Розробка точечних методів і засобів вимірювання діпольних магнітних моментів джерел зовнішнього магнітного поля

Размещено на http://www.allbest.ru

ХАРКІВСЬКЕ ДЕРЖАВНЕ НАУКОВО-ВИРОБНИЧЕ ОБ'ЄДНАННЯ "МЕТРОЛОГІЯ"

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.11.15 - Метролгія та метрологічне забезпечення

Розробка точечних методів і засобів вимірювання діпольних магнітних моментів джерел зовнішнього магнітного поля

Дегтярьов Віталій Валентинович

Харків - 1998

Дисертацією рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті радіоелектроніки, Міністерство освіти України.

Науковий керівник :

кандидат технічних наук, професор

Кукуш Віталій Дмитрович, ХТУРЕ, професор кафедри МВТ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Себко Вадим Пантелейович, Харківський державний політехнічний університет, завідуючий кафедрою;

кандидат технічних наук, доцент Черепков Сергій Тимофійович, Метрологічний центр Міноборони України, керівник центру.

Провідна установа :

Національний технічний університет України "КПІ", Міністерство освіти України, Київ.

Захист дисертації відбудется 29 січня 1999р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К64.827.01 при Державному науково-виробничому об'єднанні "Метрологія" за адресою : 310002, Харків, вул. Мироносицька 42, ДНВО "Метрологія" кімната 501 Б.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці ДНВО "Метрологія".

Автореферат розісланий 28 грудня 1998 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вчяеної ради В.С.Купко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми: Збільшення насиченості технічних об'єктів усіляким електрообладнанням, радіо- та мікроелектронною апаратурою вимагає вирішення проблеми їх електромагнітної сумісності та захисту від небажаного впливу магнітних полів обладнання на навколишнє середовище. Одним з можливих шляхів вирішення цієї проблеми є створення високоточних методів та засобів контролю у низькочастотному діапазоні напруженості зовнішнього магнітного поля (ЗМП) електрообладнання, до якого ставляться вимоги по маломагнітності.

Згідно з діючими нормативними документами задачею контролю ЗМП електротехнічного об'єкта є вимірювання компонент його діпольного магнітного моменту, не залежних від координат точок спостереження, що дозволяє за результатами вказаних вимірювань легко визначити напруженість діпольної складової ЗМП у довільних точках зовнішнього простору.

Розробка технічних рішень, спрямованих на створення магнітометричних методів та засобів вимірювання діпольних магнітних моментів, повинна враховувати структуру ЗМП, що контролюється, а також особливості режимів роботи об'єкта досліджень та специфіку умов проведення випробувань.

Необхідність регламентації рівня ЗМП електрообладнання підвищила вимоги до ефективності магнітометричних методів вимірювання діпольних моментів та реалізуючих їх технічних рішень. Серед магнітометричних засобів контролю параметрів ЗМП вимірювальні системи з точечними датчиками мають явну перевагу в порівнянні з контурними обмотками, охоплюючими джерело, що випробовується, у трьох ортогональних площинах, завдяки простоті виготовлення, мобільності та малому розміру робочої зони, що дає можливість використання їх у промислових умовах і на стаціонарних магнітометричних стендах.

Відомий магнітометричний метод і вимірювальна система з чотирма точечними датчиками, яка його реалізує, не задовольняють практичних вимог в силу значної похибки із-за недостатньої селективності моменту, що вимірюється.

З урахуванням цих та інших обставин, наприклад, відсутність методів та спеціальних способів вимірювання максимального значення ЗМП електротехнічних об'єктів, яким властива багаторежимність, тема дисертаційної роботи є дуже важливою і актуальною науково-технічною задачею, яка є складовою частиною вирішення проблеми електромагнітної сумісності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках держбюджетних тем " Розробка математичного забезпечення і програмно-апаратних засобів систем контролю та керування виробничими і технологічними процесами " та "Створення комплексу радіовимірювальних засобів для метрологічного забезпечення радіоелектронних систем широкого призначення" згідно Тематичного плану НДДКР ХТУРЕ, затвердженого Міністерством освіти України.

Метою дисертаційної роботи є розробка ефективних точечних магнітометричних методів, пристроїв і засобів вимірювання діпольних магнітних моментів джерел ЗМП в умовах їх експлуатації та на стаціонарних магнітометричних стендах, що дозволяє суттєво підвищити достовірність результатів контролю напруженості магнітного поля джерел ЗМП в зонах енергетичних та промислових об'єктів.

Задачі досліджень:

1. Сферичний гармонічний аналіз ЗМП електротехнічного об'єкта, що дозволяє підвищити достовірність результатів вимірювання напруженості ЗМП об'єкта і метрологічних характеристик магнітометричних засобів вимірювання ЗМП на різних стадіях їх створення.

2. Розробити точечні магнітометричні методи вимірювання магнітних моментів дипольної складової ЗМП джерела та реалізуючі їх схемотехнічні рішення, що зменшують вплив завадонесучих мультиполів вищого порядку на точність вказаних вимірювань.

3. Оцінити методичну похибку вимірювання діпольних магнітних моментів точечними магнітометричними методами та ступень завадозахищеності магнітовимірювальних пристроїв від зовнішніх електромагнітних впливів.

4. Розробити спосіб вимірювання параметрів полярної діаграми діпольної складової ЗМП і технічні рішення його реалізації.

5. Розробити спосіб вимірювання ЗМП кожного з електротехнічних пристроїв при їх сумісній роботі.

6. Розробити спосіб вимірювання максимального значення напруженості ЗМП багатофідерних розподільних щитів, яким властива багаторежимність.

7. Вирішити задачу знаходження зони безлічі можливих значень напруженості ЗМП технічного об'єкта, джерела ЗМП якого працюють у відповідності з виробничим циклом у різних режимах з метою визначення максимального значення ЗМП об'єкта в цілому.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Отримано за результатами сферичного гармонічного аналізу ЗМП електротехнічного об'єкта математичні моделі мультиполів до п'ятої просторової гармоніки включно.

2. Розроблено на підставі мультипольної моделі джерела ЗМП восьми- та дванадцятиточечні магнітометричні методи вимірювання діпольних магнітних моментів джерел ЗМП, що забезпечують високу точність вимірювань.

3. Запропоновано на підставі мультипольного аналізу ЗМП схемотехнічні рішення, які підвищують завадозахищеність і селективність трьохканальних магнітовимірювальних пристроїв відносно діпольного магнітного моменту, що вимірюється, а також методи оцінки похибки вимірювань і ступеня завадозахищеності вимірювальних пристроїв від зовнішніх електромагнітних впливів.

4. Доведено на підставі теорії розділення пульсуючого поля на кругові прямо- і зворотньообертові поля можливість визначення параметрів полярної діаграми діпольної складової ЗМП за результатами її вимірювань у двох контрольних точках.

5. Запропоновано метод визначення ЗМП кожного з електротехнічних пристроїв при їх сумісній роботі за виміряними значеннями їх результуючого поля при різному порядку чергування фаз на затискачах силового ланцюга джерела, поле якого вимірюється.

6. Вирішено задачу вимірювання максимального значення ЗМП m-фідерного розподільного щита по запропонованому алгоритму у 2m режимах його роботи.

7. Вирішено задачу побудови годографу напруженості ЗМП технічного об'єкта, джерела якого працюють сумісно в різних комбінаціях одне з одним, та визначення максимального рівня ЗМП об'єкта в цілому.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Практична цінність результатів роботи полягає в тому, що розроблені точечні магнітометричні методи і реалізуючі їх схемотехнічні рішення, а також спеціальні способи вимірювання діпольних магнітних моментів джерел ЗМП, яким властива багаторежимність, підвищують достовірність контролю ЗМП електротехнічних об'єктів і дозволяють здійснити контроль максимального значення ЗМП багаторежимних об'єктів при мінімальному обсязі виконаних вимірювань.

2. Отримані результати можуть бути використані при вирішенні ряду практичних задач з електромагнітної сумісності різноманітного електротехнічного і магніточутливого до ЗМП обладнання, а також при розробці захисту від небажаного впливу ЗМП на навколишнє середовище та контролю електромагнітного стану в зонах енергетичних та промислових об'єктів.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є закінченним виконаним самостійно науковим дослідженням. Вклад здобувача у співпраці, що наведені в кінці автореферату в списку опублікованих праць полягає в тому, що в роботі [3] ним запропонована сітка контрольних точок розміщення датчиків; в [4] - розроблено метод фазировки силового ланцюга джерела поля, що вимірюється; в [7] - виконано мультипольний аналіз ЗМП; в [8] - теоретично обгрунтовано спосіб; в [9] - запропоновано та обгрунтовано визначення параметрів полярної діаграми ЗМП джерела за результатами двох вимірювань.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на восьми наукових конференціях:

- VІІ Всесоюзной научно-технической конференции “Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры ” (Ленинград, 1989).

- Всесоюзной научно-технической конференции “ Измерительные информационные системы ” (Ульяновск, 1989).

- Всесоюзной научно-методической конференции “ Подготовка и повышение квалификации инженерных кадров в области метрологии, стандартизации и управления качеством ” (Харьков, 1990).

- 6-й Международной Крымской конференции “СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии ” (Севастополь, 1996).

- І-м Международном молодежном форуме “ Электроника и молодежь в XXІ веке ” ( Харьков, 1997).

- ІІ-й Міжнародній науково- технічній конференції “ Метрологічне забезпечення в галузі електричних, магнітних та радіовимірювань " (Харків, 1997).

- ІІ-м Международном молодежном форуме “ Электроника и молодежь в XXІ веке ” ( Харьков, 1998).

- Международной научно-технической конференции " Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики и неразрушающего контроля промышленного оборудования. Элементная база и комплектующие для приборов НК. Подготовка специалистов в сфере неразрушающего контроля и технической диагностики " (Харьков, 1998).

Публікації. Основні наукові результати, висновки та рекомендації дисертаційної роботи опубліковано у 8 наукових журналах, 8 тезах доповідей, 2 патентах України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 86 найменувань, додатка. Повний обсяг дисертації складає 180 сторінок, з них ілюстрації на 15 сторінках, таблиці на 3 сторінках, список використаних літературних джерел на 8 сторінках, додаток на 5 сторінках..

Основний зміст роботи

В першому розділі проведено огляд науково-технічних інформативних джерел з магнітометричних методів, засобів та способів вимірювання діпольних магнітних моментів та їх математичного забезпечення. Розглянуто публікації, присвячені математичному моделюванню ЗМП електрообладнання на базі методу моментів, згідно з яким поле будь-якого джерела описується діпольною складовою ЗМП, і локального методу, заснованого на розкладанні в ряд поля, що досліджується, яке утворюється ексцентричним магнітним діполем.

Далі проаналізовано публікації з точечних індукційних методів, заснованих на мультипольному аналізі. Розглянуто також методи і способи вимірювання параметрів полярної діаграми діпольної складової ЗМП і рівня напруженості поля електротехнічних об'єктів, яким властива багаторежимність, з метою визначення максимального значення ЗМП об'єкта. магнітний поле діпольний пристрій

В цілому виконаний огляд і аналіз роботи за темою дисертації дозволяє зробити такі висновки:

- відомі математичні моделі ЗМП електрообладнання на базі методу моментів і локального методу мають низьку інформативність, велику невизначеність і неадекватні найбільш загальній моделі джерела поля, коли вектор магнітного діполя є ексцентричним за трьома координатами відносно геометричного центру джерела і довільно орієнтованим у просторі;

- відомий чотирьохточечний магнітометричний метод не задовольняє практичних вимог із-за низької точності, обумовленої завадонесучими непарними мультиполями вищого порядку;

- основні параметри полярної діаграми діпольної складової визначаються лише за результатами вимірювань її напруженості навколо джерела поля в n точках, що є надто трудомістким і не завжди можливим в умовах роботи джерела;

- відомий спосіб визначення максимального значення ЗМП багатофідерного розподільного щита змінного струму за результатами вимірювання його ЗМП у декількох режимах роботи при значеннях фаз магнітних полів фідерів щита , не вирішує поставленої задачі;

- задачі, поставлені в дисертаційній роботі, такі як аналітичні методи оцінки похибки вимірювання діпольних моментів точечними магнітометричними методами і завадозахищеності вимірювальних систем з точечними датчиками від нестаціонарних магнітних полів зовнішніх джерел, вимірювання ЗМП кожного з електротехнічних пристроїв при їх сумісній роботі, визначення зони численості можливих значень ЗМП електротехнічних об'єктів, яким властива багаторежимність, з метою знаходження максимального значення ЗМП об'єкта в цілому, до теперешнього часу в літературі не розглядалися.

Другий розділ присвячено мультипольному і сферичному гармонічному аналізу зовнішнього магнітного поля.

Магнітне поле джерела в області зовнішньго простору, де немає струмів провідності і , може бути описане за допомогою скалярного магнітного потенціалу U. Напруженість , а U є розв'язком крайової задачі рівняння Лапласа з відповідними граничними умовами, поставленими на замкненій поверхні, яка цілком охоплює джерело ЗМП.

При дослідженні електромагнітної сумісності різного роду технічних об'єктів часто потрібно знати структуру ЗМП, яке створюється електротехнічним об'єктом. При цьому під ЗМП мається на увазі поле в зоні поза деякою замкненою поверхнею, що охоплює об'єкт - джерело поля. Задача аналізу ЗМП об'єкта зводиться , в кінцевому рахунку, до гармонічного аналізу з метою отримання математичних моделей мультиполів об'єкта, що досліджується.

У сферичній системі кординат скалярний магнітний потенціал подається у вигдяді спектра мультиполів - діполя, квадруполя, октуполя і т.ін.

, (1)

де - невідомі коефіцієнти, які дорівнюють мультипольним магнітним моментам джерела поля;

- приєднані поліноми Лежандра;

- порядковий номер просторової гармоніки ряду;

- порядковий номер елементарного мультиполя -го порядку.

Знаходження коефіцієнтів просторового гармонічного ряду (1) зводиться до задачі гармонічного аналізу на сфері, коли значення функції, яку належить розкласти в ряд Фур'є за сферичними гармоніками, відомі.

З точки зору збудження в навколишньому просторі квазістаціонарного магнітного поля електротехнічний об'єкт у кожний момент часу можна подати у вигляді сукупності окремих вільно орієнтованих діполей, геометрична сума моментів яких дорівнює еквівалентному діпольному магнітному моменту об'єкта. Це означає, що, для визначення похибки вимірювання компонент еквівалентного діпольного моменту об'єкта, необхідно знати спектр магнітного поля окремого діполя, який описується через шарові функції для випадку, коли вільно орієнтований в просторі діполь розташовано на сфері з .

Скалярний магнітний потенціал діполя, розміщеного на сферичній поверхні в довільній точці та маючого довільний напрям магнітного моменту M, описується рівнянням

, (2)

де ;

F(t) - функція, що виражає складну залежність від сферичних координат

точки спостереження , координат вектора магнітного діполя і його спрямовуючих косинусів.

Шляхом розкладання в (2) функції F(t) в ряд Маклорена за ступенями t при отримано гармонічний ряд, аналогічний (1), для якого визначено 35 невідомих коефіцієнтів і , виражених через магнітні моменти просторових гармонік включно до n=5.

Отримані математичні моделі мультипольних магнітних моментів гармонік вищого порядку приведені до спрощених форм у вигляді залежностей від координат довільно орієнтованого вектора діпольного моменту і його компонент, що дає можливість використовувати їх для визначення напруженості ЗМП об'єкта і методичної похибки вимірювання компонент його діпольного магнітного моменту.

В третьому розділі викладено теоретичне обгрунтування розроблених восьми- та дванадцятиточечних магнітометричних методів вимірювання діпольних магнітних моментів і реалізуючих їх технічних рішень, завадозахищених від просторових гармонік вищого порядку.

Запропоновано сітки контрольних точок з восьми і дванадцяти точками відповідно . Точки кожної сітки розподілені рівномірно навколо джерела ЗМП і симетрично відносно його геометричного центру, сумісного з початком прямокутної системи координат XYZ.

Для кожної сітки точок по координатним напрямкам X,Y,Z складається система лінійних рівнянь, що описують радіальну і дотичну компоненти напруженості ЗМП при вимірюванні та осьову компоненту при вимірюванні . Шляхом розв'язання системи рівнянь визначається шукана величина, незалежна від завадонесучих просторових гармонік парного порядку. Виключення завади, обумовленної октупольною складовою ЗМП, досягається за рахунок вибору оптимального співвідношення відстаней поміж окремими групами контрольних точок сітки.

Восьмиточечний магнітометричний метод реалізується вимірювальним пристроєм із восьми трьохкомпонентних датчиків, поділених на дві системи і розташованих в екваторіальній площині рівномірно по чотири датчика на колах радіусів R і R₁. Поздовжні осі радіальних, дотичних та осьових датчиків орієнтовані в напрямку компонент діпольного моменту, що вимірюються.

Котушки кожної системи датчиків вимірювальних каналів X,Y,Z з'єднані по корисному сигналу електрично послідовно згідно, а по заваді, що створюється зовнішніми джерелами - стрічно, зокрема каналу Z. За рахунок цього досягається завадозахищеність усіх трьох вимірювальних каналів магнітометричного восьмиточечного пристрою від гармонік непарного порядку і двох каналів X,Y від електромагнітних впливів зовнішніх джерел.

Обидві системи датчиків з'єднані між собою електрично послідовно стрічно, що дає можливість виключити заваду від третьої гармоніки при виконанні умови , де - кратність чутливостей датчиків, встановлених на відстанях R₁ і R відповідно.

Діпольний магнітний момент, виміряний цим пристроєм, визначається

, (3)

де - індекс координатного напрямку X,Y,Z;;

- виміряний електричний сигнал ;

- постійна датчиків, встановлених на контрольнії відстані R.

Дванадцятиточечний магнітометричний метод реалізується вимірювальним пристроєм з розміщенням датчиків на сферичній і циліндричній поверхнях. В першому випадку пристрій складається з шести двохкомпонентних та шести однокомпонентних датчиків з відношенням їх чутливостей 2:1, розміщених рівномірно на сферах радіусів R і R₁ відповідно. Завадозахищеність від гармонік парного порядку і магнітного поля зовнішніх джерел досягається за рахунок того, що котушки каналів X, Y, Z з'єднані по корисному сигналу у згоді, а по зовнішній електромагнітній заваді - стрічно. При забезпечується відстроювання від гармоніки третього порядку. Виміряний цим пристроєм діпольний момент

. (4)

У другому випадку пристрій складається з восьми трьохкомпонентних датчиків, розміщених на циліндричній поверхні радіуса R по чотири датчика в площині , і чотирьох однокомпонентних осьових датчиків, розміщених на колі радіуса R₁ в площині z=0. Тут також вимірювальні канали X,Y, Z захищені від завад просторових гармонік парного порядку, а відстроювання від мультиполя третього порядку досягається при виконанні умови , .

Діпольні магнітні моменти, виміряні цим пристроєм, дорівнюють

, . (5)

Розглянуто також інші варіанти розмішення в цьому вимірювальному пристрої z-их котушок датчиків, наприклад, і , при якому забезпечується завадозахищеність каналу Z від електромагнітних впливів зовнішніх джерел при вимірюванні осьової компоненти діпольного моменту:

. (6)

Вимірювання діпольних магнітних моментів за допомогою розроблених магнітометричних методів і пристроїв здійснюється з похибкою, що створюється в основному завадонесучою гармонікою п'ятого порядку, яка є систематичною складовою методичної похибки вимірювання.

У четвертому розділі викладені методи оцінки похибки вимірювання діпольних магнітних моментів і ступеня завадозахищеності точечних діпольних магнітних моментів від електромагнітних впливів зовнішніх джерел.

Вимірювальні пристрої з точечними датчиками, що реалізують розроблені магнітометричні методи, виключають вплив парних завадонесучих просторових гармонік та непарної третьої гармоніки на точність вимірювання діпольних моментів. Через це гармоніка п'ятого порядку створює основну заваду, яка приводить до появи систематичної мультипольної методичної похибки.

Для джерела ЗМП типу "чорний ящик" заздалегідь невідомі коефіцієнти діпольної складової ЗМП, що вимірюються та коефіцієнти завадонесучої гармоніки п'ятого порядку. Через це значення методичної похибки залишається невизначеним, що є перешкодою, яку важко подолати під час створення ефективних точечних магнітометричних засобів вимірювання діпольних моментів.

Запропонований аналітичний метод оцінки похибки вимірювання діпольних магнітних моментів базується на мультипольній концепції моделі, яка створює за рівнем такі ж першу та п'яту гармоніки, як і ЗМП реального джерела. Така модель становить собою сукупність магнітного діполя, що вимірюється, розміщеного на початку системи координат, і октупольного моменту, основна завадонесуча гармоніка якого еквівалентна гармоніці п'ятого порядку, що створюється окремим ексцентричним магнітним діполем, розміщеним у межах робочого обсягу джерела ЗМП. Модель, адекватна ЗМП, що вимірюється, з урахуванням виконання вказаних умов, дає можливість виразити мультипольну похибку вимірювання діпольного магнітного моменту джерела ЗМП через коефіцієнти подібності і похибку вимірювання магнітного моменту ексцентричного діполя, для якого отримані значення одинадцяти коефіцієнтів : , де - коефіцієнт подібності, характеризуючий відносну зміну вимірюваного діпольного моменту M, що вимірюється при незмінному і заданому рівні завадонесучої гармоніки п'ятого порядку, що створюється ексцентричним магнітним діполем .

Значення систематичної складової методичної похибки вимірювання компонент , точечними магнітометричними пристроями з розміщенням датчиків в екваторіальній площині, на сферичній та циліндричній поверхнях, виражені через габаритні розміри джерела ЗМП, описуються такими виразами

для екваторіальної площини

, ; (7)

для сферичних поверхонь

для; (8)

для циліндричних поверхонь

;

при и ; (9)

при и .

Аналіз (7-9) показав, що найбільш точним є вимірювальний пристрій з розміщенням датчиків на циліндричній поверхні. Максимальне значення мультипольної похибки цього пристрою при вимірюванні на відстані при є (5,2...0,1)%, що на один-два порядки менше похибки базового вимірювального пристрою. Мультипольная похибка вимірювальних пристроїв з розміщенням датчиків в екваторіальній площині та на сферичних поверхнях меншне похибки базового пристрою в 4...30 разів.

Проведено аналіз похибки неточності установки датчиків. Середньоквадратичне значення випадкової лінійно - кутової похибки становить

(де ).

Доведено, що основний внесок в методичну похибку дає мультипольна похибка і найбільш ефективним є вимірювальний пристрій з розміщенням датчиків на циліндричній поверхні, методична похибка якого менше похибки базового пристрою в 9...50 разів.

Далі викладено метод оцінки завадозахищеності точечних вимірювальних пристроїв від електромагнітних завад зовнішніх джерел, розміщених поблизу зони стаціонарного магнітометричного стенду.

Котушки магніточутливих датчиків каналів X,Y,Z завадозахищених вимірювальних пристроїв увімкнені стрічно по магнітному полю зовнішніх джерел, внаслідок чого електричні сигнали завад, що наводяться в котушках вимірювальних каналів зовнішнім електромагнітним полем, знаходяться у протифазі, компенсуючи одне одного. Завдяки цьому в більшості випадків практично виключається вплив зовнішніх завад на точність вимірювань. Однак, досягнути повної взаємокомпенсації протифазних сигналів неможливо через неоднорідність зовнішнього завадонесучого поля в робочій зоні магнітометричного стенду. Тому виникає необхідність у визначенні величини незкомпенсованого залишку результуючого сигналу завади на виході вимірювальних каналів та оцінки функціональних можливостей вимірювального пристрою у частці його завадозахищеності.

Для цього напруженість магнітного поля завади в центрі вимірювального пристою приймається в ролі базової. Це дає можливість, враховуючи діпольний характер магнітного поля завади, виразити напруженість магнітного поля в точках розміщення датчиків через базове значення напруженості поля, що суттєво спрощує визначення результуючого сигналу завади, відхилення якого від сигналу завади, пропорційного відповідно базовій напруженості поля завади, характеризує ступінь завадозахищеності вимірювального пристрою від зовнішніх електромагнітних впливів.

В результаті для каналів X,Y,Z отримано аналітичні залежності у вигляді , які дозволяють робити оцінку ступеня завадозахищеності вимірювальних пристроїв при різних значеннях співвідношення ( де - відстань від джерела зовнішньої завади до геометричного центру вимірювального пристрою, R - радіус кола, на якому розміщені датчики, тобто контрольна відстань).

Аналіз залежностей показує, що при ступінь завадозахищеності каналів X,Y,Z вимірювальних пристроїв , що відповідає зменшенню базової завади не менш, ніж на порядок.

Значення відносної похибки, яка створюється завадонесучим полем зовнішнього джерела з діпольним моментом М_п , визначається виразом

(где 6k₁ 8,44). (10)

Аналіз (10) свідчить, що при R_и /R =20 та М_п / М =10² значення похибки зовнішньої завади _п=(0,01...0,02)%, що менше мультипольної похибки на три порядки при вимірюванні діпольного моменту М джерела ЗМП на контрольній відстані R=1,5L.

Розглянуто також технічні засоби компенсації магнітного поля завади кабеля живлення зі слідкування по струму навантаження джерела ЗМП і результуючого сигналу електромагнітної завади зі слідкуванням по магнітному полю зовнішніх джерел.

Результати експериментальних досліджень підтвердили вірогідність аналітичних методів оцінки методичної похибки, ступеня завадозахищеності вимірювальних пристроїв від впливу зовнішніх нестаціонарних електромагнітних завад та високу ефективність розроблених точечних магнітометричних методів вимірювання діпольних магнітних моментів джерел ЗМП.

В п'ятому розділі викладено розв'язання задач, присвячених вимірюванню діпольної складової ЗМП і визначенню параметрів її полярної діаграми, вимірюванню ЗМП електротехнічних пристроїв при їх сумісній роботі, максимального значення ЗМП багатофідерного розподіленого щита, визначенню області можливих значень ЗМП багаторежимного об'єкта і максимального рівня його ЗМП.

Необхідні вихідні дані для побудови полярної діаграми діпольної складової ЗМП можна отримати шляхом прямих вимірювань її діпольної компоненти напруженості поля навколо джерела ЗМП. За картиною розподілу полярної діаграми можна легко виділити зони в зовнішньому просторі, тобто сектори з визначеним кутом розтвору, в яких магнітне поле досягає максимальної і мінімальної величин. Ці відомості можуть бути використані при вирішенні практичних задач, пов'язаних з розміщенням у зовнішніх зонах різних магніточутливих пристроїв з урахуванням їх електромагнітної сумісності. Однак, часто умовами роботи виключається можливість прямих вимірювань розподілення діпольної складової навколо джерела ЗМП.

В основу способу вимірювання діпольної складової ЗМП і визначення параметрів її полярної діаграми покладено метод розподілу діпольного поля на кругові прямо- і зворотньообертові поля. Згідно із запропонованим способом на напрямку кутових координат і вимірюються X і Y часові складові ЗМП , и ,, зсунені по фазі одне відносно одного на відповідно, які є початковими даними для визначення часових складових кругових прямо- і зворотньообертових полів, що створюють радіальне діпольне поле:

,

,

,

. (11)

Після цього визначаються модулі прямо- і зворотньообертових полів , і їх фази , , за значеннями яких далі визначаються параметри діаграми діпольної складової ЗМП, а саме, максимальна і мінімальна величини радіального діпольного поля

, (12)

і відповідні їм кутові координати

, . (13)

Далі викладається спосіб вимірювання ЗМП кожного з електротехнічних пристроїв при їх сумісній роботі, які є основними джерелами магнітних полів розсіювання, в основу якого покладено метод фазування силового ланцюга пристрою, що вимірюється. Запропонований спосіб реалізується таким чином. При сумісній роботі n електротехнічних пристроїв вимірюється їх результуюче магнітне поле . Потім змінюється порядок чергування фаз на вхідних і вихідних затискачах силового ланцюга і - го електротехнічного пристрою, що вимірюється, наприклад , з АВС на СВА або на САВ, що відповідає зміні на або фази магнітного поля і - го пристрою, що містить силові ланцюги у вигляді симетричних шинопроводів, і в цьому ж режимі роботи n електротехнічних пристроїв проводиться повторне вимірювання результуючого магнітного поля . Після чого за результатами вимірювання и для вказаних варіантів фазування силового ланцюга і - го електротехнічного пристою визначається його ЗМП:

, . (14)

При цьому завади, що створюються магнітним полем (n-і) сумісно працюючими електротехнічними пристроями, повністю вилучаються з результатів вимірювань, внаслідок чого підвищується точність вимірювання ЗМП кожного з електротехнічних пристроїв.

Багатофідерні розподільні щити, яким властива багаторежимність, також є основними джерелами ЗМП. Кількість можливих режимів роботи m - фідерного розподільного щита, в одному з яких ЗМП щита досягає максимального значення, буде

, (15)

де - кількість комбінацій з m по n фідерів щита, що працюють одночасно.

Для визначення максимального значення ЗМП m - фідерного розподільного щита необхідно виконати обсяг вимірювань N=2^m-1. Явно, що навіть при m=10...20 виконати обсяг вимірювань N=1023...1048575 надто проблематично. Однак, для реальної оцінки електромагнітного стану в зонах промислових та енергетичних об'єктів необхідно мати достовірну інформацію про максимальний рівень ЗМП в зоні об'єкта.

Сутність способу вимірювання максимального ЗМП m - фідерного розподільного щита полягає в слідуючому. Спочатку вимірюються фази магнітних полів кожного фідера окремо і визначаються фази магнітних полів фідерів при умовно зворотньому напрямку струму в них. Далі вмикається вільно обраний фідер, а також фідери, фази полів яких, наприклад, більше фази поля обраного фідера при прямому напрямку струму в ньому, але менше фази поля вибраного фідера при зворотньому напрямку струму в ньому і вимірюють ЗМП щита. Потім по черзі убування фази поля обирають фідер, фаза магнітного поля якого мінімально відрізняється від фази первісно обраного фідера при прямому напрямку струму в ньому, і, в залежності від електричного стану знов обраного фідера, його вимикають, або вмикають. Після чого знову вимірюється ЗМП щита, і далі подібні операції повторюються до тих пір, доки не буде виконано всього 2m вимірювань. Далі за результатами 2m вимірювань визначається максимальне значення ЗМП щита, що, в кінцевому рахунку, дозволяє зменшити обсяг вимірювань у разів.

Запропоновано метод побудови годографу напруженості ЗМП об'єкта, який дозволяє за допомогою вихідних даних про значення ЗМП джерел об'єкта, визначити максимально можливий рівень його ЗМП, що, в кінцевому рахунку, підвищує точність результатів контролю електромагнітного стану в зонах промислових і енергетичних об'єктів.

Достовірність розроблених способів перевірена і підтверджена результатами експериментальних досліджень, які виконувалися на моделях багаторежимних джерел ЗМП.

Висновки

1. У результаті проведених досліджень розроблено на базі мультипольної концепції джерела ЗМП ефективні магнітометричні методи, пристрої та способи вимірювання діпольних магнітних моментів джерел ЗМП в умовах їх експлуатації і на стаціонарних магнітометричних стендах, що забезпечують вирішення ряду практичних задач з електромагнітної сумісності чутливих до впливу ЗМП пристроїв і контролю електромагнітного стану в зонах енергетичних та промислових об'єктів.

2. Отримано за результатами сферичного гармонічного аналізу магнітного поля джерела математичні моделі мультиполів, які можуть бути використані під час прогнозування рівня ЗМП електротехнічних пристроїв на етапі їх проектування та для оцінки метрологічних характеристик магнітометричних засобів вимірювання ЗМП при їх створенні.

3. Розроблено на підставі мультипольного аналізу ЗМП восьми- і дванадцятиточечні магнітометричні методи і пристрої вимірювання діпольних магнітних моментів джерел ЗМП, що передбачають розміщення системи магніточутливих датчиків навколо джерела ЗМП, яке контролюється, в екваторіальній площиніі та на сферичній або циліндричній поверхнях з метою виключення впливу завадонесучих мультиполів вищого порядку включно до п'ятої гармоніки на точність вимірювання.

4. Визначено оптимальні співвідношення відстаней поміж системами датчиків та їх чутливостей до напруженості магнітного поля для різних варіантів розміщення датчиків навколо джерела ЗМП, що випробовується, при яких забезпечується відстроювання від завади, обумовленої октупольною складовою ЗМП.

5. Запропоновано схемотехнічні рішення трьохканальних магнітоме-тричних пристроїв вимірювання діпольних моментів джерел ЗМП в умовах їх експлуатації і на стаціонарних магнітометричних стендах, захищених від завадонесучих мультиполів вищого порядку та нестаціонарних електромагнітних полів зовнішніх джерел, розміщених поблизу зони стаціонарного магнітометричного стенду, в результаті чого суттєво підвищується точність вимірювань.

6. Запропоновано методи оцінки методичної похибки вимірювання діпольних магнітних моментів магнітометричними методами та ступеня завадозахищеності магнітовимірювальних пристроїв від впливу нестаціонарних електромагнітних завад зовнішніх джерел, які можуть бути використані для визначення очікуємих метрологічних характеристик точечних магнітометричних пристроїв на стадії їх створення і виявлення найбільш ефективних з них.

7. Розроблено спосіб вимірювання параметрів полярної діаграми діпольної складової ЗМП, за видом і значенням напруженості магнітного поля якої визначаються у зовнішньому просторі зони з мінімальним рівнем поля, що дає можливість вирішувати ряд практичних задач щодо розміщення у цих зонах магніточутливих пристроїв з урахуванням їх електромагнітної сумісності.

8. Запропоновано спосіб вимірювання ЗМП кожного з електротехнічних пристроїв при їх сумісній роботі.

9. Розроблено спосіб вимірювання максимального значення ЗМП m - фідерних розподілених щитів, яким властива багаторежимність, що забезпечує зменшення обсягу вимірювань в разів.

10. Вперше вирішена задача побудови годографу напруженості магнітного поля технічного об'єкта, джерела ЗМП якого функціонують у різних режимах, що дає можливість визначити максимальний рівень напруженості поля об'єкта в цілому.

Список опублікованих праць

1. Дегтярев В.В. Точечный магнитометрический метод определения дипольных магнитных моментов источников внешнего магнитного поля. // Технічна електродинаміка. - 1998. - № 3. - С. 19-24.

2. Дегтярев В.В. Погрешность измерения дипольных магнитных моментов источников внешнего магнитного поля точечными магнитометрическими методами. // Український метрологічний журнал - 1998. - № 1. - С. 38-41.

3. Кукуш В.Д., Дегтярев В.В. Измерение компонент дипольного магнитного моменту источников внешнего магнитного поля. // Український метрологічний журнал. - 1998. - № 3 . - С. 25 - 28 .

4. Лупиков В.С., Дегтярев В.В., Кукуш В.Д. Способ измерения внешнего магнитного поля каждого из электротехнических устройств при их совместной работе. // Технічна електродинаміка. - 1997. - № 2 . -С. 10 - 12.

5. Дегтярев В.В. Измерение дипольной составляющей внешнего магнитного поля электротехнических устройств и определение параметров ее диаграммы. // Технічна електродинаміка. - 1997. - №3. - С. 10 - 12.

6. Дегтярев В.В. Измерение осевого дипольного магнитного момента источников ВМП переменного тока. // Український метрологічний журнал. - 1997. - №3. - С. 27-29.

7. Кукуш В.Д. , Дегтярев В.В. Измерение осевой компоненты дипольной составляющей внешнего магнитного поля электрооборудования. // Український метрологічний журнал - 1997. - № 4. - С.20 - 23.

8. Патент України № 22365 А. Способ определения внешнего магнитного поля электротехнических устройств / Кукуш В.Д., Дегтярев В.В. - Заявл. 04.03.97.

9. Патент України № 22366 А. Способ определения параметров полярной диаграммы дипольной составляющей внешнего магнитного поля электротехнического устройства / Кукуш В.Д., Дегтярев В.В. - Заявл. 04.03.97.

10. Дегтярев В.В. Анализ распределения дипольной составляющей внешнего магнитного поля переменных токов. - Деп. в УкрИНТЭИ 26.02.97 №216 - Уі 97. - Харьков, 1997. - 8с.

Анотація

Дегтярьов В.В. Розробка точечних методів і засобів вимірювання діпольних магнітних моментів джерел зовнішнього магнітного поля. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.15- метрологія і метрологічне забезпечення. - Державне науково-виробниче об'єднання "Метрологія", Харків, 1998.

Дисертація присвячена питанням розробки ефективних магнітометричних методів, способів і пристроїв контролю компонент діпольних магнітних моментів джерел ЗМП. Отримано математичні моделі мультиполів включно до п'ятої гармоніки. Розроблено на підставі мультипольного аналізу ЗМП вісьми- та дванадцятиточечні магнітометричні методи і схемотехнічні рішення трьохканальних завадозахищених вимірювальних пристроїв, методи оцінки методичної похибки та завадозахищеності вимірювальних пристроїв, запропоновано способи вимірювання параметрів полярної діаграми діпольної складової, ЗМП кожного з електротехнічних пристроїв при їх сумісній роботі, максимального значення ЗМП багатофідерних розподілених щитів і технічних об'єктів у цілому. Результати можуть бути використані при розробці засобів вимірювання діпольних магнітних моментів джерел ЗМП, прогнозуванні їх метрологічних характеристик, контролі електромагнітного стану в зонах енергетичних та промислових об'єктів.

Ключові слова: модель, аналіз, система, діпольний момент, завадозахищеність, магнітометричні методи.

Дегтярев В.В. Разработка точечных методов и средств измерения дипольных магнитных моментов источников внешнего магнитного поля. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.15 - метрология и метрологическое обеспечение. - Государственное научно - производственное обьединение "Метрология", Харьков, 1998.

Диссертация посвящена вопросам разработки эффективных магнитометрических методов, способов и устройств контроля компонент дипольных магнитных моментов источников ВМП. Получены математические модели мультиполей включительно до пятой гармоники. Разработаны на основе мультипольного анализа ВМП восьми- и двенадцатиточечные магнитометрические методы и схемотехнические решения трехканальных помехозащищенных измерительных устройств, методы оценки методической погрешности и помехозащищенности измерительных устройств, предложены способы измерения параметров полярной диаграммы дипольной составляющей, ВМП каждого из электротехнических устройств при их совместной работе, максимального значения ВМП многофидерных распределительных щитов и технических объектов в целом. Результаты работы могут быть использованы при разработке средств измерения дипольных магнитных моментов источников ВМП, прогнозирования их метрологических характеристик, контроля электромагнитной обстановки в зонах энергетических и промышленных объектов.

Ключевые слова: модель, анализ, система, дипольный момент, помехозащищенность, магнитометрические методы.

Degtyaryov V.V. The elaboratіon of poіnt methods and measurіng іnstrument of dіpole magnetіc moment of external magnetіc fіelds sources. - Manuscrіpt.

Dіssertatіon for candіdate degree of technіcal scіences on specіalіty 05.11.15 - metrology and metrologіcal ensurіng. - State Scіentіfіc Іndustrіal Assocіatіon "Metrology", Kharkov, 1998.

The dіssertatіon іs devoted to the questіons of elaboratіon of effectіve magnіtometrіc methods, means and devіce of components control of dіpole magnetіc moments of EMF sources. The mathematіcal models of multіfіelds were got to fіfth harmonіc іnclusіve. On the basіs of multіfіeld analysіs of EMF the 8- and 12-poіnt magnіtometrіc method and shemetechnіc solutіon of three - cannel obstacle-protect measurіng devіces, the methods of methodіcal error appraіsal and obstacle-protect measurіng were come out. The means of parameters measure of polar dіagram of dіpole component EMF of each of together-workіng electrotechnіc devіces, maxіmum EMF of many-fіder dіstrіbutable screens at all are proposed. The results of dіssertatіon can be used to work out measure means of dіpole magnetіc moment of EMF source, to defіne theіr metrologіcal characters, to control electromagnetіc condіtіon іn rones of energy and іndustrіal objects.

Key words: model, analysіs, system, dіpole moment, obstacle-protect, magnіtometrіc methods.

Размещено на Allbest.ru

...