Современное состояние вопроса, исходные данные и требования

Простейший трёхэлектродный однокомпонентный дивергентный датчик содержит три сферических электрода, расположенных на одной прямой (рис. 1.3.15).

Электроды подключены к предварительному усилителю по дифференциальной схеме, что обеспечивает компенсацию однородной помехи.

Плоские дисковые датчики электрического поля

 Конструктивно  плоский датчик (рис. 1.3.16) представляет собой пару тонких сфероидальных электродов 1, разделенных пластиной диэлектрического экрана 2.

Такие конструкции ПП целесообразно использовать при измерении составляющих электрического поля, напряженность которых перпендикулярна скорости потока проводящей жидкости.

Датчик цилиндрической формы

Цилиндрический датчик (рис. 1.3.17) представляет собой диэлектрический цилиндр 1 с металлическими электродами 2, занимающими торцевые и часть боковой поверхности цилиндра.

Достоинством датчиков с цилиндрическими электродами является то, что их электродные системы легко преобразуются для регистрации одной; двух или трех компонент электрической составляющей ЭМП. При этом такие многокомпонентные датчики имеют требуемое число плоскостей симметрии, перпендикулярных соответствующим компонентам поля, что снижает взаимное влияние каналов в многокомпонентном преобразователе.

Следует отметить, что цилиндрические электродные системы более технологичны и просты в изготовлении по сравнению со сфероидальными, а их технические данные могут варьироваться в широких пределах в зависимости от конструкции.

Симметричный трехкомпонентный датчик

     Трехкомпонентный электродный датчик, изображенный на рис. 1.3.18 служит в качестве преобразователя для измерения вектора напряженности электрического поля, может выступать представляет собой три взаимно-ортогональных симметричных электродных датчика (центральный куб из диэлектрика) практически не оказывают взаимного влияния.

Приведенная конструкция является избыточной с точки зрения числа используемых электродов. Для определения всех трех составляющих вектора напряженности электрического поля при сохранении симметрии можно ограничиться четырьмя электродами.

Симметричный четырехэлектродный датчик

Первичный преобразователь (рис. 1.3.19) выполнен в виде четырех одинаковых электродов, закрепленных с помощью жестких изолирующих штанг на диэлектрическом гермо-отсеке, так что центры электродов совпадают с вершинами правильного тетраэдра. Каждый из измерительных электродов подключен к одному из входных зажимов усилительно-измерительных каналов, а вторые зажимы соединены в одну точку, образуя четырех-     лучевую звезду.

Несомненно, что в этом случае существенно усложнится схема обработки сигналов для выделения ортогональных компонент искомого вектора.

Симметричный сферический датчик

Симметричная конструкция (рис. 1.3.20) содержит сферический изолирующий корпус 1, служащий сгустителем силовых линий электрического поля, на который симметрично нанесены проводящие электроды 2. Главным недостатком такого датчика являются технологические трудности изготовления сферического корпуса.

Датчик со сгустителем в форме куба

Применяют симметричную конструкцию трехкомпонентного датчика на основе сгустителя в форме куба (рис. 1.3.21) с электродами, расположенными на его гранях.

Датчик с уменьшенным числом электродов

Симметричный датчик имеет сгуститель тока в форме правильного тетраэдра. Четыре электрода в виде равносторонних треугольников или дисков расположены на гранях тетраэдра (рис. 1.3.22).

Датчик в виде куба с перегородками.

Датчик имеет диэлектрический корпус и тонкими диэлектрическими пластинами-экранами между электродами. На ребрах изолирующего основания в виде куба расположено три пары электродов и симметрично относительно граней установлены изолирующие перегородки на всех 12 ребрах (рис. 1.3.23).

Из рассмотренных систем конструкция в виде куба с диэлектрическими перегородками является наиболее технологичной, наиболее полно использует объем размещения первичного измерительного преобразователя при ограниченных габаритах последнего, обладает практически идеальной геометрической и возможностью обеспечения электрической симметрии всех 3-х каналов.[8]

Исследования ЭМП методом моделирования зачастую выполняют с помощью датчиков и зондов часто напоминающие их собратьев предназначенных для измерения ЭМП в реальных условиях. Для обработки полученной информации применяют компьютер, получающий данные через устройства сопряжения от датчиков и зондов. В случае отсутствия компьютера и устройств сопряжения к нему в качестве измерительного прибора можно использовать вольтметром переменного тока с присоединенным к его выводам датчикам ЭМП.  

 

Датчик поля ДПА-2

Датчик поля ДПА-2 представляет собой (рис. 1.3.24) «укороченную» активную дипольную антенну с общей длиной вибраторов 0,1 м. Может быть использован для измерения значения напряженности электромагнитного поля в рабочей полосе частот. Технические характеристики приведены в таблице 1.3.1.

Рис. 1.3.24 Датчик поля ДПА-2

Таблица 1.3.1.

Наименование параметра	Значение параметра
Полоса рабочих частот	80МГц …. 2100МГц
Коэффициент калибровки	не более 50 дБ (1/м)
Погрешность определения коэффициента калибровки	не более 2 дБ
Пределы измерения напряженности электромагнитного поля	От 114 до 150 дБ (мкВ/м)
Номинальное значение полного выходного сопротивления	50 Ом
Коэффициент стоячей волны (КСВН)	не более 2,0
Степень симметрии диаграммы направленности	не менее 20 дБ
Вес	не более 3кг
Длина радиочастотного кабеля	5м
Питание	220 В , 50Гц,  0,5 Вт
Диапазон рабочих температур	+10ºС … +45ºС
Габаритные размеры, мм	58x100x33

 

 

1.4 Тенденции развития методик и техники экспериментальных исследований ЭМП

Перспективным методом исследования ЭМП является использование компьютерных программ, которые могут моделировать электромагнитные процессы в технических системах. Эти программы, как правило, используются методы конечных разностей (МКР) и конечных элементов (МКЭ). Однако данные методы эффективны только при решении внутренних задач, когда области расчета имеют четкие границы. В случае решения полевой задачи в многосвязной области, к которой относятся, например, разомкнутые магнитные системы, применение МКР и МКЭ приводит к значительному увеличению размерности задачи и, как следствие, для выполнения компьютерного моделирования в реальном масштабе времени требуются большие вычислительные ресурсы.

Одним из путей, позволяющих сократить время расчета параметров поля, не предъявляя высоких требований к ЭВМ по объему памяти и быстродействию, является применение комбинированных методов расчета. Они основаны на оптимальном использовании различных математических моделей поля в каждой из областей системы. Компьютерное моделирование стационарных и статических магнитных полей в разомкнутых магнитных системах целесообразно выполнять с использованием метода интегральных уравнений.

Самые распространенные программные комплексы для расчета ЭМП в своей основе несут МКЭ. Эти программы можно разделить на две категории. К первой относятся универсальные математические программы, такие как Macsyma, Maple, Mathematica и Matlab,охватывающие очень широкий спектр приложений и включающие численное решение дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП) лишь как одну из множества доступных пользователю возможностей. Ко второй категории можно отнести программы, нацеленные исключительно на использование МКЭ для моделирования физических процессов. Рассмотрим возможности наиболее распространенных программных средств для компьютерного моделирования, в состав которых входят модули конечно-элементного анализа электромагнитных процессов.

Рассмотрим наиболее яркого представителя универсальных математических программы – Matlab. На данный момент самой мощной относительно численного анализа из универсальных математических систем является программа Matlab. Непосредственно ядро программы способно решать системы параболических и эллиптических ДУЧП с одной пространственной и одной временной переменными. Помимо ядра программы, стандартный комплект поставки Matlab содержит большое (несколько десятков) и постоянно увеличивающееся число пакетов расширения (toolbox), ориентированных на решение узкоспециальных задач. Все они запускаются из окна Matlab и для своей работы используют её функции.

Помимо PDE Toolbox, к пакету Matlab может подключаться поставляемая отдельно программа Femlab (конечно-элементная лабория) фирмы COMSOL, которая является гораздо более мощным средством численного решения ДУЧП. Данный пакет является дальнейшим развитием идей, заложенных в PDE Tolbox.

Версии Femlab 1.0 и 1.1, появившиеся в 1999 г., ненамного отличались по своим возможное PDE Toolbox (только одно- и двумерные задачи, конечные элемен порядка, и т.д.), хотя появилась возможность использовать кривые и вычислять интегральные характеристики (в режиме командной Matlab). Начиная с версии 2.0, появляется возможность решать трехмерные задачи, осуществлять частичную постпроцессорную обработку. Последняя на данный момент версия Femlab 2.3 (2002 г.) позволяет использовать конечные элементы высоких порядков (лагранжевы элементы 2-4 порядка, элементы Аргириса 5 порядка в двумерных задачах) и осуществлять полноценную постпроцессорную обработку (строить графики, вычислять интегралы по линии, поверхности или объему. В состав входят достаточно мощные средства геометрического моделирования не уступающие по возможностям легким CAD-системам. При создании геометрии расчетной области пользователь имеет возможность либо непосредственно конструировать ее из примитивов либо импортировать готовую, подготовленную какой-либо внешней программой, через форматы DXF или JGES.

Большим достоинством пакета Femlab является возможность произвольно сочетать любое количество нелинейных физических процессов (мультифизический режим). При этом задачи из различных областей решаются одновременно в одной модели, а не последовательно, что улучшает и ускоряет сходимость, но существенно увеличивает размер решаемой задачи.

Основными недостатками пакета являются наличие только конечных элементов треугольного типа, отсутствие возможности регулировать плотность разбиения в трёхмерном случае, завышенные требования к объёму оперативной памяти и работа в режиме интерпретатора команд с использованием функций Matlab, что снижает его быстродействие. Отмеченные недостатки привели к тому, что разработчики Femlab отказались от использования функций ядра Matlab и переписали оптимизированный код программы на языках C++ и Java. Выпущенная в ноябре 2003 г. независимая от Matlab версия Femlab 3.0 может, как заявляют разработчики, моделировать некоторые задачи в 20 раз быстрее и использовать в 20 раз меньше памяти, чем предыдущая версия.

К легким программным средствам можно отнести пакеты, нацеленные либо на одну какую-либо физическую область, либо имеющие принципиальные ограничения на класс решаемых задач. Рассмотрим здесь одну из лучших программ этой категории.

Пакет ELCUT, распространяемый фирмой ТОР (С.-Петербург), ориентирован на решение двумерных полевых задач.  Первая версия программы появилась в 1989 г., начиная с  1993 г. фирмой Тега Analysis распространяется англоязычная версия пакета под названием QuickField. Это достаточно мощный современный комплекс программ для инженерного моделирования двумерных электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов, характеризующийся удобным интерфейсом, простотой описания даже самых сложных моделей, широкими аналитическими возможностями и высокой степенью автоматизации всех операций. Имеется возможность импортировать фрагменты модели в формате DXF из AutoCAD или других систем проектирования. При построении сетки конечных элементов можно использовать средства управления ее густотой или автоматически создавать гладкую сетку, подходящую для решаемой задачи. В программе QuickField применяется метод геометрической декомпозиции. За счет него достигается несколько целей: оптимизируется распределение сетки для получения плавного перехода от больших ячеек маленьким на малом расстоянии, и создаются области для дальней использования градиентного метода. Это приводит к ускорению решения задач большой размерности. Интерактивный постпроцессор пакета позволяет представлять результаты расчета в различных формах: линии поля, цветовые карты, матрицы стрелок, графики различных  величин вдоль произвольных контуров. Кроме этого, могут быть вычислены различные локальные величины в указанной точке и интегральные вели на заданных линиях, поверхностях или объемах, таблицы  и  рисунки можно вывести в файлы для дальнейшей обработки.

В QuickField отсутствует возможность чисто математической постановки задачи, пользователь должен выбрать раздел физики, которому соответствует задача, из списка:

линейные и нелинейные задачи магнитостатики;

низкочастотные магнитные поля, в том числе поле вихревых токов;

электростатика;

распределение электрического тока;

линейные и нелинейные, установившиеся и переходные процессы теплопроводности и электромагнетизма;

анализ нагрузок.

Можно комбинировать несколько типов связанных расчетов в одной задаче. QuickField способен решать только одно, в общем случае нелинейное и нестационарное уравнение для скалярного поля с двумя пространственными и одной временной переменными.

Рассмотрим второй класс так называемые специализированные программы, нацеленные исключительно на использование МКЭ для моделирования физических процессов.

Программа EMSolutions предназначена для моделирования различных электротехнических устройств. С её помощью можно определять распределения трёхмерных статических и квазистационарных магнитных полей, вихревых токов; рассчитывать электромагнитные силы, джоулевы потери и другие электромеханические характеристики устройств.

Специализированная программа HiPhi способна вычислять распределения потенциала и напряженности электростатического поля в произвольных трехмерных системах. Для работы HiPhi требуется текстовый скрипт-файл с описанием области, граничных условий и прочих параметров задачи, графический препроцессор отсутствует. К достоинствам пакета стоит отнести нацеленность на решение больших задач, размер которых ограничен лишь объемом памяти компьютера. Используемый в программе генератор конечно-элементной сетки разбивает область методом экструзии (выдавливания), что не всегда приводит к качественному разбиению.[9]

Основными тенденциями развития программных комплексов для расчета ЭМП являются сокращение требуемых ресурсов компьютера, модернизация интерфейса программ для удобства работы пользователей разной степени подготовки.

Развитие техники экспериментальных исследований неразрывно связано с применением компьютерной техники для обработки полученной информации от сопряженных с ней датчиков. Непрекращающийся прогресс развития компьютеров дает все больше возможностей для моделирования ЭМП по полученным данным от датчиков и расчетным данным. Все эти аспекты дают возможность быстрого и качественного анализа ЭМП в различных условиях.   

1.5 Анализ применимости в разработке известных прогрессивных решений

Наличие воздушной среды, почвы и биологической ткани обуславливает существование трёхмерного ЭМП в МЭП.

Для проведения исследований ЭМП электродной системы ЭТК целесообразно прибегнуть к моделированию в ванне с материальной средой, так как исследовать ЭМП в реальных условиях опасно с точки зрения электробезопасности для лаборантского персонала. Исследование ЭМП необходимо проводить при пониженном напряжении. Для выработки конструкторских решений для разработки экспериментальной установки необходимо проанализировать конструкцию известных примеров моделирования ЭМП.