ДАТЧИК МАКСИМАЛЬНЫХ НАВЕДЕННЫХ ТОКОВ В ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОМ УСТРОЙСТВЕ

Полезная модель 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.
Формула изобретения: Способ испытания объектов, содержащих электровзрывные устройства, на воздействие электромагнитных полей, заключающийся 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 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;
- ток (энергия, напряжение) срабатывания электровзрывного устройства объекта при испытаниях;
- 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 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.
Формула изобретения: Способ испытания объектов на воздействие электромагнитного импульса (ЭМИ), заключающийся в создании электромагнитных воздействий, имитирующих ЭМИ, и оценке параметров аппаратуры объекта после этих воздействий, отличающийся тем, что 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.
Известен 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.). Изобретение относится к испытаниям систем, содержащих электровзрывные устройства. Способ заключается в создании тестовых электромагнитных полей (ЭМП), внешних по отношению к испытуемому объекту, с заданными параметрами излучения, которые измеряют датчиком поля, установленным вблизи испытываемого объекта, и оценки уровня наведенных токов в испытуемом объекте. При этом управляют режимами работы испытательной системы с обеспечением точной временной синхронизации работы всех ее элементов системы с излучающей антенной формирования внешнего тестового ЭМП с заданными пространственными и поляризационными параметрами излучения. Обрабатывают данные эксперимента и документируют результаты испытаний. Оценку уровня наведенных токов выполняют одновременно для всех ЭВУ, размещенных в различных локальных зонах объекта испытаний, путем измерения температур двух эквивалентов воспламенителей и корпуса каждого ЭВУ многоканальным оптическим интеррогатором с температурными чувствительными элементами на оптоволоконных решетках Брэгга, пространственное разрешение которых обеспечивают выбором различных частот решеток Брэгга. При этом уровень наведенного тока в каждой нити накаливания воспламенителя оценивают по значениям разностей температур между каждым эквивалентом нити накаливания воспламенителя и температурой корпуса ЭВУ, измеренным после завершения переходного процесса, вызванного воздействием тестового ЭМП, с последующим пересчетом разности температур в уровень наведенного тока, с учетом калибровочной характеристики каждого чувствительного элемента на оптоволоконной решетке Брэгга, а стойкость ЭВУ определяют путем сравнения оценки значения наведенного тока каждой нити накаливания с током срабатывания данного ЭВУ с учетом нормированного коэффициента защиты. Технический результат заключается в повышении эффективности проведения полигонных испытаний натурных крупногабаритных объектов.
2
2
Формула изобретения: 1. Способ испытаний систем, содержащих электровзрывные устройства (ЭВУ), на стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей в составе объектов, заключающийся в создании тестовых электромагнитных полей (ЭМП), внешних по отношению к испытуемой системе, с заданными параметрами излучения, которые измеряют датчиком поля, установленным вблизи испытываемой системы, оценки уровня наведенных токов в испытуемой системе, отличающийся тем, что управляют режимами работы испытательной системы с обеспечением точной временной синхронизации всех элементов системы с излучающей антенной формирования внешнего тестового ЭМП с заданными пространственными и поляризационными параметрами излучения, обрабатывают данные эксперимента и документируют результаты испытаний, оценку уровня наведенных токов выполняют одновременно для всех систем с ЭВУ, размещенных в различных локальных зонах объекта испытаний, путем измерения температур двух эквивалентов воспламенителей и корпуса каждого ЭВУ многоканальным оптическим интеррогатором с температурными чувствительными элементами на оптоволоконных решетках Брэгга, пространственное разрешение которых обеспечивают выбором различных частот решеток Брэгга, при этом уровень наведенного тока в каждой нити накаливания воспламенителя оценивают по значениям разностей температур между каждым эквивалентом нити накаливания воспламенителя и температурой корпуса ЭВУ, измеренным после завершения переходного процесса, вызванного воздействием тестового ЭМП, с последующим пересчетом разности температур в уровень наведенного тока, с учетом калибровочной характеристики каждого чувствительного элемента на оптоволоконной решетке Брэгга по формуле, где Ту - температура эквивалента нити накаливания; Т0 - температура окружающей среды; I - значение тока в эквиваленте нити накаливания; Rэ - активное сопротивление эквивалента нити накаливания; Т - постоянная времени нагрева чувствительного элемента (решетки Брэгга с эквивалентом); K - общий коэффициент теплоотдачи, учитывающий все виды теплопередачи при нагреве эквивалента при прохождении наведенного тока (Вт/см ×°С); F - поверхность охлаждения эквивалента нити накаливания (см), при этом завершение переходного процесса оценивают по относительному изменению разности температур и ее сравнения с заданным пороговым уровнем, множитель определяют экспериментально при калибровке измерительной системы, а стойкость ЭВУ определяют путем сравнения оценки значения наведенного тока каждой нити накаливания с током срабатывания данного ЭВУ с учетом нормированного коэффициента защиты.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для сокращения времени оценки уровня наведенного тока используют процедуру идентификации установившегося значения экспоненциальной функции, которая описывается уравнением (1) по измерению ее параметров на интервале переходного процесса с оценкой установившегося (прогнозного) значения разности температур при t→∞ по трем измерениям уровня переходного процесса У(ti), У(ti+m) и У(ti+2m), полученным в моменты времени t i, t i+m и t i+2m, которые удовлетворяют условию t i+m=(ti+ti+2m)/2, при этом значение квадрата наведенного тока определяют по формуле.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формируют оптические тестовые сигналы и измерения температуры нитей накаливания всех испытываемых ЭВУ, используя многоканальный оптический интеррогатор, каждый измерительный канал которого обеспечивает одновременную работу от 40 до 80 оптоволоконных решеток Брэгга, путем выбора различных пространственных частот решеток Брэгга.
4. Устройство испытаний систем, содержащих электровзрывные устройства, на стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей 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.
5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что эквивалент ЭВУ 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 торце ЭВУ, второй торец которого выполнен с резьбовым соединением для установки эквивалента ЭВУ на место штатного ЭВУ испытываемого объекта.
6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что в ЭВУ с двумя нитями накаливания используют 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.
7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что между эквивалентом нити накаливания ЭВУ и оптоволоконной решеткой Брэгга эквивалент нити накаливания выполняют 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.
8. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что между интеррогатором и набором ЭВУ испытываемой системы включают оптический сплиттер размерности «1×N» с малыми оптическими потерями, при этом каждый из N оптоволоконных выходных каналов сплиттера обеспечивает работу не менее чем с тремя температурными чувствительными элементами на решетках Брэгга, которые устанавливают в каждом эквиваленте ЭВУ.
Недостатком этого технического решения также являются:
- необходимость изготовления  испытательных ЭВУ, идентичность которых штатным ЭВУ по измеряемым параметрам необходимо обосновывать;
- необходимость пересчета измеренной температуры в эквивалентный ток;
- недостаточная точность и чувствительность измерения малых наведенных токов, обусловленная зависимостью температуры моста от условий теплообмена с 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, n выходов которого соединены с соответствующими n 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 входумультиплексора, 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;
- необходимость пересчета измеренной температуры в эквивалентный ток;
- недостаточная точность и чувствительность измерения малых наведенных токов, обусловленная зависимостью температуры моста от условий теплообмена с окружающей средой.
Задачей заявляемой полезной модели является создание устройства контроля максимального наведенного электрического тока в резистивном элементе пиропатрона при воздействии электромагнитных помех непрерывного и импульсного характера в широком диапазоне частот и амплитуд воздействия, независимо от их полярности и работающего со штатным пиропатроном в качестве первичного преобразователя, одновременно подключенного к штатной цепи питания и входу масштабного усилителя устройства формирования сигнала, выход которого подключен к устройству выделения абсолютного значения сигнала (выпрямителю), выход выпрямителя подключен к входу пикового детектора.
Это достигается путем того, что измеряется напряжение, наведенное помехой непосредственно на резистивном элементе пиропатрона. Для расширения динамического диапазона измерений резистивный элемент подключен к входу усилителя с дистанционно управляемым коэффициентом усиления, выход которого подключен к входу блока выделения абсолютного значения сигнала, выход которого подключен к входу пикового детектора.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности и чувствительности измерения наведенных токов, повышение достоверности полученных данных и упрощение процесса измерения.
Технический результат достигается за счет измерения напряжения, наведенного помехой непосредственно на резистивном элементе пиропатрона одновременно подключенного к штатной цепи питания и входу масштабного усилителя устройства формирования сигнала, выход которого подключен к устройству выделения абсолютного значения сигнала (выпрямителю), выход выпрямителя подключен ко входу пикового детектора. Для расширения динамического диапазона измерений масштабный усилитель устройства формирования сигнала выполнен с дистанционно управляемым коэффициентом усиления.
Возможность осуществления полезной модели подтверждается тем, что авторами проведено моделирование процессов измерения, а также разработан и испытан опытный образец устройства, реализующего эту идею.
Раскрытие полезной модели:
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами. На Фиг. 1 показана принципиальная схема устройства формирования сигнала датчика. На вход устройства подключается резистивный элемент пиропатрона, который одновременно подключен и к штатной цепи питания. Сопротивление резистивного элемента может составлять 0,5-12 Ом. В связи с тем, что входное сопротивление усилителей DA1 и DA2 неизмеримо больше сопротивления моста, измерительная схема не нагружает  штатную цепь питания пиропатрона и не вносит значительных искажений в ее амплитудно-частотную характеристику. В связи с этим условия испытаний пиропатрона на устойчивость к электромагнитным помехам соответствуют штатным условиям его работы. Все входные цепи защищены от перенапряжений быстродействующим элементом VD1. При воздействии импульсных помех большой амплитуды (например, грозового импульса) входной сигнал с резистивного элемента пиропатрона может ослабляться аттенюаторами (в данной реализации ослабление составляет 10 и 100 раз). Усиление входного каскада переключается с помощью дистанционно управляемого коммутатора DD1, который, в зависимости от кода поданного на его управляющие входы, подключает тот или иной выход усилителей (аттенюаторов) ко входу быстродействующего выпрямителя, выполненного на элементе DA3. С выхода этого выпрямителя сигнал поступает на вход пикового детектора выполненного на элементах DA4, DA5. Выход этого детектора, соответствующий максимальному напряжению помехи на резистивном элементе пиропатрона, является выходным сигналом датчика. после выполнения цикла измерений, который может длиться от 1 мкс до 10 с запоминающий конденсатор пикового детектора закорачивается ключом на элементе D4 и цикл измерений может быть повторен. Емкость запоминающего конденсатора пикового детектора выбирается в зависимости от требуемого времени измерений и характера входного сигнала (непрерывный или импульсный) и составляет 100 пФ - 100 нФ.
Устройство работает следующим образом. Помещают датчик (пиропатрон с формирователем сигнала) в испытательный стенд, подключают пиропатрон к штатным цепям питания, которые и являются основной антенной, воспринимающей помехи; включают генератор помехи и измеряют  выходное напряжение датчика, которое будет максимальным значением напряжения, наведенном на резистивном элементе пиропатрона, за время действия помехи.
Выход датчика может подключаться как к вольтметру постоянного напряжения, так и внешнему АЦП для работы в составе измерительного комплекса.
При известном сопротивлении резистора пиропатрона R максимальное напряжение помехи по закону Ома легко пересчитать в максимальный ток или мощность помехи.