Пристрій для виміру електромагнітних випромінювань нетеплової інтенсивності

Реферат: Пристрій для виміру електромагнітних випромінювань нетеплової інтенсивності складається з вимірювального і опорного водоелектричних датчиків, які містять дві пари електродів, одна пара електродів заземлена і з'єднана з металевим екраном, в якому розміщений опорний водоелектричний датчик та послідовно з'єднані вибірковий підсилювач і квадратичний перетворювач, інтегратор і вольтметр. Введені комутаційний генератор, послідовно з'єднані фільтр нижніх частот, підсилювач частоти комутації і фазочутливий випрямляч, автоматичний перемикач. UA 72278 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРУ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ НЕТЕПЛОВОЇ ІНТЕНСИВНОСТІ UA 72278 U UA 72278 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до техніки виміру електромагнітних випромінювань і може бути використана для виміру слабких електромагнітних випромінювань нетеплової інтенсивності. Виявлення і вимір слабких електромагнітних випромінювань (ЕМВ) нетеплової інтенсивності (менше 0,1…1 мВт/см) досить складне завдання при використанні традиційних детекторів (вакуумних, напівпровідникових і термочутливих) через їх низьку чутливість при співвідношенні сигнал/шум менше одиниці. Перспективним є використання як детектор слабких ЕМВ очищеної води, великий електричний опір якої змінюється залежно від дози опромінення (Бессонов А. П., Стась И. Е. Влияние высокочастотного электромагнитного поля на физико-химические свойства воды и ее спектральные характеристики//Ползуновский вестник, 2003, №3. - С. 305-309). Під дією ЕМВ в + очищеній від домішок воді виникають позитивні (H ) і негативні (ОН ) іони, які утворюють нові кластери, що приводить до зростання електропровідності води без її додаткового нагріву. Проте, існуючі пристрої для виміру електропровідності води включають джерело постійного або змінного струму, який пропускають через досліджуване середовище, що приводить до руйнування кластерної структури опроміненої води і викликає її додатковий нагрів. Безконтактні (безструмові) пристрої виміру електропровідності води передбачають зовнішню дію електромагнітного поля на досліджувану воду і вимір електричних втрат у вимірювальній схемі (Жуков Ю. П., Кулаков М.В. Высокочастотная безэлектродная кондуктометрия. - М. "Энергия", 1968. - С. 58-62). Проте, зовнішні електричне і магнітне поля відносно великої інтенсивності так само порушують кластерну структуру опроміненої ЕМВ води, що не дозволяє кількісно оцінити вплив слабкого вимірюваного ЕМВ. Відомий також пристрій для виміру електромагнітних випромінювань нетеплової інтенсивності по патенту України № 52861, МПК G01R 29/00, 2010, що складається з вимірювального і опорного водоелектричних датчиків, які містять дві пари електродів, одна пара електродів заземлена і з'єднана з металевим екраном, в якому розміщений опорний водоелектричний датчик, та послідовно з'єднані вибірковий підсилювач і квадратичний перетворювач, інтегратор і вольтметр. Крім того, пристрій включає диференційний підсилювач, прямий і інверсний входи якого безпосередньо з'єднані з електродами водоелектричних датчиків. Проте, цьому пристрою властивий великий дрейф нуля, що не дозволяє фіксувати слабкі ЕМВ. Робота відомого пристрою ґрунтується на порівнянні рівня теплових шумів вимірювального і опорного датчиків, різниця яких формується диференційним підсилювачем. Але теплові шуми в двох незалежних датчиках є некорельованими між собою. Тому за допомогою диференційного підсилювача не можна повністю відняти шуми одного датчика з шумів іншого, а їх різниця флуктує в часі. В результаті виникає дрейф нуля, що знижує точність виміру зовнішнього ЕМВ. В основу корисної моделі поставлено задачу створити такий пристрій для виміру електромагнітних випромінювань нетеплової інтенсивності, в якому введення нових елементів і зв'язків забезпечили б формування різниці двох шумових сигналів незалежно від ступеня їх кореляції, що усуває дрейф нуля схеми порівняння і підвищує точність виміру слабких електромагнітних випромінювань нетеплової інтенсивності. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для виміру електромагнітних випромінювань нетеплової інтенсивності, що складається з вимірювального і опорного водоелектричних датчиків, які містять дві пари електродів, одна пара електродів заземлена і з'єднана з металевим екраном, в якому розміщений опорний водоелектричний датчик та послідовно з'єднані вибірковий підсилювач і квадратичний перетворювач, інтегратор і вольтметр, згідно з корисною моделлю, введені комутаційний генератор, послідовно з'єднані фільтр нижніх частот, підсилювач частоти комутації і фазочутливий випрямляч, автоматичний перемикач, входи якого з'єднані з іншою парою електродів вимірювального і опорного водоелектричних датчиків, вихід автоматичного перемикача з'єднаний з входом вибіркового підсилювача, вихід квадратичного перетворювача з'єднаний з фільтром нижніх частот, вихід фазочутливого випрямляча з'єднаний з інтегратором, а керуючі входи автоматичного перемикача і фазочутливого випрямляча підключені до комутаційного генератора. Введення в схему пристрою для виміру електромагнітних випромінювань нетеплової інтенсивності комутаційного генератора, фільтра нижніх частот, підсилювача частоти комутації, фазочутливого випрямляча і автоматичного перемикача, включених вказаним чином, дозволяє окремо сформувати імпульс напруги, амплітуда якого пропорційна середньому квадрату теплових шумів вимірювального датчика, і подальший за часом імпульс напруги, амплітуда якого пропорційна середньому квадрату теплових шумів опорного датчика. Виділення з 1 UA 72278 U 5 10 15 20 25 30 35 послідовності імпульсів змінної складової напруги фільтром нижніх частот і підсилювачем частоти комутації і подальше фазочутливе випрямлення цієї напруги забезпечує отримання різницевої напруги, значення якої пропорційно різниці рівнів теплових шумів вимірювального і опорного датчиків незалежно від ступені кореляції порівнюваних шумів. Таке схемотехнічне рішення забезпечує стабільний нуль у вимірювальному пристрої і дозволяє значно підвищити його чутливість за рахунок додаткового підсилення різницевої напруги підсилювачем частоти комутації і подальшого накопичення інтегратором випрямленої напруги, що забезпечує підвищення точності виміру електромагнітних випромінювань нетеплової інтенсивності. На кресленні представлена електрична функціональна схема пристрою для виміру електромагнітних випромінювань нетеплової інтенсивності. Пристрій містить вимірювальний 1 і опорний 2 водоелектричні датчики, при цьому опорний водоелектричний датчик 2 поміщений всередину металевого екрана 3. Одна пара електродів водоелектричних датчиків 1 і 2 з'єднана з екраном 3 і заземлена. Інша пара електродів вимірювального 1 і опорного 2 датчиків з'єднана з входами автоматичного перемикача 4, вихід якого з'єднаний з вибірковим підсилювачем 5. До виходу вибіркового підсилювача 5 підключені послідовно з'єднані квадраттичний перетворювач 6, фільтр 7 нижніх частот, підсилювач 8 частоти комутації і фазочутливий випрямляч 9. Керуючі входи фазочутливого випрямляча 9 і автоматичного перемикача 4 з'єднані з комутаційним генератором 10. До виходу фазочутливого випрямляча 9 підключені послідовно з'єднані інтегратор 11 і вольтметр 12. Пристрій працює таким чином. Водоелектричний вимірювальний датчик 1 опромінюють ЕМВ нетеплової інтенсивності, значення якої необхідно виміряти. Аналогічний за конструкцією водоелектричний опорний датчик 2 екранований металевим екраном 3 і захищений від зовнішнього опромінення. Обидва датчики заповнено очищеною від домішок водою. Під дією вимірюваного ЕМВ у вимірювальному датчику 1 з окремих молекул води формується кластерна структура з числом молекул від декількох одиниць до десятків тисяч. В результаті структурної перебудови молекул і іонів води зростає її електропровідність, що приводить до зменшення шумової напруги на електродах вимірювального датчика 1. При цьому рівень шумів на електродах екранованого опорного датчика 2 залишається незмінним, а додатковий нагрів вимірювального датчика 1 від вимірюваного ЕМВ нетеплової інтенсивності відсутній. При роботі автоматичного перемикача 4 на вхід вибіркового підсилювача 5 по черзі поступають пакети шумової напруги з частотами в смузі пропускання вибіркового підсилювача 5. Смугу частот вибирають в діапазоні теплових шумів (100 кГц…1 Мгц), а частоту комутації низькою (40 - 80 ГЦ). В результаті квадратичного перетворення в перетворювачі 6 формуються пакети однополярної випадкової напруги, яка усереднюється фільтром 7 нижніх частот. В результаті усереднення на виході фільтру 7 нижніх частот формуються імпульси постійного струму з амплітудою, пропорційною середньому квадрату напруги теплових шумів: 2 U1  S U1  4SkT (R  R)f , 2 U2  S U2  4SkTRf , 40 45 де U12 , U12 - середні квадрати (дисперсії) шумової напруги датчиків 1 і 2; S - крутість перетворення шумової напруги в постійну напругу; k - постійна Больцмана; T - термодинамічна температура води в датчиках 1 і 2;  f - смуга частот вибіркового підсилювача 5; R - опір очищеної води; R - негативний приріст опору води від опромінення ЕМВ. З послідовних імпульсів напруги U1 і U2 підсилювачем частоти комутації 8 виділяється і підсилюється змінна складова напруги з амплітудою U3  K1 50 55 U2  U1 , 2 де K 1 - коефіцієнт підсилення підсилювача 8 частот комутації. Змінна напруга після підсилення випрямляється фазочутливим випрямлячем 9, який керується напругою частоти комутації генератора 10. Випрямлена напруга накопичується в інтеграторі 11, в якому пригнічуються низькочастотні шуми перетворювальних і підсилювальних блоків. На виході інтегратора 11 виділяється постійна різницева напруга вигляду U4    K1K 2K 3S 2 2 U1  U2 , 2 де K 2 - коефіцієнт випрямлення фазочутливого випрямляча 9; 2 UA 72278 U 5 10 15 20 25 30 K 3 , - коефіцієнт передачі інтегратора 11. Підставляючи значення дисперсій шумової напруги, остаточно отримуємо U5  2K1K2K3SkT fR . З отриманого виразу видно, що вольтметром 12 вимірюється напруга, пропорційна зміні опору вимірювального водоелектричного датчика 1 під дією ЕМВ нетепловій інтенсивності. Оскільки значення AR пропорційне інтенсивності ЕМВ, шкала вольтметра 12 градуюється в 2 -7… -6 2 одиницях інтенсивності ЕМВ (Вт/см ). Для слабких ЕМВ (10 10 Вт/см ) постійна часу інтегратора вибирається чималою (1…3 хв.) для виділення інформативної різницевої напруги з низькочастотних шумів і перешкод. Завдяки почерговому перетворенню шумової напруги в постійну напругу і подальшому порівнянню постійних напруг з виділенням різницевої напруги, виключений вплив ступеня корельованості теплових шумів датчиків на їх різницю, а отже, і на результат виміру інтенсивності ЕМВ. Періодичність перетворення, що задається комутаційним генератором 10, забезпечує отримання різницевої напруги у вигляді змінної напруги частоти комутації, що дозволяє значно (не менше, ніж у 50…100 раз) підвищити чутливість пристрою і забезпечити можливість виміру надслабких ЕМВ при відповідній постійній часу інтегратора 11. Одноканальність масштабних і функціональних перетворень усуває вплив нестабільності коефіцієнтів перетворення ланок на результат виміру. Ці відмінності забезпечують підвищення точності виміру ЕМВ нетеплової інтенсивності, для яких доки немає чутливих і завадостійких детектуючих пристроїв. Використання попереднього підсилення, наприклад, в діапазоні міліметрових і субміліметрових ЕМВ неефективно при рівнях підсилюваних сигналів менше рівня власних шумів підсилювачів. Запропонований пристрій може бути використаний для контролю доз опромінення ЕМВ нетеплової інтенсивності в медицині для стимулювання захисних сил у хворих, в сільському господарстві для вибору оптимальних доз опромінення насіння і розсади для поліпшення схожості, в біології для дослідження клітинних випромінювань та ін. Корисним буде пристрій і для оцінки слабких ЕМВ природного походження, які супроводять магнітним бурям і іншим космічним випромінюванням. Перспективне використання пристрою в системах неруйнівного контролю напружено-деформованих деталей і вузлів за рівнем емісійного випромінювання. Накопитчувальні властивості водоелектричного детектора дозволяють використовувати його як індикатор доз опромінювання за довгий час. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 Пристрій для виміру електромагнітних випромінювань нетеплової інтенсивності, що складається з вимірювального і опорного водоелектричних датчиків, які містять дві пари електродів, одна пара електродів заземлена і з'єднана з металевим екраном, в якому розміщений опорний водоелектричний датчик та послідовно з'єднані вибірковий підсилювач і квадратичний перетворювач, інтегратор і вольтметр, який відрізняється тим, що в нього введені комутаційний генератор, послідовно з'єднані фільтр нижніх частот, підсилювач частоти комутації і фазочутливий випрямляч, автоматичний перемикач, входи якого з'єднані з іншою парою електродів вимірювального і опорного водоелектричних датчиків, вихід автоматичного перемикача з'єднаний з входом вибіркового підсилювача, вихід квадратичного перетворювача з'єднаний з фільтром нижніх частот, вихід фазочутливого випрямляча з'єднаний з інтегратором, а керуючі входи автоматичного перемикача і фазочутливого випрямляча підключені до комутаційного генератора. 3 UA 72278 U Комп’ютерна верстка M. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4