20.06.2018

Программно-аппаратное обеспечение метода последовательного резонанса при испытаниях на воздействие переменным магнитным полем

И.В. Романов
к.ф.- м.н., старший инженер-испытатель
лаборатории ЭМС АО «ТЕСТПРИБОР»

Разработка приборов и элементной базы радиоэлектронной аппаратуры требует обеспечения проведения испытаний оборудования согласно действующей нормативно-технической документации на электромагнитную совместимость и внешние воздействующие факторы. Настоящая статья посвящена описанию решения задачи обеспечения испытательных лабораторий предприятий оборудованием для испытаний на воздействие переменным магнитным полем с помощью резонансных методов.

В испытательной лаборатории ЭМС АО «ТЕСТПРИБОР», г. Москва, разработан испытательный стенд «воздействие переменным магнитным полем» работающий с использованием известного принципа последовательного резонанса в LC-контуре [1, 2]. Работа которого основана на явлении равенства полного сопротивления цепи активному сопротивлению на частоте последовательного резонанса. Преимуществом резонансного метода является возможность получения высокочастотных магнитных полей большой амплитуды, а также работа аппаратуры на активное сопротивление [3, 4]. На рис. 1 представлена схема такого испытательного стенда.

Схема подключения катушки Гельмгольца в режиме последовательного резонанса
Рис. 1 Схема подключения катушки Гельмгольца в режиме последовательного резонанса.

Для получения однородного магнитного поля используются катушки Гельмгольца (рис. 1), которые являются двумя соосно расположенными одинаковыми радиальными катушками, при этом расстояние между их центрами равно их среднему радиусу. В центре такой системы колец образуется зона однородного магнитного поля. Плотность магнитного потока в катушке пропорциональна электрическому току:

    (1)

где, B, Тл – магнитная индукция, μ0, Н·А-2 – магнитная постоянная, n – количество витков, I, А – сила электрического тока, r – радиус катушки.

Для уменьшения влияния человеческого фактора на результаты испытаний, уменьшении времени цикла испытаний, также автоматизации процессов в испытательной лаборатории ведётся разработка испытательного стенда, а также программного комплекса, которые обеспечивают настройку последовательного резонансного контура (LC-цепи) на рабочую частоту в автоматическом и полуавтоматическом режимах. Общая структурная схема испытательной установки представлена на рис. 2.

Схема автоматизированной испытательной установки на воздействие переменным магнитное полем
Рис. 2 Схема автоматизированной испытательной установки на воздействие переменным магнитным полем

Испытательный стенд состоит из следующих элементов: генератора, усилителя, устройства коммутации, банка конденсаторов, катушки Гельмгольца, датчика тока, датчика магнитного поля, контроллера, Персонального компьютера с программным обеспечением.

Генератор (сигналов) предназначен для задания частоты и уровня воздействия магнитным полем на объект. Усилитель (мощности) предназначен для усиления тока в LC-цепи до требуемого уровня. Банк конденсаторов представляет собой набор конденсаторов, который совместно с катушкой Гельмгольца обеспечивает последовательный резонанс в диапазоне рабочих частот. Устройство коммутации (конденсаторов) служит для подключения, отключения и переключения конденсаторов в LC-цепи для обеспечения последовательного резонанса в диапазоне рабочих частот (без образования искрового разряда и коммутационных процессов вызванных переключением контактирующих устройств). Катушка Гельмгольца преобразует электрический ток в магнитное поле. Датчик тока предназначен для контроля уровня тока в LC-цепи. Датчик магнитного поля (датчик Холла) обеспечивает контроль уровня магнитного поля в катушке Гельмгольца. Контроллер предназначен для управления и коммутацию сигналов между элементами испытательной установки. Персональный компьютер с программным обеспечением предназначен для управления (частотой, амплитудой и временем воздействия) испытательной установки.

На рис.3,а представлена эквивалентная схема испытательной установки в «малосигнальном» приближении. В этом режиме источник сигнала (усилитель) работает в линейном режиме. Зависимость значения нормированного магнитного поля в катушке Гельмгольца (L на рис. 3,б.а) от частоты соответствует резонансной кривой представленной на рис. 3б.

Эквивалентная схема испытательной установки в линейном режиме

Линейный последовательный резонанс

Рис. 3,а Эквивалентная схема испытательной установки в линейном режиме

Рис. 3,б Линейный последовательный резонанс

На рис.4,а представлена эквивалентная схема испытательной установки в приближении «большого сигнала». В этом режиме источник сигнала (усилитель) работает в нелинейном режиме. На рис. 4,а такой элемент обозначен «NE» и характеризует нелинейную зависимость между током и напряжением источника сигнала (усилителя) и коммутирующего устройства. Зависимость значения магнитного поля в катушке Гельмгольца (L на рис. 4,а) от частоты соответствует резонансной кривой представленной на рис. 4,б.

Характерным отличием резонансных кривых (на рис. 4,б от рис. 3,б) является наличие биффуркации (раздвоения), то есть существуют частоты которым соответствуют несколько значений магнитного поля. На практике это означает что в нелинейном режиме при движении от меньшей частоты к большей (по траектории А на рис. 4,б) максимум магнитного поля будет отличаться от максимума при движении от большей частоты к меньшей (траектория B на рис. 4,б). Отметим, что эта разница в уровне магнитного поля излучаемой катушкой Гельмгольца может отличаться в разы.

Эквивалентная схема испытательной установки в нелинейном режиме

Нелинейный последовательный резонанс

Рис. 4,а Эквивалентная схема испытательной установки в нелинейном режиме

Рис. 4,б Нелинейный последовательный резонанс. Тонкая линия соответствует неустойчивой траектории, жирная линия соответствует устойчивой траектории движения

В программном обеспечении испытательного стенда реализован алгоритм поиска абсолютного максимума на нелинейной резонансной кривой с использованием численных методов. Алгоритм оценивает величину, первую и вторую производную магнитного поля по частоте, затем на основе полученных данных устанавливает направление движения по траектории на резонансной кривой, согласно заданному критерию.

Сравнительные результаты применения алгоритма поиска абсолютного максимума на нелинейной резонансной кривой относительно алгоритма простого переключения на заданную частоту (в этом случае частота устанавливается без контроля предыдущего состояния стенда) можно представить:
- в «малосигнальном» приближении обоим алгоритмам удалось обеспечить необходимый уровень магнитного поля 100 мкТл. При этом наименьшее время сканирования в диапазоне частот от 50 Гц до 20 кГц показал алгоритм простого переключения.
- в приближении «большого сигнала» алгоритм поиска абсолютного максимума на нелинейной резонансной кривой успешно установил заданный уровень магнитного поля (3 мТл) в диапазоне частот от 50 Гц до 20 кГц. Алгоритм простого переключения частоты не смог обеспечить выставление уровня магнитного поля при идентичных параметрах испытательной аппаратуры.

Схема программного обеспечения автоматизированной испытательной установки
Рис. 5 Схема программного обеспечения автоматизированной испытательной установки на воздействие переменным магнитное полем

Набор программ персонального (управляющего) компьютера состоит из основной программы, подпрограммы управления алгоритмами, модуля математических моделей, подпрограммы взаимодействия с внешним оборудованием, и интерфейса. Основная программа предназначена для реализации взаимодействия подпрограмм и модулей программного обеспечения. Интерфейс служит для ввода параметров испытательного стенда и отображения информации от датчиков и текущего состояния испытательного стенда. Подпрограмма управления алгоритмами обеспечивает последовательность работы испытательного стенда. В модуле математических моделей задаются формы и рассчитываются характеристики и параметры резонансных кривых испытательного стенда. Подпрограмма взаимодействия с внешним оборудованием предназначена для связи персонального компьютера с оборудованием испытательного стенда.

Программное обеспечение контроллера состоит из одной микропрограммы. Она обеспечивает трансляцию данных между управляющим компьютером и оборудованием испытательного стенда, а также непосредственный сбор данных от датчиков.

Таким образом, статье приведены результаты разработки испытательного стенда «воздействие переменным магнитным полем» работающего на основе явления последовательного резонанса в LC-цепи. Приведены общие структурные схемы стенда, эквивалентные схемы в «малосигнальном» приближении и «большого сигнала», и соответствующие резонансные кривые. Описаны сравнительные результаты работы испытательной установки с использованием алгоритмов поиска абсолютного максимума и простого переключения в линейном и нелинейном режимах. Полученные результаты позволяют утверждать о имеющемся запасе по испытательным диапазонам (магнитной индукции и частот) стенда, для достижения больших величин при частичной модернизации оборудования, и о значительном сокращении времени одного испытательного цикла по сравнению с ручным перестроением резонансной частоты.

Литература.

  1. KC Yang. Radio Frequency Circuit Design [Электронный ресурс]. URL: http://www.radiolocman.com/review/article.html?di=163905.
  2. «Helmholtz Coil». Accel Instruments Corp. [Электронный ресурс]. URL: http://www.accelinstruments.com/Helmholtz-Coil/Helmholtz-Coil.html.
  3. И. Романов Резонансный метод в испытаниях на восприимчивость к высокочастотному магнитному полю // КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ. – 2017, № 4, – С. 180-182.
  4. Романов И.В. Резонансный метод в испытаниях на восприимчивость к высокочастотному магнитному полю // VI Всероссийская научно-техническая конференция «ЭМС»: Сборник докладов. – Москва, 2017. – С. 61-66.