RU2444022C1

RU2444022C1 - Magnetic and electric field display

Info

Publication number: RU2444022C1
Application number: RU2010149088/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Валерьевич Мамаев (RU); Сергей Валерьевич Мамаев; Сергей Александрович Черныш (RU); Сергей Александрович Черныш; Анатолий Афанасьевич Рода (RU); Анатолий Афанасьевич Рода; Евгений Викторович Огарев (RU); Евгений Викторович Огарев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "КВАРТА-РАД"
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2012-02-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: display has in a housing a motherboard and three printed-circuit boards with printed electric dipole antennae and wire coils with a ferromagnetic core - magnetic field sensors, preamplifiers, low-pass filters, output amplifiers of antenna boards, analogue-to-digital converters of the master microcontroller, a liquid-crystal display and an acoustic radiator. Two antenna boards meant for field components in the horizontal plane are directed in a mutually perpendicular direction, and the third antenna board meant for the vertical field component deviates from the mutually perpendicular direction relative the two antenna boards. Outputs of the antenna boards are connected to inputs of the microcontroller with analogue-to-digital converters. One of the outputs of the microcontroller is connected to the input of the amplifier, the output of which is connected to the acoustic radiator. Outputs of the voltaic element are connected to the input of the voltage converter, the output of which is connected to the other input of the microcontroller, and control buttons are also connected to one of the inputs of the microcontroller.

EFFECT: simple design, isotropic simultaneous measurement of electric and magnetic field strength at industrial frequency.

2 dwg

Description

Изобретение относится к индикации и измерениям напряженности электрического и магнитного полей промышленной частоты, к случаю, когда измерения проводят одновременно и в одном и том же месте, т.е. в одной точке пространства, и может найти применение при контроле их соответствия нормам безопасности воздействия на человека или технические средства.The invention relates to the indication and measurement of electric and magnetic fields of industrial frequency, to the case when measurements are carried out simultaneously and in the same place, i.e. at one point in space, and may find application in monitoring their compliance with safety standards for human exposure or technical means.

Известен индикатор электрического поля, содержащий антенны в виде плоских пластин, усилители, компараторы и узел индикации (патент США №4,277,745, МПК G01R 29/08, 1981 г.). К недостаткам данного индикатора можно отнести измерение только электрического поля и три ступени представления результатов.A known indicator of the electric field, containing antennas in the form of flat plates, amplifiers, comparators and an indication unit (US patent No. 4,277,745, IPC G01R 29/08, 1981). The disadvantages of this indicator include the measurement of only the electric field and three steps of presenting the results.

Известна система широкополосных датчиков для одновременного измерения комплексных Е и Н полей, содержащая набор трех взаимно ортогональных дипольных антенн и трех взаимно ортогональных петлевых антенн, размещенных внутри одного объема пространства, усилители, аналого-цифровые преобразователи, устройства запоминания и индикации результатов (патент США №7,248,054, МПК G01R 29/12; G01R 27/26, 2007 г.). Данная система сложна в изготовлении и не позволяет проводить измерения в узкой полосе на промышленной частоте.A known system of broadband sensors for simultaneous measurement of complex E and H fields, containing a set of three mutually orthogonal dipole antennas and three mutually orthogonal loop antennas located within the same volume of space, amplifiers, analog-to-digital converters, memory devices and display of results (US patent No. 7,248,054 , IPC G01R 29/12; G01R 27/26, 2007). This system is difficult to manufacture and does not allow measurements in a narrow band at an industrial frequency.

Известен способ измерения напряженности электрического поля, основанный на помещении в исследуемое пространство одновременно n пар проводящих чувствительных элементов, входящих в общий датчик, симметрировании наружных поверхностей датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров поверхностей чувствительных элементов попарно на n осях выбранной системы координат симметрично относительно ее начала, при этом датчик ориентируют и затем поддерживают так, чтобы вектор напряженности электрического поля был равноудален от координатных осей датчика, т.е. чтобы его составляющие по координатным осям были равны, а конфигурацию и размер чувствительных элементов выбирают из условия минимума погрешности от неоднородности электрического поля при максимальном пространственном диапазоне, при этом модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением составляющих датчика, отличающийся тем, что датчик выполняют трехкоординатным, т.е. n=3, и его ориентируют в пространстве так, чтобы одна из составляющих вектора напряженности по одной из координатных осей датчика стала равна нулю, затем, фиксируя датчик в этом положении, поворачивают датчик вокруг найденной координатной оси до достижения равенства двух других составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика, при этом модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением алгебраической суммы двух не равных нулю составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика (патент Российской Федерации №2388003, МПК G01R 29/08, 2010 г.). Недостатком изобретения является необходимость вращения датчика для того, чтобы одна из составляющих вектора напряженности по одной из координатных осей датчика стала равна нулю, а также возможность измерения только напряженности электрического поля.A known method of measuring electric field strength is based on placing simultaneously in the test space n pairs of conductive sensitive elements included in the common sensor, balancing the outer surfaces of the sensor relative to the coordinate planes with the location of the centers of the surfaces of the sensitive elements in pairs on n axes of the selected coordinate system symmetrically with respect to its the sensor is oriented and then supported so that the electric field vector is equi ene of the coordinate axes of the sensor, i.e., so that its components along the coordinate axes are equal, and the configuration and size of the sensitive elements are selected from the condition of a minimum error from the inhomogeneity of the electric field at the maximum spatial range, while the modulus of the vector of the measured electric field strength is determined by measuring the components of the sensor, characterized in that the sensor is three-coordinate, those. n = 3, and it is oriented in space so that one of the components of the tension vector along one of the coordinate axes of the sensor becomes zero, then, fixing the sensor in this position, turn the sensor around the found coordinate axis until two other components of the electric tension vector are equal field along the coordinate axes of the sensor, while the modulus of the intensity vector of the measured electric field is determined by measuring the algebraic sum of two non-zero components of the vector of the electric field on the coordinate axes of the sensor (patent of the Russian Federation No. 2388003, IPC G01R 29/08, 2010). The disadvantage of the invention is the need for rotation of the sensor so that one of the components of the vector of tension along one of the coordinate axes of the sensor becomes zero, and also the ability to measure only the electric field strength.

Известен способ оценки безопасности воздействия суперпозиции вращающегося и линейного магнитных полей, заключающийся в том, что в контролируемой точке пространства регистрируют показание Н₃ трехкоординатного магнитометра и максимальное показание H_1max однокоординатного магнитометра, полученное при изменении его ориентации, вычисляют значения вращающейся Н_в и линейной Н_л составляющих напряженности магнитного поля по формуламA known method for assessing the safety of the effects of a superposition of rotating and linear magnetic fields is that, at a controlled point in space, the H ₃ reading of a _three -coordinate magnetometer and the maximum reading H _{1max of a single} -coordinate magnetometer obtained by changing its orientation are recorded, and the values of rotating H _in and linear H _l are calculated components of the magnetic field according to the formulas

,

Н_л=Н₃-Н_в, где k₃ - калибровочный коэффициент трехкоординатного магнитометра, а затем сравнивают вычисленные значения составляющих напряженности магнитного поля с их предельно допустимыми уровнями (патент Российской Федерации №2398246, МПК G01R 29/08, 2010 г.). Недостатком изобретения является возможность измерений только магнитных составляющих.N _l = N ₃ -H _in , where k ₃ is the calibration coefficient of the three-coordinate magnetometer, and then the calculated values of the components of the magnetic field are compared with their maximum permissible levels (patent of the Russian Federation No. 2398246, IPC G01R 29/08, 2010). The disadvantage of the invention is the ability to measure only magnetic components.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, выполнение изотропных одновременных измерений напряженности электрического и магнитного полей промышленной частоты.The technical result of the invention is to simplify the design, perform isotropic simultaneous measurements of the electric and magnetic fields of industrial frequency.

Технический результат достигается тем, что индикатор магнитного и электрического полей содержит в корпусе основную плату и три печатные платы с печатными дипольными электрическими антеннами и проводными катушками с ферромагнитным сердечником - датчиками магнитного поля, причем две антенные платы, предназначенные для составляющих поля в горизонтальной плоскости, ориентированы во взаимно перпендикулярном направлении, а третья антенная плата, предназначенная для вертикальной составляющей поля, отклонена от взаимно перпендикулярного направления по отношению к двум антенным платам, предварительные усилители, фильтры нижних частот, выходные усилители антенных плат, аналого-цифровых преобразователей управляющего микроконтроллера, жидкокристаллический дисплей, излучатель звука, причем выходы антенных плат соединены с входами микроконтроллера с аналого-цифровыми преобразователями, один из выходов микроконтроллера соединен с входом усилителя, выход которого соединен с излучателем звука, выходы гальванического элемента соединены с входом преобразователя напряжения, выход которого соединен с другим входом микроконтроллера, а кнопки управления также соединены с одним из входов микроконтроллера.The technical result is achieved by the fact that the indicator of magnetic and electric fields contains in the case a main board and three printed circuit boards with printed dipole electric antennas and wire coils with a ferromagnetic core — magnetic field sensors, and two antenna boards designed for field components in the horizontal plane are oriented in a mutually perpendicular direction, and the third antenna board, designed for the vertical component of the field, is deviated from the mutually perpendicular directions with respect to two antenna cards, pre-amplifiers, low-pass filters, output amplifiers of antenna cards, analog-to-digital converters of the control microcontroller, liquid crystal display, sound emitter, the outputs of the antenna boards being connected to the inputs of the microcontroller with analog-to-digital converters, one of the outputs the microcontroller is connected to the input of the amplifier, the output of which is connected to the sound emitter, the outputs of the galvanic cell are connected to the input of the voltage Converter, the output of which is connected to another input of the microcontroller, and the control buttons are also connected to one of the inputs of the microcontroller.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2.The invention is illustrated in figures 1 and 2.

На фиг.1 представлена функциональная схема антенной платы индикатора, где 1 - катушка с ферромагнитным сердечником, 2 - предварительный усилитель, 3 - аналоговый фильтр, 4 - выходной усилитель, 5 - печатная дипольная антенна, 6 - предварительный усилитель, 7, 8 - аналоговые фильтры, 9 - выходной усилитель, 10 - микросхема памяти EEPROM.Figure 1 shows the functional diagram of the indicator antenna board, where 1 is a coil with a ferromagnetic core, 2 is a pre-amplifier, 3 is an analog filter, 4 is an output amplifier, 5 is a printed dipole antenna, 6 is a pre-amplifier, 7, 8 are analog filters, 9 - output amplifier, 10 - EEPROM memory chip.

На фиг.2 - представлена общая функциональная схема индикатора, где 11, 12, 13 - антенные платы, 14 - микроконтроллер с аналого-цифровыми преобразователями, 15 - жидкокристаллический дисплей, 16 - усилитель, 17 - излучатель звука, 18 - кнопки управления, 19 - гальванический элемент, 20 - преобразователь напряжения.Figure 2 - shows the general functional diagram of the indicator, where 11, 12, 13 - antenna boards, 14 - a microcontroller with analog-to-digital converters, 15 - a liquid crystal display, 16 - an amplifier, 17 - a sound emitter, 18 - control buttons, 19 - galvanic cell; 20 - voltage converter.

Индикатор магнитного и электрического полей содержит три печатных антенных платы 11, 12, 13 с датчиками электромагнитного поля. Каждая антенная плата 11, 12, 13 содержит печатную дипольную антенну 5 - датчик электрического поля, и проволочную катушку на ферромагнитном сердечнике 1 - датчик магнитного поля. Ориентация датчиков 1 и 5 на платах и ориентация самих плат 11, 12, 13 в корпусе индикатора обеспечивает изотропность проводимых измерений, избавляя от необходимости вручную изменять ориентацию индикатора в пространстве.The indicator of magnetic and electric fields contains three printed antenna boards 11, 12, 13 with electromagnetic field sensors. Each antenna board 11, 12, 13 contains a printed dipole antenna 5 — an electric field sensor, and a wire coil on a ferromagnetic core 1 — a magnetic field sensor. The orientation of the sensors 1 and 5 on the boards and the orientation of the boards 11, 12, 13 themselves in the indicator housing ensures the isotropy of the measurements, eliminating the need to manually change the orientation of the indicator in space.

Датчики 1 и 5 преобразуют величины напряженности электрического и магнитного полей в электрические сигналы с сохранением исходной частоты и с амплитудами, пропорциональными напряженностям полей. На антенных платах 11, 12, 13 производят первичную обработку сигналов: предварительное усиление, вырезание высокочастотных составляющих с помощью активных НЧ фильтров и усиление на выходных усилителях 4, 9 антенных плат 11, 12, 13.Sensors 1 and 5 convert the magnitude of the electric and magnetic fields into electrical signals while maintaining the original frequency and with amplitudes proportional to the field strengths. The primary signal processing is performed on the antenna boards 11, 12, 13: preliminary amplification, cutting out the high-frequency components using active low-pass filters and amplification on the output amplifiers 4, 9 of the antenna boards 11, 12, 13.

Сигналы с антенных плат 11, 12, 13 поступают на входы аналого-цифровых преобразователей, входящих в состав микроконтроллера 14. Микроконтроллер 14 обрабатывает отсчеты мгновенных значений напряженности полей, коррекцию отсчетов по калибровочным коэффициентам для каждого датчика 1 и 5, цифровую фильтрацию с центральной частотой пропускания 50 Гц, вычисление среднеквадратических значений векторов электрического и магнитного поля, усреднение по времени. Представляет результаты в цифровом и аналоговом виде на жидкокристаллическом дисплее индикатора 15, сравнивает полученные значения с пороговыми уровнями, включает излучатель звука 17 при их превышении. В режиме мониторинга проводят измерения на задаваемых пользователем интервалах времени, усреднение результатов, запоминание их в памяти индикатора и воспроизведение их в режиме просмотра. Индикатор позволяет оценить степень опасности для человека, создаваемую окружающим электромагнитным излучением.The signals from the antenna boards 11, 12, 13 are fed to the inputs of the analog-to-digital converters included in the microcontroller 14. The microcontroller 14 processes the samples of the instantaneous field strengths, the correction of the samples by calibration coefficients for each sensor 1 and 5, digital filtering with a central transmission frequency 50 Hz, calculation of the rms values of the vectors of the electric and magnetic fields, averaging over time. It presents the results in digital and analog form on the liquid crystal display of indicator 15, compares the obtained values with threshold levels, turns on the sound emitter 17 when they are exceeded. In the monitoring mode, measurements are taken at user-specified time intervals, averaging the results, storing them in the indicator memory and playing them back in the viewing mode. The indicator allows you to assess the degree of danger to humans created by the surrounding electromagnetic radiation.

Индикатор электромагнитного излучения содержит в корпусе три антенных платы 11, 12, 13, на каждой из которых расположены печатная дипольная электрическая антенна 5 и катушка с ферромагнитным сердечником 1 - магнитная антенна. Антенны 1 и 5 обеспечивают изотропные измерения, исключающие необходимость изменения ориентации индикатора при работе.The electromagnetic radiation indicator contains three antenna boards 11, 12, 13 in the housing, each of which has a printed dipole electric antenna 5 and a coil with a ferromagnetic core 1 — a magnetic antenna. Antennas 1 and 5 provide isotropic measurements, eliminating the need to change the orientation of the indicator during operation.

Индикатор электромагнитного поля при использовании держат в одной руке, что обеспечивает удобство работы.The indicator of the electromagnetic field when used is held in one hand, which ensures ease of use.

Индикатор электромагнитного поля работает следующим образом.The electromagnetic field indicator works as follows.

Магнитная составляющая окружающего электромагнитного поля вызывает появление на выходе датчика магнитного поля - катушки с ферромагнитным сердечником 1, сигнала в виде напряжения, совпадающего по частоте и форме с магнитным полем, и с амплитудой, пропорциональной амплитуде напряженности магнитного поля. Этот сигнал увеличивают предварительным операционным усилителем 2. Далее сигнал фильтруют аналоговым фильтром 3, устраняющим высокочастотные составляющие, являющиеся в данном случае помехой. Отфильтрованный сигнал усиливают выходным усилителем 4 и направляют на выходной разъем антенной платы 11, 12, 13.The magnetic component of the surrounding electromagnetic field causes the output of the magnetic field sensor - a coil with a ferromagnetic core 1, a signal in the form of a voltage matching in frequency and shape with the magnetic field, and with an amplitude proportional to the amplitude of the magnetic field. This signal is increased by a preliminary operational amplifier 2. Next, the signal is filtered by an analog filter 3, which eliminates the high-frequency components, which in this case are an obstacle. The filtered signal is amplified by the output amplifier 4 and sent to the output connector of the antenna board 11, 12, 13.

Электрическая составляющая окружающего электромагнитного поля вызывает появление на выходе датчика электрического поля - печатной дипольной антенны 5, сигнала в виде напряжения, совпадающего по частоте и форме с электрическим полем, и с амплитудой, пропорциональной амплитуде напряженности электрического поля.The electrical component of the surrounding electromagnetic field causes the appearance of an electric field sensor — a printed dipole antenna 5 — at the output of a signal in the form of a voltage matching in frequency and shape with the electric field, and with an amplitude proportional to the amplitude of the electric field.

Этот сигнал усиливается предварительным усилителем 6, выполненным на операционном усилителе. Далее сигнал обрабатывается аналоговыми фильтрами 7 и 8, выполненными на операционном усилителе и RC-элементах и устраняющими высокочастотные составляющие, являющиеся в данном случае помехой. С выхода фильтра 8 сигнал поступает на выходной усилитель 9, выполненный на операционном усилителе, и далее на выходной разъем антенной платы.This signal is amplified by a preamplifier 6 made on an operational amplifier. Next, the signal is processed by analog filters 7 and 8, made on the operational amplifier and RC elements and eliminating high-frequency components, which in this case are interference. From the output of the filter 8, the signal goes to the output amplifier 9, made on the operational amplifier, and then to the output connector of the antenna board.

Таким образом, каждая антенна плата 11, 12, 13 обеспечивает два выходных сигнала, соответствующих напряженности электрического Е и магнитного поля В по ее направлению, а три антенные платы 11, 12, 13 - в совокупности Вх, Ex, By, Ey, Bz, Ez.Thus, each antenna board 11, 12, 13 provides two output signals corresponding to the electric strength E and magnetic field B in its direction, and three antenna boards 11, 12, 13 in the aggregate Bx, Ex, By, Ey, Bz, Ez.

Антенные платы 11 и 12, предназначенные для составляющих поля в горизонтальной плоскости (X и Y), имеют одну и ту же конфигурацию и являются взаимозаменяемыми. Антенная плата 13 для вертикальной составляющей поля отличается тем, что ее дипольная антенна 5 отклонена от взаимно перпендикулярного направления для улучшения изотропности измерений.Antenna boards 11 and 12, designed for field components in the horizontal plane (X and Y), have the same configuration and are interchangeable. The antenna board 13 for the vertical field component is characterized in that its dipole antenna 5 is deviated from the mutually perpendicular direction to improve the measurement isotropy.

На каждой антенной плате 11, 12, 13 находится также микросхема памяти EEPROM 10, предназначенная для хранения калибровочных коэффициентов для электрического и магнитного датчиков, которые рассчитывают в процессе автоматической калибровки и используют в процессе измерений для масштабирования поступающих с них сигналов.On each antenna board 11, 12, 13 there is also an EEPROM 10 memory chip designed to store calibration coefficients for electric and magnetic sensors, which are calculated in the process of automatic calibration and used in the measurement process to scale the signals coming from them.

Выходные сигналы с антенных плат 11, 12, 13 через разъемы платы и согласующие резисторы поступают на входы аналого-цифровых преобразователей 4, входящих в состав микроконтроллера 14. Микроконтроллер 14 производит выборку отсчетов, масштабирование сигналов согласно калибровочным коэффициентам датчиков, цифровую фильтрацию сигнала в частотной полосе 50±2 Гц, вычисление среднеквадратических величин векторов напряженностей электрического и магнитного полей, усреднение на интервале 1 с, представление результатов на жидкокристаллическом дисплее 15. Результаты представляются как в цифровой, так и в аналоговой форме, в последнем случае в виде столбика переменной высоты, что удобно в процессе поиска источника излучения.The output signals from the antenna boards 11, 12, 13 through the board connectors and terminating resistors are fed to the inputs of the analog-to-digital converters 4 included in the microcontroller 14. The microcontroller 14 selects samples, scales the signals according to the calibration coefficients of the sensors, digitally filters the signal in the frequency band 50 ± 2 Hz, calculation of rms values of electric and magnetic field strength vectors, averaging over an interval of 1 s, presentation of the results on a liquid crystal display 15. The results are presented in digital or analog form, in the latter case in the form of a column of variable height, which is convenient in the search for the source.

Полученные величины напряженности сравнивают с установленными уровнями, и при их превышении включается звуковой сигнал - через усилитель 16 на излучатель звука 17. Управление работой индикатора производится помощью экранного меню и трех кнопок управления 18. Питание индикатора осуществляют от гальванических элементов 19 и преобразователя напряжения 20 для выработки напряжения питания и опорного напряжения.The obtained values of the tension are compared with the set levels, and when they are exceeded, an audio signal is turned on through the amplifier 16 to the sound emitter 17. The indicator operation is controlled by the on-screen menu and three control buttons 18. The indicator is powered by galvanic cells 19 and voltage converter 20 to generate supply voltage and reference voltage.

Кроме отображения текущих величин напряженности электромагнитного поля в индикаторе предусмотрен режим мониторинга, в котором в памяти микроконтроллера 14 запоминают усредненные значения, полученные на временном интервале, величину которого устанавливают по желанию пользователя. В памяти индикатора может храниться до тринадцати таких результатов с соответствующими отметками времени и возможностью просмотра в любой момент.In addition to displaying the current values of the electromagnetic field strength in the indicator, a monitoring mode is provided in which the average values obtained over a time interval, the value of which is set at the user's request, are stored in the microcontroller 14. The indicator can store up to thirteen such results with the corresponding time stamps and the ability to view them at any time.

Claims

Magnetic and electric field indicator, characterized in that it contains a main board and three printed circuit boards with printed dipole electric antennas and wire coils with a ferromagnetic core - magnetic field sensors, and two antenna boards designed for field components in the horizontal plane are oriented in mutually perpendicular to the direction, and the third antenna board, designed for the vertical component of the field, is deviated from the mutually perpendicular direction along in relation to two antenna cards, pre-amplifiers, low-pass filters, output amplifiers of antenna cards, analog-to-digital converters of the control microcontroller, a liquid crystal display, a sound emitter, the outputs of the antenna boards being connected to the inputs of the microcontroller with analog-to-digital converters, one of the outputs of the microcontroller is connected with the input of the amplifier, the output of which is connected to the sound emitter, the outputs of the galvanic cell are connected to the input of the voltage converter, the output of which connected to another input of the microcontroller, and control buttons are also connected to one of the inputs of the microcontroller.