PL227913B1

PL227913B1 - System for measuring distribution of electromagnetic field

Info

Publication number: PL227913B1
Application number: PL415385A
Authority: PL
Inventors: Zbigniew Wróblewski; Dariusz Sztafrowski; Jacek Gumiela
Original assignee: Politechnika Wroclawska; Politechnika Wrocławska
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2018-01-31
Also published as: PL415385A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiaru rozkładu pola elektromagnetycznego w otoczeniu obiektów wytwarzających takie pole.The subject of the invention is a system for measuring the distribution of the electromagnetic field in the vicinity of objects generating such a field.

Z opisu patentowego US 4945305 znany jest układ urządzenia do określenia względnego położenia oraz orientacji dwóch metalowych elementów z wykorzystaniem pola magnetycznego. Urządzenie umożliwia dokonanie pomiaru położenia anten zabudowanych w urządzeniach odbiorczych względem anteny nadawczej. W szczególności urządzenia te służyć mogą do pomiaru pozycji w sześciu stopniach swobody tzn. w trzech kierunkach w przestrzeni wyznaczane przez współrzędne X,Y,Z, jak również do lokalizacji w ruchu obrotowym wokół trzech osi współrzędnych, orientacja, która jest powszechnie określana przez azymuty kątowe współrzędnych w trzech prostopadłych do siebie osiach.From US 4,945,305, an arrangement of a device for determining the relative position and orientation of two metal elements using a magnetic field is known. The device allows you to measure the position of the antennas built in the receiving devices in relation to the transmitting antenna. In particular, these devices can measure positions in six degrees of freedom, i.e. in three directions in space defined by X, Y, Z coordinates, as well as for rotational locations around three coordinate axes, an orientation that is commonly defined by angular azimuths coordinates in three perpendicular axes.

Obecnie stosowane systemy, które wykorzystują sygnały przemienne AC są w stanie określać lokalizację tylko wtedy, gdy elementy znajdujące się w zasięgu działania nadajnika lub odbiornika są nieprzewodzące, ponieważ każdy wysłany sygnał zmienny AC powoduje indukowanie się prądów wirowych w materiałach przewodzących, które w konsekwencji generują własne pole magnetyczne zakłócające sygnał AC. W przemyśle lotniczym, gdzie powszechnie wykorzystuje się systemy pomiaru położenia i orientacji, stosuje się wiele różnych materiałów o dużej przewodności w postaci aluminium, tytanu, magnezu, stali nierdzewnej, miedzi.Currently used systems that use AC signals are able to determine the location only when the elements within the operating range of the transmitter or receiver are non-conductive, because each AC signal sent causes the induction of eddy currents in the conductive materials, which consequently generate their own magnetic field interfering with the AC signal. In the aviation industry, where position and orientation measurement systems are widely used, many different materials with high conductivity are used, such as aluminum, titanium, magnesium, stainless steel, and copper.

Znane jest również z opisu patentowego US 4963827 urządzenie do pomiaru pola magnetycznego, w którym wpływ szumu i offsetu czujnika pola magnetycznego jest w dużym stopniu eliminowany oraz działa ono z bardzo małym zużyciem energii. W przykładowym wykonaniu, wynalazek zawiera element Halla pracujący jako czujnik pola magnetycznego (MFS) otoczony osłoną magnetyczną wykonaną z materiału o wysokiej przenikalności magnetycznej. Osłona jest wyposażona w cewkę wzbudzenia, która jest w stanie powodować zmiany nasycenia rdzenia magnetycznego. Osłona skutecznie chroni czujnik Halla MFS przed wpływem pola magnetycznego cewki wzbudzenia, ale traci skuteczność ekranowania, gdy cewka wzbudzenia jest zasilana. Jeśli cewka wzbudzenia zostanie zasilona impulsami prostokątnymi wtedy czujnik Halla MFS będzie poddawany działaniu mierzonego zewnętrznego pola magnetycznego tylko w chwili, gdy cewka wzbudzenia jest zasilana. W ten sposób uzyskuje się efekt poprawy odporności układu na zakłócenia powodowane wpływem szumu oraz offset parametrów sondy pomiarowej zbudowanej na bazie czujnika Halla. Zastosowanie w osłonie materiału o wysokiej przenikalności magnetycznej zmniejsza zapotrzebowanie na moc w cewce wzbudzającej. W przytoczonych przykładach i dostępnej literaturze nie zostały ujawnione pomiary realizowane w rozumieniu metrologicznym.A device for measuring a magnetic field is also known from US 4,963,827, in which the influence of the noise and offset of the magnetic field sensor is largely eliminated and it operates with a very low energy consumption. In an exemplary embodiment, the invention comprises a Hall element operating as a magnetic field sensor (MFS) surrounded by a magnetic shield made of a high magnetic permeability material. The sheath is equipped with an excitation coil capable of altering the saturation of the magnetic core. The shield effectively protects the Hall sensor MFS from the influence of the magnetic field of the excitation coil, but loses its shielding effectiveness when the excitation coil is energized. If the excitation coil is energized with rectangular pulses then the Hall sensor MFS will be subjected to the measured external magnetic field only when the excitation coil is energized. In this way, the effect of improving the resistance of the system to interference caused by noise and the offset of the parameters of the measuring probe built on the basis of the Hall sensor is obtained. The use of high magnetic permeability material in the sheath reduces the power requirement in the excitation coil. In the examples provided and the available literature, measurements carried out in the metrological sense are not disclosed.

Układ do pomiaru rozkładu pola elektromagnetycznego charakteryzuje się tym, że wyposażony jest w sondę pomiarową o stałym położeniu i sondę pomiarową o zmiennym położeniu, z których sonda pomiarowa o stałym położeniu połączona jest w szereg z koderem, z medium transmisyjnym, z dekoderem i rejestrem, wyposażonym w przycisk START, a z kolei rejestr jest połączony z wejściem układu modułu dzielącego, do którego to wejścia podłączone jest bezpośrednio wyście z dekodera, natomiast wyjście z modułu dzielącego połączone jest z wejściem modułu mnożącego, do którego to wejścia podłączona jest sonda o zmiennym położeniu za pośrednictwem medium transmisyjnego, a wyjście z modułu mnożącego połączone jest z modułem odczytowym.The system for measuring electromagnetic field distribution is characterized by the fact that it is equipped with a measuring probe with a fixed position and a measuring probe with a variable position, of which the measuring probe with a fixed position is connected in series with the encoder, the transmission medium, the decoder and the register, into the START button, and the register in turn is connected to the input of the dividing module circuit, to which the output from the decoder is connected directly, while the output of the dividing module is connected to the input of the multiplier, to which the input is connected a probe with variable position via transmission medium, and the output from the multiplier is connected to the reading module.

Korzystnie, gdy dekoder, rejestr, moduł dzielący, moduł mnożący, moduł odczytowy umieszczone są w obudowie ekranującej, do której wejścia z sondy pomiarowej o stałym położeniu i sondy pomiarowej o zmiennym położeniu, za pośrednictwem mediów transmisyjnych, wprowadzane są odpowiednio przez przepusty.Preferably, the decoder, register, divider, multiplier, reading module are housed in a shielding housing into which inputs from the fixed-position test probe and the variable-position probe, via transmission media, are respectively inserted through the bushings.

Korzystnie, gdy media transmisyjne łączące sondę o stałym położeniu i sondę o zmiennym położeniu odpowiednio z pozostałymi elementami układu stanowią połączenie galwaniczne lub bezprzewodowe.Preferably, the transmission media connecting the fixed probe and the floating probe to the rest of the system, respectively, is a galvanic or wireless connection.

Korzystnie, gdy wyjście z modułu mnożącego połączone jest z modułem rejestrującym wyniki lub przesyłającym wskazania przyrządu do odległego centrum przetwarzania informacji.Preferably, the output of the multiplier is connected to a result recording or transmitting the instrument's indications to a remote information processing center.

Zaletą układu jest to, że wynik pomiaru jest wolny od błędu wnoszonego przez wahania napięć, prądów i/lub odchyłkę symetrii faz układu wielofazowego. Zaletą również jest łatwość technicznej realizacji procesu pomiarowego, w którym w sposób istotny i prosty redukuje się wartość błędu pomiaru.The advantage of the system is that the measurement result is free from error caused by voltage, current fluctuations and / or phase symmetry deviation of a multiphase system. The advantage is also the ease of technical implementation of the measurement process, which significantly and simply reduces the value of the measurement error.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji został uwidoczniony na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu do pomiaru pola elektromagnetycznego, w którym sonda o stałymThe subject of the invention in an embodiment has been shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a block diagram of the system for measuring the electromagnetic field, in which the probe with a constant

PL 227 913 B1 położeniu i sonda o zmiennym położeniu połączone są odpowiednio za pośrednictwem połączenia galwanicznego, Fig. 2 przedstawia schemat blokowy układu do pomiaru pola elektromagnetycznego w którym sonda o stałym położeniu połączona jest odpowiednio w sposób bezprzewodowy.The position and the variable position probe are connected respectively via a galvanic connection, Fig. 2 shows a block diagram of an electromagnetic field measurement system in which the fixed position probe is connected in a wireless manner, respectively.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Układ do pomiaru natężenia pola elektromagnetycznego wyposażony jest w co najmniej dwie sondy pomiarowe, sondę pomiarową o stałym położeniu A i sondę pomiarową o zmiennym położeniu B. Obie sondy pomiarowe połączone są odpowiednio z pozostałymi elementami układu, które umieszczone są w obudowie ekranującej (O) za pomocą medium transmisyjnego La, Lb w postaci połączenia galwanicznego, a wprowadzone przez przepusty (WA) i (WB) obudowy ekranującej (O).The system for measuring the intensity of the electromagnetic field is equipped with at least two measuring probes, a measuring probe with a fixed position A and a measuring probe with a variable position B. Both measuring probes are connected respectively with the other elements of the system, which are placed in the shielding housing (O) behind using the transmission medium La, Lb in the form of a galvanic connection, and introduced through the bushings (WA) and (WB) of the shielding housing (O).

Sonda pomiarowa o stałym położeniu A połączona jest w szereg z koderem 1A, wspomnianym medium transmisyjnym La, z dekoderem 2A i z rejestrem 3, wyposażonym w przycisk START. Wyjście z rejestru 3 połączone jest z wejściem modułu dzielącego 4. Do wejścia modułu dzielącego 4 podłączone jest równolegle wyście z dekodera 2A. Natomiast wyjście z modułu dzielącego 4 połączone jest z wejściem modułu mnożącego 5, do którego to wejścia poprzez układ kodera 1B, medium transmisyjnego Lb i dekodera 2B podłączona jest sonda pomiarowa o zmiennym położeniu B. Wyjście modułu mnożącego 5 połączone jest z modułem odczytowym 6, który jest wyskalowany w jednostkach natężenia pola elektrycznego [kV/m] dla składowej elektrycznej pola lub w jednostkach natężenia pola magnetycznego [A/m] i/lub indukcji pola magnetycznego [T] dla składowej magnetycznej pola.A measuring probe with a fixed position A is connected in series with the encoder 1A, the said transmission medium La, with the decoder 2A and with the register 3 equipped with a START button. The output from register 3 is connected to the input of the dividing module 4. The output from the decoder 2A is connected in parallel to the input of the dividing module 4. On the other hand, the output from the dividing module 4 is connected to the input of the multiplier 5, to which input through the encoder 1B, the transmission medium Lb and the decoder 2B a measuring probe with variable position B is connected. The output of the multiplier 5 is connected to the reading module 6, which is scaled in units of electric field strength [kV / m] for the electric component of the field or in units of magnetic field strength [A / m] and / or magnetic field induction [T] for the magnetic component of the field.

W zależności od preferowanego podczas badania pomiaru składowej elektrycznej lub magnetycznej natężenia pola elektromagnetycznego stosujemy sondy pomiarowe A, B stanowiące czujniki natężenia pola elektrycznego do pomiaru składowej elektrycznej pola elektromagnetycznego, wyrażonej w [kV/m] lub stosuje się czujniki natężenia pola magnetycznego do pomiaru składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego, wyrażonej w [A/m]Depending on the preferred measurement of the electric or magnetic component of the electromagnetic field strength, we use A, B measuring probes, which are electric field intensity sensors, to measure the electric component of the electromagnetic field, expressed in [kV / m] or use magnetic field intensity sensors to measure the magnetic component electromagnetic field, expressed in [A / m]

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Układ zbudowany jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że sonda pomiarowa o stałym położeniu (A) i sonda pomiarowa o zmiennym położeniu (B) połączone są odpowiednio z pozostałymi elementami układu medium transmisyjnym La, Lb które stanowi połączenie bezprzewodowe przykładowo radiowe lub optyczne.The system is constructed as in the first example, with the difference that the measuring probe with a fixed position (A) and the measuring probe with variable position (B) are connected respectively with the other elements of the system, the transmission medium La, Lb, which is a wireless connection, e.g. radio or optical.

Przy wykorzystaniu łącza bezprzewodowego do komunikacji pomiędzy przyrządem pomiarowym a jego sondami pomiarowymi usprawnia się obsługę oraz skraca się czas niezbędny do wykonania pomiarów poprzez brak konieczności rozkładania galwanicznej linii łączącej.By using a wireless link for communication between the measuring device and its measuring probes, the operation is improved and the time necessary to perform measurements is reduced by not having to disassemble the galvanic connecting line.

Układ opisany w przykładach umożliwia przesyłanie informacji na odległość do zewnętrznego urządzenia pomiarowego/rejestrującego wówczas zamiast modułu odczytowego (6) można zastosować moduł pozwalający na rejestrowanie wyników łub przesyłanie wskazania przyrządu do odległego centrum przetwarzania informacji, po wyposażeniu go w odpowiedni układ dopasowujący, interfejs. Pozwoli to na ograniczenie narażania obsługi dokonującej pomiarów na oddziaływanie pół elektromagnetycznych poprzez automatyzację procesu pomiarowego.The system described in the examples enables the transmission of information at a distance to an external measuring / recording device, then instead of the reading module (6), a module for recording the results or sending the indications of the device to a remote information processing center, after equipping it with an appropriate interface matching circuit, can be used. This will allow to limit the exposure of the personnel performing the measurements to the influence of electromagnetic fields by automating the measurement process.

Układ do pomiaru rozkładu pola elektromagnetycznego działa następująco:The system for measuring the electromagnetic field distribution works as follows:

Sygnał z sondy pomiarowej o stałym położeniu A przesyłany jest do kodera 1A, w którym następuje przygotowanie sygnału do standardu przyjętego w wybranym medium transmisyjnym, potem trafia do medium transmisyjnego La, z którego z kolei trafia na wejście dekodera 2A, aby dostosować go do standardu wymaganego przez pozostałą część układu. Rozpoczęcie procesu pomiaru następuje po naciśnięciu przycisku START wtedy to w rejestrze 3 zostaje zapamiętana wartość odniesienia natężenia pola elektromagnetycznego, lub poszczególnych jego składowych, zmierzona sondą pomiarową o stałym położeniu A, zmierzona w chwili rozpoczęcia pomiarów, która jest w nim przechowywana przez cały czas trwania procedury pomiarowej związanej z badanym obiektem, a której sygnał X1 trafia na jedno z wejść modułu dzielącego 4, jako dzielnik. Na drugie z wejść modułu dzielącego 4, jako dzielna podana jest bieżąca wartość chwilowa sygnału Y1 odpowiadająca natężeniu pola elektromagnetycznego zmierzonego przy pomocy sondy pomiarowej o stałym położeniu A w czasie równym z chwilą pomiaru dokonywanego sondą pomiarową o zmiennym położeniu B. Na podstawie ilorazu tych wartości wejściowych sygnałów Χ1, Y1 otrzymuje się wartość odpowiadającą współczynnikowi korekcyjnemu X₂, która następnie trafia na jedno z wejść modułu mnożącego 5. Do drugiego wejścia modułu mnożącego 5 doprowadzona jest bezpośrednio bieżąca wartość chwilowa Y₂ pochodząca z sondy pomiarowej o zmiennym położeniu B za pośrednictwem kodera 1B, medium transmisyjnego Lb oraz dekodera 2B. Po wykonaniu iloczynu w module mnożącym 5 tych wartości wejściowych sygnałów X2, Y2 otrzymujeThe signal from the measuring probe with a fixed position A is sent to the 1A encoder, where the signal is prepared to the standard adopted in the selected transmission medium, then it goes to the La transmission medium, from which it in turn goes to the input of the 2A decoder to adapt it to the required standard through the rest of the system. The measurement process is started after pressing the START button, then in register 3 the reference value of the electromagnetic field strength or its individual components is stored, measured with a measuring probe with a fixed position A, measured at the moment of starting the measurements, which is stored in it for the entire duration of the procedure connected with the tested object, and the X1 signal goes to one of the inputs of the dividing module 4 as a divider. The current instantaneous value of the Y1 signal, corresponding to the electromagnetic field strength measured by the measuring probe with a fixed position A at the time equal to the moment of measurement with the measuring probe with variable position B, is given as a dividend to the second of the inputs of the dividing module 4. of signals Χ1, Y1, a value corresponding to the correction factor X ₂ is obtained, which then goes to one of the inputs of the multiplier 5. The current instantaneous value Y ₂ is fed directly to the second input of the multiplier 5 from the measuring probe with variable position B via the encoder 1B , the transmission medium Lb and the decoder 2B. After making the product in the multiplier of 5 these input values of the signals X2, Y2 gets

PL 227 913 B1 się poszukiwaną wartość natężenia pola elektromagnetycznego Z2 skorygowaną już o współczynnik korygujący Χ2.The sought value of the electromagnetic field strength Z2 is now corrected by the correction factor Χ2.

Za pomocą układu według wynalazku można skorygować w każdym badanym punkcie mierzone wartości w przestrzeni wokół badanego urządzenia emitującego pole elektromagnetyczne o wartość wynikającą z ewentualnych zmian napięć, prądów i/lub symetrii układu wielofazowego. Układ pozwala na zminimalizowanie popełnianych błędów w procesie walidacji metodami pomiarowymi rozkładu pola elektromagnetycznego uzyskanymi przy zastosowaniu metod obliczeniowych.With the system according to the invention, at each test point, the measured values in the space around the tested device emitting the electromagnetic field can be corrected by a value resulting from possible changes in voltages, currents and / or symmetry of the polyphase system. The system allows to minimize the errors made in the validation process by measuring the electromagnetic field distribution obtained with the use of calculation methods.

Claims

A system for measuring the distribution of electromagnetic field, characterized by the fact that it is equipped with a measuring probe with a fixed position (A) and a measuring probe with a variable position (B), of which the measuring probe with a fixed position (A) is connected in series with the encoder (1A), with the transmission medium (La), with a decoder (2A) and a register (3), equipped with a START button, and in turn the register (3) is connected to the input of the dividing module (4), to which this input is directly connected the output from the decoder (2A), while the output from the dividing module (4) is connected to the input of the multiplier (5), to which input is connected a measuring probe with variable position (B) via the encoder (1B), transmission medium (Lb ) and decoder (2B), and the output from the multiplier (5) is connected to the reading module (6).

2. The system according to claim The device as claimed in claim 1, characterized in that the decoder (2), register (3), dividing module (4), multiplier (5), reading module (6) are placed in a shielding housing (O), to which the inputs from the measuring probe with a constant position (A) and the variable position probe (B) through the transmission media (La, Lb) are introduced through the bushings (WA) and (WB), respectively.

3. The system according to p. The method of claim 1 or 2, characterized in that the transmission media (La, Lb) connecting the fixed position probe (A) and the variable position probe (B) with the rest of the system components, respectively, constitute a galvanic or wireless connection.

4. The system according to p. The method of claim 1, characterized in that the output from the multiplier (5) is connected to the result recording module (6) or transmitting the instrument indication to a remote information processing center.