ) для положительной 11Л1 и отрицательной и^ полярности

и'2п= 0,215 и'1п [(1-к12+2к2к12)зя-(1-к12)3'2], где к! =иЛ1 / и'] г, ; и'1П - напряжение помехи, приведенное к выходу УЛ; Дил/и'1п=к2«1; Дил = ил1-ил2.

Из проведенных исследований определен наиболее простой способ уменьшения смещения "нуля" - выравнивание уровней ограничения (к2 = 0), разу-

В,(«

В.

т

и2

1Щ

В;

а.к |

1 I

1и ~ВЯ

Рис. 6. Структурная схема средств измерений магнитной индукции с амплитудной модуляцией

меется,с учетом необходимого диапазона

УЛ I-*]гфЩЗ " линейности по полез-

1а.ч~ви I ; ному СИГНаЛу. При

больших (близких к уровню ограничения ия) значениях полезного сигнала помеха приводит к мультипликативной погрешности и, чтобы вызванная помехой погрешность 5 !„»- 0,225 (и^/Цд )ш не превышала допускаемую, ее уровень и ]П должен быть ограничен и 2,7 Ц, (5 [П )2Г\

В СИ с ШИМ-1 (рис. 7, [10]) разность длительностей ДТ положительных и отрицательных полуволн суммарного сигнала (суммы полезного сигнала второй гармоники и опорного напряжения первой гармоники) пропорциональна полезному сигналу второй гармоники (т.е. ДТ~ Ви). Здесь при отсутствии полезного сигнала помеха частотой первой гармоники не приводит к смещению "нуля".

Э1 ! гт^п и, иц

ФМП]—иГотТ-

и2~в„

и.

и'2~Ви

1упИ|К—

и,+ ич-,

СМ]-¿[УФ}

НцосУ-

лт~в

Рис. 7. Структурная схема средств измерений магнитной индукции с широтно-импульсной модуляцией по несущей

При наличии полезного сигнала погрешность, вызванная появлением помехи первой гармоники, в наихудшем случае (когда фазовый сдвиг между опорным напряжением III и напряжением помехи и ш равен нулю)

|5'2п| «шКи'щ/и'г), где т! = и2 / и12; ; Уц - суммарное напряжение первой гармоники (сумма опорного напряжения и напряжения и 1П помехи), приведенное к выходу УО; и г - напряжение второй гармоники, приведенное к выходу УО.

Из отношения между обусловленными помехой значениями мультипликативной погрешности для СИ с АМ и СИ с ШИМ-1 1б"1П|/|б"2„1и и (0,225 / Ш1)(и1П/ и2)1/2, полученного при номинальном значении полезного сигнала, следует, что при обычных значениях ш1=0,1-0,3 и сравнительно слабых помехах (амплитуда помехи и ^ не более 0,1 амплитуды полезного и2 сигнала),погрешность СИ с ШИМ-1 больше. При более сильных помехах и I и'2>0,1 и значениях Ш1<0,05 погрешность СИ с ШИМ-1 меньше (рис. 8).

Проведенные исследования позволяют выработать требования к степени развязки между выходной цепью ФМП и цепью возбуждения, к степени экранирования ИЦ, к коэффициенту передачи ПФ, к диапазону линейности УЛ. В СИ с ШИМ-1 влияние помехи (относительная погрешность), уменьшаясь с

_ _ .1-, увеличением опорного напряже-

Рис. 8. Зависимости [6 ,„И§'21= ния не заы1СИТ от зиачеиия полсз.

1п/и г) ного сигнала.

При отсутствии полезного сигнала в СИ с ШИМ-1 любое по значению напряжение первой гармоники не вызывает смещения "нуля", а увеличение опорного напряжения уменьшает мультипликативную погрешность при наличии полезного сигнала. В СИ с АМ погрешность отсутствует, если амплитуда напряжения первой гармоники не превышает диапазона линейности ИЦ и при одинаковых уровнях ограничения.

2.2.3. Методы уменьшения влияния действующего на МИПмагнитного поля промышленной частоты и ее гармоник

2.2.3.1. Частота помехи в полосе частом измеряемых полей

Уменьшить влияние помехи можно путем ее компенсации. Требования к

цепям компенсации и к месту включения компенсационного сигнала аналогичны изложенным выше. Дополнительно выставляются требования обеспечения необходимой полосы пропускания цепей компенсации и стабильности их амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

2.2.3.2. Частота помехи вне полосы частот измеряемых полей

Для уменьшения влияния помехи, кроме компенсации, возможно применение различных способов формирования АЧХ.

1) Уменьшение полосы пропускания СИ

Это является наиболее простым методом увеличения помехоустойчивости при действии помех промышленной частоты, но, соответственно, снижает быстродействие СИ.

Последнее не всегда допустимо, в частности при измерениях МП плавсредств "на ходу" или в СИ параллельно-последовательного действия, когда время измерений ограничено. Это имеет место, например, в СИ МП крио-электродвигателей, где общее время измерений СИ, имеющих 50 - 60 МИП, не должно превышать 1-2 с при погрешности не более 1 %. Кроме того, такой метод во многих случаях не позволяет уменьшить помеху во всех узлах СИ, например в СИ с ФМП или в СИ с ПХ, управляемых переменным током. Ограничение полосы пропускания или применение сложных фильтров "по огибающей" приводит к уменьшению помехи только в УПИ, но не в узлах СИ,

работающих "па несущей": МИЛ, в ряде узлов ИЦ (ПФ, усилитель, детектор (без фильтра)).

2) Использование цепи избирательной обратной связи (ЦОС) Для подавления помехи фиксированной частоты метод более эффективен, ослабляет помеху во всех звеньях СИ, охваченных этой обратной связью. В [4, 11] рассмотрено действие обратной связи для случая, когда в интересующей нас области частот инерционностью всех блоков СИ, кроме цепи избирательной обратной связи (ИЦОС), пренебрегаем. Это допущение не меняет общности рассуждений, так как такая обратная связь не охватывает самый инерционный блок - сглаживающий фильтр в ФЧД (рис. 9).

в„ 7—Л -^ицос!«-1

Рис. 9. Структурная схема средств измерений с избирательной обратной связью

Показано, что при больших значениях добротности цепи избирательной обратной связи с точки зрения значения времени установления при заданной динамической погрешности результаты практически совпадают с результатами, полученными для узкополосного СИ. Целесообразно использовать малые значения добротности. В [4, 11] приведены полученные зависимости (рис. 10) относительных времени установления !уПп/(27г), где V = (2(5,, / КП.ПА) 1п(К„.л / 5сО„) при <2„> 0,5 Кпп; Ьу =2С>П 1п(1/5с)/{Кппрп[ 1 -( 1-4(22п/К2пл)т]} при (}„< 0,5 Кв.п и полосы пропускания П„.в/Пп (на уровне 0,707),

где 0„.в» Г2П Кп.п [(1+402п /К2п п )т -1]/(2(2„) от относительной добротности /Кп.п. (здесь (3„ - добротность цепи обратной связи; Кип - коэффициент ослабления помехи; £2Й.В и Пп - полоса пропускания и частота помехи; 1у - время установления при скачкообразном воздействии).

Целесообразно выбирать добротность <5„ от Кп.п до 1,5КП П, когда время установления еще достаточно мало, а полоса пропускания (на уровне 0,707) соизмерима с частотой помехи: □И В=(0,5-0,7)0П .

Я-'Пп О.НуПп/(Зя)

1- 0,ПуП„ /(2л) при 6С=0,03; . 2 - 0,ПуПп /(2л) при 6С=0,01 ; 3 - 0,ПуП„/(2л) при 5С=0,002; 4 - fi„,/ £2П

Рис. 10. Зависимости времени установления и полосы пропускания особой части схемы средств измерений

с избирательной обратной связью от относительной добротности

В ряде случаев помеха может привести к погрешности, даже в том случае, если электрическое напряжение, обусловленное помехой и измеряемым МП, не превышает диапазона линейности ИЦ. Это обусловлено достаточно часто встречающейся на практике неодинаковостью выходного сопротивления ФЧД для положительного и отрицательного направлений электрического тока. На основании исследований, проведенных в [4, 12], для уменьшения влияния этой причины предложено увеличивать насыщение выходных ключевых элементов ФЧД и увеличивать последовательное с ними сопротивление цепи.

Ъ) Изменение глубины обратной связи по полезному сигналу

Так как обычно наиболее инерционным звеном СИ с ФМП является фильтр нижних частот (ФНЧ) в ФЧД, то наличие в СИ отрицательной обратной связи по постоянному МП в относительно узкой полосе (от нуля до единиц герц и менее) наряду с положительными качествами, присущим всем системам с отрицательной обратной связью, означает меньшее отношение сигнал/помеха, чем в СИ без обратной связи. Для повышения помехоустойчивости вполне реально использовать СИ с ФМП без обратной связи, что, однако, уменьшает диапазон линейности СИ (уменьшает максимальное значение измеряемого МП) и увеличивает влияние внешних факторов на возможные изменения коэффициента преобразования узлов (главным образом ФМП) и всего СИ.

Предложены структуры СИ с "автокалибровкой" (рис. 11) и с изменяющейся глубиной обратной связи (рис. 12), помехоустойчивых к внешним переменным МП и сохраняющих преимущества СИ с обратной связью с точки зрения диапазона линейности и влияния внешних факторов на стабильность коэффициента преобразования [13,14].

В СИ по рис.11 на ФМП одновременно с измеряемой МИ Ви воздействует создаваемая генератором низкой частоты (ГНЧ) МИ В„ частотой Г,„ превы-—

Рис. 11. Структурная схема средств измерений с «автокалибровкой»

шающей верхнюю граничную частоту измеряемой МИ и не оказывающей влияния на результаты измерений МИ, и , в то же время, находящейся в том диапазоне частот, где инерционностью блоков СИ (ФМП и ИЦ) можно пренебречь. На рисунке обозначено: ППНЬ ППГЬ - преобразователи переменного напряжения в постоянное; ИУ, УР - усилители избирательный и с регулируемым коэффициентом усиления; УРС - устройство разделения сигналов; СУ -сравнивающее устройство.

Изменением коэффициента передачи УР, управляемым от СУ, устанавливается и к = и к, чем практически исключается влияние внешних условий на коэффициент преобразования СИ.

Увеличение допускаемого значения переменного МП помехи по сравнению с СИ с обратной связью обеспечивается в Кпод = М ДК „,у / К иу) раз, где М - отношение глубины обратной связи по измеряемой МИ и по МИ помехи в СИ с обратной связью, ^К'и,у / К и у) - функция отношения коэффициента преобразования ИУ на частоте (К и.у) и частоте помехи (К и.у). Для максимально возможного Кпад=М необходимо ДК иу/ К иу) =1, что достигается при К « у » К и.у. Как правило, М =100 - 1000 и это означает, что исключение обратной связи увеличивает отношение сигнал/помеха на 40-60 дБ, но одновременно, при прочих равных условиях, уменьшает максимальное значение измеряемой МИ.

В СИ на рис. 12 при малом значении В„ все ключи КЛь КЛ2,..., КЛП разомкнуты, коэффициент передачи по цепи обратной связи наименьший. При

увеличении Ви срабатывают поочередно пороговые элементы ПЭ1, ПЭ2,....,ПЭП, замыкая соответствующие ключи, и при максимальном значении В„ все ключи замкнуты, коэффициент передачи по цепи обратной связи наибольший. Такое построение СИ обеспечивает наиболее благоприятное отношение сигнал/помеха на наиболее чувствительном пределе измерений измерений с изменяющейся глубиной и обеспечивает расширенный диа-обратной связи пазон. Кусочно-линейная аппрок-

симация обеспечивает линейность функции преобразования СИ на каждом из всех пределов измерений. Метод изменения глубины обратной связи по полезному сигналу использован в мшс-ротесламетре Г74М (при уменьшении измеряемой МИ-переключении пределов измерений - глубина обратной связи уменьшается, начиная с определенного предела измерений).

4) Специальная обработка Для СИ с ПХ, управляемых постоянным электрическим током, когда аддитивная помеха находится в полосе пропускания СИ, для уменьшения ее влияния,кроме компенсационных методов, экранирования, применения специальных линий связи, возможно использование специальной обработки информации. Методы уменьшения влияния таких помех аналогичны используемым в СИ с ПХ,управляемым постоянным электрическим током и предназначенным для измерений переменных МП, поэтому они рассмотрены в разделе, посвященном СИ переменных МП. Помехоустойчивость СИ по таким структурным

в.й)

Чга}

ВД) иц;

1

УПИ

1в ~Ви

1а.к ~Ва

Рис. 12. Структурная схема средств

схемам обеспечивается при условии, что значение помехи в течение цикла измерений остается неизменным. Для повышения помехоустойчивости к линейно изменяющейся во времени помехе предложено СИ МИ постоянного МП (рис. 13) [15]. Генератор ГПИ вырабатывает чередующиеся с паузами положительные и отрицательные импульсы тока управления.

В первом такте ГПИ вырабатывает положительный импульс, УУ открывает КЛ| и ЗУ, запоминает сигнал АрисОО+ЩгО+ЦщО]).

Во втором такте ГПИ вырабатывает отрицательный импульс, УУ закрывает КЛ], открывает КЛ2 и ЗУ2 запоминает сигнал А2 = - ис(12)+ип(12)+иав(12).

В третьем такте (пауза) УУ закрывает КЛЬ КЛ2 и открывает КЛ3 и ЗУ3 запоминает сигнал Аз = и„ (£3)-Шав (13). Здесь ид^), ис (12) - напряжения, пропорциональные измеряемой МИ в моменты времени ^ ¡х , соответственно; ип (г,), ип (Ъ), ип Оз) - напряжения, обусловленные аддитивными помехами в моменты времени ^ > Х2, Ь > соответственно; иа8 (^Х иаг (Ь), (13)-аддитивная погрешность, обусловленная элементами ИЦ. Рис.13. Структурная схема средств А Сумматор СМ выполняет операции измерений с ПХ, помехоустойчивым ^(М+АГ2А2)/3, обычно к изменяющейся во времени помехе -и»ё(Ь)~Щ(Ь) и при ип (12)-ип (1,)+Дип;

и„ (13)=ип (1,)-ь2Ди„; ис (1,)=ис (12) будет А=ис. Метод использован в тесламетре К749.

При другом законе изменения помехи соответственно изменяются коэффициенты сумматора.

Если помеха находится вне диапазона частот измеряемых полей, а ПХ управляется, постоянным током, то формировать АЧХ для уменьшения влияния помехи возможно в любых узлах ИЦ, но, как правило, применяется па входе ИЦ.

Для СИ с ПХ, управляемым переменным электрическим током, методы уменьшения влияния помехи, создаваемой переменным МП, аналогичны применяемым в СИ с ФМП.

2.3. Методы расширения диапазопа линейности средств измерений с ферромодулпцшшными преобразователями

При измерениях МИ сильного МП (для ФМП это 10 "4 Тл и более) появляется погрешность нелинейности характеристики преобразования МИЛ. Это, в конечном счете, приводит к увеличению погрешности СИ, что равноценно воздействию помехи, являющейся функцией измеряемого МП.

Ввиду того что основное назначение СИ с ФМП - это измерение МИ относительно слабых МП (обычно до 1 мТл) и основные усилия были направ-

лены на уменьшение минимального измеряемого значения, методам расширения диапазона линейности СИ с ФМП в сторону больших значений уделялось меньшее внимание, хотя расширению области линейности характеристики преобразования ФМП посвящен ряд работ Г.А. Бурцева, М.А. Розенб-лата, Ю.Ф. Пономарева, С.А. Скородумова, Н.И. Яковлева. Дальнейшее развитие этого вопроса отражено в работах [16-19].

Необходимость в расширении диапазона линейности возникает, например, при исследованиях и испытаниях электротехнических и ферромагнитных объектов, при исследовании МП объектов, работающих в разных режимах, когда смена СИ (а, следовательно, и типа МИЛ) нежелательна из-за появления дополнительной погрешности от неточности установки МИП в требуемой точке пространства.

В [16, 17] предложена и разработана классификация (рис. 14) и рассмотрены методы расширения диапазона линейности СИ с ФМП.

2.3.1. Методы расширения диапазона линейности ФМП

Уменьшение проницаемости формы сердечников (более предпочтительно за счет уменьшения длины), использование магнитной индукции возбуждения, имеющей постоянную скорость нарастания и убывания, уменьшающие одну из составляющих погрешности нелинейности, а именно, погрешность из-за изменения соотношения между МИ внутреннего и МИ внешнего МП, увеличивают диапазон линейности ФМП. Увеличение МИ возбуждения в одностержневом ФМП приводит к пропорциональному расширению диапазона линейности (увеличению В„.макс), в том числе, из-за уменьшения нелинейности связи между МИ внутреннего (в сердечнике) и МИ внешнего МП [18]. Для дифференциальных ФМП при увеличении МИ возбуждения область постоянства коэффициента преобразования ФМП увеличивается до определенного предела и при дальнейшем перевозбуждении не увеличивается. Это связано с изменением взаимодействия полуэлементов [19]. Так как при отсутствии взаимодействия между полуэлементами с ростом измеряемой МИ В„ коэффициент преобразования ФМП Сф.м уменьшается, а для дифференциального ФМП возможен такой режим работы, когда с ростом Ви Оф.м увеличивается, то можно найти такое соотношение между амплитудным значением МИ возбуждения В„.м и коэффициентом взаимодействия полуэлементов Кю, которое при заданной погрешности 5„ непостоянства Оф.м позволяет получить наибольший диапазон линейности ФМП (и СИ).

• При малых допускаемых значениях 15„ | и относительно большом перевозбуждении для использования эффекта взаимодействия полуэлементов с целью расширения диапазона линейности ФМП необходимо, чтобы |кю |«(| 8Н| /2 ) [19]. Это позволит расширить диапазон линейности дифференциального ФМП в аз = а2/ (*! раз, где а) = Вимагс /Ввм а 1,4( 16Н | ){!2 и С2 = Вимзгс / В„.м « (2+1 бн |) /(4-615Н |) -относительный диапазон линеиности ФМП при отсутствии и при наличии взаимодействия между полуэлементами;

Вимагс - максимальное значение измеряемой МИ, при котором погрешность изменения коэффициента преобразования ФМП не превышает допус-

каемую. Так, например, при 5„= 0,01 имеем а] = 0,14 и а2 = 0,5 (а3 ~ 3,6), что при Вимагс=10 " 2 Тл, требует, соответственно, В„.м=7-10 2 Тл и Ввм=2-10 Тл. При 5„=0,001 а2=0,5, а а3 ~ 11.

Рис. 14. Классификация методов расширения диапазона линейности средств измерений с ферромодуляционными преобразователями (ФМП)

Для обеспечения требуемого значения Квз параметры ФМП (расстояние между сердечниками полуэлементов и их длину) можно определить, например, из работ Г.А. Бурцева. Метод можно рекомендовать для СИ без обратной связи по измеряемой МИ в условиях, когда изменение внешних условий работы ФМП не приведет к изменению его геометрии.

2.3.2. Схемотехнические методы

Метод, основанный на использовании заранее определенной градуиро-вочной кривой, практического применения в СИ с ФМП не нашел.

Линеаризация характеристики преобразования СИ путем исключения двухзначности выходного сигнала ИЦ с ШИМ-1 предложена в [10].

Наибольшее распространение получили компенсационные методы, основанные на том, что измеряемая индукция В„ в объеме ФМП тем или иным образом компенсируется встречно направленной Вк и до значения Вр и. При этом Ви - В^+Вр и и, благодаря тому что обычно Вр „« ВИ)обеспечивается расширение диапазона линейности. Необходимое значение МИ возбуждения можно найти из условия, что на ФМП воздействует Вр.и. Возможность методов компенсации для расширения диапазона линейности ограничивается допускаемой энергией рассеивания устройства, создающего Вки (обмоток компенсации, обратной связи или другого устройства).

Ввиду того что измеряемая магнитная индукция существенно (в «1 или аг раз) меньше МИ возбуждения, расширение диапазона линейности путем компенсации измеряемой МИ в объеме ФМП требует значительно меньших энергетических затрат (меньший перегрев ФМП), чем при увеличении МИ возбуждения.

Наиболее предпочтительны СИ с автоматической непрерывной следящей компенсацией (с отрицательной обратной связью), которые (как и все компенсационные системы) наряду с расширением диапазона линейности уменьшают влияние нестабильности коэффициентов преобразования большинства узлов СИ. В [4, 16] показано, что если при использовании непрерывной компенсации перегрев ФМП током, создающим МИ компенсации, превышает допускаемый, то целесообразны СИ с автоматической прерывистой компенсацией. Метод заключается в том, что МИ компенсации создается не непрерывно, а в течение сравнительно коротких промежутков времени ^ длительность которых меньше тепловой постоянной обмотки компенсации. В этом случае допускаемое значение В,.„ , а следовательно, и измеряемой МИ увеличивается в [(и, +1П)ЛИ]|/2 раз (^ -пауза между импульсами Вк.и). Прерывистая компенсация может бьтгь осуществлена от внешнего источника (например, по [20]) или в виде прерывистой следящей компенсации [21, 22].

В СИ по схеме рис. 15 при малых значениях измеряемой МИ, когда перегрев ФМП током, создающим МИ компенсации, отсутствует, МИ компенсации создается непрерывно. Ключи КЛ) и КЛ2 переключателем рода работ ПРР через схемы ИЛИ1 и ИЛИ2 открыты на все время измерений. Во втором режиме работ, когда измеряемая магнитная индукция велика, компенсация осуществляется периодически. ПРР запускает генератор тактовых импульсов (ГТИ), который, в свою очередь, запускает одновибратор ОВ1 непосредственно, а

гв

и,(Щ ИЦ !

УПИ

[фмпНЧ УП Л*) кл2 ^-»ГшГ

Рис. 15. Структурная схема средств измерений с прерывистой обратной связью

одновибратор ОВ2 через устройство задержки УЗ. ОВ, через ИЛИ] ключом КЛ) подключает обратную связь на промежуток времени 1;и, после окончания переходного процесса ОВ2 подключает ключом КЛ2 интегратор Ин и УПИ. По окончании ОВ| и ОВ2 закрывают КЛ1 и КЛ2 [22]. Обратная связь в течение времени 1п отсутствует, ток через обмотку компенсации не протекает. Устройство управления УУ может быть реализовано и другим образом [23]. Метод прерывистой следящей компенсации применен в микротесламетре Г74М (на старших пределах измерений).

Некоторые другие структурные схемы прерывистой компенсации будут рассмотрены в разделе 3.

2.4. Методы расширения диапазона лннейности средств измерений с преобразователями Холла

Преобразователи Холла используются, как правило, для измерений МИ относительно сильных МП (от единиц и долей миллитесла до нескольких тесла). Благодаря малым размерам ИХ с их помощью можно осуществлять практически точечные измерения, что особенно важно при измерениях МИ в рабочих объемах и зазорах магнитных систем. При измерениях в рабочих объемах и зазорах криогенного электрооборудования при сверхнизких температурах в настоящее время наиболее целесообразны ПХ типа ПХЭ, рабочий температурный диапазон которых составляет от 1,5 до 373 К. При обычных температурных условиях в узких зазорах возможно использование ПХ типа X (например, Х510, Х511), имеющих толщину в 2-3 раза меньшую, чем ПХЭ и несколько большую рабочую температуру (до 413 К), но существенно большую нелинейность характеристики преобразования. В [4, 24] показано, что теоретически значение порога чувствительности СИ с ПХ определяется нестабильностью начального напряжения ПХ и, в первую очередь, обусловленную изменением температуры,и составляет при АТ=2К для СИ с ПХ типа X -(0,2-3>10 "4 Тл и для СИ с ПХ типа ПХЭ - (0,2-1,3)-10 "4 Тл. Однако реальные значения порога чувствительности определяются, в том числе, и условиями эксплуатации (внешними влияющими величинами) и, как правило, превышают указанные значения не менее чем в 10 раз.

Максимальное значение измеряемой МИ определяется допускаемой погрешностью непостоянства коэффициента преобразования (погрешностью нелинейности),в общем-то, зависящей от выбранного способа линеаризации. При использовании касательной в начале координат к функции преобразования ПХ погрешность нелинейности для ПХ типа Х510 лежит в пределах 20-40 %, для ПХ типа Х511 - 10-20 %, для ПХ типа ПХЭ 1 -2 % при значениях МИ до 2 Тл. Методы линеаризации, разработанные сотрудниками ВНИИЭП и основанные на использовании эффекта изменения входного и выходного сопротивлений и коэффициента преобразования ПХ под действием МИ, позволяют получить для ПХ типа X погрешность нелинейности в диапазоне до 2 Тл не более десятых долей процента. Для СИ с ПХ типа ПХЭ возможно

применение методов, основанных на изменении тока управления, в том числе, при использовании эффекта изменения входного сопротивления от воздействующей на ПХ МИ, например, в соответствии с [25].

2.5. Методы повышения помехоустойчивости к колебаниям (качке, вибрациям) магнитоизмерительных преобразователей

Колебания, качка МИЛ возникают при их расположении на консолях (при определении намагниченности отдельных узлов, деталей и механизмов), на гибких или карданных подвесах (при определении естественного МП с целью поиска полезных ископаемых, в том числе в водных акваториях, при определении МП плавсредств). В [26, 27] рассмотрены, в том числе вновь предложенные методы уменьшения влияния качки. В условиях качки МИЛ в большинстве случае измеряется вертикальная составляющая МИ. При симметричных колебаниях магнитной оси МИЛ относительно направления измеряемой МИ обеспечение эквивалентной постоянной времени СИ, превышающей период колебаний МИП, уменьшает колебания выходного сигнала СИ, усредняя его. При измерениях МИ суммарного (действующего на МИП) МП усреднение при колебаниях МИП на угол ± ат приводит к погрешности 5К = - I ат | /6, в реальных условиях ([ ат | < 0,25) не превышающей 0,01, и ею во многих случаях можно пренебречь.

При измерениях МИ объекта Ви на фоне МИ внешнего МП Вп обычно осуществляется компенсация начального уровня Вп (или сигнала им обусловленного) путем создания компенсационного сигнала, не зависящего в процессе измерений от угла отклонения магнитной оси МИП от направления Вп,и тогда значение погрешности увеличивается в Вл/Ви раз. Конструктивные методы (увеличение массы грузов, применение успокоителей) снижают влияние качки, но их применение не всегда возможно, а эффективность зависит от конкретных условий применения, в частности от глубины погружения.

На основе полученных выражений для погрешности при измерении МИ в условиях качки МИП в [26, 27] рассмотрен ряд структурных схем, уменьшающих влияние качки путем введения поправок, в том числе, основанных на выделении низкочастотной (соответствующей частоте качки) составляющей сигнала, на введении поправок, основанных на измерениях угла колебаний. В СИ, использующих измеритель угла колебаний, осуществляется мультипликативная коррекция, теоретически исключающая погрешность измерений МИ из-за колебаний МИП. Однако построение таких СИ, требующих быстродействующих измерительных преобразователей угла колебаний, не всегда возможно из-за усложнения конструкции датчика. В СИ, осуществляющих аддитивную коррекцию путем измерения переменных составляющих МИ, возникающих в результате колебаний МИП, погрешность после введения поправок 5,^0,03 (В[/Ви)а4т . Здесь требуются дополнительные горизонтальные чувствительные элементы МИП, что хотя и усложняет конструкцию

датчика, но не требует введения измерителей угла и, в большинстве случаев, предпочтительнее.

В условиях качки плавсредств, когда измеряется только вертикальная составляющая МИ плавсредства, как правило, существенно меньшая, чем ВМП, наиболее целесообразны меры по стабилизации положения магнитной оси ФМП. В этом случае отклонение МИ плавсредства от вертикального направления приводит к меньшей погрешности, чем "жесткая" привязка магнитной оси МИЛ к вертикали плавсредства, приводящая к синхронному качанию МИЛ и плавсредства.

2.6. Влияние гравитационного и теплового полей и собственных шумов магннтоизмерительиых преобразователей

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к СИ, в наиболее широком диапазоне температур (от 4,2 до 2300 К) должны работать МИЛ. При измерениях величин магнитных полей в зазорах и рабочих объемах криогенного электрооборудования используются МИП (ИП и ПХ), предназначенные для СИ относительно сильных МП и специально разработанные для применения в диапазоне температур от 4,2 до 370 К [4, 5]. Использование МИП при высокой температуре (выше 343 К) предусматривает применение специальных систем воздушного и (или) жидкостного охлаждения, рассмотренных, например, С.А.Скородумовым. К конструкции этих систем с точки зрения структурной схемы СИ не предъявляется особых, требований, за исключением требований по отсутствию ферромагнитных масс или других элементов, искажающих измеряемое МП.

Измерение величин магнитных и электрических полей плавсредств осуществляется в менее жестких температурных условиях для МИП (примерно, от 250 до 300 К), при измерениях мапгатных полей рассеивания они могут использоваться при обычной температуре (примерно от 283 до 300 К).

Особенности влияния изменений температуры МИП, методы уменьшения этого влияния рассмотрены в [4, 5].

Собственные шумы МИП совместно с шумами ИЦ определяют порог чувствительности СИ в идеальных условиях эксплуатации (при отсутствии помех) и существенно зависят от типа МИП, его конструкции, соотношения между параметрами МИП и входных цепей ИЦ.

Влияние шумов ИП и входных цепей ИЦ в СИ величин переменных МП рассматривалось многими авторами (Абрамзоном Г.В., Ничогой В.А., Скоро-думовым С.А. и др.). В соответствии с исследованиями существенное уменьшение порога чувствительности в известных СИ могло быть достигнуто, как правило, при уменьшении верхней граничной частоты измеряемой величины. Однако для средств измерений магнитной индукции существуют другие методы. Проведенные в [16, 28] исследования методов уменьшения порога чувствительности, влияния этих методов на верхнюю граничную частоту показали, что наиболее перспективным является вновь разработанный метод сум-

мирования по частотным поддиапазонам, позволяющий обеспечить независимое друг от друга расширение частотного диапазона и снижение порога чувствительности СИ переменных МП.

В ферромодуляционных СИ (СИ с ФМП) величин постоянных МП порог чувствительности определяется не собственными шумами ФМП, в обычном понимании, а дрейфом нулевого уровня СИ, который в лучших образцах отечественной аппаратуры составляет 10"9 Тл за несколько часов.

В средствах измерений с ПХ можно считать, что порог чувствительности определяется "дрейфом" остаточного напряжения ПХ [4].

В реальных условиях эксплуатации порог чувствительности СИ зачастую определяется помехами.

Влияние гравитационного поля проявляется как изменение положения магнитной оси МИЛ при изменении условий применения. Влияние ориентации магнитных осей, их возможной взаимной неортогональности, особенности размещения МИП в обойме трехкомпонентного датчика и влияние их МП рассеивания рассмотрены С.А. Скородумовым.

В связи с тем, что некоторые особенности влияния проводящих масс и "бокового приема" для ФМП и ИЛ аналогичны, эти вопросы будут рассмотрены в разделе 3.

3. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ПЕРЕМЕННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Для СИ величин магнитных полей плавсредств и полей рассеивания электротехнического оборудования основное применение получили пассивные индукционные преобразователи (ИП). В тех случаях когда необходимо одновременное, но раздельное измерение постоянного и переменного МП (например, при измерении МП рассеивания дросселей насыщения), при измерениях в ограниченных объемах, когда необходимый порог чувствительности СИ с ИП не может быть обеспечен,на основании проведенных в [29 - 32] исследований применяются СИ с ФМП.

В настоящее время остается актуальным повышение помехоустойчивости магнитоизмерительных преобразователй СИ к влиянию гидроакустического поля (ГАП) контролируемого плавсредства, особенно при измерениях в ходовых режимах. В этом смысле также достаточно перспективны ФМП благодаря их следующим основным преимуществам: практической нечувствительности к ГАП ввиду малых (по сравнению с ИП) размеров и возможности размещения их в замкнутых воздушных объемах, изолированных от водной среды; постоянству коэффициента преобразования по МИ в рабочем диапазоне частот, что обеспечивает их большую чувствительность в низкочастотной (до нескольких десятков герц) части спектра по сравнению с ИП; возможности создания на их основе универсальных СИ [33].

Для СИ величин магнитных полей в рабочих объемах и зазорах наиболее целесообразны ПХ или миниатюрные (не превышающие по объему ПХ) ИП.

При проектировании СИ переменных МП основное внимание уделяется расширению частотного диапазона при уменьшении (или хотя бы при сохранении) порога чувствительности, уменьшению влияния (повышению помехоустойчивости) постоянного и переменного МП, электрического поля (в том числе, электрического поля меры МИ), ГАП, " бокового приема" и находящихся вблизи МИП проводящих масс.

3.1. Расширение частотного диапазона средств измерений

Для СИ с индукционными преобразователями (ИП) основное внимание уделено рассмотрению методов расширения частотного диапазона, связанных с увеличением верхней граничной частоты F„.s, что представляет наибольший интерес в практике проектирования СИ. Расширение частотного диапазона путем уменьшения нижней граничной частоты Ри.„ актуально для СИ с ФМП, где их преимущества по сравнению с ИП очевидны с точки зрения коэффициента преобразования по МИ, и при измерении переменного МП связано с уменьшением влияния постоянного МП. Для СИ с ИП уменьшение нижней граничной частоты приемлемо, когда порог чувствительности на нижней граничной частоте не является определяющей характеристикой СИ.

3.1.1. Средства измерений с индукционными преобразователями Все известные методы расширения частотного диапазона СИ с ИП (увеличения верхней граничной частоты F„ „) в соответствии с исследованиями, проведенными в [16, 34],могут быть условно разделены на две группы (рис. 16), хотя четкое разделение методов на две группы вообще -то невозможно, ибо зачастую схемотехнические методы предусматривают изменение конструкции и схемы подключения ИП. Поэтому под проектированием собственно широкополосных ИП понимается увеличение их собственной частоты путем уменьшения их емкости и индуктивности при сохранении коэффициента преобразования и структуры ИЦ.

Кроме указанных могут быть использованы методы, связанные с автоматическим введением поправок в зависимости от частоты преобразуемой (измеряемой) МИ. Такие методы предусматривают применение вычислительных устройств и анализаторов. Принципы построения ИЦ таких СИ не отличаются от принципов построения измерительных систем с автоматическим введением поправок и автором не рассматриваются.

3.1.1.1. Методы проектировать широкополосных индукционных преобразователей

При анализе амплитудно-частотной характеристики ИП (рис. 17) наличие внутренней обратной связи до [16] не находило своего отражения в литературе. Между тем этот факт приводит к тому, что эквивалентное значение собственной частоты цепи ИП и декремент затухания отличаются от ранее известных значений.

Последовательное суммирование

Рис. 16. Классификационная структура методов расширения частотного диапазона средств измерений с индукционными преобразователями

Ток 1ип = е„. п /(21+7.2.), обусловленный э.д.с. еи. п полезного сигнала, протекающий через обмотку ИП, создает МИ В„,к = 1й „ С „ (С „ - постоянная обмотки по МИ;. 2,\ш ,Ъг - полное электрическое сопротивление ИП и нагрузки) и на ИП фактически воздействует

Общая передаточная функция ИП к измеряемой величине

Ои, о а)= ин.п /о„=о,о2/(1+о1о3),

где в) = - jQи 0'и.п для СИ МИ (0и= Ви); = - ]СИ.П для СИ первой производной (С>„= ВИП„); С,,.,, = еа.„/(Виаи); Ъх^^+Тл)-, г)=]ОиЬи.п+гип+тпс;

индукционного преобразователя

магнитная индукция (В„ -Вик).

¿2"КИц/(14-]П„ Ииц Сип ); Ьип и г„п - индуктивность ИП и активное электрическое сопротивление его обмотки; гп с - эквивалентное электрическое сопротивление потерь в сердечнике; Си п - эквивалентная электрическая емкость, приведенная к выходу ИП; 11и.ц -активное электрическое сопротивление нагрузки ИП; в, С « /(7, +г2 Ьдля СИ МИ; 03 = □„ С ,, /(г, +г2) - для СИ первой производной; С1„= 2%¥а.

Хотя коэффициент преобразования ИП имеет обычный вид

о,п(с>„) = I ОипООи)!=о„/{[1- (пи/а,)2]2+ но здесь ^з =00(ТИ.П и п - Си п С * / К11Л,)/[2(1+ пи.Г1)!/2 (1 - П20 Сн.п Си.л С №)1/2 ] -эквивалентный декремент затухания; |Пэ=П0[(1+пип)/(1 - О20 С„.ПСИ ЯС „)]1/2 -эквивалентная собственная частота ИП; п11П=(ги.„ + гп.с)/ Киц; ТК.„=Ь „.„ / Ий11; ■с и.гСм.п (гн.п + гпс ); 020 =1/(Си.„ Ьмп) ; Он -номинальное значение коэффициента преобразования ИП, когда влиянием С„.п , Ьи п и Ви к можно пренебречь, причем, если ()И=ВИ, то Он=Г2„ 0'ип /(1+ пип), если 0Н=В„ Пи, то Он=Си.п/(1+пи.п).

Учет наличия внутренней обратной связи позволяет уточнить расчетные значения параметров цепи ИП, в приведенных выражениях для и Ц> наряду с известными величинами входит постоянная обмотки ИП по магнитной индукции.

К увеличению Р„.в=Ои.в/(2я) приводит увеличение С2Э, основанное на уменьшении Сип и Ьи.„. Уменьшение индуктивности можно обеспечить, например, уменьшением эквивалентной площади ИП. Но это приводит к уменьшению коэффициента преобразования ИП С„.„, что, при прочих равных условиях, увеличивает порог чувствительности СИ и не всегда приемлемо.

Выбор оптимальной конструкции ИП, приводящей к увеличению Оп без уменьшения 0,(.п, основан на том факте, что одно и то же значение Gh.ii может быть получено при различных значениях индуктивности. Методы расчета и проектирования оптимальных ИП рассмотрены в работах Г.В. Абрамзона, Л.Н. Баранского, Л.Я. Мизюка. В частности рекомендуется увеличение длины сердечника. К уменьшению емкости приводит секционирование обмотки ИП.

3.1.1.2. Схемотехнические методы

В основе схемотехнических методов лежат различные методы формирования АЧХ СИ, в том числе требующие изменения конструкции и схемы подключения ИП.

1) Выбор режима нагрузки и использование устройств коррекции

При выборе режима нагрузки необходимо учитывать уточненные в [16] и указанные выше представления о влиянии внутренней обратной связи ИП на его амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). Для повышения Б„.в целесообразно обеспечить минимальную эквивалентную емкость нагрузки, которая обусловлена, в основном, емкостью кабельных линий, соединяющих МИП (в данном случае ИП) и ИЦ, поэтому стремятся (если это возможно по условиям эксплуатации СИ) разместить входной элемент ИЦ в непосредственной близости от ИП.

Выбором оптимального режима нагрузки ИП, определяющего декремент затухания также можно добиться увеличения F„B, однако произвольный выбор ^э не всегда возможен. В частности, значение может выбираться из условия обеспечения минимального порога чувствительности или требуемой стабильности коэффициента преобразования ИП. Наличие максимума в полосе частот означает, что фазочастотная характеристика изменяется в этой полосе частот более, чем на тс/2, что в широкополосных СИ не всегда допустимо. В этом случае коррекция амплитудно-частотной характеристики СИ осуществляется включением в ИЦ устройств коррекции, в том числе апериодических звеньев и заградительных фильтров, например по [35, 36]. Значения верхней граничной частоты и эффективность Эрк = F„.B K/F„.B различных видов коррекции для разных , полученные в [16], приведены в табл. 1 (Fh.b.k и F„.b - верхняя граничная частота СИ с устройствами коррекции и без них, 5Р-допускаемая частотная погрешность коэффициента преобразования СИ).

В СИ магнитной индукции по [37] увеличение F„„ примерно в два раза обеспечивается выбором соответствующего режима нагрузки ИП Еэ>1 и введением корректирующих устройств. СИ представляет собой последовательное соединение ИП, апериодического и дифференцирующего звеньев с постоянными времени ч и х3, соответственно, линейного усилителя и УПИ. Здесь тр> т2 = т3, т2= L,n/(RHr, +Rll.lJ, L„.n и R„.„ =г1!П+ гп.с -индуктивность и активное сопротивление ИП, R„.„ - активное сопротивление нагрузки ИП. В диапазоне частот от нуля до 1/ij амплитудно-частотная характеристика СИ определяется только ИП и по отношению к Ви имеет наклон +20 дб/дек. Начиная от частоты ть коэффициент преобразования СИ не зависит от частоты. Влияние на коэффициент преобразования эквивалентного апериодического звена (обусловленного цепью ИП) с постоянной времени \г компенсируется дифференцирующим звеном.

Индивидуальный характер неравномерности АЧХ ИП в области верхней граничной частоты при ^э ^ 1 требует индивидуального подбора параметров устройств коррекции. В уникальных высокочувствительных СИ, предназначенных для измерений частотно-анализируемого магнитного параметра (Q„ = Ви F„ - произведение значения МИ и ее частоты), при необходимости расширения частотного диапазона на несколько десятков процентов возможно применение последовательных корректирующих устройств.

2) Автокомпенсационный режим работы средств измерений

Анализ частотных свойств автокомпенсационного СИ с ИП (рис. 18) проведен в [16,38] для безинерционной цепи обратной связи (ЦОС), так как СИ с частотно-зависимой ЦОС по измеряемой величине практически не применяются. Рассмотрено два варианта СИ, которые можно применять. В первом варианте номинальное (в рабочем диапазоне частот) значение коэффициента преобразования прямой цепи в составе ИП, формирователя частотной характеристики (ФХ), усилительно-преобразовательной цепи (УПЦ) является частотно-независимой величиной, т.е. GH= G0. Для СИ первой производной это

Таблица 1

Режим демфирования ИП, е3 Верхняя граничная частота ИИП без коррекции, ^и.в Передаточная функция корректирующего звена Эквивалентная постояшая времени корректруюгцего звена, Тк Верхняя граничная частота ИИП с коррекцией, С2„ в.к Эффективность коррекции, Эрк -Ои И -1

еэ »0,707 1,18Пэ(5р)1/4

еэ<1 {еэ^0,84х х[0,707-(5р)"211/2} 1,80Э(8Р)1/4 - - - -

Еэ<1 {0,707№ш<е3< <0,84 [0,707(8р)|/2]"2} ПЭ(6Р)"2 1/(1+)ПиТк) Шэ(8,.)1/2 Оэ/[2,82(8г)"28р]1/2> >0,в.к > Пэ/(2+5Р)"2 1 /[2,828К(8р)1/2]"2> >Эр.к>1/(25Р)1/2

еэ«1 [е, <0,707(8Р)"2] сц&?)ш Ш, >0,84х х[0,707-(§р)1Д]1/2 1,8П,(5Р)1/4 1,8/(8Р)"4

еэ>1 £2э([8г/(2Ег -I)]"2 Но-т. {ПзК,-^!)"7]}'"1 V2 Г£«-Г£21-1)1/2)1

О/ЙР)"2 • натк Ш, «э(25г)1/2 V2

Оо

N

означает, что ФХ имеет частотно-независимый коэффициент преобразования, а для СИ магнитной индукции в качестве ФХ используется апериодическое звено.

В [16, 38] показано, что в первом варианте, если значение декремента затухания эквивалентного коэффициента преобразования СИ без обратной связи (Е,;) и с обратной связью (с,2) обеспечиваются одинаковыми, то введение обратной связи увеличивает верхнюю граничную частоту в (1+ ОоСц о с)1Л раз (Оц.о.с-коэффициент преобразования ЦОС).

в„(Пи) I .Г.,' и Если же

-II О I-1 ТТ.. ~П I-I и„~в„ -

ии.п ФХ _Цфх~»и Л ущ [

иф.х~ВнОи

-Ёос^-1"

1а.к"~Вц Ои

„ е о параметры,

определяющие декременг затухания при

Рис.18. Структурная схема средств измерений с введении об-

индукционными преобразователями в ратной связи,

автокомпенсационном режиме не изменяют-

ся, что означает ^ Ф и возможно как увеличение, так и уменьшение верхней граничной частоты. В частности, если значение ^ обеспечивает оптимальный режим (максимум коэффициента преобразования не превосходит допускаемого значения) [16,38] при разомкнутой обратной связи (это означает, что «1), то для повышения верхней граничной частоты по сравнению с СИ без обратной связью необходимо обеспечить (1+ ОоОц.ох)>3,1/( 18Р |)1Д, где 5р -допускаемая частотная погрешность коэффициента преобразования. Например, при 1 бр 1=0,01 необходимо О0 Оц.ос >31.

Во втором варианте (Он =]ПИС0 ) введение отрицательной обратной связи аналогично введению в прямую цепь апериодического звена и ивых = и„ ~ Ви, в то время как без обратной связи ивых = Ц, ~ ОиВи.

Сравнение результатов анализа показывает, что наибольшее значение верхней граничной частоты может быть получено для СИ с обратной связью при обеспечении частотно-независимого (относительно измеряемой величины) номинального коэффициента преобразования прямой цепи.

В тех случаях, когда полоса пропускания определяется только параметрами ИП, применение автокомпенсационного режима позволяет ее расширить без ухудшение других характеристик, в частности без увеличения габаритов ИП. Кроме того, введение отрицательной обратной связи приводит к уменьшению индуктивности ИП, что позволяет, при прочих равных условиях (сохранении полосы пропускания), снизить порог чувствительности. Если полоса пропускания также расширяется, то можно говорить лишь о том, что не увеличивается спектральная плотность шума. Практически возможности увеличения Ри в автокомпенсационном режиме зависят от вида АЧХ ИП и ограничиваются необходимыми условиями устойчивости. При работе высокочувствительных ИП в режиме близком к холостому ходу при введении обратной связи не удалось получить увеличение Ри.„ более, чем в 4 раза [16,38].

3) Методы суммирования сигналов секций индукционного преобразователя А) Метод параллельного суммирования (рис. 19)

Рис. 19, Структурная схема средств измерений с параллельным суммированием сигналов секций индукционных преобразователей

Каждая из секций ИП (ИПЬ..., Ип,,..., ИПп) работает во всем частотном диапазоне, их эквивалентные площади, как правило, одинаковы. Выходное напряжение ИЦ (U„) является результатом суммирования выходных напряжений всех секций. Секции могут размещаться как на одном сердечнике, так и на нескольких, магнитные оси которых параллельны. Параллельное суммирование обеспечивает увеличение верхней граничной частоты в зависимости от магнитной связи между секциями практически от (п )1/2 раз до п раз (п - число секций). Так для увеличения FH B в 10 раз необходимое число секций — от 100 до 10. Построение такого аналогового сумматора затруднительно. Поэтому обычно п < (2-4).

С использованием этого метода предложена структурная схема [39], реализованная в аппаратуре К721. Разделенные на две группы секции размещаются на общем сердечнике.

Сигналы секций каждой группы суммируются своим сумматором, выходы которых через дифференциальный усилитель и УПЦ подключены к УПИ. Дифференциальное включение групп секций используется для увеличения помехоустойчивости к электрическим составляющим полей помех.

Б) Метод последовательного суммирования (рис. 20)

Каждая из секций ЙП (ИПЬ..., Ипь..., ИПП), имеющих между собой слабую магнитную связь и, как правило, одинаковых, работает во всем частотном диапазоне. В каждой секции может бьггь применен свой ферромагнитный сердечник. Последовательное суммирование обеспечивает увеличение верхней частоты до (п)1/2 раз.

С использованием этого метода предложена структурная схема [40], реализованная в аппаратуре К739, К751, ЦУ7002.

!

U„.„ - вя Î2„ :_ ифх ~ви

-fj фх i-1

; иф,х ~ b„ cih

упц|— i размещена на че-'............ .j тырех параллельных сердечниках.

ИД i Обмотка ИП

Ви(Пи)|

bhQ„ На каждом сер-

Рис. 20. Структурная схема средств измерений с последовательным суммированием сигналов секций индукционных преобразователей

дечнике размещены две секции обмотки, намотанные встречно. Обмотки секций каждого направле-

ния соединены последовательно и согласно в группу. Группы подсоединены к соответствующим входам дифференциального усилителя, выход которого через УПЦ подключен к УПИ.

В) Метод суммирования по частотным поддиапазонам

В [5, 16, 34] показано, что наиболее перспективным для расширения частотного диапазона является метод суммирования по частотным поддиапазонам, когда каждая секция ИП (ИП],..., Инь..., ИП„) совместно со своим формирователем частотной характеристики ФХ (ФХ1,...,ФХ;,...,ФХП) формирует частотную характеристику в своем относительно узком поддиапазоне частот: DFi = F„.Bi / Fh.hî , причем Foi >F„ Bi и не оказывает влияния на АЧХ СИ.

Здесь FK,Bi, F„.„j, F0i - верхняя, нижняя и собственная частота i -й секции ИП. Выходное напряжение представляет собой сумму напряжений от всех секций ИП, следовательно, рабочий относительный частотный диапазон СИ равен произведению относительных частотных поддиапазонов (Df =П DFî ). В [5, 16, 34] показано, что суммирование может осуществляться как переменных электрических напряжений, пропорциональных мгновенным значениям измеряемой величины, так и выпрямленных, пропорциональных одному из интегральных параметров измеряемой величины. Там же проведен анализ погрешности при суммировании сигналов i -го и (i +1) поддиапазонов, оценено влияние сигналов соседних [(i -1) и (i +2)] поддиапазонов и показано, что на частоте сопряжения их влиянием можно пренебречь. (Не меняя общности рассуждений, процесс суммирования можно рассматривать только для двух соседних поддиапазонов).

Метод суммирования по частотным поддиапазонам особенно перспективен для СИ магнитной индукции, так как здесь эквивалентные площади высокочастотных секций можно выполнить существенно меньшими, чем низкочастотной,благодаря тому что коэффициент преобразования ИП (i-й секции) пропорционален Ои. Этот метод принципиально позволяет обеспечить неограниченное свойствами ИП расширение частотного диапазона СИ магнитной индукции и уменьшение порога чувствительности (из-за возможного увеличения коэффициента преобразования секций, не приводящего к искажению их АЧХ) до значения, определяемого собственными шумами ИП.

Структурная схема и зависимости выходных напряжений узлов СИ магнитной индукции с двухсекционным ИП при суммировании переменных напряжений приведены на рис. 21 и 22.

в„(а)

ви(а„)

ип

¡Щ]

|ип2

! . ФХ

!;__ФХ, |

|; фх: гназг

иц

--ч см

и„~в„

-»I УПИ I

Рис. 21. Структурная схема средств измерений магнитной индукции с суммированием по частотным поддиапазонам переменных напряжений

Выходное напряжение сумматора в общем виде иг0а1)=(В„]С!нК181)/[(1+]Пит'1)(1+ЗОит"1)]+(Ви / [(НО,т2 )(1+]Ойт"2)],

где Б] и - эквивалентные площади секций ИП], ИП2; Кь К2 - произведения статических коэффициентов преобразования апериодических звеньев (АЗ) АЗ]. АЗ 1 и А32. АЗ 2,соответственно; т ь т ), т 2, т 2 - постоянные времени АЗ). АЗ ]И А32. АЗ 21 соответственно.

Здесь и далее, если это не отмечается особо, коэффициент преобразования сумматора по всем входам принимается равным единице.

В рабочем диапазоне частот

и2(зЗД = ВиК^, / [т',(1 +]Оит"1)] +ВИ]ПИК282 /(1 + }Пях2). (

Вводя обозначения ию = Ви К1 Б] / Х1; и20=ВиК282 /т2 и принимая ию=и20=и0, т",=т2, получим =ии = и0~ Ви.

Таким образом,при равенстве постоянных времени т ] второго апериодического звена АЗ] первой (низкочастотной) ветви и т 2 первого апериодического звена А32 второй (высокочастотной) ветви общий абсолютный частотный диапазон СИ равен сумме абсолютных частотных поддиапазонов двух ветвей, а относительный - произведению относительных.

В работах [16, 41] проведен анализ таких СИ и определены требования к допускаемому неравенству постоянных времени двух указанных апериодических звеньев х \ I х\ -1 ~ - 45Рс, где 8Гс - допускаемая частотная погрешность СИ (погрешность АЧХ) на частоте сопряжения. Использование вместо двух указанных апериодических звеньев одного, включенного после сумматора (рис. 23), исключает вопросы о возможном неравенстве постоянных времени.

Выходное напряжение АЗ'1

и'АзСа)= [^ПнК,8,)/(1+1Пит,1)-КВн^К'282У(1+]О.Т2)М1 / (1 0],

где К| и К'2 - произведения статических коэффициентов преобразования АЗ,, АЗ', и А32, А3'2, соответственно.

В рабочем диапазоне частот

иАзОЭДСВиК^уЛ+фЖгЭ^ПиТ 0/т",] / (ИфнЛ).

б

\П'\

1/1"!

1/Т2

Мх'г

1 /т"2

1/т'1

1/т"2

и10=ВиК181/ть получим

1еп„

Вводя обозначения

и2и-ВиК'282/х"ь

и'лз0^и)=и„=ио~ви.

Расширение частотного диапазона достигается сравнительно несложными средствами -введением нескольких апериодических звеньев и сумматора. Что касается габаритов ИП, то при использовании рассмотренного метода суммирования они практически не увеличиваются, так как, в основном, определены только одной - самой низкочастотной секцией.

На основе этого метода предложена структурная схема [42], реализованная в микротесламетре Г703. Обмотка ИП состоит из "п" секций, каждая секция подключена к соответствующему входу сумматора через два апериодических звена и фильтр нижних частот, введенный для уменьшения влияния МП, час-тога которых выше верхней частоты измеряемых МП. В СИ по [43],структурная схема которого соответствует [42], предложена новая конструкция ИП.

При реализации методов суммирования актуальным является вопрос об уменьшении магнитной связи между секциями.

Рис. 22. Зависимости выходных

напряжений звеньев, представленных на рис. 21, 23.

в„(П„) -►

в„(П„) -►

ИП

№

Uh.H1 ~Ви ПИ

ии.п2~ВиЯи

ФХ

иц

УПЦ

и„~в„

УПИ

Рис. 23. Вариант структурной схемы средств измерений магнитной индукции с суммированием по частотным под диапазонам

4) Особенности расчета секциоиированных индукционных преобразователей

Поскольку магнитная связь между секциями зависит от наличия в них мапгатных сердечников,рассмотрение взаимного влияния проведено для двух вариантов построения секций — с сердечниками и без них [16, 44,45]. А) Многостержневые индукционные преобразователи В секционированных ИП с сердечниками наличие магнитной связи между сердечниками уменьшает коэффициент преобразования каждой отдельной секции по сравнению с его значением при бесконечном удалении секции, так как взаимное влияние сердечников приводит к эквивалентному уменьшению проницаемости формы каждого из них в соответствии с Щ.с = Рф/(цф Ывз + 1), где Цф и Цф.с — проницаемость формы уединенного сердечника и того же сердечника в системе стержней; Н,,—коэффициент взаимодействия одного стержня со всеми остальными стержнями системы.

п-1

Как показал Г.А. Бурцев, N„3, (N0, j — частный коэффициент

м

взаимодействия; п -число стержней).

Полученное Г.А. Бурцевым теоретическое выражение для N„3! упрощено в [16, 44] для сердечников одинаковой длины 1с и площади поперечного сечения 5С и практически используемых 0,05 < а ¡/ 1с< 0,6 (где а 1 -расстояние между рассматриваемыми и 1 -стержнем) и приведено к виду Н*ия 0,158с/(а;1с).

Тогда выходная ЭДС "п " секционного ИП

п-1

е„.„« еи.„1 п/[ 1 +(0,15БсЦф/ 1С)£ 1/а,],

¡-1

где еЦП [ - э.д.с. одной уединенной секции.

Для наиболее удобных в конструктивно-технологическом смысле размещений стержней в круге, ограниченном диаметром Ои п (рис. 24),можно принять

п-1

Е (1/а ¡) «1,6(п-1,4) /ОИЛ1, и тогда для относительно длинных сердечников, ¡=1

когда |1ф « 0,21С/8С, еи.„ » ен.т- п / [1+0,05(п-1,4)1с /Е>ип].

Расчетные (для 1с/ ОИП от 0,1 до 10) и экспериментальная (для 1С=0,3 м; Пип= 0,1 м; Цф=240) зависимости е„.п / еип; при п =2-5 приведены на рис. 25 (расчетная и экспериментальная кривые практически совпадают). Анализируя характер зависимостей, приведенных на рис. 25, и выражение для еип, можно сделать вывод, что для практически используемых 1с / Вип >3 увеличение числа стержней "п" свыше 5 вряд ли целесообразно. Такой эффект "насыщения" объясняется тем, что при п> 4 рост суммарной э.д.с. ИП за счет увеличения "п" компенсируется уменьшением э.д.с. одной секции, что обусловлено уменьшением Цф.с.

Выводы, касающиеся увеличения выходной э.д.с., справедливы в равной степени для активных ИП с магнитными сердечникам (напри-

мер, для ФМП).

"и.п

а, а, /

/... а,

Ои п

Г I I

1>*л 1

—■—

2

-7.3 -10

_]_I_I_I_и

___--5

Рис. 24. Варианты расположения стержней в многостержневых индукционных преобразователях

— расчет, ----- эксперимент

Рис. 25. Зависимости выходной э.д.с. индукционного преобразователя при изменении числа стержней

Б) Анализ взаимного влияния секций ИП, используемых в СИ с суммированием по частотным поддиапазонам

Особенности суммирования сигналов рассмотрены выше при отсутствии индуктивной связи между секциями ИП, т.е. при условии независимости работы секций. В реальных условиях влияние секций друг на друга может привести к изменению их выходных сигналов и, следовательно, к появлению погрешности.

В [16,44] показано, что в СИ, использующих метод суммирования по частотным под диапазонам, погрешность из-за взаимного влияния секций, в основном, определяется секциями двух соседних частотных поддиапазонов. В СИ МИ с использованием суммирования по частотным поддиапазонам эквивалентная площадь (¡+1)-й (высокочастотной) секции ИП существенно меньше, чем ьй (низкочастотной). Поэтому погрешность из-за влияния индуктивной связи секций определена как погрешность, обусловленная влиянием вносимых параметров ¡-й секции ИП в индуктивно связанную с ней (1+1 )-ю секцию, а именно, как изменение коэффициента преобразования выходной цепи (Н-1)-й секции.

Наиболее целесообразно, с точки зрения улучшения эксплуатационных характеристик СИ (уменьшения погрешности от неоднородности МП, увеличения помехоустойчивости) и улучшения технологичности конструкции ИП, секции выполнять в виде цилиндрических катушек. При этом, для обеспечения необходимой диаграммы направленности,продольные геометрические

оси секций должны быть параллельны, а для уменьшения общих габаритов ИП геометрические центры осей должны лежать в одной плоскости, перпендикулярной их продольным геометрическим осям, т.е. практически магнитным осям (рис. 26).

Для рационального использования объема ИП в реальных конструкциях секции выполняются равной длины 1к и при замене реальных секций эквивалентными соленоидами с диаметрами и Ц-ц, равными средним диаметрам катушек соответствующих секций 1 и 1 -Ы, для 1к>Бь 1К> в [16, 45] получено выражение для максимального значения 5ВЛ (5вл.макс) при работе секций в режиме близком к холостому ходу

а*

XI

Ом

5вл.маю ~ Ь К и.с /(8 С ; ),

•Л/2

Рис. 26. Эквивалентное замещение двухсекционного индукционного преобразователя

где Кис = М / (Ь^Ьц ] ) - коэффициент индуктивной связи; М - взаимная индуктивность; Ъ, , Ьщ - индуктивность секций 1, ¡+1; Ь =(81/81+1 )(Ь;ц - коэффициент пропорциональности. При малых расстояниях между осями секций, когда х; < 1к, ^ > Б^ц, 1к / 0,>1, с & 1/(8сХ| р; Ь) и для оббспсчсния 5ВЛ ^ $вл макс нужно р^ 0,044 /[(5™)1/2 а; И, где о^ Чк/ Д - относительная длина 1 - той секции; р, = хД>| -относительное радиальное смещение (14-1) секции относительно {- той секции; ^ = О01 / (2И;ВХ);

О« - собственная частота ¡-той секции; 11|ВХ- активное сопротивление нагрузки 1 - й секции. Для реального двухсекционного ИП с длиной катушек 1к = 20 мм, состоящего из первой секции с эквивалентной площадью £!(1^.п =1,17 м2 и средним диаметром 131=6,5 мм и второй секции с эквивалентной площадью 8<2)„.п =0,008 м2 и средним диаметром 02=2,0 мм, при ^¡=0,05 (К < вх=1 Мом, С 1=0,4 Гн ), П„,- /(2тс)=40 кГц и Х;=8,5 мм экспериментально было получено 6ВЛ=4%. Расчетное значение Х1=9,3 мм. Уменьшая Я (вх, можно уменьшить 5ВЛ (или при том же значении 5ВЛ уменьшить х,). Уменьшите К, вх до 300 кОм, не приводящее к измененшо коэффициента преобразования секции ИП1 в ее рабочем поддиапазоне частот (20 - 2000 Гц), практически исключило взаимное влияние секций для рассматриваемой в качестве примера конструкции индукционного преобразователя.

Интересной конструкцией ИП с резко отличными эквивалентными площадями является предложенная в [43], когда в качестве каждой последующей секции (кроме секции с наибольшей эквивалентной площадью) используется пк одинаковых, включенных последовательно и согласно катушек. Причем эти катушки располагаются вокруг наиболее низкочастотной секции ИП в плане симметрично, под равными углами относительно друг друга, так. что магнитные оси всех секций параллельны. Благодаря такой конструкции ИП его магнитная ось совпадает с геометрической во всем диапазоне частот, что увеличивает точность при измерении неоднородного МП. Разделение секций па несколько катушек уменьшает индуктивность секции в "пк" раз и в (пк )1/2

раз уменьшает взаимную индуктивность между этими секциями и секцией с наибольшей эквивалентной площадью, и соответственно уменьшает погрешность неравномерности АЧХ, или, при прочих равных условиях, позволяет сблизить секции, т.е. уменьшить габариты ИП и уменьшить погрешность от неоднородности МП. Конструкция в виде двухсекционного ИП (для высокочастотной секции пк =3) реализована в микротесламетре Г703.

В таких ИП уменьшение влияния секций друг на друга достигается, в общем случае, увеличением расстояния между ними, что не всегда приемлемо, особенно, при измерениях в ограниченных объемах.

В [46] предложена конструкция, в которой уменьшение влияния секций друг на друга обеспечивается путем создания в объеме (¡+1) -й (высокочастотной) секции двух противоположных по направлению и одинаковых по значению магнитных потоков, обусловленных МИ В1 и В3 и создаваемых катушками 1 -й (низкочастотной) секции (рис. 27,а). В этом случае равна нулю и п, и, X-

взаимная индуктивность между секциями "Г' и "0+1)"- Низкочастотная секция состоит из двух частей - двух последовательно и согласно включенных концентрических катушек 1 и 3, в зазоре между которыми помещена высокочастотная секция 2.

Изменяя соотношения между и а2, можно обеспечить равенство нулю взаимной индуктивности между секциями . Для уменьшения объема ИП целесообразно выполнить катушки одинаковой длины, Я (+21^ «Кз , заполняя каркасы катушек 1 и 2 обмотками полностью, а равенство нулю взаимной индуктивности обеспечивать изменением соотношения числа витков Wl и "ЭДз (для катушек 1 и 3). Заменив реальные катушки эквивалентными контурами, в [47] проведен расчет взаимной индуктивности между катушками 1 и 2,2 и 3 с целью определения условий их равенства. На основании проведенного расчета построен график (рис. 28) зависимостей Wз ЛУ1 от отношения радиусов Из /для разной относительной длины катушек 1К/.

. По результатам расчета был изготовлен ИП со следующими параметрами: "^1= 7500; 265; 2000 (число витков катушки секции 2); Я]=5 мм; 1К=20 мм; 1^2=1,5 мм, у которого влияние между секциями не обнаружено. Использование в качестве высокочастотной секции пк (например, трех, как это изображено на рис. 27, б) одинаковых, включенных последовательно и согласно катушек (2', 2", 2"'), располагаемых в зазоре между катушками 1 и 3 низкочастотной секции, в плане симметрично под равными углами относительно друг друга, аналогично выше изложенному, увеличивает точность при

Рис. 27. Индукционный преобразователь с уменьшенным влиянием низкочастотной секции

измерении неоднородных магнитных полей благодаря совпадению магнитных осей секций и уменьшает общий диаметр ИП. Значительное ослабление взаимной индуктивности между секциями можно получить, поместив каждую секцию ИП в магнитостатический Рис. 28. Зависимости ЧУз / от от- трубчатый экран, например, по [48]. ношения радиусов катушек высоко- При этом экраны должны быть не частотной и низкочастотной секций замкнуты (иметь разрез параллельно индукционного преобразователя при оси секции) и для уменьшения разных относительных длинах кату- емкостной связи соединены с общей шек низкочастотной секции точкой СИ. Применение магнитных

материалов предопределяет область использования такого ИП в относительно слабых магнитных полях (измеряемом и внешнем, в том числе, постоянном), не приводящих к изменению магнитных характеристик трубчатых экранов (как правило, к уменьшению проницаемости экранов), ибо, в противном случае, увеличивается влияние секций друг на друга.

В [16] показано, что в СИ первой производной применение суммирования по частотным поддиапазонам не всегда целесообразно, ибо расширение частотного диапазона не приводит к увеличению отношения сигнал/шум. Если же значение индуктивности каждой секции соответствует оптимальному с точки зрения отношения сигнал/шум, то обеспечивается его увеличение, но при этом не достигается расширение частотного диапазона. В настоящее время в СИ первой производной получило распространение суммирование сигналов работающих во всем частотном диапазоне секций многостержневого ИП с числом стержней равным 4, хотя известны СИ первой производной [49] с использованием суммирования по частотным диапазонам.

Таким образом, сформулированные рекомендации по проектированию секционированных широкополосных ИП, предназначенных для построения СИ с использованием методов суммирования, позволяют произвести расчет и выбор наиболее рациональной конструкции ИП для средств измерений с учетом условий эксплуатации и предъявляемых технических требований.

Метод суммирования по частотным диапазонам применим не только для СИ магнитной индукции с секционированным ИП, но и для СИ с комбиниро-

ванными магнитоизмерительными преобразователями, когда в разных частотных поддиапазонах работают МИП разных типов (например, ПХ и ИП [50], ФМП и ИП [51]).

3.1.2. Средства измерений с ферромодуляциопными преобразователями

Необходимость и целесообразность применения ФМП для построения СИ переменных МП возникает в тех случаях, когда порог чувствительности с помощью ИП обеспечить не удается. Особенно это характерно при измерениях в инфразвуковом частотном диапазоне и при ограничении размера МИП [29, 30, 32]. Имея независимый от частоты измеряемой МИ (в определенных пределах) коэффициент преобразования, ФМП позволяют строить СИ переменных МП, начиная от "нулевой частоты"

Если сигнал, обусловленный МИ постоянного и переменного МП, не превышает диапазона линейности ФМП и ИЦ, то выделить полезный сигнал (обусловленный МИ переменного МП) возможно применением включенных на выходе ИЦ (по огибающей) фильтров верхних частот и тогда нижняя граничная частота СИ определяется характеристикой фильтра. Расчет такого фильтра не отличается от обычного и автором не рассматривался.

При ограниченном диапазоне линейности возникает необходимость в компенсации МИ постоянного МП и тогда нижняя граничная частота СИ зависит от схемы компенсации. Для такого случая вопросы, связанные с нижней граничной частотой, будут рассматриваться ниже при рассмотрении методов уменьшения влияния МИ постоянного МП.

При определении полосы пропускания СИ с ФМП будем считать, что нижняя граничная частота ¥„.И = Ои н /(2л) измеряемой МИ определяется цепью разделения сигналов, обусловленных постоянной и переменной МИ или цепью компенсации постоянной МИ, а на значение верхней 1раничной частоты Ри.в = /(2я),из-за того что Ри.в »?„.„,цепь разделения (или компенсации) влияния не оказывает,и поэтому диапазон частот измеряемой МИ (полосу пропускания) здесь целесообразно характеризовать частотой £2И.В, на которой изменение коэффициента преобразования по сравнению с его значением на частоте Ц,=0 не превышает допускаемого 8Г. В широкополосных СИ ФМП используется, как правило, в режиме холостого хода или при работе на активную нагрузку, когда можно считать его безинерционным [4], а коэффициент преобразования неизменным в широком диапазоне частот. Цепь обратной связи (при ее наличии) также можно считать безинерционной. Таким образом только фильтр полосовой (ФП) и устройство выделения синфазной составляющей (фазочувствительный детектор-ФЧД или детектор скважности - ДС), благодаря наличию в нем фильтра нижних частот, имеют частотно-зависимые коэффициенты преобразования и, следовательно, общий коэффициент преобразования СИ может быть представлен обобщенным выражением [4,16, 52]

Ф(Пи)=Ф(0) /[Ча/Ос)2 + 4\2{€1л Юс)2]1/2, где Ф(0) - коэффициент преобразования СИ при £2И=0; £ и Ос - декремент затухания и эквивалентная собственная частота СИ.

Для СИ без обратной связи и при использовании в ФП одного резонансного контура и Ф(йи) с увеличением частоты Пи монотонно уменьшается. В тех случаях, когда в ФП используется полосовой фильтр типа "к' ' или когда СИ построено по автокомпенсационной схеме, возможно £<1 и при £<0,707 на частоте fiM=Qc(l-2i;2)l/2 будет максимум Ф(Ои).

В табл. 2 сведены полученные автором в [16, 52] выражения для Q„.B,i; и Qc в зависимости от структурной схемы, ФП, ФЧХ (ДС) и соотношения между их параметрами. Из сравнения выражений можно сделать следующие выводы. У СИ, работающего без обратной связи, полоса пропускания при использовании в ФП одного резонансного контура меньше, чем при использовании фильтра эквивалентного фильтру типа "к" в 1,8/{(§F)1/4 [1 - 1,41(5Г)1/2]Ш} раз. Для СИ, работающего с обратной связью, увеличение числа контуров в ФП уменьшает полосу пропускания. Если значения параметров ФП и ФЧД (ДС) одинаковы при наличии и при отсутствии обратной связи по В„, то, естественно, полоса пропускания СИ с обратной связью больше, чем без обратной связи, если сохраняется условие Е,> 1. Если же без обратной связи ç> 1, а при ее наличии значение £, изменяется так, что \< 1, то введение обратной связи может привести и в этом случае к уменьшению Г2ИВ. Если в СИ используется фильтр типа " к", то при работе без обратной связи полоса пропускания больше, чем с обратной связью. На рис. 29 приведены графики [4, 16, 52], построенные на основе расчетов, проведенных в [52] при условии сохранения параметров ФП и ФЧД при наличии и отсутствии обратной связи (T®=2Q Q=©o /Аса и Ао) - эквивалентная постоянная времени, добротность и полоса пропускания ФП и ФЧД на уровне 0,7 по несущей частоте со0 второй гармоники частоты возбуждения ©i).

Используя рис. 29, можно при заданной верхней граничной частоте определить необходимую частоту возбуждения fi=(0] /(2п)=ю0 /(4л) в зависимости от допускаемой погрешности неравномерности АЧХ СИ. Например, при Of=5 % в наилучшем из рассматриваемых случаев (кривая 1) йи„=0,75(ия • Дсо / ш0. Для обеспечения F„.B= Д,.„/(27г) = 20 кГц при Аш/шо =0,1- 0,2 необходимо иметь fj =70-140 кГц. Графики приведены для ç=çM, когда полоса пропускания максимально возможная. Необходимо, однако, заметить, что использование режима £,==£м предусматривает стабилизацию значения Е,, так как малейшее изменение Е, приводит к уменьшению верхней граничной частоты. Поэтому целесообразно выбирать такие значения когда изменения с, практически не влияют на полосу пропускания, но позволяют получить требуемое значение □„.„. Хотя это уменьшает Q„.B по сравнению с максимальным возможным зна-чением в 2-3 раза, но позволяет обеспечить большую стабильность характеристик СИ. И только в том случае, когда по условиям эксплуатации . удается обеспечить большую (требуемую) стабильность параметров схемы, определяющих можно рекомендовать режим Е,=<;м. Применение ФМП для

Таблица 2

Номер кривой на рис. 29 Полосовой фильтр Режим работы ИИП Верхняя граничная частота Пнв Параметры О, £,, Ф(0)с

4 Резо-нанснй контур * Без обратной связи П„,»[М2£2-1)]1/2Ос» . «1,41[5р/(Т2ф1 + Т2д1)]1/2 Ф(0)==С|=С1ф„ „ Оф п Оупц; Ос=1/(Тф1Тд1)1/2; ^=0,5(Тф1 + Тд1)/ (Тф1 Тд1)1/2>1

1 Тип К Я„.в*1,8Пс(8Р)1/4И ~0,9<а0(5р)1/4[(пф Ф(0)=0,/(1+пф): 4=0,5«3,+(Мпф/(1+Пф) 0,03]1/2>§„; £2с=0,5шо[(1+Пф)/<г,<22 пф]1/2; ^0,84[0,707ф)1/2]ш

Пй„=[1,8/ Тф|][(пф +1)/Пф]"2(5р)"4; П„=2,55СеР)1/4/{Тл,| Г1-1 .41(5р)1/2Г,/2} При 2(3|/м(1=2<32/о>„=Тф1

2 Резо-иаисяй контур С обратной связью Пив«1,Шс(бр)1/4; П,,=1,27(8Р)1/4/Тф2 [1-1,41 (Зр)"2]'"2 Ф(0)=С1/(1+о, сЗцсс); Пс=[(1+0, ОЦ0.с)ЛГф,Тд1]ш; I = (Тф1 + Тф2)/2 [(ТфаТдХИО, Сад.с)]1/2; £,>£„ приСт, 01|ОС>10, ЙР<0,1

3 Тип К П„,«1,27 (брУ^/Хккф.н Г1-1,41(бр)1/2]'|/2 При О] С1цос>10 погрешность 6р<0,1

Таблица 3

Номер кривой на рис.32 РцО^и) ^и.н Необходимые параметры ЦОСК при заданных п„„ и 6рв Условия расчета

1 и2 (3„.0/(1+]п„т„о) Ао.с/тцо(23ри)"2 ао.с/(28р„)1д п„ „ Г0,7/Пи,„{6р„)"211п(А„.сл2лз)

3 и 4 Рцо/(1+|Питщ)2 (Ао.с /5рн)1д/тц1 тщ2(А0.с/бр„)ш/Пнн [(А,с/5гв)1/2)/пи„]1п(А[>,г12т,3) Аос>4;

5 и 6 РиоО+^иТцзУ /(1+]оитц2)2 [1,2(А0.с)1/4/(8Ри),У:г/тц2]х х[1+(1+ Ао.с 8г„/4)1в] ш ^=[1 ,2(А0.с)1М/(8РН)1'2/Пи.н] x хГ^СИ-Аосб^А)"2! т [1,4ти2/(А0.с)ш]1п(1,4А0.ол2г1з) Тцз(А0с/2)1И/Т112= =1

Ряс. 29. Зависимость относительной полосы пропускания средств измерений с ферромодуляци-онными преобразователями от допускаемой неравномерности амплитудно-частотной характеристики

построения СИ МИ частоты большей, чем 40-50 кГц (частота возбуждения при этом даже в наилучшем случае при должна быть не менее 200-300 кГц, а реально лучше 500-1000 кГц), вряд ли целесообразно, так как на этих частотах проще реализовать необходимое значение коэффициента преобразования СИ с помощью ИП. ФМП наиболее перспективны при измерении МИ звуковых и инфрозвуко-вых частот при ограниченных размерах МИЛ. Кроме того, повышенная частота возбуждения приводит к тому, что электромагнитное поле радиопередающих станций, наименьшая частота которых близка к 150 кГц, оказывав тся в полосе частот СИ. Индукционные наводки, обусловленные помехами, повышают реально достижимый порог чувствительности СИ. С этой точки зрения частоту возбуждения ФМП нецелесообразно иметь больше 125-150 кГц.

В [4, 51] рассмотрено СИ, сочетающее достоинства ИП и ФМП, основанное на использовании их в разных частотных диапазонах и последующем суммировании сигналов (рис. 30). ФМП, ФП, УЛЬ ФЧД, и А3| формируют

АЧХ в низкочастотном

Vcм ~ВИ

ВИ(£ЗД

Рис. 30. Структурная схема комбинированного средства измерений

диапазоне; ИП (в качестве которого используется обмотка ФМП), А32, А33-в высокочастотном. Обеспечивая равенство постоянных времени АЗ) и А32 аналогично изложенному выше, СМ формирует АЧХ во

всем частотном диапазоне.

3.1.3. Средства измерений с преобразователями Холла Для СИ с преобразователями Холла (ПХ) наиболее специфическими помехами являются магнитные и электрические помехи с частотой равной частоте измеряемой МИ. Эти помехи являются основными причинами, ограни-

чивающими частотный диапазон СИ, ибо вызывают появление возрастающего с увеличением частоты помехи напряжения индукционных наводок на ПХ и подводящие провода (линии связи). Хотя по физическому принципу работы ПХ являются практически безинерционными элементами, указанные факторы ограничивают частотный диапазон СИ с ПХ.

Представляя Вн = Вим 5т(Пи I), обусловленная индукционной наводкой за счет В„ погрешность 6И1( = [(1Д + и2ин )1/2 - ис ] / ис и при 5ИН « 1 будет 5ИН » 0,5 (иин / ис)2 , а верхняя граничная частота Пи.в »1,4 (6,щ)1/2 Оп х Ют. Здесь ис = В„.м 0„.х и и„„ =ВИ „ 0„ Оин - напряжения полезного сигнала и ин-дук-ционных наводок; Опх и 0„„ - коэффициенты преобразования ПХ по полезному сигналу и цепей ПХ по индукционной наводке.

При управлении ПХ переменным электрическим током частота полезного сигнала (выходное напряжение ПХ) отлична, в общем случае, от частоты внешних индукционных наводок, в том числе, обусловленных В„, и их влияние практически можно исключить. В таких СИ, как и в других, работающих на несущей, необходимы устройства (например фильтры верхний частот) выделения полезного сигнала, обусловленного МИ переменного МП. Порог чувствительности таких СИ больше [3], чем при управлении ПХ постоянным током, в том числе, из-за электромагнитных наводок частотой близкой или равной частоте несущей, в том числе, из цепей управления ПХ. Наибольшее распространение получили СИ с управлением ПХ постоянным электрическим током.

В [4, 5] рассмотрены методы уменьшения влияния индукционной наводки в СИ с ПХ, управляемым постоянным электрическим током, в том числе, вновь предложенные [54 - 57]. Ранее известные методы, основанные на уменьшении площади петли, образованной подключаемыми к ПХ проводами, не исключают влияние наводок на саму пластину ПХ. Методы, основанные на применении компенсационной петли, требуют сугубо индивидуального подбора ее размеров, зависящих от диапазона рабочей температуры МИП, и также не позволяют существенно расширить частотный диапазон, особенно, когда ПХ предназначен для измерения одной составляющей, а не модуля вектора МИ. Использование двух ПХ приводит к усложнению линии связи между МИП и ИЦ, к увеличению размеров МИП, что при измерении МИ в рабочих объемах и зазорах не всегда допустимо. Более перспективным [4, 5] представляются вновь предложенные метод и структурные схемы СИ магнитной индукции с преобразователями Холла [54 - 57].

В основу предложений (рис. 31) положено управление ПХ периодическими импульсами, а в ИЦ происходит вычитание двух напряжений, одного, обусловленного суммой напряжения Холла и индукционных наводок, другого, обусловленного только напряжением индукционных наводок. Напряжение, обусловленное наводками, создается одними и теми же элементами (цепи, ПХ) в режиме измерения полезного сигнала и помехи. Это представляется основным преимуществом вновь предложенного метода, ибо изменение

внешних условий работы МИЛ не сказывается на эффективности компенсации, размеры МИЛ не увеличиваются.

В СИ по схеме рис. 31 в течение времени действия импульса тока управления 1у, создаваемого генератором прямоугольных импульсов (ТЛИ), ключ КЛ2 закрыт, ключ КЛ1 открыт, во время паузы - наоборот. Выходные напряжения ключей КЛ] и КЛ2 и,(г)=(и2с1 +и2и„1)1/2|>т(аи ^ + ап^ (иин1 / ис))] и = ии.„1 со5(Ои 0, где ис1 = Оп х Оу л Вим, и„.Н1 = 0„.„ Оу.„ Ви.м , Оу;1 - коэффициент преобразования усилителя линейного (УЛ). Выходные напряжения преобразователей переменного напряжения в постоянное (ППН1 и ППН2) Ц7! = и2с1 +- и*я.н1. и'2 = и2и.„1 существуют в течение всего периода работы ГПИ, а выходное напряжение сумматора (СМ) исм = и„ ~ В2И М. В СИ по [56] обеспечивается Ц, ~ Ви м? для чего на выходе СМ введено устройство извлечения корня квадратного, а для повышения быстродействия СИ введены два противофазно управляемых от ГПИ запоминающих устройства, включенных после 1111Н1 и Г1ПН2, благодаря чему осуществляется «обнуление» входных напряжений СМ.

Рис. 31 - Структурная схема средств измерений с преобразователем Холла с вычитанием индукционной наводки

В рассмотренных СИ уменьшение влияния индукционной наводки осуществляется для сигналов пропорциональных интегральному значению В„.

Схему [57] можно использовать дня построения СИ, предназначенных для анализа и регистрации формы кривой Ви.

В рассмотренных СИ входной сигнал устройства представления информации (УПИ) теоретически не зависит от частоты Ои. Недостатком СИ по схеме [57] является их относительная сложность, и в том случае если уменьшение индукционных наводок необходимо только при измерении интегральных значений, то целесообразно использовать СИ по схеме рис. 31 или по [56]. Последнее использовано в тесламегре Г701.

3.2. Уменьшение влияния постоянного магнитпого поля, действующего

При построении СИ магнитной индукции возможны два варианта: постоянное МП входит в полосу частот измеряемой МИ или СИ должно измерять только МИ переменного МП.

на мапштоизмерительный преобразователь

В СИ МИ только переменного МП влияние постоянного МП существенно зависит от типа используемого МИП и от структуры СИ. Если в СИ используется МИП, выходной сигнал которого по принципу действия отсутствует при действии постоянного МП, то последнее не оказывает влияния на результаты измерений МИ переменного МП, например в СИ с неподвижными ИП без сердечников. Иногда влияние постоянного МП проявляется только как изменение параметров МИП, например в СИ с неподвижным ИП с сердечником. Для СИ, использующих ИП с сердечниками из ферритов, рекомендованных, в том числе, ввиду их меньшей чувствительности к акустическому полю, постоянное МГ1 с МИ до 100 мкТл не приводит к увеличению погрешности, по крайней мере, для сердечников реальных размеров с проницаемостью формы не более 400 [16]. Однако, когда по принципу работы выходной сигнал МИП не зависит от характера МП (постоянное или переменное), суммарное магнитное поле может привести к перегрузкам звеньев СИ (как МИП, так и ИЦ) и, как следствие, к погрешности измерения и даже к потере работоспособности СИ.

Если значение постоянного и переменного МП не превосходит диапазона линейности СИ и возможно частотное разделение сигналов, пропорциональных постоянному и переменному МП, дополнительной погрешности при измерении величин переменного МП в статическом режиме работы СИ не возникает. Вопрос об уменьшении влияния постоянного МП возникает при построении высокочувствительных СИ, когда постоянное МП может превышать измеряемое переменное в десятки и сотни раз. Чтобы исключить влияние постоянного МП, его значение в объеме МИП не должно превышать допускаемого, это осуществляется цепью компенсации.

3.2.1. Общие вопросы компенсации постоянного магнитного поля

В [3,4, 16, 32] определены требования к цепи компенсации, предложен и теоретически исследован ряд новых струтурных схем помехоустойчивых относительно постоянного МП средств измерений переменного МП с ферромо-дуляционными преобразователями, что .однако, не меняет общности рассуждений. Рассмотренные методы и соответствующие структурные схемы могут быть применены и при построении СИ с другими МИП, чувствительными к постоянному МП.

Требуемый коэффициент ослабления постоянного МП Кк>В0Н /Вд= Вон / (Вл-В ш), где Вд - допускаемое значение МИ постоянного МП на выбранном диапазоне (пределе) измерений СИ; Вл, Вик -диапазон линейности и максимальное значение Ви на выбранном пределе измерений; Вон — максимально возможное значение МИ (В0) постоянного МП.

Допускаемая погрешность установки и нестабильности магнитной индукции компенсации BK=Bt0(l+8y.K) с учетом Вд > | Вон-Вк i бу.к^(Вд-1 Вон-Вко IУ В КО'

Для уменьшения требований к компенсационной цепи КЦ, создающей Вк, целесообразно Вон=Вко.

Допустимый коэффициент пульсаций источника, создающего Вк;

Кп<Вин/(Вон п„),

где пп= Вин /Вп - отношение порога чувствительности ВШ1 к допускаемому уровню помех В„, обусловленному пульсациями Вк в полосе частот измеряемой В„.

Оценены свойства СИ со схемами компенсации постоянного МП: ручной; автоматической следящей, в том числе, при использовании дополнительных компенсационных ФМП и канала; с динамической и комбинированной; с компенсацией внутреннего поля в сердечнике ФМП.

Для каждого из рассмотренных СИ определено значение допускаемого (возможного) коэффициента подавления, время компенсации гк и нижняя граничная частота П„,„ . В том случае, когда требуемое ослабление постоянного МП не очень велико (не более 1000-2000 раз), мощность выходного устройства ИЦ достаточна для создания тока, компенсирующего постоянное МП, и перегрев ФМП током компенсации не превышает допускаемого, наиболее целесообразен метод следящей компенсации с помощью отрицательной обратной связи (ЦОСК), эквивалентной одному или двум апериодическим звеньям. Неравномерность АЧХ, вносимая ЦОСК на частоте Ои„ при заданной погреш-ности 5Р„, определялась из 5гн= [Ф„.ц (□„ нН-гп.ц]Л]гп.ц, а время компенсации ^ из Ф0(]£2и)=ОПц Р0Ои)/[1+Опц р (]□„)], для функции преобразования СИ по постоян-ному МП в области низких частот (□„ < Пи.„) , где инерционностью всех узлов, кроме ЦОСК, можно пренебречь. Здесь И.Н п.ц Р0^и.н)]1и Оп.ц=Сф.мСи,ц-козффициентьг передачи СИ

на частоте Пи „ и на частоте, где искажения АЧХ, вносимые ЦОСК, практически отсутствуют; Оф.ш 0„.ц - коэффициенты передачи ФМП и ИЦ на частоте, где искажения АЧХ, вносимые ЦОСК, практически отсутствуют; Р(] □,,.„)] -коэффициент передачи ЦОСК.

В СИ с автоматической статической компенсацией Вк создается током, протекающим через цепь обратной связи ЦОСК. Необходимая глубина обратной связи по постоянному магнитному полю Ао.с=1+Оф.мОн.црцо, определенная из соотношений ВЛС=ВД-ВЛ.Д , г)3 =ВЛ С /Вдд, Кк> Вон/Вл , равна А0.с>Кк(1+т1з) / г|3. (Здесь рцо - коэффициент преобразования ЦОСК при Г2И=0; Вд с и Вд.д- статическая и динамическая погрешности недокомпенсации).

В [3, 4, 16, 32] получены выражения для Оин и ^ (табл. 3) и приведены графические зависимости ( рис. 32) относительной нижней граничной частоты □ИЛ1Тц2, С1„.„Тць. 0И цТ2 и относительного времени компенсации С1„.н^ от глубины обратной связи при 8г равной 1 и 5%, п2=В(/Вом=1. Кривые 1,2 для р (]Ои)=рцо/(1+]^итпо); кривые 3,4 - для Р (фи)= Рцо/О+^Дш)2 (А<,с>4; £)„.„<□„.„); кривые 5,6 - для Р (¡^и)=Рпо(1+^Дз) /(1+А,тц2)2 , где тц3=ти2 (2/А0С)1/2.

ПинЧ

я ..I,

^ инт ц2

1, 2, 3 - для 5рн =1%; 2,4, 6 - для 5Ги =5%;

Рис. 32. Зависимости относительной нижней граничной частоты (а) и относительного времени компенсации (б) от глубины обратной

связи

Использование одного апериодического звена при необходимости измерений переменной МИ низкой частоты ( Р„.н <10 Гц) из-за трудностей практической реализации требуемой постоянной времени возможно только при незначительной глубине обратной связи. Увеличение Рин увеличивает возможное значение глубины обратной связи, т.е. повышает помехоустойчивость отно-сисительно постоянного МП. Применение двух апериодических звеньев позволяет резко снизить требуемую постоянную времени, но увеличивает время 1К, особенно при больших Аос. Применение в ЦОСК сложного звена (кривые 5, 6) при малом 1к позволяет существенно уменьшить Ои н.

Уменьшить необходимую глубину обратной связи при том же коэффициенте ослабления постоянного МП и, следовательно, при прочих равных условиях, уменьшить Р„н и время компенсации позволяет СИ с двумя ФМП, один из которых используется для компенсации постоянного МП (основной его части) (рис. 33).

ФМП1 и ИЦ осуществляет преобразование Ви в сигнал и„ ~ В„, ФМП2 и цепь автоматической компенсации (ЦАК) используются для компенсации В0. ФМП1 и ФМП2 расположены соосно и неподвижно относительно друг друга таким образом, что постоянное МП, действующее на них,практически одинаково. С помощью ЦАК создается Вк2, компенсирующая основную часть В0, действующей на ФМПь Оставшаяся часть Вдс2 компенсируется В„1, создаваемой ЦОСК,до уровня Вд сь аналогично выше изложенному. Общий коэффи-

В„

и„~в„

ФМП1

В«2

ФМП2

ЦАК

и

Рис. 33. Структурная схема средств измерений с двумя ферромодуляционными преобразователями

циент подавления Кк=Кк)Кк2 (Кк)=В0 /Вд.с2, Кк2=Вдх2/Вд с1). При К2>1 в СИ, выполненном по схеме рис. 33, возможно уменьшение П„н и ^ и увеличение допускаемого значения В0.

Снизить требования к глубине обратной связи также можно, осуществляя частичную компенсацию постоянного МП ручным методом до такого значения, при котором работает автоматическая следящая компенсация.

3.2.2. Расширение диапазона внешнего постоянного магнитного поля, действующего на магнитоизмерителъные преобразователи в средствах измерений переменного магнитного поля

Если допускаемая энергия рассеивания ФМП ограничивает возможности рассмотренной непрерывной компенсации, то целесообразны СИ с прерывистой обратной связью по постоянному МП, аналогично изложенному в п.2.3.2.

Применение ФМП специальной конструкции, в которой осуществляется компенсация МИ внутреннего поля [16, 58], позволяет снизить необходимую мощность для создания индукции компенсации даже в непрерывном режиме и тем самым, при прочих равных условиях, снизить температуру перегрева ФМП или при той же температуре увеличить допускаемое значение постоянного МП.

В большинстве практических случаев коэффициент преобразования ФМП по длине сердечника стремятся обеспечить постоянным и тогда условия компенсации МП в ФМП

ср,

где Ькхр и Ьп.ср - средние по длине сердечника внутренние МП компенсации и помехи (в данном случае постоянное МП).

Внутреннее МП связано с внешним соотношением

Ьп.ср Цг.п /(цп Но), И тогда Вк= Вп [(ц™ /цп)/( И™ /Цк)1.

При Цт.п /Ц-п-|Аг.к /ц-к имеем Вк = В„, т.е. осуществляется компенсация внешнего поля помехи внешним компенсационным.

При ц„= цк, цп> цф.„, Цк > Цф.к, если Цф.к>Цф.т тоВк<В„. Здесь Ц™,, Цф.*, магнитные проницаемости тела, формы и материала сердечника по отношению к компенсационному полю; Цт.п, Цф.„, рп - магнитные проницаемости тела, формы и материала сердечника по отношению к полю помехи.

Если сердечник по отношению к полю помехи разомкнут, а по отношению к компенсационному замкнут, то Цф к и рк и условие цк ~ Цф.к > Цф.„ выполняется.

Это можно выполнить, например, используя кольцевой сердечник (рис. 34,а). Индикаторная (измерительная) обмотка \\ги расположена на одной

стороне сердечника, обмотка возбуждения \*/в-по всему сердечнику. В качестве компенсационной можно использовать Х^в или Магнитная индукция поля компенсации в полукольце 1 направлена навстречу магнитной индукции внутреннего поля помехи, а в полукольце 2 - согласно.

Эксприментально определенное отношение Вп / Вк для ФМП на кольцевом сердечнике (рис. 34,а) М2,5 - 3/1,5 - 40 из пермаллоя 79НМ с числом витков обмоток >УВ='№К=34 (\УК - обмотка компенсации), =30, при токе возбуждения 11=1„ со5(2л^1), где 1М =0,3 А, ^ =150000 Гц, для относительно малых значений МИ (В„ < 5 10 "4 Тл) оказалось Вп / Вк=4,8. Магнитное состояние сердечника ФМП, продольно возбуждаемого переменным магнитным полем, определяет дифференциальная магнитная проницаемость, постоянная составляющая которой

-я

Расчетное значение проницаемости

[В5 /(Цо % Ь5)] [п-2 агссов(Ь5 /Ьа)]« 300, где , Ь0 - поле, соответствующее индукции насыщения материала В5 и амплитуда внутреннего поля возбуждения.

Для пермаллоя 79НМ толщиной 3-Ю"6 м:В5» 0,75 Тл, Ь5 «8 А/м, для при-ве-денного примера Ьв~1300 А/м, а проницаемость формы сердечника относительно внешнего Вп Цф.пв 40. Тогда расчетное значение Вп/ Вк « цк/|%пй 7,5.

ВИ|ВЛ 1 Вй|вп Вй|вп

Рис.34. Ферромодуляционный преобразователь с компенсацией внутреннего поля в сердечнике

Ферромодуляционный преобразователь по рисунку 34,а не является дифференциальным со всеми вытекающими последствиями. Использование второго такого же сердечника (рис. 34, б) позволяет создать дифференциальный ФМП. Для такого ФМП с указанными сердечниками и током возбуждения и со следующими параметрами: число витков обмоток \УВ =ЧГ'В=22, W'и = ='^"„=20, Wк=15 (Ж'ви , У/'кн V/к - обмотки возбуждения, индикаторные, компенсационная), расчетное значение рк/(1ф.п» 14, экспериментально определенноеВп/Вк «14. Увеличение Вп/Вк по сравнению с предыдущим примером объясняется уменьшением поля возбуждения, что приводит к увеличению ¡лк.

В [59] приведена более технологичная конструкция дифференциального ФМП с компенсацией внутреннего ноля. Для увеличения коэффициента преобразования ФМП может быть использовано [60].

Ввиду того что магнитная проницаемость материала сердечника зависит от Ви и Вк (при больших значениях Вп и Вк) и, следовательно, ток компенсации, строго говоря, не пропорционален В„ (или Вк ), ФМП с компенсацией внутреннего поля можно рекомендовать только для компенсации поля помехи в СИ переменного магнитного поля.

В заключении этого подраздела нужно отметить, что хотя ФМП специальной конструкции существенно снижают требуемое значение МП компенсации, но сложность их конструкции делает в настоящее время наиболее целесообразным применение в СИ магнитной индукции переменного МП компенсации внешнего постоянного МП методом следящей компенсации с помощью отрицательной обратной связи. Если же температура перегрева ФМП током, создающим МИ компенсации, превышает допускаемую, возможна компенсация однополярными импульсами [21], но наиболее целесообразна прерывистая компенсация.

3.3. Влияние ферромагнитных масс

При измерении величин МП вблизи ферромагнитных масс используются, как правило, ПХ, ФМП и ИП без сердечников относительно небольших размеров.

В настоящем разделе изложены результаты исследований влияния ферромагнитных масс на СИ с ИП и ФМП. Исследование влияния ферромагнитных масс на СИ с ПХ проведены Хоревым В.Н., Щелкиным А.П.

3.3.1. Влияние ферромагнитных масс на индукционные преобразователи.

При измерениях вблизи ферромагнитных масс в СИ используются ИП, как правило, без сердечников в режиме близком к холостому ходу и, в этом случае, ферромагнитные массы изменяют, в основном, индуктивность и емкость ИП и, как следствие, их АЧХ [4, 61], т.е. приводят к изменению коэффициента преобразования ИП

8Ж = Ои„ж(0„) / Оип(П„) - 1,

где аи.п.ж(Пи) = Ьи.п Пя / [1 - (Ои/(П0)2 (1 - п) (1 - Ус)],

Ои п(Ои) = Ьн п □„ /[1 - (□„ /(Оо)2] - коэффициенты преобразования ИП вблизи ферромагнитных масс и при отсутствии их влияния на параметры ИП.

При 6Р « 1 (5р - частотная погрешность Ои п (ЗД при отсутствии влияния ферромагнитных масс) и при работе ИП в режиме близком к холостому ходу 5Р»(Пи/(а0)2 и 6ж/5р ~ - уь - Ус-

В [4, 61] проведен анализ влияния ферромагнитных масс на характеристики ИП, получены выражения для определения погрешности и приведены графики относительных изменений индуктивности уь~2Мн.п /Ъи.п (2МИЛ- взаимная индуктивность между реальным ИП и его двумя зеркальными изображениями, т.е. изменение индуктивности ИП при размещении его в зазоре между ферромагнитными массами) и емкости ус (рис. 35) в зависимости от р„= 1в /1К для разных аи.п=1к при размещении ИП симметрично в зазоре магнитопровода (здесь 1в, 1к- длина зазора и длина катушки МИП, - диаметр катушки). В случае если ферромагнитные массы расположены только с одной стороны ИП, то значения уь и ус на графиках должны быть уменьшены в два раза. На практике трудно обеспечить СХ«С„ (Ск, С„ - емкость ИП и приведенная к его выходу емкость нагрузки), поэтому относительные изменения емкости в этом случае существенно меньше приведенных значений и, следовательно, основной причиной изменения АЧХ является изменение индуктивности ИП (§ж / 5р «| уь I).

Уменьшение диаметра ИП, уменьшение верхней граничной частоты уменьшают влияние ферромагнитных масс.

— расчет; ------эксперимент

а) б)

Рис. 35. Относительные изменения индуктивности (а) и емкости (б) в зазоре магнитопровода

Хотя относительные изменения АЧХ ИП из-за влияния ферромагнитных масс не зависят от собственной частоты ИП, однако ее увеличение эквивалентно уменьшению влияния ферромагнитных масс. "Уменьшение собственной емкости ИП по сравнению с емкостью нагрузки также уменьшает влияние ферромагнитных масс.

Для нагруженных ИП кроме изменения емкости и индуктивности на изменение АЧХ влияет изменение постоянной обмотки по МП. Изменение постоянной теоретически приводит к изменению глубины внутренней обратной связи ИП, что, в свою очередь, изменяет

собственную частоту ИП. Однако ее изменения зависят от значения постоянной и для миниатюрных ИП этим влиянием можно пренебречь.

3.3.2. Влияние ферромагнитных масс на ферромодуляционные преобразователи

В ФМП ферромагнитные массы, изменяя постоянные обмоток, приводят, в общем случае, к изменению тока в цепи обратной связи и к изменению поля возбуждения ФМП с разомкнутыми сердечниками. Использование замкнутых относительно поля возбуждения сердечников позволяет вторую причину теоретически исключить. Н.С. Пигиной показано, что при реальных соотношениях размеров обмотки обратной связи (отношение диаметра к длине 0,1-0,5 и отношение длины зазора к длине обмотки 1-1,5 ), погрешность может составлять от единиц до десятых долей процента. Для уменьшения влияния ферромагнитных масс целесообразно уменьшать ак =DK / lK, ßK= ]в / 1к (DK, 1к -диаметр и длина обмотки).

3.4. Боковой прием

В ИП и ФМП обмотка распределена по длине сердечника (при отсутствии сердечника - по длине цилиндра) и каждый ее слой представляет собой виток, вектор площади которого направлен перпендикулярно продольной геометрической оси МИП. Это обуславливает появление бокового приема, приводящего к погрешности измерений

ПОП / G„p)k„tgQ6,

где G„on и Gnp, - коэффициенты преобразования МИП (ФМП или ИП) в поперечном и продольном направлениях; Об - угол между магнитной осью МИП и вектором МИ; к„ - коэффициент, учитывающий несовпадение магнитной и геометрической продольной осей МИП.

В [4, 62] получены аналитические выражения для определения влияния бокового приема в СИ с ИП и ФМП. Для реальных высокочувствительных ИП с наружным диаметром 0,1 м; длиной сердечника 1 м; продольным сечением сердечника 0,02 м ; длиной обмотки 0,5 м; числом витков 10000 и числом слоев 11-17 погрешность определяется, в основном, сечением сердечника

8б.„» (2-2,5) k„tgQ6 10"5.

Сделан вывод, что если магнитная ось ИП ориентирована вдоль вектора МП, то погрешностью, вызванной боковым приемом,можно пренебречь. Если

магнитная ось ИП перпендикулярна вектору МП, то погрешность может достигать весьма существенных значений. Ее уменьшение обеспечит увеличение длины сердечника, уменьшение его продольного сечения и обеспечение четного числа сдоев.

Для ФМП проницаемость тела сердечника цс» -длина

и площадь поперечного сечения сердечника ФМП) и при коэффициенте модуляции магнитной проницаемости сердечника в поперечном направлении 0,01-0,1

бел« [(0,1-1)52кслкц/(1с2 \У)] где Бг - площадь продольного сечения сердечника; - число витков; ксЛ = 0 при четном и к^л= 1 при нечетном числе слоев.

Для ФМП реальных размеров со стержневыми сердечниками 1с=10"2 м; ^У-300; 52=10"5 м2 при 1^=1; ки=1 5бя « (3-0,3) 10'4.

Уменьшение продольного сечения сердечника, увеличение его длины и числа витков индикаторной обмотки уменьшают погрешность. Обеспечение четного числа слоев обмотки теоретически исключает погрешность от бокового приема. Для ФМП с кольцевыми сердечниками при нечетном числе слоев в^иСк,,^)^.

Таким образом,наибольшую погрешность эффект бокового приема вызывает при использовании в ФМП кольцевых сердечников, и именно там, в первую очередь, необходимо производить ее оценку.

Погрешность от бокового приема равна погрешности из-за отклонения магнитной оси МИП от направления ортогонального вектору МИ на угол Р = (и/2-0б).

Для ФМП со стержневыми или пластинчатыми сердечниками с приведенными параметрами |3=0,017-0,17°; для ФМП с кольцевыми сердечниками (при "№=200-500) Р=0,17-0,34°; для ИП при 1С =0,3-1 м [3=1-5"; для ИП при 1С =0,01-0,02 м (3=1-10'.

Таким образом, если погрешность ориентации магнитной оси МИП превышает указанные значения Р в 2-3 раза, то погрешностью, вызванной боковым приемом, по сравнению с другими составляющими можно пренебречь.

3.5. Влияние гидроакустического поля на средства измерений и методы

его уменьшения.

Для измерений переменных МП плавсредств широкое применение получили СИ с ИП, имеющими из-за высокой чувствительности значительные размеры (длина ИП может достигать 0,3 - 1 м). Переменное МП плавсредств, особенно при измерениях "на ходу" сопровождается гидроакустическим полем (ГАП) и его влияние может быть эквивалентно 80-100 дБ измеряемой величины (ЧАМП), в то время как порог чувствительности СИ при отсутствии ГАП в диапазоне частот 1-5000 Гц составляет 70-80 дБ, поэтому уменьшение влияния ГАП является актуальной задачей.

С.Л. Скородумовым показано, что для повышения помехоустойчивости к ГАП целесообразны ИП с сердечниками благодаря меньшему влиянию ГАП на параметры ИП. Проанализированы методы уменьшения влияния ГАП, в том числе, путем вывода механической резонансной частоты ИП, на которой проявление помех максимально, за нижнюю границу рабочего диапазона частот измеряемой величины. Наиболее сложно уменьшить влияние ГАП, когда его частота лежит в диапазоне частот измеряемой величины МП. Использование средств акустической защиты (звукопоглощающих систем, слоистой звукоизоляции и т.п.) с целью уменьшения амплитуды звукового давления, достигающего собственно ИП, возможно при отсутствии ограничений к мас-согабаритным характеристикам ИП и не всегда приводит к должному эффекту. При использовании таких методов уменьшение влияния ГАП может составлять 5-12 дБ.

В [63, 64] предложено и рассмотрено СИ, основанное на вычитании в ИЦ из сигнала, обусловленного суммой измеряемой величины МП и акустической помехой, сигнала, обусловленного только акустической помехой (рис. 36). Считая, что акустическое воздействие имеет вид моногармонического сигнала РаОО= Ра.м С05(Оап 1), сигналы, обусловленные им, ии=Ра.мВ0аБ,а.115т(г\1Д); и,=Ра,м Ь со5(Па111); и,=Ра.мВ0 а 8Э Оу.„.ц Ц^ 8ш(Па.„ и2=Рам Ь в ну ^(Ц^).

Для обеспечения ГГ^Иг необходимо Оу.п.ц = В0 0„.у а 8, Оа.п / Ь .

в _У Здесь а, Ь - коэффициенты пропор-

[ш] ^|угти1—^—^м и^Лти) циональности; Оу.п.ц-коэффициент пре-

_^ г^! иг, гщи2 1 образования УПЦ; 0„у-статический

рщ — — коэффициент преобразования НУ; (в

составе НУ имеется фазосдвигающая Рис.36. Структурная схема цепь> обеспечивающая сдвиг сигнала

средств измерений с уменьшением на ^ эффективность предложеню[

влияния ГАП

проверена экспериментально при воздействии ГАП в звуковом диапазоне частот. Достигнуто снижение уровня акустических помех на 10-15 дБ.

Оценка влияния ГАП на ФМП проведена в [4], где показано, что основное влияние ГАП на ФМП обусловлено модуляцией магнитной проницаемости сердечника ДцЛ^. При цф<< цм и Дцм / цм«1 Дцс / цс~(Дцм / |1м)(Цф / Цм). Здесь (1м и Цф - магнитные проницаемости материала и формы сердечника, Дцм- изменения(V

Составляющая помехи из-за влияния ГАП

В^с/ Офм,

где Е^ВоЗеД^Па^иСОБф - амплитудное значение составляющей э.д.с. помехи; Сф.„=1,2со18сцс\У„ - коэффициент преобразования ФМП; Ш1 - частота возбуждения; - число витков индикаторной обмотки; В0 - МИ внешнего МП (как правило МПЗ); Оап - частота ГАП; (р - угол между вектором В0 и продольной магнитной осью сердечника.

Вводя коэффициент мапштоупругой восприимчивости кц=(Арм/(хм)(1с/ Д1с) и учитывая, что Д1С/ 1с«25пс(Ра.н / Еус), получим

Вйс« Bok^ünc (|лф / р„)(Ра.„ / ЕусХ&ал / ®О cosí?, где 1с и Д1с - длина сердечника и ее изменения; опс - коэффициент Пуассона; Е)С - модуль упругости.

Для сплавов типа пермаллой стПо» 0,3; Еу,. я» 2'10й Па; км = (3-10)105 при реальных воздействиях ГАП интенсивностью 140-150 дБ; Р^ = (2-6)102 Па для ФМП с (1ф=600 и ш, / Qa.„ « (15-30) получим ВЙС и (0,01 -0,02) нТл даже при непосредственном контакте ФМП с водой и в этом смысле ФМП перспективнее для построения СИ низкочастотных магнитных полей [33].

Размещение ФМП в воздушном объеме диэлектрического корпуса позволяет и вовсе в настоящее время пренебречь влиянием ГАП на ФМП, ввиду того, что коэффициент преобразования акустической энергии в воздухе в 10000 раз меньше, чем в воде.

3.6. Влияние электрического поля на средства нзмерешш и методы его

уменьшения.

Амплитудное значение э.д.с., Еэ.п, обусловленное напряженностью электрического поля Ем, на выходе МИП, представляемого в виде электрического диполя, Еэ.п = EMl3(sinQ)[ZM.„.„ /(ZM„ n+Za)], что эквивалентно появлению ложного сигнала Вэп- Еэ.в / GM „.„, где 1э - эквивалентная длина МИП- как электрической антенны; ZM.„.n -сопротивление МИП как катушки индуктивности; Za - эквивалентное сопротивление МИП как электрического диполя; Q - угол между Ем и осью МИП (продольной или поперечной, в зависимости от направления МП);СИцЛ1 -коэффициент преобразования МИП .

Для определения наиболее эффективных средств защиты от воздействия электрического поля в [4, 65] проведен анализ его влияния на ИП и ФМП, размещенных в ближней и дальней зонах, т.е. при измерениях полей объекта и естественного МП, для двух случаев: когда магнитная ось МИП направлена вдоль вектора МП (Q=0) или вдоль вектора электрического поля (Q = к/2). Причем в обоих рассматриваемых случаях sinQ = 1. Проведенный анализ позволяет определить влияние электрического поля при представлении объекта в виде магнитного Ем = £1„гои В„.м либо в виде электрического вибратора Ем = Ви.м/ (£a|iar0HQ„), а также при измерении естественного МП, когда ИП или ФМП находится в дальней зоне Е„ = Вим /(£а Ца )1/2- Здесь гои - расстояние между объектом (вибратором и центром МИП); £а, |ia - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды.

3.6.1. Влияние электрического поля на ИП и методы его уменьшения

Для практически применяемых ИП с относительно длинным сердечником GM.„.„=G„.n» 0,.2QHWHnlc2; 1э «(0,3-0,6)D„ при Q=0 и 1э «(0,6-0,9)10 при Q = тс/2 (здесь 10, DH - длина и наружный диаметр ИП, 1с - длина сердечника).

Для реального ИП: 10 = 0,5 м; 1с = 0,5 м; = 0,1 м; Оив = 27с104 с ' 2м.и.п = 2-Ю5 Ом; 7а = 1,5-106 Ом , когда гои= 100 м, при измерениях в ближней зоне:

-при представлении объекта в виде магнитного вибратора вэ.п* (0,01-о,о2)вимгМИЛ1 /(гм.ип+га) при о-о и вэп» (0,01-0,015)вим при (}=л/2.

-при представлении объекта в виде электрического вибратора

В,.„* (4-7)Вн.и при О = 0 и Вэп« (40-60)Вн м при С£=ж/2.

При измерении естественных МП, когда ИП находится в дальней зоне, для приведенного примера Вэп =(7-20)10"3 В„Л, при (^=0 и Вэ п « 0,1 Вим при Q = л/2.

При измерениях МП в ближней зоне, когда магнитная ось ИП направлена вдоль вектора МП, влиянием электрического поля можно пренебречь. В остальных случаях влияние нужно учитывать, тем более что при перпендикулярном относительно МП расположении магнитной оси погрешность бэ.п = Вэ п / В„.м весьма существенна (теоретически полезный сигнал равен нулю).

Приведенные в [4, 65] исследования позволяют наметить основные пути повышения помехоустойчивости СИ с ИП к электрическому полю.

Полученные выражения позволяют установить требования к коэффициенту экранирования ИП по электрическому полю. Эффективно применение ИП с сердечником и короткой обмоткой.

Применение секционированной обмотки катушки с симметричным подключением секций к входному устройству, наряду с расширением диапазона частот, теоретически позволяет исключить влияние электрического поля при расположении магнитной оси параллельно вектору напряженности электрического поля, т.е. в том случае когда погрешность за счет электрического поля наибольшая.

3.6.2. Влияние электрического поля па ФМП и методы его уменьшения

Средства измерений с ФМП, предназначенные для измерений МИ переменных МП, работают при относительно высоких частотах возбуждения, их линейные размеры существенно меньше линейных размеров высокочувствительных ИП, а напряжение, обусловленное электрическим полем объекта, лежит вне полосы пропускания ИЦ. В [4] получены общие выражения для сигнала ФМП, обусловленного электрическим полем, и произведена оценка этого влияния для реального ФМП: 10 = 0,02 м; = 0,02 м; = 500; Оив=271 104 с"'; ^=10 5Гц; 7ми„«2-1040м; 5-10 7 Ом, и пригои=100м.

При представлении объекта в виде магнитного вибратора при (2 = я/2 Вэ п» (2-7)10 "4 В„.м; при представлении объекта в виде электрического вибратора Вэп~(0,5-1,5) Ви.м; при измерении естественного МП Вэ.п» (0.01-0,03) Ви м.

Учитывая, что коэффициент передачи ИЦ на частоте помехи как минимум в 100-200 раз меньше, чем на несущей частоте, эквивалентные значения помехи на входе УПИ будут соответственно в 100-200 раз меньше.

Полученные данные позволяют сделать вывод, что влиянием электрической составляющей электромагнитного поля звуковых частот на ФМП широкополосных СИ можно пренебречь. Электрическая составляющая высокочастотного электромагнитного поля, частота которого лежит в полосе частот пропускания ИЦ, оказывает значительно большее влияние. В [4] приведены измеренные значения напряженности электрического поля под С-Петербургом на фиксированных частотах в диапазоне от 150 до 24300 кГц (напряженность определялась в полосе частот 1 кГц). Для ФМП с указанными параметрами рассчитанное эквивалентное влияние при действии поля 80 мВ/м на частоте 100 кГц составляет 0,3-1 нТл. Частоту возбуждения ФМП целесообразно выбирать соответствующую промежуточным частотам, так как напряженность электрического поля на промежуточных радиочастотах в 200-500 раз меньше. Использование электростатического экрана повышает помехоустойчивость СИ.

З.б.З. Влияние электрического напряжения меры магнитной индукции на МИП и методы его уменьшения

При градуировке и поверке СИ величин переменного МП электрическое напряжение меры переменной МИ может привести к появлению на выходе МИП напряжения помехи. В [4, 66] определено напряжение помехи, обусловленное емкостной связью между ИП и мерой МИ (ММИ), выполненной в виде однослойного соленоида.

iw« fi„2L„.ncn.M(0,25u 20.т+о, зтДм¥ у2,

где L„.n, LM - индуктивность ИП и ММИ; Сп м - емкость между ИП и ММИ; I-ток через ММИ; U0 T - напряжение общей точки ММИ.

Показано, что для ММИ, предназначенных для градуировки и поверки низкопороговых СИ с ИП, при U0.T<< 0,6Q„LMI влиянием иэ.п.м можно пренебречь (т.е. можно пренебречь погрешностью, обусловленной падением напряжения на ММИ).

При измерении электрического тока, протекающего через ММИ, из-за конечного значения сопротивления средства измерений электрического тока указанное неравенство, как правило, не выполняется и в этом случае напряжение помехи иэ.пм из-за наличия UOT необходимо учитывать. В [4, 66] определено максимальное допускаемое относительно общей точки значение напряжения меры МИ

П.М 1с) / [WtI n Сц.м ^и

где Вэ м.п - эквивалентное допускаемое значение МИ, обусловленное емкостной связью; 1CJ W„„ - длина сердечника и число витков ИП; - частота МИ создаваемой ММИ; Цо - 4ir 10"7 Гн/м.

Для Вэ ч п=( 10" 10-10"12) Тл; Д, =2я-104 с "'; 1с =0,5 м; С„ „ =0,2 пФ имеем Uo.T=(l-0,01)B.

Для уменьшения влияния целесообразно уменьшать потенциал меры, ее диаметр и емкость между мерой и ИП. Наиболее эффективно введение электростатического экрана между мерой и ИП. В условиях, когда значение по-

тенциала общей точки меры близко к нулю, влиянием емкостной связи можно пренебречь.

4. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ПОТЕНЦИАЛА ПОСТОЯННОГО И КВАЗИПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДЕ

Необходимость измерений собственного электрического поля плавсредства объясняется, в частности, его влиянием на распределение естественного поля. Теории и практике измерений электрических полей в проводящей среде посвящены работа Е.Ф.Зимина, Ю.Я.Иосселя, Э.С.Кочанова и других. Автор рассматривает только часть вопросов, связанных с построением СИ, а именно, повышение их помехоустойчивости в реальных условиях эксплуатации. Одной из важнейших физических величин, характеризующих электрическое поле, является его потенциал, СИ которого в проводящей среде получили широкое распространение. В состав СИ входят: не менее двух электродов (датчиков), один из которых считается нулевым, а другой - рабочим; измерительная цепь, осуществляющая преобразование разности потенциалов между двумя этими датчиками в форму удобную для обработки и представления информации; и, при необходимости, устройство представления информации. Использование общепринятых рекомендаций по уменьшению влияния напряжения шумов позволяет считать, что в большинстве практических случаев порог чувствительности СИ постоянного и инфранизкочастотного электрического поля определяется помехами естественного и искусственного (промышленного) происхождения. При рассмотрении методов и схем уменьшения влияния полей помех целесообразно эти поля разделить на три группы: постоянную составляющую; переменную низкочастотную составляющую, с частотным диапазоном в полосе пропускания СИ; переменную высокочастотную составляющую. Постоянная составляющая уменьшается до допускаемого значения с помощью вспомогательного источника, подключаемого в известных СИ к входу ИЦ, хотя подключение этого источника к входу УПИ практически не меняет предъявляемых к нему требований. Уменьшение влияния высокочастотной составляющей, частотный спектр которой находится вне полосы пропускания СИ, можно обеспечить использованием фильтров нижних частот. Наибольшее влияние оказывают поля помех с частотным диапазоном в полосе пропускания СИ. Уменьшение их влияния может быть обеспечено: выбором места расположения датчиков СИ в районе с минимальным уровнем помех (в обсуждении не нуждается), что не всегда возможно; измерением потенциала электрического поля плавсредства на малых расстояниях от корпуса (определяется нормативными документами); использованием

специальных методов и устройств повышения помехоустойчивости (в том числе, компенсации влияния помехи).

Из-за нестабильного характера помехи ее компенсация (уменьшение се влияния) должно осуществляться непрерывно в процессе измерения потенциала электрического поля плавсредства. В известных СИ для этого используется, как минимум, еще один датчик, называемый компенсационным, влияние на который (как и на нулевой) поля плавсредства не превышает допускаемого Лидоп. Источник поля помехи, как правило, находится за пределами акватории,в которой размещаются датчики (за пределами стенда), и поэтому уменьшение расстояния А1 между нулевым (и компенсационными) и рабочими датчиками уменьшает напряжение, обусловленное полем помехи.

Независимо от того, включается ли компенсационный сигнал (сигнал, пропорциональный потенциалу поля помехи) через схему компенсации (СУС ) на входе общей измерительной цепи ИЦ (рис. 37,а) или для преобразования сигнала помехи используется компенсационная цепь КЦ (рис. 37,6), выход которой через сумматор (СМ2) подключается к УПИ, возможности СИ с точки зрения достижимой степени компенсации одинаковы [67] и погрешность компенсации 5К = (Лир.п - Аи„.п К) / Лир.п (здесь Аик.п, Лир.п . напряжения между компенсационным и нулевым, между рабочим и нулевым датчиками, обусловленное полем помехи, К- коэффициент преобразования Ди*.,, СхК для схемы по рис.3 7,а , и отношение коэффициентов преобразования КЦ (Кк.ц ) и ИЦ (Ки.ц) для схемы по рис.37,б).

при. ^п.п

--

чип

Др

Цп.И. ип,п

см,

дир.„+№р.„

ик.п

см.

а)

Д» Унп 1 . дик.п • к

и.п 1 " СхК

лир.и+бк-дир.п

УПИ

чи.ц~лир.н+8к-Лирп

ир.и. Up.ii Др

Дн

Л

^п и ип п

|и„.„

СМ,

г1

КЦ

иц

(дири+дирл) -Ки.ц _исм2~лир.и+5к-лир.п

см.

¿ик.п -К* ц

т

УПИ

б)

►

СМь СМ2 - сумматоры; Др, Д„, Д* - рабочий, нулевой, компенсационные датчики Рис.37. Структурные схемы средств измерений с компенсацией помехи

Перед измерениями поля плавсредства (перед проходом плавсредства над стендом) изменением К обеспечивается необходимое значение |бк| (необходимое значение коэффициента компенсации Кком = При разных расстояниях между компенсационньм и нулевым датчиками Д1к.„ и между рабочим и нулевым датчиками Д1Р.„ значение 5К сохраняется неизменным при не-

изменном нелинейном и при изменяющихся линейных законах распределения потенциала поля помехи. При возможном изменении нелинейности поля помехи в акватории стенда значение 5К сохраняется неизменным при Дикп / AUp.n = const, что в общем случае, предусматривает Д1к,„ = Д1рн и их одинаковое направление.

Все рабочие датчики стенда СИ обычно размещаются на одной линии на определенном (в соответствии с нормативными документами) расстоянии друг от друга.

При использовании для стенда одного компенсационного датчика в известных СИ, нулевой и компенсационный датчики размещаются на одной линии с рабочими по разные стороны от рабочих (рис. 38а). Коэффициент компенсации для стационарных СИ в реальных условиях эксплуатации не превышает 10-15 раз. Расположение компенсационных (и нулевого ) датчиков по углам квадрата (рис.38, б) и использование второй схемы компенсации приводит на некоторых объектах к несущественному увеличению (на 20-30 %) коэффициента компенсации, а на некоторых и вовсе не увеличивает коэффициент компенсации. В известных стационарных СИ расстояние Л1 устанавливается, исходя из допускаемого значения AU,,0IIi обусловленного максимально возможным полем плавсредства. При измерении меньших значений потенциалов плавсредств это расстояние является избыточным, а превышение помехи над сигналом еще большим и для увеличения коэффициента компенсации целесообразно Л1 уменьшать (с учетом Лидоп). В установке ЦУ7001, разработанной под руководством и непосредственном участии авто-

Ди

Дк ДР1

Др.п Дн

• 1 • • •

Д1 J Ъ

Ч Г

ДР1

Дкз Др- т

г

Дк2

л1

Дн

а)

б)

Рис.38. Расположение датчиков на стенде

ра, используется несколько компенсационных и нулевых датчиков и в зависимости от потенциала поля объекта используется соответствующая пара, по возможности (с учетом Дидоп), ближайшая к рабочим датчикам.

С целью выявления возможных корреляционных связей ме-

жду помехами электрического поля и другими физическими величинами и разработки новых методов и схемотехнических решений повышения помехоустойчивости СИ (и новых помехоустойчивых СИ) потенциала электрического поля в проводящей среде под руководством и при непосредственном участии автора были проведены исследования на четырех акваториях (Эстония, Кронштадт, Севастополь, Владивосток), в том числе, с применением вновь разработанных СИ.

Проведенные исследования показали, что характер изменения потенциала электрического поля помехи существенно зависит от направления радиуса-вектора между электродами. При одинаковых модулях и направлениях радиусов-векторов между нулевыми и рабочими датчиками практически характер

изменения потенциала поля помехи одинаков для всех стендов СИ каждого из исследованных КИМЭС.

В [68] для компенсации помехи предлагается использовать сигнал, обусловленный нестабильностью напряжения сети. Проведенные эксперименты на всех объектах исследования показали, что зависимость между изменениями напряжения сети на объекте и поля помехи не обнаружено. Это позволяет предположить, что хотя источник помехи связан с промышленной сетью, однако, дополнительные цепи, в том числе, с переменными параметрами при преобразовании промышленных помех в электрическое поле в проводящей среде вносят свое влияние, В [69] для компенсации помехи предложено использовать выпрямленный сигнал, обусловленный переменным электрическим полем (рис. 39). При отсутствии плавсредства над стендом устанавливается положение "1" ключей КЛь КЛ2.

Переменное напряжение помехи, усиленное линейным усилителем УЛ и выпрямленное преобразователем переменного напряжения в постояшгае ППН, устанавливает положение органов регулирования СХК так, что выходной сиг- нал СИ близок к нулю. Затем устройство управления УУ переключает ключи КЛЬ КЛ2 в положение "2" , СИ переходит в режим измерения и

п

ик.п

Др

^р.И: Up.fl

♦[смГ

Дн

и„.„ т

и„ 4 Дик.п -К

СхК"

*

Г

кл,

А

р.ч.1

ППН

УПИ

1 .КЛ2

дир.и+5к-лц

р-_

♦[иц]

и„.ц ~Дир.и+8|с1'Дир.п

Рис.39. Структурная схема средств измерений с использованием для управления сигнала, пропорционального переменному полю помехи.

плавсредство проходит над линией датчиков (возможно использование ручного управления СхК с наблюдением результатов компенсации по УПИ). Благодаря объективности компенсации коэффициент компенсации 15-20 удалось обеспечить на время 5-10-мин.

Между низкочастотной составляющей МП и нестабильностью потенциала поля помехи наблюдается корреляция. Дополнительное использование для уменьшения влияния помехи сигнала, обусловленного низкочастотной составляющей МП ([70], рис. 40), позволило увеличить коэффициент компенсации в 1,5-2 раза по сравнению со штатной двухэлектродной схемой компенсации.

Изменение солености воды, гидрометереологических условий (направление ветра, прилив-отлив) изменяют направление токов растекания и коэффициент пропорциональности между МИ МП и потенциалом ЭП помехи. Наиболее перспективным представляется СИ [71], где для выработки сигнала

компенсации используется специальная пара датчиков, на которую не действует поле плавсредства (рис.41). Такая компенсация даже при ручной регули-

Рис.40. Структурная схема средств измерений с компенсацией помехи с использованием сигнала, пропорционального магнитной индукции магнитного поля

ровке коэффициента пропорциональности между сигналами помехи с рабочего и дополнительных датчиков позволила получить коэффициент компенсации помехи на рабочих датчиках 30-40 в течение 1 ч.

^р.И» Цр п ~ Т/р.н, Ц} п

Др

СМ,

Д1Гр,иМир.п

и„.п

Цк.п ил1п Ця.2

и„п

см2

лир.„+5к-дис.

Дх

Лкл_

СхК [

ли, „ -к

иц

ид.ш - ► СМ,

иЛ2п

Д£2

АЦдп

СМ,

ии Ц "Дир.и+бк-лир „

ии.ц~Дир,и+5к2-4ир „

УПИ

Рис.41. Структурная схема средств измерений с компенсацией помехи с использованием сигнала дополнительных датчиков

В качестве дополнительных датчиков могут быть использованы датчики другого стенда, над которыми в процессе проведения измерений не проходит плавсредство.

Коэффициент компенсации существенным образом зависит от равенства входных сигналов вычитающего устройства, разрешающей способности устройства регулирования КЦ, неидентичности АЧХ сумматоров СМ1, СМЗ, в том числе и вне их полосы пропускания. В установке ЦУ7001 определение коэффициентов пропорциональности между сигналами помехи дополнительных и каждого из рабочих датчиков осуществляется ПЭВМ, вырабатывающей необходимую информацию, преобразуемую затем в индивидуальный для каждого рабочего датчика аналоговый сигнал, используемый для компенсации помехи. В общем виде выходные данные ПЭВМ, используемые для компен-

сации, у;=а!+к;Хл, где ¡-номер рабочего датчика; хд-входной сигнал ПЭВМ, обуслов-ленный помехой, действующей на дополнительные датчики. В начале работы программы устанавливается а10= к;о=0. Затем осуществляется коррекция а1 = ай+ ау; к; = ^ 0 +- к1 где щ =(х-, ] маю + Xi j ыи„) /2; ку =(ху макс--Ху Мин)/(Хд) макс-Хд) мил), хц макс, Х| „„.-максимальное и минимальное значения сигналов для каждого ра-бочего датчика, определенные за установленный интервал времени; х^ макс, Хд, мин - тоже для дополнительного датчика, причем кд =0; ау, к,, - коэффициенты, ] - номер операции приближения. Для каждого рабочего датчика выполняется

Таким образом проведенные исследования позволили установить:

1. Характер изменения потенциала электрического поля помехи существенно зависит от направления радиуса-вектора между датчиками и при одинаковых модулях и направлениях радиуса-вектора характер изменения потенциала помехи практически ие зависит от стенда рассматриваемого СИ.

2. Целесообразно применять несколько ступеней компенсации с использованием компенсационных датчиков, которые должны располагаться на одной линии с рабочими; с использованием сигнала дополнительных датчиков, модули и направление радиуса-вектора между которыми и радиуса-вектора между рабочим и компенсационным датчиками должны быть практически одинаковым.

3. Целесообразно предусмотреть несколько групп компенсационных датчиков, расположенных на разных расстояниях от рабочих датчиков. В каждом конкретном случае использовать компенсационные датчики, расположенные как можно ближе к рабочим, насколько это позволяет поле плавсредства.

5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

Результаты исследований и разработок, проведенных автором, реализованы в виде конкретных СИ величин постоянного и переменного магнитного поля и потенциала постоянного электрического поля, созданных (или находящихся на разных стадиях разработки) под руководством и с личным участием автора (табл. 4).

5.1. Общепромышленные переносные средства измерений.

Микротеашметр Г73 ТУ 25-04 (ЗПИ.449.009)-71 [72, 73] предназначен для одновременного, но с раздельным представлением информации результатов измерений составляющей вектора МИ постоянного МП и среднеквадра-тических значений составляющей вектора МИ переменного МП синусоидальной и искаженной формы с коэффициентом гармоник до 140 % . При

Таблица 4

Тип СИ Вид измеряемой величины Диапазон измерений Частота №н), Гц Предел основной погрешности, % Число датчиков Тип ЧЭ Габаритные размеры чувствитель -льной части датчика СИ или рабочего объема ММИ, мм

Г73 МИ 10"'-5х10"' Тл 10-8-2Х10 3 Тл 0 30-10000 ±5% ±(5-10)% 1 ФМП 014x4

Г74М МИ 10"'-10"'Тл 0 ±(1,2,5)% 1-трехком-понеттшй 1-верти-кальный; 2-продолышх ФМП 20х20х х20 13x8x8 08x11

Г79 ми 2x10"*- 10* Тл 20-20000 ± 5 % 2 ип 013x20 023x10

Г703 МИ 5x10"8-10 -3 Тл 20-200000 20-200000 20-20000 ±10% ±5% ±5% 1 1 2 ип ип ип 030x20 06x6 010x20 010x6

Г701 МИ 0,001-2 Тл при г-ре датчиков 4,2-368 К 10-1000 ± 5 % 50 ПХтипа пхэ 1,4x6*10

К749 МИ 0,05-10 Т при 1-ре датчиков 4,2-ЗОК; 0,05-2 Тл при 1-ре датчиков 233-343 К 0 ±[1,5+0,Зх х(В/Вх--1)] % В,=0,1;1; 10 Тл 60 ПХтипа ПХЭ 1,4x6x10

N1 МИ 0-1 ±(5,4,3, 2)% 33 трех-хомпо-ненгных ФМП 022x70 одной компоненты

N2 ми 0-1 +(3+0,001х хВ,/Вж)% В,=10"4 Тл 33 трех-компо-НС1ГГНЫХ ФМП 022x70 одной компоненты

N6 ми 0-2 ¿(2+0,001 х хВ^В,)% В,-10-4Тл 54 трех-комло-ненгных ФМП 022x70 одной компоненты

N7 ми 0-2 +(2+0,001х хВ«/В>)% Вк=10"4 Тл 6 трех-кошто-нептных ФМП 022x70 одной компоненты

N8 ми 0-1 ±(2+0,001х хВУВх)% В«=10"4Тл 4 ФМП 022x70

N3 ЧАМП 1-5000 ±2 дБ 1 трех-компонентный ип 0190x420 одной компоненты

N4 ЧАМП 1-5000 ± 15 % 1 трех-компонентный ип 0190x420 одной компоненты

N5 Потенциал эп 0-1 ±(2,5; 1)% 58 Электрод А8С1 0150x200

N9 ЧАМП 1-5000 ± 15% 1 ип 0190x420

У739 ми Ю"!-10"3 Тл 20-20000 ± 1,5% Г79, Г73 25x25x25

У 750 ми Ю"8-10 Тл 20-200000 ± 1,5 % Г703 25x25x25

У738М ми 10"10"2Тл 0 + 0,3% Г74М, Г73 25x25x25

разработке СИ использованы результаты исследований миниатюрных (в том числе, с конструктивным объемом до 0,7 см3, с размерами сердечника 1,5x1,0x0,01 мм) ФМП при Ввм= 2,5Вв01П (Вв от - оптимальная МИ возбуждения) [29]. Использование таких ФМП обеспечивает необходимую помехоустойчивость при измерении сильных и неоднородных МП. В высокочастотной части схемы для исключения двухзначности показаний и расширения диапазона МИ измеряемых полей микротесламетр построен по структурной схеме [10] (рис. 7, без УПИ)). Измерение МИ переменного МП осуществляется при воздействии на ФМП МИ постоянного МП до ± 6-10*3 Тл независимо от соотношения МИ постоянного и переменного МП, которое в наихудшем случае может составлять 6 -10 5. Помехоустойчивость к постоянному МП обеспечивается комбинированной компенсацией: до ± 2-Ю"3 Тл - автоматической следящей компенсаций, а от ±2-10"3 до ± 6-Ю'3 Тл используется ручная компенсация ступенями по ±10 '3 Тл. Формирование АЧХ осуществляется следующим образом: в диапазоне частот от 30 до 10000 Гц в соответствии с проведенными в п.3.2.1 исследованиями СИ работает в режиме прямого преобразования (без обратной связи по МИ), в качестве ФП используется фильтр, эквивалентный фильтру типа "к"; при постоянном МП глубина обратной связи на наиболее чувствительном поддиапазоне не менее 1000, цепь обратной связи эквивалентна сложному звену. Для уменьшения влияния изменений четных гармоник в токе возбуждения ФМП использовано схемотехническое решение [74].

По заказам конкретных организаций и предприятий осуществлен мелкосерийный выпуск на РОЗ ГМП (г. Рига) в количестве 25 шт. в 1975-1977 гг.

Микротесламетр Г74М ТУ 25-04 (ЗПИ.449.022)-82 [75-77] предназначен для измерений МИ постоянного МП. На поддиапазонах измерений с наибольшими пределами измерений 1; 3; 10; 30; 100; 300; 1000 мкТл микротесламетр построен по автокомпенсационной схеме с непрерывной компенсацией, причем на поддиапазонах 1; 3; 10 мкТл с повышением чувствительности глубина обратной связи уменьшается (осуществляется адаптивная обратная связь по измеряемой МИ в соответствии с рис. 12, [14]), что повышает помехоустойчивость СИ к переменным МП промышленных частот. На поддиапазонах 3 и 10 мТл для уменьшения перегрева ФМП током, создающим авто-ком-пенсационное поле, используется прерывистая обратная связь (рис. 15, [22]). В течение 4 с осуществляется обратная связь, для исключения влияния пере-ходного процесса через 1 с после включения обратной связи на 3 с под-клю-чается устройство представления информации (стрелочный прибор). Через 8 с процесс повторяется.

По заказам конкретных организаций и предприятий осуществлен мелкосерийный выпуск во ВНИИЭП в количестве 60 шт.

Микротесламетр Г79 ТУ 25-04.4010-80 (ЗПИ.449.018) [79, 80] предназначен для измерений среднеквадратических значений составляющей вектора МИ переменного МП синусоидальной и искаженной формы с коэффициентом гармоник до 140 %.

Микротесламетр имеет поддиапазоны измерений с наибольшими пределами измерений 0,1; 0,3; 1; 3; 10; 30; ЮОмкТл (при работе с первым датчиком) и 300; 1000 мкТл (при работе со вторым датчиком). Выходной сигнал ИП через активное апериодическое звено, дифференцирующее звено, масштабный усилитель, преобразователь среднеквадратического значения напряжения в постоянный ток поступает на стрелочный прибор. На основании исследований (п.3.1.1.2, 1) режим работа ИП и указанных звеньев выбран в соответствии с [37]. Серийный выпуск на заводе "Микропровод" (г. Киши-нев);более 1000 шт. в течение 5 лет [78, 80].

Микротесламетр Г703 ТУ 25-7550.025-87 [81] предназначен для измерений среднеквадратических значений составляющей вектора МИ переменных МП синусоидальной и искаженной формы с коэффициентом гармоник до 140 %. В комплект входят четыре датчика. При работе с первым датчиком в микротесламетре реализуется метод суммирования по частотным поддиапазонам (рис. 21) сигналов двух секций ИП в соответствии с [42]. Низкочастотная секция представляет собой катушку с сердечником, высокочастотная -последовательно и согласно включенные три катушки без сердечников, расположенные по образующей вокруг низкочастотной секции под углом 120° относительно друг друга (п.3.1.1.2, 4, Б); магнитные оси всех катушек параллельны [43].

В остальных датчиках используются односекционные ИП, причем третий и четвертый датчики полностью идентичны датчикам микротесламетра Г79. При работе с первым и вторым датчиками частотный диапазон СИ от 20 Гц до 200 кГц, при работе со вторым и четвертым датчиками - от 20 Гц до 20 кГц. На поддиапазонах 0,1; 0,3; 1; 3; 10; 30; 100 мкТл используются первый и третий датчики, на поддиапазонах 300 и 1000 мкТл - второй и четвертый датчики. Микротесламетр прошел ГПИ и подготовлен к серийному выпуску.

В микротесламетрах имеется аналоговый выход для подключения вольтметра, осциллографа, анализатора.

5.2. Стационарные средства измерений общепромышленного назначения с встроенными в исследуемую аппаратуру датчиками

Гесламетр Г701 ТУ 25-04 (ЗПИ.449.024)-83 [82, 83] предназначен для измерений максимальных и среднеквадратических значений МИ переменного МП в устройствах криогенного электрооборудования при температуре датчиков от 4,2 до 368 К. Тесламетр является СИ параллельно-последовательного действия [84, 85]. В тесламетре используются результаты исследований (п.3.1.3) и схемотехническое решение [56], уменьшающее влияние индукци-ошюй наводки, в соответствии с которым управление ПХ осуществляется импульсами со скважностью 0,5 и производится операция А = (А]2 -Аг2 )1/2 , где А, и А2 - сигналы, обусловленные измеряемой МИ и индукционной на-

водкой (АО и только наводкой (А2). Преобразователь максимальных значений выполнен в соответствии [86]. Тесламетр поставлен заказчику - ВНИИ Электромашиностроения (г. Москва).

Тесламетр К749 ТУ 25-04 (ЗПИ.487.081)-82 [83] (в работе над этим СИ автор принимал участие в качестве исполнителя) предназначен для измерений МИ при температуре датчиков от 4,2 до 343 К постоянного МП. В тесла-метре используются результаты исследований (п.2.2.3.2, вариант 4); структурная схема соответствует [15]. Такое построение СИ обеспечивает повышение помехоустойчивости к продольным (не менее 100 дБ) и поперечным (не менее 60 дБ) промышленным помехам. Тесламетр поставлен заказчику -ВНИИ Электромашиностроения (г. Москва).

5.3. Средства измерений полей электромагнитной группы плавсредств

Стационарная измерительная система N 1 предназначена для одновременных измерений трех составляющих вектора МИ постоянного МП, создаваемого плавсредством в месте расположения датчиков при движении плавсредства над датчиками или "на стопе". В комплект входит 30 измерительных трехкомпонентных датчиков, размещаемых либо на трех стендах (по 10), либо "крестом" и три компенсационных (также трехкомпонентных) датчика. Уменьшение влияния МПЗ, его вариаций и инфранизкочастотных промышленных помех осуществляется по двухступенчатой схеме путем компенсации в объеме ФМП постоянной составляющей МПЗ (от общего источника) и вариаций от компенсационного канала (п.2.1, вариант 3). Автор принимал участие в работах по повышению помехоустойчивости СИ на месте его эксплуатации. Для уменьшения влияния промышленных помех использованы результаты исследований (п.2.2.3.2, вариант 2), [12], что позволило обеспечить требуемый диапазон измерений в реальных условиях эксплуатации.

Стационарная измерительная система N 2 предназначена для монтажа на КИМЭС и должна одновременно измерять три составляющих вектора МИ в месте расположения датчиков. В комплект входят 30 измерительных датчиков и три компенсационных. Уменьшение влияния МПЗ осуществляется путем компенсации постоянной составляющей от общего источника в объеме ФМП, а вариаций МПЗ и инфранизкочастотных промышленных помех - от компенсационного канала в ПЭВМ, используемой в качестве устройства обработки и представления информации [87]. Такая схема компенсации сокращает количество необходимых линий связи и тем повышает помехоустойчивость СИ к промышленным помехам (п.2.1, вариант 4). На экране и принтере представляются проходные характеристики в различных по выбору оператора масштабах, топография по трем составляющим вектора МИ, максимальные и минимальные значения для каждого из 10 подключенных измерительных датчиков, возможно считывание численной информации с экрана, осуществляется пересчет на другие глубины, расчет диполыюго момента.

Предварительные испытания проведены в 1996 г., Государственные приемочные испытания запланированы в 2000 г..

Маневренные измерительные системы N 3, N 4 предназначены для измерений трех составляющих вектора ЧЛМП, создаваемого плавсредством в месте расположения трехкомпонентного датчика. В соответствии с исследованиями (п.3.1.1.2, вариант 3) для обеспечения необходимого порога чувствительности структурные схемы СИ соответствуют [40]. Каждый ИП выполнен на 4-х параллельных стержнях с секционированными по [39] обмотками, стержни размещены по образующей (рис. 24). В установке N4 по сравнению с установкой N 3 обеспечена возможность ее поверки по ЧЛМП на месте эксплуатации без демонтажа ИП и введен акустический канал наведения плавсредства на датчик [88].

Стационарная измерительная система N 5 предназначенна для измерений потенциала электрического поля, создаваемого плавсредством в месте расположения датчиков. В состав СИ входят 54 хлорссребрянных электродных датчика (из них 30 измерительных, размещаемых по 10 на трех стендах, и 24 компенсационных, размещаемых по 8 на каждом стенде), система кабельных линий, пульт, ПЭВМ.

Установка обеспечивает вывод на экран дисплея и принтер распределения потенциала измерительных датчиков одного используемого при данных измерениях стенда, в реальном масштабе времени, проходных характеристик и плоскостной топографии в разных масштабах, максимальные и минимальные значения для каждого из 10 подключенных измерительных датчиков, считывание с экрана, пересчет на другие глубины, расчет дипольного момента. Влияние полевой помехи уменьшается несколькими ступенями. Во входных узлах измерительных каналов перед началом измерений осуществляется ручная или автоматическая компенсация постоянного потенциала каждого измерительного датчика. Здесь же осуществляется непрерывное выделение сигнала, пропорционального помехе (относительно одного из компенсационных датчиков, потенциал которого принят нулевым) и предварительное его вычитание из суммарного сигнала. ПЭВМ в установке используется не только для выполнения операций, связанных с вычислениями и с тем или иным представлением информации, но и вырабатывает необходимые сигналы для компенсации полевой помехи. Входным информационным сигналом для этого является сигнал с двух дополнительных датчиков (рис. 41), размещенных вне того стенда, над которым в процессе измерений проходит плавсредство [71].

Благодаря принятой системе компенсации помех разработанная установка (стендовые ГПИ в 1994 г.) обеспечивает измерение полей плавсредств при больших значениях помехи (коэффициент компенсации помехи, определенный на стендовых ГПИ, не менее 100).

В настоящее время под руководством и при непосредственном участии автора проводится разработка уникальных средств измерений МИ постоянного МП (стационарного - измерительная система N 6, маневренного - ИС N 7,

корабельного -ИС N 8 ) [89]. В качестве чувствительных элементов датчиков в ИС используются ФМП.

Стационарная измерительная система N 6 предназначена для построения любого стенда (коврового или линейного) при размещении трех-компонентпых датчиков на разных уровнях в трубчатых свайных фундаментах. ИС имеет в своем составе 54 трехкомпонентных одновременно работающих датчика, в измерительных блоках аналоговая информация преобразуется в числовой эквивалент в реальном масштабе времени, предварительно запоминается и передается в ПЭВМ по команде оператора. Для ИС не является обязательным наличие береговой инфраструктуры, ибо стойка с измерительными блоками может располагаться в специальном контейнере, например на отдельном рейдовом причале (ОРП). При проведении измерений к ОРП швартуется судно размагничивания (СР) с устройствами питания и ПЭВМ. Структура ИС соответствует [90].

В соответствии с рекомендациями [91] по уменьшению влияния наводок на линии связи и сокращения их количества,вторичные преобразователи размещены в корпусе датчика, благодаря чему по линии связи информация передается в виде постоянного напряжения, а компенсация МПЗ и его вариаций осуществляется на входе УПИ (точнее в ПЭВМ). ИС обеспечивает выполнение сервисных функций, аналогичных изложенным выше для ИС N 2 5.

Маневренная измерительная система N 7 предназначена для измерений МИ постоянного МП. В составе ИС имеется 6 одновременно работающих трехкомпонентных датчика полностью идентичных датчикам ИС ЦУ7004, и размещенный в герметичном контейнере измерительный блок полностью идентичный измерительному блоку ИС N 6. Размещение датчиков и измерительного блока на дне может быть либо индивидуальным, каждый на специальной подставке-якоре, либо на специальной ферме, образуя линейный стенд. Устройство представления информации и управления - ПЭВМ. Сервисные функции идентичны сервисным функциям ИС N 6.

Корабельная измерительная система N 8 предназначена для измерений "на стопе" с борта исследуемого плавсредства вертикальной составляющей вектора МИ поочередно в месте расположения каждого из четырех датчиков. Необходимая информация: служебная, вводимая с клавиатуры пульта, значения глубины и МИ представляется на индикаторном табло; для записи информации используется ОЗУ микроконтроллера и блок энергонезависимой памяти, при подключении которого через блок считывания к ПЭВМ, осуществляется запись информации в ПЭВМ.

Схемотехнические и конструктивные решения ИС N 6, N 7, N 8 по возможности, максимально унифицированы.

Для метрологического обеспечения указанных рабочих СИ по заданиям автора и под его руководством разработаны установки: У739 (для микротес-ламетров Г73 и Г79); У 750 (для микротесламетра Г703); У738М (для микро-тесламетров Г73 и Г74М).

Указанные в п.5.3 номера средств измерений условные.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Общим результатом работы является решение крупной научно-технической проблемы теоретического обоснования и практической реализации методов повышения помехоустойчивости, расширения амплитудного и частотного диапазонов средств измерений полей электромагнитной группы. Полученные результаты послужили основой при разработке и организации производства ряда моделей средств измерений полей электромагнитной группы пласредств, их узлов и агрегатов, полей рассеивания и полей в рабочих объемах электрооборудования и соответствующего метрологического обеспечения.

В рамках решения данной проблемы получены следующие результаты:

1. Для средств измерений полей электромагнитной группы плавсредств, узлов и агрегатов систематизированы и исследованы основные влияющие величины (помехи), исследована физическая сущность их влияния. Между значениями погрешностей и помехами, их вызывающими, теоретически и экспериментально определены соотношения, на основе которых предложены и теоретически обоснованы методы и средства, приводящие к уменьшению влияния помех - повышению помехоустойчивости.

2. Исследованы, в том числе вновь разработанные методы повышения помехоустойчивости средств измерений полей электромагнитной группы к внешним постоянным и переменным (в том числе промышленной частоты и ее гармоник) магнитному, электрическому, гидроакустическому полям и ферромагнитным массам.

3. Проведены теоретические исследования, в результате которых предложены, теоретически и экспериментально обоснованы и исследованы новые методы расширения частотного диапазона и одновременного снижения порога чувствительности средств измерений величин переменных магнитных полей. Решена проблема совместимости ранее несовместимых требований расширения частотного диапазона и снижения порога чувствительности средств измерений величин переменных магнитных полей.

4. Проведены исследования (в том числе вновь разработанных) методов расширения амплитудного диапазона средств измерений магнитной индукции. Решена проблема взаимного перекрытия диапазона измеряемой магнитной индукции средствами измерений с различными магнитоизме-

-рительными- преобразователями.----

5. Разработаны принципы рационального построения средств измерений полей ЭМГ. Разработаны методы проектирования и расчета основных узлов средств измерений (магнитоизмерительных преобразователей, измерительных цепей, средств повышения помехоустойчивости).

6. На основе проведенных исследований потенциала электрического поля моря предложен и реализован метод уменьшения его влияния в средствах измерений потенциала электрического поля плавсредств.

7. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в ряде СИ, разработанных или разрабатываемых при научно-техническом руководстве и при непосредственном участии автора.

Таким образом, в результате выполнения данной работы решена крупная научно-техническая проблема, имеющая важное оборонное и народнохозяйственное значение, по созданию помехоустойчивых средств измерений величин постоянного и переменного магнитного и электрического полей во всем требуемом в настоящее и ближайшее будущее время в частотном (от О до 2 10 5 Гц) и амплитудном (от 10"14 до 10 Тл, от 5 10 "5 до 1 В) диапазонах при размещении датчиков в водной и воздушной средах при температуре воздушной среды от 4,2 до 343 К и водной среды от 269 до 303 К.

Перечень принятых сокращений

АЗ - апериодическое звено

АМ - амплитудная модуляция

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

ВМП - внешнее магнитное поле

ГАП - гидроакустическое поле

ГВ - генератор возбуждения

ГНЧ - генератор низкой частоты

ГТИ - генератор тактовых импульсов

Ог - датчик дополнительный

- датчик компенсационный В„ - датчик нулевой Бр - датчик рабочий ДС - детектор скважности ЗУ - запоминающее устройство ИК - измерительный канал ИН - интегратор

ИП - индукционный преобразователь

ИС - измерительная система

ИУ - усилитель избирательный

ИЦ - измерительная цепь

ИЦОС - избирательная цепь обратной связи

КИМС - контрольно-измерительная магнитная станция

КИМЭС - контрольно-измерительная электрическая станция

КК - компенсационный канал

КЛ - ключ

КЦ - компенсационная цепь

МИ - магнитная индукция

МИП - магнитоизмерительный преобразователь

ММИ - мера магнитной индукции

МП - магнитное поле

МПЗ-магнитное поле Земли

ОВ-одновибратор

ПГШ - преобразователь переменного напряжения в постоянное

ПРР - переключатель рода работ

ПХ - преобразователь Холла

ПЭ - пороговый элемент

СИ - средство измерений

СМ - сумматор

СУ - сравнивающее устройство СР — судно размагничивания СхК - схема компенсации

УЗ - устройство задержки

УЛ - усилитель линейный

УО - усилитель-ограничитель

УП - усилитель полосовой

УПИ - устройство представления информации

УПЦ - усилительно-преобразовательная цепь

УР - усилитель регулируемый

УРС-устройство разделения сигналов

УУ - устройство управления

УФ - усшпггель-формирователь

УУЗ - управляемое устройство задержки

УШ - усилитель широкополосный

ФМП - ферромодуляционный преобразователь

ФМПи - ФМП измерительный

ФМПк - ФМП компенсационный

ФНЧ-фильтр нижних частот

ФП - фильтр полосовой

ФСЦ - фазосдвигающая цепь

ФХ - формирователь характеристики

ФЧД - фазочувствительный детектор

ЦАК - цепь автоматической компенсации

ЦОС - цепь обратной связи

ЦОСк - ЦОС для компенсации МИ постоянного МП ШИМ - широтно-импульская модуляция ЭМГ - электромагнитная группа

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

1. Логунов Ю.М., Обоишев Ю.П., Семенов Н.М. Основные тенденции проектирования современных средств измерений физических полей электромагнитной группы надводных кораблей и подводных лодок // Ежегодная межотраслевая научно-практическая конференция по актуальным вопросам военного кораблестроения "Подводное кораблестроение в России: состояние, проблемы, перспективы". МО РФ, МФ. Первый ЦНИИ МО РФ (кораблестроения ВМФ), 15-16 октября, 1997, С - П./Тезисы докладов.

2. Обоишев Ю.П., Семенов Н.М., Синцов A.A., Яковлев Н.И. Современные средства измерений физических полей кораблей электромагнитной группы // Региональная научно-практическая конференция "Военная наука и образование-городу"., 20-22 мая, 1997, С -П. / Тезисы докладов.

3. Обоишев Ю.П., Скородумов С.А. Методы повышения помехоустойчивости магнитоизмеригельных систем и устройств // Труды ВНИИЭП-1974-N21.

4. Скородумов С.А., Обоишев Ю.П. Помехоустойчивая мапштоизмери-тельная аппаратура// Энергоиздат, Ленинград, 1981.

5. Скородумов С.А., Обоишев Ю.П., Синцова Л.Г. Измерение величин магнитных полей при сверхнизких температурах. Ленинград, "Энергоатомиз-дат", Ленинградское отделение, 1987.

6. N 239370 По закрытой тематике /Афанасьев В.В., Кондратенко Б.М., Логунов Ю.М., Обоишев Ю.П., Синцов A.A., Синцова Л.Г..

7. Обоишев Ю.П., Обоишев М.Ю., Семенов Н.М. Оценка способов измерений магнитного поля объекта на фоне внешнего магнитного поля // Приборы и системы управления (в печати).

8. N 281443 По закрытой тематике / Афанасьев В.В., Ефимова В .Г., Обоишев Ю.П., Семенов Н.М..

9. Обоишев Ю.П., Скородумов С.А., Яковлев Н.И. Анализ схем феррозон-довых магнитометров с амплитудной и широтноимпульсной модуляциями полезного сигнала // Труды ВНИИЭП-1972- N 13.

10. N 409158 Измеритель напряженности магнитного поля / Афанасьев В.В., Обоишев Ю.П., Яковлев Н.И. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1973. N 48.

11. Обоишев Ю.П., Яковлев Н.И. Особенности подавления помех фиксированной частоты в феррозондовых магнитометрах // Труды ВНИИЭП.-1969-N1/5.

12. Обоишев Ю.П., Якомаскин В.Б. Влияние перемешюй электрической помехи на смещение нуль-пункта аппаратуры с модуляционным преобразователем // Труды ВНИИЭП.-1977- N36.

13. N 760003 Феррозондовый магнитометр /Абрамзон Г.В., Бедов Ю.С., Глинская О.И., Кабанов М.М., Обоишев Ю.П. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1980. N 32.

14. N 913289 Магнитометр / Афанасьев В.В., Обоишев Ю.П., Пигина Н.С., Скородумов С.А., Третьяков JI.M. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1982. N 10.

15. N 1026099 Многоканальный тесламетр / Кабанов М.М., Лавров В.П., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А., Федоров А.И. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1983. N 24.

16. Абрамзон Г.В., Обоишев Ю.П. Индукционные измерительные преобразователи переменных магнитных полей. Ленинград, "Энергоатомиздат. Ленинградское отделение", 1984.

17. Обоишев Ю.П., Пигина Н.С., Скородумов С.А., Третьяков Л.М. Методы расширения диапазона линейности средств измерений с ферромодуляци-онными преобразователями // Труды ВНИИЭП.-1981- N 51. "Элементы, узлы, блоки средств электроизмерительной техники", Ленинград.

18. Обоишев Ю.П., Скородумов С.А. К расчет)'- феррозондов, работающих в сильных магнитных полях // Труды ВНИИЭП.-1971- N11.

19. Обоишев Ю.П. Об использовании эффекта взаимодействия полуэлементов дифференциального феррозонда для расширения диапазона линейности // Труды ВНИИЭП.-1972- N 14.

20. N 1004926 Устройство для измерений постоянной магнитной индукции /Афанасьев В.В., Обоишев Ю.П., Синцова Л.Г., Скородумов С.А. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1983. N 10.

21. N 316044 Устройство для измерения переменного магнитного поля / Обоишев Ю.П., Яковлев Н.И. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1973. N29.

22. N 928273 Устройство для измерений магнитной индукции постоянного магнитного поля /Афанасьев В.В., Кибенко В.Д., Мирошниченко B.C., Обоишев Ю.П., Пигина Н.С., Спивак Л.О. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1982. N 18.

23. Афанасьев В.В., Ефимова В.Г., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А. Широкодиапазонный автокомпенсационный микротесламетр // Приборы и системы управления -1984- N8.

24. Обоишев 10.П., Пигина Н.С., Скородумов С.А., Третьяков Л.М. Оценка метрологических возможностей средств измерений магнитной индукции, основанных на эффекте Холла // Труды ВНИИЭП. -1975- N 24.

25. N 490051 Цифровой магнитометр / Обоишев Ю.П., Пигина Н.С., Федо ров А.И. / /Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1975. N40 23.

26. Афанасьев В.В., Ефимова В.Г., Обоишев Ю.П. Анализ методов уменьшения влияния колебаний магнитоизмерительных преобразователей в средствах измерений величин постоянных магнитных полей // Труды ВНИИЭП. -1988- N 79. "Развитие системных средств в электроприборостроении", Ленинград.

27. N 259888 По закрытой тематике /Афанасьев В.В., Ефимова В.Г., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А..

28. Бедов Ю.С., Обоишев Ю.П. Методы снижения порога чувствительности широкополосных индукционных магнитоизмерительных приборов //Труды ВНИИЭП.-1980 - N 45. " Вопросы проектирования средств электроизмерительной техники", Ленинград.

29. Обоишев Ю.П., Скородумов С.А., Яковлев Н.И. Применение миниатюрных магнитомодуляционных датчиков для измерения магнитных полей в звуковом диапазоне частот // Сб. "Магнитные элементы непрерывного действия"-М.: Наука, 1972.

30. Обоишев Ю.П., Скородумов С.А. Анализ методов построения аппаратуры для измерения напряженности слабого неоднородного магнитного поля // Труды ВНИИЭП.-1971 - N 10.

31. Афанасьев В.В., Обоишев Ю.П.,Скородумов С.А., Тиханов Г.А., Яковлев Н.И. Феррозондовые магнитометры для измерения переменных магнитных полей в звуковом диапазоне частот // VII сессия семинара по проблемам построения и использования магнитометрической аппаратуры, ноябрь - М., 1970 / Тезисы докладов

32. Обоишев Ю.П. Исследование магнитометров с магнитомодуляционными преобразователями для измерения магнитных полей в широком диапазоне частот // Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук, специальность N 05.11.05-приборы измерения электрических и магнитных величин, ЛЭШ, Ленинград, 1973, УДК 621.317.421.

33. Нарчев В.А., Обоишев Ю.П., Семенов Н.М. Особенности применения ферромодуляционных преобразователей для измерения низкочастотных электромагнитных полей кораблей //Всесоюзная научно-практическая конференция, посвященная 200 летию образования училища Корабельной архитектуры - Высшего Военно-морского инженерного училища им. Ф.Э. Дзержинского, 1998, С - П. / Тезисы докладов.

34. Бедов Ю.С., Обоишев Ю.П. Методы расширения частотного диапазона средств измерений с индукционными преобразователями // Труды ВНИИЭП. 1980- N 48. "Метрологическое обеспечение средств электроизмерительной техники", Ленинград.

35. N 147813 По закрытой тематике / Абрамзон Г.В., Бедов Ю.С., Обоишев Ю.П..

36. N 209053 По закрытой тематике / Бедов Ю.С., Жулев В.К., Кондратенко Б.М., Логунов Ю.М., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А..

37. N 721784 Устройство для измерения переменной магнитной индукции / Бедов Ю.С., Кибенко В.Д., Мирошниченко B.C., Обоишев Ю.П. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1980. N 10.

38. Абрамзон Г.В., Бедов Ю.С., Обоишев Ю.П. Расширение полосы пропускания индукционных магнитоизмерительных приборов в автокомпенсационном режиме //Труды ВНИИЭП.-1980- N 45."Вопросы проектирования средств электроизмерительной техники", Ленинград.

39. N 87420 По закрытой тематике /Абрамзон Г.В., Жулев В.К., Кокови-хин В.Г., Кондратенко Б.М., Обои- шев Ю.П., Яковлев Н.И..

40. N 150385 По закрытой тематике / Жулев В.К., Кондратенко Б.М., Обои-шев Ю.П..

41. Бедов Ю.С., Обоишев Ю.П. Применение суммирования для расширения частотного диапазона магнитометров с индукционными преобразователями // Труды ВНИИЭП.-1976- N 32.

42. N 667921 Измеритель напряженности переменного магнитного поля / Бедов Ю.С., Обоишев Ю.П. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1979. N22.

43. N 1002993 Измеритель напряженности переменного магнитного поля / Бедов Ю.С., Медведев A.M., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1983. N 9.

44. Абрамзон Г.В., Обоишев Ю.П. Многостержневые индукционные преобразователи переменной магнитной индукции // Труды ВНИИЭП-1981 N 51. "Элементы, узлы, блоки средств электроизмерительной техники", Ленинград.

45. Бедов Ю.С., Обоишев Ю.П. Анализ взаимного влияния секций индукционного преобразователя // Труды ВНИИЭП.-1981- N 52. "Метрология, качество, надежность и стандартизация электроизмерительной техники", Ленинград.

46. N 1576877 Измеритель напряженности переменного магнитного поля / Ефимова В.Г., Обоишев Ю.П., Синцова Л.Г. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1986. N 45.

47. Ефимова В.Г., Обоишев Ю.П. Индукционный преобразователь широкополосных средств измерений магнитной индукции // Труды ВНИИЭП,-1988- N 78, "Проектирование средств электроизмерительной техники", Ленинград.

48. N 165119 По закрытой тематике / Бедов Ю.С.,Жулев В.К., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А..

49. N 103754 По закрытой тематике /Абрамзон Г.Ф., Бедов Ю.С., Обоишев Ю.П..

50. N 746357 Измеритель переменной магнитной индукции /Бедов Ю.С., Климова Т.П., Обоишев Ю.П., Пигина Н.С.// Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1986. N 45.

51. N 653591 Магнитометр / Бедов Ю.С., Глинская О.И., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1979. N11.

52. Обоишев Ю.П. Анализ полосы пропускания широкополосного феррозон-дового магнитометра второй гармоники // Труды ВНИИЭП.-1971, N 10.

53. Обоишев Ю.П., Синцова Л.Г., Скородумов С.А. Расширение частотного диапазона средств измерений магнитной индукции с преобразователями Холла/Л/I Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы маг-

53. Обоишев Ю.П., Синцова Л.Г., Скородумов С.А. Расширение частотного диапазона средств измерений магнитной индукции с преобразователями ХоллаУ/VI Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры", 15-18 ноября, 1983, Ленинград. / Тезисы доклада.

54. N 448404 Устройство для измерения переменного магнитного поля /Обоишев Ю.П., Пигина Н.С., Федоров А.И. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1974. N 40.

55. Обоишев Ю.П., Синцова Л.Г., Скородумов С.А. Особенности построения средств измерений величин переменного магнитного поля в устройствах криогенной электротехники // VI Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры", 15-18 ноября, 1983, Ленинград./Тезисыдоклада.

56. N 1128205 Устройство для измерения индукции переменного магнитного поля / Обоишев Ю.П., Синцова Л.Г., Скородумов С.А. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1984. N 45.

57. N 1211678 Устройство для измерения переменной магнитной индукции /Обоишев Ю.П., Синцов A.A., Синцова Л.Г., Скородумов С.А. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1986. N 6.

58. Абрамзон Г.В., Афанасьев В.В., Обоишев Ю.П. Феррозонды с компенсацией внутренного поля // Труды ВНИИЭП.-1976- N 29.

59. N 334530 Дифференциальный феррозонд / Абрамзон Г.В., Обоишев Ю.П.// Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1972. N 12.

60. N 518745 Дифференциальный феррозонд /Абрамзон Г.В., Афанасьев В.В., Обоишев Ю.П. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1976. N 23.

61. Афанасьев В.В., Бедов Ю.С., Обоишев Ю.П., Влияние ферромагнитных масс на характеристики индукционных преобразователей // Геофизическая аппаратура- Л.: Недра. 1975- Вып. 58.

62. Обоишев Ю.П., Скородумов С.А., Третьяков Л.М. Исследование влияния бокового приема на погрешность измерения напряженности магнитного поля // Труды ВНИИЭП-1974- N 19.

63. N 288676 По закрытой тематике / Бедов Ю.С., Николаев A.B., Обоишев Ю.П., Семенов A.B., Скородумов С.А..

64. Бедов Ю.С., Николаев A.B., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А. Развитие методов повышения акустической помехоустойчивости средств измерений магнитных величин с индукционными преобразователями И Труды ВНИИЭП.-1989- N 81. "Проектирование и конструирование средств электроизмерительной техники", Ленинград.

65. Жулев В.К., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А. Исследование влияния электрического поля на погрешность индукционных магнитоприемников //Труды ВНИИЭП,-1973-N 18.

67. Ефимова В.Г., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А. Повышение помехоустойчивости средств измерений потеницала электрического поля в проводящей среде // Труды ВНИИЭП, "Системные средства в электроизмерительной технике"- JI. 1990 - N 88.

68. N 273280 По закрытой тематике /Ефимова В.Г., Обоишев Ю.П..

69. N 296760 По закрытой тематике / Ефимова В.Г., Обоишев Ю.П..

70. N 278856 По закрытой тематике / Ефимова В.Г., Кондратенко Б.М., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А..

71. N 301479 По закрытой тематике / Афанасьев В.В., Ефимова В.Г., Назаров Н.И., Обоишев Ю.П., Семенов A.B., Скородумов С.А..

72. Афанасьев В.В., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А., Тиханов Г.А., Яковлев Н.И. Широкодиапазонный феррозондовый магнитометр // Приборы и системы управления-1974- N 1.

73. Афанасьев В.В., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А., Тиханов Г.А., Яковлев Н.И. Прибор для измерения напряженности переменных и постоянных магнитных полей типа Г73 // Приборы и техника эксперимента-1972-N5.

74. N 284023 Генератор импульсов / Обоишев Ю.П., Яковлев Н.И. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1970. N 32.

75. Афанасьев В.В., Ефимова В.Г., Обоишев Ю.П., Синцов A.A., Скородумов С.А., Третьяков JIM. Широкодиапазонный микротесламетр Г74М и его метрологическое обеспечение // VI Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры", 15-18 ноября, 1983, Ленинград./ Тезисы доклада.

76. Ефимова В.Г., Медведев A.M., Обоишев Ю.П. Серийные средства измерений постоянных и переменных магнитных полей рассеивания электротехнического оборудования // Измерительная техника-1987- N 11.

77. Афанасьев В.В., Ефимова В.Г., Обоишев Ю.П., Синцов A.A., Скородумов С.А., Третьяков Л.М. Микротесламетр Г74М // Приборы и техника эксперимента-1983-N 5.

78. Бедов Ю.С., Глинская О.И., Кабанов М.М., Кибенко В.Д., Мирошниченко B.C., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А., Третьяков Л.М. Микротесламетр Г79 // Приборы и техника эксперимента-1980- N 5.

79. Афанасьев В.В.,. Бедов Ю.С., Глинская О.И., Обоишев Ю.П. // Информа-.. ционный листок о научно-техническом достижении N64-80 НТД,

■per.N78037810, Ленинград, 1980.

80. Бедов Ю.С., Кибенко В.Д., Марков В.А., Мирошниченко B.C., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А., Третьяков Л.М. Широкополосный измеритель переменной индукции и его метрологическое обеспечение // Вторая Всесоюзная конференция по методам и средствам измерения параметров магнитного поля, 18-21 ноября, 1980, Ленинград. / Тезисы доклада.

измеритель переменной индукции и его метрологическое обеспечение // Вторая Всесоюзная конференция по методам и средствам измерения параметров магнитного поля, 18-21 ноября, 1980, Ленинград./Тезисы доклада.

81. Афанасьев В.В., Ефимова В.Г., Обоишев Ю.П., Синцов A.A., Синцова Л.Г. Микротесламетр Г703 // III Всесоюзная конференция "Методы и средства измерений параметров магнитного поля", 17-19 сентября, 1985, Ленинград./ Тезисы доклада.

82. Звенигородская A.A., Обоишев Ю.П., Синцов A.A., Скородумов С.А. Средства измерений переменных магнитных полей в криоэлектрической машине // Труды ВНИИЭлектромашиностроения "Сверхпроводниковые электрические машины"-1983, Ленинград.

83. Обоишев Ю.П., Скородумов С.А., Федоров А.И. Средства измерений Бе-личин магнитного поля в устройствах электроэнергетики и электротехники // Измерительная техника-1987- N11.

84. .Обоишев Ю.П., Синцова Л.Г., Скородумов С.А. Методы построения средств измерений величин переменного магнитного поля в устройствах криогенной технике // Труды ВНИИЭП.-1982- N56, "Расчет и проектирование средств электроизмерительной техники", Ленинград.

85. Афанасьев В.В., Бедов Ю.С., Ефимова В.Г., Обоишев Ю.П., Синцов A.A., Синцова Л.Г., Скородумов С.А., Третьяков Л.М. Помехоустойчивая многоточечная система для измерений переменной магнитной индукции в устройствах криогенной техники // VI Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры", 15-18 ноября, 1983, Ленинград./Тезисы доклада.

86. N 1275304 Устройство для измерения максимальных значений переменного электрического напряжения / Обоишев Ю.П., Синцов A.A., Синцова Л.Г. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1986. N45.

87. Обоишев Ю.П., Сазонов С.П., Семенов Н.М., Смолянцев С.А. Средства измерений постоянных магнитных полей судов // Заявка от 20.12.96 N96123960/09, решение от 06.01.98.

88. N 312181 По закрытой тематике / Бедов Ю.С., Николаев A.B., Обоишев Ю.П., Семенов A.B., Скородумов С.А..

89. Большаков В.И., Нарчев В.А., Нестеров В.А., Обоишев Ю.П., Сазонов С.Л., Семенов Н.М. Развитие стендов для контроля магнитного состояния кораблей //Вторая международная конференция по судостроению ISC-98. Second International sibuilding conference-ISC-98 24-26. 11.1998 С- Петербург (секция Е. 1.2)1 Тезисы докладов.

90. Бартенев Н.К., Ветерков Н.В., Обоишев Ю.П., Скородумов С.А., Та-реев Н.В. По закрытой тематике // Заявка от 18.03.91 N 4540329/21/02543 решение от 29.11.91.

91. Нарчев В.А., Обоишев М.Ю., Обоишев Ю.П., Семенов Н.М. Особенности построения многоточечных стационарных средств измерений магнитных полей плавсредств //Приборы и системы управления -1998- N 4.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................3

1. ПОМЕХИ. ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ И ПРОЯВЛЕНИЯ В СРЕДСТВАХ ИЗМЕРЕНИЙ ПОЛЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ГРУППЫ..............................11

1.1. Помехи и их влияние в средствах измерений величин магнитных полей.......11

1.2. Помехи и их влияние в средствах измерений потенциала электрического поля.....................................................................................................13

2. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ.................................................................................................13

2.1. Методы уменьшения влияния внешнего постоянного магнитного поля, действующего на магнитогамерительные преобразователи....................................13

2.2. Методы уменьшения влияния переменного магнитного поля..........................17

2.3. Методы расширения диапазона линейности средств измерений с ферромодуляционными преобразователями..............................................................25

2.4. Методы расширения диапазона линейности средств измерений с преобразователями Холла............................................................................................29

2.5. Методы повышения помехоустойчивости к колебаниям (качке, вибрациям) магнитоизмеригелышх преобразователей.................................................................30

2.6. Влияние гравитационного и теплового полей и собственных шумов мапштоизмерительных преобразователей.................................................................31

3. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ПЕРЕМЕННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ.....................................32

3.1. Расширение частотного диапазона средств измерений.....................................33

3.2. Уменьшение влияния постоянного магнитного поля, действующего на магнитоизмерительный преобразователь...................................................................53

3.3. Влияние ферромагнитных масс............................................................................59

3.4. Боковой прием........................................................................................................61

3.5. Влияние гидроакустического поля на средства измерений и методы его уменьшения...................................................................................................................62

3.6. Влияние электрического поля на средства измерений и методы его уменьшения..............................................................................^....................................64

4. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ПОТЕНЦИАЛА ПОСТОЯННОГО И КВАЗИПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРОВОДЯЩЕЙ

СРЕДЕ..............................................................................................................................67

5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ........................................................................72

5.1. Общепромышленные переносные средства измерений.....................................72

5.2. Стационарные средства измерений общепромышленного назначения с встроенными в исследуемую аппаратуру датчиками................................................75

5.3. Средства измерений полей электромагнитной группы плавсредств................76

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................79

Перечень принятых сокращений.................................................................................81

Основные работы, опубликованные по теме диссертации.......................................83