Комаров С. Г., независимый исследователь, электромеханик
Аннотация
Предлагается к практическому изготовлению и последующему применению прибор для измерения электромагнитных всплесков (в том числе, для измерения максимальной амплитуды электромагнитных всплесков и подсчёта числа их поступления), возникащих, например, при динамической деформации материальных тел в лабораторных условиях и взрывах зарядов взрывчатых веществ (ВВ) при добыче полезных ископаемых карьерным способом.
Изобретатель – одиночка в домашних условиях не может изготовить данный прибор “в металле” из-за его технологической сложности, но, используя свой опыт и технические знания, он может обосновать техническую возможность его практического создания. Этот прибор может быть изготовлен в условиях специализированного предприятия специалистами в области оптоэлектроники и микроэлектроники.
Краткое содержание.
Прибор выполнен с применением первичного приёмника – усилителя электромагнитных всплесков в составе магнитной (или же электрической) антенны, избирательного электрического колебательного контура, усилителя электрических сигналов с большим коэффициентом усиления для тех частот, которые соответствуют максимуму спектра полезного сигнала, и одновремённо выполняющего роль полосового фильтра и детектора, и содержащего в одном из каскадов усиления укорачивающую дифференцирующую RC-цепь для передачи в конечном счёте импульсов детектора этого усилителя на выход первичного приёмника – усилителя, длительность которых соизмерима со временем нарастания исходных электромагнитных всплесков.
Кроме того, прибор выполнен с применением измерительного стержневого магнитострикционного преобразователя, содержащего электрический колебательный контур с обмоткой возбуждения, например, на одном конце магнитострикционного ферритового стержня, подстроечный конденсатор и клеммы присоединения колебательного контура к выходу первичного приёмника – усилителя электромагнитных всплесков через разделительный конденсатор; дифракционный, с изменением периода дифракционных полос, и интерференционный, с изменением положения торца стержня, преобразователи сжатий и колебаний на другом конце стержня в электрические сигналы; усиливающий, детектирующий и одновремённо суммирующий электрические сигналы усилитель электрических сигналов; амплитудный дискриминатор, а также блок обработки и регистрации информации.
Введение.
Обычно измерение параметров электромагнитных всплесков, например, возникающих при динамической деформации материального тела в лабораторных условиях, производят с применением магнитной или же электрической антенны, перенастраиваемого на частоту полезного сигнала входного электрического колебательного контура, усилителя высокочастотного сигнала – гармонических колебаний при допустимом уровне искажений от помех, и осциллографа с запоминанием информации.
Экспериментальные определения при этом способе измерений параметров электромагнитных всплесков показали невозможность его использования в условиях карьерной добычи полезных ископаемых из-за малого уровня полезных сигналов и невозможности приблизиться к источнику сигналов – к взрывному полю карьера, надёжно выделить полезный сигнал на фоне помех от прочих электрических и магнитных полей.
Детальное описание прибора.
В приложении на чертеже представлена структурная схема базовой части прибора для измерения электромагнитных всплесков.
В этой своей части прибор содержит чувствительный элемент, выполненный в виде стержня 1 из магнитострикционного материала – феррита; узел 2 крепления и защиты стержня 1 от вредных воздействий, обеспечивающий, например, высокий вакуум в объёме размещения стержня 1, его защиту от воздействия электрических и магнитных полей, которые не подлежат измерению и регистрации, и содержащий разъёмное кольцо 3 для подвески стержня 1 за его середину в узле 2; узел (на чертеже не обозначен) электромагнитного воздействия на стержень 1, состоящий из обмотки 4 возбуждения, в примере свободно размещённой на одном конце стержня 1, подстроечного конденсатора Сп переменной ёмкости, совместно с обмоткой 4 образующих электрический колебательный контур, настроенный на собственную частоту механических колебаний свободного стержня 1, клеммы “А” и “земля” для подключения колебательного контура через конденсатор Са к выходу первичного приёмника – усилителя электромагнитных всплесков (который на чертеже не показан); первый и второй преобразователи сжатий и колебаний на другом конце стержня 1 в электрические сигналы, при этом первый преобразователь выполнен с применением дифракционной решётки 5, размещённой на этом конце стержня 1, источника 6 монохроматического света, направленного на дифракционную решётку 5, и фотоприёмника 7 – преобразователя интенсивности дифрагированного света в электрический сигнал; второй преобразователь выполнен в виде интерферометра – с применением источника (лазера) 8 когерентного света, разделителя 9 оптических лучей, в первую очередь образованных источником 8 света, неподвижного зеркала 10, закреплённого в узле 2 крепления и защиты стержня 1 от вредных воздействий, подвижного зеркала 11, образованного торцом стержня 1, и фотоприёмника 12 – преобразователя интенсивности света в интерференционной картине в электрический сигнал; усиливающий и одновременно детектирующий и суммирующий усилитель 13 выходных электрических сигналов фотоприёмников 7, 12, при этом первый выход усилителя 13 от одного из каскадов усиления соединён с входом управления интенсивностью излучения источника 6 света первого преобразователя переменных сжатий конца стержня 1 в электрические сигналы; амплитудный дискриминатор 14 и блок 15 обработки и регистрации информации, при этом вход амплитудного дискриминатора 14 соединён со вторым выходом усилителя 13, а выход дискриминатора 14 соединён с входом блока 15 обработки и регистрации информации. Стержень 1 исходно (на определённую величину напряжённости магнитного поля) подмагничен (поляризован) керамической магнитной шайбой 16, из-за чего он длиннее, чем в своём естественном состоянии, из-за выбора материала стержня 1 положительной магнитострикции. (Известны материалы, обладающие “гигантской” магнитострикцией при слабых внешних магнитных полях и комнатных температурах. Это в основном соединения редкоземельных металлов с железом).
В исходном состоянии источник 6 монохроматического света непрерывно под углом посылает пучок света на дифракционную решётку 5, размещённую на втором конце стержня 1. Отразившийся от дифракционной решётки 5 свет, уже под другим углом, поступает на чувствительную площадку – вход фотоприёмника 7, где этот свет образует интерференционную картину, которая здесь же – фотоприёмником 7 преобразуется в электрический сигнал.
В свою очередь источник 8 света (лазер) непрерывно посылает когерентный луч света на разделитель 9 оптических лучей, который разделяет его на два луча. Один из лучей идёт к неподвижному зеркалу 10 и после отражения попадает на фотоприёмник 12, другой луч проходит через разделитель 9 оптических лучей на зеркало 11, образованное торцом стержня 1, и после отражения от него и далее – от разделителя 9 оптических лучей также попадает на фотоприёмник 12. Оба луча образуют интерференционную картину, из-за чего в чувствительной плоскости фотоприёмника 12 образуется яркое (или же наоборот – тёмное) пятно. Фотоприёмник 12 преобразует интенсивность света в интерференционной картине в электрический сигнал.
При покоящемся стержне 1 зеркало 11 не имеет движения (нет движения в пределе полупериода электрического поля в световом пучке, например, исходно соответствующем длине волны синего света 4, 8 х 10 в минус 6-ой степени мм, а половина периода электрического поля составляет 2, 4 х 10 в минус 6-ой степени мм, что определяет рабочий диапазон колебаний торцов стержня 1 в процессе их возбуждения 2, 4 х 10 в минус 6-ой степени мм) и сдвига интерференционной картины на чувствительной плоскости фотоприёмника 12 не происходит.
Поскольку нет сжатия конца стержня 1, то нет и изменения периода дифракционных полос дифракционной решётки 5 на конце стержня 1, и нет изменения дифрагированного света на входе фотоприёмника 7. В целом на выходах фотоприёмников 7 и 12 электрические импульсные сигналы отсутствуют, либо имеют минимальное значение, вызванное тепловыми колебаниями торцов стержня 1 или другими слабыми механическими воздействиями на магнитострикционный стержень 1 прибора.
Пример применения прибора для измерения электромагнитных всплесков – для измерения энергии каждого взрыва и подсчёта числа взрывов зарядов взрывчатых веществ (ВВ) при добыче полезных ископаемых карьерным способом.
При установке измерительного прибора на бровке карьера, произвести регистрацию электромагнитных излучений, вызванных взрывами зарядов взрывчатых вещеста (ВВ), невозможно, поскольку при этом в воздушной среде возникают ударные воздушные волны, звуковые волны и, кроме того, в массиве горных пород распространяются взрывные возмущения, которые в зависимости от зоны и характера их действия на породы можно разделить на ударные, сейсмоакустические и сейсмические волны. Вот эта совокупность воздействий на прибор (на его измерительный магнитострикционный преобразователь) не позволяет произвести необходимые измерения.
Для того, чтобы эти измерения в условиях карьера стало возможным осуществить, необходимо базовую часть прибора с вакуумированным измерительным магнитострикционным преобразователем поместить в отдельной подземной камере на значительном расстоянии от карьера и подвесить на “слоёном пироге” из стальных листов и резиновых прокладок (антисейсмическая изоляция). Передачу показаний прибора к диспетчеру карьера осуществить защищённой проводной связью.
Кроме того, в первую очередь следует произвести следующие работы:
а). С бровки карьера установить ряд определяемых параметров на примере единичного взрыва характерного заряда, используя при этом направленную на взрывное поле карьера антенну, усилитель электрических сигналов и осциллограф с сохранением информации во времени. При этом определяются форма электромагнитного всплеска от единичного взрыва заряда ВВ, его длительность, максимальная амплитуда, частота заполнения импульса высокочастотной составляющей, характер и параметры параллельно возникающих электромагнитных помех (в первую очередь их амплитуда, длительность и частота), вызванных “эхом” физических явлений в массиве горных пород и в воздушной среде.
б). На некотором расстоянии от карьера в сухую скважину опускают антенну, которая оказывается направленной на приём электромагнитного всплеска, возникающего уже при динамической деформации горного массива от распространения в нём взрывного возмущения, созданного единичным зарядом ВВ. И также определяются форма электромагнитного импульса, его длительность, амплитуда, частота заполнения импульса высокочастотной составляющей, параметры электромагнитных помех.
В результате анализа полученных результатов выбирают наиболее подходящий способ места установки и настройки приёмной антенны для приёма электромагнитных всплесков, высокочастотная составляющая которых стала известной, определяют конструкцию первичного приёмника – усилителя электромагнитных всплесков и место его установки.
В первичном приёмнике – усилителе усилитель следует тщательно экранировать (весь усилитель) и его входные цепи; заземлить всю установку, ввести высокочастотный фильтр между усилителем и источником питания, ввести в усилитель полосовые фильтры для выделения полезного сигнала и устранения вредных помех. Кроме того, в один из ближайших ко входу каскадов этого усилителя (подключенного в конечном счёте к нагрузке через детектор, но после полосовых фильтров выделения полезного сигнала и устранения помех), следует ввести укорачивающую дифференцирующую RC-цепь, которая должна устранять наложение импульсов полезных сигналов, действующих на входе схемы усилителя.
Воспринимаемый первичным приёмником – усилителем электромагнитный всплеск, образованный взрывом заряда ВВ, имеет сравнительно малое время нарастания и более продолжительный спад высокочастотного заполнения. После выделения по частоте, усиления, детектирования, укорачивания и дополнительного усиления такие импульсы будут очень короткой продолжительности, но разной амплитутуды, в зависимости от энергии взорванного заряда ВВ.
Сформированный таким образом из электромагнитного всплеска короткий электрический импульс (или серия коротких импульсов) подаётся от первичного приёмника – усилителя через коаксиальную линию связи на входные клеммы “А” – “земля” (см. чертёж). Колебательный контур, образованный обмоткой 4 возбуждения и конденсатором Сп, и настроенный на частоту собственных колебаний магнитострикционного стержня 1, принимает этот короткий электрический импульс и преобразует его в переменный, быстро затухающий по амплитуде, ток в обмотке возбуждения 4. Переменный ток в обмотке 4 возбуждения приводит к изменениям напряжённости магнитного поля в стержне 1. Поскольку стержень 1 исходно подмагничен (поляризован) на заданную величину напряжённости поля, то стержень 1 станет изменять свои размеры синфазно с изменением этого поля: при увеличении напряжённости магнитного поля стержень будет удлиняться (поскольку он положительной магнитострикции), а при уменьшении напряжённости поля – укорачиваться. При этом частота колебаний стержня 1 будет совпадать с частотой вызывающего эти колебания переменного магнитного поля, а амплитуда колебаний из-за подмагниченности стержня 1 возрастёт практически вдвое.
В стержне 1 образуется быстро затухающая со временем стоячая звуковая волна. Аналогично, в колебательном контуре образуются быстро затухающие колебания электрического тока. Из-за чего, при исходно выбранной высокой собственной частоте стержня 1 (например, при длине ферритового стержня порядка 50 мм собственная частота колебаний торцов стержня составляет порядка 50 000 Гц), возможно надёжно детектировать порядка ста электромагнитных всплесков в секунду, возникающих на входе прибора. Так как стержень 1 возбуждается на основной собственной частоте, то на нём укладывается половина длины волны звука, так что в середине стержня 1 образуется узел смещений стоячей волны. Именно это позволяет закрепить стержень 1 за его середину в узле 2 его крепления и защиты от вредных воздействий (устраняется утечка энергии из стержня 1).
Смещение зеркала 11 на какую-то, даже очень малую, часть от половины длины оптической волны источника 8 света приводит к частичному сдвигу интерференционной картины на чувствительном поле фотоприёмника 12 и на выходе фотоприёмника 12 появляются электрические импульсы, амплитуда которых пропорциональна сдвигу интерференционной картины. Кроме того, изменение периода дифракционных полос дифракционной решётки 5 и её смещение вместе с концом стержня 1 также приводит к появлению на выходе фотоприёмника 7 электрических импульсов, пропорциональных сжатию конца стержня 1, которые могут быть согласованы по фазе с электрическими импульсами на выходе фотоприёмника 12.
Информация об интенсивности и частоте электромагнитных всплесков (положительного сигнала), поступающих от первичного приёмника – усилителя в колебательный контур, и через него – в магнитострикционный стержень 1, содержится только в огибающей сигнала, образуемого от сжатий и колебаний конца стержня 1 фотоприёмниками 7 и 12 и усилителем 13 электрических импульсов. Поэтому сигнал от колебаний торцов стержня 1 необходимо детектировать.
Точность измерений тем выше, чем сильнее положительный сигнал. Интенсивность огибающей зависит от разности максимальной и минимальной амплитуд колебаний. Глубина модуляции зависит от частоты следования электромагнитных всплесков. Чем реже они происходят (в пределе – до полного затухания акустической энергии в стержне 1), тем на большую величину успевают затухнуть колебания торцов стержня 1 до очередного поступления возбуждающего импульса. Поэтому электрические импульсы с выходов фотоприёмников 7 и 12 подаются на входы усиливающего, суммирующего и одновремённо детектирующего усилителя 13 электрических импульсов, а затем электрические импульсы с первого выхода усилителя 13 (после первого усиления) подаются на вход управления интенсивностью излучения источника 6 монохроматического света, чем самым обеспечивается согласованная внутренняя модуляция. Электрические импульсы со второго выхода усилителя 13 (после суммирования и детектирования сигналов) через амплитудный дискриминатор 14 далее передаются в блок 15 обработки и регистрации информации, и только в том случае, если они превышают по интенсивности заданный порог амплитудного дискриминатора 14. Чем самым, например, при отсутствии глубокого термостатирования стержня 1, устраняется влияние на выходные параметры измерений колебаний торцов стержня 1 от действия температуры и малых помеховых механических воздействий на прибор (на его измерительный магнитострикционный преобразователь). Блок 15 обработки и регистрации информации осуществляет вычисление и регистрацию амплитуды и частоты (числа) поступающих к измерительному прибору электрических импульсов.
Из-за известности методов обработки и регистрации информации, применимых к данному способу измерений, конструктивное содержание блока 15 здесь не раскрывается. Но он должен быть построен “в духе времени” – с применением специализированного микропроцессора и прочих узлов микроэлектроники.
Из-за сложности изготовления преобразователя дифрагированного света в электрические сигналы (выполнен по описанию выше с применением дифракционной решётки 4, источника 6 монохроматического света и фотоприёмника 7 – преобразователя дифрагированного света в электрические сигналы) он может быть исключён из состава первого опытного образца прибора с обеспечением требуемой эффективности его работы путём выбора материала магнитострикционного стержня 1.
Использованная литература:
1. В. В. Майер Простые опыты с ультразвуком, М., “Наука”, 1978, стр. 7 – 18.
2. В. П. Исаев, А. А. Гурин Ликвидация отказавших зарядов при взрывных работах, М., “Недра”, 1984, стр. 19-48.
3. Комаров С. Г. Устройство для счёта взрывов. Авторское свидетельство № 1005109, приоритет изобретения 12 октября 1981 г.
4. Информационный листок № 211 – 76 Свердловского межотраслевого территориального центра НТИ и пропаганды, 1976 г.
5. Журнал “Наука и жизнь”, №7, 1985, М., Издательство “Правда”, Магнетизм без чудес…, стр. 24-32.
6. Цитович А. П. Ядерная радиоэлектроника. Издательство “Наука” , М. 1967, стр. 22-25, 91 – 93, 222 – 223, 355 – 358, 373 – 375, 439 – 440, 471 – 475.
7. Кл. Суорц Необыкновенная физика обыкновенных явлений , 2, М., “Наука”, 1987, стр. 82-83.
Приложение: чертёж.
