Способ измерения напряженности электромагнитного поля

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК П 9) 177428 0 01 й 29/08 ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ змерениям поля (ЭМП), ряженности ей в широем ператррлогической злучений и и интенсив- очастотных стг 1 с Р 1 еб е а 1 (1 ЕЕЕ 1 оп, чо 1. АР- пособ изме- ского поля, ольной анетекти роваильтрацию. АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Специальное конструкторское бюро радиоизмерительной аппаратуры Нижегородского научно-производственного объединения "Кварц"(56) Ваззеп Н, ес а 11, Е 1 естг 1 с Р 1 е 1 с РгоЬез-а Кеч 1 ечч. - 1 ЕЕЕ Тгапз. оо Аптеппаз апс Ргорацат 1 оп, Чо 1 АР, М 5, Яер. 1983, р, 710 - 718.Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах, т. 1,- М,: Мир, 1984, с. 217-226. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ (57) Использование: исследование интенсивности излучений мощных высокочастотИзобретение относится к и параметров электромагнитного а конкретно - к измерению нап электрических и магнитных пол ких частотном, динамическом и т ном диапазонах при оценке био опасности электромагнитных и пространственном обследовани ности излучений мощных высок (Вч) установокИзвестен из статьи нЕе РгоЬез - А Кеаеюп Н.Ваззеп Тгапз. оп Аптеппаз апб Ргорацат 31, К 5, Яер, 1983, рр. 710-718 с рения напряженности электриче включающий возбуждение дип тенны электрическим полем, д ние индуцированного сигнала, ф ных установок в широких частотном, динамическом и температурном диапазонах при оценке их биологической опасности. Сущность изобретения: способ измерения напряженности электромагнитного поля (НЭП) включает измерение величины постоянного тока (ПТ) на выходе приемного преобразователя (ПП) приемной антенны, возбуждаемой исследуемым НЭП, и величины ПТ на выходе ПП при отсутствии НЭП и включении последовательно с ПП и индикатором источника напряжения ПТ, делят 10 на 1, и определяют значение НЭП по соответствующей расчетной формуле. Корректировку значений НЭП по частоте осуществляют путем умножения полученных значений НЭП на коэффициент частотной корректировки, который определяют по расчетной зависимости, 2 з,п. ф-лы., 1 ил,1 передачу постоянного тока по резистивным линиям связи и егп измерение индикаторным устройством, входное сопротивление Я,п которого много больше дифференциального сопротивления д детекторного диода,4Требование В; Яп (1), Я обеспечивает независимость показаний из Сф мерителя от температуры окружающей сре- ф) ды,Недостатком данного способа измерения является ограниченность частотного, динамического, а также температурного ди апазона, т.к. для получения равномерной частотной характеристики в области низких частот (10 - 10 Гц) дифференциальное сопротивление диода должно быть достаточно большим (более 1 МОм), а в широком температурном диапазоне оно может изменяться45 50 55 на несколько порядков, Так, для обеспечения независимости отклика зонда от частоты и температуры в области частот свыше 10 Гц и в диапазоне температур.от минус510 до плюс 50 С необходимо использовать индикатор с входным сопротивлением более 10 Ом, что технически трудно осущеюствимо. Динамический диапазон данного способа не превышает 20-30 дБ.Известен также способ измерения напряженности ЭМП, описанный в патенте П Н Р М 98046, 31,08.78 г., включающий возбуждение приемной антенны ЭМП, детектирование индуцированного сигнала, фильтрацию и усиление продетектированного сигнала и передачу его через полупроводящие линии связи на разностный усилитель с большим входным сопротивлением, питаемым из астабильного источника тока, и измерение постоянного тока индикаторным устройством, соединенным через линейный усилитель с выходом разностного усилителя,Применение астабильного источника тока, оснащенного компенсирующим детектором с температурной характеристикой, идентичной температурной характеристике детектора измерительной антенны, снижает погрешность измерения от температуры окружающей среды.Однако в указанном способе измерения напряженности ЭМП не исключается погрешность измерения, обусловленная неидентичностью температурных характеристик компенсирующего детектора и детектора измерительной ант ;нны и неизбежной разницей их температур. Кроме того, измеритель, реализующий данный способ, обладает малыми динамическим и частотным диапазонами,Известен способ измерения напряженности ЭМП, используемый в измерителе, разработанном в Национальном Бюро Стандартов (США) и описанный в статье "Меаг-.Лопе ееслгс Йеб-зсгепй телег" (Йе Еессголс Епцпеег, Арп 1967, К 4), включающий. возбуждение приемной антенны электромагнитным полем, усиление высокочастотного напряжения при помощи усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, детектирование сигнала при помощи первого диодного детектора, передачу постоянного напряжения по резистивным линиям связи и измерение его индикаторным устройством, а также калибровку измерителя, во время которой вход усилителя отключают от приемной антенны и подключают через фиксированный аттенюатор к генератору высокочастотных колебаний, настроенному на частоту из 5 10 15 20 25 30 35 40 меряемого поля, напряжение с выхода генератора детектируют при помощи второго диодного детектора. При помощи переключателя, соединяющего выходы детекторов с резистивной линией, сравнивают напряжения на выходах первого и второго детекторов и, регулируя коэффициент усиления усилителя, добиваются равенства этих напрякений,Способ позволяет исключить временную и температурную нестабильность усилителя высокочастотного сигнала, коэффициент усиления которого поддерживается благодаря калибровке равным обратному значению коэффициента передачи фиксированного аттенюатора. При этом нестабильность уровня высокочастотного генератора практически не влияет на результат измерений, что делает возможным его техническую реализацию по сравнительно простой схеме. Последнее обстоятельство особенно важнот.к, все устройства, используемые при калибровке, а также источники для их питания с целью исключения влияния на измеряемое поле встроены внутрь приемного диполя, Однако при измерении по данному способу сохраняется погрешность, связанная с температурной нестабильностью детекторных диодов и неидентичностью их характеристик. Кроме этого, данный способ является узкополосным и не может использоваться для измерения полей со сложным спектром и определения средне- квадратических значений напряженности этих полей, Необходимотакжеотметить, что все способы измерения напряженности ЭМП, использующие активные схемы, встроенные в приемную антенну, технически не реализуемы для частот, превышающих несколько десятков мегагерц. Наиболее близок к предлагаемому способ измерения напряженности поля, описанный в книге Р,Кинга и Г.Смита "Антенны в материальных средах", с, 217-226 (пер, с англ,)/ Под ред. д-ра техн. наук В.Б,Штейншлейгера, т. ; М.; Мир, 1984), включающий возбуждение исследуемым электромагнитным полем, измерение величины постоянного тока на выходе приемного преобразователя приемной антенны с помощью индикатора и вычисление напряженности электромагнитного поля, передачу постоянного тока по резистивным линиям связи, измерение тока индикаторным устройством и вычисление напряженности ЭМП,Эквивалентная схема устройства, реализующего данный способ. приведена на с.217 в книге Р.Кинга и Г.Смита "Антенны",55 1 о а К 1 Е С н ) (б) 1 о ние - пропорцио 1 к женности измеряе 4 Ог е, полученное отнош ально квадрату напр Недостатком данного способа измерения напряженности тока является большая температурная погрешность, обусловленная зависимостью,фференциального сопротивления В 1 детекторного диода от температуры, а также небольшой динамический диапазон и ограниченность частотного диапазона в области низких частот,Цель изобретения - повышение точности измерения, расширение динамического диапазона частот,Поставленнаяцель достигается тем, что в известном способе измерения электромагнитного поля приемной антенны, заключающемся в измерении величины постоянного тока на выходе приемного преобразователя приемной антенны с помощью индикатора и вычислении напряженности электромагнитного поля, дополнительно измеряют величину постоянного тока на выходе приемного преобразователя в отсутствие электромагнитного поля при включении последовательно с приемным преобразователем и индикатором источника напряжения постоянного тока, а напряженность электромагнитного поля вычисляют путем решения уравнения 1 о ао вогде Е(н) - нап ряжен ность эл ектромагнитного поля;а - коэффициент, характеризующий вольтмерную зависимость диода приемного преобразователя;Во - суммарное сопротивление фильтра, резистивных линий связи и приемного преобразователя и индикатора;Кд - коэффициент, характеризующий чувствительность приемной антенны;1 о - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка;1 о - ток, измеренный при воздействии поля на антенну;1 к - ток, измеренный в отсутствие электромагнитного поля при подключении источника напряжения постоянного тока;О - напряжение источника напряжения постоянного тока.Кроме того, с целью расширения диапазона измерений, дсполнительно определяют коэффициент частотной коррекции по формуле: где 281- соп ротивление фильтра приемногопреобразователя;Сд - эквивалентная емкость приемнойантенны, на которую умножают вычисли 5 тельное значение напряженности электромагнитного поля.Предлагаемый способ измерения напряженности ЗМП реализуется с помощьюустройства, структурная схема которого10 изображена ла чертеже,Измеритель содержит дипольную антенну 1, выход которой подключен к детекторному диоду 2, нагруженному на фильтр 3нижних частот, содержащий последователь 15 но соединенные два одинаковых резистора.1 и конденсатор, который через резистивные линии 4 связи соединен с индикаторным устройством б, Кроме того, измерительсодержит управляемый эталонный источник20 напряжения постоянного тока, подключаемый последовательно с детектором и индикатором в отсутствие поля и отключаемыйпри измерении напряженности поля. Величина поля, протекающего через детектор 25 ный диод, в условиях отсутствия поля,которое регистрируется индикаторным устройством, определяется по формуле:% где Оэ - напряжение эталонного источника постоянного тока.Чтобы нелинейность диода не влияла на 35 справедливость выражения (4). Оэ должно1быть много меньше Р = - (фт - темпераатурный потенциал).Затем измеритель помещают в исследу емое поле, Ток, регистрируемый при этоминдикаторным устройством, определяется из выражения, взятого из ф.4 13 а на с. 221 кн. Р.Кинга и Г,Смита "Антенны", Затем делят величину тока,45 измеренного при воздействии поля, на величину тока, измеренного ранее, т.е, 1 к. Для достаточно высоких частот (1 Го)Ч 1 = КдЕ(н),Отсюда, а также из выражений (4) и (5) получаем1774288 Подставив в это уравнение известные1 означения )о и -- , можно определить напря)кженность электрического(Е) или магнитного5 (Н) поля, Для решения этого уравнения можно использовать встроенный в индикаторное устройство микропроцессорныйвычитатель,Динамический диапазон измерителя по10 данному способу ограничивается возможностями вычислительного устройства, требованиями по быстродействию прибора идинамическим диапазоном индикаторногоустройства, Технически вполне осуществи 15 мо при помощи данного способа расширитьдинамический диапазон измерителя напряженности поля до 50 - 60 дБ, что на 20-30 дБлучше, чем в прототипе,С целью расширения рабочего диапазо 20 на частот значение напряженности ЗЕ 1 П,измеренное способом по п,1, умножают накоэффициент частотной коррекции Кг, величину которого определяют по результатампредыдущих измерений,25 Напряжение, индуцируемое полем вприемной антенне, определяется выражение,/ д р, Ет (Нт) Ето ( )о )"0 Для исключения частотной зависимостипри измерении напряженности ЛУП, Кдолжноо иметь следу)ощий вид:35 КГ = 7 1 ./.о )2(13) МОГО поля и не зависит От д)лфференциаль- НОГО сопротивления диода (Р), Таким ОбраЗом, в данном способе пОГрешность измерений из-за влияния темг:ературы определяется лишь температурной зависимостью а и Г)ри нижней рабочей температуре - 10 С составляет Для доказательства положительного эффекта определим погрешнос)ь прототипа, обусловленную влиянием температурьДля конкретного измерителя, приведенного на -.225 книги Р,Кинга и Г,Смита,Во = 2 В 1+ Ве + Ви = 2,1 УОм(В 1 = 50 кОМ, Ве = 1 МОм, Я)п =- 1 МОм) Для обеспечения плоской частотной характеристики в диапазоне от 100 кГц и выше дифференциальное сопротивление должно быть не менее 0,5 МОм. При рабочей температуре - 10 оС получаем следующее значение теплового гока аЛТ., соответственно, Я (Т) =-50, В)(То)з МОМВ этом случае погрешность измерителя, обусловленная влиянием температурьь Таким образом, использование предлагаемого способа Г)озволяет снизить погрешность из-за влияния температуры приблизительно в 20 раз по сравнению с прототипом, Для расширения динамического диапазона необходимо решить трансцедентное уравнение для определения напряженности поля. С этОЙ целью выразим Я 1 из уравнения (4) и подставлм в соответствующее уравнение. а также заменим )о = 1 оВО и l = Кд Е(Н), При этом получаем следу)ощее уравнение Г ОВО=- Ц а КдЕ,НЯ Произведем подстановку, используя уравнение (4), При этом окончательное выражениедля Кгзапишется следующим обраНижняя граничная частота устройства, реализующего данный способ, зависит от допустимого спада чувствительности на нижних частотах, При допустимом спаде чувствительности 20 дБ нижняя граничная частота измерителя, реализующего способ, в 10 раз ниже, чем в прототипе,Формула изобретения Способ измерения напряженности электромагнитного поля; включающий возбуждение исследуемым электромагнитным1774288 10 15 ивление филя;алентная емк где 2 й 1 - сопр преобразоват0 Сд - экви антеннь 1, на который у ние напряжен иемн ость приемной магнитномножают выч ности электр ленное значеагнитного поризующийода приемСоставитель Л,Пахомова.Техред М,Моргентал Корректор М.Петров Редакто аказ 3925 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1 полем приемной антенны, измерение величины постоянного тока о на выходе приемного преобразователя приемной антенны с помощью инди-,атора, и вычисление напряженности электромагнитного поля, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения динамического диапазона, дополнительно измеряют величину постоянного токана выходе приемного преобразователя в отсутствии электромагнитного поля при включении последовательно с приемным преобразователем и индикатором источника напряжения Ок постоянного тока, вычисление напряженности электромагнитного поля проводят путем решения уравненияо аойо1+аО, - -аобо) еК= К а Кд Ен,где Е(Н) - напряженность электрого поля;а - коэффициент, характевольт-амперную зависимость диного преобразователя; Йо - суммарное сопротивление фильтра,резистивных линий связи приемного преобразователя и индикатора;Кд - коэффициент, характеризующий 5 чувствительность приемной антенны;1 о,1- модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.2, Способ по и.1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью расширения диапазона 10 частот измерений, дополнительно определяют коэффициент частотной коррекции К по формуле