УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к газоразрядной электроизмерительной технике и может быть, в частности, использовано для получения объективных данных при осуществлении биолокации.
Известно устройство для определения микроволнового импульсного излучения высокой мощности, которое может быть использовано для установления факта облучения объекта указанным излучением, в результате чего возможно повреждение объекта. Устройство включает пластину из проводящего материала, в которой выполнены одна или более щелей. Щели заполнены воздухом или другим диэлектриком. Если пластина подвергается импульсному излучению, возникает увеличение напряженности электромагнитного поля в щелях. Если напряженность этого поля превосходит электрическую прочность диэлектрика в щели, происходит разряд в форме пробоя через щель. Вспышка света, сопутствующая разряду, фиксируется на пленке, WO 9836286.
Недостатком данного технического решения является низкая чувствительность по амплитуде электромагнитного поля (ЭМП), поскольку для осуществления разряда необходима весьма высокая напряженность ЭМП, так как обе стороны щели имеют одинаковый исходный потенциал. Таким образом, ЭМП умеренной интенсивности не фиксируется. Кроме того, имеет место низкая чувствительность по углу падения электромагнитной волны. При отклонении этого угла от перпендикуляра относительно продольной оси щелей чувствительность устройства падает до нуля.
Следует также сказать, что устройство только фиксирует факт наличия или отсутствия ЭМП и не позволяет определить количественные характеристики поля.
Более чувствительным является устройство для измерения напряженности электромагнитного поля, содержащее газоразрядную камеру, образованную между электродами, разделенными диэлектриком. Оба электрода имеют цилиндрическую форму и расположены коаксиально. Цилиндры заглушены с одной стороны и размещены заглушенными сторонами наружу внутри герметичного диэлектрического баллона, причем соотношение диаметров цилиндров в пределах 0,2≤d/D≤O,5 где d и D - диаметры соответственно внутреннего и внешнего электродов, SU 1335902 А1.
приложенного поля
пробоя,
пробоя
Благодаря цилиндрической форме электродов разряд возбуждается волной, падающей в пределах 360°, момент пробоя фиксируется по величине тока. Однако разряд в узком зазоре между цилиндрами возникает при выполнении условия: U>U при этом U=E·d, где Е - напряженность поля, d - ширина зазора.
Для увеличения чувствительности поля необходимо, таким образом, уменьшать величину зазора, однако при значительном уменьшении зазора возникает реальная возможность замыкания. Чувствительность известного устройства недостаточна, так как ограничена геометрической формой электродов и минимально допустимой величиной зазора между ними.
Более чувствительным является устройство для измерения напряженности поля электромагнитного излучения, содержащее газоразрядную камеру, образованную между электродами, разделенными диэлектриком, причем один из электродов выполнен цилиндрическим, другой электрод выполнен в виде диска, вертикальная ось симметрии цилиндрического электрода перпендикулярна плоскости диска, при этом отношение диаметра «d» цилиндрического электрода к диаметру «D» электрода, выполненного в виде диска, находится в пределах 0,01≤d/D≤0,3, при этом электроды подключены к источнику электрического напряжения, а в линию подключения цилиндрического электрода к источнику напряжения включен емкостной элемент, представляющий собой пару антенна - заземление, RU 2280258 C1.
Данной техническое решение принято за прототип настоящей полезной модели.
Включение емкостного элемента позволяет выделять высокочастотные составляющие полезного сигнала, так как емкостной элемент позволяет возбудить в электрической цепи электромагнитные колебания, определяемые резонансной частотой контура антенна - заземление.
Недостатком прототипа является то обстоятельство, что указанный контур имеет фиксированную резонансную частоту, что не позволяет выделять полезный сигнал в широком частотном диапазоне. Кроме того, недостатком прототипа является отсутствие возможности осуществления дистанционного измерения напряженности электромагнитного поля в том числе, в автоматическом режиме.
Задачей настоящей полезной модели является обеспечение возможности выделения полезного сигнала в широком частотном диапазоне, а также осуществление дистанционного измерения напряженности электромагнитного поля в автоматическом режиме.
Согласно полезной модели в устройстве для измерения напряженности электромагнитного поля, содержащем газоразрядную камеру, образованную между электродами, разделенными диэлектриком, причем один из электродов выполнен цилиндрическим, а другой электрод выполнен в виде диска, электроды подключены к источнику электрического напряжения, при этом в линию подключения цилиндрического электрода к источнику напряжения включен емкостной элемент, представляющий собой пару антенна - заземление, в линию подключения цилиндрического электрода к антенне включен конденсатор переменной емкости; в устройстве использован конденсатор переменной емкости с электрическим управлением;
электрод выполнен из прозрачного токопроводящего материала, при этом устройство дополнительно содержит видеокамеру, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), процессор, приемопередатчик, один или более терминалов мобильной связи, сервер мобильного Интернета и блок обработки токового сигнала, выход видеокамеры подключен к первому входу АЦП, выход которого подключен к первому входу процессора, первый выход которого подключен к первому входу приемопередатчика, второй его выход соединен со входом генератора, третий его выход соединен со входом конденсатора переменной емкости с электрическим управлением, первый выход приемопередатчика соединен со вторым входом процессора, второй выход и второй вход приемопередатчика соединены по каналам мобильной связи с одним или более терминалами мобильной связи, соединенными по каналу мобильного Интернета с сервером мобильного Интернета, при этом вход блока обработки токового сигнала соединен с электродом, выполненным в виде диска, а его выход соединен со вторым входом АЦП.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящей полезной модели, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «Новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - схема устройства согласно п.1 формулы полезной модели;
на фиг.2 - схема устройства согласно п.п.2, 3 формулы полезной модели.
Устройство включает электроды 1 и 2, электрод 1 выполнен цилиндрическим, в конкретном примере из титана, что обеспечивает его стойкость в условиях газового разряда. Возможно выполнение электрода 1 из вольфрама, ниобия и др. Диаметр электрода 1 в конкретном примере составляет 10 мм. Электрод 2 выполнен в виде диска, диаметром 80 мм, представляющего собой в варианте по п.1 формулы полезной модели металлическую пластину. В варианте по п.3 формулы полезной модели электрод 2 выполнен из прозрачного токопроводящего материала, в частности, полимерного или сверхтонкой прозрачной металлической пленки;
нанесенной напылением или осаждением на диэлектрическую пластину 3, разделяющую электроды 1 и 2. Пластина 3 толщиной 3 мм выполнена из кварца. Возможно применение других диэлектриков, в том числе стекла. Вертикальная ось симметрии цилиндрического электрода 1 перпендикулярна плоскости электрода 2, выполненного в виде диска. Отношение диаметра «d» цилиндрического электрода 1 к диаметру «D» электрода, выполненного в виде диска, находящего в переделах 00,1≤d/D≤0,3.
Указанное соотношение диаметров определяется следующими обстоятельствами. Диаметр «d» электрода 1 может составлять 2-60 мм. При «d»<2 мм начинают влиять эффекты неоднородности края цилиндра, что приводит к перераспределению напряженности поля за счет краевых эффектов на неоднородностях. Увеличение «d» более, чем 60 мм нецелесообразно по конструктивным и технико-экономическим соображениям. Диаметр «D» электрода 2 обусловлен конструктивным удобством и составляет 30-200 мм. Из условий развития разряда при давлении воздуха, равном атмосферному и ниже, от края верхнего электрода до края нижнего должно оставаться пространство размером не менее 20 мм. Это определяется следующим соотношением, определяющим связь между длиной скользящего разряда, удельной поверхностной емкостью, амплитудой и крутизной приложенного напряжения:
,
0
13
13
где С - удельная поверхностная емкость; 2 см<L<10 cм - длина скользящего разряда; U - приложенное напряжение; V - скорость нарастания напряжения; k - коэффициент, равный 21·10 для положительной и 13·10для отрицательной полярности, зависящий от материала диэлектрика и формы воздействующего напряжения; на значение констант и, следовательно, на характеристики разрядных фигур влияют также крутизна переднего фронта и длительность импульса напряжения.
Вертикальная ось симметрии цилиндрического электрода 1 проходит через центр электрода 2, что обеспечивает радиальную однородность поля, отсутствие выделенных направлений при регистрации ЭМП.
Электроды 1 и 2 подключены к источнику электрического напряжения, в частности, к генератору 4 электрических импульсов. Использован генератор импульсов «ГРВ Камера» с амплитудой 10-20 кВ, длительностью 10 мкс, скважностью 1000 ГЦ, подающихся пачками длительностью 0,5 с, выпускаемый ЗАО «Биотехпрогресс» (г.Санкт-Петербург).
В линию подключения электрода 1 к генератору 4 включен емкостной элемент, представляющий в данном примере пару, состоящую из антенны 5 и заземления 6.
∗
Включение емкостного элемента позволяет выделить высокочастотные составляющие полезного сигнала и избавиться от помех, связанных с ЭМП промышленных частот, при этом емкостной элемент в виде антенна 5 -заземление 6 позволяет возбудить в электрической цепи электромагнитные колебания, определяемые резонансной частотой контура антенна 5 -заземление 6. В линию подключения цилиндрического электрода 1 к антенне включен конденсатор 7 переменной емкости, это позволяет настраиваться на ЭМП различного частотного диапазона. Это повышает избирательность устройства. В варианте по п.1 формулы полезной модели использован конденсатор 7 переменной емкости с механическим управлением, в варианте по п.п.2, 3 формулы полезной модели - с электрическим управлением, при этом устройство дополнительно содержит видеокамеру 8, в частности, КРС400 производства КТО-С Со, Корея, АЦП 9 типа AD9280 производства фирмы «Analog Device», США, процессор 10 типа ATMEGA64 производства фирмы «ATMEL», США, приемопередатчик 11 - MOTOROLA PC850, США. Устройство содержит один или более терминалов 12 мобильной связи. В качестве терминалов 12 могут быть использованы мобильные телефоны или компьютеры со средствами беспроводной связи. В примере, иллюстрированном фиг.1, изображен для простоты один терминал 12. В конкретном примере использован сервер 13 мобильного Интернета типа USN Zeus Supermicro i7300 2Xeon E7420/8G/no HDD/ no ODD фирмы CISCO, США. Блок 14 обработки токового сигнала представляет собой процессор типа ЕРМ 7128 производства фирмы Alterra, США.
Выход видеокамеры 8 подключен к первому входу АЦП 9, выход которого подключен к первому входу процессора 10, первый выход которого подключен к первому входу приемопередатчика 11; второй выход процессора 10 соединен со входом генератора 4, третий выход процессора 10 соединен со входом конденсатора 7 переменной емкости с электрическим управлением; первый выход приемопередатчика 11 соединен со вторым входом процессора 10, второй выход и второй вход приемопередатчика 11 соединены по каналам мобильной связи с одним или более терминалами 12 мобильной связи, соединенными по каналу мобильного Интернета с сервером 13 мобильного Интернета; вход блока 14 обработки токового сигнала соединен с электродом 2, а его выход соединен со вторым АЦП 9.
В варианте по фиг.1 устройство работает следующим образом. При увеличении напряженности ЭМП между электродами 1 и 2 выше напряжения пробоя вдоль поверхности диэлектрика 3 развивается газовый разряд лавинного типа. Свечение и/или ток разряда регистрируют соответствующими измерительными приборами, например, фотоумножителем и/или микроамперметром. Измененные значения позволяют судить о величине напряженности ЭМП.
Генератор 4 позволяет установить напряжение между электродами 1 и 2 вблизи значения напряжения пробоя, что обусловливает возникновение пробоя и развитие газового разряда при относительно небольшой амплитуде внешнего ЭМП; для получения разрядных фигур на электроды можно подать серию биополярных импульсов напряжения. В этом случае при каждом из них возникает соответствующая фаза разряда, и окончательная картина представляет собой суперпозицию изображений от положительного и отрицательного разрядов (с учетом искажения электрического поля положительным поверхностным зарядом, оставшимся после предыдущих разрядов).
С помощью конденсатора 7 переменной емкости изменяют параметры контура антенна 5 - заземление 6, настраиваясь на частоту измеряемой компоненты ЭМП. При этом происходит выделение полезного сигнала в широком частотном диапазоне.
В варианте по фиг.2 устройство работает следующим образом. Через прозрачную пластину 3 и электрод 2 газоразрядное свечение поступает на видеокамеру 8, преобразуется в цифровой код при помощи АЦП 9, сигнал с которого поступает на процессор 10, с которого сигнал передается на приемопередатчик 11 и на один или более терминалов 12 мобильной связи, и через канал связи на сервер 13, где происходит обработка сигнала и определяются параметры, отражающие двумерные геометрические характеристики структур свечения, а также яркостные характеристики. Эти характеристики определяются измеряемой напряженностью электромагнитного поля и отражают динамику его изменения при проведении длительных измерений. После обработки на сервере 13 сигнал с сервера 13 поступает на терминал 12 мобильной связи для дальнейшего использования оператором-потребителем. Этот сигнал может также служить управляющим для процессора 10 через приемопередатчик 11, изменяя параметры работы генератора 4 и переменного конденсатора 7 для повышения чувствительности устройства и/или настройки на выбранный частотный диапазон. Формирование сигнала управления может производится автоматически с сервера 13 в соответствии с заданной программой, например, сканирования по частоте в заданном временном контексте, задаваться оператором на сервере 13 в соответствии с задачами проводимых измерений, или задаваться оператором с терминала 12 мобильной связи.
Полезный сигнал с электрода 2 также регистрируется в виде амплитуды высокочастотного тока блоком 14 обработки токового сигнала, с выхода которого в цифровом виде сигнал поступает на процессор 10, с которого сигнал передается на приемопередатчик 11 и на один или более терминалов 12 мобильной связи, и через канал связи на сервер 13, где происходит обработка сигнала и определяются параметры тока. Эти параметры определяются измеряемой напряженностью электромагнитного поля и отражают динамику его измерения при проведении длительных измерений.
Для реализации устройства использованы известные комплектующие элементы конструкционные материалы, что обусловливает соответствие полезной модели критерию «Промышленная применимость».