Устройство для измерения напряженности электрического и магнитного поля промышленной частоты
Устройство обеспечивает возможность измерения практически одновременно напряженности как электрического, так и магнитного поля в одной точке пространства. В измерительный модуль дополнительно введен коммутатор аналоговых сигналов. связанный с одной стороны с тремя емкостными изотропными датчиками электрического поля, расположенными на поверхности шарообразного корпуса по осям X, Y, Z, а с другой стороны с предварительным усилителем-мультиплексором, снабженным регулятором коэффициента усиления.
Принцип работы блок-схемы прибора "EFA-3" (рис.3):
Основой данного прибора являются изотропные датчики электрического (1) и магнитного поля (2) (Изотропный означает ненаправленный).
Задача датчика поля - преобразование напряженности поля в электрический сигнал соответствующей величины.
На выходе изотропного датчика (1) и (2) присутствуют 3 сигнала, которые соответствуют напряженности поля по трем осям координат.
Электрические сигналы с датчиков (1) и (2) поступают на усилитель-мультиплексор (блоки (2) и (11) соответственно). Данные блоки идентичны, и имеют 3 входных канала и 3 выходных канала (идентичных).
Основные задачи усилителя-мультиплексора состоят в следующем:
- Усиление сигнала с датчиков до величины, удобной для дальнейшей обработки,
- Получение модуля сигнала, то есть инвертирование отрицательной полуволны сигнала (рис.4).
- Выпрямление сигнала, то есть получение его среднего значения.
Рис.3. Блок-схема измерительного прибора (на примере анализатора EFA-3 производства компании "Wandel & Goltermann GmbH") для контроля уровней ЭМП в диапазоне частот до 30 кГц
Рис.4. Процесс преобразования электрического сигнала в усилителе-мультиплексоре (блок 2 и 11)
Далее выпрямленный сигнал с блоков (2) и (11) поступает в трехканальный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) - блоки (3) и (12), где и преобразуется в цифровую форму.
Из модуля АЦП три сигнала в цифровом виде поступают на обработку в цифровой сигнальный процессор (блоки (4) и (13)).
Задачей цифрового сигнального процессора является выполнение следующей математической операции:
где U - результирующее значение электрического сигнала, [В];
UX;Uy;UZ - электрические сигналы, соответствующие ортогональным составляющим напряженности электрического или магнитного поля (ортогональные означает - по осям координат X, Y, Z), [В].
Далее результирующий сигнал с цифрового сигнального процессора (блоки 4 и 13) поступает на микроконтроллер (блоки 5 и 14)
Каждый из микроконтроллеров имеет часы реального времени (6) и (15), память данных (7) и (16), интерфейс RS232 (9) и (19) Вывод результатов измерения на индикатор осуществляется микроконтроллером (14).
Таким образом, прибор «EFA-3» (рис.5) состоит из двух модулей, причем измерение электрического поля производится измерительным зондом (он показан на рисунке на штативе), а измерение магнитного поля производится блоком интерфейса. Такая система не всегда удобна, так как она стационарна, и отсутствует возможность одновременного измерения напряженности поля в одной точке пространства.
Предложение относится к приборам для определения напряженности электрического и магнитного полей промышленной частоты и может быть использовано, например, для изучения влияния этих полей, создаваемых бытовыми и промышленными агрегатами, на организм человека.
Известно «Устройство для измерения напряженности электрического поля» (Свидетельство РФ на полезную модель №29149, кл. G 01 R 29/08, 2002 г.) [1]. Известное устройство содержит сферический датчик с тремя парами электропроводящих чувствительных элементов, попарно подключенных к входам дифференциальных преобразователей, и измерительный прибор. Устройство дополнительно содержит блок выделения наибольшей из трех составляющей вектора напряженности по координатным осям датчика и пр.
Известное устройство предназначено для измерения напряженности только электрического поля.
Наиболее близким аналогом к предложенному является устройство «EFA-3» (Григорьев Ю.Г. и др. «Электромагнитная безопасность человека», М., Российский национальный комитет по защите от неионизирующего излучения, 1999 г, с. 145) [2].
Известное устройство содержит два раздельных модуля, один из которых -измерительный, содержащий датчик для измерения электрического поля, а другой - блок интерфейса с датчиком магнитного поля. Связь между модулями осуществляется по оптоволокну.
Каждый из этих модулей содержит изотропный датчик, способный выдать три сигнала, соответствующих напряженности поля по трем осям координат. Сигналы с этих датчиков поступают на блок усилителя - мультиплексора в каждом модуле, где происходит усиление сигнала до величины, удобной для дальнейшей работы, инвертирование отрицательной полуволны сигнала и выпрямление сигнала. Далее выпрямленный сигнал с того и другого блока поступает в трехканальный аналогово-цифровой преобразователь, где преобразуется в цифровую форму. Затем три сигнала в цифровом виде поступают на обработку в цифровой сигнальный процессор, из которого результирующий сигнал поступает на микроконтроллер для выдачи результата измерения на индикатор.
Основным недостатком этого устройства является то, что в нем отсутствует возможность одновременного измерения напряженности электрического и магнитного поля в одной точке пространства. Кроме того, этот прибор недостаточно удобен в эксплуатации, т.к. имеет сравнительно большой вес и габариты.
Задачей данного предложения было повышение технико-экономических показателей устройства.
Техническим результатом предложения является обеспечение возможности измерения напряженности, как электрического, так и магнитного полей
одновременно в одной точке пространства, а также повышение удобства эксплуатации устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения электрического и магнитного поля, содержащем измерительный модуль и модуль интерфейса, датчики электрического и магнитного поля, усилитель -мультиплексор, выпрямитель, аналогово-цифровой преобразователь и оптоволоконную линию связи модулей. Измерительный модуль дополнительно содержит коммутатор аналоговых сигналов, с одной стороны - на входе, связанный с тремя емкостными изотропными датчиками электрического поля, расположенными на поверхности шарообразной конструкции по осям X, Y, Z, и с тремя индукционными изотропными датчиками магнитного поля, расположенными внутри шаровой конструкции по осям X, Y, Z, а с другой стороны - на выходе с предварительным усилителем - мультиплексором, снабженным регулятором коэффициента усиления, выход усилителя соединен с входом в фильтр основной гармоники, выход которого соединен с входом в выпрямитель, и далее выход выпрямителя соединен с входом в микропроцессор измерительного модуля, включающем аналогово-цифровой преобразователь и соединенным с коммутатором аналоговых сигналов, с предварительным усилителем, блоком питания и оптическим портом, расположенным в шаровой конструкции. Вход/выход микропроцессора измерительного модуля соединен с входом/выходом в оптический порт, второй выход оптического порта измерительного модуля соединен с оптическим портом модуля интерфейса оптической оптоволоконной линией, вход/выход оптического порта модуля интерфейса соединен с входом/выходом микропроцессора модуля интерфейса, выходы микропроцессора модуля интерфейса соединены с входами в дисплей, вход/выход микропроцессора модуля интерфейса соединен с входом/выходом порт связи с компьютером, входом/выходом блока питания и выход микропроцессора модуля интерфейса соединен с входом звукового сигнализатора.
Сущность предложения заключается в следующем. Для обеспечения возможности измерения практически одновременно напряженности как электрического, так и магнитного поля в одной точке пространства в измерительный модуль дополнительно введен коммутатор аналоговых сигналов, связанный с одной стороны с тремя емкостными изотропными датчиками электрического поля, расположенными на поверхности шарообразного корпуса по осям X, Y, Z, и с тремя индукционными изотропными датчиками магнитного поля, расположенными внутри того же шарового корпуса по осям X, Y, Z, а с другой стороны с предварительным усилителем - мультиплексором, снабженным регулятором коэффициента усиления. Коммутатор аналоговых сигналов позволяет оператору выбрать измеряемую величину: - напряженность электрического или магнитного поля.
Для повышения удобства эксплуатации устройство, вместо громоздкой конструкции в виде двух модулей, каждый из которых заключен в отдельный корпус, как это имеет место у ближайшего аналога [2], выполнено компактно в
виде двух модулей, заключенных в малогабаритных корпусах, связанных между собой общей стойкой.
Общими признаками данного предложения и ближайшего аналога являются следующие признаки. Наличие измерительного модуля и модуля интерфейса, датчиков электрического и магнитного поля, усилителя -мультиплексора, выпрямителя, аналогово-цифрового преобразователя и оптоволоконной линии связи модулей.
Отличие заключается в том, что измерительный модуль дополнительно содержит коммутатор аналоговых сигналов, с одной стороны с тремя емкостными изотропными датчиками электрического поля, расположенными на поверхности шарообразной конструкции по осям X, Y, Z, и с тремя индукционными изотропными датчиками магнитного поля, расположенными внутри шаровой конструкции по осям X, Y, Z, а с другой стороны с предварительным усилителем - мультиплексором, снабженным регулятором коэффициента усиления. Выход усилителя соединен с входом в фильтр основной гармоники, выход которого соединен с входом в выпрямитель, и далее выход выпрямителя соединен с входом в микропроцессор измерительного модуля, содержащем аналогово-цифровой преобразователь и соединенным с коммутатором аналоговых сигналов, с предварительным усилителем, блоком питания и оптическим портом, расположенным в шаровой конструкции, вход/выход микропроцессора измерительного модуля соединен с входом/выходом в оптический порт, второй выход оптического порта измерительного модуля соединен с оптическим портом модуля интерфейса оптической оптоволоконной линией, вход/выход оптического порта модуля интерфейса соединен с входом/выходом микропроцессора модуля интерфейса; выходы микропроцессора модуля интерфейса соединены с входами в дисплей, вход/выход микропроцессора модуля интерфейса соединен с входом/выходом порта связи с компьютером и входом/выходом блока питания, вход микропроцессора модуля интерфейса соединен с входом в звуковой сигнализаторы.
Учитывая изложенное, можно сделать вывод о том, что данное предложение отвечает условию охраноспособности полезной модели "новизна".
По данному устройству изготовлен опытный образец, который прошел испытания с положительными результатами. Учитывая изложенное можно сделать вывод о том, что оно отвечает условию охраноспособности полезной модели "промышленная применимость".
Предложение поясняется чертежом фиг.1 и блок-схемой фиг.2.
Внешне устройство выглядит следующим образом. Как показано на фиг.1, измерительный модуль заключен в шарообразном корпусе 1, а модуль интерфейса в прямоугольном корпусе 2. Оба корпуса связаны между собой трубкой 3. К корпусу 2 прикреплена ручка 4.
В верхней части блок-схемы - фиг.2 показан измерительный модуль, а модуль интерфейса - в нижней части.
Измерительный модуль содержит ряд блоков, в том числе коммутатор аналоговых сигналов 5, связанный с одной стороны с тремя емкостными
изотропными датчиками электрического поля 6, 7 и 8, соответственно по осям X, Y, Z, расположенными на поверхности шарообразного корпуса. 1.
Кроме того, коммутатор 5 связан с тремя индукционными изотропными датчиками магнитного поля 9, 10, 11, соответственно по осям X, Y, Z и расположенными внутри шарообразного корпуса 1.
С другой стороны коммутатор 5 соединен с блоком, включающем предварительный усилитель - мультиплексор 12, снабженный регулятором коэффициента усиления 13.
Выход усилителя 12 соединен с входом в фильтр основной гармоники 14, выход которого соединен с входом в выпрямитель 15, а выход выпрямителя 15 соединен с входом в микропроцессор 16 измерительного модуля, содержащим аналогово-цифровой преобразователь 17, а также ряд сигналов:
- сигнал предела 18, выход которого соединен с входом в регулятор коэффициента усиления 13 усилителя 12;
- сигнал выбора плоскости измерения 19, выход которого соединен с входом в усилитель 12;
- сигнал выбора измерения напряженности электрического или магнитного поля 20, выход которого соединен с входом в коммутатор 5;
- сигнал приема - передачи 21, вход/выход которого соединен с входом/выходом оптического порта 22 измерительного модуля;
Кроме того, измерительный модуль содержит блок питания 23, вход/выход которого соединен с микропроцессором 16, а выход блока 23 соединен с входами в блоки 5, 12, 14, 15 и 22.
Далее оптический порт 22 измерительного модуля соединен оптоволоконной линией связи 24, заключенной в трубке 3, с оптическим портом 25 модуля интерфейса, вход/выход которого соединен с входом/выходом сигнала приема-передачи 26 микропроцессора 27 модуля интерфейса. Выходы микропроцессора 27 соединены с входами в дисплеи 28 и 29, а также с входом в звуковой сигнализатор 30, и вход микропроцессора 27 соединен с выходом клавиатуры 31. Вход/выход микропроцессора 27 соединен с входом/выходом порта связи с компьютером 32.
Кроме того, модуль интерфейса содержит блок питания 33, вход/выход которого соединен с микропроцессором 27, а выход соединен с входами в оптический порт 25, клавиатуры 31, дисплеев 28, 29, а также звукового сигнализатора 30.
Устройство работает следующим образом. Сигналы с датчиков 6, 7, 8 или 9, 10, 11 поступают на коммутатор аналоговых сигналов 5, который подключает соответствующие датчики поля к предварительному усилителю - мультиплексору 12, снабженному регулятором коэффициента усиления 13.
Коммутатор аналоговых сигналов 5 позволяет оператору выбрать измеряемую величину, т.е. напряженность электрического или магнитного поля.
В блоке 12 производится усиление электрического сигнала до уровня удобного для дальнейшего преобразования. Кроме того, этот блок имеет на входе коммутатор, который позволяет выбрать сигнал, измеряемый по
соответствующей оси координат, т.е. в один момент времени сигнал снимается только с одного датчика электрического или магнитного поля по оси X,Y или Z.
Далее сигнал поступает на фильтр основной гармоники 14. В этом блоке производится удаление из спектра сигнала всех составляющих, частоты которых не попадают в диапазон 50±2 Гц. Данный фильтр необходим для того, чтобы выделить и пропустить далее полезный сигнал промышленной частоты, напряженность электрического и магнитного поля, которого измеряет наш прибор.
Отфильтрованный таким образом сигнал поступает на выпрямитель 15, который инвертирует отрицательную полуволну сигнала. На схеме - фиг.2 этот процесс показан блоками 12, 14,15 и 16.
После блока 15 сигнал поступает на вход 17 микропроцессора 16, в котором производится аналогово-цифровое преобразование.
Последовательность работы микропроцессора 16 следующая:
1) выбор измеряемой величины - напряженности электрического или магнитного поля, для этого микропроцессор 16 подает сигнал управления на блок 5;
2) подключение датчика поля оси Х в усилитель 12;
3) измерение уровня сигнала Uxi на выходе блока 15;
4) подключение датчика поля оси Y в усилителе 12;
5) измерение уровня сигнала Uyi на выходе блока 15;
6) подключение датчика поля оси Z, в усилителе 12;
7) измерение уровня сигнала Uzi на выходе блока 15;
8) вычисление 
9) накопление множества значений [Ui] в течение одного периода
промышленной частоты (0,02секунды) путем повторения шагов 2-8;
10) результирующее значение измеряемой величины определяется по выражению
U=mах [Ui]т.e. как максимум из множества значений [Ui].
Рассчитанная таким образом величина в цифровом виде передается на оптический порт 22, который передает результаты измерения в оптический порт 25 модуля интерфейса.
Следует отметить, что блоки 1-23 расположены в шарообразном корпусе 1 измерительного модуля, а блоки модуля интерфейса 25-33 в прямоугольном корпусе 2.
Из оптического порта 25 сигнал поступает в микропроцессор 27. Результаты измерения передаются микропроцессором 27 на дисплеи 28, 29. Эти результаты измерения сохраняются во встроенной памяти микропроцессора 27.
Таким образом, измерение уровня поля как электрического, так и магнитного производится одним прибором практически в одно и то же время в одной точке пространства. Он удобен в работе, т.к. имеет небольшие габариты.
Устройство для измерения напряженности электрического и магнитного полей, содержащее измерительный модуль и модуль интерфейса, датчики электрического и магнитного поля, усилитель -мультиплексор, выпрямитель, аналогово-цифровой преобразователь и оптоволоконную линию связи модулей, отличающееся тем, что измерительный модуль дополнительно содержит коммутатор аналоговых сигналов, с одной стороны связанный с тремя емкостными изотропными датчиками электрического поля, расположенными на поверхности шарообразной конструкции по осям X, Y, Z, и с тремя индукционными изотропными датчиками магнитного поля, расположенными внутри шаровой конструкции по осям X, Y, Z, а с другой стороны с предварительным усилителем - мультиплексором, снабженным регулятором коэффициента усиления, выход усилителя соединен с входом в фильтр основной гармоники, вход которого соединен с входом в выпрямитель, и далее, выход выпрямителя соединен с входом в микропроцессор измерительного модуля, содержащем аналогово-цифровой преобразователь и соединенный с коммутатором аналоговых сигналов, с предварительным усилителем, блоком питания и оптическим портом, расположенным в шаровой конструкции, вход/выход микропроцессора измерительного модуля соединен с входом/выходом в оптический порт, второй вход оптического порта измерительного модуля соединен с оптическим портом модуля интерфейса оптоволоконной линией, вход/выход оптического порта модуля интерфейса соединен с входом/выходом микропроцессора модуля интерфейса, выходы микропроцессора модуля интерфейса соединены с входами в дисплеи, вход/выход микропроцессора модуля интерфейса соединен с входом/выходом порта связи с компьютером и входом/выходом блока питания, выход микропроцессора модуля интерфейса соединен с входом в звуковой сигнализатор.
