Диссертация (1149579), страница 12
Текст из файла (страница 12)
2.2. Элементы схемы 0 и 0 (рис. 2.2) не влияютна функцию передачи в рассматриваемом частотном диапазоне, поэтому здесьне показаны.Рисунок 2.3: Измерительные преобразователи электрической и магнитнойкомпонент ЭМ поля. 2 ℎeff= 2(2.2) 1 1 2 + ((1 + ) 2 + 1 ) + 1√где = + + , = , = −1.
Для согласования формы этих () =передаточных функций (с точностью до постоянного множителя) достаточноприравнять коэффициенты характеристических полиномов (2.1) и (2.2): 1 1 += ( + )(1 + 2 ) + 1 2 1 1= ( + )1 1 2(2.3)(2.4)Обозначим = / , ℎ = 1 1 . Два уравнения (2.3) и (2.4) содержат и ,значения которых определены конструкцией антенны и должны быть измереныили рассчитаны, и три элемента входной цепи 1 , 1 и 2 .
Три неизвестныхнельзя найти из двух уравнений, поэтому одно из них, например, 1 , должнобыть задано. Решая систему уравнений относительно 1 и 2 , выразим ихчерез 1 :1 = ℎ1 ( + )2√︀( − ℎ )2 12 − 4( + ) ℎ 1 + ( + ℎ )12 =21 (1 + + )(2.5)(2.6)62Таким образом, для согласования передаточной характеристики вертикальнойэлектрической антенны с характеристикой магнитного индукционного датчикадостаточно подобрать такое 1 , при котором вычисленные по формулам (2.5)и (2.6) значения сопротивлений 1 и 2 будут технологически приемлемы.На основании проведенного автором расчета элементов схемы усилителяактивной антенны был создан аналоговый блок регистратора компоненты .
Функция передачи этого блока совпадает с точностью до постоянногомножителя с функцией передачи магнитной антенны, а входные цепиминимизируют воздействие изменений температуры и влажности воздуха наего характеристики.102Phase, degreesGain, ADC units/(uA/m)25010110-1100101Frequency, Hz10210320015010050010-1100101Frequency, Hz102103Group delay, ms10210110010-110-1100101Frequency, Hz102103Слева вверху – АЧХ | |, | | и | | /0 , 0 = 120 Ом, измерительных каналовкомпонент магнитного поля , и электрического поля , показанныекрасной, синей и черной линиями, соответственно; справа вверху - ФЧХ,показанные так же; внизу – групповая задержка сигналов в эти каналах.Рисунок 2.4: АЧХ, ФЧХ и время групповой задержки измерительныхканалов , и 63В заключение этого раздела приведем результаты согласования АЧХ иФЧХ магнитных каналов с АЧХ и ФЧХ канала и времена групповойзадержки сигналов в этих каналах (см.
рис. 2.4). Характеристики магнитныхканалов определялись по стандартной методике – проводилась калибровкаиндукционных магнитометров в катушке-соленоиде. Характеристики канала определялись согласно разделам 2.2.2 и 2.2.1. Из рисунка следует, чтохарактеристики всех трех компонент поля практически совпадают. Этоподтверждает правильность методики согласования передаточных функцийвходного усилителя активной электрической антенны с функциями передачииндукционных магнитометров, описанной в данной работе и используемой приразработке усилителя регистратора .2.1.4Лабораторные и натурные испытания регистратораВ этом разделе мы сравним рассчитанные и измеренные АЧХ и ФЧХпервого каскада усиления .
Для оценки влияния изменений окружающейтемпературы на передаточные характеристики регистратора здесь будетпроведен анализ изменений передаточной функции как первого каскадаусиления, так и всего регистратора в диапазоне температур от -30∘ до +20∘ С.В нашей ситуации невозможно измерить по отдельности собственнуюемкость антенны , емкость антенна-земля и емкость кабеля , но можноизмерить их сумму, поскольку эти емкости подключены параллельно междуантенной и общим проводом, и проверить совпадение суммы рассчитанныхемкостей = + + с экспериментально полученным значением .Характеристический полином в знаменателе (2.2) включает только , а неотдельно , или , поэтому измерение величины позволило уменьшитьошибку расчета функции передачи (2.2).Измерение стандартным прибором-измерителем емкости затруднено изза присутствующих на выходе антенны промышленной помехи 50 Гц и еегармоник и естественных импульсных сигналов, поэтому пришлось применитьследующий способ.
Усилитель антенны был отключен от антенны. Квыходу антенны был подключен осциллограф и через резистор с генераторана выход антенны, который представляет параллельно соединенные , 64и , было подано синусоидальное напряжение с частотой от 1 до 20 кГц.Амплитуда напряжения на выходной клемме кабеля антенны измеряласьосциллографом. Схема включения приведена на вставке рисунка 2.5.
Легкопоказать, что = / (1 + clb ) и | |=√︀2 2.| | / 1 + 2 clbПолученная зависимость ( ) аппроксимировалась зависимостью вида√︀| ( )| = | | / 1 + 2 /02 методом наименьших квадратов, | | - амплитуданапряжения на клемме резистора со стороны генератора, 0 = 1/2clb ,откуда следует, что = 1/20 clb .0Gain10Генератор1000Frequency, Hz10000Сплошная линия – измеренная √︀АЧХ схемы на вставке, пунктир – ееаппроксимация функцией |( )| = (1 + 2 /02 , 0 = 2/( + + ).Рисунок 2.5: АЧХ схемы для измерения + + На рисунке 2.5 показаны измеренная АЧХ схемы (вставка рис. 2.5), и АЧХтой же схемы, полученная в результате аппроксимации ( ).
Видно, что этизависимости практически точно совпадают при 0 =6950 Гц, откуда получаем = 1162 пФ. Расчет по методике [108] дает = 142 пФ, = 192 пФ, аемкость кабеля РК-75 длиной 12.5 м с погонной емкостью 67 пФ/м составляет838 пФ, что приводит к значению = 1172 пФ. Таким образом, рассчитанноеи измеренное значение различаются примерно на 2%.Практика показывает, что основное влияние на изменение параметров РЭА впериод эксплуатации оказывает температура.
Поэтому важно оценить величинутемпературного ухода функции передачи входного усилителя антенны иизмерительного канала в целом, включая АЦП.65Мы определили максимально возможную относительную погрешность АЧХи абсолютную погрешность ФЧХ (т.н. температурный допуск), измеряя этихарактеристики в помещении и в месте установки усилителя и АЦП при2.521.510.50-110100110Frequency, Hz102Phase deviation,degressGain relative deviation,%температуре -30∘ C. Результаты измерений показаны на рис. 2.6.1.41.210.80.60.40.20-110010101102Frequency, HzСплошной линией показаны относительные изменения АЧХ (слева) и ФЧХ(справа) при изменении температуры усилителя от -30∘ C до +21∘ C. Пунктиром– то же, но для всего измерительного канала , включая anti-alias фильтр.Рисунок 2.6: Относительное изменение АЧХ и абсолютное изменение ФЧХпри изменении температуры.Завершая данный раздел, подведем его итоги:– Измерена величина параллельно соединенных собственной емкостиантенны, емкости антенна-земля и емкости кабеля.
Показано, что разницамежду измеренной и полученной в результате расчета величинамиемкости = + + составляет порядка 2%, что свидетельствуето точности расчета распределенных элементов антенны , , и пометодике [108].– Оценен диапазон изменения АЧХ и ФЧХ в диапазоне температур от −30∘до +21∘ С. Показано, что максимальное отклонение АЧХ от среднегозначения при изменении температуры на 50 градусов не превышает2.5%, а максимальное изменение ФЧХ в этом температурном диапазонесоставляет менее 2 градусов.662.2Определение функции передачи канала .Калибровка магнитометров ПГИ [106; 110] неоднократно проводилась ибыла тщательно проверена ее применением в различных исследованиях.
Вданной работе мы не будем детально анализировать верность методикикалибровки регистраторов магнитного поля и полученных с ее помощью АЧХи ФЧХ, а все внимание уделим измерению ФЧХ и расчету АЧХ регистратора .Точностькалибровкирегистраторавертикальнойкомпонентыэлектрического поля оказывает прямое влияние на точность оценки такихпараметров, как волновой импеданс [148], вектор Пойнтинга и групповая ифазовая скорости распространения электромагнитного сигнала в волноводеЗемля-ионосфера. Представим передаточную функцию регистратора, котораядолжна быть определена, в виде ()=| ()| () , где | ()| –амплитудно-частотная, а () – фазочастотная характеристики регистратора.На точность оценки групповой и фазовой скоростей распространенияэлектромагнитного сигнала влияет только фазочастотная характеристикарегистратора электрического поля, так как групповая задержка сигналав схеме определяется как = −()/ .
На точность оценки волновогоимпеданса доминирующее влияние оказывает его амплитудно-частотнаяхарактеристика. Как уже было сказано выше, прямое измерение модуляпередаточной характеристики | ()| вертикальной электрической антенныс созданием однородного вертикального электрического поля с известнойнапряженностью практически невозможно [15], но эту характеристику нужнои можно рассчитать.Точностьнаизмерениярегистрирующую[︁]︁⃗ = Re ⃗ ×⃗*угластанцию,приходаэлектромагнитноговычисляемогоповекторусигналаПойнтинга[148], при малых ошибках в измерении фазо–частотнойхарактеристики канала не зависит от точности амплитудной калибровкиэлектрическойантенны,азависиттолькоотточностиопределенияпередаточных функций магнитных компонент.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
