Розробка магнітометричних методів та модульних систем вимірювання дипольних магнітних моментів джерел зовнішнього магнітного поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Севастопольський національний університет ядерної енергії та промисловості

УДК 621.3.13

РОЗРОБКА МАГНІТОМЕТРИЧНИХ МЕТОДІВ ТА МОДУЛЬНИХ СИСТЕМ ВИМІРЮВАННЯ ДИПОЛЬНИХ МАГНІТНИХ МОМЕНТІВ ДЖЕРЕЛ ЗОВНІШНЬОГО МАГНІТНОГО ПОЛЯ

05.01.02 - стандартизація, сертифікація та метрологічне забезпечення

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дегтярьов Олександр Валентинович

Севастополь 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України на кафедрі метрології та вимірювальної техніки

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Руженцев Ігор Вікторович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри метрології та вимірювальної техніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бранспіз Юрій Адольфович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, м. Луганськ, завідувач кафедри прикладної фізики;

кандидат технічних наук, доцент Гільов Олександр Олександрович, Севастопольський національний технічний університет, доцент кафедри судових та промислових електромеханічних систем.

Захист дисертації відбудеться «26» вересня 2008 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 50.851.04 при Севастопольському національному університеті ядерної енергії та промисловості за адресою: 99033, м. Севастополь, вул. Курчатова, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Севастопольського національного університету ядерної енергії та промисловості за адресою: 99033, м. Севастополь, вул. Курчатова, 7.

Автореферат розісланий “25” липня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 50.851.04 К.М. Маловік

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток у галузях електроніки, радіотехніки, електротехніки, насичення виробництва і побуту технікою, що використовує досягнення цих галузей, призвели до загострення проблеми електромагнітної сумісності, котра потребує забезпечення безпеки та якості функціонування усіх технічних засобів, чутливих до впливу електромагнітних факторів, забезпечення захисту здоров'я і життя персоналу на промислових підприємствах та населення від впливу електромагнітних полів, захисту навколишнього середовища.

Одною з важливих складових рішення цих проблем є створення високоточних методів та засобів контролю регламентованих магнітних параметрів джерел зовнішнього магнітного поля (ЗМП). Згідно діючих нормативних документів такими нормованими параметрами для технічних засобів є величини їх дипольних магнітних моментів, які на відміну від напруженості магнітного поля не залежать від координат точок спостереження.

Серед ряду магнітометричних засобів контролю параметрів ЗМП вирізняються вимірювальні системи з точковими датчиками, які мають явну перевагу у порівнянні з розподіленими вимірювальними обмотками завдяки простоті виготовлення, мобільності та малому розміру робочої зони. Проте, відомі методи та вимірювальні системи з точковими датчиками мають недоліки по ряду метрологічних та технічних характеристик та не задовольняють сучасним вимогам різних галузей техніки.

З урахуванням цього виникає необхідність застосування комплексного підходу до вирішення взаємозв'язаних задач по створенню високоточних методів та систем вимірювання дипольних магнітних моментів джерел ЗМП: моделювання ЗМП, створення методів та засобів його вимірювання, компенсації просторових завад та зовнішньої електромагнітної завади.

Тому дослідження, направлені на розробку магнітометричних методів та систем вимірювання дипольних магнітних моментів джерел ЗМП, є актуальними та вирішують важливу задачу, яка має наукове, практичне та соціальне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження та розробки за темою дисертації зв'язані з виконанням держбюджетних тем: д/б № 131- 1 «Розробка інформаційно-вимірювального комплексу для електромагнітного моніторингу навколишнього середовища» № ДР 0101U005128, 2001 г.; д/б № 178 «Створення комплексу радіовимірювальних засобів для метрологічного забезпечення джерел електромагнітного випромінювання широкого призначення» № ДР 0198U004441, 2001 г.; д/б № 175 «Розробка методів і засобів підвищення ефективності використання електромагнітної енергії в промислових та агропромисловому комплексах» № ДР 0103U1567, 2003 г.; д/б № 187-1 «Розробка системи електромагнітного моніторингу промислових районів» № ДР 0104U005147, 2004 г. згідно тематичного плану НДДКР ХНУРЕ, затвердженого Міністерством освіти і науки України, у яких здобувач був виконавцем.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є розвиток та удосконалення метрологічного забезпечення єдності магнітних вимірювань шляхом створення нових та удосконалення існуючих методів та засобів просторового гармонічного аналізу ЗМП технічних засобів, що забезпечують сучасні потреби науки, техніки та промисловості у точних магнітних вимірюваннях.

Для досягнення поставленої мети були поставлені та вирішувались наступні задачі:

- уточнити аналітичне зображення ЗМП, що створене технічними засобами у зовнішньому просторі та визначити ваговий вклад основних гармонік у просторовій структурі магнітного поля джерела;

- розвинути теоретичну основу здійснення просторового гармонічного аналізу ЗМП технічних засобів;

- розробити методи та засоби вимірювання дипольних магнітних моментів джерел ЗМП, що призначені до практичного їх застосування при створенні малогабаритних та мобільних випробувальних магнітометричних стендів для контролю нормованих магнітних параметрів технічних засобів, до яких ставляться вимоги по зниженню рівня ЗМП;

- визначити та виконати порівняльний аналіз метрологічних та технічних характеристик розроблених методів та засобів вимірювання дипольних магнітних моментів;

- розробити метод визначення величини та розташування в просторі максимуму напруженості магнітного поля за результатами вимірювання компонент дипольного магнітного моменту джерел ЗМП.

Об'єкт дослідження - параметри та просторова структура ЗМП, що створене джерелами різного фізичного походження.

Предмет дослідження - сукупність методів та засобів вимірювання дипольних магнітних моментів джерел ЗМП різного фізичного походження.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої в дисертаційній роботі мети застосовувались методи аналітичного зображення ЗМП та його фізичного моделювання, магнітометричні методи вимірювання напруженості ЗМП та методи статистичної обробки результатів вимірювань. Теоретичні дослідження, які пов'язані із застосуванням математичних моделей, базуються на використанні методу просторового сферичного гармонічного аналізу ЗМП, класичного методу уявлення ЗМП, методів розв'язку систем алгебраїчних рівнянь та методів матричної алгебри.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертації отримано наступні наукові результати:

- удосконалено та розвинуто наукові основи здійснення просторового гармонічного аналізу ЗМП технічних об'єктів;

- вирішена актуальна науково-прикладна задача здійснення просторової селекції дипольної складової з повного спектру гармонік ЗМП технічних об'єктів; магнітний поле дипольний напруженість

- дістав подальший розвиток модульний принцип побудови вимірювальних систем для просторового гармонічного аналізу ЗМП технічних об'єктів;

- вперше розроблено дванадцятиточковий метод вимірювання дипольних магнітних моментів джерел ЗМП та запропонована вимірювальна система, що реалізує цей метод, метрологічні характеристики яких перевищують відомі аналоги;

- удосконалено восмиточковий метод вимірювання дипольних магнітних моментів. Запропонована вимірювальна система, що реалізує цей метод;

- проаналізовано похибки, котрі обумовлені невиключеними гармоніками п'ятого та сьомого порядку;

- запропоновано метод визначення максимального значення напруженості магнітного поля за даними вимірювання компонент дипольного магнітного моменту джерел ЗМП.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- розроблені методи вимірювання дипольних магнітних моментів та реалізуючі їх вимірювальні системи за своїми метрологічними характеристиками (точність, чутливість і т.д.) перевищують існуючі, внаслідок чого підвищується достовірність результатів контролю рівня магнітних полів технічних об'єктів, до яких ставлять вимоги по зниженню рівня магнітного поля;

- отримані результати можуть бути використані при створені малогабаритних та мобільних магнітометричних випробувальних стендів для контролю параметрів магнітного поля технічних об'єктів, до яких ставлять вимоги по зниженню рівня їх магнітного поля;

Практичне значення отриманих результатів підтверджено чотирма актами впровадження науково-практичних результатів дисертаційної роботи: результати роботи використані на Державному підприємстві Міністерства оборони України «Конверс-Схід», в Лабораторії метрології ЦІТ ТЗ Харківської філії ВАТ «Укртелеком», в діагностичній лабораторії Харківського центру серцево-судинної хірургії Міністерства охорони здоров'я України, крім того, результати роботи використані в учбовому процесі Харківського національного університету радіоелектроніки на кафедрі метрології та вимірювальної техніки для спеціальності “Метрологія та вимірювальна техніка”.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є закінченим та виконаним самостійно науковим дослідженням. Вклад здобувача у спільні опубліковані наукові праці: [1] - визначив складові похибки вимірювання магнітних моментів; [2] - провів аналіз розподілу гармонік напруженості магнітного поля; [3] - визначив мультипольну похибку вимірювання дипольних та квадрупольних моментів; [5] - виконав аналіз метрологічних характеристик засобів просторового гармонічного аналізу магнітного поля технічних об'єктів; [7] - визначив оптимальні координати розташування індукційних первинних вимірювальних перетворювачів навколо джерела магнітного поля; [11] - отримав аналітичні вирази, що описують магнітне поле у різних зонах простору; [12] - визначив радіальну складову напруженості другої просторової гармоніки магнітного поля; [13] - виконав розрахунки мультипольної складової методичної похибки вимірювання осьового магнітного моменту; [15] - виконав складання бюджету невизначеностей; [16] - запропонував стаціонарну систему первинних вимірювальних перетворювачів; [17] - визначив напруженість магнітного поля в дальній зоні; [18] - запропонував метод визначення мультипольних магнітних моментів об'єкту за результатами вимірювання напруженості магнітного поля; [19] - визначив основні принципи створення нових засобів просторового гармонічного аналізу магнітного поля технічних об'єктів; [20] - виконав теоретичне обґрунтування створення вимірювальної системи для просторової фільтрації гармонік магнітного поля; [26] - запропонував вимірювальну систему для контролю параметрів магнітного поля технічних об'єктів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідалися та обговорювалися на 18 міжнародних науково-технічних конференціях, форумах, семінарах, нарадах: научно-техническая конференция “Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления” (Москва, 2000); науково-методична конференція “Інженерна освіта на межі століть” (Харків, 2000); III Міжнародна молодіжна науково-практична конференція “Людина і космос” (Дніпропетровськ, 2001); VIII Международная научная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” (Харьков, 2002); I Международный радиоэлектронный форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” (Харьков, 2002); 7 Международный молодёжный форум “Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке” (Харьков, 2003); Международная научная конференция “Теория и техника передачи, приёма и обработки информации” (Харьков - Туапсе, 2003); 8 Международный молодёжный форум «Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке» (Харьков, 2004); 9 Международный молодёжный форум «Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке» (Харьков, 2005); Международная конференция «Метрология и измерительная техника» (Харьков, 2005); Международная конференция «Молодёжь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций» (Севастополь, 2006); 10 Международный молодёжный форум «Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке» (Харьков, 2006); V Міжнародна науково-технічна конференція «Метрологія та вимірювальна техніка» (Харків, 2006); 11 Международный молодёжный форум «Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке» (Харьков, 2006); 12 Международный молодёжный форум «Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке» (Харьков, 2007); 2-а Міжнародна конференція «Сучасні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку» (Харків, 2007); 4 Международная молодёжная научно-практическая конференция «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций» (Севастополь, 2008).

Публікації. Наукові результати, висновки та рекомендації дисертації відображено в тридцяти двох наукових працях, у тому числі 14 у фахових виданнях ВАК України. Усі праці - за темою дисертаційної роботи. Крім того, основні положення та результати роботи доповідалися та обговорювалися на 18 міжнародних науково-технічних конференціях, форумах, семінарах, нарадах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків, списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації складає 167 сторінок. Робота містить 28 ілюстрацій на 18 сторінках, 8 таблиць на 3 сторінках, 2 додатки на 10 сторінках, список використаних джерел зі 100 найменувань на 10 сторінках. Обсяг основного тексту дисертації складає 143 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульована мета та задачі дослідження, вказано зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих наукових результатів дослідження, наведено відомості про їх апробацію, вказано кількість опублікованих наукових праць за темою дисертації.

В першому розділі проведено аналітичний огляд науково-технічних інформативних джерел в області магнітометрії з методів, засобів, систем вимірювання дипольних магнітних моментів джерел ЗМП та їх теоретичне обґрунтування. Проаналізовано також публікації з інтегральних і точкових індукційних методів, заснованих на теорії сферичного гармонічного аналізу. Крім того розглянуто методи вимірювання магнітних параметрів джерел ЗМП з метою визначення максимального рівня напруженості ЗМП об'єкту. В цілому виконаний огляд та його аналіз дозволяють зробити такі висновки:

- інтегральні магнітометричні методи складні в реалізації із-за значних габаритних розмірів вимірювальних обмоток певної конфігурації;

- найбільш перспективними є точкові магнітометричні методи та реалізуючи їх вимірювальні системи з індукційними датчиками. Перевагами таких систем є їх простота, мобільність, незначний габаритний розмір;

- вимірювальна система з чотирма датчиками не забезпечує потребуємої точності вимірювання дипольних магнітних моментів джерел ЗМП;

- для вирішення задач з магнітної сумісності та магнітної екології виникає практична необхідність у розробці методу визначення максимальної напруженості магнітного поля за даними вимірювання компонент дипольних моментів джерела ЗМП за трьома ортогональними напрямками;

- відомі методи та засоби вимірювання не забезпечують необхідної точності вимірювання дипольних магнітних моментів поблизу джерел ЗМП.

З урахуванням викладеного вирішення поставлених у роботі задач дослідження направлено на створення ефективних магнітометричних методів та систем вимірювання дипольних моментів джерел ЗМП.

Другий розділ присвячено аналітичному зображенню ЗМП джерел в області зовнішнього простору, де немає струмів провідності та , напруженість магнітного поля джерела , а скалярний магнітний потенціал U є вирішення рівняння Лапласа з відповідними граничними умовами, які завдані на замкнутій зовнішній поверхні, яка охоплює джерело ЗМП.

Класичний метод уявлення, що базується на теорії магнітного диполя, описує напруженість магнітного поля джерела через параметри його ексцентричного еквівалентного магнітного диполя, довільно орієнтованого у просторі, компоненти результуючого дипольного магнітного моменту джерела поля, координати ексцентричності магнітного диполя відносно початку прийнятої системи координат. Для джерела магнітного поля типу “чорний ящик” ці параметри є невідомими величинами та з цієї причини визначити класичним методом повне значення напруженості магнітного поля такого джерела у заданих точках зовнішнього простору вельми проблематично. В цьому випадку ЗМП можливо описати з достатньою точністю дипольною моделлю через магнітні параметри компонент еквівалентного дипольного магнітного моменту джерела поля, які визначаються для джерела типу “чорний ящик” експериментальним шляхом.

Зображення ЗМП методом сферичного гармонічного аналізу аналітично описує просторову структуру магнітного поля джерела гармонічним рядом у вигляді суми мультиполів просторових гармонік n-го порядку. Зональна та секторіальні гармоніки першого порядку дипольної складової ЗМП пропорційні компонентам дипольного магнітного моменту джерела поля. Тому ці гармоніки (n=1) наводять у датчиках вимірювальної системи корисні сигнали. Просторові гармоніки вищого порядку (), які входять у структуру ЗМП, є завадонесучими по відношенню до гармоніки n=1 та наводять у вимірювальних ланцюгах мультипольну заваду, яка може перевищувати корисний сигнал.

Отримано на основі методу сферичного гармонічного аналізу ваговий внесок мультиполів завадонесучих просторових гармонік у структурі ЗМП для зміщеного на координату магнітного диполя джерела ЗМП:

(1)

де - коефіцієнт зміщення дипольного моменту;

- габаритний розмір джерела магнітного поля.

Аналіз виразу (1) показує, що поблизу джерела ЗМП на відстані одного-трьох його габаритних розмірів при значенні вага першої гармоніки у структурі ЗМП дорівнює (30-70) %, загальна вага другої та третьої гармонік складає (29-49) %, а вага четвертої гармоніки (1-10) %. Очевидно, що для досягнення високої точності вимірювання дипольних магнітних моментів поблизу джерел ЗМП необхідно виключити вплив завадонесучих мультиполів по меншій мірі квадрупольної (n=2), октупольної (n=3) та седесимупольної (n=4) складових ЗМП на результати вимірювання.

В третьому розділі викладено теоретичне обґрунтування восьмиточкового магнітометричного методу та двомодульної системи вимірювання дипольних магнітних моментів джерел магнітного поля за трьома координатними напрямками, а також методи оцінки похибки результатів вимірювання.

Розроблена двомодульна система містить вісім трикомпонентних датчиків, розділених на два модуля по чотири датчика в кожному, які розташовані навколо джерела магнітного поля в екваторіальній площині на двох колах заданих радіусів та в точках зі значенням кутових координат

, , (2)

де - номера датчиків першого та другого вимірювальних модулів.

Симетричне розташування датчиків першого та другого модулів навколо випробовуємого джерела магнітного поля та узгоджене з'єднання їх ортогональних котушок за корисним сигналом забезпечує відмежування зональної та секторіальних гармонік дипольної складової магнітного поля, пропорційних вимірюємим компонентам дипольного момента джерела поля, від завадонесучих гармонік ЗМП парного порядку. Тому структура результуючого сигналу, наведеного радіальною, дотичною та осьовою компонентами напруженості магнітного поля джерела у вимірювальних ланцюгах котушок двомодульної системи датчиків, складається з корисного сигналу гармоніки n=1 та мультипольних завад непарних гармонік:

(3)

де - постійна котушок вимірювальних датчиків;

- магнітний момент m-го мультиполя просторової n - ої гармоніки ЗМП.

Мультипольна завада третьої гармоніки у (3) є найбільш вагомою, тому що напруженість магнітного поля цієї завади більша у порівнянні із завадами гармонік ЗМП вищого порядку по меншій мірі у разів. Для виключення завади гармоніки n=3 вирішено систему з двох рівнянь (3), внаслідок чого отримано вираз для визначення результуючого сигналу, що вимірюється:

(4)

Практична реалізація виразу (4) здійснюється двомодульною вимірювальною системою, структурна схема якої зображена на рис. 1, де прийняті наступні позначення: МД1, МД2 - модулі датчиків; КУ - комутуючий пристрій; ПК - перемикач вимірювальних каналів; П1, П2 - підсилювачі; С1, С2 - суматори; КЗЗ - компенсатор зовнішньої завади; ВП - вимірювальний прилад.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Структурна схема двомодульної вимірювальної системи

Після компенсації завади третьої гармоніки структура результуючого сигналу (4) описується для вимірювальних каналів X,Y,Z двомодульної системи гармонічними рядами у вигляді суми корисного сигналу першої гармоніки та мультипольних завад непарних гармонік, починаючи із завади гармоніки n=5:

, (5)

, (6)

, (7)

де - відстань, яка прийнята за базову;

- магнітні моменти елементарних мультиполів m-го порядку n-ої просторової гармоніки ЗМП джерела за напрямками X,Y,Z.

Аналіз виразів (5-7) показує, що сигнали , які вимірюються, можливо аналітично описати корисним сигналом першої гармоніки з точністю до мультипольної завади п'ятої гармоніки. В цьому випадку маємо

(8)

З урахуванням виразів (8) значення дипольних магнітних моментів джерела магнітного поля за даними вимірювань (5-7) будуть дорівнювати

(9)

Похибка вимірювання моментів та обумовлена, згідно виразів (5-7), мультипольними завадами непарних гармонік (n=5,7,9,...). В цьому випадку мультипольна складова методичної похибки описуються виразами:

,(10)

, (11)

,(12)

де - коефіцієнти, які дорівнюють магнітним моментам елементарних мультиполів m - го порядку просторової n - ої гармоніки;

- поліноми Лежандра.

Отримано класичним методом на підставі теорії магнітного диполя для випадку, коли порядок просторової гармоніки , математичні вирази результуючої мультипольної похибки, що дає змогу визначити її складові (10-12).

При вимірюванні дипольних магнітних моментів , на відстані 1,5-2 габаритних розмірів джерела ЗМП та значенні результуюча мультипольна похибка , а її основні мультипольні складові п'ятої та сьомої гармонік відповідно дорівнюють та . Аналіз свідчить, що в цьому випадку мультипольну похибку можливо визначити за завадами п'ятої та сьомої гармонік, оскільки

, ,

що істотно спрощує оцінку ефективності двомодульної вимірювальної системи.

Проведено аналіз похибки із-за неточності встановлювання датчиків. Лінійно-кутова похибка описується виразом

, (13)

де - помилки за координатами із-за неточності встановлення датчиків в точках із заданими координатами.

При вимірюванні дипольних магнітних моментів джерела ЗМП на відстані та значенні значення лінійно-кутової похибки , що менш мультипольної складової методичної похибки на порядок.

Викладено метод оцінки похибки від впливу зовнішньої електромагнітної завади на вимірювальні ланцюги котушок каналів X,Y,Z двомодульної системи датчиків. Похибка, яка створюється завадонесучим магнітним полем зовнішнього джерела з дипольним моментом , описується виразом

(14)

де

- коефіцієнт, який дорівнює 3 при та 2 при ;

- коефіцієнти, які залежать від співвідношень та ;

- відстань від джерела зовнішньої завади до геометричного центру кіл, на яких розташовані модулі датчиків;

- коефіцієнт ефективності компенсатора зовнішньої завади.

Аналіз виразу (14) свідчить, що при вимірюванні дипольних магнітних моментів джерела ЗМП на відстані R=2L та значенні , значення похибки від зовнішньої завади , що менше мультипольної складової методичної похибки на два - три порядки.

Результати експериментальних досліджень підтвердили достовірність аналітичних методів оцінки методичної похибки та високу ефективність розробленої двомодульної системи вимірювання дипольних моментів джерел ЗМП. Доведено, що точність вимірювання дипольних магнітних моментів підвищується у порівнянні з базовою вимірювальною системою у 12-27 разів при одночасному підвищенні чутливості вимірювальних каналів двомодульної системи до корисного сигналу зональної та секторіальних гармонік дипольної складової магнітного поля у два рази.

В четвертому розділі викладено теоретичне обґрунтування дванадцятиточкового методу та тримодульної системи вимірювання дипольних моментів джерел ЗМП, а також методи оцінки похибки результатів вимірювання.

Розроблена тримодульна система вимірювання магнітних моментів джерел поля містить дванадцять трикомпонентних датчиків, розділених на три модулі по чотири датчики в кожному та розташованих навколо вимірюємого джерела ЗМП у екваторіальній площині на трьох колах заданих радіусів . Вісім датчиків перших двох модулів встановлені в точках зі значенням кутових координат (2), а чотири датчики третього модуля в точках , де р=9...12.

Радіальна, дотична та осьова компоненти напруженості магнітного поля джерела наводять у вимірювальних ланцюгах котушок тримодульної системи датчиків електричні сигнали, які описуються наступними виразами:

(15)

За рахунок застосування схемотехнічних рішень по оптимальному розміщенню трьох модулів датчиків та певної комутації їх котушок виключається вплив, як виходить з (15), завадонесучих парних просторових гармонік ЗМП на результати вимірювання. Через це непарні мультипольні завади третьої та п'ятої гармонік в структурі сигналу (15) створюють основну заваду, яка приводить до появи мультипольної складової методичної похибки.

Вирішуючи систему з трьох рівнянь (15), отримаємо вираз для визначення результуючого сигналу, що вимірюється, в структурі якого мультипольні завади третьої та п'ятої гармонік дорівнюють нулю:

(16)

Практична реалізація виразу (16) здійснюється тримодульною вимірювальною системою, структурна схема якої зображена на рис. 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Структурна схема тримодульної вимірювальної системи

Структура результуючого сигналу (16) складається з корисного сигналу першої гармоніки та суми мультипольних завад непарних гармонік, починаючи із завади гармоніки n=7:

, (17)

, (18)

, (19)

де - коефіцієнт n-ої гармоніки.

Сигнали (17-19), що вимірюються тримодульною системою, можливо аналітично описати з точністю до мультипольної похибки сьомої гармоніки корисним сигналом першої гармоніки (8). В цьому випадку значення вимірюваних дипольних магнітних моментів джерел магнітного поля визначаються виразом (9).

Мультипольна похибка вимірювання дипольних магнітних моментів джерел ЗМП створюється згідно (17-19) мультипольними завадами непарних гармонік вищого порядку () та описується виразами:

(20)

(21)

. (22)

Далі отримано результуючу мультипольну похибку для загального випадку, коли порядок просторових гармонік в структурі магнітного поля джерела , що дає можливість визначити її основні складові (20-22) для оцінки ефективності тримодульної вимірювальної системи.

При вимірюванні дипольних моментів джерела ЗМП на відстані одного його габаритного розміру та значенні , результуюча мультипольна похибка а її основні складові сьомої та дев'ятої гармонік відповідно дорівнюють та Аналіз показує, що мультипольну похибку достатньо оцінювати за мультипольними завадами сьомої та дев'ятої гармонік, тому що

,

Виконано аналіз лінійно-кутової похибки тримодульної вимірювальної системи із-за неточності встановлювання датчиків в точках із заданими координатами ,, значення якої описується виразом

(23)

При вимірюванні дипольних магнітних моментів на відстані R=L та значенні значення лінійно-кутової похибки , що менше мультипольної похибки в 40 разів.

Також визначені на основі класичного методу похибки від впливу зовнішньої електромагнітної завади на вимірювальні ланцюги котушок каналів X,Y,Z вимірювальної системи. Доведено, якщо джерело зовнішньої завади знаходиться на відстані від центру прийнятої системи координат, то в цьому випадку похибка від зовнішньої завади та що менше мультипольної похибки у 4-40 разів, а при відповідно в 30-800 разів.

Запропоновано метод визначення максимальної напруженості магнітного поля у зовнішньому просторі за даними вимірювання компонент дипольних магнітних моментів джерел ЗМП за трьома ортогональними напрямками. Метод дозволяє визначити значення кутових координат, при яких рівень напруженості дипольної складової поля досягає максимуму.

Результати експериментальних досліджень підтвердили високу ефективність розробленої тримодульної системи. Доведено, що точність вимірювання дипольних магнітних моментів джерел ЗМП на відстані одного їх габаритного розміру підвищується у порівнянні з двомодульною вимірювальною системою в 15 разів, а у порівнянні з базовою одномодульною системою в 58-106 разів.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі отримала подальший розвиток мультипольна теорія зображення ЗМП джерел різного фізичного походження та розвинуто наукові основи просторового гармонічного аналізу магнітних полів технічних засобів, що сприяє удосконаленню метрологічного забезпечення єдності магнітних вимірювань та вирішенню ряда практичних задач з електромагнітної сумісності. При цьому отримані наступні науково-практичні результати:

1. Для вирішення питань магнітної сумісності технічних засобів та задоволення практичних потреб у точних вимірюваннях параметрів магнітного поля на підставі мультипольної теорії уявлення магнітного поля джерел розроблено нові, більш ефективні магнітометричні методи та реалізуючи їх вимірювальні системи для контролю дипольних магнітних моментів технічних об'єктів, метрологічні характеристики яких перевершують існуючі аналоги.

2. Вирішена актуальна науково-прикладна задача здійснення просторової селекції дипольної складової з повного спектру гармонік зовнішнього магнітного поля - розроблені методи та реалізуючи їх вимірювальні системи забезпечують вимірювання дипольних магнітних моментів джерел поля та виключення впливу мультипольних завад парного порядку та найбільш вагомих мультипольних завад непарних гармонік - п'ятої та сьомої на результати вимірювання.

3. Застосування модульного принципу побудови систем вимірювання дипольних магнітних моментів джерел магнітного поля, в основу якого покладено гармонічний метод почергової компенсації мультипольних завад у порядку збільшення номеру їх просторових гармонік, забезпечило підвищення точності вимірювання дипольних магнітних моментів до 0,01 %.

4. Точність вимірювання дипольних магнітних моментів джерел магнітного поля розробленими вимірювальними системами підвищується на один-два порядки у порівнянні з базовою вимірювальною системою при одночасному підвищенні у 2 рази чутливості розроблених вимірювальних систем до корисного сигналу, зменьшенні корисної площи робочої зони випробувального магнітометричного стенду у 2,5 та 25 разів відповідно.

5. Отримано аналітичні вирази, що описують корисні сигнали, які вимірюються, результуючу мультипольну похибку та її складові, що може бути використано для визначення метрологічних характеристик модульних вимірювальних систем та оцінки їх ефективності.

6. Теоретично обґрунтовано, що результуючу мультипольну заваду можливо аналітично описати з достатньою точністю двома найбільш вагомими мультипольними завадами непарних гармонік - п'ятою та сьомою, що суттєво спрощує оцінку точності вимірювання дипольних магнітних моментів джерел магнітного поля.

7. Запропоновано метод визначення значення максимальної напруженості магнітного поля за даними вимірювання компонент дипольних магнітних моментів джерел поля. Метод дозволяє визначити значення кутових координат, за яких рівень напруженості дипольної складової магнітного поля досягає максимальної величини, що сприяє вирішенню ряду практичних задач з електромагнітної сумісності технічних засобів та магнітної екології.

8. Отримані результати можуть бути використані при створенні малогабаритних та мобільних магнітометричних випробувальних стендів, призначених для контролю нормованих параметрів магнітного поля технічних засобів до яких ставлять вимоги по зниженню рівня їх магнітного поля.

9. Практичне значення отриманих результатів підтверджено чотирма актами впровадження науково-практичних результатів дисертаційної роботи. Результати дисертаційної роботи використані на Державному підприємстві Міністерства оборони України «Конверс-Схід», у Лабораторії метрології ЦІТ ТЗ Харківської філії ВАТ «Укртелеком», у діагностичній лабораторії Харківського центру серцево-судинної хірургії Міністерства охорони здоров'я України, крім того, результати роботи використані в учбовому процесі Харківського національного університету радіоелектроніки на кафедрі метрології та вимірювальної техніки для спеціальності “Метрологія та вимірювальна техніка”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дегтярёв, А. В. Исследование составляющих погрешности измерения дипольных магнитных моментов технических объектов четрырёхточечным методом [Текст] / А. В. Дегтярёв, В. В. Дегтярёв, О. В. Запорожец, В. А. Калиниченко // Итоги работы ХНУРЭ за 1998/1999 учебный год. Х., 2000. С. 113.

2. Дегтярёв, А. В. Анализ распределения гармоник магнитного поля электротехнических устройств [Текст] / А. В. Дегтярёв, В. В. Дегтярёв, Н. И. Слипченко // Вісник Національного технічного університету «ХПІ». 2001. № 16. С. 69.

3. Дегтярёв, А. В. Метод мультипольного анализа для определения магнитных моментов планет [Текст] / А. В. Дегтярёв, В. В. Дегтярёв // Космічна наука і технологія. 2002. Т. 8, № 1. С. 85.

4. Дегтярёв, А. В. Метод измерения осевого магнитного диполя источника поля [Текст] / А. В. Дегтярёв // Радиоэлектроника и информатика. Х., 2003. № 1. С. 7-9.

5. Дегтярьов, В. В. Основні метрологічні характеристики засобів просторового гармонічного аналізу [Текст] / В. В. Дегтярьов, О. В. Дегтярьов // Український метрологічний журнал. 2003. № 1. С. 38-41.

6. Дегтярёв, А. В. Сравнительный анализ методов измерения осевого дипольного магнитного момента [Текст] / А. В. Дегтярёв // Радиотехника: всеукр. межвед. науч.-техн. сб. Х., 2003. Вып. 131. С. 160-164.

7. Дегтярёв, В. В. Метод измерения магнитного момента зональной гармоники мультиполя первого порядка [Текст] / В. В. Дегтярёв, А. В. Дегтярёв // Радиотехника: всеукр. межвед. науч.-техн. сб. 2004. Вып. 136. С. 67-72.

8. Дегтярьов, О. В. Метод вимірювання осьового магнітного моменту третьої просторової гармоніки [Текст] / О. В. Дегтярьов // Український метрологічний журнал. 2004. № 1. С. 24-27.

9. Дегтярёв, А. В. Влияние электромагнитной помехи на точность измерения дипольного момента источника поля системой осевых датчиков [Текст] / А. В. Дегтярёв // Радиотехника: всеукр. межвед. науч.-техн. сб. 2004. Вып. 136. С. 150-153.

10. Дегтярёв, А. В. Модульная система измерения осевого дипольного момента источников магнитного поля [Текст] / А. В. Дегтярёв // Радиоэлектроника и информатика. 2005. № 2(31). С. 4-6.

11. Дегтярьов, В. В. Аналіз і синтез про просторових гармонік магнітного поля електрообладнання [Текст] / В. В. Дегтярьов, О. В. Дегтярьов // Вестник Национального технического университета «ХПИ». 2005. № 48. С. 34-39.

12. Дегтярьов, В. В. Аналіз магнітного поля електрообладнання на границі ближньої зони навколишнього простору [Текст] / В. В. Дегтярьов, О. В. Дегтярьов, С. В. Рудь // Український метрологічний журнал. 2006. № 3. С. 16-20.

13. Дегтярьов, О. В. Математичні моделі мультипольної похибки двомодульною системи вимірювання зональної гармоніки першого порядку у структурі магнітного поля електрообладнання [Текст] / О. В. Дегтярьов, І. В. Руженцев, В. В. Дегтярьов // Український метрологічний журнал. 2006. № 1. С. 3-5.

14. Дегтярёв, А. В. Двенадцатиточеный метод и трёхмодульная измерительная система для пространственного гармонического анализа магнитного поля [Текст] / А. В. Дегтярёв // Электротехника и электромеханика. 2006. № 6. С. 57-59.

15. Дегтярёв, А. В. Методология оценивания неопределенности точечных методов пространственного гармонического анализа внешних магнитных полей технических средств [Текст] / А. В. Дегтярёв, В. В. Семенец, С. Н. Сакало, И. В. Руженцев // Системи обробки інформації. 2008. С. 77 - 80.

16. Дегтярёв, А. В. Система индукционных датчиков для контроля параметров магнитных полей технических объектов [Текст] / А. В. Дегтярёв, В. В. Дегтярёв // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: материалы XII науч.-техн. конф. М., 2000. С. 78.

17. Дегтярёв, А. В. Повышение точности измерения параметров электромагнитного поля в зонах внешнего пространства [Текст] / А. В. Дегтярёв, В. В. Дегтярёв, В. А. Калиниченко // Інженерна освіта на межі століть: традиції, проблеми, перспективи: пр. міжнар. наук.-метод. конф. Х., 2000. С. 161.

18. Дегтярьов, О. В. Метод мультипольного аналізу для визначення магнітних моментів планет [Текст] / О. В. Дегтярьов, В. В. Дегтярьов // Людина і космос: III Міжнар. молодіжна наук.-практ. конф., 18-20 квіт. 2001 р. Дніпропетровськ: НЦАОМУ, 2001. С. 285.

19. Дегтярьов, О. В. Просторові аналізатори зовнішніх магнітних полів технічних засобів [Текст] / О. В. Дегтярьов, В. В. Дегтярьов, В. А. Калініченко // Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития: сб. науч. тр. по материалам 1-го Междунар. радиоэлектронного форума (МРФ-2002), 8-10 окт. 2002 г. Х., 2002. С. 543-544.

20. Дегтярёв, А. В. Математическая модель системы измерения радиального дипольного магнитного момента источника ВМП [Текст] / А. В. Дегтярёв, В. В. Дегтярёв // Теория и техника передачи, приёма и обработки информации («Интегрированные информационные системы, сети и технологии», ИИСТ-2002): сб. науч. тр. 8-й Междунар. конф., 17-19 сент. 2002 г. Х., 2002. С. 338.

21. Дегтярёв, А. В. Информационно - измерительная система дипольных моментов источников магнитного поля [Текст] / А. В. Дегтярёв // Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке: материалы 7-го Междунар. молодёжного форума, 23-24 апр. 2003 г. Х., 2003. С. 103.

22. Дегтярёв, А. В. Система измерения нормируемых дипольных моментов источников магнитного поля [Текст] / А. В. Дегтярёв // Теория и техника передачи, приёма и обработки информации: сб. тез. докл. Междунар. науч. конф., 7-10 окт. 2003 г. Х., 2003. С. 87.

23. Дегтярёв, А. В. Нахождение экстремума дипольной составляющей магнитного поля источника переменного тока [Текст] / А. В. Дегтярёв // Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке: материалы 8-го Междунар. молодёжного форума, 13-15 апр. 2004 г. Х., 2004. С. 18.

24. Дегтярёв, А. В. Двухмодульная система измерения зональной гармоники первого порядка магнитного поля технического объекта [Текст] / А. В. Дегтярёв // Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития (МРФ'2005): сб. науч. тр. 2-го Междунар. радиоэлектронного форума, 19-23 сент. 2005 г. Х., 2005. Т. 7: Метрология и измерительная техника (МКМИТ'2005). С. 156-159.

25. Дегтярёв, А. В. Модульный принцип построения систем измерения мультиполей первого порядка источников внешнего магнитного поля [Текст] / А. В. Дегтярёв // Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке: материалы 9-го Междунар. молодежного форума, 9-21 апр. 2005г. Х., 2005. С. 46.

26. Дегтярьов, В. В. Принципи та методологія вимірювань параметрів просторових гармонік магнітного поля [Текст] / В. В. Дегтярьов, О. В. Дегтярьов, С. В. Рудь // Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія-2006): наук. праці V Міжнар. наук.-техн. конф. Х., 2006. Т.1. С. 215-217.

27. Дегтярьов, О. В. Визначення методичної похибки дванадцятиточкового методу вимірювання дипольного магнітного моменту [Текст] / О. В. Дегтярьов // Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія 2006): наук. праці V Міжнар. наук.-техн. конф. Х., 2006. Т. 1. С. 218-220.

28. Дегтярёв, А. В. Методы исключения влияния внешних магнитных по помех на результаты измерения магнитного момента источника поля [Текст] / А. В. Дегтярев // Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке: материалы 10-го юбил. междунар. молодежного форума, 10 - 12 апр. 2006 г. Х., 2006. С. 58.

29. Дегтярёв, А. В. Двенадцатиточечный метод измерения магнитного момента электрооборудования [Текст] / А. В. Дегтярёв // Молодёжь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций (РТ-2006): материалы 2 Междунар. молодёжной науч.-практ. конф. Севастополь, 2006. С. 211.

30. Дегтярёв, А. В. Современное состояние и проблемы метрологического обеспечения в области магнитных измерений [Текст] / А. В. Дегтярёв // Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке: материалы 11-го Междунар. молодёжного форума, 10-12 апр. 2007 г. Х.: ХНУРЭ, 2007. С. 331.

31. Дегтярёв, А. В. Метрологическое обеспечение измерений в области пространственного гармонического анализа магнитных полей технических объектов [Текст] / А. В. Дегтярёв // Сучасні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку: зб. матеріалів Другої міжнар. конф. Х.: ХНУРЕ, 2007. С. 379.

32. Дегтярёв, А. В. Метод определения величины и расположения в пространстве максимума напряженности внешнего магнитного поля [Текст] / А. В. Дегтярёв // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций (РТ-2008): материалы 4 Междунар. молодёжной науч.-практ. конф. Севастополь, 2008. С. 296.

АНОТАЦІЯ

Дегтярьов О.В. Розробка магнітометричних методів та модульних систем вимірювання дипольних магнітних моментів джерел зовнішнього магнітного поля. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.01.02 - стандартизація, сертифікація та метрологічне забезпечення. - Севастопольський національний університет ядерної енергії та промисловості, Севастополь, 2008.

Дисертація присвячена питанням розробки ефективних магнітометричних методів і вимірювальних систем для контролю дипольних магнітних моментів джерел зовнішнього магнітного поля (ЗМП), що сприяє вирішенню проблем електромагнітної сумісності та магнітної екології. Теоретично обґрунтовано аналітичне зображення ЗМП та визначено ваговий вклад мультипольних складових магнітного поля у просторовій структурі ЗМП. Забезпечено виключення впливу мультипольних завад найбільш вагомих просторових гармонік магнітного поля на результати вимірювання. Запропоновано модульний принцип побудови магнітометричних вимірювальних систем в основу якого покладено гармонічний метод компенсації мультипольних завад. Розроблені високоточні двомодульна та тримодульна системи вимірювання дипольних моментів джерел ЗМП, які підвищують точність вимірювання на один-два порядки. Отримано аналітичні вирази для вимірюваних сигналів, результуючої мультипольної похибки та її складових, а також похибки від електромагнітної завади. Запропоновано метод визначення максимального рівня ЗМП за даними вимірювання компонент дипольних моментів джерел ЗМП. Основні результати досліджень використані при виконанні держбюджетних науково-дослідних робіт, вимірюванні магнітних моментів джерел поля та в навчальному процесі.

Ключові слова: зовнішнє магнітне поле, дипольний магнітний момент, мультиполь, просторова гармоніка, методи вимірювання, модульна вимірювальна система, математична модель, завада, похибка.

АННОТАЦИЯ

Дегтярёв А.В. Разработка магнитометрических методов и модульных систем измерения дипольных магнитных моментов источников внешнего магнитного поля. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - стандартизация, сертификация и метрологическое обеспечение. Севастопольский национальный университет ядерной энергии и промышленности, Севастополь, 2008.

Диссертация посвящена вопросам разработки эффективных магнитометрических методов и измерительных систем контроля компонент дипольных магнитных моментов источников внешнего магнитного поля (ВМП), предназначенных для решения проблем электромагнитной совместимости и магнитной экологии. Теоретически обоснованы способы аналитического представления ВМП и определен весовой вклад мультипольных составляющих магнитного поля в пространственной структуре ВМП. Результаты измерения компонент дипольных магнитных моментов источника поля позволяют определить напряженность ВМП в заданных зонах промышленных, энергетических и экологических объектов. Предложены схемотехнические решения по оптимальному расположению модулей датчиков и коммутации измерительных катушек магнитометрических устройств, что обеспечивает отстройку от мультипольных помех ВМП четного порядка. Разработаны методы по исключению влияния мультипольных помех наиболее весомых нечетных гармоник на результаты измерения дипольных моментов источников ВМП, в результате чего существенно повышается точность измерения. Получил развитие модульный принцип построения магнитометрических систем измерения дипольных магнитных моментов источников ВМП по трем ортогональным направлениям, в основу которого положен гармонический метод компенсации мультипольных помех с точностью до заданной помехонесущей гармоники магнитного поля. Применение модульных систем датчиков расширяет функциональные возможности измерительной системы в части получения требуемой точности результатов измерения за счет поочередного исключения нечетных мультипольных помех в порядке увеличения номера их гармоники. Разработаны на основе восьмиточеченого и двенадцатиточечного магнитометрических методов измерения трехканальные двухмодульная и трехмодульная измерительные системы, обеспечивающие исключение влияния мультипольных помех четных гармоник и наиболее весомых мультипольных помех нечетных гармоник на результаты измерения. Получены аналитические выражения измеряемых результирующих сигналов, наведенных в измерительных цепях каналов измерительной системы внешним магнитным полем источника и электромагнитной помехой внешних помехонесущих промышленных источников. Описана структура измеряемых результирующих сигналов гармоническими рядами в виде суммы полезных сигналов, которые пропорциональны зональной и секторальным гармоникам дипольной составляющей магнитного поля, и помех, создаваемых мультиполями помехонесущих пространственных гармоник ВМП источника и магнитным полем внешних помехонесущих промышленных источников. Получены аналитические выражения для результирующей мультипольной погрешности и ее составляющих. Доказано, что результирующую мультипольную составляющую методической погрешности можно аналитически описать с достаточной для практики точностью наиболее весомыми мультипольными помехами пятой и седьмой гармониками, если измерения проводятся двухмодульной системой вблизи источника магнитного поля на расстоянии полутора-двух его габаритных размеров, а также мультипольными помехами седьмой и девятой гармониками при выполнении измерений трехмодульной системой на расстоянии одного - двух габаритных размеров источника поля, что существенно упрощает оценку эффективности модульных измерительных систем при выборе базового контрольного расстояния, на котором необходимо производить измерения с достаточной для практики точностью. Предложены методы оценки погрешности измерения дипольных магнитных моментов двухмодульной и трехмодульной системами при воздействии электромагнитных помех внешних помехонесущих источников на измерительные цепи катушек модульных систем, расположенных вокруг испытуемого источника в экваториальной плоскости, и линейно-угловой погрешности из-за неточности установки датчиков измерительной системы в точках с заданными координатами. Предложен метод определения максимальной величины напряженности магнитного поля во внешнем пространстве по данным измерения компонент дипольных магнитных моментов источников ВМП по трем координатным направлениям. Метод позволяет определить значения угловых координат, при которых напряженность дипольной составляющей магнитного поля достигает максимума, что повышает достоверность прогнозирования максимального уровня напряженности ВМП при решении ряда практических задач по электромагнитной совместимости источников ВМП и различных магниточувствительных устройств в заданных зонах промышленных и энергетических объектов. Точность измерения дипольных магнитных моментов источников ВМП вблизи их поверхности разработанными двухмодульной и трехмодульной системами повышается на один - два порядка при одновременном увеличении чувствительности измерительных каналов модульных систем к полезному сигналу в два раза. Основные результаты исследований использованы при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ, измерении дипольных магнитных моментов источников магнитного поля и в учебном процессе.

Ключевые слова: внешнее магнитное поле, дипольный магнитный момент, мультиполь, пространственная гармоника, методы измерения, модульная измерительная система, математическая модель, помеха, погрешность.

SUMMARY

Degtyariov A.V. The elaboration of the magnitometric methods and the modular systems of measurement of dipole magnetic moments of sources of an exterior magnetic field. - Manuscript.

Dissertation for candidate degree of technical sciences on specialty 05.01.02 - standardization, certification and metrological ensuring. - Sevastopol national university of a nuclear energy and the industry, Sevastopol, 2008.

...