ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАВЕДЕННЫХ (ВЫДЕЛИВШИХСЯ) ЭНЕРГИЙ И ТОКОВ В ОПАСНЫХ ЦЕПЯХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ (ППНЭТ) С РЕГУЛИРУЕМОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ

Пироэлектрический преобразователь наведенных (выделившихся) энергий и токов в опасных цепях технических средств (ППНЭТ) с регулируемой чувствительностью относится к измерительной технике, в частности, применяется при измерении выделившихся в нагрузках опасных цепей (мостиках накаливания ЭВУ) энергий одиночных импульсов и наведенных в подключенных к ним электрических цепях токов при воздействии различных внешних электромагнитных полей.
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при измерении выделившихся на резистивном элементе устройства энергий одиночных импульсов и протекающих через резистивный элемент эффективных значений токов.
Технический результат заключается в расширении арсенала измерительных средств в условиях воздействия сильных электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения наведенных токов.
Технический результат достигается посредством конструктивного изготовления из двух экранированных друг от друга частей: измерительной части и части, содержащей резистивный элемент, аналогичный штатному нагревательному элементу ЭВУ.
Известны устройства для измерения энергии одиночных импульсов тока на основе эффекта Зеебека - вакуумные и полупроводниковые интегрирующие бесконтактные термопреобразователи [1-3]. Недостатками вакуумных бесконтактных преобразователей [1, 2] являются их недостаточная чувствительность и низкое быстродействие для измерения энергий импульсов тока наносекундной - микросекундной длительностей в микроджоулевом диапазоне. Полупроводниковые бесконтактные термопреобразователи [3] также не позволяют измерять энергии одиночных импульсов тока длительностью менее 100 мкс в диапазоне единиц - десятков микроджоулей.
Известно устройство Пироэлектрический преобразователь энергии одиночных импульсов тока (патент №2223472, заявка №2002115456 от 11.06.2002 г.), позволяющее проводить измерения энергии одиночных импульсов тока. Оно представляет собой пирокристалл с приклеенной к нему нитью накаливания, который размещен в одном корпусе с транзистором, используемым в качестве усилителя. Недостатками данного устройства являются его низкая помехозащищенность при измерении выделившихся на нити накаливания энергий в условиях воздействия на исследуемую цепь сильных электромагнитных полей, так как нить накаливания находится в одном корпусе с усилителем и имеет емкостную связь со входом усилителя; большая, по сравнения с предлагаемой конструкцией инерционность измерений за счет большей массы сборки - нить накаливания - клей - пирокристалл - теплоизолятор - корпус; пониженная, по сравнению с предлагаемой конструкцией чувствительность, так как в качестве усилителя используется транзистор, коэффициент усиления которого существенно меньше коэффициента усиления операционного усилителя, используемого в предлагаемой конструкции и гораздо большей теплоемкости и суммарного теплоотвода элементов, которые в процессе измерений подвергаются нагреву, в результате чего снижется максимальная температура нагрева пирокристалла и, соответственно, чувствительность устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является «Измерительный преобразователь импульсного тока», патент на полезную модель №157279, заявка №2015128249 от 14.07.2015 г. Измерительный преобразователь импульсного тока, содержащий металлический корпус, в котором расположены нить накаливания, пироэлектрический кристалл и схема усиления, а также штыревые выводы для электрического подсоединения, отличающийся тем, что внутренний объем металлического корпуса заполнен гелием, а нить накаливания расположена на расстоянии 0,5-1,0 мм от пироэлектрического кристалла.
Недостатком его являются также низкая помехозащищенность при измерении выделившихся на нити накаливания энергий в условиях воздействия на исследуемую цепь сильных электромагнитных полей, а также нестабильность коэффициента преобразования, связанная с утечкой гелия из объема корпуса.
Возможность осуществления полезной модели подтверждается тем, что авторами проведено моделирование процессов измерения, а также разработан и испытан опытный образец устройства, реализующего эту идею.
Предложенная полезная модель направлена на повышение помехозащищенности измерительного преобразователя, повышение точности измерения выделившихся в нагрузке опасных цепей энергий одиночных импульсов и протекающих через них токов, повышение технологичности изготовления.
Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве, которое состоит из стандартной измерительной части, включающей в себя чувствительный элемент - пирокристалл, верхняя обкладка которого совместно с металлическим корпусом и экранирующей дистанционной втулкой образуют замкнутый экранированный объем, подключенный к схемной земле, в котором находится схема усиления, и корпуса, содержащего резистивный элемент прикрепленного к измерительной части при помощи экранирующей дистанционной втулки. Изменяя расстояние между резистивным элементом и пирокристаллом измерительной части, можно регулировать чувствительность ППНЭТ.
Измерительная часть состоит из металлического корпуса основания 1 (см. рис. 1), через который проходят сигнальные и питающие выводы (11) схемы усиления и фильтрации первичного преобразователя - пирокристалла (5), приклеенного для уменьшения тепловых шумов к массивному основанию (3) с коэффициентом теплового расширения аналогичным пирокристаллу; схемы усиления и фильтрации (2), собранной на основе прецизионного операционного усилителя; металлической экранирующей дистанционной втулки (7). Верхняя обкладка (6) пирокристалла электрически соединена со схемной землей схемы усиления и фильтрации. Таким образом, схема усиления ППНЭТ находится в экранированном объеме, который образуют корпус основания, экранирующей дистанционная втулка и верхняя обкладка пирокристалла. К верхней части экранирующей дистанционной втулки крепится корпус, в котором находится резистивный элемент - нихромовая нить (или другой, аналогичный штатному нагревательному элементу ЭВУ). Выводы резистивного элемента изолированы от корпуса. Таким образом, между измерительной частью ППНЭТ и резистивным элементом отсутствует гальваническая связь. Изменяя расстояние (изменяя длину экранирующей дистанционной втулки) между резистивным элементом и пирокристаллом, можно регулировать чувствительность ППНЭТ. Примененная конструктивная схема позволяет использовать стандартную измерительную часть при изготовлении ППНЭТ разной чувствительности и имеющих различные резистивные элементы.
Сущность полезной модели поясняется на рис. 1, 2, где изображена конструкция ППНЭТ и его электрическая схема.
Позиции на схемах обозначают:
1 - Корпус основания измерительной части.
2 - Схема усиления и фильтрации.
3 - Основание пирокристалла.
4 - Пирокристалл
5 - Нижняя обкладка пирокристалла
6 - Верхняя обкладка пирокристалла
7 - Изолирующая дистанционная втулка
8 - Корпус резистивного элемента
9 - Резистивный элемент.
10 - Выводы резистивного элемента.
11 - Сигнальные и питающие выводы измерительной части.
ППНЭТ работает следующим образом.
При прохождении через резистивный элемент 9 одиночного импульса тока в нем выделяется тепловая энергия, которая передается пироэлектрическому кристаллу 4 за счет процессов теплообмена и воздействия инфракрасного излучения резистивного элемента. Нагрев пироэлектрического кристалла приводит к изменению его поляризации. В результате на обкладках пирокристалла образуется разность потенциалов и через нагрузочное сопротивление 12 схемы усиления и фильтрации протекает ток. Напряжение на нагрузочном сопротивлении усиливается схемой усиления 3 на основе операционного усилителя.
Опытный образец предлагаемого устройства разработан Кудрявцевым
H.В. и Филатовым В. и протестирован в лаборатории АО «Оборонтест». В ходе экспериментальных исследований была подтверждена возможность его использования для измерения энергий одиночных импульсов энергии, выделившихся в резистивном элементе устройства длительностью 30 не - 50 мс в диапазоне 0,1-600 мкДж и эффективных значений токов в диапазоне 0,1-50 мА, протекающих через резистивный элемент устройства (при условии что фронт (спад) сигнала не более 200 мс) с погрешностью не хуже 10% в условиях воздействия электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения.
Источники информации
1. Термопреобразователь вакуумный бесконтактный типа ТВБ. Технические условия 0.339.007 ТУ.
2. Термоэлектрические полупроводниковые интегрирующие преобразователи ТИ-0101, ТИ-0104, ТИ-0114, ТИ-0120. Технические условия главного конструктора АЮЖ 3.369.018 ТУ ГК.
3. Авторское свидетельство СССР 1668956.
4. Пироэлектрический преобразователь энергии одиночных импульсов тока. Патент №2223472.
5. Измерительный преобразователь импульсного тока. Патент №157279.