пературопроводности с учетом погрешностей измерений структурных компонентов ИИС при воздействии дестабилизирующих факторов. Разработан алгоритм коррекции технического несовершенства структурных компонентов ИИС по полученным аппроксимирующим зависимостям параметров ТФС от температуры. Использование предложенного алгоритма повышает точность функционирования ИИС.
Полученные результаты рекомендуется применять при проектировании и эксплуатации в реальных условиях информационно-измерительных систем неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов.
Л и т е р а т у р а
1. Селиванова 3. М., Самохвалов А. А. Интеллектуальная информационно-измерительная система для определения теплофизических свойств материалов и изделий // Измерительная техника. 2012. № 9. С. 38—42.
2. Муромцев Д. Ю., Артемова С. В., Грибков А. Н. Прогнозирование и компенсация возмущения в системах оптимального управления // Вестник Тамбовского гос. техн. ун-та. 2003. Т. 9. № 4. С. 632—637.
3. Павлов В. И., Аксенов В. В., Белова Т. В. Оптимизация функционирования измерительных систем // Известия Томского политех. ун-та. 2010. № 11. С. 65—68.
4. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем: Учеб. для вузов. М.: Высшая школа, 2005.
5. ГОСТ Р 8.585—2001. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования.
6. Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров. А. И. Аналоговая и цифровая электроника: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 2002.
7. Лыков А. В. Теория тепло- и массопереноса. М.: Гос-энергоиздат, 1963.
8. Пат. 2301996 РФ. Способ неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и изделий / Ю. Л. Муромцев, 3. М. Селиванова // Изобретения. Полезные модели. 2007. № 18.
9. ГОСТ 17622—72. Стекло органическое техническое. Технические условия.
Дата принятия 12.11.2014 г.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
621.317.328:53.089.6
Метрологическое обеспечение измерений параметров сильных импульсных электромагнитных полей в субнаносекундном
диапазоне
К. Ю. САХАРОВ, В. А. ТУРКИН, О. В. МИХЕЕВ, М. И. ДОБРОТВОРСКИЙ,
А. В. СУХОВ, А. И. АЛЕШКО
Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений,
Москва, Россия, e-mail: sukhov@vniiofi.ru
C целью метрологического обеспечения средств измерений параметров мощных быстронарастающих электромагнитных импульсов разработана и исследована высоковольтная субнаносекундная полеобразующая система на основе ТЕМ-ячейки с расщепленным потенциальным электродом. Данная система в составе эталона обеспечила режим воспроизведения электромагнитных импульсов амплитудой до 300 кВ/м (800 А/м) при длительности фронта не более 100 пс.
Ключевые слова: эталон, субнаносекундный электромагнитный импульс.
The high-voltage subnanosecond field-forming system based on of TEM-cell with splitted potential electrode to provide the metrological assurance for high power fast rising electromagnetic pulse parameters measuring instruments has been developed and studied. This system was included into the structure of standard facility. It provided the reproduction mode of electromagnetic pulses with amplitude up to 300 kV/m (800 A/m) at pulse edge duration no more than 100 ps.
Key words: standard, subnanosecond electromagnetic pulse.
Основные принципы метрологического обеспечения измерений параметров импульсных электрических и магнитных полей (электромагнитных импульсов (ЭМИ)) сформули-
рованы в [1], где показано, что для калибровки средств измерений (СИ) необходимо в полеобразующих системах воспроизводить эталонные ступенчатые ЭМИ с максимально ко-
ротким фронтом. В 1985 г. созданы рабочие эталоны и государственный первичный специальный эталон ГЭТ 148-85 единиц напряженностей импульсных электрического и магнитного полей, в которых ступенчатые импульсные поля воспроизводились в полеобразующей системе типа ТЕМ-ячейки Кроуфорда [2, 3]. Амплитуда эталонных ЭМИ составляла до 200 кВ/м (530 А/м), минимальная длительность фронта ^ = 1 нс. В 1993 и 2009 гг. ГЭТ был усовершенствован, и в него введена субна-носекундная полеобразующая система, в которой воспроизводились ЭМИ амплитудой до 150 В/м при tф < 300 пс [4]. Таким образом, эталон функционировал в двух режимах: в первом — воспроизводились наносекундные мощные ЭМИ с большой длительностью фронта, а во втором — суб-наносекундные импульсы небольшой амплитуды, но с коротким фронтом. Однако отсутствовал режим реализации ЭМИ одновременно с коротким фронтом и большой амплитудой.
Тенденции развития средств генерации и приема ЭМИ направлены на увеличение мощности при сокращении длительности фронта импульса, что обусловливает необходимость совершенствования эталона по устранению разрыва в амплитудно-временном диапазоне воспроизведения единиц. В последнее время возросла угроза электромагнитного терроризма, когда преднамеренно наведенные ЭМИ напряженностью десятки и сотни киловольт на метр и длительностью сотни пикосекунд на больших расстояниях могут эффективно нарушать работу электронных устройств [5]. Для калибровки СИ параметров ЭМИ, используемых при испытаниях средств защиты от подобных угроз, необходимы соответствующие эталонные источники, воспроизводящие мощные быстронарастающие ЭМИ ступенчатой формы с tф « 100 пс и амплитудой до 300 кВ/м (800 А/м).
Появились новые типы СИ параметров ЭМИ, в которых реализуются различные электро- и магнитооптические эффекты. Достоинства этих СИ состоят в том, что они не искажают структуру измеряемого поля и имеют сравнительно короткое время нарастания переходной характеристики. Результаты экспериментальных исследований показали, что нижняя граница диапазона измерений электрооптических преобразователей, как правило, начинается с 1 кВ/м, а время нарастания переходной характеристики составляет десятки пикосекунд [6]. Калибровку таких СИ можно осуществлять только в полном динамическом диапазоне в эталонных мощных быстронарастающих ЭМИ.
Одно из перспективных применений ЭМИ — зондирование радиопоглощающих материалов и покрытий с целью определения их отражающих и поглощающих характеристик. Ширина спектра ЭМИ обратно пропорциональна его длительности, т. е. например, при зондировании материала гауссовым импульсом длительностью ^ = 10 пс, можно получить отклик в полосе частот до 40 ГГц. В некоторых случаях необходимо повысить чувствительность при измерениях в области низких частот, что достигается при зондировании материалов импульсами трапецеидальной формы: чем боль-
Рис. 1. Внешний вид полеобразующей системы ВСПС:
1 — плоские заземленные электроды; 2 — входной ВЧ-разъем; 3 — конический переход; 4 — потенциальные электроды круглого сечения; 5 — нагрузка; 6— рабочая зона
ше длительность излучаемого импульса, тем большая доля энергии сосредоточена в области низких частот [7]. Для измерений параметров трапецеидальных зондирующих и отраженных сигналов необходимо использовать СИ, имеющие ступенчатую переходную характеристику достаточной длительности (не менее 10 нс в частотном диапазоне выше 100 МГц) с временем нарастания десятки—сотни пикосекунд. Очевидно, что для калибровки подобных СИ также требуются источники эталонных мощных быстронарастающих ЭМИ.
С целью метрологического обеспечения СИ параметров мощных быстронарастающих ЭМИ во ВНИИОФИ разработана новая высоковольтная субнаносекундная полеобразующая система (ВСПС), в которой воспроизводятся ступенчатые импульсы напряженности электрического и магнитного полей с tф < 100 пс, амплитудой до 300 кВ/м (800 А/м) и ^ > 30 нс. Ниже описана конструкция такой системы, приведены результаты расчетов и экспериментальных исследований.
Полеобразующая система ВСПС является вариацией ТЕМ-ячейки Кроуфорда [2, 3]. Для увеличения однородности поля и расширения полосы рабочих частот центральный плоский электрод расщеплен на два электрода круглого сечения. Внешний вид ВСПС показан на рис. 1. Два электрода 4 круглого сечения заключены сверху и снизу в экран 1 из двух плоских заземленных электродов. В рабочей зоне 6 диаметр электродов а = 50 мм, расстояния между их центрами d = 108,5 мм и между заземленными электродами h = 166 мм выбраны таким образом, чтобы волновое сопротивление данной линии передачи составляло 50 Ом. С одного конца ВСПС установлен конический переход 3 и высоковольтный коаксиальный высокочастотный (ВЧ) разъем 2, а на другом конце — нагрузка 5 из нескольких параллельных цепочек резисторов ТВО общим сопротивлением 50 Ом. Для возбуждения системы используется генератор повторяющихся импульсов напряжения ГИВН-20-0,1 производ-
Рис. 2. Зависимость напряженности электрического поля Е в сечении ВСПС от расстояния х от заземленного электрода
ства НПО «ФИД-Технологии». Импульсы имеют амплитуду 20—25 кВ, 1и ~ 30 нс, tф < 100 пс. Передача единиц вторичным эталонам осуществляется с помощью компаратора напряженности импульсного электрического поля на основе полосковой линии типа ИППЛ-Л [8] в случае эталона-излучателя и прямым образом в полеобразующей системе ВСПС в случае эталона-приемника. Время нарастания переходной характеристики ВСПС определяется длиной конического перехода, а также степенью согласования его начальной части с входным коаксиальным разъемом. Экраны конического перехода и рабочей части ВСПС соединены под некоторым углом в зависимости от длины перехода: чем острее угол, тем больше переизлучение и отражение распространяющего импульса на данном изгибе, что, в свою очередь, приводит к затягиванию его фронта. Слишком длинный переход изготовить также затруднительно, поскольку при этом требуются крепления и поддержки, представляющие дополнительные неоднородности в тракте системы. Длина пере-
у, мм
70
60
50
40
30-
20-
10-
"(4) ШГ ^ © /11 1, /
/7 / /
С
(2)
0 0 I 1
£, В/м
36
32
28
24
20
16
12
20
40
60
Рис. 3. Зависимость напряженности электрического поля Е в сечении ВСПС, когда в нее помещен компаратор (показана половина
сечения):
1 — подложка; 2 — экран; 3 — диэлектрик; 4 — потенциальный электрод; 5 — крышка
хода определена в результате математического моделирования переходных процессов в ВСПС во временной области методом зада
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.