Метрология и стандартизация / Rossiyskaya metrologicheskaya entsiklopediya. Tom 1 (Okrepilov) 2015

Описание вида измерений

Импульсные электрические и магнитные поля (электромагнитные импульсы) могут иметь естественное и искусственное происхождение. К естественным источникамтакихполейотносятмолнию, геомагнитные бури, электростатические разряды. Электромагнитные импульсы(ЭМИ) искусственногопроисхождения– это, в первую очередь, ЭМИ ядерного взрыва, излучения при коротких замыканиях и перенапряжениях в контактных сетях железных дорог и высоковольтных линиях электропередачи, помехи, возникающие в ходе работы высоковольтных установок, сигналы радиопередатчиков, радиолокаторов, а также специализированных излучателей ЭМИ. Импульсные электрические и магнитные поля создают наводки в электрических цепях радиоэлектронной аппаратуры, нарушающие ее функционирование [1].

Однимизнаиболеераспространенныхимощныхисточниковэлектромагнитныхпомехявляетсямолния. По своей природе молния включает в себя целый комплекс различныхфизическихявлений: термических, световых, электромагнитныхипроч. Основнымпоражающимфактором удара молнии является сильный импульсный ток.

Основные параметры, которыми характеризуется ЭМИ, показаны на рис. 1: амплитуда (максимальная напряженностьполя), длительностьфронта, длительность. Электромагнитные импульсы могут быть различной формы: двухэкспоненциальные, гауссовские, ступенчатые, однополярные, биполярные и др. Амплитудный диапазон ЭМИ различного происхождения составляет (для электрического поля) от единиц вольт на метр до сотенкиловольтнаметр(соответственнодлямагнитного поля – от долей ампер на метр до сотен ампер на метр).

Длительность фронта tф (между уровнями 0,1 и 0,9 от значения амплитуды) составляет от единиц пикосекунд до единиц микросекунд. Также к параметрам импульсов относят длительность спада tсп, которая, например, для экспоненциальных импульсов характеризует «постоянство» вершины импульса, а для трапециевидных

– длительность заднего фронта. Кроме временных и амплитудных параметров используют и частотную характеристику импульсов – ширину спектра F, то есть диапазон между некоторыми нижней fн и верхней fв граничными частотами, в котором сосредоточена основная энергия импульса.

Необходимость измерений параметров ЭМИ возникает как при разработке технических средств защиты от указанных электромагнитных факторов, так и при создании новой техники, использующей ЭМИ. Измерения импульсных(нестационарных) электромагнитныхполей от квазистационарных, главным образом, отличаются тем, чтосуществуетнеобходимостьванализеформысигнала. Соответственно, предъявляются иные требования к средствам измерений ЭМИ, нежели чем к средствам измерений квазистационарных полей.

Так как измерения ведутся во временной области, то основной характеристикой средства измерений ЭМИ являетсяегореакциянаступенчатыйсигналполя(видеале с бесконечно крутым фронтом) – переходная характеристика. При этом выходной сигнал Uвых(t) средства измерений(СИ) являетсясверткойизмеряемогосигнала поля E(t) с переходной характеристикой СИ h(t):

Время нарастания переходной характеристики определяет быстродействие измерительного преобразователя. В импульсной технике применяется правило

квадратурного сложения длительностей фронтов сигналов, позволяющее весьма просто найти длительность

Повыражению(2) такжеможноустановить, чтопере-

ходнаяхарактеристикасредстваизмеренийдолжнабыть по крайней мере в 3 раза меньше длительности фронта измеряемого сигнала. В таком случае второе слагаемое в формуле (2) на порядок меньше первого, что обеспечивает требуемое быст=родействие СИ.

К основным типам средств измерения ЭМИ отно-

сятся [1–3]:

–емкостныеииндукционныепреобразователи(вза- рубежнойлитературеD-dot sensor иB-dot sensor) – малые электрические и магнитные широкополосные диполи;

–преобразователи на основе ТЕМ-рупора с малым углом раскрыва или рупорно-полосковые преобразователи;

–электро- и магнитооптические преобразователи, реализующие эффекты Фарадея, Поккельса, Керра, Холла и др.;

–преобразователи на основе полосковой линии.

Основные обобщенные характеристики данных средств измерений приведены в таблице 1.

Калибровка (поверка) средств измерений ЭМИ осуществляется в установках, создающих эталонные электрические и магнитные поля с расчетными характеристиками (напряженностью, длительностью и фронтом). Приэтомнормируютсяследующиеосновные метрологические характеристики СИ:

–диапазон измерений;

–коэффициент преобразования: отношение амплитуды импульса поля к амплитуде выходного импульса преобразователя;

–время нарастания переходной характеристики;

–длительностьпереходнойхарактеристики(измеряемое «временное окно»).

Общийпринципработыразличныхтиповэталонных установокзаключаетсявсозданииоднородныхступенчатых(илиблизкихкступенчатым) поформеимпульсных электрических и магнитных полей в объеме полеобразующей системы, в которую помещается калибруемый преобразователь. Сложность данной задачи состоит в том, чтонеобходимосоздаватьэталонныеполябольшой напряженности (электрического поля – до сотен киловольт на метр), с короткой длительностью фронта – до единиц пикосекунд, большой длительности – минимум

единицы-десяткинаносекунд, свысокойстепеньюоднородности. При этом в полеобразующей системе должна распространятьсяТЕМ-волна– соответственно, подходят только двухэлектродные системы (не волноводы).

Встандарте IEEE 1309-2013 «Калибровка измерительныхпреобразователейэлектромагнитногополявдиапазоне частот от 9 кГц до 40 ГГц» приводятся основные типыустановокдлявоспроизведенияэталонныхполей[4]:

ТЕМ-ячейка Кроуфорда (Crawford TEM-cell); GTEM-ячейка (GTEM-cell);

плоскаядвухпроводнаялиния(parallel plate transmission line);

коническая линия (conical transmission line);

полеобразующая система «конус над плоскостью»

(cone and ground plane);

Внешний вид полеобразующих систем показан на рис. 2. Главным образом они различаются между собой по амплитудно-временным диапазонам воспроизводимыхЭМИ. Конструкцииданныхустановокпредложены

в1970–1990-егг. вСШАК. Баумом, М. Кандой, М. Кроуфордом и др.

Вотечественной литературе впервые принципы создания эталонных установок для воспроизведения быстронарастающих импульсных электрических и магнитных полей сформулированы А.А. Соколовым в

работе [5]. Концепции, предложенные в данной работе, послужилиосновойсозданиядвухгосударственныхпервичных специальных эталонов единиц напряженностей импульсных электрического и магнитного полей.

Впервуюочередь, дляметрологическогообеспечения измерений мощных ЭМИ (с напряженностью электрического поля до 300 кВ/м и магнитного до 800 А/м) был разработанэталонГЭТ148 сполеобразующейсистемой наосновепрямоугольногокоаксиала, возбуждаемойгенераторомимпульсовсемкостнымнакопителемигазовым управляемым разрядником. Позднее в состав эталона были включены генератор ступенчатых импульсов на длинных линиях и субнаносекундная полеобразующая система в виде двухпроводной линии в экране.

Для калибровки средств измерений ЭМИ сверхкороткой длительности (менее 100 пс), используемых в подповерхностнойрадиолокации, связиидругихподобныхприменениях, вработе[5] предложеноиспользовать биконическую антенну и ее модификации (в частности, систему «конус над плоскостью»). На практике данный подход реализован в Государственном первичном специальном эталоне единиц напряженностей импульсных электрических и магнитных полей с длительностью фронта импульсов до 20 пс ГЭТ 178-2010.

Как было указано, одним из наиболее распространенныхимощныхисточниковэлектромагнитныхпомех природногопроисхожденияявляетсямолния, основным поражающим фактором которой является сильный импульсныйток. Растекаясьпокорпусуобъекта, тококазываетнетолькопрямоетермическоедействие(оплавления, пробои, обгорания), но и опосредованное – мощные электромагнитные наводки в цепях радиоэлектронных устройств. Для испытаний техники на устойчивость к воздействию импульсного тока молнии используют некоторое интегральное приближение, имитирующее все стадииразвитиямолниевогоразряда. Формаиспытательноготокамолнии, нормированнаявстандартах(основополагающий– SAE ARP 5412B [6]), приведенанарис. 3, количественные характеристики указаны в таблице 2.

Исходя из таблицы 2, можно сделать вывод, что основныетребованиякСИимпульсноготокамолниизаключаютсявобеспечениибыстродействия, достаточного дляизмеренияфронтовдлительностьюединицымикросекунд (время нарастания переходной характеристики должно быть не более 500 нс) при амплитуде до 200 кА. Для измерения токов молнии в природе и в имитаторах используютразличныетипысредствизмерений: коаксиальныеитрубчатыешунты, поясаРоговскогоиэлектро- и

Историческая справка (история развития вида измерений)

Врезультате первых испытаний ядерного оружия были обнаружены новые поражающие факторы, нехарактерные для химических взрывных веществ. Одним из них является электромагнитный импульс. Напряженности импульсных электромагнитных полей достигают десятков-сотенкиловольтнаметрисотенампернаметр на удалениях от центра взрыва в сотни и даже тысячи километров. ЭМИ ядерного взрыва (ЯВ) и в настоящее времяостаетсяпрактическиединственнымпоражающим фактором, способным выводить из строя современные системы связи и управления на очень большом расстоянии [1]. Оценочные расчеты напряженностей импульсных электромагнитных полей, сопровождающих ядерныйвзрыв, делалисьЭнрикоФермиещедопервого испытания ядерного оружия в 1945 г.

В1963 г. СССР, США и Великобритания подписали договор о запрещении испытаний ядерного оружия в трех средах: в атмосфере, космическом пространстве и под водой. Это послужило началом работ по созданию имитатороввоздействующихфакторовядерноговзрыва и, втомчисле, ЭМИ. ВСШАподруководствомК. Баума, начинаяссередины1960-хгг., былсозданрядимитаторов ЭМИЯВ(ALECS, ATLAS, ARES идр.). Соответственно,

вэто же время им предлагаются первые типы средств измерений параметров, воспроизводимых в имитаторах ЭМИ: малыхэлектрическихимагнитныхширокополосных диполей, получивших в англоязычной литературе названия D-dot и B-dot. Широкие исследования средств измерений ЭМИ, методов и средств их калибровки проводятся в Национальном институте стандартов и технологийСША(М. Канда, А. Ондрейка, Р. Лоутон), начиная с 1970-х гг. В частности, предложен преобразователь на основе ТЕМ-рупора с распределенной резистивной нагрузкой, атакжемоноконическаяполеобразующаясистемадлякалибровкиизмерительныхпреобразователей ЭМИ в свободном пространстве.

ВСССР в 1978 г. под руководством А.А. Соколова создается первый имитатор ЭМИ для калибровки спутниковой аппаратуры регистрации ЯВ. Имитатор пред- ставлялсобойантеннуюрешеткуиз4-хсинхронныхне- симметричныхвибратороввысотой10 м, возбуждаемую искровымгенераторомсрабочимнапряжениемдо1 МВ. Аналогов подобного излучателя в мировой практике не было. Впервые был проведен аналитический расчет нестационарного поля излучения подобной структуры с оценкой взаимовлияния вибраторов.

Цикл работ по исследованию излучателей ЭМИ и средств измерений их параметров позволил создать во ВНИИОФИ в 1985 г. Государственный первичный эталонединицнапряженностейимпульсныхэлектрического и магнитного полей. В полеобразующей системе эталона на основе прямоугольного коаксиала (ТЕМячейки) воспроизводились ЭМИ с напряженностями электрического поля до 200 кВ/м и магнитного поля до 500 А/м с фронтами в наносекундном диапазоне. В 1993 г. эталон был усовершенствован: в его состав была введена субнаносекундная полеобразующая система, позволившая расширить временной диапазон

воспроизводимых ЭМИ до 0,3 нс. Совершенствование эталона в 2013 г. позволило расширить амплитудный диапазонвоспроизводимыхЭМИдо300 кВ/ми800 А/м,

авременной − до 0,1 пс [8].

Вначале1990-хгг. воВНИИОФИС.А. Подосеновым

иА.А. Соколовымтакжеразрабатываетсятеорияантенн для приема ЭМИ. В качестве измерительного преобразователя предложено использовать микрополосковую линию. Показанотеоретическииподтвержденонапрактике, что такой измерительный преобразователь имеет ступенчатуюпереходнуюхарактеристикувтечениедлительности«временногоокна», определяемоговременем двойногопробегасигналаполинии. Типпреобразователя включен в Госреестр средств измерений и в настоящее времясталпрактическиосновнымвРоссиидляизмерения быстронарастающих импульсных полей [2, 3].

По мере развития импульсной техники появилась возможность излучения импульсных электромагнитных полей с длительностями фронта в десятки-сотни пикосекунд. Данные ЭМИ получили название сверхширокополосных (СШП). Они нашли свое применение в подповерхностной радиолокации, помехоустойчивой радиосвязи, диагностикеиконтролеобъектовиматериалов. Такжеоказалось, сверхширокополосныеЭМИмогут быть использованы преднамеренно для эффективного нарушения работы цифровых систем, работающих в областях обеспечения безопасности, на транспорте, в энергетике, вбанковской сфереит. п. Этотфакттребует разработки эффективных средств защиты от преднамеренно наведенных СШП ЭМИ. Для метрологического обеспеченияизмеренийпараметровСШПЭМИв2010 г. в России создан Государственный первичный эталон единиц напряженностей импульсных электрического и магнитного полей с длительностью фронта импульсов до 20 пс [9].

Первыеисследованиямолнииосуществлялисьещев XVIII векеМ.В. Ломоносовым, Г.В. Рихманом, Б. Франклином, Т.-Ф. Далибаром и П. Дивишем. Практическая необходимость в определении максимальных значений импульсов тока молнии возникла в связи с разработкой систем молниезащиты линий электропередачи, так как токмолнииповреждаетсамилиниииэлектрооборудование, установленноенаподстанциях. Дляизмерениятоков молнии в 1920–1930-е гг. использовались магниторегистраторы – стержни из магнитотвердого материала с высокимудельнымсопротивлением, устанавливаемыена известномрасстоянииотпроводника, покоторомупротекаеттокмолнии. Поостаточнойнамагниченностипосле ударамолнииможнорассчитатьмаксимальноезначение тока. Также применялись клидонографы – устройства со скользящим разрядом по поверхности стеклянной пластиныснанесеннойфотоэмульсией. Разрядсострия, примыкающего к пластине, оставляет в фотоэмульсии засветки, называемыефигурамиЛихтенберга. Поихразмеруихарактеруопределяютсямаксимальныезначения

иполярность тока, а при подключении клидонографа к петле с известными размерами, можно определять и максимальнуюкрутизнуимпульса. Недостатокклидонографов и магниторегистраторов заключается в большой погрешностиизмеренийдо30%. Основойдляпочтивсех стандартов по молниезащите и испытаниям на воздей-

ствие токов молнии являются исследования К. Бергера, проведенные им на горе Сан-Сальватор в Швейцарии с 1943 по 1973 гг. За 30 лет им были измерены токи более чем 2000 молний. Для регистрации использовались различные типы шунтов и катушек индуктивности [10].

Широкие исследования молниевого разряда, разработка установок-имитаторов тока молнии, средств измерений импульсных токов ведутся в США в лаборатории Сандиа Министерства энергетики (главным образом испытания вооружения и летательных аппаратов), Международном центре по изучению молнии

вУниверситете Флориды (М. Юман, В. Раков и др.); в

СССРивРоссии– вМосковскомэнергетическоминституте и ВЭИ им. Ленина (В.П. Ларионов, И.П. Кужекин, В.С. Сысоев и др.), ЭНИН им. Кржижановского (И.С. Стекольников, В.С. Комельков, Э.М. Базелянидр.), ЛИИ им. Громова (В.В. Фарамазян и др.), НИИ высоковольтнойаппаратуры(И.Б. Болотин, Л.З. Эйдель), вХарькове

вНИПКИ «Молния» (В.И. Кравченко, Г.М. Колиушко и др.). В этих исследовательских центрах созданы испытательные установки, основанные на генераторах импульсов тока (ГИТ) или генераторах импульсов на- пряженияАркадьева-Маркса. Дляобеспечениябольшей крутизны импульса тока в этих схемах может использоватьсярежимкроубара(принудительногошунтирования нагрузки в момент достижения максимума тока при работе в колебательном режиме). Электроразрядные установки, воспроизводящиетокипрямогоударамолнии на образцы авиационной техники в целом, как правило, представляют собой модульную конструкцию, состоящую из генераторов для воспроизведения отдельных компонентов тока, устройств их электрического сопряжения, средствуправления, безопасностиидиагностики [11]. А. Шваб, И.Б. БолотиниЛ.З. Эйдельвработах [12, 13] разработали теорию измерения импульсных токов припомощишунтовииндукционныхпреобразователей, привеливыражения, удобныедляинженерныхрасчетов параметров СИ.

Во ВНИИОФИ в начале 1990-х гг. разработаны поверочные установки СИ импульсных токов «Токатта». Основноеихдостоинствовтом, чтодлявоспроизведения импульсов амплитудой 100 кА не требуется большого количестваемкостныхнакопителей, каквсхемеГИТ. Для этогоприменяетсяодновитковыйимпульсныйтрансформатортока(схемапредложенаГ.А. Месяцем), накоторый разряжаетсямалоиндуктивныйимпульсныйконденсатор

сноминальнымнапряжением50 кВ. В2012 г. даннаяконцепциябылапримененаприсозданииГосударственного первичногоэталонаединицимпульсноготокамолниевого разряда в диапазоне от 1 до 100 кА [14].

Развитие вида измерений в России

1939 г. – первыевСССРмассовыеизмерениякрутизны токов молнии с помощью клидонографов, расставленных по линии электропередачи (Л.И. Сиротинский).

1949 г. – СССРиспытываетатомнуюбомбунаСемипалатинском полигоне. Начинается изучение поражающих факторов ядерного взрыва, в том числе электромагнитного импульса.

1963 г. – США, СССР и Великобритания в Москве подписываютДоговорозапрещениииспытанийядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой. Начало создания имитаторов электромагнитного импульса ядерного взрыва. Создание первых средств измерений ЭМИ.

1978 г. – под руководством А.А. Соколова создается первый имитатор ЭМИ для калибровки спутниковой аппаратуры регистрации ЯВ. Разработка методических основ метрологического обеспечения измерений параметров ЭМИ. Создание первых установок для поверки и калибровки измерительных преобразователей ЭМИ.

1985 г. – воВНИИОФИутвержденГосударственный первичныйспециальныйэталонединицнапряженностей импульсных электрического и магнитного полей ГЭТ 148. В эталоне воспроизводятся близкие к ступенчатым импульсы в наносекундном диапазоне, максимальные напряженности полей – 200 кВ/м и 500 А/м.

Начало 1990-х гг. – разработка теории антенн для приема ЭМИ на основе микрополосковой линии (С.А. Подосенов, А.А. Соколов, К.Ю. Сахаров и др). Созданиеисовершенствованиеобразцовизмерительных преобразователей и излучателей ЭМИ (О.В. Михеев, В.А. Туркин и др.).

Разрабатываются поверочные установки «Токатта» наосновеодновитковогоимпульсноготрансформатора тока.

1993 г. – совершенствование эталона ГЭТ 148. В составэталонавведенасубнаносекунднаяполеобразующая система. Диапазондлительностейфронтов, воспроизводимых ЭМИ, расширен до 300 пс.

Середина 1990-х – начало 2000-х гг. – бурное развитиетеорииипрактикиизлучениясверхширокополосных ЭМИ. Различные типы излучателей создаются во ВНИИОФИ (А.А. Соколов, К.Ю. Сахаров и др.), ОбъединенноминститутевысокихтемпературРАН(Е.Ф. Лебедев, В.Е. Осташев, Е.В. Нестеров и др.), ВНИЦ ВЭИ им. Ленина (М.Г. Никифоров и др.), Институте сильноточнойэлектроникиСОРАН(Г.А. Месяц, В.И. Кошелев и др.). Остро встает вопрос о необходимости метрологическогообеспеченияизмеренийСШПЭМИвпикосекундном диапазоне.

Начало 2000-х гг. – разработка во ВНИИОФИ измерительной системы «Персей-СИ» для измерения в том числеимпульсныхтоковамплитудойдо120 кА. РазрабатываютсяСИимпульсныхтоковнаосновешунтов– ИП- ГР-120 ииндукционныхпреобразователей– ИП-ЭР-400. Основное назначение – применение в разрядных цепях имитаторов импульсного тока молнии при испытаниях технических средств.

2010 г. – создание во ВНИИОФИ Государственного первичного специального эталона единиц напряженностей импульсных электрического и магнитного полей с длительностью фронта импульсов до 20 пс.

2012 г. – создание во ВНИИОФИ Государственного первичного эталона единиц импульсного тока молниевого разряда в диапазоне от 1 до 100 кА ГЭТ 202-2012.

За цикл работ по теме «Разработка и внедрение технических средств, эталонов и системы обеспечения единства измерений параметров сверхкоротких импульсовэлектромагнитногоизлучения» коллективВНИИОФИ

был удостоен премии Правительства Российской Федерации 2002 г. в области науки и техники.

Основные направления развития

Во ВНИИОФИ содержатся три Государственных первичных специальных эталона единиц импульсных электромагнитных физических величин: напряженностей импульсных электрических и магнитных полей, и импульсного тока молниевого разряда. Эталоны непрерывно совершенствуются с целью расширения амплитудно-временного диапазона воспроизводимых импульсов и снижения неопределенности воспроизведения единиц.

Совершенствование эталонов импульсных полей направлено на уменьшение длительности фронта воспроизводимых импульсов до единиц пикосекунд.

Целью совершенствования эталона импульсного тока являетсятакжеуменьшениедлительностифронтавоспроизводимыхимпульсов, чтобыохватитьамплитудно-времен- нойдиапазонимпульсатокаэлектростатическогоразряда.

Разрабатываютсяновыеперспективныетипысредств измерений на основе электро- и магнитооптических эффектов. Такие средства измерения являются крайне быстродействующими (время нарастания переходной характеристики составляет единиц пикосекунд) и не искажают картину поля. За рубежом (NIST) ведутся работы по созданию эталона электромагнитных полей, основанного на квантовых явлениях.

К.Ю. Сахаров, А.В. Сухов

Рис. 2. Полеобразующая система ПС-1 и генераторы для ее возбуждения из состава Государственного первичного специального эталона единиц напряженностей импульсных электрического и магнитного полей

с длительностью фронта импульсов в диапазоне

0,1–10,0 нс ГЭТ 148-2013

При амплитуде импульсов возбуждающего генератора 25 кВнапряженностьэлектрическогополясоставляетне менее300 кВ/м. Картиныраспределенияэлектрического и магнитного полей в сечении ПС-2, также показаны на рис. 2 (возбуждающее напряжение 1 В, моделирование вELCUT). Величинаэффективногозазорарабочейзоны составляет 74 мм.

На рис.3 показан внешний вид полеобразующей системы ПС-2. На входе ячейки 1 установлен высоко-

Рис. 3. Внешний вид полеобразующей системы ПС-2:

1– высоковольтный коаксиальный соединитель, 2 – зона коаксиально-полоскового перехода,

3 – рабочая зона, 4 – возбуждающий генератор

вольтный коаксиальный разъем 2 (рабочее напряжение до 40 кВ), который соединяется коническим коакси- ально-полосковым переходом с рабочим участком 3. В конце участка 3 подключена резистивная нагрузка. Возбуждениеполеобразующейсистемыосуществляется при помощи полупроводникового генератора ступенчатых импульсов напряжения 5. Генератор воспроизводит импульсы напряжения амплитудой 25 кВ с частотой следования до 100 Гц. Длительность фронта воспроизводимых импульсов составляет 86 пс при длительности импульсовпорядка30 нс. Времянарастанияпереходной характеристики ПС-2 составляет 33 пс.

Метрологические и технические характеристики, состав эталона

Основныеметрологическиехарактеристикиэталона ГЭТ 148-2013 приведены в таблице 1.

Назначение и область применения

Эталон ГЭТ 148-2013 предназначен для метрологического обеспечения измерений параметров ЭМИ большоймощностиприпроведениииспытанийтехнических средств на устойчивость к воздействию электромагнитных факторов как искусственного, так и естественного происхождения.