Измеритель напряженности магнитной составляющей переменного электромагнитного поля

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ(71) Заявитель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(72) Автор Железняк Владимир Кириллович(73) Патентообладатель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(57) Измеритель напряженности магнитной составляющей переменного электромагнитного поля, содержащий последовательно соединенные основную антенну, регулируемый усилитель, первую калибровочную антенну, отличающийся тем, что содержит подключенные к выходу регулируемого усилителя и соединенные последовательно дифференциальный усилитель, режекторный фильтр подавления основной гармоники сети 50 Гц,выходной усилитель, выходы которого являются выходными клеммами для подключения внешнего селективного прибора вторую калибровочную антенну, соединенную последовательно и встречно с первой калибровочной антенной, причем первая и вторая калибровочные антенны выполнены в виде системы из двух колец, размещенных соосно, а основная антенна размещена соосно и симметрично между первой и второй калибровочными антеннами первый вывод первой калибровочной антенны соединен через измерительное сопротивление с заземленным выходом согласующего усилителя второй вывод 15431 1 2012.02.28 первой калибровочной антенны соединен с первым выводом второй калибровочной антенны, а второй вывод второй калибровочной антенны соединен с сигнальным выходом согласующего усилителя, входы которого являются входными клеммами для подключения внешнего регулируемого калибровочного генератора измерительного сигнала выводы измерительного сопротивления являются клеммами для подключения внешнего измерителя переменного тока калибровочных антенн. Изобретение относится к области радиоизмерений, точнее к измерению переменных электромагнитных полей, и предназначено для использования в измерителях электромагнитного поля, не требующих периодической поверки от внешнего источника стандартного электромагнитного поля. Наиболее распространенная структурная схема измерителя переменного электромагнитного поля 1 представляет собой последовательно соединенные основную антенну(обратимый преобразователь электромагнитного поля в электрический сигнал), регулируемый усилитель, детектор и показывающий прибор. При этом основная антенна (обратимый преобразователь) обычно выполнена по возможности точечной. Известно, что все измерительные приборы для получения заданной гарантированной точности измерений должны периодически проходить повторную установку показаний(чувствительности) в заранее заданных стандартных равномерных переменных электромагнитных полях в специальных центрах. В частности, эта периодическая поверка и подстройка должна устранить временные и эксплуатационные изменения элементов измерителя поля - размеров и ориентации антенны, характеристик материала антенны,усилительных и детекторных элементов, показывающего прибора. Указанная поверка для известного измерителя магнитного поля достаточно сложна, т.к. требует специального громоздкого и дорогого оборудования - формирователя равномерного переменного электромагнитного поля заранее заданной напряженности. В качестве примера такого формирователя могут быть кольца Гельмгольца или кольца Максвелла. Он представляет собой кольца, соосно расположенные на расстоянии диаметра указанных колец, на которые подано переменное возбуждение. Необходимость периодической поверки измерителя в стационарных условиях специального центра усложняет процесс его эксплуатации. Кроме того, точность измерений зависит от изменения внешних условий, в которых находится измеритель, - давления, влажности, температуры, наличия мешающих излучений. Эти погрешности не могут быть устранены в известном измерителе даже путем периодической коррекции чувствительности, поскольку в этом случае пришлось бы иметь на месте измерения формирователь стандартного равномерного поля. Наиболее близким к заявляемому устройству является измеритель 2, приведенный на фиг. 1 и выбранный нами в качестве прототипа. Он состоит из основной антенны 1, выход которой соединен со входом регулируемого усилителя 2, выход которого через детектор 3 соединен с показывающим прибором 4, и калибровочной антенны 6, подключенной к выходу калибровочного генератора 5. Калибровочный генератор выполнен регулируемым,калибровочная антенна размещена возможно ближе и симметрично основной антенне,витки обмотки калибровочной антенны размещены поверх или между витками обмотки основной антенны, равномерно и симметрично относительно ее витков. Недостатками прототипа, как и указанного выше аналога, являются необходимость периодической поверки измерителя в стационарных условиях специального центра, а также недостаточные чувствительность, точность и помехозащищенность калибровки. Задачей изобретения является повышение чувствительности, точности и помехозащищенности калибровки, а также упрощение поверки устройства. 15431 1 2012.02.28 Поставленная задача решается тем, что измеритель напряженности магнитной составляющей переменного электромагнитного поля, содержащий последовательно соединенные основную антенну, регулируемый усилитель, первую калибровочную антенну,отличается тем, что содержит подключенные к выходу регулируемого усилителя и соединенные последовательно дифференциальный усилитель, режекторный фильтр подавления основной гармоники сети 50 Гц, выходной усилитель, выходы которого являются выходными клеммами для подключения внешнего селективного прибора вторую калибровочную антенну, соединенную последовательно и встречно с первой калибровочной антенной, причем первая и вторая калибровочные антенны выполнены в виде системы из двух колец, размещенных соосно, а основная антенна размещена соосно и симметрично между первой и второй калибровочными антеннами первый вывод первой калибровочной антенны соединен через измерительное сопротивление с заземленным выходом согласующего усилителя второй вывод первой калибровочной антенны соединен с первым выводом второй калибровочной антенны, а второй вывод второй калибровочной антенны соединен с сигнальным выходом согласующего усилителя, входы которого являются входными клеммами для подключения внешнего регулируемого калибровочного генератора измерительного сигнала выводы измерительного сопротивления являются клеммами для подключения внешнего измерителя переменного тока калибровочных антенн. Сущность изобретения поясняется приведенным на фиг. 2 примером структурной схемы измерителя напряженности магнитной составляющей переменного электромагнитного поля. Измеритель представляет собой последовательно соединенные основную антенну 1, регулируемый усилитель 2, дифференциальный усилитель 3, режекторный фильтр подавления основной гармоники сети 50 Гц 4 и выходной усилитель 5. Выход выходного усилителя 5 является выходными клеммами для подключения внешнего селективного прибора 6. Измеритель включает также первую калибровочную антенну 7 и вторую калибровочную антенну 8. Вторая калибровочная антенна 8 соединена последовательно и встречно с первой калибровочной антенной 7, первая и вторая калибровочные антенны выполнены в виде системы из двух колец, расположенных соосно, а основная антенна 1 размещена соосно и симметрично между упомянутыми первой и второй калибровочными антеннами. Первый вывод антенны 7 соединен через измерительное точное сопротивление 9 с заземленным выходом согласующего усилителя 10, второй вывод антенны 7 соединен с выходом антенны 8, а второй вывод антенны 8 соединен с сигнальным выходом упомянутого согласующего усилителя 10. Входы согласующего усилителя 10 являются входными клеммами для подключения внешнего калибровочного регулируемого генератора 11. Выводы сопротивления 9 являются клеммами для подключения внешнего измерителя переменного тока калибровочных антенн 12. Измеритель работает следующим образом. При первичной установке чувствительности измерителя его основную антенну 1 помещают в стандартное внешнее равномерное электромагнитное поле заданной напряженности, формируемое, например, кольцами Максвелла, в соответствии с 3. При взаимодействии указанного стандартного равномерного переменного электромагнитного поля заданной напряженности на основную антенну 1 измерителя оно преобразуется в электрический сигнал, который усиливается регулируемым усилителем 2. Дифференциальный усилитель 3 имеет наклонную от низких к высоким частотам амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в отличие от амплитудночастотной характеристики основной 1 и калибровочных 7, 8 антенн. Линейную горизонтальную АЧХ основной антенны устанавливают элементами в цепи обратной связи дифференциального усилителя 3. Режекторный фильтр 4 подавляет основную, наиболее интенсивную, гармонику сети, что повышает чувствительность и расширяет динамический диапазон измеряемой напряженности поля. Выходной усилитель 5 является согласующим с целью подключения к его клеммам внешнего селективного прибора 6. Подключение внешнего селективного прибора повышает чувствительность измерителя и 3 15431 1 2012.02.28 упрощает его конструкцию. Калибровку измерителя проводят периодически, применение внешнего селективного прибора целесообразно. Изменяя коэффициент передачи регулируемого усилителя 2, устанавливают на внешнем селективном приборе 6 показание, соответствующее заданной напряженности внешнего стандартного магнитного поля. Затем выключают внешний генератор (на фигурах не показан) стандартного равномерного магнитного поля (снимают внешнее поле) и включают внешний калибровочный регулируемый генератор 11, введенный в измеритель магнитного поля согласно изобретению. Его частота такая же, как у внешнего генератора стандартного электромагнитного поля. Выходное напряжение регулируемого калибровочного генератора поступает на калибровочные антенны 7, 8 и образует вокруг них магнитное поле, поскольку они обратимый электромагнитный преобразователь. Напряженность магнитного поля, созданного последовательно соединенными витками калибровочных антенн 7 и 8, питаемых от внешнего калибровочного регулируемого генератора 11, воздействует на основную антенну 1, преобразуется в ней в соответствующий электрический сигнал, усиливается регулируемым усилителем 2, усиленный сигнал (пропорциональный созданной калибровочной цепью напряженности магнитного поля) воздействует на внешний селективный прибор 6. Изменяя амплитуду выходного сигнала внешнего калибровочного регулируемого генератора 11, добиваются показаний внешнего селективного прибора 6, равных показаниям, которые были на нем при воздействии на измеритель стандартного внешнего переменного электромагнитного поля заданной напряженности, и фиксируют уровень сигнала внешнего калибровочного регулируемого генератора 11. Величина тока в калибровочных антеннах контролируется измерителем 12 на сопротивлении 9. При величине сопротивления, равной, например, 1 Ом, величина падения напряжения равна току. Предложенное решение ново, т.к. оно неизвестно из доступных источников информации. Фактически посредством калибровочного генератора и калибровочных антенн сформировано переменное магнитное поле, суммарное воздействие которого на основную антенну аналогично воздействию стандартного равномерного магнитного поля заданной напряженности. При этом созданное калибровочное магнитное поле неравномерно и не отличается от указанного равномерного стандартного, т.к. оно создается введением второй калибровочной антенны, соединенной последовательно ивстречно с первой. Первая и вторая антенны выполнены в виде системы из двух колец, расположенных соосно, а основная антенна расположена соосно и симметрично между упомянутыми первой и второй калибровочными антеннами. Система из двух колец, расположенных соосно, создает при их питании током равномерное магнитное поле в объеме внутри них, причем указанное магнитное поле указанных двух колец суммируется внутри колец и резко затухает за их пределами в отличие от магнитного поля, создаваемого одной антенной 4.,2 3 где- магнитный момент, равный- ток, питаемый витком калибровочной антенны- площадь одного витка- количество витков калибровочной антенны- расстояние от центра витков основной антенны до центра витков калибровочной антенны (фиг. 1). Как следует из формулы, неравномерность напряженности поля одной антенны обратно пропорциональна расстоянию в третьей степени (3). В этой связи расстояние между центрами витков калибровочной и основной антенн конструктивно выполняют минимальными. Напряженность поля внутри упомянутой системы двух колец определяется формулой 3 и практически незначительно отличается от равномерного. Кроме этого,4 15431 1 2012.02.28 напряженность поля, создаваемого одной антенной, значительно меньше, чем напряженность поля, создаваемого системой двух колец при питании одной антенны и антенн в виде системы двух колец при одинаковом питающем токе. Создание равномерного магнитного поля с более высоким уровнем для соосно и симметрично расположенной основной антенны внутри упомянутых колец повышает помехозащищенность. Более высокий уровень напряженности поля внутри системы колец калибровочных антенн увеличивает наведенное напряжение в основной антенне, что увеличивает отношение сигнал/шум при измерении на выходе основной антенны. Единовременно повышается точность калибровки при малом отношении сигнал/шум, а также повышается точность определения чувствительности калибровки. Применение внешнего селективного прибора, подключенного к выходу выходного усилителя, позволяет повысить чувствительность в узкой полосе, так как чувствительность повышается пропорционально отношению полосы пропускания в широкой полосе к полосе пропускания в узкой полосе, шш т.е. по напряжению, где ш - полоса пропускания селекпо мощности либоузкузк тивного прибора в широкой полосе (полосе основной антенны), узк - полоса пропускания селективного прибора в узкой полосе. Предложенное решение неочевидно для специалиста, т.к. не вытекает явным образом из известного уровня техники. Источники информации 1. Панин В.В., Степанов Б.И. Измерение импульсных магнитных и электрических помех. - М. Энергоатомиздат, 1983. - С. 32. 2. Патент РФ 2152624, МПК 01 29/08, опубл. 10.07.2000 (прототип). 3. Чернышев Е.Т., Чернышева Н.Г. и др. Магнитные измерения. - Москва Стандарты,1969. - С. 32-36. 4. Железняк В.К. Защита информации от утечки по техническим каналам Учебное пособие / В.К. Железняк ГУАП. - СПб., 2006. - 188 с., С. 123 (4.20). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5