5.Первичные преобразователи интегрального вида

Для измерения интегральных характеристик локальных источников используются петлевые, электродные, спиральные или комбинированные антенны [20].

Основные типы приемных петлевых антенн показаны на рис.5.1, где а- простая петлевая антенна, б- дифференциальная петлевая антенна, в- короткозамкнутая петлевая антенна, г- короткозамкнутая дифференциальная петлевая антенна. В короткозамкнутых петлевых системах для неконтактного измерения тока используются тороидальные катушки с ферритовым сердечником. Петлевые антенны относятся к индукционным датчикам интегрального типа, имеют малое внутреннее сопротивление и соответственно малый уровень собственных шумов. В дифференциальных антеннах происходит автоматическая компенсация крупномасштабных (однородных) помех, например геомагнитных шумов. На практике компенсация однородной помехи достигает 40-80 Дб [1]. Антенны данного вида реагируют на скорость изменения ортогональной к плоскости петли компоненте индукции магнитного поля и обнаруживают движущиеся объекты, обладающие магнитными и электрическими моментами как постоянными, так и переменными.

Основные виды электродных антенн показаны на рис.5.2, где 0- нулевой электродный чувствительный элемент, 1- измерительный электродный чувствительный элемент, 2 – активная (измерительная) часть кабеля, 3- соединительные кабели, 4- система сбора и обработки информации (ССОИ), 5-регулировочный потенциометр. На рис.5.2. а- простая двухэлектродная антенна, б– трехэлектродная антенна с возможностью компенсации однородной помехи, в-многоэлектродная усредняющая антенна (электроды одной группы N присоединены к одной жиле кабеля), г- многоэлектродная суммирующая антенна.

Рис.5.1. Основные виды приемных петлевых антенн.

Рис.5.2. Основные виды электродных приемных антенн

Основные виды спиральных антенн показаны на рис.5.3 (а – простая спиральная антенна, б - секционированная спиральная антенна с сердечником), где 1- спиральная антенна, 2- обратный кабель, 3- ферромагнитный гибкий сердечник, 4 –ССОИ. Такие антенны принимают ортогональную к плоскости витков компоненту индукции магнитного поля.

Рис.5.3. Основные виды спиральных антенн

Комбинированные антенны включают в себя всевозможные комбинации петлевых, электродных и спиральных антенн. Примеры комбинированных антенн показаны на рис.5.4. Комбинированная спирально-электродная антенна (рис.5.4а) регистрирует и магнитную и электрическую компоненты электромагнитного поля, комбинированная спирально-петлевая антенна (рис.5.4б) реагирует как на вертикальную, так и на горизонтальную компоненту индукции магнитного поля.

Рис.5.4. Комбинированные антенны

При необходимости обнаружения объектов на глубинах до 10-15 метров, электромагнитные системы располагаются на дне. Приемные антенны укладываются вдоль линии заграждения в виде отдельных секций, каждая секция имеет свой выход на береговую систему сбора и обработки информации (ССОИ). Пример донной пассивной системы охраны водного района, состоящей из дифференциальных петлевых антенн показан на рис.5.5, где 1- подводный объект, перемещающийся со скоростью V_X ортогонально к линии заграждения, 2- дифференциальная петлевая антенна, 3 – соединительный кабель, 4- линия заграждения; 5- ССОИ.

Рис.5.5. Пассивная донная секционированная система

Основными помехами естественного происхождения в водной среде являются поля поверхностных и внутренних волн, вариации геомагнитного поля Земли и грозовые разряды. К помехам промышленного происхождения относятся токи утечки берегового электротранспорта, униполярные передачи постоянного тока и радиопередатчики сверх низкочастотного диапазона (30-300Гц).

Прямой метод вычисления ЭДС основан на непосредственном применении закона электромагнитной индукции

,

где - площадь петли, – электромагнитная индукция.

Если диполь перемещается вдоль оси со скоростью , то производная по времени будет , и для вычисления ЭДС получим

.

Другой метод вычисления ЭДС состоит в применении теоремы взаимности [18], суть которого состоит в вычислении магнитного поля неподвижной петли в месте расположения дипольного источника, при токе в петле 1 А (рис.4.2).

Соответствующее выражение для вычисления ЭДС в петле по теореме взаимности и перемещении источника в горизонтальной плоскости будет иметь вид [18]:

.

Примеры сопоставления двух методов расчета для простого петлевого интегрального датчике показаны на рис.5.6-5.8.

Рисунок 5.6 - Уровни сигналов для горизонтального диполя

( по теореме взаимности, -прямой расчет )

Рисунок 5.7- Уровни сигналов для поперечного диполя

( по теореме взаимности, -прямой расчет)

Рисунок 5.8-Уровни сигналов для вертикального диполя

( по теореме взаимности, -прямой расчет )

Представленные данные показывают, что оба метода приводят и одинаковым результатам.

Для трех видов петлевых антенн (рис.5.9) на рис.5.10-5.18 представлены зоны чувствительности (нормированные значения ЭДС- e(t)/e_max, наводимых в антеннах при перемещении над ними источников магнитного и электрического типа) различных видов антенн в полях магнитных и электрических диполей.

Рис.5.9. Модели петлевых антенн: модель №1 – простая петля; модель №2 – дифференциальная поперечная петля; модель №3 – дифференциальная продольная петля

Расчеты выполнялись для габаритных размеров антенн –20м по оси Y и 10м по оси X. Дипольные источники перемещались на высоте 5 м со скоростью 1 м/с. Значения ЭДС рассчитывались в соответствие с законом Фарадея формула .

Для магнитного и электрического диполей вертикальная составляющая магнитного поля находятся по формулам

,

,

где - расстояние от диполя до точки наблюдения, а , и -проекции на координатные оси.

Рис.5.10. Зоны чувствительности простой петлевой антенны в поле вертикального, продольного и поперечного магнитных диполей.

Рис.5.11. Зоны чувствительности дифференциальной поперечной петлевой антенны в поле вертикального, продольного и поперечного магнитных диполей

Отметим, при движении вертикального электрического диполя ЭДС в петлевых антеннах равна нулю, поскольку у такого диполя отсутствует вертикальная компонента магнитного поля .

Рис.5.12. Зоны чувствительности дифференциальной продольной петлевой антенны в поле вертикального, продольного и поперечного магнитных диполей

Анализ зон чувствительности показывает, что:

Петлевые антенны №1 и №2 имеет непрерывную зону чувствительности по отношению к вертикальному и продольному магнитным диполям (M_Z и M_X) и к поперечному электрическому диполю (Р_Y).

Рис.5.13. Зоны чувствительности трех типов петлевых антенн в поле продольного электрического диполя

Петлевая антенна №3 не имеет непрерывных зон чувствительности по отношению ко всем типам дипольных источников.

Из всех рассмотренных типов петлевых антенн наилучшими характеристиками при обнаружении дипольных источников в ближней зоне обладает заграждение, образованное секциями из поперечных дифференциальных петель (Модель №2).

Рис.5.14. Зоны чувствительности трех типов петлевых антенн в поле поперечного электрического диполя