Система измерения наведенных токов в резистивном элементе электровзрывного устройства (ЭВУ)
MEASUREMENT SYSTEM OF INDUCED CURRENTS IN RESISTIVE ELEMENTS OF ELECTROEXPLOSIVE DEVICE (EED)

Заявленная система относится к электроизмерительной технике, в частности к автоматизированным системам контроля, и применяется при подготовке и в процессе эксплуатации систем, в которых используется дистанционное управление, и требующих соблюдения особых мер предосторожности в процессе проведения испытаний и контроля их характеристик, например, самолето- и ракетостроение, противопожарная техника, пиротехника и др.
Известен Способ испытания объектов, содержащих электровзрывные устройства, на воздействие электромагнитных полей (см. патент РФ №2224222, приоритет от 03.01.2002 г.) Изобретение относится к испытаниям объектов, содержащих электровзрывные устройства, на воздействие электромагнитных полей. Сущность изобретения заключается в создании электромагнитных полей и установлении факта срабатывания электровзрывных устройств после воздействия на объект электромагнитных полей. При этом воздействию электромагнитного поля подвергают объект с установленными в нем электровзрывными устройствами с повышенной чувствительностью, а характеристика электромагнитного поля, воздействующего на объект, определяется по заранее заданной формуле. Техническим результатом изобретения является возможность проведения испытаний на установках с ограниченными техническими возможностями.
Согласно этому способу испытания объектов, содержащих электровзрывные устройства, на воздействие электромагнитных полей, создают электромагнитное поле и устанавливают факт срабатывания электровзрывного устройств после воздействия на объект электромагнитного поля, при этом воздействию электромагнитного поля подвергают объект с установленными в нем электровзрывными устройствами с повышенной чувствительностью, а характеристику электромагнитного поля, воздействующего на объект, определяют по формуле
где Е - характеристика (напряженность или плотность потока энергии) электромагнитного поля, воздействующего на объект при испытаниях;
зад
Е - заданная характеристика (напряженность или плотность потока энергии) электромагнитного поля, при котором должна быть обеспечена работоспособность объекта;
сраб.
I - ток (энергия, напряжение) срабатывания электровзрывного устройства объекта при испытаниях;
cраб.
I - ток (энергия, напряжение) срабатывания штатного электровзрывного устройства объекта.
Недостатками этого технического решения являются:
- необходимость изготовления для испытаний специальных электровзрывных устройств, идентичность параметров которых со штатными устройствами и при штатном включении (за исключением порога срабатывания) надо подтверждать специальными испытаниями. Это относится к зависимости токов срабатывания от частоты, поляризации, длительности помехи для штатного и испытательного устройства.
- недостаточная точность и чувствительность измерения малых наведенных токов, обусловленная зависимостью температуры моста от условий теплообмена с окружающей средой.
Известен также способ испытания объектов на воздействие электромагнитного импульса (см. патент РФ №2235314, приоритет от 26.11.2001 г.). Изобретение относится к испытаниям объектов, преимущественно крупногабаритных, на воздействие электромагнитного импульса. Сущность способа заключается в создании электромагнитных воздействий, имитирующих ЭМИ, и оценке параметров аппаратуры объекта после этих воздействий. Электромагнитному воздействию подвергают модель объекта с размещенными внутри и снаружи нее блоками аппаратуры. Геометрические размеры корпуса модели определяют по формуле
,
м
м
к
к
м
к
где V - объем внутри корпуса модели; S - площадь поверхности корпуса модели; V - объем внутри корпуса объекта; S - площадь поверхности корпуса объекта;  - относительная магнитная проницаемость материала корпуса модели;  - относительная магнитная проницаемость материала корпуса объекта; d - толщина стенки корпуса модели; d - толщина стенки корпуса объекта. Технический результат: упрощение и удешевление испытаний аппаратуры крупногабаритных объектов.
Согласно этого способа испытания объектов на воздействие электромагнитного импульса (ЭМИ), электромагнитному воздействию подвергают модель объекта с размещенными внутри и снаружи нее блоками аппаратуры, причем геометрические размеры корпуса модели определяют из формулы
Недостатком данного технического решения является несоответствие условий подключения испытуемой аппаратуры и устройств в штатной и модельной конфигурациях. Это является серьезным фактором, ограничивающим точность полученных результатов, поскольку степень воздействия ЭМИ на аппаратуру и устройства зависит от индуктивности подводящих проводов, их емкостной связи и других факторов.
Недостаточная точность и чувствительность измерения малых наведенных токов, обусловленная зависимостью температуры моста от условий теплообмена с окружающей средой.
Наиболее близким к заявленной системе является устройство, реализующее способ испытаний систем, содержащих электровзрывные устройства, на стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей в составе объектов и устройство для его осуществления(см. патент РФ №2593521, приоритет от 19.05.2015 г.).
Согласно этому патенту многоканальная испытательная система для оценки стойкости электровзрывных устройств к электромагнитным помехам, содержит генератор испытательных помех, излучающую антенну ЭМП, приемную антенну, расположенную в зоне объекта испытаний и связанную с измерителем напряженности поля, устройство преобразования, измерительную линию связи с испытуемым объектом, устройство контроля, размещенные на полигонной испытательной площадке, отличающееся тем, что дополнительно включены передвижной испытательный стенд, защищенный от воздействия тестового ЭМП, оснащенный оптическим интеррогатором многоканальным, интерфейсом, измерителем уровня излучаемого тестового ЭМП, подключенным к ним через интерфейс устройством автоматического управления режимами работы системы, синхронизации работы всех ее элементов, обработки данных эксперимента и документирования результатов испытаний с обеспечением точной временной синхронизации всех элементов системы с излучающей антенной формирования внешнего тестового ЭМП с заданными пространственными и поляризационными параметрами излучения, установленную на заданном расстоянии от испытываемой системы, связанной с входом и выходом через усилитель мощности сигнала тестового ЭМП с программно- управляемым генератором стандартных испытательных сигналов; приемную антенну измерителя уровня тестового ЭМП в зоне объекта испытаний, выход которой соединен с входом измерителя уровня излучаемого тестового ЭМП, многоканальное устройство преобразования сигналов эквивалентов электровоспламенителей ЭВУ, связанное через оптоволоконный разъем ввода оптического сигнала из оптического интеррогатора многоканального и приема отраженного решеткой Брэггга оптического сигнала эквивалентов электровоспламенителей ЭВУ, через кабель связи устройства преобразования, выполненного в виде пассивного многоканального сплиттера.
В этой системе эквивалент ЭВУ может быть выполнен с оптоволоконным разъемом ввода оптического сигнала интеррогатора и приема оптического сигнала, отраженного решеткой Брэгга, проходным оптическим разъемом трехканального чувствительного элемента - оптоволоконного преобразователя «ток-температура» эквивалента ЭВУ, с компоновкой внутри корпуса ЭВУ чувствительных элементов на оптоволоконных преобразователях «ток-температура», выполненных из оптоволокна с встроенными решетками Брэгга, объединенных конструктивно с эквивалентами нитей накаливания воспламенителя и установленных на печатной плате устройства преобразования сигналов эквивалентов электровоспламенителей ЭВУ, подключенных к электрическому разъему источника инициирования срабатывания ЭВУ, установленного в одном торцеЭВУ, второй торец которого выполнен с резьбовым соединением для установки эквивалента ЭВУ на место штатного ЭВУ испытываемого объекта.
В ЭВУ с двумя нитями накаливания может быть использовано три чувствительных элемента на решетках Брэгга, размером несколько миллиметров каждая, которые формируют в одном оптоволокне, разносят друг от друга вдоль волокна на несколько сантиметров и объединяют с электродинамическими эквивалентами нитей накаливания воспламенителей в единую конструкцию.
Эквивалент нити накаливания может быть выполнен в виде бескаркасного спирального проволочного резистора, диаметр и длину которого согласуют с диаметром и линейным размером оптоволоконной решетки Брэгга, при этом активное сопротивление эквивалента выбирают равным сопротивлению нити накаливания (от 0.6 до 12.0 Ом), а уменьшение его индуктивного сопротивления обеспечивают путем бифилярной намотки спирали.
Недостатками этого технического решения являются:
- необходимость изготовления испытательных ЭВУ, идентичность которых штатным ЭВУ по измеряемым параметрам необходимо обосновывать;
- недостаточная точность и чувствительность измерения малых наведенных токов, обусловленная зависимостью температуры нити накаливания от условий теплообмена с окружающей средой.
- невозможность проведения достоверных измерений при измерении импульсных помех (грозовой импульс, ЭМИ), длительность которых меньше времени установления теплового равновесия между резистивным элементом ЭВУ и окружающей средой.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является Устройство контроля электрических параметров пиросредств (см. патент РФ №2602994, приоритет от 21.09.2015 г.), содержащее аналого-цифровой преобразователь, измеритель напряжения, первый выход которого подключен к блоку вычисления сопротивления, второй и третий выходы к первому и второму входам первого демультиплексора, п выходов которого соединены с соответствующими п выходами второго демультиплексора, а также генератор тестовых токов, первые два выхода которого подключены к ограничителю тока, а третий через блок вычисления сопротивления к первому входу блока формирования результата контроля, отличающееся тем, что в него введены мультиплексор, два выхода которого соединены с входами второго демультиплексора, а первых два входа с выходами ограничителя тока, а третий и четвертый входы с выходами генератора тестовых напряжений и входами аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу блока прогноза результата и первому входу блока вычисления сопротивления изоляции, второй вход которого соединен с задатчиком допустимого сопротивления изоляции, а третий через датчик тока с третьим выходом генератора тестовых напряжений; выход блока вычисления сопротивления изоляции подключен ко второму входу блока прогноза результата, с третьим входом которого соединен задатчик допустимой скорости изменения сопротивления, а выход подключен ко второму входу блока формирования результата контроля и через блок управления скоростью нарастания тестовых сигналов к входу генератора тестовых напряжений и к входу блока управления, со вторым входом которого соединена шина «Пуск», а выходы которого подключены, к управляющим входам блоков, соответственно, первый - к входу измерителя напряжения, второй - к входам первого и второго демультиплексоров, третий - к входу блока вычисления сопротивления пиросредства, четвертый - к входу генератора тестовых токов, пятый - к входу мультиплексора, шестой -к входу генератора тестовых напряжений, седьмой - к входу блока управления скоростью нарастания тестовых сигналов, восьмой - к входу блока вычисления сопротивления изоляции, девятый - к входу блока прогноза результата, десятый - к входу блока формирования результата контроля.
Недостатком этого технического решения также являются:
- необходимость изготовления испытательных ЭВУ, идентичность которых штатным ЭВУ по измеряемым параметрам необходимо обосновывать;
- недостаточная точность и чувствительность измерения малых наведенных токов, обусловленная зависимостью температуры моста от условий теплообмена с окружающей средой
- малая чувствительность и точность при измерении импульсных помех (грозовой импульс, ЭМИ), длительность которых меньше времени установления теплового равновесия между резистивным элементом ЭВУ и окружающей средой.
Задачей заявляемого изобретения является повышение точности измерения максимального наведенного электрического тока в резистивном элементе ЭВУ при воздействии электромагнитных помех импульсного и непрерывного характера в широком диапазоне частот и амплитуд воздействия.
Это достигается за счет того, что в системе измерения максимальных наведенных токов в электровзрывном устройстве содержащей устройство формирования сигнала наведенного тока, дуплексную волоконно-оптическую линию связи и преобразователь интерфейса для связи с компьютером, устройство формирования сигнала содержит последовательно соединенные масштабный усилитель с управляемым коэффициентом усиления, ко входу которого подключен первичный преобразователь наведенного тока, модуль выделения абсолютного значения сигнала, пиковый детектор и аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен ко входу оптического передатчика, оптический приемник с декодером управляющего цифрового сигнала, а преобразователь интерфейса содержит формирователь управляющего сигнала подключенный ко входу оптического передатчика и оптический цифровой приемник, выход которого подключен к микропроцессору предварительной обработки сигнала и формирования высокоскоростного USB интерфейса.
В данной системе ко входу масштабного усилителя в качестве первичного преобразователя наведенного тока может быть подключен резистивный элемент испытуемого ЭВУ, одновременно подключенный к штатной цепи питания объекта.
В этом случае масштабный усилитель может быть выполнен в виде детектора СВЧ сигнала с логарифмической зависимостью выходного сигнала от наведенного высокочастотного тока на резистивном элементе ЭВУ В измерительной системе преобразователь интерфейса может содержать N оптических входов для подключения N формирователей измерительного сигнала, где N=4-16 и один USB выход.
В качестве первичного преобразователя наведенного тока в данной системе ко входу масштабного усилителя может быть подключен датчик температуры, имеющий тепловую связь с резистивным элементом ЭВУ.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и чувствительности измерения наведенных токов и упрощения процесса измерения за счет применения в качестве первичных преобразователей штатных ЭВУ.
Технический результат достигается за счет измерения импульсного напряжения, наведенного помехой непосредственно на резистивном элементе ЭВУ одновременно подключенного к штатной цепи питания и входу масштабного усилителя устройства формирования сигнала. При измерении наведенных токов от помех, частота которых выше полосы пропускания масштабного усилителя, к его входу подключается детектор СВЧ излучения или датчик температуры, которые регистрируют СВЧ мощность непосредственно воздействующую на резистивный элемент ЭВУ.
Для расширения динамического диапазона измеряемых наведенных токов масштабный усилитель устройства формирования сигнала выполнен с дистанционно управляемым коэффициентом усиления.
Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что авторами создан опытный образец системы, испытания которой подтвердили достижение заявленного положительного эффекта.
Раскрытие изобретения:
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами. На Фиг. 1 показана блок-схема системы измерения максимальных наведенных токов в электровзрывном устройстве. Резистивный элемент ЭВУ 1 термически связанный с датчиком температуры 2 подключен к штатной системе питания ЭВУ 3 и, параллельно, через коммутатор режима работы 4 к масштабному усилителю 5. Выход масштабного усилителя подключен ко входу модуля выделения абсолютного значения сигнала 6, а его выход ко входу пикового детектора 7. Выход пикового детектора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 8, с выхода которого цифровой сигнал поступает на оптический передатчик 9. Управляющий вход масштабного усилителя 5, через который регулируется его коэффициент передачи, связан с выходом декодера управляющего сигнала 10. Вход декодера 10 подключен к выходу оптического приемника 11. Элементы 4-11 составляют устройство формирования измерительного сигнала, которое располагается на объекте вблизи от испытуемого ЭВУ. Оптический приемник 11 и оптический передатчик 9 связаны через дуплексный волоконно-оптический кабель 12 с соответствующими оптическими передатчиком 13 и приемником 15 преобразователя интерфейса. На вход передатчика 13 поступает цифровой код, определяющий режимы работы устройства формирования измерительного сигнала, от формирователя 14 вход которого подключен к выходным портам процессора 17. С выхода оптического приемника 15 измерительный сигнал через декодер 16 поступает на входные порты процессора 17 в котором наряду с предварительной обработкой сигнала формируется высокоскоростной USB интерфейс для связи с персональным компьютером. Элементы 13-17 составляют преобразователь интерфейса. Конструктивно от 1 до 16 преобразователей интерфейса могут быть размещены в одном корпусе с общим USB выходом.
Формирователь измерительного сигнала имеет автономный, дистанционно управляемый и контролируемый источник питания (аккумулятор с цепями дистанционного включения, контроля состояния и зарядки). Преобразователь интерфейса питается от USB порта компьютера при числе входных каналов до 4 или от внешнего источника питания при большем числе входных каналов. Длина дуплексной волоконно-оптической линии связи может достигать нескольких километров.
Конструктивные особенности реализации элементов измерительной системы. Сопротивление резистивного элемента ЭВУ (1) может составлять 0,5-12 Ом. Датчик температуры (2) с чувствительностью 0,05 град.и размерами менее 0,9×0,9мм (например LMT70 или терморезистор) располагается рядом с резистивным элементом ЭВУ. Коммутатор режимов работы (4) должен быть выполнен на электронном элементе с двухполярным питанием, поскольку полярность сигнала помехи поступающей на резистивный элемент (1) ЭВУ заранее неизвестна. Масштабный усилитель (5) и пиковый детектор (7) выполняются на быстродействующих операционных усилителях, например LTC6268-10, обеспечивающих полосу пропускания достаточную для регистрации импульсов помех с длительностью в наносекундном диапазоне.
При регистрации помех наведенных на резистивный элемент ЭВУ (1) в СВЧ диапазоне, в качестве масштабного усилителя (5) может быть использован детектор СВЧ сигнала содержащий логарифмический усилитель, например AD8317, работающий в диапазоне до 10 гГц и имеющий динамический диапазон более 50 дБ. Модуль выделения абсолютного значения сигнала может быть выполнен на операционном усилителе ОРА698 обеспечивающем качественное двухполупериодное выпрямление непрерывного и импульсного сигнала от постоянного тока до частот более 50 мГц. Модули кодирования/декодирования сигналов (10), (14, ), (16) могут быть выполнены на ПЛИС, например, ХС2С128. Процессор предварительной обработки сигнала и формирования USB интерфейса может быть выполнен, например, на LPC1549.
Система работает следующим образом.
1. Режим измерения низкочастотных и импульсных наведенных токов. В этом режиме резистивный элемент ЭВУ (1) подключается ко входу усилителя (5), коэффициент передачи этого каскада выбирается так, чтобы избежать насыщения выхода усилителя при воздействии мощной помехи. Усиленный (или ослабленный) сигнал поступает на вход модуля выделения абсолютного значения (6), который формирует положительный выходной сигнал независимо от полярности входного сигнала. Этот сигнал поступает на вход пикового детектора, где запоминается его амплитудное значение. Постоянная времени RC цепи пикового детектора выбирается так, чтобы обеспечить запоминание сигнала длительностью более 5 нс, на время большее чем время преобразования используемого аналого-цифрового преобразователя.
При таком режиме работы предложенная измерительная система может регистрировать наводимые непрерывной и импульсной низкочастотной (до 5 мГц) помехой напряжения на резистивном элементе ЭВУ от 100-200 мкВ. Эти измерения осуществляются при любой полярности импульсной помехи. При известном сопротивлении резистора ЭВУ максимальное напряжение на резисторе ЭВУ легко пересчитать по закону Ома в максимальный ток или мощность помехи. Детально регистрируются амплитуды одиночных грозовых импульсов длительностью от 20 до 200 мкс, а также амплитуды испытательных электромагнитных импульсов (ЭМИ) длительностью более 10 нс.
В известных системах это не реализуется ввиду тепловой инерции как самого резистивного элемента ЭВУ, так и тепловой инерции измерителя температуры.
2. Режим измерения помехи генерируемой источником непрерывного СВЧ сигнала. Этот режим может осуществляться двумя вариантами конфигурации входных каскадов.
В этом режиме при облучении объекта, в котором установлены ЭВУ, через провода питания может наводиться помеха, которая будет разогревать резистивный элемент ЭВУ, что будет приводить к повышению его температуры.
В предложенной измерительной системе измерение воздействия СВЧ сигнала на резистивный элемент ЭВУ может осуществляться двумя способами:
- непосредственное измерение мощности СВЧ сигнала на резистивном элементе ЭВУ;
- измерение изменения температуры резистора ЭВУ обусловленное воздействием СВЧ сигнала.
В первом варианте на вход масштабного усилителя подключен резистор ЭВУ, а сам масштабный усилитель выполнен в виде СВЧ детектора с логарифмическим усилителем на выходе. В связи с тем, что такие детекторы имеют большой (>50 дБ) динамический диапазон в предложенной системе возможно измерять мощность СВЧ помехи выделившейся на резистивном элементе ЭВУ в диапазоне от десятков нановатт до 1-10 милливатт, что не реализуется в известных устройствах.
Во втором варианте при измерении воздействия на резистивный элемент ЭВУ СВЧ помехи большой мощности на вход масштабного усилителя подключается либо выход датчика температуры (LMT70) либо резистор нагрузки включенный последовательно с терморезистором имеющим тепловой контакт с резистивным элементом ЭВУ. Для датчика температуры предварительно снимают калибровочную зависимость его температуры от тока, протекающего через резистор ЭВУ. В последующем эту зависимость используют для обратного пересчета изменения температуры в эквивалентный ток помехи.
Работа системы в таких режимах не отличается от описанной выше работы в режиме измерения низкочастотной помехи.
Таким образом, заявленная система, по сравнению с известными, позволяет существенно повысить точность измерения максимальных наведенных токов в резистивном элементе ЭВУ при воздействии непрерывных и импульсных помех.