Способ измерения скорости движущейся плазмы в магнитоплазменном электродинамическом ускорителе
METHOD OF MEASURING VELOCITY OF MOVING PLASMA IN MAGNETOPLASMA ELECTRODYNAMIC ACCELERATOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного измерения скорости токопроводящей плазмы в магнитоплазменном электродинамическом ускорителе.
e
Известен способ измерения скорости движения объекта с током, например токопроводящей плазмы в магнитоплазменном электродинамическом ускорителе [А.с. СССР на изобретение №1818588, МПК G01Р 3/64. Авторы: Обыденников С.С., Кириевский Е.В., Долгих В.В., Седых А.И. Дата публикации: 10.08.1998], заключающийся в измерении сигналов датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, установленных вдоль траектории движения, определении координатной функции , определении величины S перемещения объекта, соответствующего изменению выходного сигнала датчика положения в е раз и определении скорости по формуле: .
e
e
Также известен способ измерения скорости движения объекта с током, например токопроводящей плазмы в магнитоплазменном электродинамическом ускорителе [Патент РФ на изобретение №: 2169926, МПК G01P 3/64. Авторы: Кириевский В.Е., Кириевский Е.В., Щедрин В.Н. Патентообладатель: Государственное учреждение Южный научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации. Дата публикации: 27.06.2001], заключающийся в измерении сигналов U1(X), U2(X) датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, установленных вдоль траектории движения, определении координатной функции , где X - относительная координата объекта, определении масштабирующего коэффициента S, причем величина S выбирается равной перемещению объекта, соответствующего изменению выходного сигнала датчика положения в  раз, а скорость ν определяют как: , причем величина d определяется как: , где  - расстояние между двумя соседними датчиками.
e
Также известен способ измерения скорости движения объекта с током, например, токопроводящей плазмы в магнитоплазменном электродинамическом ускорителе [Патент РФ на изобретение №: 2172960, МПК G01P 3/64. Авторы: Кириевский В.Е., Кириевский Е.В., Щедрин В.Н. Патентообладатель: Государственное учреждение Южный научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации. Дата публикации: 27.08.2001], заключающийся в измерении сигналов двух датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, установленных вдоль траектории движения, определении координатной функции F, величины S перемещения объекта, соответствующего изменению выходного сигнала датчика положения в е раз, причем координатную функцию определяют по формуле: ), U1(X), U2(X) - сигналы первого и второго датчика соответственно, X - координата объекта, а скорость ν определяют как: .
Однако описанные выше способы имеет следующие недостатки: низкая точность измерения скорости вследствие существенной нелинейности координатной функции F; низкая информативность из-за невозможности измерения скорости в периоды времени, когда величина тока в плазме в силу его периодического характера оказывается близка к нулю.
Известен также способ измерения скорости движущейся плазмы в магнитоплазменном электродинамическом ускорителе [Sloan М.L. Measurment of rail gun projectile velocities by shorted transmission lin techniques // IEEE Transactions on magnetics. Vol. 22, 1986. - №06], основанный на возбуждении в рельсовой системе ускорителя высокочастотных электрических колебаний во время движения плазмы на участке внутренней баллистики, причем частоту колебаний устанавливают фиксированной, а скорость движения плазмы определяют как частное от деления половины длины волны возбужденных электрических колебаний на величину интервала времени между соседними всплесками амплитуды возбужденных электрических колебаний.
Этот способ является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и принят за прототип.
К недостаткам способа-прототипа относится необходимость физического подключения выхода измерительного устройства одновременно к двум рельсам, разность потенциалов между которыми в процессе работы ускорителя достигает 100-200 кВ, и как следствие - возникает повышенная опасность его выхода из строя и поражения оператора электрическим током, а также измерение только средней скорости и невозможность измерения мгновенной скорости.
Задачей изобретения является создание способа измерения мгновенной скорости плазмы в магнитоплазменном электродинамическом ускорителе, обеспечивающего измерение мгновенной скорости на протяжении всего периода разгона (участок внутренней баллистики), допускающего подключение измерительного устройства только к одному, заземленному рельсу ускорителя и, как следствие, повышение уровня безопасности оператора на объекте измерения и снижение вероятности выхода из строя дорогостоящего ускорителя.
Техническим результатом изобретения является обеспечение измерения мгновенной скорости и повышение уровня безопасности эксплуатации измерительных устройств, реализованных на его базе.
Поставленная задача решается тем, что в способе измерения скорости движущейся плазмы в магнитоплазменном электродинамическом ускорителе, основанном на возбуждении в рельсовой системе ускорителя высокочастотных электрических колебаний во время движения плазмы, на участке внутренней баллистики в рельсовой системе ускорителя создают резонанс токов, непрерывно измеряют циклическую частоту резонанса ω(t), а скорость плазмы ν(t) определяют по формуле:
,
где t - время, , L - эквивалентная индуктивность источника питания ускорителя, b - погонная индуктивность рельса,  - длина рельса, С - используемая в качестве образцовой меры измерения емкость конденсатора, включенного параллельно заземленному с одного конца рельсу.
Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в рельсовой системе ускорителя на участке внутренней баллистики создают резонанс токов, непрерывно измеряют циклическую частоту резонанса ω(t), а скорость плазмы ν(t) определяют по формуле:
,
где t - время, , L - эквивалентная индуктивность источника питания ускорителя, b - погонная индуктивность рельса,  - длина рельса, С - используемая в качестве образцовой меры измерения емкость конденсатора, включенного параллельно заземленному с одного конца рельсу.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется рисунками на фиг. 1-3.
На фиг. 1 в упрощенном виде показана структура магнитоплазменного электродинамического ускорителя (ЭДУ) с питанием от конденсаторной батареи и его эквивалентная электрическая схема. ЭДУ состоит из источника питания 1, плазменной перемычки 2, ускоряемого тела 3 и рельсов 4, один из которых (нижний на фиг. 1) заземлен. На электрической схеме: С5 и L6 - соответственно эквивалентные емкость и индуктивность источника питания, L7 и L8 - составляющие распределенной индуктивности рельсов до текущего положения плазменной перемычки (ПП), R9 - эквивалентное электрическое сопротивление ПП, L10 и L11 - составляющие распределенной индуктивности рельсов после текущего положения ПП. Точки 12 и 13 электрической схемы соответствуют входным концам рельсов (месту начала движения ПП), 14 и 15 - текущему положению ПП на участке внутренней баллистики, а 16 и 17 - выходным концам рельсов (месту выхода ПП из канала ЭДУ).
Очевидно, что параметры L7, L8, L10 и L11 являются линейными функциями координаты ПП x(t), причем, в случае идентичной геометрической конструкции рельсов и равномерного распределения погонной индуктивности b будут соблюдаться соотношения: L7-L8; L10=L11. Например, типичными значениями для рельсов длиной =1 м являются L7+L8+L10+L11=0,12 мкГн, что соответствует погонной индуктивности рельсов b=0,06 мкГн/м. Значения параметров С5 и L6 определяются исключительно электромеханической конструкцией ЭДУ (типичными являются значения С5≈400 мкФ и L6≈0,2 мкГн) и остаются неизменными на протяжении всего периода разгона. Значение параметра R9 в процессе ускорения изменяется в соответствии с колебаниями ширины ПП (типичное значение R9≈0,1 Ом), однако амплитуда его изменений незначительна и не влияет существенно на частотные характеристики электрической цепи, изображенной на фиг. 1.
Резонансная циклическая частота ω(t) колебательного контура, образованного элементами С5, L6, L7, L8 и R9, в процессе движения ПП является функцией координаты ПП x(t) и определяется соотношением:
.
Для приведенных выше типичных значений параметров цепи диапазон изменения частоты составляет 14,0÷17,8 кГц. Следовательно, за общее время разгона (типичное значение около 400 мкс) возможное количество измерений частоты (а значит, и скорости ПП) составит в среднем не более 12 (по количеству полных полупериодов тока/напряжения, уложившихся в общее время разгона), что очень мало, так как может обеспечить измерение не мгновенной (или, точнее, квазимгновенной), а лишь средней скорости ПП на очень малом количестве участков внутренней траектории.
Для перехода к измерению мгновенной скорости необходимо значительно увеличить резонансную частоту колебательного контура, включающего в себя участки переменной индуктивности, линейно зависящей от координаты ПП. Для этого в схему между точками 13 и 17 на фиг. 1 (т.е. параллельно заземленному рельсу ЭДУ, что целесообразно с точки зрения безопасности эксплуатации установки) предлагается дополнительно ввести небольшую известную емкость в виде образцового конденсатора (порядка нескольких сотен пФ).
На фиг. 2 показана эквивалентная электрическая схема силовой части ЭДУ, иллюстрирующая предлагаемый способ измерения скорости. По сравнению со схемой, изображенной на фиг. 1, она дополнительно содержит емкость образцового конденсатора С18 и генератор 19, причем емкость образцового конденсатора включена в частотно-задающую цепь генератора.
Возбуждая колебательный контур, образованный элементами С18, С5, L6, L7, L8, R11 и R9 на верхней резонансной частоте:
где , используют частоту ω(t) в качестве информативного параметра для определения координаты ПП x(t) по формуле, полученной из разрешенного соответствующим образом выражения (2):
где .
Скорость ПП ν(t) определяют по формуле дифференцированием (2) как производную по времени от координаты ПП:
.
Введя обозначения C≡C18 и L≡L6, окончательно получим:
,
где .
График 20 на фиг. 3 показывает зависимость измеряемой частоты от координаты для приведенных выше типичных значений параметров цепи.
Зависимость измеряемой частоты от координаты, как видно из графика на фиг. 3, имеет характер, близкий к линейному, что упрощает построение устройств, реализующий описанный способ измерения. Диапазон изменения измеряемой частоты составляет 46÷49 МГц, что позволит осуществить в процессе ускорения до 19 тысяч отсчетов координаты ПП (по количеству полных полупериодов тока/напряжения, уложившихся в общее время разгона) и, следовательно, обеспечить измерение мгновенной (квазимгновенной) скорости в любой точке траектории внутренней баллистики.
Таким образом, предложенный способ позволяет обеспечить измерение мгновенной скорости движущейся плазмы в магнитоплазменном электродинамическом ускорителе и повысить уровень безопасности эксплуатации измерительных устройств, реализованных на его базе.
Наиболее целесообразно применение предлагаемого технического решения в электрофизике для высокоточного управления разгоном плазмы и толкаемых ею тел в магнитоплазменных электродинамических ускорителях с управляемым разгоном, требующих измерения в процессе движения плазмы не средних, а мгновенных значений скорости разгона для управления процессом разгона по результатам непрерывного измерения скорости.