МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и науки РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный

морской технический университет»

Е.А. Ивлиев

Измерение электромагнитных полей в морской среде

Утверждено советом университета

в качестве учебного пособия

Санкт-Петербург

2009

ББК 22.33

УДК 537.86

Ивлиев Е.А. Измерение электромагнитных полей в морской среде. Учеб. пособие. СПб.: Изд.центр СПбГМТУ, 2009. 144с.

В учебном пособии рассматриваются первичные преобразователи для измерения постоянных и низкочастотных электромагнитных полей в морской среде. Методы измерения электромагнитных полей рассмотрены преимущественно к натурным условиям. При анализе первичных преобразователей основное внимание уделено связи ЭДС на их выходе с измеряемым параметром поля. Рассмотрены методы измерения магнитных моментов, как кораблей, так и корабельного оборудования. Приведены общие сведения об электромагнитных полигонах, на которых происходит настройка средств снижения и контроля электромагнитных полей морских объектов.

Пособие по курсу «Методы и средства измерения физических полей» предназначено для студентов специальности 180301.

Ил. 87. Табл.8. Библиог. 17 назв.

Рецензенты: докт.техн.наук, проф. И.П. Краснов

канд.тех.наук, А.В. Поляков

ISBN

© СПбГМТУ

2009

Оглавление

Оглавление 3

Введение 4

1. Основные определения 5

2. Магнитометрические преобразователи 11

3. Первичные преобразователи для измерения параметров электрического поля 51

4. Методы измерения магнитного момента 75

5. Первичные преобразователи интегрального вида 106

6. Магнитные и электрические меры 117

7. Методы натурных измерений электромагнитных полей морских объектов 127

8. Пересчет электромагниных полей 147

Введение

В пособии рассмотрены основные типы первичных преобразователей для измерения параметров электрических и магнитных полей, как постоянных, так и низкочастотных. Основное внимание уделено связи измеряемого электромагнитного параметра с ЭДС на выходе первичного преобразователя. Дальнейший анализ электронных схем усиления, фильтрации и регистрации можно найти в обширной литературе по средствам измерений.

Теория первичных преобразователей для измерения постоянных и переменных электромагнитных полей в морской воде содержится в [1]. Теория магнитомодуляционных преобразователей (феррозондов) наиболее полно изложена в [2]. Теория магниторезисторов и датчиков Холла содержится в [3]. Расчет индукционных преобразователей - в [4].

Одной из основных характеристик объекта, характеризующего его дальнее магнитное или электрическое поле является дипольный момент. Теория определения магнитного момента объекта по данным измерения параметров магнитного поля на замкнутых поверхностях содержится в [5], а электрического дипольного момента в [6].

Методы решения задач обнаружения приведены в [7].

Натурные измерения параметров электромагнитных полей морских объектов приводятся на основе анализа существующих в мировой практике методов контроля физполей кораблей и судов.

1.Основные определения

1.1.Классификация средств измерения параметров электромагнитных полей

Основные измеряемые параметры магнитного поля представлены в табл.1.1, а электрического поля в табл.1.2. Классификация первичных преобразователей (датчиков) средств измерения параметров электромагнитных полей (ЭМП) представлена на рис.1.1.

Рис.1.1. Классификация

1.2.Измеряемые параметры

Основные измеряемые параметры магнитного поля представлены в табл.1.1, а электрического поля в табл.1.2.

Первичные преобразователи как для измерения параметров магнитного, так и электрического поля, могут являться компонентными или модульными. Компонентные измеряют проекцию вектора индукции или напряженности поля на магнитную или электрическую ось преобразователя (рис.1.2). На рис.1.2а - единичный вектор оси , .

С помощью двух одно компонентных преобразователей ориентированных вдоль оси и расположенных на расстоянии друг от друга можно измерить производную по направлению (рис.1.2б)

.

Рис.1.2

С помощью трех одно компонентных преобразователей можно измерить три проекции вектора магнитной индукции , далее вычислить модуль , а также определить направляющие косинусы вектора (рис.1.3)

, , ,

с помощью которых можно решить задачу ориентации подвижной платформы относительно направления вектора .

Рис.1.3

Таблица 1.1

Основные измеряемые параметры магнитного поля.

Наименование, обозначение. Измеряемый параметр	Размерность (СИ)
Магнитная индукция В (вектор). Измеряемый параметр: Компоненты вектора , ; Модуль вектора .	Тл (Тесла)
Градиент вектора магнитной индукции (тензор) . Измеряемый параметр ,	Тл/м
Градиент модуля магнитной индукции (вектор), . Измеряемый параметр ,	Тл/м
Ротор магнитной индукции (вектор), , Измеряемый параметр ,	Тл/м
Магнитный поток (скаляр), Измеряемый параметр	Вб
Магнитный момент (вектор), Измеряемый параметр: ,	Ам^2
Напряженность магнитного поля, Измеряемый параметр: Компоненты вектора , ; Модуль вектора .	А/м

Таблица 1.2

Основные измеряемые параметры электрического поля.

Наименование, обозначение. Измеряемый параметр	Размерность (СИ)
Напряженность электрического поля Е (вектор). Измеряемый параметр: Компоненты вектора , ;	В/м
Градиент вектора напряженности электрического поля (тензор) . Измеряемый параметр ,	В/м^2
Ротор напряженности электрического поля (вектор), , Измеряемый параметр ,	В/м^2
Электрический потенциал (скаляр), Измеряемый параметр	В
Плотность электрического тока (вектор), Измеряемый параметр: Компоненты вектора плотности тока ,	А./м^2

Модульные измеряют только величину вектора или , не определяя направления вектора поля в соответствующей системе координат.

Аналогично (1.1) с помощью двух модульных преобразователей модно определить

.

Основным дифференциальным параметрам магнитного поля, характеризующим его неоднородность является градиент вектора магнитной индукции

.

Диагональные элементы являются слагаемыми дивергенции

.

Ротор вектора магнитной индукции определяется уравнением

.

Так как в проводящей среде , то справедлив безконтактный метод измерения компонент плотности тока. При известной проводимости среды имеем:

; ; .

В силу того, что , а в отсутствие токов проводимости и , для нахождения градиента вектора магнитной индукции из уравнения необходимо измерить только 5 независимых производных.

Градиент модуля вектора магнитной индукции определяется уравнением

,

а под величинами понимаются значения проекции вектора на соответствующие оси .

Аналогичные соотношения справедливы и для напряженности электрического поля.

С помощью контактных потенциальных электродов можно определять компоненты напряженности электрического поля.

; ; .

При этом можно использовать как 6 независимых электродов, так и всего 4 (рис. 1.4)

Рис.1.4