Измерение параметров электромагнитных полей

Наиболее распространенным методом измерения параметров электрического поля является метод, в основе которого лежит свойство проводящего тела, помещенного в электрическое поле. Если поместить в электрическое поле незаряженное проводящее тело, то под действием электрического поля произойдет перераспределение электрических зарядов в теле и на его поверхности таким образом, что напряженность электрического поля в теле и касательная составляющая напряженности на его поверхности обратятся в нуль. При этом, кроме внешнего (падающего) поля, которое существовало в пространстве до внесения в него проводящего тела, появится электрическое поле, возбуждаемое зарядами на теле (рассеянное электрическое поле). Именно напряженность полного (суммарного, т.е. равного сумме внешнего и рассеянного) электрического поля в теле и касательная составляющая на поверхности должны равняться нулю. Равенство нулю касательной составляющей напряженности суммарного электрического поля на поверхности тела и напряженности суммарного электрического поля в теле означает, что потенциал суммарного электрического поля во всех точках тела одинаков. Этот потенциал называется потенциалом проводящего тела. Он равен потенциалу внешнего электрического поля в некоторой точке проводящего тела. Если проводящее тело находится в однородном электрическом поле, то эта точка совпадает с центром электрических зарядов тела (понятие центра электрических зарядов аналогично понятию центра масс в механике). Положение центра электрических зарядов зависит только от формы тела, и для тел, имеющих центр симметрии (шар, куб, цилиндр), совпадает с центром симметрии. Это значит, что потенциал проводящего шара (куба, цилиндра), помещенного в однородное электрическое поле, равен потенциалу внешнего электрического поля в центре шара (куба, цилиндра).

Если в однородное электростатическое поле поместить два проводящих тела, то возникнет разность потенциалов, равная разности потенциалов внешнего электрического поля между центрами тел. Эта разность потенциалов U связана с модулем напряженности внешнего электрического поля Е ₀ соотношением

 

U = LE ₀ cos θ,

 

где L – расстояние между центрами тел, θ – угол между вектором напряженности внешнего электрического поля и прямой, соединяющей центры тел.

В зависимости от того, какой параметр электрического (магнитного) поля измеряется, измерители параметров переменного электрического (магнитного) поля делятся на измерители направленного и ненаправленного приема.

Измеритель направленного приема — измеритель, показания которого зависят от ориентации преобразователя напряженности электрического поля (преобразователя напряженности магнитного поля или магнитной индукции) в измеряемом электрическом (магнитном) поле. В измерителе направленного приема, как правило, в качестве преобразователя используется дипольный преобразователь (магнитный или электрический диполь), а измеряемым параметром является среднее квадратическое значение проекции напряженности электрического поля (проекции напряженности магнитного поля или магнитной индукции) на ось диполя. Измеренное значение параметра приписывается точке пространства, в которой расположен центр диполя.

Измеритель ненаправленного приема — измеритель, показания которого в пределах погрешности измерения не зависят от ориентации преобразователя напряженности электрического поля (преобразователя напряженности магнитного поля или магнитной индукции) в измеряемом электрическом (магнитном) поле. В измерителе ненаправленного приема, как правило, в качестве первичного преобразователя используются три взаимно ортогональных диполя (электрических или магнитных), имеющих общий центр (центр преобразователя), а измеряемым параметром является среднее квадратическое значение напряженности электрического поля (среднее квадратическое значение напряженности магнитного поля или магнитной индукции). Измеренное значение параметра приписывается точке пространства, в которой расположен центр преобразователя. Одним из рекомендуемых и внесенных в Государственный реестр средств измерений, применяемым для контроля параметров электромагнитного поля является измеритель ВЕ-метра-АТ-002.

 

Устройство ВЕ-метра-АТ-002

 

Измеритель параметров электрического и магнитного полей ВЕ-метр-АТ-002 предназначен для контроля норм по электромагнитной безопасности видеодисплейных терминалов в соответствии с требованиями СанПин 2.2.2.542-96. Измеритель применяется при проведении комплексного санитарно-гигиенического обследования помещений и рабочих мест.

Измерения проводятся на расстоянии от источника электрического (магнитного) поля, окружающих диэлектрических и металлических предметов не менее чем вдвое превышающем максимальный размер прибора.

Принцип действия измерителя параметров электрического и магнитного полей состоит в преобразовании колебаний электрического и магнитного полей в колебания электрического напряжения, частотной фильтрации и усиления этих колебаний с последующим их детектированием. Продетектированный сигнал поступает на аналогово-цифровой преобразователь, результирующие числовые значения величин зарегистрированных колебаний электрического и магнитного полей анализируются встроенным в измеритель микропроцессором, результат измерений индицируется на матричном жидкокристаллическом индикаторе. Регистрация электрического и магнитного полей проводится одновременно во всей частотной полосе измерения. Зарегистрированный сигнал после предварительного усиления разделяется активными частотными фильтрами и в дальнейшем усиливается в независимых каналах регистрации. Прибор, таким образом, объединяет в одной конструкции два отдельных измерителя напряженности электрического поля, два отдельных измерителя плотности магнитного потока и микропроцессорный блок обработки и анализа результатов измерений.

Функциональная блок-схема измерителя приведена на рисунке 5. Составными частями измерителя являются датчики электрического и магнитного полей дипольного типа. Оси чувствительности датчиков направлены горизонтально (при нормальном расположении измерителя) перпендикулярно продольной оси прибора. Это направление указано стилизованной стрелкой, изображенной на лицевой панели. Предварительные усилители каналов регистрации электрического и магнитного полей представляют собой широкополосные операционные усилители с цепями коррекции частотной характеристики. Полосовые усилители высоко- и низкочастотных каналов регистрации электрического и магнитного полей представляют собой активные RC-фильтры с регулируемыми коэффициентами усиления. В качестве центрального процессора измерителя используется высокоинтегрированный 8-битовый микроконтроллер, основанный на архитектуре MCS-51. В измерителе этот процессор используется для установления режима измерений поля. По выбору пользователя может быть установлен режим непрерывного измерения поля и режим измерения полного вектора, включающий измерения трех компонент поля и последующее вычисление абсолютной величины вектора поля.

 

 

Рис. 5. Функциональная блок-схема измерителя "ВЕ-метр-АТ002"

На рисунке введены следующие обозначения:

1. Датчик-измеритель плотности магнитного потока.

2. Датчик-измеритель напряженности электрического поля.

3. Предварительный усилитель сигналов датчика плотности магнитного потока.

4. Предварительный усилитель сигналов датчика напряженности электрического поля.

5. Активный полосовой фильтр высоких частот (АПФВЧ) для сигналов датчика (1).

6. Активный полосовой фильтр низких частот (АПФНЧ) для сигналов датчика (1).

7. АПФВЧ для сигналов датчика напряженности электрического поля.

8. АПФНЧ для сигналов датчика напряженности электрического поля.

9. Канал детектирования высоких частот сигналов датчика плотности магнитного потока.

10. Канал детектирования низких частот сигналов датчика плотности магнитного потока.

11. Канал детектирования высоких частот сигналов датчика напряженности электрического поля.

12. Канал детектирования низких частот сигналов датчика напряженности электрического поля.

13. Аналогово-цифровой преобразователь.

14. Процессор.

15. Блок управления процессором.

16. Жидкокристаллический алфавитно-цифровой дисплей матричного типа.

17. Звуковой сигнализатор.

Как пользовательское меню, так и окончательные результаты регистрации, индицируются на жидкокристаллическом строчном видиодисплее, расположенном на передней панели прибора.

Измеритель (Рис.6) выполнен в виде портативного прибора, объединяющего в одном корпусе датчики-измерители плотности магнитного потока и напряженности электрического поля, блок полосовых (НЧ и ВЧ) усилителей-детекторов, блок цифровой обработки результатов регистрации, блок управления и индикации, и блок питания. Корпус прибора выполнен из синтетического материала с низким уровнем диэлектрических потерь.

Рис. 6. Внешний вид измерителя со стороны лицевой панели

На рисунке введены следующие обозначения:

1 - корпус прибора,

2 - гнездо включения внешней антенны,

3 - выключатель питания,

4 - кнопка выбора режимов измерения,

5 - кнопка запуска измерений и ввода результатов в память процессора,

6 - жидкокристаллический строчный дисплей,

7 - гнездо подключения зарядного устройства.