Способ измерения скорости движения проводника с током
METHOD FOR MEASURING CONDUCTOR CURRENT WITH SPEED

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров, в частности скорости, прямолинейного движения проводников с током.
1
2
e
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 U, U возмущения двух упомянутых датчиков полем движущегося объекта, причем, предварительно, до начала измерения принимают значение масштабирующего коэффициента Х, 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 v движения объекта определяют как
Описанный способ имеет низкую помехозащищенность в условиях наличия сильных импульсных помех, обусловленную выполнением при определении скорости операции дифференцирования по времени координатной функции F, что приводит к "подчеркиванию" помех, присутствующих на входе измерительного устройства.
1
2
е
0
Д
-7
Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ измерения скорости движения проводника с током (Пат. 2208793 Рос. Федерация, МПК G01P 3/50 - №2001128575/28, опубл. 20.07.2003) на участке траектории между двумя идентичными индукционными датчиками, предполагающий измерение тока I, протекающего в проводнике. В соответствии со способом-прототипом непрерывно измеряют сигналы U, U возмущения двух упомянутых датчиков полем движущегося проводника, причем, предварительно, до начала измерения принимают значение масштабирующего коэффициента Х, численно равным значению перемещения проводника, соответствующего изменению выходного сигнала датчика положения в е раз, а скорость v движения проводника с током определяют как  где  - постоянный коэффициент; μ = 4π⋅10 - магнитная постоянная; N, S - соответственно число витков и площадь сечения катушки индукционного датчика.
Недостатком способа-прототипа является то, что в измерительном устройстве, которое будет реализовывать этот способ измерения, необходимо наличие блока извлечения квадратного корня. Упомянутый блок является относительно сложным, обуславливающим дополнительную инструментальную погрешность, в случае его реализации в аппаратном аналоговом варианте. В случае использования цифровой обработки первичных сигналов блок извлечения квадратного корня может быть реализован виртуально, как отдельный программный модуль. Но и в этом случае вычисление квадратного корня является более сложной вычислительной операцией, обуславливающей большие задержки времени, по сравнению с линейными операциями. Таким образом, независимо от варианта исполнения измерительного устройства, реализующего способ-прототип, необходимость извлекать квадратный корень усложняет процедуру измерения скорости движения проводника с током.
Задачей предполагаемого изобретения является упрощение измерения скорости движения проводника с током.
Технический результат изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе, в отличие от способа-прототипа, присутствует линейная зависимость между первичным измерительным сигналом и окончательным информативным параметром - значением скорости движения проводника с током, за счет чего решается задача упрощения измерения скорости.
d
0
Д
-7
Изобретение заключается в том, что в способе измерения скорости движения проводника с током на участке траектории между двумя идентичными индукционными датчиками, предполагающем измерение тока I, протекающего в проводнике, непрерывно измеряют разностный сигнал u (t) двух упомянутых датчиков, возмущаемых полем движущегося проводника, а скорость v(t) его движения определяют как  где t - время; ; μ=4π⋅10 - магнитная постоянная; N, S - соответственно число витков и площадь сечения катушки индукционного датчика; С - постоянный коэффициент, определяемый по результатам предварительного физического эксперимента или компьютерного моделирования.
d
0
Д
-7
От прототипа изобретение отличается тем, что непрерывно измеряют разностный сигнал u (t) двух индукционных датчиков, возмущаемых полем движущегося проводника, а скорость v(t) его движения определяют как  где t - время; ; μ=4π⋅10 - магнитная постоянная; N, S - соответственно число витков и площадь сечения катушки индукционного датчика; С - постоянный коэффициент, определяемый по результатам предварительного физического эксперимента или компьютерного моделирования.
1
2
d
На фиг. 1 приведены результаты компьютерного моделирования сигналов u(t), u(t) двух датчиков, реагирующих на движущийся проводник с током, а также их разностный сигнал u(t). Сигналы показаны как функции от координаты х положения проводника с током.
На фиг. 2 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения скорости движения проводника с током, например, токопроводящего плазменного сгустка в канале электродинамического ускорителя плазмы (Колесников П.М. Электродинамическое ускорение плазмы. - М.: Атомиздат, 1971. с. 389).
Как известно (статья: Cook R.W. Observation and analysis of current carrying plasmas in rail gun //IEEE Transactions on Magnetics. 1986. V. 22. No. 6. P. 1423-1428), выходной сигнал и индукционного датчика, возмущаемого магнитным полем движущегося проводника с током, может быть описан следующим образом:
Д
0
-7
2
где N, S - соответственно число витков и площадь сечения катушки индукционного датчика; v - скорость перемещения проводника с током; μ=4π⋅10 [Гн/м] - магнитная постоянная; I - ток, протекающий в движущемся проводнике; ƒ[x(t)] [1/м] - мультипликативная составляющая сигнала индукционного датчика, представляющая собой сложную функцию от координаты х(t) положения проводника на траектории его движения; t - время. Таким образом, функции выходных сигналов пары датчиков, установленных вдоль траектории движения проводника с током при его нахождении между датчиками, могут быть описаны с использованием (1) следующими выражениями:
где L - расстояние между датчиками, а за нулевую точку координат х принимается середина этого расстояния.
d
Далее, используя (2) и (3) запишем выражение для разностного сигнала u[x(t)] двух датчиков:
2
Как видно (см. фиг. 1) на функции разностного сигнала можно выделить участок, который с достаточной степенью точности может быть охарактеризован как постоянный, то есть не изменяющийся с изменением х. Это соответствует взаимной компенсации изменений функций ƒ[x(t)+L/2] и ƒ[x(f)-L/2] в правой части (4). Следовательно, составляющая {ƒ[x(t)+L/2]-ƒ[x(t)-L/2]} в (4) может быть с достаточной степенью точности замещена некоторым постоянным коэффициентом С, имеющим размерность [1/м]. С учетом этого перепишем выражение (4) следующим образом:
d
Таким образом, как следует из (5), непрерывно измеряя разностный сигнал u(t) двух идентичных индукционных датчиков, возмущаемых полем проводника с током, движущегося на участке траектории между ними, и выполняя операцию измерения тока I, протекающего в проводнике, можно определять скорость v(t) движения проводника с током как
Обозначив через K постоянный коэффициент  в (6), можно записать выражение для скорости v(t) движения проводника с током в окончательном виде:
Таким образом, в предлагаемом способе, в отличие от способа-прототипа, присутствует линейная зависимость между первичным измерительным сигналом и окончательным информативным параметром - значением скорости движения проводника с током, за счет чего решается задача упрощения измерения скорости.
Заявляемый способ измерения скорости движения проводника с током может быть реализован, например, следующим устройством (см. фиг. 2).
Проводник 1 с током (например, плазменный сгусток) движется по проводящим направляющим 2, обеспечивающим протекание тока в проводнике и образующим траекторию его движения. Устройство содержит блок измерения тока (БИТ) 3, сформированного, например, на базе так называемого пояса Роговского (Панин В.В., Степанов Б.М. Измерение импульсных магнитных и электрических полей. - М.:, Энергоатомиздат, 1987. с. 120). Указанный ток протекает в электрической цепи, которая образована источником тока (ИТ) 4, питающими проводниками 5, проводящими направляющими 2 и движущимся проводником 1. Устройство для измерения скорости содержит также два идентичных индукционных датчика (Д) 6 и 7, на участке траектории между которыми производится измерение скорости движущегося проводника 1. Датчики 6 и 7 подключены через управляемые ключи 8 и 9 соответственно к первому и второму входам блока измерения разностного сигнала (БИРС) 10 (сформированного, например, на базе дифференциального усилителя), а БИТ 3 соединен через управляемый ключ 11 с входом "делитель" блока деления (БД) 12. Управляющие входы управляемых ключей 8, 9 и 11 подключены к выходу порогового элемента (ПЭ) 13, вход которого соединен с выходом датчика 7, который является первым по направлению движения объекта. Выход БИРС 10 подключен к входу "делимое" БД 12. Выход БД 12 подключен к первому входу блока умножения (БУ) 13, а второй вход БУ 13 является общим входом устройства для измерения скорости и предназначен для подачи сигнала, пропорционального значению постоянного коэффициента  Выход БУ 13 является общим выходом устройства для измерения скорости.
Устройство функционирует следующим образом.
d
При проходе движущегося проводника с током первого по направлению движения датчика 7, на выходе ПЭ 13 вырабатывается управляющий сигнал (ПЭ 13 срабатывает при нарастании сигнала датчика 7 до определенного значения), воздействующий на управляемые ключи 8, 9 и 11. В результате управляемые ключи 8,9, 11 включаются и происходят подключения датчиков 6 и 7 соответственно к первому и второму входам БИРС 10, а БИТ 3 соединяется с входом "делитель" БД 12. На выходе БИРС 10 появляется разностный сигнал u(t) датчиков 6 и 7. Этот сигнал подается на вход "делимое" БД 12, на вход "делитель" которого с выхода БИТ 3 непрерывно поступает сигнал, пропорциональный току I, который протекает в движущемся проводнике 1. Таким образом, на выходе БД 12 вырабатывается сигнал отношения  и передается на первый вход БУ 13. На второй вход БУ 13 подается сигнал, пропорциональный значению постоянного коэффициента  что обеспечивает непрерывное формирование на выходе БУ 13 сигнала  пропорционального скорости v движения проводника 1 с током.
Использование заявляемого технического решения позволит упростить измерение скорости движения проводника с током.