СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПРОВОДНИКА С ТОКОМ
METHOD OF MEASURING CURRENT-CARRYING CONDUCTOR SPEED

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров, в частности скорости, прямолинейного движения проводников с током.
Применение изобретения наиболее целесообразно в области электрофизики, а именно при контроле скорости разгона токопроводящих плазменных сгустков в электродинамических магнитоплазменных ускорителях.
е
Известен способ измерения скорости движения объекта (авт. свид. СССР №1818588, МПК G01Р 3/64, БИ №20, 1993 г.) на участке траектории между двумя идентичными датчиками положения с колоколообразной передаточной характеристикой, заключающийся в непрерывном измерении сигналов U1, U2 возмущения двух упомянутых датчиков полем движущегося объекта, причем предварительно, до начала измерения, принимают значение масштабирующего коэффициента X численно равным значению перемещения объекта, соответствующего изменению выходного сигнала каждого датчика положения в е раз. В процессе измерения скорости определяют координатную функцию F по формуле , а скорость ν определяют как .
Описанный способ в условиях сильных импульсных помех имеет низкую помехозащищенность, обусловленную выполнением при определении скорости операции дифференцирования по времени координатной функции F, что приводит к "подчеркиванию" помех, присутствующих на входе измерительного устройства.
1
2
1
1
е
Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототипом) является способ измерения скорости движения проводника с током (патент РФ №2208793, МПК 7 G01Р 3/50, БИ №20, 2003) на участке траектории между двумя идентичными индукционными датчиками, заключающийся в непрерывном измерении сигналов ε, ε возмущения двух упомянутых датчиков полем движущегося проводника, определении информативного параметра G как среднего геометрического этих сигналов , причем скорость ν движения проводника с током определяют как величину, пропорциональную упомянутому информативному параметру G. В соответствии со способом-прототипом предварительно, до начала измерения, принимают значение масштабирующего коэффициента Х численно равным значению перемещения проводника, соответствующему изменению выходного сигнала индукционного датчика в е раз, в процессе измерения скорости непрерывно измеряют ток i, протекающий в движущемся проводнике, а скорость ν движения проводника с током определяют как , где  - постоянный коэффициент;
0
Д
-7
µ=4π·10 - магнитная постоянная; N, S - соответственно число витков и площадь сечения катушки индукционного датчика.
Недостатком способа-прототипа является уменьшение точности измерения скорости движущегося проводника с током при увеличении степени нестабильности его пространственной конфигурации, например случайной величины длины движущегося плазменного токопроводящего сгустка.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения скорости движения проводника с током в условиях изменения его пространственной конфигурации в процессе движения.
1
2
1
1
1
2
0
2
Поставленная задача решается за счет того, что в способе измерения скорости движения проводника с током на участке траектории между двумя идентичными индукционными датчиками, заключающемся в непрерывном измерении сигналов ε, ε возмущения двух упомянутых датчиков полем движущегося проводника, определении информативного параметра G как среднего геометрического этих сигналов , определении скорости ν движения проводника с током как величины, пропорциональной упомянутому информативному параметру G, в процессе измерения скорости дополнительно непрерывно измеряют с помощью датчиков магнитной индукции сигналы U, U, пропорциональные магнитной индукции поля в двух точках траектории, которые выбирают таким образом, чтобы координата x середины интервала между ними совпадала с координатой середины интервала между точками расположения упомянутых индукционных датчиков, одновременно определяют второй информативный параметр G как среднее геометрическое этих сигналов , а скорость ν движения проводника с током определяют как , где  - постоянный коэффициент;
B
Д
0
0
К [В/Тл] - чувствительность датчиков магнитной индукции; N, S - соответственно число витков и площадь сечения катушки каждого индукционного датчика;  - коэффициент, определяемый по результатам предварительного физического эксперимента или компьютерного моделирования, при этом ν - определяемое экспериментально или по результатам моделирования значение скорости движения идентичного или моделируемого проводника с током в координате x.
1
2
0
2
От прототипа изобретение отличается тем, что в процессе измерения скорости дополнительно непрерывно измеряют с помощью датчиков магнитной индукции сигналы U, U, пропорциональные магнитной индукции поля в двух точках траектории, которые выбирают таким образом, чтобы координата x середины интервала между ними совпадала с координатой середины интервала между точками расположения упомянутых индукционных датчиков, одновременно определяют второй информативный параметр G как среднее геометрическое этих сигналов , а скорость ν движения проводника с током определяют как , где  - постоянный коэффициент;
B
Д
0
0
К [В/Тл] - чувствительность датчиков магнитной индукции; N, S - соответственно число витков и площадь сечения катушки каждого индукционного датчика;  - коэффициент, определяемый по результатам предварительного физического эксперимента или компьютерного моделирования, при этом ν - определяемое экспериментально или по результатам моделирования значение скорости движения идентичного или моделируемого проводника с током в координате x.
ном
ном
и
и
ном
и
ном
и
ном
и
ном
На фиг.1 показаны результаты компьютерного моделирования зависимости функции γ от величины ξ, где ξ=(l/l)·100%; l и l - соответственно номинальное и фактическое значения изменяющейся продольной длины движущегося объемного проводника с током; γ={[ν(l)-ν(l)]/ν(l)}·100%; ν(l) и ν(l) - измеренные в одной точке траектории (середине интервала между датчиками) значения скорости проводника соответственно длиной l и l при одном значении его истинной скорости. Таким образом, функция γ характеризует инвариантность способа измерения скорости к такому мешающему фактору, как случайные изменения пространственной конфигурации (продольной длины) контролируемого проводника с током.
На фиг.2 изображено устройство, реализующее заявляемый способ измерения скорости движения проводника с током, движущегося по проводящим направляющим, обеспечивающим протекание тока в контролируемом проводнике и образующим траекторию его движения. Оно содержит два идентичных индукционных датчика (ИД1) 1 и (ИД2) 2, на участке траектории между которыми производится измерение скорости, и два идентичных датчика магнитной индукции (ДМИ3) 3 и (ДМИ4) 4 (например, датчики Холла). Пара индукционных датчиков (ИД1) 1 и (ИД2) 2 и пара датчиков магнитной индукции (ДМИ3) 3 и (ДМИ4) 4 подключены соответственно через пару управляемых ключей 5 и 6 и пару управляемых ключей 7 и 8 к соответствующим первым и вторым входам соответствующих устройств умножения (УУ1) 9 и (УУ2) 10, а выход индукционного датчика (ИД1) 1, кроме того, соединен с входом порогового элемента (ПЭ) 11, выход которого подключен к управляющим входам управляемых ключей 5, 6, 7 и 8. Выходы устройств умножения (УУ1) 9 и (УУ2) 10 соединены с входами соответствующих устройств извлечений квадратного корня (УИК1) 12 и (УИК2) 13, выходы которых подключены, соответственно к входу "делимое" и входу "делитель" устройства деления (УД) 14. Выход устройства деления (УД) 14 соединен с первым входом третьего устройства умножения (УУ3) 15, второй вход которого является общим входом устройства для измерения скорости и предназначен для подачи сигнала, пропорционального значению постоянного коэффициента . Выход устройства деления (УУ3) 15 является общим выходом устройства для измерения скорости.
Как известно (статья: Cook R.W. Observation and analysis of current carrying plasmas in rail gun. // IЕЕЕ Transactions on Magnetics. 1986. V.22. No.6. P.1423-1428), магнитная индукция В поля движущегося проводника с током i может быть описана следующим образом:
а выходной сигнал ε возмущения индукционного датчика полем движущегося проводника представляется как
2
-7
Д
0
где F(x(t)) с размерностью [1/м] и f(х(t)) с размерностью [1/м] - сложные функции от координаты x(t) положения проводника на траектории его движения; N, S - соответственно число витков и площадь сечения катушки индукционного датчика; ν - скорость перемещения проводника с током; µ=4π·10 [Гн/м] - магнитная постоянная; i - ток, протекающий в движущемся проводнике.
В предлагаемом способе аналогично способу-прототипу используется тот факт, что функции сигналов двух индукционных датчиков, реагирующих на поле, создаваемое проводником с током, движущимся на участке траектории между ними, могут быть аппроксимированы выражениями, преобразованными из (2) следующим образом:
-1
2
1
где g(x(t)) - безразмерная функция от координаты x(t) положения проводника на траектории его движения, g(x(t)) - функция, обратная g(x(t)), а посредством коэффициента k [м] задается размерность [1/м] для мультипликативной составляющей f(x(t)) в (2).
Таким образом, как видно из (3) и (4), измеряя сигналы индукционных датчиков
1
2
1
ε, ε, можно определять информативный параметр G как их среднее геометрическое , который не зависит от координаты положения х движущегося проводника, а зависит только от его скорости ν и тока в нем i:
Функции магнитной индукции В поля движущегося проводника в двух точках, смещенных относительно друг друга вдоль траектории его движения, могут быть аппроксимированы выражениями, преобразованными из (1) аналогично тому, как (3) и (4) были преобразованы из (2):
-1
2
где q(x(t)) - безразмерная функция от координаты x(t) положения проводника на траектории его движения, q(x(t)) - функция, обратная q(x(t)), а посредством коэффициента k [м] задается размерность [1/м] для мультипликативной составляющей F(x(t)) в (1).
1
Если в этих двух упомянутых точках пространства дополнительно разместить два идентичных датчика магнитной индукции (например, датчики Холла), их сигналы U,
2
U возмущения полем движущегося проводника будут пропорциональны соответствующим функциям магнитной индукции согласно (6) и (7):
В
где К [В/Тл] - чувствительность датчика магнитной индукции.
1
2
1
2
Следовательно, как видно из (8) и (9), дополнительно измеряя сигналы, пропорциональные магнитной индукции U, U, можно аналогично определению информативного параметра G согласно (5) определять второй информативный параметр G как их среднее геометрическое , который не будет зависеть от координаты положения х движущегося проводника, а будет зависеть только от тока в нем i:
1
2
1
2
1
2
Таким образом, измеряя сигналы ε, ε и U, U возмущения соответственно двух идентичных индукционных датчиков и двух идентичных датчиков магнитной индукции (например, датчиков Холла) полем движущегося проводника с током и предварительно непрерывно определяя два информативных параметра G, G согласно (5) и (10), можно определять текущую скорость ν движущегося проводника как
0
0
где  - коэффициент, который определяют по результатам предварительного физического эксперимента или компьютерного моделирования, при этом ν - определяемое экспериментально или по результатам моделирования значение скорости движения идентичного или моделируемого проводника с током в координате x.
Обозначив через С постоянный коэффициент  в (11), можно записать выражение для скорости ν движения проводника с током в окончательном виде:
.
Как видно из графиков, показанных на фиг.1, предлагаемый способ по сравнению со способом-прототипом обеспечивает гораздо более слабое влияние изменений конфигурации проводника (продольной длины) на результаты измерения его скорости.
Следовательно, дополнительное введение операции измерения сигналов, пропорциональных магнитной индукции поля, например, с помощью датчиков Холла, согласно предлагаемому способу позволяет повысить по сравнению со способом-прототипом точность измерений скорости движения проводника с током в условиях нестабильности его пространственной конфигурации.
Устройство, реализующее заявляемый способ измерения скорости движения проводника с током (фиг.2), функционирует следующим образом.
1
2
1
2
1
2
При подходе движущегося проводника с током к первому по направлению движения из двух индукционных датчиков (ИД1) 1 на выходе порогового элемента (ПЭ) 11 вырабатывается управляющий сигнал (пороговый элемент (ПЭ) 11 срабатывает при нарастании сигнала индукционного датчика (ИД1) 1 до максимума), воздействующий на управляемые ключи 5, 6, 7 и 8. В результате они включаются и происходят подключения индукционных датчиков (ИД1) 1 и (ИД2) 2 соответственно к первому и второму входам устройства умножения (УУ1) 9 и подключения датчиков магнитной индукции (ДМИ1) 3 и (ДМИ2) 4 соответственно к первому и второму входам устройства умножения (УУ2) 10. На выходах устройств умножения (УУ1) 9 и (УУ2) 10 появляются сигналы соответственно ε·ε и U·U, а на выходах устройств извлечения квадратного корня (УИК1) 12 и (УИК2) 13 формируются сигналы, пропорциональные значениям соответственно первого и второго информативных параметров  и . На выходе устройства деления (УД) 14 вырабатывается сигнал отношения двух информативных параметров G/G, а на выходе устройства умножения (УУЗ) 15 непрерывно формируется сигнал  скорости ν движения проводника с током.
Использование заявляемого технического решения позволит повысить точность измерения скорости движения проводника с током.