Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПРОВОДНИКА С ТОКОМ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров, в частности скорости, прямолинейного движения проводников с током.

Применение изобретения наиболее целесообразно в области электрофизики, а именно при контроле скорости разгона токопроводящих плазменных сгустков в электродинамических магнитоплазменных ускорителях.

Известен способ измерения скорости движения объекта (авт. свид. СССР №1818588, МПК G01P 3/64, БИ №20, 1993 г.) на участке траектории между двумя идентичными датчиками положения с колоколообразной передаточной характеристикой, заключающийся в непрерывном измерении сигналов U1, U2 возмущения двух упомянутых датчиков полем движущегося объекта, причем предварительно, до начала измерения, принимают значение масштабирующего коэффициента X_e численно равным значению перемещения объекта, соответствующего изменению выходного сигнала каждого датчика положения в e раз. В процессе измерения скорости определяют координатную функцию F по формуле , а скорость ν определяют как

Описанный способ в условиях сильных импульсных помех имеет низкую помехозащищенность, обусловленную выполнением при определении скорости операции дифференцирования по времени координатной функции F, что приводит к "подчеркиванию" помех, присутствующих на входе измерительного устройства.

Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототипом) является способ измерения скорости движения проводника с током (патент РФ №2208793, МПК7 G01P 3/50, БИ №20, 2003), заключающийся в непрерывном измерении сигналов возмущения двух магнитометрических датчиков полем движущегося проводника. В соответствии со способом-прототипом измерение скорости производят на участке траектории движения между индукционными датчиками, в процессе измерения скорости непрерывно измеряют ток i, протекающий в проводнике, а скорость ν движения проводника с током определяют как где ε₁, ε₂ - сигналы двух индукционных датчиков, C - коэффициент пропорциональности.

Недостатками способа-прототипа является необходимость дополнительного измерения электрического тока в движущемся проводнике, а также применение операции извлечения квадратного корня, что в целом существенно усложняет процесс измерения скорости.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение измерения скорости движения проводника с током за счет устранения необходимости дополнительного измерения электрического тока в движущемся проводнике и применения операции извлечения квадратного корня.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе измерения скорости движения проводника с током, заключающемся в непрерывном измерении сигналов возмущения двух магнитометрических датчиков полем движущегося проводника, измерение скорости производят на участке траектории движения, смещенном в одну сторону от мест установки датчика магнитной индукции и индукционного датчика, а скорость ν движения проводника с током определяют как где ε - сигнал индукционного датчика, U - сигнал датчика магнитной индукции, C - [м/с] коэффициент пропорциональности.

От прототипа изобретение отличается тем, что измерение скорости производят на участке траектории движения, смещенном в одну сторону от мест установки датчика магнитной индукции и индукционного датчика, а скорость ν движения проводника с током определяют как где ε - сигнал индукционного датчика, U - сигнал датчика магнитной индукции, С [м/с] - коэффициент пропорциональности.

На фиг.1 изображено устройство, реализующее заявляемый способ измерения скорости движения проводника с током, движущегося по проводящим направляющим, обеспечивающим протекание тока в контролируемом проводнике и образующим траекторию его движения. Оно содержит датчик магнитной индукции (ДМИ) 1 (например, датчик Холла) и индукционный датчик (ИД) 2. В отличие от устройства, реализующего способ-прототип, в устройстве, реализующем заявляемый способ, два магнитометрических датчика устанавливаются не по границам участка траектории Δx, на котором производится измерение скорости, а выносятся с одной стороны за пределы этого участка. Датчик магнитной индукции (ДМИ) 1 и индукционный датчик (ИД) 2 подключены соответственно через управляемые ключи 3 и 4 к входам "делитель" и "делимое" устройства деления (УД) 5, а выход индукционного датчика (ИД) 2, кроме того, соединен с входом порогового элемента (ПЭ) 6, выход которого подключен к управляющим входам управляемых ключей 3 и 4. Выход устройства деления (УД) 5 соединен с первым входом устройства умножения (УУ) 7, второй вход которого предназначен для подачи сигнала, пропорционального значению постоянного коэффициента С. Выход устройства умножения (УУ) 7 является общим выходом устройства для измерения скорости.

Как известно (статья: Cook R.W. Observation and analysis of current carrying plasmas in rail gun // IEEE Transactions on Magnetics. 1986. V.22. No.6. P.1423-1428), магнитная индукция В поля движущегося проводника с током i может быть описана следующим образом:

а выходной сигнал ε возмущения индукционного датчика полем движущегося проводника представляется как

где F(x(t)) с размерностью [1/м] и f(x(t)) с размерностью [1/м²] - сложные функции от координаты x(t) положения проводника на траектории его движения; N, S_Д - соответственно число витков и площадь сечения катушки индукционного датчика; ν - скорость перемещения проводника с током; µ₀=4π·10^-7 [Гн/м] - магнитная постоянная; i - ток, протекающий в движущемся проводнике.

С учетом (1) сигнал U датчика магнитной индукции (например, датчика Холла) может быть представлен следующим образом:

где K_B [В/Тл] - чувствительность датчика магнитной индукции.

Как показывают исследования, определенные участки функций сигналов индукционного датчика (2) и датчика магнитной индукции (3), реагирующих на поле, создаваемое проводником с током при его движении на участке траектории Δx, смещенном на некоторое расстояние от мест установки этих датчиков (фиг.1, 2), могут быть с некоторой точностью аппроксимированы следующими экспоненциальными выражениями:

где k₁ [м], k₂ [м], ξ [1/м] - постоянные коэффициенты аппроксимаций.

Как видно из выражений (4), (5), выходные сигналы индукционного датчика (ε) и датчика магнитной индукции (U) зависят от координаты x(t) положения движущегося проводника и величины протекающего в нем тока i, при этом сигнал ε индукционного датчика зависит и от скорости ν движения проводника. Покажем, что отношение ε/U упомянутых сигналов датчиков будет зависеть (см. (4) и (5)) только от скорости ν проводника:

Как следует из (6), непрерывно измеряя сигналы ε, U возмущения индукционного датчика и датчика магнитной индукции полем проводника с током, движущегося на участке траектории Δx, смещенном на некоторое расстояние от мест установки этих датчиков, можно в течение определенного интервала времени, когда проводник проходит упомянутый участок, определять мгновенную скорость ν движения проводника с током как

где ε и U являются функциями времени t.

Обозначив через С [м/с] постоянный коэффициент в (7), можно записать выражение для скорости ν движения проводника с током в окончательном виде:

Таким образом, при измерении скорости согласно предлагаемому способу не требуется измерять ток в движущемся проводнике и выполнять сложные нелинейные преобразования сигналов (извлечение квадратного корня).

Устройство, реализующее заявляемый способ измерения скорости движения проводника с током (фиг.1), функционирует следующим образом.

При подходе движущегося проводника с током к индукционному датчику (ИД) 2 на выходе порогового элемента (ПЭ) 6 вырабатывается управляющий сигнал (пороговый элемент (ПЭ) 6 срабатывает при нарастании сигнала индукционного датчика (ИД) 2 до положительного максимума (см. фиг.2)), воздействующий на управляемые ключи 3 и 4. В результате они включаются и происходят подключения датчика магнитной индукции (ДМИ) 1 и индукционного датчика (ИД) 2 соответственно к входам "делитель" и "делимое" устройства деления (УД) 5. На его выходе появляется сигнал ε/U, а на выходе устройства умножения (УУ) 7 непрерывно формируется сигнал скорости ν движения проводника с током.

Использование заявляемого технического решения позволит упростить измерение скорости движения проводника с током.