Способ измерения параметров подстилающей среды и устройство для его осуществления
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING PARAMETERS OF UNDERLYING ENVIRONMENT

Способ измерения параметров подстилающей среды и устройство для его осуществления относится к измерительной технике и может использоваться в системах радиосвязи для выбора мест размещения приемопередающей аппаратуры.
Излучение и прием радиосигналов осуществляется через антенны, эффективность которых зависит от электрофизических параметров подстилающей среды. Известны способы оценки излучаемого радиосигнала по электрофизическим характеристикам подстилающей среды для некоторого района размещения (см., например, патент Японии JP №4376071, Н04В 3/46 «Способ измерения излучаемых радиоволн»).
Известные способы основаны на использовании антенны в качестве первичного датчика, устройства преобразования параметров подстилающей среды, преобразователя аналогового сигнала в цифровую форму, цифрового вычислительного устройства и устройства хранения и индикации.
Способы-аналоги основаны на определении электрофизических параметров подстилающей среды путем измерения потерь электромагнитной энергии в подстилающей среде. Потери определяются как интеграл от произведения поверхностного импеданса подстилающей среды на квадрат плотности тока. Этот метод дает достаточно точные результаты, когда напряженность поля подстилающей среды слабо изменяется вдоль этой поверхности на расстоянии порядка глубины скин-эффекта.
Однако если это условие не выполнено, то напряженность поля в подстилающей среде нельзя адекватно определить через нормальную составляющую электромагнитной волны, распространяющуюся вдоль поверхности земли. При этом меняется излучающая способность антенны, находящейся вблизи подстилающей среды, что является недостатком аналогов.
Характеристики антенных элементов, когда они окружены материальной средой, сильно отличаются от их характеристик в воздухе, благодаря влиянию электрических свойств материала среды и даже ее формы и размеров, если влияние материальной среды не очень сильное.
Для оценки излучающей способности антенны от электрофизических параметров подстилающей среды используют устройства, содержащие генератор периодического сигнала, измерительную антенну, измеритель входного импеданса антенны, аналого-цифровой преобразователь, устройство математической обработки полученных данных и отображения результатов измерения, источник периодического испытательного сигнала, снимают зависимость входного импеданса антенны, находящейся над подстилающей средой, от частоты источника периодического сигнала (Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах, кн. 1 - М: Мир, 1984, RU 209846,. RU 2188439, US 5175500).
При этом производится измерение действительной составляющей поверхностного импеданса среды. Излучающая способность антенны зависит от импеданса среды, представимого в виде суммы действительной и мнимой составляющих. Для оценки мнимой составляющей производят дополнительные измерения. Причем для этих целей используют дополнительное оборудование, что удорожает процесс измерения и снижает его точность и объективность.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ, описанный в патенте РФ №2316113, Н04В 3/46 «Способ измерения параметров подстилающей среды и устройство для его осуществления», принятый за прототип.
-1
4
2
6
2
Способ-прототип заключается в использовании рамочной антенны, в центре которой помещен датчик Холла, питаемый от генератора, частота которого выбирается в диапазоне 2…200⋅(σ⋅S)⋅10, где σ - электропроводность подстилающей среды (См/м), S - площадь рамочной антенны (м), определении фазового сдвига между входным током и выходным напряжением датчика Холла Ф (рад), по которому определяют электропроводность подстилающей среды по формуле: σ=0,66⋅10⋅(Ф-0,2)/(f⋅S).
Способ-прототип основывается на зависимости магнитного поля от параметров подстилающей среды. Известно, что в зависимости от параметров материальной среды изменяется величина магнитного поля, но эта зависимость в значительно меньшей степени зависит от наличия или отсутствия влаги (и воды) в подстилающей поверхности и поляризации электродов, так как при этих измерениях отсутствуют явления однонаправленного движения электрических зарядов.
Описание предлагаемого способа и устройства для его осуществления поясняется графическими материалами. На фиг. 1 приведена схема устройства-прототипа; на фиг. 2 - схема предлагаемого устройства; на фиг. 3 - схема генератора; на фиг. 4 показана зависимость частоты генератора от относительной диэлектрической проницаемости подстилающей среды.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, описанное в патенте РФ №2316113, Н04В 3/46, принятое за прототип.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где обозначено:
1 - рамочная антенна;
2 - генератор;
4 - вычислительное устройство;
5 - устройство индикации и запоминания;
8 - резистор обратной связи;
9 - операционный усилитель;
10 - фазочувствительный мост;
11 - датчик Холла.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные генератор 2 и операционный усилитель 9, неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой резистора обратной связи 8, а выход операционного усилителя 9 подключен к первому зажиму рамочной антенны 1.1, второй зажим которой подсоединен к первому токовому выводу датчика Холла 11, первый и второй выводы напряжения которого соединены с третьим и четвертым входами фазочувствительного моста 10 соответственно, первый вход которого подключен к выходу генератора 2, второй вход - к точке соединения одного вывода резистора обратной связи 8 и общей шины. Другой вывод резистора обратной связи 8 соединен со вторым токовым выводом датчика Холла 11. Выход фазочувствительного моста 10 подключен к входу вычислительного устройства 4, выход которого соединен с входом устройства индикации и запоминания 5.
Вариантом построения схемы фазочувствительного моста 10 может служить схема, представленная книге Бухгольц В.П., Тисевич Э.Г. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления. - М: Энергия, 1972. С. 48.
Работает устройство измерения параметров подстилающей среды следующим образом.
При включении генератора 2 его выходной сигнал подается на первый вход фазочувствительного моста 10 и на инвертирующий вход операционного усилителя 9, охваченного обратной связью по току, сигнал которой снимается с резистора обратной связи 8, при этом через рамочную антенну 1 и датчик Холла 11 протекает переменный ток. Ток, протекающий через рамочную антенну 1, вызывает появление переменного магнитного поля, датчик Холла 11, воспринимающий это поле, формирует переменное холловское напряжение на третьем и четвертом входах фазочувствительного моста 10. На выходе фазочувствительного моста 10 формируется напряжение, пропорциональное разности фаз между входным током датчика Холла 11 и напряженностью магнитного поля. Сигнал на выходе фазочувствительного моста 10 подается на вход вычислительного устройства 4, которое осуществляет математическую обработку информации для получения значений электрофизических параметров подстилающей среды (в частности, электропроводности) и передает результаты вычислений на устройство индикации и запоминания 5.
-1
2
6
2
Частоту генератора 2 следует изменять в некотором диапазоне, начинающемся с величины f=5000⋅S, где f - частота в Гц, a S - площадь рамочной антенны, м. Частоту генератора 2 увеличивают до тех пор, пока фазовый сдвиг, измеряемый фазочувствительным мостом 10, не будет составлять 0,375 рад (22°), после чего следует осуществлять измерение электропроводности подстилающей среды. Измерение следует производить на частотах, обеспечивающих фазовый сдвиг, лежащий в диапазоне 0,375…1,9 рад (22…111°). Оптимум точности измерения электропроводности достигается при углах фазового сдвига, близких к π/2 рад (90°). При этом в вычислительном устройстве 4 электропроводность подстилающей среды следует определять по ранее приведенной формуле σ=0,66⋅10⋅(Ф-0,2)/(f⋅S).
Согласно литературным источникам (см., например, книгу Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах, кн. 1, кн. 2. - М.: Мир, 1984.), такие параметры как электропроводность, частота сигнала генератора и площадь антенны входят в выражения для напряженности магнитного поля в виде произведения, поэтому можно совокупность указанных параметров представить в виде одной безразмерной переменной у, пропорциональной произведению указанных параметров. Если обозначить через H1(у) - действительную составляющую магнитного поля, а через Н2(у) - мнимую составляющую магнитного поля, то действительная составляющая имеет максимум при у=0, а мнимая составляющая имеет минимум при значении параметра у около 1.
-1
4
Если обратиться к фазовой характеристике Ф(у), то видно, что она имеет несколько экстремумов, поэтому, чтобы не было неоднозначных результатов расчета, необходимо использовать участок значений у, не превосходящий 5. В связи с этим введено ограничение на диапазон измерения параметров подстилающей среды: частота генератора выбирается в диапазоне 2…200⋅(σ⋅S)⋅10.
6
2
2
Частоту генератора 2 изменяют в некотором диапазоне, начиная с известного начального значения до тех пор, пока фазовый сдвиг, измеряемый фазочувствительным мостом 10, не будет находиться в диапазоне 22°…111°. Электропроводность среды вычисляется в вычислительном устройстве 4 по формуле σ=0,66⋅10⋅(Ф-0,2)/(ƒ⋅S), где ƒ - частота генератора 2, Гц; Ф - фазовый сдвиг, рад; S - площадь рамочной антенны 1, м.
Точность измерения параметров подстилающей среды зависит от точности изготовления и установки рамочной антенны, что трудно обеспечить для естественных сред, особенно при перемещении измерительного устройства, кроме того, ограничен диапазон измерений параметров подстилающей среды, что является недостатком способа-прототипа и устройства для его осуществления.
Задача предлагаемого технического решения - повышение точности измерения электрофизических параметров и расширение функциональных возможностей по обеспечению измерения других параметров подстилающей среды.
Для решения поставленной задачи в способе измерения электрофизических параметров подстилающей среды, заключающемся в использовании генератора и антенны, помещенной в подстилающую среду для измерения ее параметров, математической обработке результатов измерения, определении параметров подстилающей среды, согласно изобретению, проводят измерения параметров подстилающей среды при помощи зондов, используемых в качестве антенны, с подключенной к зондам последовательной цепью из эталонного элемента и контактного устройства, управляют которым при помощи цифрового вычислительного устройства, измеряют частоту генератора, являющуюся собственной частотой подстилающей среды, которая не зависит от конструктивных параметров зондов, и определяется по формуле
a
2
9
(σ,ε)ƒ=π⋅σ/ε=36π⋅10⋅σ/ε, где ƒ - частота генератора, Гц; σ - электропроводность подстилающей поверхности, См/м; ε - относительная диэлектрическая проницаемость.
В устройство измерения параметров подстилающей среды, содержащее генератор и антенну, помещенную в подстилающую среду для измерения ее параметров, а также последовательно соединенные цифровое вычислительное устройство и устройство индикации и запоминания, согласно изобретению, введен аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого подсоединен к выходу генератора, а выход - к входу цифрового вычислительного устройства (ЦВУ), при этом генератор построен на операционном усилителе, в цепь обратной связи которого включены зонды, используемые в качестве антенны, с подключенной к ним последовательной цепью из эталонного элемента и контактного устройства, управляющий вход которого соединен со вторым выходом ЦВУ, кроме того, один зонд подключен к общей точке соединения второго входного резистора и неинверсного входа операционного усилителя, инверсный вход которого соединен с первым входным резистором, а другой зонд подключен к общей точке соединения резистора нагрузки и выхода операционного усилителя, и является выходом генератора, причем соответствующие выводы первого и второго входных резисторов и резистора нагрузки подключены к общей шине.
Предлагаемый способ измерения параметров подстилающей среды заключается в следующем.
Для измерения параметров излучения используют зонды в качестве антенны, помещаемые в подстилающую среду (Р. Кинг, Г. Смит Антенны в материальных средах, кн. 1 - М.: Мир, 1984, с. 209) и генератор. Чтобы увеличить количество измеряемых параметров подстилающей среды, к зондам подключают последовательную цепь из эталонного элемента (например, конденсатора) и контактного устройства, при этом частота генератора соответствует собственной частоте подстилающей среды. Значение частоты генератора используется для математической обработки в цифровом вычислительном устройстве. Кроме того, цифровое вычислительное устройство управляет замыканием и размыканием цепи из эталонного элемента и контактного устройства для расширения количества измеряемых параметров подстилающей среды.
Сигнал генератора определяется перемножением трех матриц:
a
ij
2
1
где  - элементы волновой матрицы генератора; RT и R - номиналы резисторов схемы генератора, Z - волновое сопротивление подстилающей среды;  - коэффициент распространения (, со - круговая частота, R и С - эквивалентные сопротивление и емкость подстилающей среды).
Подставляя  в последнюю формулу и выделяя действительную и мнимую часть, получим систему уравнений
1
-1
Границу устойчивости автоколебаний определяет параметр β=Z(RT). Для обеспечения устойчивости автоколебаний необходимо, чтобы выполнялся баланс фаз и баланс амплитуд. Этому условию отвечает α=π и β<-1.
Для расчетов примем α=π, β=-2. Тогда частота автоколебаний ƒ=ω/2π будет определяться как
Рассчитываемую емкость С можно представить в виде
а
0
0
9
-1
где А - конструктивный параметр зонда, м; ε=εε - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды (ε=(36π⋅10), Ф/м; ε - относительная диэлектрическая проницаемость; С - емкость, Ф.
Тогда расчитываемое активное сопротивление R представим в виде
где А - тот же конструктивный параметр зонда, м; σ - удельная электропроводность среды, См/м; R - активное сопротивление, Ом.
Отсюда частота автоколебаний генератора определится как
Таким образом, частота генератора определяется не конструктивными параметрами зондов, а параметрами подстилающей среды: σ - удельная электропроводность среды, См/м; ε - относительная диэлектрическая проницаемость. То есть, измеряется частота генератора, равная собственной частоте подстилающей среды, независящая от конструктивных параметров зондов.
Структурная схема заявляемого устройства измерения параметров подстилающей среды приведена на фиг. 2, где обозначено:
1.1, 1.2 - зонды;
2 - генератор;
3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
4 - цифровое вычислительное устройство (ЦВУ);
5 - устройство индикации и запоминания;
6 - контактное устройство;
7 - эталонный элемент;
RC-цепь - эквивалентная схема подстилающей среды.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные генератор 2, АЦП 3, ЦВУ 4 и устройство индикации и запоминания 5. Кроме того, к соответствующим входам генератора 2 подсоединены зонд 1.1 и зонд 1.2, используемые в качестве антенны, и помещенные в подстилающую среду, которая представлена в виде эквивалентной RC-цепи. К зондам 1.1 и 1.2 подключена последовательная цепь из эталонного элемента (например, конденсатора) 7 и контактного устройства 6, управляющий вход которого соединен со вторым выходом ЦВУ 4.
На фиг. 3 представлена схема генератора, где обозначено:
1.1, 1.2 - зонды для измерения параметров подстилающей среды;
2.1 - операционный усилитель;
2.2 - резистор нагрузки;
2.3, 2.4 - первый и второй входные резисторы;
6 - контактное устройство;
7 - эталонный элемент (конденсатор);
RC-цепь - эквивалентная схема подстилающей среды.
Генератор 2 построен на операционном усилителе 2.1, в цепь обратной связи которого включены зонды 1.1 и 1.2, используемые в качестве антенны для измерения параметров подстилающей среды, представленной в виде эквивалентной схемы - RC-цепи, с подключенной последовательной цепью из эталонного элемента 7 и контактного устройства 6, управляющий вход которого соединен со вторым выходом ЦВУ 4. При этом зонд 1.1 подключен к общей точке соединения второго входного резистора 2.4 и неинверсного входа операционного усилителя 2.1, инверсный вход которого соединен с первым входным резистором 2.3. Зонд 1.2 подключен к общей точке соединения резистора нагрузки 2.2 и выхода операционного усилителя 2.1 и является выходом генератора 2. Соответствующие выводы первого 2.3 и второго 2.4 входных резисторов и резистора нагрузки 2.2. подключены к общей шине.
Предлагаемое устройство измерения параметров подстилающей среды работает следующим образом.
При подключении зондов 1.1 и 1.2 к подстилающей среде и подаче питающего напряжения на выходе генератора 2 появляется сигнал, частота которого ƒ зависит от электрофизических параметров подстилающей среды. Этот сигнал с помощью АЦП 3 преобразуется в цифровой код, который поступает на вход цифрового вычислительного устройства 4. После выполнения арифметических и логических операций в устройстве 4 результат поступает в устройство 5, где осуществляется его индикация и запоминание.
Генератор 2 представляет собой операционный усилитель 2.1, охваченный частотно-избирательной положительной обратной связью через последовательно соединенные контактное устройство 6 и эталонный элемент 7 с подключенными зондами 1.1 и 1.2.
При выполнении условий баланса фаз и амплитуд такое включение обеспечивает генерирование сигнала, частота которого определяется по формуле (1).
Контактное устройство 6 управляется цифровым вычислительным устройством 4, в результате чего происходит подключение и отключение эталонного элемента (например, конденсатора) 7. (В качестве контактного устройства может быть использован, например, МОП-транзистор или контакт реле). При этом частота генератора 2 изменяется следующим образом:
1. Цепь контактного устройства разомкнута
1
а
2
9
ƒ=π⋅σ/ε=36π⋅10⋅σ/ε,
2. Цепь контактного устройства замкнута
2
а
2
9
ƒ=π⋅σ/ε=36π⋅10⋅σ/ε-Δƒ,
1
где Δƒ - уменьшение частоты генератора 2 относительно ƒ.
Отсюда получим отношение частот
1
2
э
ƒ/ƒ=(С+С)/С,
а значение С находится как
Исходя из формулы (2), зная конструктивный параметр зонда А, найдем значение абсолютной диэлектрической проницаемости среды:
а
0
ε=εε=С/А.
Конструктивный параметр зонда А можно определить расчетным путем или используя тестовый образец среды с известной электропроводностью среды σ, исходя из формул (1)…(3). Отсюда, параметр А будет
Э
Как видно из выражения (6) конструктивный параметр А определяется, исходя из частот генератора 2, номинала эталонного конденсатора С и электропроводности тестового образца среды σ.
Использование цифрового вычислительного устройства 4 (фиг. 2) позволяет определять производные от σ и ε параметры: тангенс угла диэлектрических потерь δ, глубину скин-слоя и т.д.
В качестве примера покажем использование указанного способа для измерения параметров подстилающей среды в различных географических зонах РФ для разных сезонов.
Зависимость частоты генератора 2 от относительной диэлектрической проницаемости ε и удельной электропроводности σ почвы приведена на фиг. 4, где по оси абсцисс отложена ε, по оси ординат - частота ƒ (Гц), а параметром кривых является удельная электропроводность по оси ординат - σ (См/м).
-6
-2
Кривые на фиг. 4 показывают, что для зимнего времени, когда удельная электропроводность σ во многих районах России близка к 10 См/м, частота генератора составит около 100 кГц. В летнее время, когда электропроводность σ близка к 10 См/м, в зависимости от относительной диэлектрической проницаемости ε частота генератора изменяется от 350 МГц (сухие почвы) до 30 МГц (влажные почвы). Частота генератора позволяет оценить электрофизические параметры почвы, которые необходимы для оптимального размещения антенн узлов связи.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить повышение точности измерения электрофизических параметров подстилающей среды, а также расширить функциональные возможности по обеспечению измерения других (дополнительных) параметров подстилающей среды за счет параллельного подключения эталонного элемента, например, конденсатора к зондам.