БЕСКОНТАКТНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДАТЧИК ИЗМЕРЕНИЯ ПРОИЗВОДНОЙ ПО ВРЕМЕНИ ОТ ВЕЛИЧИНЫ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА
CONTACTLESS ELECTROMAGNETIC SENSOR FOR MEASURING TIME DERIVATIVE OF MAGNETIC FIELD INDUCTION OF ELECTROMAGNETIC PULSE

Изобретение относится к области физики плазмы, газовых разрядов, сильноточной электронике, радиофизике, астрофизике и т.д. и может применяться для исследования динамики распространения электромагнитных импульсов в диспергирующих неоднородных средах, радиолокации и т.п.
Задача, стоящая в рассматриваемой области техники, заключается в создании высокочувствительных бесконтактных датчиков, позволяющих получить достоверную информацию о динамике формирования и распространении электромагнитных волн в различных средах.
Из предшествующего уровня техники известен бесконтактный электромагнитный датчик [Кнопфель. // Сверхсильные импульсные магнитные поля // Москва, 1972 г., с.332-333] для измерения производной от величины индукции магнитного поля, выполненный на основе пояса Роговского, который представляет собой тороидальную катушку, охватывающую проводник с током.
Недостатком данного устройства является невозможность измерения параметров электромагнитной волны вследствие тороидальной топологии конструкции.
Известно устройство для измерения параметров электромагнитной волны [С.И.Надененко. Антенны. // Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио // Москва, 1959 г., с.204-206], частично устраняющее недостатки предыдущего аналога и представляющее собой магнитно-дипольную антенну, с помощью которой можно измерить производную от величины индукции магнитного поля электромагнитной волны. Недостатком данного устройства является невозможность прямого измерения второй производной от величины индукции магнитного поля электромагнитной волны, позволяющей получить достоверную информацию о динамике формирования и распространении электромагнитных волн в различных средах.
Известно устройство для измерения производной по времени от величины индукции магнитного поля электромагнитного импульса [Сборник под ред. В.Лохте-Хольтгревена. // Методы исследования плазмы // Москва, 1971 г., с.422-423], которое как наиболее близкое по технической сущности и количеству сходных признаков выбрано в качестве прототипа. Данное устройство представляет собой магнитный зонд в виде электрического контура, который является измерительным.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности непосредственно прямого измерения второй производной от величины индукции магнитного поля электромагнитного импульса. Следует также отметить, что в магнитном зонде возникают искажения и паразитные сигналы из-за влияния на его контур внешних сигналов от отраженных и фоновых электромагнитных волн, приводящие к погрешности в измерениях.
Техническим результатом предложенного изобретения является расширение функциональных возможностей, то есть прямое измерение второй временной производной от величины индукции магнитного поля электромагнитного импульса.
Дополнительным техническим результатом является уменьшение погрешности измерений за счет отсутствия в измерительном контуре искажений и паразитных сигналов.
Технический результат достигается тем, что бесконтактный электромагнитный датчик для измерения производной по времени от величины индукции магнитного поля электромагнитного импульса, выполненный на основе магнитного зонда и включающий в себя измерительный контур, дополнительно включает омическое сопротивление, которое устанавливают в разрыв контура магнитного зонда, при этом контур охвачен, по крайней мере, одним дифференцирующим поясом Роговского, который используют в качестве измерительного контура.
Кроме того, при включении более одного дифференцирующего пояса Роговского их соединение выполняют последовательно.
Включение в разрыв контура магнитного зонда омического сопротивления позволяет сформировать ток в контуре, однозначно характеризующий производную индукцию магнитного поля и не зависящий от реактивных составляющих импеданса контура, а также уменьшить погрешность измерений из-за отсутствия в измерительном контуре искажений и паразитных сигналов.
Включение в контур магнитного зонда, по крайней мере, одного пояса Роговского, являющегося измерительным контуром, позволяет получить сигнал с пояса Роговского, пропорциональный второй производной от величины индукции магнитного поля электромагнитного импульса.
Включение более одного из дифференцирующих поясов Роговского, соединенных последовательно, увеличивает чувствительность датчика.
На фиг. изображен общий вид примера конкретного выполнения заявляемого устройства, где 1 - электрический контур магнитного зонда, 2 - омическое сопротивление, 3 - блок, состоящий из двух поясов Роговского, 4 - проводники, подключаемые к системе регистрации.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить бесконтактный электромагнитный датчик, выполненный в виде магнитного зонда, электрический контур которого представляет собой металлический полый цилиндр диаметром 1 м и длиной 2 м, вдоль образующей которого выполнен разрез. В зазор разреза устанавливают омическое сопротивление типа ТВО, которое охватывается двумя дифференцирующими поясами Роговского, соединенными последовательно. Дифференцирующий пояс Роговского представляет собой тороидальную катушку с полным числом витков 300, проводом МГТФ. Чувствительность каждого дифференцирующего пояса Роговского составляет 0,1 А/В.
Устройство работает следующим образом. Бесконтактный электромагнитный датчик устанавливают в измеряемое переменное магнитное поле таким образом, чтобы волновой вектор распространяющейся электромагнитной волны по отношению к электрическому контуру магнитного зонда 1 был расположен перпендикулярно. Измеряемое переменное магнитное поле наводит ЭДС в электрическом контуре магнитного зонда 1, величина которой определяется выражением:
,
где ε - ЭДС в электрическом контуре магнитного зонда;
- индукция измеряемого магнитного поля;
- элемент площади поперечного сечения магнитного зонда.
Величина тока в контуре, содержащем активное сопротивление 2, пропорциональна величине первой производной от величины индукции магнитного поля распространяющегося электромагнитного импульса.
Далее с помощью дифференцирующих поясов Роговского 3 измеряется производная от величины тока, протекающего в контуре магнитного зонда. Соединение поясов Роговского с системой регистрации выполняют с помощью проводников 4. Зная значение второй производной, получаем более достоверную информацию о динамике распространения электромагнитного импульса в различных средах и используем ее далее в радиолокации, в измерении волн в неоднородных диспергирующих средах.
На предприятии приведено расчетно-теоретическое обоснование работоспособности предлагаемого устройства, с достижением вышеуказанного технического результата. А также определены основные геометрические характеристики датчика, конкретная схема исполнения, чувствительность методики и элементная база. Предлагаемое устройство планируется использовать для измерений второй производной от величины индукции магнитного поля, распространяющегося в среде электромагнитного импульса. В настоящее время устройство находится в стадии изготовления.